Разработка конструктивных решений устройств для возведения крепи в условиях геоходной технологии

УДК 622 28 В.Ю. Садовец, А.В. Коперчук

РАЗРАБОТКА

КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВОЗВЕДЕНИЯ КРЕПИ В УСЛОВИЯХ ГЕОХОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Приведены отличительные признаки новой технологии образования полости в подземном пространстве, основным элементом которой является процесс возведения постоянной крепи. Авторами сформулированы требования к устройствам возведения постоянной крепи, а также выделены основные технологические операции по возведению постоянной крепи. На основании сформулированных требований было разработано конструктивные решение для возведения монолитной железо-бетонной крепи и устройство для возведения винтовой законтурной крепи. Представлены основные достоинства и недостатки разработанных конструктивных решений.

Ключевые слова: горные машины, геоход, геоходная технология, крепевозводящий модуль, постоянная крепь.

При возведении горных выработок, подземных сооружений и магистральных тоннелей одним из основных процессов, определяющих скорость и стоимость образования полости в подземном пространстве, является крепление. По сравнению с другими технологическими операциями проходческого цикла возведение постоянной крепи характеризуется большой долей ручного труда [1].

В настоящее время активно развиваются элементы геоход-ной технологии проведения выработок. Геоходная технология, обладая отличительными особенностями в сравнении с существующими технологиями, является перспективным направлением в области освоения подземного пространства [2].

Геоходная технология — процесс механизированного проведения горных выработок с формированием и использованием системы законтурных винтовых и продольных каналов, в котором операции по разработке забоя, уборке горной массы, креплению выработанного пространства, а также перемещению всей проходческой системы на забой осуществляются в совме-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 327-335. © 2017. В.Ю. Садовец, А.В. Коперчук.

щенном режиме [3]. Базовым элементов геоходной технологии является геоход (рис. 1).

Основными функциональными модулями геоходов являются:

• носитель, обеспечивающий перемещение геохода в среде вмещающих пород и создании напорных усилий;

• исполнительный модуль, разрушающий забой горной выработки, а также формирующий систему законтурных винтовых и продольных каналов, для перемещения геохода в геосреде;

• породоуборочный модуль, загружающий отделенную горную массу на устройство транспортирования;

• крепевозводящий модуль, устанавливающий постоянную крепь, имеющую специальную конструкцию для использования системы законтурных каналов выработки.

Наиболее непроработанным является крепевозводящий модуль. Крепевозводящий модуль геохода — это функциональное устройство, предназначенное для возведения постоянной крепи, адаптированное под условия и учитывающее возможности геоходной технологии.

В настоящее время при механизации возведения постоянной крепи применяются различные технические устройства [4]. Проведенный анализ показал, что ни одно из существующих технических устройств для возведения постоянной крепи не удовлетворяет требованиям геоходной технологии проведения выработок [5]. Отсутствие аналогов и уникальность геоходной технологии обосновывает необходимость разработки и создания обоснованных технических решений крепевозводящего модуля геохода [6].

Рис. 1 328

Основным элементом полости в подземном пространстве является постоянная крепь. Рациональность выбора типа, а также качество выполняемых работ по возведению постоянной крепи влияют на срок службы полости в подземном пространстве [7]. Кроме того, следует отметить, что для геоходной технологии возможно создание принципиально новых конструкций крепи горных выработок и обделок подземных сооружений, материалоемкость которых на 30—50% ниже традиционных конструкций [8].

К разрабатываемым конструктивным схемам крепевозводя-щих модулей геохода нами были сформулированы основные технологические и технические требования [9].

Требования к крепевозводящему модулю:

• должен иметь наименьшие габаритные размеры;

• должен перемещаться по выработке вслед за геоходом;

• должен устанавливать секции крепи без остановки модуля;

• должна происходить совместная работа модуля с геоходом, т.е. какой участок прошли такой и закрепили;

• должен не перекрывать зону выработки;

• установка секций в приемное устройство должна быть менее трудоемкой;

• доставка крепи до модуля должна быть механизирована;

• перемещение секций в самом модуле нуждается в полной механизации;

• скорость установки крепи должна как можно меньше тормозить работу геохода.

Требования к технологии возведения:

• возведение крепи не должно препятствовать остальным технологическим операциям;

• соединения должны надежно соединять секции между собой;

• технология возведения должна прямо зависеть от скорости геохода;

• установка полной конструкции крепи должно быть как можно больше механизированной.

Требования к узлам:

• работа всех узлов модуля должна быть слаженна;

• ремонт каждого узла должен быть мало трудоемким и занимающим небольшой период времени;

• расположение узлов не должно влиять на производственные операции;

• работа узлов должна быть безопасной для персонала.

В технологическом процессе крепления полости в подземном пространстве в условиях геоходной технологии можно выделить следующие основные технологические операции [10]:

• подготовка элементов крепи к установке (соединение элементов верхняка, укладка элементов в транспортные кассеты и др.);

• подготовка поверхности выработки к установке крепи;

• установка несущих элементов крепи;

• крепление несущих элементов с ранее установленной рамой;

• предварительное соединение составных частей крепи в узлы;

• поднятие верхняка под кровлю выработки и его фиксация;

• соединение узлов крепи с несущими элементами;

• установка межрамных распорок;

• заполнение пространства между поверхностью выработки и постоянной крепью быстротвердеющими материалами.

На основании вышеуказанных требований нами были разработаны принципиальные конструктивные схемы крепевозводя-щего модуля геохода, позволяющие возводить монолитную железобетонную крепь и винтовую законтурную крепь в условиях геоходной технологии.

На рис. 2 представлена принципиальная схема крепевозво-дящего модуля геохода для возведения монолитной железобетонной крепи.

Данное решение механизированной опалубки состоит из: сеток для армировки монолита 1; корпуса опалубки 2; секций опалубки 3; выдвижных труб для подачи раствора в заливное пространство 4.

Работает устройство следующим образом. Корпус 2 крепе-возводящего модуля присоединяется к хвостовой секции геохода гидравлическими домкратами (на рисунке не показаны). В начале цикла работы по возведению участка монолитной крепи крепевозводящий модуль располагается практически вплотную к хвостовой секции геохода. Совершая вращательно-поступа-тельное движение, геоход продолжает ввинчиваться в массив, а крепевозводящий модуль остается неподвижным. Соединяющие гидродомкраты выдвигаются. В этот момент одновременно

Рис. 2

Рис. 3 Рис. 4

также выдвигаются четыре секции опалубки 3 крепеустановщи-ка, на которых предварительно установлена армирующая сетка 1 (рис. 3).

В образовавшейся полости между массивом горных пород, опалубкой, возведенной ранее крепи, и корпусом крепеуста-новщика выдвигаются трубы для подачи быстротвердеющего раствора 4. Равномерное заполнение полости происходит за счет равномерной задвижки труб обратно в корпус крепеуста-новщика (рис. 4). После затвердевания возведенного участка монолитной крепи секции опалубки отрываются путем задвигания их к центру корпуса крепеустановщика. Подтягивание корпуса крепевозводящего модуля к геоходу осуществляется за счет гидродомкратов. далее процесс повторяется.

Представленная принципиальная схема позволяет: возводить монолитную крепь кольцевого сечения; не проводить предва-

Рис. 5

рительного крепления сетки к поверхности выработки; возводить монолитную крепь вслед за продвижением геохода по трассе выработки.

Основными недостатками представленной схемы являются:

• высокая стоимость быстротвердеющего раствора;

• необходимость согласования времени на возведение участка крепи со временем продвижения геохода на забой такой же длины.

Для возведения законтурной винтовой крепи нами была разработана принципиальная схема крепевозводящего модуля, представленная на рис. 5. Техническое решение крепевозводящего модуля геохода состоит из рамы 1, на которой крепятся винтовые направляющие 2. На винтовых направляющих располагаются ведущие ролики, имеющие свой привод, и вспомогательные роликами 4, поддерживающие элементы крепи в процессе их установки. Крепевозводящий модуль имеет возможность перемещения с помощью колес 5 по продольным каналам выработки.

Процесс по возведению постоянной крепи осуществляется в следующей последовательности:

• на специальном устройстве элемент крепи (на рис. 6 показан желтым цветом), сложенные в определенной последовательности, доставляются к рабочей траверсе (рис. 6, прямая стрелка);

• с помощью ведущих роликов, элемент крепи проходит между винтовыми направляющими по спирали (рис. 6, круговая стрелка);

• после набора трех витков крепи (рис. 7), элементы крепи предварительно соединяют между собой;

Рис. 6 332

Рис. 7

• при помощи вспомогательных роликов, собранные витки крепи выдвигаются в законтурный винтовой канал;

• окончательно элементы крепи стягиваются между собой, затем крепевозводящий модуль перемещается дальше на незакрепленное пространство.

Представленное решение крепевозводящего модуля позволяет одновременно, в автоматизированном режиме, возводить до трех секций (витков) крепи.

Основными недостатками представленной схемы технического устройства являются:

• геометрические параметры законтурных каналов должны соответствовать параметрам крепевозводящего модуля;

• колеса для перемещения модуля должны иметь возможность задвижения к центру.

Указанные недостатки крепевозводящих модулей геоходов, представленных в статье, делают необходимым проведение дальнейших научно исследовательских и конструкторских работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аксенов В. В., Садовец В. Ю. Оценка необходимости создания крепевозводящего модуля геохода и его функциональных устройств // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2012. — № S3. — С. 9—14.

2. Аксенов В. В., Садовец В. Ю., Резанова Е. В. Синтез технических решений нового класса горнопроходческой техники // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2009. — № 8. — С. 56—63.

3. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Буялич Г. Д., Бегляков В.Ю. Влияние уступа на НДС призабойной части горной выработки // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № ОВ2. — С. 55—67.

4. Аксенов В. В., Ефременков А. Б., Садовец В. Ю., Резанова Е. В. Формирование структурного портрета геохода // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2010. — № 1. — С. 35—41.

5. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Обоснования формы забоя выработки геохода / Сборник трудов Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении». - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - С. 492-496.

6. Садовец В. Ю., Пашков Д. А. Последовательность операций возведения крепи в условиях геовичестерной технологии / Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2014. Материалы XV Международной научно-практической конференции, 6-7 ноября 2014 г., Кемерово. - Кемерово, 2014. - С. 63.

7. Садовец В. Ю., Аксенов В. В. Ножевые исполнительные органы геоходов: монография. - Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Heinrich-Böcking-Str. 6-8, 66121 Saarbrücken, Germany, 2011. - 141 с.

8. Аксенов В. В., Хорешок А. А., Ефременков А. Б., Казанцев А. А., Бегляков В. Ю., Вальтер А. В. Создание нового инструментария для формирования подземного пространства // Горная техника. - 2015. -№ 1. - С. 24-26.

9. Аксенов В. В., Казанцев А. А., Дортман А. А. Обоснование необходимости создания систем крепи горных выработок при проходке геовинчестерной технологии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - № S3. - С. 138-143.

10. Аксенов В. В., Казанцев А. А. Армирующая законтурная крепь горных выработок - новый подход к строительству подземных сооружений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. -№ ОВ6 Институт угля Сибирского отделения РАН. - С. 411-418. ü^n

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Садовец Владимир Юрьевич1 - кандидат технических наук, доцент, e-mail: vsadovec@yandex.ru, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева,

Коперчук Александр Викторович1 - кандидат технических наук, доцент, e-mail: avkop@tpu.ru, 1 Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета.

UDC 622.28

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 327-335. V.Yu. Sadovets, A.V. Koperchuk DEVELOPMENT OF CONSTRUCTIVE SOLUTIONS FOR THE CONSTRUCTION OF DEVICES ROOF SUPPORT IN CONDITIONS GEOHODNOY TECHNOLOGY

The article presents the features of the new technology form a cavity in the underground space, the main element of which is the process of construction of permanent support. The authors formulated the requirements for the construction of permanent support units, as well

as identified the main technological operations for the construction of permanent support. On the basis of the requirements set forth constructive solutions have been developed for the construction of monolithic reinforced concrete lining and a device for the construction of a screw aquifer lining. The main advantages and disadvantages of the developed design solutions are presented.

Key words: mining machines, geohod, mining technology with geokhod, module for the construction of roof supports, permanent support.

AUTHORS

Sadovets V.Yu.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: vsadovec@yandex.ru, Kuzbass State Technical University named after T. Gorbachev, 650000, Kemerovo, Russia,

KoperchukA.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: avkop@tpu.ru, 1 Yurga Institute of Technology (Branch) of National Research Tomsk Polytechnic University, 652055, Yurga, Russia.

REFERENCES

1. Aksenov V. V., Sadovets V. Yu. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2012, no S3, pp. 9-14.

2. Aksenov V. V., Sadovets V. Yu., Rezanova E. V. Izvestiya vysshikh uchebnykh zave-deniy. Gornyy zhurnal. 2009, no 8, pp. 56-63.

3. Aksenov V. V., Sadovets V. Yu., Buyalich G. D., Beglyakov V. Yu. Gornyy informatsi-onno-analiticheskiy byulleten'. 2011, Special edition 2, pp. 55-67.

4. Aksenov V. V., Efremenkov A. B., Sadovets V. Yu., Rezanova E. V. Vestnik Kuzbassko-go gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2010, no 1, pp. 35-41.

5. Aksenov V. V., Sadovets V. Yu., Beglyakov V. Yu. Sbornik trudov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s elementami nauchnoy shkoly dlya molodykh uchenykh «Innovatsionnye tekhnologii i ekonomika v mashinostroenii» (Innovative Technologies and Economy in Machine Engineering: Proceedings of International Scientific-Practical Conference and School for Young Scientists), Tomsk, Izd-vo TPU, 2010, pp. 492-496.

6. Sadovets V. Yu., Pashkov D. A. Prirodnye i intellektual'nye resursy Sibiri. Sibresurs 2014. Materialy KhV Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferent-sii, 6-7 noyabrya 2014 g., Kemerovo (Natural and Intellectual Resources of Siberia. Sibresurs-2014: XV International Scientific-Practical Conference Proceedings, November 6-7, 2014, Kemerovo), Kemerovo, 2014, pp. 63.

7. Sadovets V. Yu., Aksenov V. V. Nozhevye ispolnitel'nye organygeokhodov: monografiya (Knife-type heading elements of Geo-Walkers: monograph), LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Heinrich-Böcking-Str. 6-8, 66121 Saarbrücken, Germany, 2011, 141 p.

8. Aksenov V. V., Khoreshok A. A., Efremenkov A. B., Kazantsev A. A., Beglyakov V. Yu., Val'ter A. V. Gornaya tekhnika. 2015, no 1, pp. 24-26.

9. Aksenov V. V., Kazantsev A. A., Dortman A. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2012, no S3, pp. 138-143.

10. Aksenov V. V., Kazantsev A. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2013, Special edition 6. Institut uglya Sibirskogo otdeleniya RAN, pp. 411-418.