Научные основы геовинчестерной технологии проведения горных выработок и создания винтоповоротных агрегатов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, доктор технических наук Аксенов, Владимир Валерьевич

• Аксенов, Владимир Валерьевич
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Аксенов, Владимир Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Анализ существующих типов проходческой техники.

1.1.1. Основные конструктивные схемы стружкосрезающих проходческих систем.

1.1.2. Буровзрывные проходческие системы.

1.1.3. Щитовые проходческие системы.

1.2. Классификация крепей горных выработок.

1.3. Классификация существующих технологий сооружения горных выработок.

1.4. Обоснование возможности создания геовинчестерной технологии проведения горных выработок.

1.4.1. Сущность функционального подхода.

1.4.2. Структурная систематизация средств механизации проведения выработок.

1.4.3. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. 42 1.5. Выводы, цель и задачи исследования.

2. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ВИНТОПОВОРОТНЫХ ПРОХОДЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ.

• 2.1. Конструкция и принцип действия винтоповоротных проходческих агрегатов ЭЛАНГ.

2.2. Сопоставительный анализ винтоповоротных конструкций для образования подземных полостей.

2.3. Синтезированные конструктивные схемы винтоповоротных агрегатов ЭЛАНГ.

2.4. Основные функциональные модули и область применения

ВПА ЭЛАНГ.

2.5. Вы воды.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВПА (ГЕОХОДОВ)

С МАССИВОМ ПОРОД.

3.1. Модели среды.

3.2. Нагрузки, схемы расчета и усилия, действующие на корпус агрегата.

3.3. Определение необходимых усилий перемещения секций и реакции окружающей породы на винтовую лопасть у трехсекционного агрегата (ЭЛАНГ-3).

3.4. Реакция забоя на органы разрушения.

3.5. Влияние перекатной платформы и погрузочного устройства на перемещение секций.

3.6. Взаимодействие оболочки секций ВПА с массивом пород.

3.7. Определение необходимых усилий перемещения двухсекционного агрегата (ЭЛАНГ-4).

3.8. Выводы.

4. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ВПА.

4.1. Влияние габаритных размеров ВПА ЭЛАНГ на его силовые параметры.

4.2. Влияние габаритных размеров ВПА на величину сил трения, возникающих между оболочкой секций агрегата и окружающей породой.

4.3. Влияние диаметра ВПА на величину необходимых усилий перемещения его секций и на величину реакции породы на винтовую лопасть.

4.4. Влияние угла наклона проводимой выработки на силовые параметры агрегата.

4.5. Влияние винтовой лопасти на силовые параметры агрегата.

4.6. Влияние угла подъема винтовой лопасти на силовые параметры ВПА.

4.7. Выводы.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСУЩИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВИНТОПОВОРОТНЫХ ПРОХОДЧЕСКИХ

АГРЕГАТОВ.

5.1. Определение нагрузки, действующей на силовые элементы.

5.2. Построение линий влияния усилий в шарнирах крепи.

5.3. Построение линий влияния внутренних усилий.

5.4. Определение внутренних усилий в несущих элементах корпуса ВПА при изгибе.

5.5. Определение внутренних усилий в несущих элементах секций винтоповоротного проходческого агрегата при кручении.

5.6. Расчет винтовой лопасти.

5.7. Расчет на прочность стрингеров.-.

5.8. Выводы.

6. РАЗРАБОТКА, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ

ВПА "ЭЛАНГ-3" (АПЩВ-3,0).

6.1. Конструкция и принцип работы вращающегося проходческого агрегата АПЩВ-3,0 - ЭЛАНГ-3.

6.1.1. Конструкция агрегата.

6.1.2. Работа агрегата.

6.2. Шахтные испытания агрегата "ЭЛАНГ-3".

6.3. Вывод ы.

7. РАЗРАБОТКА, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ

ВПА ЭЛАНГ-4.

7.1. Краткое описание конструкций ВПА ЭЛАНГ-4.

7.2. Проведение заводских испытаний ВПА ЭЛАНГ-4.

7.3. Выводы.

8. НЕКОТОРЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ ПАРАМЕТРОВ

И ЭЛЕМЕНТОВ ВПА ЭЛАНГ.

8.1. Возможный типоразмерный ряд винтоповоротных агрегатов.

8.2. Конструктивные схемы вращающихся агрегатов с баровым и шарошечным исполнительным органом.

8.3. Краткий анализ устройств противовращения агрегатов типа ЭЛАНГ.

8.4. Проходческий комплекс для горноспасательных работ.

8.5. Проходческий агрегат самолетной компоновки ЭЛАНГ-4с.

8.6. Выводы.

9. КРЕПЛЕНИЕ ПРИ ГЕОВИНЧЕСТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК.

9.1. Варианты конструктивных решений на базе типовых и традиционных элементов крепей.

9.2. Варианты конструкций специального крепления при геовинчестерной технологии.

9.3. Выводы.

10. РАСЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВПА ЭЛАНГ.

10.1. Производительность винтоповоротных проходческих агрегатов.

10.2. Расчет и согласование параметров погрузочного органа агрегата ЭЛАНГ.

10.3. Вывод зависимостей для расчета радиуса поворота агрегата.

10.4. Сопоставительная оценка весовых характеристик ВПА.

10.5. Определение КПД ЭЛАНГов.

10.6. Методика выбора детерминированных параметров ВПА.

10.7. Выводы.

11. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПО ГЕОВИНЧЕСТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ.

• 11.1. Технологические схемы проведения горизонтальных, наклонных, вертикальных горных выработок.

11.2. Укрупненный расчет графика организации работ проходческого цикла при проходке горизонтальных выработок ВПА ЭЛАНГ.

11.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научные основы геовинчестерной технологии проведения горных выработок и создания винтоповоротных агрегатов»

Актуальность проблемы. Сооружение капитальных подземных выработок горнодобывающих предприятий, городских коллекторных магистралей и перегонных тоннелей метро представляет собой трудоемкий и дорогостоящий процесс. Задачи повышения скорости проходки, производительности труда, снижения стоимости работ и, несомненно, вопросы безопасности стояли всегда, но особенно они обострились в условиях перехода к рыночным отношениям. Однако, несмотря на применение современного оборудования, технико-экономические показатели сооружения подземных выработок в последнее время не только не улучшаются, но в ряде показателей проявилась тенденция к их ухудшению.

Традиционные технологии (прежде всего щитовой способ проведения выработок) ориентированы на наиболее тяжелые горно-геологические условия и развиваются по пути увеличения мощности и металлоемкости оборудования, что вызывает ухудшение маневренности и ограничение области применения, главным образом, горизонтальными выработками. Но такой путь развития технологий и модернизации оборудования не всегда оправдан поскольку существуют альтернативные подходы к решению проблемы проходки горных выработок.

В лаборатории проходческих комплексов ИУ СО АН СССР (ныне ИУУ СО РАН) проходка выработок определена как процесс движения твердого тела (оборудования) в среде вмещающих пород, приконтурный массив которых можно использовать как опорный элемент, воспринимающий реакции при выполнении основных технологических операций. Принцип связывания в функциональном единстве основного движения (подачи на забой) и процесса резания горных пород дал название геовинчестерной технологии (ГВТ), отличительной чертой которой является совмещение во времени основных операций проведения выработок.

Известные типы горнопроходческих машин не пригодны и не могут быть адаптированы для целей агрегатирования. С учетом радикально изменившихся требований к оборудованию и на основе функционально-структурной концепции горных машин разработана оригинальная конструктивная схема винтоповоротного проходческого агрегата (ВПА). Принципиальной особенностью ВПА является ввинчивание корпуса агрегата, играющего роль крепи призабойного пространства, в массив вмещающих пород.

Создание геовинчестерной технологии проходки, а также разработка нового вида горнопроходческой техники - винтоповоротных проходческих агрегатов - неразрывно связаны между собой и являются актуальной научной проблемой в области проведения горных выработок различного назначения и пространственного расположения.

Оригинальная компоновочная схема, наличие в конструкции новых функциональных элементов и отличный от горнопроходческих машин традиционного исполнения характер взаимодействия с окружающими породами требуют проведения многоплановых исследований для разработки специальных методик проектирования и расчета параметров экспериментальных образцов нового вида горнопроходческой техники.

Разработка технологий проходки горных выработок названа Правительственной комиссией РФ по научно-технической политике в области "Топливо и энергетика" в качестве приоритетного направления развития.

По оценке Академии менеджмента и рынка и Агентства международного развития приоритетных технологий на 2000-2020 гг. способы и решения в части сооружения подземных магистралей, автотрасс и железных дорог являются особо важными по группе "Использование подземного пространства".

Данная работа начата по плану ИУ СО АН СССР и была включена в координационный план НИР по проблеме 1.11.1.1. "Теория машин и систем машин (№ госрегистрации 01.86.0104516), а также в программу "Уголь Кузбасса" СО АН СССР и Минуглепрома СССР (№ госрегистрации 81081327).

Целью работы является научное обоснование принципа геовинчестерной технологии проведения горных выработок - движение в массиве вмещающих пород без опоры на постоянную крепь, а также реализующих этот принцип технических решений по созданию нового вида горного оборудования - винтоповоротных проходческих агрегатов.

Основная идея работы состоит в том, что вовлечение в технологический процесс проведения горных выработок приконтурной части массива горных пород в качестве опорного звена проходческого агрегата приводит не только к совмещению основных операций во времени, но и обеспечивает взаимное соответствие силовых параметров важнейших частей оборудования.

Выявление отличительных связей, возникающих в различных режимах функционирования винтоповоротного агрегата, представляет собой главную часть научного обоснования технологических и технических решений.

Задачи исследований:

1. Обосновать принцип, разработать структуру геовинчестерной технологии проведения горных выработок и сформулировать функциональные и конструктивные требования к базовому элементу - винтоповоротным проходческим агрегатам.

2. Разработать модель активного взаимодействия агрегата с вмещающими породами и на ее основе определить основные технические решения по компоновке и конструкции важнейших механизмов.

3. Разработать методику расчета функциональных, конструктивных и прочностных параметров проходческого агрегата при подвижной нагрузке и различных вариантах внешних воздействий в рабочих режимах и при маневровых операциях с использованием аппарата построения матриц влияния внутренних усилий.

4. Выбрать типичные важнейшие области применения геовинчестерной технологии, для которых спроектировать, изготовить опытные образцы винтоповоротных проходческих агрегатов и провести экспериментальную проверку их пригодности и работоспособности при проведении горных выработок.

5. Разработать новые технические решения по эффективным способам крепления горных выработок с использованием особенностей обработки при-контурной части массива агрегатами.

6. Разработать варианты и схемы использования геовинчестерной технологии для проведения горных выработок различного назначения и пространственного расположения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов, включающий:

- анализ и научное обобщение опыта разработки горнопроходческого оборудования с элементами системного анализа сложных, многофункциональных объектов;

- методы геотехнологии при обосновании области применения разработки;

- функционально-структурный анализ горных машин при выборе строения и компоновки ВПА, теория механического разрушения горных пород и теория резания грунтов для расчета различных вариантов исполнительных органов;

- методы геомеханики при обосновании моделей внешних воздействий на винтоповоротный агрегат в рабочих режимах и при маневрах;

- методы строительной механики, машиноведения и динамики машин в расчетах конструктивных и прочностных параметров ВПА;

- экспериментальные испытания опытных образцов и хронометражные наблюдения.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Выбор технологического решения для проведения горных выработок на основе агрегатирования проходческого оборудования приводит к известному совмещению во времени основных операций технологического цикла вплоть до утраты границ между ними. Возникновение дополнительных функциональных связей ужесточает требования к научному обоснованию, осложняет проектирование технологии и затрудняет выбор параметров оборудования, но при этом могут быть исключены произвольные, нерациональные и не сбалансированные конструкторские решения.

2. Использование приконтурной части массива горных пород в качестве базового (замыкающего) звена создает взаимную обусловленность режимных, силовых и прочностных параметров различных рабочих органов. При этом многие части оборудования теряют свою определенность, но возможность ошибок, связанных с выбором не представительных рабочих режимов и расчетных нагрузок на стадии проектирования, исключается в принципе.

3. Адекватность квазистатической расчетной модели, положенной в основу методики определения силовых и прочностных параметров, обеспечивается самим принципом работы винтоповоротного проходческого агрегата и детерминированностью связей между функциональными характеристиками. Неопределенность и недостаточность информации о внешней среде частично удается компенсировать условиями замкнутости системы.

4. Особенности строения винтоповоротного проходческого агрегата и его нагружения при рабочих режимах и маневрах строго и однозначно отображаются в форме матриц влияния внутренних усилий (поперечных, продольных сил и изгибающих моментов). Тем самым методика расчета кольцевых несущих элементов корпуса является оптимальной по выбору функциональных характеристик.

5. Наиболее высокие функциональные возможности, включающие концентрацию усилия напора и вращающего момента вне зависимости от массы агрегата и направления проходки, а также маневренность, обеспечивают техническое решение движителя без опоры на постоянную крепь, с винтовой лопастью на корпусе и размещение гидродомкратов перемещения по хордам на шпангоутах сопряженных секций. Эти свойства воплощены в комплексе схем проведения горизонтальных, наклонных, восстающих и вертикальных выработок, а также в схемах возведения подземных сооружений различного назначения и расположения.

6. Винтовые и продольные каналы, остающиеся за контуром выработки, придают высокую эффективность подземному сооружению (работе постоянной крепи) за счет возможности перераспределения локальных нагрузок и повышенной продольной устойчивости. В случае отсутствия экстремально жестких требований удается существенно снизить металлоемкость постоянной крепи, используя иные конструктивные решения.

7. Предотвращение расслоения кровли, бортов и груди забоя не только способствует созданию безопасных условий эксплуатации, но допускает применение винтоповоротного агрегата при проведении аварийно-спасательных работ. Компоновка исполнительного органа и головной секции агрегата обеспечивает эффективную работу в разрушенной и фрагментиро-ванной среде, которая имеет место в аварийных ситуациях.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:

- использованием обширного опыта и апробированных результатов создания технологий и оборудования проходки горных выработок;

- привлечением фундаментальных моделей геомеханики для выбора исходных условий, допущений и расчетных схем;

- применением строгих методов математики и механики при исследованиях и расчетах;

- использованием корректных теоретических положений строительной механики, сопротивления материалов, машиноведения и динамики машин, а также теории разрушения горных пород и резания грунтов.

Достоверность подтверждается положительными результатами промышленной апробации базового элемента геовинчестерной технологии -образцов винтоповоротного агрегата.

Научная новизна работы:

- предложена идея проходки, основанной на представлении об окружающей геосреде, в конкретном случае — массиве вмещающих пород, во взаимодействии с которой реализуется проведение горной выработки; п

- впервые разработаны элементы геовинчестерной технологии, реализующей взаимодействие с приконтурной частью массива, что позволяет совместить во времени основные операции проходческого цикла;

- получены оригинальные технические решения в части структуры и компоновки нового вида проходческой техники - винтоповоротного агрегата, являющегося базовым элементом геовинчестерной технологии;

- разработана методика определения силовых параметров агрегата, отличающаяся наличием функциональных связей между показателями взаимодействия корпуса с приконтурной частью массива и нагрузками на исполнительном органе и учитывающая специфическое влияние проходческого забоя на силы горного давления;

- развит аппарат и впервые получен комплекс матриц влияния внутренних усилий (поперечных, продольных сил и изгибающих моментов) для кольцевых несущих элементов корпуса агрегата, учитывающих как подвижную нагрузку, так и различные комбинации внешних воздействий;

- разработаны оригинальные конструкции постоянной крепи горных выработок, эффективно использующие специфический профиль контура;

- предложены новые схемы проведения горизонтальных, наклонных, восстающих и вертикальных горных выработок, а также варианты возведения подземных сооружений различного назначения и расположения в пространстве.

Практическое значение работы. Результаты работы позволяют:

- предприятиям, осваивающим и использующим подземное пространство, применять новую, эффективную технологию проведения горных выработок;

- создавать новую, адаптированную к особым условиям и требованиям горнопроходческую технику с широким набором типоразмеров;

- совершенствовать конструкции постоянной крепи, прежде всего, повышая их продольную устойчивость, локальную несущую способность, а также технологичность установки;

- разрабатывать в соответствии с неординарными требованиями технологические схемы проведения горных выработок и возведения подземных сооружений различного назначения и пространственного расположения.

Личный вклад автора состоит в:

- разработке элементов новой технологии проходки, реализующей идею активного вовлечения окружающей геосреды в процесс проведения и крепления горных выработок;

- разработке технических решений нового вида горнопроходческой техники — винтоповоротных проходческих агрегатов, включающих в себя оригинальные решения, как по отдельным элементам и системам агрегата, так и по его компоновке в целом;

- разработке методики расчета силовых и конструктивных параметров винтоповоротных проходческих агрегатов;

- разработке технических решений новых конструкций постоянной крепи горных выработок, адаптивных к геовинчестерной технологии;

- проведении экспериментальной проверки вариантов технических решений базового элемента геовинчестерной технологии проведения горных выработок;

- разработке технологических схем и вариантов использования геовинчестерной технологии при проведении горных выработок .различного назначения и расположения в пространстве.

Реализация результатов работы. Основным результатом выполненной работы является теоретическое и экспериментальное обоснование возможности создания новой технологии проведения горных выработок и ее базового элемента, нового вида горнопроходческой техники - винтоповоротных проходческих агрегатов, а также разработка новых конструкций постоянной крепи.

Одним из главных результатов проведенных исследований является создание методики расчета конструктивных и силовых параметров винтоповоротных проходческих агрегатов. Методика и технические решения по конструкции ВПА были использованы в ИУ СО АН СССР, РосНИИГД, ЦЭММ ПО «Киселевскуголь», НПО СибГОРМаш, АП «ЭЛСИБ» при разработке, создании и испытании экспериментальных образцов ВПА ЭЛАНГ диаметром 3,0м и 4,0м.

Проходческий агрегат ЭЛАНГ вошел в «Разработки СО АН СССР предлагаемые для широкого внедрения в народное хозяйство в XII пятилетке» (Раздел 1. Трудосберегающие ресурсы 1.2.55 - Вращающийся проходческий агрегат для проведения подготовительных выработок в слабых породах).

Результаты исследований автора также использованы при выполнении научно-исследовательских работ по теме «Разработка основ создания и совершенствования проходческих комплексов для подземных работ» и при создании САПР ГПМ (горнопроходческих машин).

Для реализации результатов проведенных исследований, производства и внедрения нового вида горнопроходческой техники — винтоповоротных проходческих агрегатов совместно с Ассоциацией «Кузбассуглемаш» создана научно производственная компания «Геомаш» (НПК Геомаш).

Апробация работы. Основное содержание работы, а также отдельные ее положения докладывались и обсуждались на научных конференциях в КузНИИшахтострое (1983 - 1985гг.), КузПИ (1983 г.), VI11, X Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и охраны капитальных и подготовительных выработок (г. Якутске, 1982г. и г. Кемерово, 1986г.), Всесоюзной научной конференции по проблемам создания и внедрения горных машин с ударными исполнительными элементами (1985 г.), научных семинарах угольного отдела ИУ СО РАН (1985 — 1993 гг.), научном семинаре в ИГДС ЯФ СО АН СССР (1986г.), научных семинарах в РосНИИГД (1993 -1996гг.), совещаниях в ВПО «Кузбассуголь» и ПО «Киселевскуголь» (19811986гг.), ПО «Северокузбассуголь» (1989 - 1996гг.).

Макеты разработанных на основе исследований машин экспонировались на ВДНХ СССР и выставке Россия 1991.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 37 научных трудах, включая 4 монографии, патент США и 12 авторских свидетельств.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 11 глав, заключения, изложенных на 306 страницах машинописного текста, и содержит 95 рисунков, 26 таблиц, список литературы из 103 наименований и 18 приложений на 72 страницах.

Заключение диссертации по теме «Геотехнология(подземная, открытая и строительная)», Аксенов, Владимир Валерьевич

Основные выводы, конкретные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработанный принцип и новая структура геовинчестерной технологии (ГВТ) отличаются тем, что основные операции цикла не только совмещены во времени, но согласованы параметрически прочностью вовлеченной в силовое взаимодействие приконтурной части массива.

2. Техническое решение ГВТ состоит в том, что корпус винтоповорот-ного проходческого агрегата является движителем и одновременно крепью во взаимодействии с приконтурной частью массива. Наличие общей конструктивной базы при этом обеспечивает необходимое напорное усилие на забое. Маневры ВПА осуществляются при поддержании силового взаимодействия со средой и с перекрытием призабойной зоны, предотвращающим расслоение кровли, бортов и груди забоя. Дополнительно облегчается возведение постоянной крепи за счет соответствующего профилирования выработки. В ряде авторских свидетельств и патенте США указанные особенности признаны отличительными признаками.

3. Квазистатическая задача нагружения корпуса ВПА рассмотрена при наличии активных сил резания забоя и дополнительного трения корпуса о вмещающие породы. Влияние забоя на породы, нагружающие корпус, учтено моделью релаксационного типа. Разработанная методика определения силовых и прочностных параметров агрегата учитывает специфические особенности функционально-компоновочной схемы ВПА, в частности:

- определяются усилия на радиальных геликоидных ножах базового варианта исполнительного органа;

- определяются усилия, возникающие в межвитковых целиках, и их сум-ф ма, формирующая усилие перемещения секций агрегата.

4. Технологические возможности ГВТ определяются силовыми параметрами агрегатов, но управляются вариантами конструктивных решений:

- использование гидродомкратов в качестве силовых приводов обеспечивает работу ВПА размером Я>0,5м, но увеличение радиуса агрегата с 1 до 3,5м требует повышения усилия перемещения головной секции в 9 раз;

- направление проходки выработок не создает жестких ограничений; в пределе при изменении угла наклона от -90 град, до +90 град, необходимые усилия перемещения возрастают всего в 1,2 раза, а максимальные напряжения в межвитковых целиках - в 1,6 раза;

- винтовые лопасти на корпусе обеспечивают увеличение устойчивости от сползания в 5 раз по сравнению с щитовыми агрегатами.

Расположение гидродомкратов перемещения на шпангоутах сопрягаемых секций по хордам окружности контура в совокупности с винтовыми лопастями создает принципиально новую возможность подачи агрегата без упора в постоянную крепь. Перераспределение нагрузок приводит к снижению металлоемкости в 2 раза по сравнению с немеханизированными проходческими щитами и в 3 раза - по сравнению с механизированными.

5. Для математического моделирования существенной особенности функционирования ВПА - сочетания на корпусе подвижных нагрузок с рядом комбинаций внешних воздействий - разработана методика определения усилий в несущих конструкциях и элементах с использованием матриц влияния. На этой основе:

- аналитически исследован эффект циклического изменения положения секций агрегата относительно важнейших внешних нагрузок (в частности -горного давления);

- выявлены закономерности формирования внутренних усилий в эле

• ментах кольцевой вращающейся крепи для оперативного оценивания возможностей маневров агрегата;

- определены прочностные параметры специфических несущих элементов корпуса.

6. Для обоснованных базовых вариантов - трехсекционного диаметром 3,0 м и двухсекционного диаметром 4,0 м - проведен детальный расчет параметров, доказавший возможность радикального (до 60%) снижения металлоемкости по сравнению с проходческими щитами и уменьшения в 5 раз необходимого усилия подачи. На этой основе спроектирована первая модель с исполнительным органом ножевого типа для разрушения горных пород с f < 1 (изготовлен ЦЭММ ПО "Киселевскуголь") и вторая модель с барабанным исполнительным органом для диапазона f < 4 (изготовлен АП ЭЛСИБ, г.Новосибирск).

7. В результате шахтных испытаний в сложных горно-геологических условиях шахты "Карагайлинская" ПО "Киселевскуголь" доказана принципиальная работоспособность трехсекционного винтоповоротного агрегата, перемещающегося без упора в постоянную крепь; достигнут совмещенный режим выполнения основных операций проходческого цикла.

Стендовые испытания ВПА с барабанным исполнительным органом показали эффективность и рациональность технических решений, воплощенных в агрегате, его конструктивных элементах и отдельных механизмах.

Экспериментальные исследования нагрузок в сложной конструкции ВПА подтвердили обоснованность расчетных моделей и достоверность методик определения прочностных параметров на основе матриц влияния внутренних усилий. Полностью заключение о сходимости результатов аналитических и экспериментальных исследований может быть сделано только после широких и масштабных испытаний, представляющих многообразие внешних воздействий и режимов (в том числе, маневров). Однако в полученных выборках не зарегистрированы значимые отклонения и противоречия.

8. Формируемый контур выработки с системой винтовых и продольных каналов благоприятствует применению ряда моделей постоянной крепи - металлической рамной, монолитной бетонной и сборной железобетонной; разработаны новые технические решения для операции крепления в геовинче-ф стерной технологии.

Установка элементов металлической рамной крепи в винтовые каналы существенно повышает общую несущую способность за счет передачи внешних усилий к менее нагруженным виткам, другим вариантом является снижение металлоемкости крепи не менее, чем на 30%. Наибольший эффект на крутонаклонных выработках создает радикальное увеличение продольной устойчивости постоянной крепи.

9. Возможность проведения одним агрегатом выработок различного назначения, способность маневрировать и концентрация на исполнительном органе значительного напорного усилия и вращательного момента реализована в предложенных технологических схемах проведения горизонтальных, наклонных, восстающих и вертикальных выработок, а также выработок специального назначения и возведения подземных сооружений, различным образом ориентированных в пространстве.

Кроме того, исключение образования свода обрушения пород кровли в призабойной зоне и расслоения пород груди забоя создают широкие перспективы применения ВПА в аварийно-спасательных работах.

10. Определены направления развития геовинчестерной технологии и ф винтоповоротных агрегатов различного назначения, реализующие другие схемы компоновки и иные типоразмеры. Предложена перспективная модель в виде "самолетной компоновки" с упрощенным принципом управления, позволяющая создать наиболее экономичную крепь с высокими нагрузочными характеристиками.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований решена крупная научная проблема разработки научных основ геовинчестерной технологии проведения горных выработок и создания нового вида горнопроходческой техники -винтоповоротных агрегатов, имеющая важное хозяйственное значение

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Аксенов, Владимир Валерьевич, 2004 год

1. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Скоморохов В.М. Основы проектирования буровзрывных проходческих систем. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1985.

2. Базер Я.И. Проходческие комбайны. -М.: Госгортехиздат, 1958.

3. Евсеев Б.С., Архипов Г.Н. Применение проходческих комбайнов распорно-шагающего типа на шахтах Кузбасса: Экспресс-информация / ЦНИЗИуголь. М., 1979.

4. Малевич H.A. Применение проходческих комбайнов и комплексов на шахтах ФРГ. М.: Недра, 1976.

5. Папанага Ю.П. Перспективы совершенствования технологии проведения горных выработок на базе внедрения комбайнов с погрузочно-разрушающим исполнительным органом // Вопросы проведения, крепления и поддержания горных выработок. -М.: ЦНИИуголь, 1988.

6. Соломенцев М.И., Шрайман Л.Н. Новое в технологии проведения горных выработок // Уголь Украины. 1977. - № 5.

7. Механизация проходки горных выработок: Сб. науч. тр. — М.: ЦНИИподземмаш, 1984.

8. GTA Maschinensysteme in Strekenvortrieb // Bergbau. - 1988. - № 4.

9. Резников И.Г. Виброзащитные системы на основе стержневых канатных виброизоляторов с преобразованием движения в качестве функциональных элементов горных машин: Афтореф. дис. . д-ра техн. наук. Днепропетровск, 1990.

10. Ю.Манин A.A. Вибрация самоходных бурильных установок и методы ее снижения: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1984.

11. П.Шапиро В.Я. Разработка методов расчета и обоснования оптимальных технологических параметров проходки выработок в сложных геомеханических условиях: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. — Кемерово: ИУ СО АН СССР, 1990.

12. Кузнецов Ю.С., Ганзен Г .А. Совершенствование способов разрушения пород при проведении выработок: Обзор / ЦНИЭИуголь. М., 1981.

13. Строительство подземных сооружений с помощью проходческих щитов / С.А.Маршак и др. М.: Недра, 1967.

14. Клорикьян В.Х., Ходош В.В. Горно-проходческие щиты и комплексы. -М.: Недра, 1980.

15. Эткин С.М., Симоненко В.М. Сооружение подземных выработок проход-че скими щитами. М.: Недра, 1980.

16. Логунцов В.М. Механизированные проходческие щиты. — М.: ВИНИТИ, 1971.

17. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. М.: Недра, 1984. - 415 с.

18. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. — М.: Недра, 1979.-263 с.

19. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочн. — М.: Недра, 1989.

20. Проходчик горных выработок. Справочник рабочего Под редакц. проф. докт. техн. наук А.И.Петрова. М.: Недра, 1991.

21. Мельников Н.И. Проведение и крепление горных выработок. — М.: Недра, 1988.

22. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. М.: Недра, 1983.

23. Солод В.И., Первов K.M. Основы проектирования выемочных комплексов и агрегатов. -М.: МГИ, 1973.

24. Солод Г.И. Технология производства горных машин и комплексов. — М.: Изв. МГИ, 1981.-63 с.

25. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф. Структурные схемы проходки выработок и средств механизации // Изв. вузов. Горн. журн. 1978. - № 12.

26. Горбунов В.Ф., Счастливцев E.JL, Эллер А.Ф. Структурные схемы средств механизации крепления горных выработок // Шахтное стр-во. 1980. - № 5.

27. Бунин В.И. Создание проходческих комплексов на принципе агрегатиро-ва ния для проведения наклонных выработок. Дис. . докт. техн. наук. Кемерово, 1997. - 46 с.

28. Свирщевский В.К. Проходка скважин в грунте способом раскатки. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1982.

29. Свирщевский В.К., Трофимук A.A., Орехов A.A. и др. Устройство для проходки скважин способом раскатки: Патент в Швеции № 7410003, 1978.

30. A.c. № 732460. Машина для образования скважин в грунте / Свирщевский В.К., Трофимук A.A. Опубл. в Б.И., 1980, № 17.

31. Свирщевский В.К. Основы теории и создание машин для проходки скважин в грунте способом раскатки: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989.

32. A.c. № 1008458 (СССР). Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В. Опубл. в Б.И., 1983, № 12.

33. А.С. № 1167338. Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. Опубл. в Б.И., 1985, № 26.

34. Проектирование и расчет проходческих комплексов/ Горбунов В.Ф., Аксенов В.В., Эллер А.Ф. и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1987.

35. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Савельев Ю.П. Разработка и испытание вращающегося проходческого агрегата ЭЛАНГ//Шахт. стр-во. 1985.-№6.

36. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. -М.: Недра, 1982.

37. A.c. № 1323531. Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. Опубл. в Б.И., 1987, № 29.

38. A.c. № 1523674. Проходческий щитовой агрегат / Яблочкин В.В., Корень-ков A.B., Новиков К.С. Опубл. в Б.И., 1989, № 43.

39. Прохоров А.Ф. Конструктор и ЭВМ. М.: Машиностроение, 1987.

40. Баклашев И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. -М.: Недра, 1984.

41. A.c. № 1229354. Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. Опубл. в Б.И., 1986, № 17.

42. Алимов О.Д. Об оценке качества машин для бурения шпуров // Изв. Том. политехи, ин-та. Томск, 1959. С. 108.

43. Медведев И.Ф. Режимы бурения и выбор буровых машин. М.: Недра, 1975.-С. 224.

44. Лукьянов В.Г. Технология и организация проведения разведочных выработок. М.: Недра, 1977. - 199 с.

45. Типовые технологические карты проведения горизонтальных горных выработок сечением в проходке более 18м буровзрывным способом / Вер-хотуров B.C., Амурский Б.С., Ерофеев Л.М. и др.— Кемерово: Кузнии-шахтострой, 1985.-236с.

46. Реализация гипотез о перспективности применения гидравлических силовых импульсных систем в самоходных буровых агрегатах / О.Д.Алимов, С.А.Басов, И.С.Волоскова и др. Фрунзе: Илим, 1978. - 180 с.

47. Алгоритмы оптимизации проектных решений / Под ред.

48. A.Н.Половинкина. М.: Энергия, 1976.

49. Горбунов В.Ф., Бунин В.И., Эллер А.Ф. Методические указания по определению производительности и выбору основных параметров буровзрывных проходческих комплексов. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1982. -56 с.

50. Вопросы теории оптимального горного проектирования. Сб. науч. тр. — М.: ИПКОН, 1978. С. 270.

51. Эллер А.Ф. Структурообразование уборочных машин // Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства. — Кемерово: Кузниишахтострой, 1981. 55.Справочник инженера-шахтостроителя. В 2 т. Т. 2 / Под общей ред.

52. B.В.Бе-лого. М.: Недра, 1983. - 423 с.

53. Чекубаш А.Д. Многоярусный ленточный бункер-поезд и методика определения его производительности // Машины и оборуд. для горн, работ. -М.: НИИинформтяжмаш, 2-75-12. 1975.

54. Казанский Ю.В. Исследование и определение параметров технологии и средств механизации крепления при комбайновой проходке подготовительных выработок: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1976. — 12 с.

55. Гелескул М.Н., Бечвая Д.И. Механизация крепления горных выработок. -М.: ЦНИЭИуголь, 1971. 40 с.

56. Эткин С.М., Симоненко В.М. Сооружение подземных выработок проходческими щитами. М.: Недра, 1980. - 304 с. бО.Клорикьян В.Х., Ходош В.В. Горнопроходческие щиты и комплексы. -М.: Недра, 1980.-384 с.

57. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1982 - 270 с.

58. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов- М.: Недра, 1980. -360 с.

59. Справочник по креплению горных выработок / М.Н.Гелескул, В.Н.Хорин, Е.С.Киселев, Н.П.Бушуев. -М.: Недра, 1976. 508 с.

60. Штанговая крепь / В.Н.Семевский, В.М.Волжский, О.В.Тимофеев и др. -М.: Недра, 1965.-328 с.

61. Исследование и опыт промышленного освоения сталеполимерной штанговой крепи на шахтах СУБРа / О.В.Тимофеев, Н.И.Власов, В.Г.Сафронов и др. // Горн. журн. 1974. - № ю. - С. 26-28.

62. Тимофеев О.В., Трушко B.JL, Швецов Н.И. Опыт применения сталеполимерной штанговой крепи на СУБРе // Цв. металлургия. — 1979. № 20. — С. 22-25.

63. Башилов Ю.Б. Применение самоходной машины САКК-3 для крепления кровли камер // Цв. металлургия. 1969. - № 7. - С. 12-14.

64. Маршев B.C., Гудков Г.Д., Нескреба A.B. Самоходная установка БУА-3 // Шахтное стр-во. 1976. - № 1. - С. 15-17.

65. A.c. № 406016 (СССР). Устройство для крепления кровли горных выработок / Ж.С.Сагитов, Ю.Б.Башилов, Ю.М.Кулаев. Опубл. в Б.И., 1973, № 45.

66. A.c. № 781361 (СССР). Устройство для установки в кровле штанговой крепи / П.М.Ким, П.Г.Данылив. Опубл. в Б.И., 1980, № 43.

67. A.c. 665096 (СССР). Устройство для крепления кровли горных выработок анкерами / А.М.Третьяков, В.Л.Молокоедов, А.Х.Ли. Опубл. в Б.И., 1979, №20.

68. A.c. 1076592 (СССР) Устройство для крепления кровли горных выработок штанговой крепью / В.Ф.Горбунов, Ю.Н.Сыркин, В.М.Скоморохов. — Опубл. в Б.И., 1984, № 8.

69. Мельников Н.И., Трушин B.C. Использование анкерной крепи за рубежом. -М.: ЦНИЭИуголь, 1969. 80 с.

70. John L., John Convine. Automated continuous roof support // Coal Aqe. -1975.-№ 8.-P. 30-32.

71. Генин M.C. Исследование и применение анкерной крепи винтового типа: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1971. - 24 с.

72. Бегагоен И.А., Дядюра А.Г. Бурильные машины. М.: Недра, 1973.

73. Дворников JI.T., Алымкулов Э.А. Вращательно-ударные механизмы бурильных машин. М.: ЦНИИЭИ цв.металлургии, 1984. — Вып. 1. - С. 56.

74. Механизация и автоматизация буровых работ / О.Д.Алимов, А.Ф.Фролов, Е.Б.Бексалов и др. — Фрунзе: Илим, 1971. — С. 36.

75. Алимов О.Д. Исследование процессов разрушения горных пород при бурении шпуров. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1960. — С. 88.

76. Пономарев С.Д. Расчеты на прочность в машиностроении. Т. 1. — М.: Машиностроение, 1956. — 477 с.

77. Сопротивление материалов / Под общ. ред. Г.С.Писаренко. Киев: Вищ. Школа, 1973.

78. Солод В.И., Зайков В.И., Первов K.M. Горные машины и автоматизированные комплексы: Учебник для вузов. М.: Недра, 1981. - 503 с.

79. Малевич H.A. Горнопроходческие машины и комплексы. М.: Недра, 1980.-384 с.

80. Торгалов В.В. Монтаж подземных проходческих механизмов. М.: Высшая школа, 1986. - 264 с.

81. Методика определения экономической эффективности использования в угольной промышленности новой техники, изобретений и рацпредложений. -М.: ЦНИЭИуголь, 1979. 121 с.

82. Справочник по нормированию и организации труда на угольных шахтах / Н.Д.Прокопенко, А.И.Воробьева, Ю.Д.Качко и др. М.: Недра, 1983. -317 с.

83. Горбунов В.Ф. Исследование рабочего процесса и вибрации пневматических молотков. Дис. . докт. техн. наук. Томск, 1964.

84. Аксенов В.В. Разработка методики расчета параметров вращающихся агрегатов. Дис. . канд. техн. наук. — Новосибирск, 1987.

85. Пушкина Н.Б. Разработка методов и программных средств проектирования исполнительных органов проходческих агрегатов. Кемерово, 1991.

86. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 1. Изд. 2-е перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1977.

87. Топчиев А.В., Шурис Н.С. Машины для очистных и подготовительных работ. Расчет и конструирование. — М.: Госгортехиздат, 1962. — 352 с.

88. Тентирис Я.К. Методы и алгоритмы автоматизированного построения структурных моделей в задачах управления и проектирования сложных технических систем: Дис. . канд. техн. наук. Рига, 1986.

89. Нагорный В.Д. Выбор структурной схемы и разработка подвесного кре-пеустановщика металлической арочной крепи. Дис. . канд. техн. наук. — Кемерово, 1989.

90. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных горных выработок. М.: Недра, 1982.

91. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. М.: Недра. -1989.

92. А.С. № 1639159 (СССР). Крепь горных выработок / В.В.Аксенов, А.Ф.Эллер, В.Ю.Изаксон, В.Д.Нагорный. Не публикуется.

93. Подерни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ. М.: Недра, 1985.

94. Бермант А.Ф. Краткий курс математического анализа. М.: Наука, 1965.

95. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 1973.

96. A.c. № 1668678. Проходческий щитовой агрегат / Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Пушкина Н.Б., Саруев JI.A., Крауиньш П.Я. Опубл. в Б.И., 1991, № 29.

97. Быков В.П. Методическое обеспечение САПР в машиностроении. — JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.

98. Машины и инструмент для бурения скважин на угольных шахтах / М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков, А.М.Цехин. М.: Недра, 1985.

99. Единые нормы и расценки № 36. Сооружение подземных горных выработок. 1988. -254 с.1. ПРИЛОЖЕН И Я

100. Значения усилий в шарнирах от действия подвижных единичныхрадиальных нагрузок

101. Усилия в шарнирах Ф, град.0 10 20 30 40 50 60 70 80

102. АРХ 0,5 0,5426 0,5687 0,5775 0,5687 0,5426 0,5 0,342 0,1736

103. АРу 0,289 0,3136 0,3286 0,3333 0,3286 0,3136 0,289 0,3136 0,3286

104. Ар 0,5775 0,6267 0,6568 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 0,4637 0,3712врх 0,5 0,4422 0,371 0,2885 0,1973 од 0 0 0

105. ВРу -0,289 -0,1399 0,0134 0,1664 0,3142 0,4526 0,5775 0,6267 0,6568

106. Вр 0,5775 0,4637 0,3712 0,3333 0,3712 0,4637 0,5775 0,6267 1 0,6568

107. СХ -0,5 -0,5426 -0,5687 -0,5775 -0,5687 -0,5426 -0,5 0 0 0

108. Су 0,289 0,3136 0,3286 0,3333 0,3286 0,3136 0,289 -0,5775 -0,6267 -0,65680,5775 0,6267 0,6568 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 0,6267 0,65681. Продолжение таблицы

109. Усилия в шарнирах Ф, Град.90 100 110 120 130 140 150 160 170

110. Л 0 -0,1736 -0,342 -0,5 -0,5427 -0.5687 -0, 5775 -0.5687 -0,5427

111. А'у 0,3333 0,3286 0.3136 0,289 0.3136 0,3286 0,3333 0,3286 0.3136

112. Ар 0,3333 0,3712 0,4637 0, 5775 0,6267 0,6568 0.6667 0,6568 0,62670 0 0 0,5 0 0,5427 0.5687 0, 5775 0.5687 0,5427

113. ВРу 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 -0,289 -0,3136 -0,3286 -0,3333 -0,3286 -0.3136

114. Вр 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 0,6267 0,6568 0.6667 0,6568 0,6267

115. С?х 0 0 0 0 -од -0,1973 -0,2885 -0,3710 -0,4422

116. Су -0,6667 -0,6568 -0,6267 -0,5775 -0,4526 -0.3142 -0,1664 -0,0134 0,1399ср 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 0,4637 0,3712 0,3333 0,3712 0,4637

117. Значения усилий в шарнирах от действия подвижных единичныхтангенциальных нагрузок

118. Усилия в шарнирах ф, г рад.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

119. Агх 0,712 0,6056 0,4633 0,289 0,0972 -0,0972 -0,289 -0,4633 -0,6056 -0,712

120. Л ТУ 0.5 0,5052 0,5052 0,5 0.495 0.495 0.5 0,5052 0,5052 0.5

121. А1 0,87 0,788 0,6855 0,577 0,504 0,504 0,577 0,6855 0,788 0,87

122. Втх 0,289 0,2056 0,1344 0,0767 -0,7886 -0.7399 -0,6688 -0,577 -0,4764 -0,3792 -0,289

123. В1у 0,5 0,6532 0.7765 0.866 0.366 0,2712 0,148 0 -0,1632 -0,3316 -0.5

124. В1 0,577 0,6855 0,788 0,87 0,788 0,6855 0,577 0,504 0,504 0,577

125. С х 0,289 0,3792 0,4764 0,577 0,6888 0,7399 0,7886 -0.0767 -0,1344 -0,2056 -0.289

126. СГу 0,5 0,3316 0,1632 0 -0,148 -0,2712 -0,366 -0,866 -0,7765 -0,6532 -0,5с . 0,571 0,504 0,504 0,517 .0,6855 0,788 . 0,87„ .0,788 0,6855 0,577