СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНОЙ ВЫРАБОТКИ И ЩИТОВОЙ ПРОХОДЧЕСКИЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONSTRUCTION OF UNDERGROUND WORKING AND SHIELD TUNNELING UNIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и строительству подземных сооружений и связано с формированием направленной искусственной полости в недрах Земли, обеспечивающей доступ к подземному объекту, которым может быть станция метро, участок месторождения полезных ископаемых, очаг техногенной катастрофы и т.д. В частности, изобретение относится к механизированному проведению подземных выработок с круглой формой поперечного сечения.
Известен способ проведения подземной выработки щитовым проходческим агрегатом, в котором формирование выработки осуществляют разрушением массива горных пород режущим органом агрегата, состоящего из головной и хвостовой секций, при вращении головной секции в одну сторону. При этом нарезают винтовые каналы в окружающем массиве горных пород, с размещением в них внешних движителей агрегата, за счет чего обеспечивают поступательное перемещение головной секции агрегата в сформированной выработке. Хвостовую секцию агрегата подтягивают вслед за головной и при этом нарезают продольные каналы в окружающем массиве горных пород, с размещением в них элементов противовращения, предотвращающих вращение хвостовой секции [Эллер, А.Ф. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. - Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992. - 192 с.] (аналог способа).
Таким способом можно проводить выработки различного назначения и направления (горизонтальные, вертикальные, наклонные), но только прямолинейные, он не позволяет проводить криволинейные выработки, в частности, для огибания непреодолимых препятствий или опасных проявлений геосреды, что ограничивает область его применения только прямолинейными выработками, проводимым по горным породам с наперед известными физическими свойствами.
Известен проходческий агрегат для проведения подземной горной выработки круглого поперечного сечения, содержащий винтовую, концевую и режущую секции, исполнительный орган, механизм вращения, насосную станцию и блок распределителей [Эллер, А.Ф. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. - Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992. - 192 с.] (аналог агрегата). К недостатку конструкции агрегата следует отнести жесткую соосную ориентированность составных частей агрегата, в частности, винтовой и концевой секций, из-за чего она не позволяет проводить криволинейные в плане выработки, ограничивая область применения агрегата только прямолинейными выработками.
В качестве прототипа принят способ проведения подземной выработки проходческим агрегатом, включающий разрушение массива горных пород вращением головной секции агрегата с режущим исполнительным органом, нарезку в массиве горных пород за контуром выработки винтовых каналов, размещение в них внешних движителей, обеспечивающих поступательное перемещение агрегата, формирование в том же массиве продольных каналов и размещение в них элементов противовращения хвостовой секции агрегата, удерживающих ее от вращения, подтягивание хвостовой секции агрегата вслед за головной, погрузку обитой горной породы в транспортное средство и крепление выработанного пространства [Пат. 2552539, МПК E21D 9/06. Геоход (Проходческий щитовой агрегат); заявка 2013153850, заявлено 04.12.2013, патентообладатель ОАО Кемеровский опытный ремонтно-механический завод «КОРМЗ», опубл. 10.06.2015, бюл. №16].
Недостатком способа является невозможность проведения криволинейных выработок, в частности, для огибания непреодолимых препятствий или опасных проявлений геосреды.
За прототип агрегата принят проходческий щитовой агрегат, содержащий последовательно установленные головную и хвостовую цилиндрические секции, соединенные между собой с возможностью поворота головной секции вокруг своей продольной оси. Режущий орган в виде двух барабанов жестко закреплен на головной секции посредством рамной конструкции; на внешней стороне головной цилиндрической секции закреплен внешний движитель, выполненный в виде коротких секторов спиральной поверхности, и имеющий разрушающие органы движителя, установленные перед ними; внутри головной секции на опорах скольжения установлен погрузочный орган роторного типа с погрузочными лопатками, привод которого установлен на внутренней поверхности хвостовой секции; на наружной цилиндрической поверхности хвостовой секции закреплены продольные элементы противовращения, перед которыми установлены разрушающие органы элементов противовращения; головная и хвостовая секции связаны между собой посредством буртика на краю головной секции и выточки на забойном краю хвостовой секции [Пат. 2552539, МПК E21D 9/06. Геоход (Проходческий щитовой агрегат); заявка 2013153850, заявлено 04.12.2013, патентообладатель ОАО Кемеровский опытный ремонтно-механический завод «КОРМЗ», опубл. 10.06.2015, бюл. №16].
Недостатком прототипа является отсутствие устройства, обеспечивающего изменение направления движения агрегата.
Перечисленные недостатки снижают эффективность строительства подземных выработок, особенно выработок специального назначения с искривленной траекторией.
Цель изобретения - повышение эффективности строительства подземных выработок различного назначения за счет обеспечения относительной гибкости составных частей агрегата и, вследствие этого, возможности проведения криволинейных участков выработки при огибании непреодолимых препятствий и/или неблагоприятных проявлений геосреды.
Поставленная цель достигается тем, что в способе строительства подземной выработки, включающем формирование ориентированной полости в недрах Земли щитовым проходческим агрегатом, состоящим из головной и хвостовой секций, расположенных последовательно и соосно, прямым ходом при вращении головной секции в одну сторону, нарезку винтовых и продольных каналов в приконтурной зоне выработки в массиве окружающих горных пород, с размещением в них внешних движителей и элементов противовращения агрегата, соответственно, ввинчивание головной секции и подтягивание хвостовой и поддержание выработанного пространства возведением крепи, в соответствии с техническим решением формирование выработки, ввинчивание головной секции агрегата и подтягивание хвостовой секции осуществляют одновременно, винтовой канал нарезают режущим органом агрегата, при нарезке винтового и продольных каналов обеспечивают гарантированный зазор между внешним движителем и боковыми стенками винтового канала и между элементами противовращения и боковыми стенками продольного канала, при формировании криволинейного участка выработки головную секцию сжимают и изгибают в соответствующем направлении, затем формируют выработку в указанном направлении; по мере подтягивания хвостовой секции в криволинейном участке выработки ее изгибают по профилю выработки, причем отклонение продольной оси формируемой части выработки от оси сформированной части выработки обеспечивают в зависимости от геометрических размеров и взаимного расположения головной и хвостовой секций, движителей и элементов противовращения агрегата и зазоров в сопряжениях перечисленных частей агрегата в выработке, винтовом и продольных каналах, соответственно, а после выхода агрегата из криволинейного участка переводят в исходное положение головную и хвостовую секции.
Поставленная цель достигается также тем, что в щитовом проходческом агрегате, содержащем последовательно и соосно расположенные головную и хвостовую цилиндрические секции, соединенные между собой с возможностью поворота головной секции вокруг своей продольной оси; режущий орган, закрепленный на головной секции посредством рамной конструкции; внешний движитель, выполненный в виде выступающих лопастей; погрузочный орган, установленный внутри головной секции, продольные элементы противовращения с расположенными перед ними разрушающими органами элементов противовращения, установленными на наружной поверхности хвостовой секции, в соответствии с техническим решением режущий орган выполнен в виде большого и малых (одного, двух и более) радиально направленных цепных баров с резцами, установленных в плоскости перпендикулярной продольной оси агрегата с возможностью перемещения по рамной конструкции в радиальном направлении, причем вылет стрелы малого бара соответствует контуру цилиндрической поверхности головной секции, вылет стрелы большого бара выходит за указанный контур на величину, соответствующую высоте лопасти внешнего движителя; головная и хвостовая секции выполнены из нескольких витков листового профиля в виде однозаходной спирали, смежные витки которой сопряжены межу собой пазом и буртиком, причем ширина паза больше толщины буртика, а сам паз выполнен во внутреннем пространстве лопасти движителя головной секции и во внутреннем пространстве хвостовой секции, причем витки листового профиля сопряжены с возможностью взаимного перемещения как по углу, так и по продольной оси секции; внешний движитель выполнен несущим в виде винтовой лопасти по всей длине линии сопряжения витков; на внутренней поверхности головной секции по нормали к линии подъема спирали установлены домкраты управления направлением движения агрегата, равномерно распределенные по всей длине линии сопряжения витков и связывающие смежные витки; край головной секции со стороны хвостовой секции выполнен с нормально ориентированным к продольной оси торцом, жестко связан с промежуточной секцией, на ее внутренней поверхности жестко закреплено зубчатое колесо, во внутреннем зацеплении с ним находится ведущая звездочка, ось и привод которой жестко закреплены на внутренней поверхности хвостовой секции.
Сущность изобретения поясняется схемами. На фиг. 1 показан общий вид проходческого щитового агрегата (вид сбоку); на фиг. 2 - то же (вид в плане); на фиг. 3 - то же (вид спереди); на фиг. 4 проходческий агрегат (продольный разрез); на фиг. 5 - вид А на фиг. 4; на фиг 6 - проходческий агрегат в массиве горных пород при проведении прямолинейной выработки; на фиг. 7 - сечение Б-Б на фиг. 6., поясняющее наличие зазора: На фиг. 8 - изменение направления движения головной секции агрегата; на фиг. 9 - проходческий агрегат в массиве горных пород при проведении криволинейного участка выработки.
Щитовой проходческий агрегат содержит режущий орган 1, головную 2, промежуточную 3 и хвостовую 4 секции и погрузочный орган (не показан), а также систему управления (не показана).
Головная секция 2 выполнена в виде цилиндрической обечайки 5 и содержит элементы зацепления 6 и 7, раму 8, кронштейны 9 и гидродомкраты 10. Обечайка 5 выполнена из нескольких спиральных витков листового профиля с нормально ориентированным к продольной оси секции торцом со стороны промежуточной секции. Элемент зацепления 6 (он же внешний движитель) выполнен в виде П-образного нормально направленного наружу выступа по краю профиля со стороны режущего органа. Элемент зацепления 7 выполнен в виде нормально направленного наружу буртика по противоположному краю профиля. При этом ширина внутреннего пространства П-образного выступа больше толщины буртика. Средние витки обечайки 5 находятся в зацеплении, как с предыдущим витком, так и с последующим, путем введения буртика 7 во внутреннее пространство П-образного выступа 6, и допускают взаимное перемещение витков, как угловое, так и по оси секции. На внутренней стенке первого со стороны режущего органа витка обечайки жестко закреплена рама 8, предназначенная для установки режущего органа 1. К внутренней стороне головной секции, равномерно распределенные по всей длине линии сопряжения витков, приварены кронштейны 9 крепления гидравлических домкратов 10 управления направлением движения агрегата, причем продольная ось домкрата ориентирована по нормали к линии подъема спирали сопряжения витков.
Режущий орган 1 состоит из большого 11 и малых (одного, двух и более) 12 цепных баров в форме эллипса с резцами, их двигателей и редукторов. В исходном положении цепные бары 11 и 12 установлены на раме 8 перпендикулярно продольной оси агрегата и радиально направлены. Вылет стрелы малого бара 12 соответствует внешнему контуру цилиндрической поверхности головной секции, вылет стрелы большого бара 11 выходит за указанный контур на величину, соответствующую высоте лопасти внешнего движителя 6. При этом плоскость эллипса большого бара 11 ориентирована в створе с внешним движителем 6. Бары 11 и 12 установлены на раме 8 с возможностью радиального перемещения.
Промежуточная секция 3 выполнена в виде двух цилиндров 13 (внутреннего) и 14 (наружного), при помощи буртиков 15 (наружного) и 16 (внутреннего) введенных в зацепление между собой с возможностью свободного вращения одного цилиндра относительно другого. На внутренней поверхности цилиндра 13 жестко закреплено зубчатое колесо 17. При этом один край цилиндра 13 жестко связан с торцом головной секции 2, например, сваркой, а противоположный край цилиндра 14 аналогичным образом связан с хвостовой секцией 4.
Хвостовая секция 4 выполнена в виде цилиндрической обечайки 18 из нескольких спиральных витков листового профиля с нормально ориентированными к продольной оси секции торцами и содержит: элементы зацепления 19, 20, элементы противовращения 21, режущие органы 22 элементов противовращения, ведущую звездочку 23 с приводом вращения головной секции. Спиральный виток листового профиля со стороны головной секции имеет элемент зацепления 19, выполненный в виде П-образного выступа, направленный внутрь обечайки 18 и нормально ориентированный к ней. С противоположной стороны профиль имеет элемент зацепления 20, выполненный в виде буртика, также направленный по нормали внутрь обечайки 18. Ширина внутреннего пространства П-образного выступа больше толщины буртика, а высота буртика меньше высоты полок П-образного выступа. Средние витки обечайки связаны между собой и крайними витками путем введения буртика 20 во внутреннее пространство П-образного выступа 19. Такая связь допускает как продольное перемещение витков обечайки в пределах ширины внутреннего пространства П-образного выступа, так и угловое, нарушающее соосность соседних витков в любом направлении. Элементы противовращения 21 установлены вдоль продольной оси хвостовой секции на наружной поверхности каждого витка обечайки 18 и радиально ориентированы к ней. Перед элементом противовращения витка, контактирующего с промежуточной секцией 3, также на наружной поверхности обечайки установлен режущий орган 22 элемента противовращения, выполненный в виде трапецевидной фрезы и имеющий возможность перемещения по оси вращения фрезы.
Зубчатое колесо 17, установленное на внутренней поверхности цилиндра 13 промежуточной секции 3, введено во внутреннее зацепление с ведущей звездочкой 23, установленной на внутренней поверхности обечайки 18 хвостовой секции 4.
Перед началом проведения выработки агрегат устанавливают в исходное положение, при котором элементы противовращения 21 надежно зафиксированы от поворота вокруг продольной оси агрегата, режущий орган 1 вплотную придвинут к массиву горной породы, внешний движитель 6 введен в заранее подготовленный винтовой канал 24.
Проведение подземной выработки круглого поперечного сечения осуществляется следующим образом. Включают в работу режущий орган 1 - цепи с резцами на большом 11 и малых 12 барах начинают двигаться.
Включают приводы режущих органов 22 элементов противовращения 21 и привод ведущей звездочки 23, которая, оставаясь на месте, вращает зубчатое колесо 17 - внутренний цилиндр 13 промежуточной секции 3 и вместе с ним головная секция 2 начинают поворачиваться.
С началом вращательного движения головной секции 2 режущий орган 1 в составе большого Пи малых 12 цепных баров начинает разрушать массив горной породы, формируя проводимую выработку 25. При этом малый бар 12 (один или несколько) обеспечивает заданный диаметр проводимой выработки и гарантированный зазор между обечайкой головной секции и массивом вмещающих пород. Этот зазор обусловливается вылетом стрелы малого бара за контур обечайки головной секции и регулируется радиальным перемещением малого бара 12 по раме 8. Большой бар 11, разрушая горную породу в забое выработки, кроме того нарезает винтовой канал 24 в приконтурном массиве, в который входит лопасть внешнего движителя 6. При этом большой бар 11 нарезает винтовой канал 24 шире, чем толщина лопасти внешнего движителя 6. Опираясь на борт винтового канала 24 (дальний от забоя выработки) внешний движитель обеспечивает поступательное перемещение головной секции 2 на забой. При этом между лопастью внешнего движителя 6 и противоположным бортом винтового канала 24 существует гарантированный зазор.
При повороте головной секции 2 на один оборот вокруг своей оси:
- указанная секция, ввинчиваясь в породный массив по винтовому каналу 24, переместится на шаг навивки витков листового профиля;
- за счет зацепления буртика 7 с П-образным выступом 6 переместится на ту же величину промежуточная секция 3, которая подтянет за собой и хвостовую секцию 4;
- при движении хвостовой секции 4 вслед за головной каждый режущий орган 22 элемента противовращения нарежет в приконтурном массиве продольный канал 26 по длине равный шагу навивки витков обечайки головной секции, а сами элементы противовращения переместятся по этим каналам на ту же величину.
То есть, формирование выработки, ввинчивание в нее головной секции агрегата и подтягивание хвостовой осуществляют одновременно.
Выработку после агрегата крепят кольцевой рамной крепью.
При необходимости изменения направления проводимой выработки (непреодолимое препятствие, инженерные коммуникации и т.п.) сначала выключают режущий орган 1 при работающем некоторое время приводе звездочки 23. В результате этого все витки листового профиля головной секции 2 смыкаются в пределах зазоров между лопастью движителя и винтовым каналом - головная секция сжимается. Затем изгибают головную секцию, включая в работу гидродомкраты 10. При этом часть из них, расположенную дальше от оси искривления выработки (домкраты внешнего радиуса), - на выдвижение штока, другую часть, расположенную ближе к упомянутой оси (домкраты внутреннего радиуса) - на втягивание штока. Гидродомкраты, расположенные между ними (домкраты среднего радиуса), - остаются в нейтральном положении. Такой изгиб головной секции возможен только в пределах перемещения буртика 7 во внутреннем пространстве лопасти 6, а также за счет ликвидации зазора между лопастью внешнего движителя 6 и забойным бортом винтового канала 24.
В результате давления со стороны домкратов внешнего радиуса первый виток обечайки головной секции своей частью, дальней от центра искривления выработки, сместится к забойному борту винтового канала 24, а частью, расположенной ближе к центру искривления, останется на месте, удерживаемый гидродомкратами ближнего радиуса.
В следующем обороте головной секции эти операции повторяют и тем самым обеспечивают плавное искривление проводимой выработки в заданном направлении. При этом головная секция за счет зацепления витков листового профиля изгибается все больше и больше в заданном направлении, обеспечивая тем самым и искривление проводимой выработки.
При подходе к началу искривления выработки хвостовой секции сначала обеспечивают необходимый зазор между элементами противовращения и боковыми стеками продольных каналов путем увеличения их ширины. Для этого режущие органы 22 элементов противовращения, выполненные в виде усеченного конуса, выдвигают дальше от обечайки агрегата. Затем хвостовую секцию изгибают профилем выработки за счет подтягивания вслед за головной секцией. При этом элементы противовращения располагаются в более широком продольном канале не соосно ему при любом изменении направления проведения выработки.
По выходе агрегата из криволинейной части выработки домкраты 10 выключают, а органы разрушения 22 элементов противовращения возвращают в исходное положение. За счет этого головная и хвостовая секции опять разместятся соосно.
Способ строительства подземной выработки и щитовой проходческий агрегат связаны единым изобретательским замыслом. За счет выполнения головной и хвостовой секций в виде нескольких витков листового профиля, введенных в зацепление посредством выступа и буртика, агрегат получил относительную гибкость, что позволяет не только изгибать и сжимать указанные секции, но и проводить выработки различного назначения, искривленные в любой плоскости. Это свидетельствует о повышении эффективности строительства подземной выработки, т.е. о достижении цели изобретения.