СТВОЛОПРОХОДЧЕСКИЙ КОМБАЙН
TUNNELING MACHINE

Изобретение относится к области горного дела, а именно к горнопроходческому оборудованию для осуществления проходки и строительства вертикальных шахтных стволов.
Известен механизированный комплекс для проходки вертикальных стволов горных предприятий буровзрывным или механизированным способом, включающий стволопроходческий агрегат и многоэтажный проходческий полок, на котором расположены средства пневмотранспорта разрушенной породы, при этом стволопроходческий агрегат перемещается в стволе отдельно (независимо) от проходческого полка при помощи собственных опорных гидроцилиндров (домкратов), а полок перемещается по стволу при помощи тяговых лебедок, установленных на поверхности, при этом внешнее, опорное кольцо проходческого полка позволяет производить монтаж тюбингового кольца, его подъем и стыковку с тюбинговой колонной [Описание полезной модели к патенту РФ №137573 от 08.07.2013, МПК E21D 1/03, E21D 5/12, опубл. 20.02.2014].
Реализуемый настоящим комплексом способ сооружения шахтного ствола не контролирует объемы извлекаемой породы, что связано со спецификой использования взрывной технологии. В итоге увеличивается объем вынутой породы и, как следствие, объем и масса бетонной крепи со значительным превышением нормативных требований к ней. Это снижает скорость проходки и увеличивает капитальные затраты на строительство. При этом при реализации более производительной механизированной технологии разработки забоя (т.к. отпадает необходимость прекращения работ при проведении взрывных мероприятий) становится невозможно устанавливать крепь до момента разработки комбайном породы на очередной шаг, равный высоте одного ряда тюбингов с поправкой на необходимый технологический зазор, необходимый для монтажа следующего тюбингового кольца. Таким образом, скорость проходки ствола ограничивается принятой в данной технологии скоростью разработки забоя или скоростью монтажа крепи, а неизбежные технологические перерывы в работе соответствующего оборудования из-за невозможности одновременного выполнения этих операций дополнительно приводят к увеличению срока строительства горного предприятия. Кроме этого, применение пневмотранспорта для удаления разрушенной породы в составе стволопроходческого агрегата требует гарантированного гранулометрического состава породы, что в случае применения взрывной, так и механизированной технологии можно обеспечить использованием дополнительных устройств для разрушения полученных обломков, что усложняет конструкцию комплекса. При этом следует учесть, что все оборудование, независимо от перспективы его использования, должно находиться на подвесном полке. В результате, производительность комплекса увеличится незначительно, а затраты энергии на его обслуживание будут значительно выше необходимых.
Известен агрегат для проходки вертикального ствола горного предприятия и монтажа гидроизолирующей тюбинговой и/или бетонной крепи, включающий опорную раму, состоящую из нескольких сегментов и представляющую собой монтажную и центрирующую площадку для установки тюбингов в вертикальном стволе горного предприятия и оборудованную средствами гидравлического привода, поворотное кольцо и, по меньшей мере, один фрезерующий орган шнекового типа, связанный с электрическим приводом и стволовую погрузочную машину [Описание полезной модели к патенту РФ №119031 от 09.04.2012, МПК E21D 1/08, опубл. 10.08.2012].
Как и все известные одноуровневые (в части размещения рабочего оборудования) проходческие комплексы настоящий агрегат ограничен в производительности, которая определяется скоростью монтажа тюбинговой (или бетонной) крепи или скоростью разработки забоя, которые выполняются последовательно с поправкой на простои, связанные с плановой работой остального забойного оборудования, например, при проходке крепких пород увеличивается время на их разработку и др., а также необходимостью обслуживания забойного оборудования, проходящего достаточно часто за пределами времени монтажа крепи. Отсутствие задела по проходке забоя тормозит монтаж крепи, например, бетонной, и снижает общую скорость проходки.
3
Известно устройство для проходки вертикальных горных выработок, преимущественно, шахтных колодцев при создании лучевых дренажей или водозаборов с использованием опускной крепи, которое содержит платформу, установленную с возможностью вращения на кольцевой опоре и погрузчик, размещенный на платформе с возможностью поворота в горизонтальной плоскости [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1793057 от 18.07.1990, МКИ E21D 1/03, опубл. 07.02.1993]. После наполнения ковша производят поворот погрузчика на определенный угол. Ковш останавливается точно над подъемным сосудом, зафиксированным на платформе, фиксированное положение погрузчика и сосуда увеличивает скорость проходки выработок.
Монтаж опускной крепи технологически увязан с работой устройства для проходки, поэтому любая остановка оборудования для проходки останавливает процесс монтажа очередного фрагмента бетонной крепи. Кроме этого, устройство работает лишь на мягких обводненных грунтах с прогнозируемой геологической структурой и на выработках небольшого диаметра и глубины, например, до 50 метров, где процесс разрушения породы совмещен с процессом ее выемки, а монтаж бетонной крепи осуществляется на противоположном конце выработки - на поверхности земли. Таким образом, настоящее устройство не может быть использовано при капитальном сооружении глубоких шахтных стволов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является стволопроходческий комбайн, характеризующийся наличием корпуса с поворотным основанием и приводом его поворота, при этом поворотное основание в своей нижней части содержит цапфу, расположенную со смещением к периферии, на конце которой закреплена поворотная рукоять с породоразрушающим органом, а со стороны, противоположной размещению цапфы с породоразрушающим органом, расположено сквозное окно, оснащенное поворотным кронштейном, на котором закреплен погрузочный орган с ломающейся стрелой и ковшом, причем породоразрушающий и погрузочный органы выполнены с возможностью вести разработку забоя и уборку разрушенной породы одновременно и раздельно в технологически самостоятельных зонах в течение всего процесса разработки [Описание изобретения к патенту РФ №2600807 от 29.09.2015, МПК E21D 1/03, опубл. 27.10.2016, Бюл. №30].
Недостатки прототипа заключаются в том, что для обеспечения непрерывной отгрузки разрушенной горной массы бадью необходимо перед началом каждого цикла отгрузки отсоединять от подъемного устройства с целью недопущения повреждения подъемного троса бадьи, а по завершении каждого цикла отгрузки необходимо присоединять бадью к подъемному устройству. Это приводит к простоям, снижающим общую производительность работ. Также бадья занимает пространство непосредственно в забое, что может мешать нормальному функционированию комбайна, особенно в случае недостаточно высокой квалификации оператора комбайна, так как изменение пространственного положения бадьи, то есть зоны временного складирования породы, в процессе разработки забоя практически невозможно, в то время как технологические зоны разрушения породы и уборки породы постоянно перемещаются вслед за перемещением комбайна. Это снижает эффективность соблюдения комбайном принципа параллельности выполнения работ. Кроме того, частое выполнение ручных операций с подъемным оборудованием в шахтных условиях (сниженная концентрация рабочих вследствие стрессовых условий труда, слабое освещение, стесненное пространство и т.д.) существенно повышает риск возникновения аварийных ситуаций, связанных, например, с недостаточно надежным креплением бадьи к тросу, способным привести к обрыву бадьи.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - обеспечение временного складирования разрушенной горной массы, не препятствующего функционированию стволопроходческого комбайна, работающего с соблюдением принципов параллельности выполнения работ. Достигаемый эффект заключается в сокращении времени простоев комбайна с целью увеличения технической производительности, а также в повышении удобства и безопасности ведения горных работ.
Поставленная задача решается за счет того, что на корпусе стволопроходческого комбайна со стороны сквозного окна, противоположной технологической зоне уборки разрушенной породы (в зоне временного складирования разрушенной породы) смонтирован бункер, в нижней части которого выполнено устройство для осуществления разгрузки складированной в бункере разрушенной породы вниз. Кроме того:
- бункер закреплен на стенке поворотного основания, разграничивающей сквозное окно от остального основания;
- устройство для осуществления разгрузки складированной в бункере выполнено в виде шибера, оборудованного механизмом его горизонтального сдвига;
- бункер выполнен с возможностью вертикального осевого перемещения.
Изобретение иллюстрируется фигурами, схематично изображающими описанный стволопроходческий комбайн, его конструктивные элементы и принцип работы:
- на фиг. 1 показан вид комбайна сверху;
- на фиг. 2 показан вид бункера сзади;
- на фиг. 3 показан общий вид стволопроходческого комбайна в сечении в исходном положении;
- на фиг. 4 показан общий вид стволопроходческого комбайна в сечении в рабочем положении;
- на фиг. 5 показан общий вид стволопроходческого комбайна в сечении в положении разгрузки породы из бункера в бадью.
Стволопроходческий комбайн включает корпус L с поворотным основанием 2, в котором «выполнено окно 3, закрепленный на поворотном основании 2 породоразрушающий орган избирательного действия 4, который располагается преимущественно под частью поворотного основания 2, не занятой сквозным окном 3, закрепленный на поворотном основании 2 со стороны сквозного окна 3 поворотный кронштейн 5, на котором закреплен погрузочный орган 6 с ломающейся стрелой и ковшом, причем породоразрушающий 4 и погрузочный 6 органы выполнены с возможностью вести разработку забоя и уборку разрушенной породы одновременно и раздельно в технологически самостоятельных зонах в течение всего процесса разработки, размещенный на корпусе 1 со стороны сквозного окна 3, противоположной технологической зоне уборке разрушенной породы, бункер 7, в нижней части которого выполнено устройство для осуществления разгрузки складированной в бункере разрушенной породы вниз. При этом бункер удобно располагать на стенке 8 поворотного основания 2, разграничивающей сквозное окно 3 от остального поворотного основания 2. Стволопроходческий комбайн, как и всякая машина для ведения горных работ в подземных условиях, должен выполнять различные операции, в том числе складирование и отгрузку горной породы, в условиях стесненного пространства. Для наиболее эффективного использования пространства устройство для осуществления разгрузки складированной в бункере 7 породы выполнено в виде шибера 9, оборудованного механизмом его горизонтального сдвига, а сам бункер 7 выполнен с возможностью вертикального осевого перемещения.
Устройство для осуществления разгрузки складированной в бункере 7 породы может быть выполнено, например, следующим образом. Часть днища бункера 7 составляет шибер 9, соединенный с роликами 10, размещаемыми в горизонтально ориентированных направляющих 11. При этом ролики 10 кинематически связаны с гидроцилиндрами 12 сдвига шибера 9.
Устройство для вертикального осевого перемещения бункера 7 может быть выполнено, например, следующим образом. Бункер 7 оснащен рамой 13, в которой выполнены вертикально ориентированные направляющие 14 и поперечная перекладина 15, соединенная с бункером 7, роликами 16, размещаемыми в вертикально ориентированных направляющих 14, и гидроцилиндрами вертикального перемещения бункера 17, связанными с поперечной перекладиной 15.
Рассмотрим принцип работы комбайна на следующем примере.
В исходном положении, показанном на фиг. 3, комбайн опирается на забой при помощи, например, секций щитовой распорной оболочки 18, гидроцилиндры подачи 19 втянуты, на корпусе 1 закреплены ползуны 20 в виде роликов, выполненные с возможностью взаимодействия с секциями щитовой распорной оболочки 18. Породоразрушающий орган 4 выставлен в центральное положение для забуривания в забой. Бункер 7, закрепленный на стенке 8 поворотного основания комбайна 2 со стороны сквозного окна 3, находится в нижнем положении относительно рамы 13, то есть гидроцилиндры 17 втянуты. Гидроцилиндры 12 сдвига шибера 9 находятся во втянутом положении. Погрузочный орган 6 с ломающейся стрелой и ковшом закреплен на поворотном кронштейне 5, расположенном на поворотном основании 2 со стороны сквозного окна 3.
Разработка забоя осуществляется следующим образом. Закрепленная на породоразрушающем органе 6 фреза 21 приводится во вращение, посредством соответствующего привода 22, гидроцилиндры 19 выдвигаются, за счет чего корпус 1 с закрепленными на нем конструктивными элементами опускается относительно секционной щитовой оболочки 18, поддерживая вертикально-направленное движение за счет расположенных на корпусе 1 ползунов 20, взаимодействующих с секционной щитовой оболочкой 18. В процессе разработки забоя во избежание повреждения секционной щитовой оболочки 18 и/или фрезы 21 отдельные секции секционной щитовой оболочки 18 имеют возможность перемещаться вверх относительно корпуса 1 за счет изменения величины выдвижения отдельных гидроцилиндров 19, как показано на фиг. 4. Разработка забоя ведется последовательными секциями; причем зона работы породоразрушающего органа 4 является технологической зоной разработки забоя. После завершения разработки секции забоя поворотное основание 2 поворачивается относительно корпуса 1 посредством привода 23, смещая зону разработки забоя в область с неразрушенным горным массивом, а технологическую зону отгрузки в разработанную только что секцию забоя. Таким образом, по мере разработки забоя образуется горная масса 24, которая убирается с забоя посредством погрузочного органа 6 (на фиг. 4 рабочее положение погрузочного органа 6 в момент уборки горной массы 24 с забоя показано пунктирными линиями), работающего в технологической зоне отгрузки, и перегружается для временного складирования в бункер 7. При этом разрушение и уборка породы ведутся непрерывно и последовательно в технологически самостоятельных зонах, а наличие бункера 7 позволяет организовать еще одну технологическую зону - зону временного хранения горной массы.
После наполнения бункера 7 поворотное основание комбайна 2 разворачивается в позицию для приема бадьи 25 и разгрузки содержимого бункера 7 в нее. При этом для облегчения процесса разгрузки и/или обеспечения возможности размещения бадьи 25 бункер 7 перемещается в верхнее положение относительно рамы 13, как показано на фиг. 5. Для этого выдвигаются гидроцилиндры вертикального перемещения бункера 17, поднимая поперечную перекладину 15, а следовательно и связанный с поперечной перекладиной 15 бункер 7. При этом вертикально-ориентированное перемещение бункера 7 поддерживается за счет роликов 16, движущихся по направляющим 14. Для разгрузки содержимого бункера 7 в бадью 25 гидроцилиндры 12 сдвига шибера 9 выдвигаются, приводя в движение шибер 9. При этом горизонтально-ориентированное движение поддерживается за счет перемещения кинематически связанных с гидроцилиндрами 12 сдвига шибера 9 роликов 10, перемещающихся по направляющим 11. По мере смещения шибера 9 относительно исходного положения содержимое бункера 7 разгружается в бадью 25. После полной разгрузки бункера 7 в бадью 25 гидроцилиндры 12 сдвига шибера 9 втягиваются, закрывая бункер 7, наполненная бадья 25 удаляется из забоя, гидроцилиндры вертикального перемещения бункера 17 также втягиваются, и продолжается работа комбайна.
В результате использования изобретения решена задача обеспечения - временного складирования разрушенной горной массы, не препятствующего функционированию стволопроходческого комбайна, работающего с соблюдением принципов параллельности выполнения работ, что позволило сократить время простоев комбайна с целью увеличения технической производительности, а также повысить удобство и безопасность ведения горных работ.