CC BY
413
Different methods of linearizing nonlinear filtration equation of ideal gas were considered. Evaluations of linearizing methods adequacy with getting exact solution were gotten.
Key words: nonlinear equation, linearizing methods, exact solution, filtration
of gas.
Nikolay Mikhaylovich Kachurin, doctor of technical sciences, professor, Headof a chair, ecology@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sergey Alexandrovich Vorobiev, candidate of technical sciences, general director, vorobjov@rudmet. ru Russia, Moscow, the Publishing House “Ore and Metals”,
Oleg Alexandrovich Afanasiev, postgraduate, leader-express@,tula. net, Russia, Tula, Tula State University,
Dmitriy Nikolaevich Shkuratskiy, general director, director@gallurgy. ru, Russia, Perm, Company “Gallurgiy”
УДК 622.254.5
ТЕХНОЛОГИИ МЕХАНИЗИРОВАННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА ГЛАВНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ НА ПРИМЕРЕ СОВРЕМЕННЫХ СТВОЛОПРОХОДЧЕСКИХ
АГРЕГАТОВ
А.Д. Фомичев
Дано краткое определение шахтного ствола и его назначения; описаны основные схемы проходки вертикальных стволов; выполнен краткий обзор двух современных стволопроходческих комплексов; кратко изложены основные инновации и пути совершенствования стволопроходческих комплексов.
Ключевые слова: шахтный ствол, схема сооружения стволов; комбайновый способ проходки стволов, актуальные пути развития комбайновой проходки стволов.
Шахтный ствол — вертикальная (реже наклонная) капитальная горная выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность и предназначенная для обслуживания подземных горных работ. Через шахтные стволы осуществляется спуск и подъем полезного ископаемого, породы, материалов, оборудования, людей и проветривание шахты.
В зависимости от основного назначения шахтные стволы разделяют на главные и вспомогательные. Главный ствол служит для подъёма на по-
верхность полезных ископаемых. Вспомогательные стволы в соответствии с их функциями подразделяются на грузо-людские для спуска и подъёма людей (клетевые стволы), материалов, оборудования и вентиляционные — для проветривания (вентиляционным называют ствол, через который выдается исходящая струя воздуха; ствол для подачи свежей струи называют воздухоподающим). Часто клетевой ствол одновременно является воздухоподающим, а никогда — вентиляционным.
Стволы сооружают с последовательным монтажом колец обделки в призабойной части выработки (подводкой колец снизу) или способом опускной крепи с наращиванием колец сверху.
Способ подводки колец снизу (рис 1) применяют при сооружении стволов в природно-устойчивых или искусственно закрепленных грунтах.
Способ опускной крепи применяют при проходке стволов в слабых неустойчивых грунтах. Одной из разновидностей способа является проходка с задавливанием крепи. В этом случае обделку устья ствола, имеющую несколько больший диаметр, используют в качестве неподвижной опорной части, а опускную крепь собирают в пределах нижнего ее участка. Чтобы не допустить обнажений вертикальных стенок выработки и выпуска грунта в забое в нижней части опускной крепи делают ножевое кольцо из листовой стали. Крепь погружают, вдавливая ее гидравлическими домкратами, которые устанавливают на верхние фланцы тюбингов очередного собранного кольца обделки с упором в пакеты из двутавровых балок, раскрепленных в обделку устья ствола.
Способ опускной крепи получил дальнейшее развитие в виде способа погружения крепи в тиксотропной оболочке (рис 2.). Сущность его состоит в том, что в процессе погружения зазор между крепью и грунтом заполняют тиксотропным раствором, резко снижающим сопротивление трения. Тиксотропный раствор готовят из специальных видов глин. Он обладает способностью сохранять длительное время свои свойства, т. е. не расслаивается: в нем не выделяется осадок и не отделяется вода. Оказывая давление на стенки выработки, он предотвращает их обрушение или оползание.
Применение тиксотропной оболочки коренным образом усовершенствовало способ опускной крепи, обеспечило необходимую его надежность, снизило затраты времени на сооружение стволов, уменьшило трудоемкость работ, повысило производительность и улучшило условия труда проходчиков.
Необходимым условием применения опускной крепи является наличие водоупора под толщей проходимых неустойчивых грунтов.
Стволы с наращиванием обделки сверху на полную глубину обычно не проходят: преодолев толщу слабых неустойчивых грунтов, дальнейшую проходку в плотных грунтах ведут обычным способом с монтажом обделки подводкой колец снизу.
Рис. 1. Способ подводки колец снизу 1 - тюбинговая обделка ствола; 2 - подвесной полок; 3 - упор;
4 - раструб для прохода бадьи; 5 - рельсовые направляющие;
6 - прицепное устройство; 7 - центральный узел; 8 - балка поворотная; 9 - таль электрическая; 10 - грейферное пневмогрузочное устройство; 11 - бадья; 12 - захват тюбинга нижнего кольца;
13 - крюк для захвата бадьи; 14 - тельфер для установки тюбингов
Рис. 2. Способ погружения крепи в тиксотропной оболочке 1 - домкрат; 2 - пакет балок; 3 - бетонный опорный воротник; 4 - стойка, 5 - глинистый тиксотропный раствор;
6 - тюбинговое кольцо опускной крепи ствола
Из специальных способов по предварительному закреплению грунтов наибольшее распространение при сооружении стволов получило искусственное замораживание грунтов. Оно эффективно при проходке стволов в водонасыщенных песках, слабых глинистых грунтах и плывунах. Этот способ успешно применяют при ведении проходческих работ вблизи от зданий и сооружений, позволяя обеспечить их сохранность и безопасность работ.
Комбайновый способ сооружения стволов составляет низкий процент общего объема строительства стволов. Основной причиной низкого распространения комбайновой проходки, является высокая цена таких комплексов и их ограниченность в проходке по крепким породам.
При комбайновой проходке порода разрушается резцовым и шарошечным инструментом. Такой способ работы обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с буровзрывным способом. Осуществляется непрерывный технологический процесс совмещения во времени таких операций как разрушение породы в забое, погрузки породы и возведения тюбинговой обделки. В результате достигается значительно более высокая скорость проходки, выведение людей из забойной зоны, сравнительная безопасность ведения работ, отсутствие взрывчатых веществ. Также следует отметить, что разработка забоя исполнительным органом, оснащенным режущим инструментом, обеспечивает равномерное оконтуривание круглого сечения выработки, что в свою очередь уменьшает трудоемкость возведения крепи. Однако стоимость проходки в 2-3 раза превышает среднюю, полученную при буровзрывном способе.
Различают два вида стволовых проходческих комбайновых комплексов. К первому виду относят стволопроходческий комбайн с механическим разрушением пород определенной крепости по всей глубине ствола, ко второму виду - стволовой проходческий комбайново-буровзрывной комплекс, предназначенный для механического разрушения только части пород определенной крепости, более крепкие породы проходятся буровзрывным способом. [1]
В практике стволопроходческого машиностроения в последнее время находят все большее распространение высокие технологии, высокопроизводительные машины и оборудование без использования ручного труда, а также новые конструкции и материалы. Сейчас широко применяются стволопроходческие комплексы зарубежной фирмы "Herrenknecht AG". Эта компания автоматизировала проходку ствола, существенно доработав уже имеющиеся технологические схемы, разработав семейство комплексов VSM (рис. 3) [2].
Стволопроходческие комплексы VSM с механическим разрушением на всю глубину были специально разработаны для условий сильной обводненности и крайней нестабильности окружающих пород. Установки позволяют быстро и безопасно сооружать вертикальные стволы диаметром
до 8,5 м и глубиной до 85 м.
Немецкими инженерами используется схема сооружения шахтных стволов способом погружения крепи в тиксотропной оболочке (см. рис. 2).
Рис. 3. Комплекс ИеггепкпееМЛЄ У8И:
1 - режущий барабан; 2 - телескопическая стрела; 3 - корпус машины;
4 - кабели питания комбайна; 5 - лебедки спуска-подъема комбайна;
6 - станция управления комбайном; 7 - тюбинговая обделка
В стартовом кольце, снабженном мощной стальной режущей кромкой, расположена собственно проходческая машина. Её рабочий орган представляет из себя телескопическую стрелу с вращающимся барабаном. На стреле расположен насос 160 кВт, откачивающий разработанный грунт. Необходимо отметить, что машина рассчитана на глубину подводной экскавации до 85 м. Разработка грунта осуществляется секторами по всей площади забоя. При необходимости, например, при встрече с крепкими породами и большими валунами возможен выход барабана за расчетный диаметр выработки. Также в зависимости от физико-механических свойств
грунта предусмотрены три фиксированных высотных положения машины относительно забоя. Разработанный грунт с помощью гидротранспорта подается в расположенный на поверхности сепараторный узел, а вода после сепарации возвращается обратно в ствол.
Оператор, управляющий комплексом при помощи компьютера, располагает всей информацией, необходимой для выполнения всего технологического цикла.
Благодаря компактности основных и вспомогательных конструкций комплекс позволяет вести проходку даже в стеснённых условиях города и непосредственной близости от строений, где проведение работ традиционными методами не представляется возможным. Комплекс оснащен автономными источниками электропитания и может быть абсолютно независим от городского энергоснабжения.
За последние годы комплекс успел пройти проверку, работая в различных геологических условиях на территориях нескольких стран. Три стволопроходческих комплекса были поставлены в Россию.
Среди российских стволопроходческих комплексов комбайнового типа на сегодняшний день можно выделить разрабатывающееся семейство комбайново-буровзрывных комплексов на базе агрегатов АСП [3]. Уже сейчас выпущен и эксплуатируется комплекс на базе агрегата АСП-8,0 (рис. 4) в стволе Ново-Усольского месторождения Пермского края. Комплекс предназначен для сооружения вертикальных стволов с монтажом тюбинговой крепи внутренним диаметром 8,0 метров механизированным способом, а также с возможностью использования элементов агрегата в качестве монтажного кольца для буровзрывного способа проходки. Комплекс на базе агрегата АСП-8,0 включает в себя: погрузочную машину 2КС2У-40, трехэтажный проходческий полок, бункер для приема бетонной смеси и грузовую бадью.
Комплексами на базе АСП используется схема проходки, при которой тюбинговая обделка подводится снизу (см. рис. 1).
Агрегат обеспечивает проходку стволов круглым сечением в необ-водненных породах крепостью до 4 единиц по шкале проф. М.М. Прото-дьяконова, в том числе и в обводненных породах в условиях проходки с замораживанием. При разрушении забоя агрегат монтируется к закреплённой тюбинговой обделке и распирается в забой распорными гидроцилиндрами. Забой разрушается шнековой фрезой при помощи поворота внутреннего кольца относительно монтажного кольца, зафиксированного на тюбинговой обделке, а также поворота рукояти фрезы вокруг своей оси с помощью гидроцилиндров поворота исполнительного органа. После разрушения забоя ведется погрузка разрушенной породы в бадьи с транспортированием их на поверхность. В дальнейшем осуществляется опускание агрегата относительно готовой тюбинговой обделки и монтаж нового тюбингового кольца с корпуса агрегата.
Рис. 4. Агрегат стволопроходческий АСП-8,0 в сборочном цехе:
1 - монтажное кольцо; 2 - внутреннее кольцо; 3 - тюбингоукладчик;
4 - электрооборудование; 5 - гидрооборудование; исполнительный орган
Эксплуатационная производительность комплекса на базе агрегата АСП-8,0 в условиях проходки по калийным месторождениям Пермского края составила 48 метров готового стола в месяц, при этом техническая производительность комплекса получилась 0,24 м /мин.
В настоящее время ведется разработка агрегата АСП-7,0 для сооружения 7 метровых стволов.
Отличительной особенностью данных агрегатов является простота конструкции и технологии проходки ствола, невысокая стоимость агрегата, безопасность ведения проходческих работ, возможность использования буровзрывного способа проходки при незначительном переоснащении агрегата. Таким образом, семейство комплексов на базе агрегатов АСП можно считать альтернативой буровзрывного способа проходки.
На сегодняшний день существует большое разнообразие различных вариантов проходки вертикальных стволов с использованием различных комплексов оборудования. Выбор наиболее удачного варианта представляет собой сложную задачу, зависящий от совокупности всех факторов работы при сооружении ствола. Следует отметить, что, несмотря на совершенство существующих механизированных комплексов для проходки стволов, чаще всего используется буровзрывной способ ввиду более низкой себестоимости строительства ствола. Между тем, как отмечалось ранее, комбайновый способ проходки ствола наиболее прогрессивный и безопасный, но из-за высокой стоимости не получил широкого распространения по сравнению с буровзрывным способом. Поэтому наиболее актуальным путем развития строительства стволов является внедрение недорогих ком-
байновых комплексов, обеспечивающих механизированную проходку и все преимущества комбайнового способа разрушения.
Список литературы
1. Малевич Н.А. Машины и комплексы оборудования для проходки вертикальных стволов. М.: «Недра», 1975. 339 с.
2. Концерн Herrenknecht AG механизированная технология туннелестроения для современных инфраструктур - Германия. [Электронный ресурс]. URL: http://www.herrenknecht.com.
3. Объединенная горно-строительная компания, проектирование и строительство вертикальных стволов горнодобывающих комплексов - Москва ЗАО «ОГСК». [Электронный ресурс]. URL: http://ogsk.ru.
Фомичев Алексей Дмитриевич, асп., leha. f71 @mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MECHANICAL TECHNOLOGYCONSTRUCTION OF THE MAIN VERTICAL SHAFT OF THE EXAMPLE OF CONTEMPORARY SHAFT SINKING MACHINE
A brief definition of the shaft and its purpose are described, the main schemes of sinking shafts, made a brief overview of two modern shaft sinking machines summarizes the main innovations and ways to improving shaft sinking machines.
Key words: mine shaft, the circuit construction barrels; combine method of shaft sinking, current development path combine and shaft sinking.
Fomichev Aleksey Dmitrievich, postgraduate, leha. f71 @mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
