Динамическая диагностика систем «Сосуд-армировка» вертикальных шахтных стволов

© С.Р. Ильин, Г.Д. Трифанов 2009

С.Р. Ильин, Г.Д. Трифанов

ДИНАМИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА СИСТЕМ «СОСУД — АРМИРОВКА»

ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ

Описана технология динамической диагностики жесткой армировки в вертикальных шахтных стволах, базирующаяся на применении портативных цифровых станций для измерения динамических параметров взаимодействия подъемных сосудов с армировкой в рабочих и тестовых режимах движения. Приведены результаты диагностики в промышленных условиях действующих рудников. Ключевые слова: шахтная подъемная установка, локальные дефектов, техническое состояние подземного оборудования, система «сосуд-армировка».

Шахтная подъемная установка (ШПУ) является протяженной, многозвенной, полиосцилляторной колебательной системой со многими степенями свободы. В ней присутствуют звенья с жесткими ограничениями на допускаемые значения рабочих параметров и звенья с широкими допусками на пределы их изменения. При ее работе в некоторых случаях возможны сильные проявления взаимного влияния динамических процессов, одновременно происходящих в разных, достаточно далеко локализованных друг от друга звеньях.

Техническое состояние каждого из звеньев характеризуется набором определенных диагностических параметров. Допустимые значения некоторых из них в настоящее время определены действующими нормативными документами, для остальных параметров соответствующие нормативы на допуски отсутствуют. В работоспособном (исправном) техническом состоянии каждое из звеньев ШПУ должно работать в проектном динамическом режиме, исключающем наличие нештатного влияния динамики других звеньев.

При наличии локальных дефектов нарушается динамическая изолированность процессов в отдельных звеньях и появляется непроектная перекачка энергии динамических процессов в одних звеньев и ее временная концентрация в движении одного звена или пары смежных звеньев. Такая перекачка соответствует непредвиденной активизации в системе резонансов различного типа (внешних, внутренних в т.ч. параметрических, «биений», автоколебаний

и т.п.). Наиболее опасные из этих резонансов, явно и аварийно проявившиеся на практике за время существования шахтного подъема, учтены в действующей проектной документации. Ряд других резонансных явлений, завуалированных от внимания обслуживающего персонала, проявляются опосредованно, через цепочку динамических звеньев и выражаются в нарушении проектного режима работы отдельного звена, концентрирующего в своей работе дополнительную, сверхпроектную энергию за счет накопления и системного эффекта от суммарного влияния незначительных дефектов в работе других звеньев. Такие явления еще не изучены и не отражены в нормативной документации по обслуживанию, наладке, диагностике и испытаниям оборудования ШПУ. Особенно это касается стволового оборудования ШПУ, эксплуатирующегося в условиях затрудненного доступа при интенсивном коррозионном и механическом износе элементов армировки, минимальных допусков на амплитуды колебаний подъемных сосудов (20—30) миллиметров по сравнению с их габаритными размерами (10—20) метров, малых допустимых отклонений проводников от вертикали (10 мм на смежных ярусах), больших контактных нагрузок в паре «сосуд-проводник», передающихся на расстрелы и крепь ствола.

Наиболее объективную информацию о фактических параметрах и особенностях технического состояниях подземного оборудования ШПУ с длительными сроками эксплуатации, необходимую для оценки его технического состояния дают специализированные обследования с аппаратурными динамическим испытаниями подъемов на рабочих и специальных тестовых режимах с последующей системной компьютерной обработкой результатов.

В результате анализа данных более 100 обследований и динамических испытаний систем «сосуд-армировка» шахтных стволов с определением их технического состояния и уровня эксплуатационной безопасности, проведенных Лабораторией диагностики оборудования ШПК ИГТМ Н.С.Полякова НАН Украины установлено, что на протяжении жизненного цикла функционирования ствола, от момента его строительства и до момента закрытия, параметры технического состояния армировки по глубине ствола на его участках претерпевают существенные изменения. На отдельных участках значения этих параметров для отдельных элементов армировки могут отличаться от проектных в 8—10 раз. [1]

Согласно проекту, все яруса армировки рассчитаны на то, чтобы работать в одинаковых условиях нагружения и на одном уровне противостоять нагрузкам со стороны подъемных сосудов и около-ствольного массива, но уже в течение первых десяти лет эксплуатации в силу воздействия агрессивной среды, динамических нагрузок, сдвижения пород, ремонтных работ образуется резко неоднородная по глубине ствола картина распределения уровней несущей способности элементов армировки — проводников и расстрелов.

Примером может служить диаграмма уровней остаточных сечений проводников и расстрелов одного из рудников (рисунок 1). Здесь верхняя прямая показывает проектный уровень (100 %), а сплошные кривые показывают его значение в развертке по ярусам армировки. Пунктиром отмечен уровень потери сечения 20 %, ниже которого объект должен подвергаться специальным обследованиям для оценки его технического состояния и уровня безопасности эксплуатации. Видно, что, например, на балках центрального расстрела имеются аномальные участки вверху ствола у ярусов № № 60—50 потери до 90 % сечения с соответствующим уровнем потери несущей способности, тогда как в среднем по стволу потеря сечения составляет 50— 70 %.

Для проводников эта картина уже другая. Первый проводник потерял до 40 % сечения вверху ствола, а второй имеет явную местную аномалию на участке ярусов № № 270—280 и потери 50 % сечения при общем уровне в стволе сохранения до 80 % сечения.

Проводники и расстрелы армировки выполнены из металлопроката коробчатого, двутаврового или швеллерного поперечного сечения. Уменьшение геометрических размеров их поперечных сечений вследствие коррозии и износа приводит к пропорциональному снижению остаточных моментов сопротивления а значит и к потере прочностных свойств и несущей способности элементов и конструкции яруса армировки в целом. В силу этого образуется прочностная неоднородность свойств армировки.

коэффициент Остаточный коэффициент Остаточный коэффициент

Проектный уровень----- Центральный расстрел

і

° О 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400

Номера ярусов

Номера ярусов

Номера ярусов

Проектный уровень —-------------^ ПрОВОДНИК №2

1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 >В 0.4 І 03

I 02 | 0.1

° о

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400

Номера ярусов

Рис. 1. Диаграмма уровней остаточного сечения элементов армировки рудоподъемного ствола

Аналогичный процесс потери однородности свойств происходит и в геометрических параметрах профилей проводников, по которым движутся подъемные сосуды, в силу чего образуется геометрическая неоднородность армировки по глубине ствола.

Абсолютные отклонения проводников от вертикали, мм

Рис. 2. Диаграмма отклонений проводников от вертикали клетевого отделения рудоподъемного ствола

На рис. 2 показан профиль проводников в клетевом отделении другого ствола, попавшего в зону мульды сдвижения горных пород (Украина). Между ярусами № № 70-150 мы видим явную геометрическую аномалию отклонения проводников от вертикали. Понятно, что именно на таком участке динамическое взаимодействие сосуда с армировкой будет носить неблагоприятный характер, особенно в условиях перехода на повышенную скорость работы.

Рис. 3. Коэффициенты нарушений параметра «отклонения проводников на смежных ярусах»

Коэффициент нарушения параметра «угол наклона оси сосуда»

— - - - юго-западное скиповое отд.

— северо-западное скиповое отд.

— юго-восточное скнповое отд.

---северо-восточное скнповое отд.

Рис. 4. Коэффициенты нарушения параметров «угол наклона оси сосуда» в лобовой плоскости

На рис. 3 и 4 показаны графики распределения по глубине ствола одного из рудников геометрических коэффициентов, характеризующих отношение фактических параметров на каждом ярусе армировки к предельно допустимым нормативным значениям. Видно, что по глубине ствола для каждого из параметров есть участки, где его значение превосходит величину 1, соответствующую нормативному уровню.

Следующим видом неоднородности по глубине ствола является режим работы самой подъемной машины (кинематическая неоднородность). На рис. 5 показана диаграмма скорости вращения подъемной машины клетевого отделения. На ней видно, что в соот-

ветствии с требованиями ЕПБ на каждом рабочем горизонте происходит замедление подъемного сосуда до 1 м/с2. Ниже показан график, полученный дифференцированием этой диаграммы, и представляющий собой вертикальное ускорение подъемного сосуда до 4—5 м/с2.

Наши исследования показали, что в точках ствола, где происходит резкое изменение скорости подъемного сосуда, а особенно при срабатывании предохранительного тормоза, за счет возбуждения вертикальных колебаний сосуда на упругом канате на некоторых участках ствола возникают в несколько раз (до 4-5) большие, чем при движении по ним с постоянной скоростью, горизонтальные удары сосуда по проводникам. Повторяясь от цикла к циклу, они способствуют накоплению усталостных повреждений в проводниках и расстрелах, образованию трещин по сварным швам, ослаблению узлов крепления проводников, расшатыванию расстрелов в местах заделки в крепь.

Время, с

Время, с

Рис. 5. Диаграмма окружной скорости и ускорения барабана подъемной машины клетевого отделения ствола

Все эти неоднородности проявляясь одновременно на каждом цикле и медленно меняясь во время длительной эксплуатации, влияют на процесс динамического взаимодействия сосуда с арми-ровкой на каждом участке ярусов, который он проходит при спуске и подъеме, в груженом или порожнем состоянии.

Для точного определения в стволе мест с аномально высоким уровнем динамических нагрузок и низким уровнем запасов прочности проводников и расстрелов применяется метод динамической диагностики с использованием портативных цифровых измерительных станций для измерения динамических параметров взаимодействия сосудов с армировкой, компьютерной обработкой, математическим анализом данных измерений и прочностными расчетами металлоконструкций элементов армировки под действием эксплуатационных нагрузок с учетом поярусных значений остаточной толщины стенок проводников и расстрелов [2, 3].

Так как современные цифровые станции могут работать непрерывно по несколько часов в подземных условиях на протяжении десятков циклов спуска-подъема сосуда с записью данных на диск бортового компьютера, то этот метод обеспечивает накопление данных на большой выборке циклов для выявления статистически достоверной и объективной картины динамического нагружения армировки по глубине ствола во время длительной эксплуатации подъема.

Анализ данных измерений динамических параметров и параметров профилей проводников показывает, что в большинстве случаев участки с наибольшими по уровню динамическими нагрузками совпадают с положением участков со сверхнормативными отклонениями геометрических параметров проводников от вертикали.

В то же время, участки армировки с наибольшими по уровню динамическим нагрузками не всегда оказываются в наихудшем положении по такому оценочному параметру технического состояния, как запас прочности проводников или расстрелов. Кроме нагрузок, вторым основным фактором, определяющим безопасность работы участка армировки на принятом скоростном режиме работы подъема, является его остаточная прочность, зависящая от величины износа металлоконструкций.

Деформационно-прочностные расчеты, выполненные с учетом фактических поярусных значений динамических нагрузок и значе-

ний остаточной толщины стенок проводников и расстрелов показывают, какие именно участки в стволе эксплуатируются с запасом прочности, сниженным до потенциально опасного уровня 1,0— 1,25. Такое состояние требует проведения специальных мероприятий по приведению армировки в надлежащее состояние. Мероприятия могут заключаться либо в проведении коррекции профиля проводников для снижения контактных нагрузок либо в ремонте и усилению изношенных расстрелов на указанных участках.

Работы по обследованию армировки стволов и другого вспомогательного оборудования, в конечном итоге, направлены на разработку и реализацию мероприятий по управляемому переводу работоспособности армировки на более высокий уровень эксплуатационной безопасности. Решению этой задачи подчинены все этапы технологии обследования шахтных стволов.

Первый этап заключается в проведении оптико-визуального осмотра ствола (частичного технического осмотра) бригадой специалистов, оснащенных специальными инструментом для определения остаточной толщины металлоконструкций проводников и расстрелов, прочности соединений, уступов на стыках проводников, состояния крепи стволов и средствами документирования результатов осмотра с адресной привязкой к глубинным отметкам либо номерам ярусов армировки.

Вторым этапом работ состоит из динамических испытаний армировки, которые проводятся для детализации картины динамического нагружения армировки по отдельным участкам ствола и ранжированию этих участков по уровням нагружения.

Третьим этапом работ проводиться специальная математическая обработка данных профилировок и выполнение совместного анализа результатов математической обработки динамических и геометрических параметров проводников по участкам ярусов ствола.

Четвертый этап работы заключается в проведении деформационно-прочностных расчетов проводников, расстрелов, подъемных сосудов, определении остаточных запасов прочности и выявление наиболее нагруженных элементов, динамических прогибов, оценки их по предельным состояниям на основании данных измерений остаточной толщины и поярусных значений динамических нагрузок на проводники.

На пятом этапе работ проводят техническое диагностирование. Он предполагает, в конечном итоге, разработку прогноза долговечности работы армировки в зависимости от принятых режимов эксплуатации подъема.

Шестой этап работ заключается в совместном анализе данных математической обработки профилировок, контактных нагрузок, остаточных запасов прочности и деформаций металлоконструкций и комплексно разрабатываются мероприятия по сохранению работоспособности армировки и сосудов на требуемом уровне.

Применение данной технологии в скиповых, клетевых и контрвесных отделениях стволов дает возможность:

• оперативно выявить и локализовать по глубине ствола потенциально-опасные и аварийно-опасные для эксплуатации участки армировки ствола в зависимости от скорости и режимов работы сосудов, износа металлоконструкций армировки;

• разработать научно-обоснованные рекомендации по ремонту армировки на выявленных участках и определять степени его очередности в зависимости от режимов эксплуатации подъема для поддержания его на требуемом уровне безопасности;

• определить безопасную скорость движения подъемных сосудов с учетом фактического состояния армировки и профиля проводников;

• исключить необоснованные сплошные замены проводников и расстрелов на основе объективной локализации участков ствола с параметрами профиля проводников, уступами на стыках, вызывающими опасные динамические перегрузки при движении подъемного сосуда.

Примером результата реализации описанного метода может служить показанный на рисунке 6 графики лобовых динамических нагрузок на проводники скипового отделения до и после выполнения ремонтных работ по нашим рекомендациям в стволе с параметрами проводников, показанными на рисунках 3 и 4.

Анализ этих графиков показывает, что после выполнения специальной коррекции профиля проводников, рассчитанной в процессе выполнения диагностических работ, максимальные нагрузки на проводники снизились в нижней части ствола на 50 %. Соответственно увеличились запасы прочности элементов армировки на

этих участках и снизились динамические напряжения в элементах корпуса скипа.

Л

нмйиГ

“ЛГ

-зоо -310 -320

4и

-340 -350 -360 -370 и. 7

АН

"380

-400 -410 -420 -430 -440 -450 -4ЙП .“V

-

Контактные нагрузки, кН

До ремонта * После ремонта

Рис. 6. Лобовые контактные нагрузки на проводники № 1и № 2 скипового отделения ствола

Разработка и внедрение системы мероприятий по оценке технического состояния подъемных комплексов, важнейшей составной частью, которой является технология динамических испытаний действующего стволового оборудования, позволяет своевременно осуществить профилактические меры и обеспечить необходимый

уровень эксплуатационного состояния шахтных стволов в соответствии с современными требованиями безопасности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильин С.Р. Разработка и обоснование общей диагностической модели оборудования шахтных подъемных установок/ ИГТМ НАН Украины. Геотехническая механика. Межвед. Сб-к. науч. тр. Вып. 76, Днепропетровск. — 2008, —

2. Манец И.Г., Грядущий Б.А., Левит В.В. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов. Под общ редакцией С.А.Сторчака. Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2008. — 596 с. 473.

3. Ильин С.Р. Адресный динамический контроль систем «сосуд-жесткая армировка» шахтных стволов с длительными сроками эксплуатации на основе применения портативных цифровых универсальных измерительных станций. /Сб. науч. тр. НИИГМ им. М.М.Федорова «Проблемы эксплуатации оборудования шахтных стационарных установок». Донецк 2004. — с.43—52.

Iljin S.R., Trifanov G.D.

DYNAMIC DIAGNOSTICS OF THE «VESSEL — REINFORCEMENT»

SYSTEMS OF VERTICAL MINE SHAFTS

The technology of rigid reinforcement dynamic diagnostics in vertical mine shafts, based on portable digital stations using for measurement of dynamic parameters of elevating vessels interaction with reinforcement in working and test modes of movement, is described in the article. results of diagnostics in industrial conditions of operating mines are shown.

Key words: mine hoisting plant, local defects, technical condition of the underground equipment, system "vessel-reinforcement".

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Ильин С.Р. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией проблем диагностики и испытаний оборудования шахтных подъемных комплексов ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины, e-mail: iljin_sr@mail.ru

Трифанов Г.Д. — доцент, кандидат технических наук, заведующий кафедрой горных и нефтепромысловых машин (Пермский государственный технический университет), e-mail: kanat@pstu.ru.

с.44—63