Динамическое обследование жесткой армировки шахтных стволов

УДК 622.343.1

ДИНАМИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ

С. В. Воробель, Г. Д. Трифанов, А. А. Князев

Пермский государственный технический университет

Предлагается решение проблемы оценки технического состояния и определения остаточного ресурса элементов жесткой арми-ровки, которая становится особенно актуальной с увеличением производительности шахт и рудников. Динамический метод контроля, основанный на измерении ускорений подъемного сосуда, позволяет оценивать состояние проводников и расстрелов, прогнозировать их ресурс, а также разрабатывать мероприятия по уменьшению динамических нагрузок на сосуд и проводники, т.е. повышать безопасность работы подъемных установок.

Шахтные стволы представляют собой один из ключевых элементов горного предприятия. По ним осуществляется подъем полезного ископаемого и породы, подъем и спуск горнорабочих, доставка в шахту оборудования и материалов. При современной тенденции увеличения производительности рудников и шахт возрастают требования к обеспечению безопасности эксплуатации подъемного комплекса в целом и оборудования шахтных стволов в частности.

Шахтные стволы большинства горных предприятий оборудованы так называемой жесткой армировкой, которая представляет собой пространственную конструкцию, состоящую из проводников и расстрелов. Расстрелы расположены в шахтном стволе с определенным шагом и жестко соединены с крепью ствола. Проводники соединяются с несколькими расстрелами с помощью болтовых соединений и стыкуются между собой. Контакт подъемного сосуда с проводниками происходит через направляющие. В основном применяются роликовые направляющие - роликоопоры (рис. 1), представляющие собой опоры качения, изготовленные, как правило, из резины.

Рис. 1. Схема расположения подъемного сосуда относительно проводников жесткой армировки: 1 - подъемный сосуд; 2 - коробчатый проводник; 3 - роликоопора

Взаимодействие подъемного сосуда с проводниками носит динамический характер, при движении подъемных сосудов в стволе, оборудованном жесткой армировкой, возникают вибрации и удары. Причинами динамического воздействия сосуда на проводники являются отклонения проводников от вертикали, криволинейность проводников, уширения и сужения колеи, а также дефекты стыков проводников.

Проблема динамических нагрузок для жестких армировок стоит особенно остро. Из-за своей жесткости нагрузки, действующие на проводники и сосуд, практически не демпфируются и носят ударный характер, достигая величин в десятки и сотни кН. Такое воздействие негативно сказывается как на сроке службы подъемных сосудов, так и на долговечности и эксплуатационной надежности проводников и расстрелов, которые кроме динамических циклических нагрузок также подвержены механическому износу и коррозионному разрушению, что особенно характерно для стволов калийных рудников.

Увеличение производительности подъемного комплекса неразрывно связано с уменьшением времени цикла подъема, а значит, с ростом скорости движения подъемных сосудов. Однако в этом случае динамическое воздействие подъемного сосуда на армировку значительно

возрастает. Как следствие, в разы может сократиться и срок службы элементов армировки и подъемных сосудов. При этом также снижается безопасность эксплуатации шахтного ствола, т.к. выход из строя элементов конструкции в шахтном стволе может привести к серьезной аварии, вплоть до нарушения крепи ствола.

Основным методом контроля состояния армировки шахтных стволов является геометрический метод, основанный на маркшейдерской съемке трассы движения подъемного сосуда, который позволяет оценить относительные отклонения проводников от вертикали в двух направлениях и ширину колеи, т.е. расстояние между проводниками в определенных точках. Но данный метод не позволяет оценить усилия, действующие на элементы армировки и подъемный сосуд при имеющихся отклонениях проводников и определенной скорости движения. Сами по себе геометрические отклонения проводников еще мало что значат, т.к. они не определяют ни нагрузки на элементы арми-ровки и сосуда, ни их фактическое состояние, т.е. жесткость и качество крепления. Тем более, по данным маркшейдерского контроля невозможно оценить долговечность или остаточный ресурс армировки. Поэтому геометрический метод контроля армировки является несовершенным с точки зрения технической диагностики элементов жесткой армировки шахтного ствола.

Наиболее совершенным методом оценки технического состояния жесткой армировки является динамический метод. Сущность метода динамического обследования жесткой армировки состоит в измерении горизонтальных и вертикального ускорения подъемного сосуда. Горизонтальные ускорения подъемного сосуда измеряются в боковом и лобовом направлениях (см. рис. 1) относительно проводников с помощью шести датчиков, установленных горизонтально на верхнем и нижнем ярусах подъемного сосуда в районе направляющих устройств. Схема расположения датчиков для верхнего яруса и нижнего аналогична и приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема расположения горизонтальных датчиков ускорения

Измерительная аппаратура устанавливается при этом непосредственно на подъемном сосуде и находится там до полного выполнения программы измерений.

Программа измерений включает в себя запись данных с датчиков ускорения в течение нескольких циклов подъема груженого и спуска порожнего подъемного сосуда.

Динамический контроль армировки шахтного ствола позволяет решать такие задачи, как:

- контроль технического состояния жесткой армировки на основании такого диагностического параметра, как нагрузки на элементы армировки с учетом их фактического состояния. Это становится возможным при определении пороговых уровней нагрузок, а желательно -и классов состояния;

- поиск наиболее динамически нагруженных участков шахтного ствола и планирование мероприятий по снижению нагрузок на арми-ровку и подъемный сосуд. При анализе характера нагрузок совместно с данными маркшейдерской съемки многократно повышается вероятность выявления причин этих нагрузок и, что существенно, увеличивается стоимость и продолжительность ремонта участка шахтного ствола;

- прогнозирование остаточного ресурса элементов жесткой арми-ровки на основании их фактического состояния с учетом механического и коррозионного износа и фактических действующих нагрузок.

Прогнозирование остаточного ресурса является особенно актуальной задачей, т.к. жесткая армировка является одним из элементов подъемного комплекса и определяет остаточный ресурс подъемной установки в целом.

Кроме того, динамический метод контроля жесткой армировки позволяет:

- оперативно локализовать места нарушений плавности движения подъемных сосудов по глубине ствола;

- получить данные о наличии нарушений прямолинейности профиля проводников по глубине ствола;

- выявить ярусы армировки с нарушениями стыков проводников, которые вызывают систематические ударно-циклические динамические воздействия сосуда на проводники;

- выявить потенциально опасные участки возможного заклинивания сосудов в проводниках.

- определить величины силового воздействия на жесткую арми-ровку;

- выявить участки, состояние которых приближается к предельно допустимому;

- выявить участки со значительными ежегодными отклонениями профиля ствола и проводников от вертикали и участки с высоким уровнем коррозии и механического износа армировки.

Опыт проведения динамических измерений на грузовых подъемных установках ОАО «Сильвинит» показывает:

- наибольшие ускорения в горизонтальной плоскости подъемный сосуд испытывает в лобовом направлении, величины ускорений, как правило, не превышают 1 g (9,81 м/с2);

- наибольшие ускорения наблюдаются при подъеме груженого сосуда с максимальной скоростью;

- наибольшие ускорения сосуда в лобовой плоскости зафиксированы во время разгона груженого подъемного сосуда.

На рис. 3 и 4 представлены диаграммы характерного цикла подъема груженого скипа с показаниями датчиков лобовых ускорений на верхнем и нижнем ярусе подъемного сосуда соответственно. Также показана скорость движения подъемного сосуда и его перемещение.

В табл. 1 и 2 приведены данные по динамическим измерениям в двух различных отделениях ствола - в относительно нормальном (табл. 1) и в отделении, где имеются определенные проблемы эксплуатации подъемных сосудов (табл. 2). Датчики 1 и 2 - боковые верхнего яруса, 4 и 6 - боковые нижнего яруса. Датчики 3 и 5 - лобовые верхнего и нижнего яруса соответственно.

Таблица 1

Динамические измерения в относительно нормальном отделении ствола

Наименование параметра Порядковый номер датчика

1 2 3 4 5 6

Среднеквадратичное значение ускорения, м/с2 0,53 0,52 0,52 0,47 0,43 0,45

Максимальное значение, м/с2 3,81 4,10 3,73 5,85 3,12 4,46

Минимальное значение, м/с2 -4,23 -4,37 -4,00 -3,90 -2,61 -2,87

Таблица 2

Динамические измерения в отделении, где имеются проблемы эксплуатации подъемных сосудов

Наименование параметра Порядковый номер датчика

1 2 3 4 5 6

Среднеквадратичное значение ускорения, м/с2 0,48 0,48 0,63 0,46 1,15 0,46

Максимальное значение, м/с2 1,96 2,75 6,43 3,97 9,40 2,26

Минимальное значение, м/с2 -2,58 -2,26 -4,37 -4,89 -9,50 -4,59

Из табл. 2 видно, что максимальные ускорения соответствуют лобовому датчику нижнего яруса скипа. При этом среднеквадратичное значение ускорения за весь цикл подъема, которое показывает степень воздействия сосуда на армировку, значительно отличается от других направлений измерения и тем более от показаний такого же датчика

в другом скиповом отделении, что явно говорит о чрезмерных динамических нагрузках на элементы армировки и подъемный сосуд. И действительно, в данном скиповом отделении ствола отмечено развитие усталостных трещин на несущей раме подъемного сосуда. Детальный анализ причин динамического воздействия позволил разработать мероприятия по улучшению состояния трассы движения скипа, ликвидации ударных воздействий и снижению нагрузок на проводники и подъемный сосуд.

Таким образом, динамическое обследование армировки шахтных стволов позволяет проводить диагностику элементов армировки, оценивать их общее состояние, выявлять участки ствола в первую очередь требующие ремонта и прогнозировать остаточный ресурс. На основании динамического обследования армировки и расчета нагрузок действующих на подъемный сосуд и армировку выносится заключение и составляются рекомендации о дальнейшей возможности увеличения производительности подъемных установок.

Список литературы

1. Стационарные установки шахт / под общ. ред Б. Ю. Братченко. -М.: Недра, 1977. - 440 с.

2. Пособие по проектированию и монтажу жесткой армировки вертикальных стволов шахт и рудников (к СНиП 11-94-80) / Гос. ком. СССР по народ. образ., Моск. горн. ин-т / под ред. И. В. Баклашова. -М.: Недра, 1989. - 160 с.