Расчет и проектирование герметических щитов и проходческих комбайнов


  Горное

Машиностроение



А. Б. Жабин, Ан. В. Поляков, Ал. В. Поляков






РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕРМЕТИЧЕСКИХ ЩИТОВ И ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ
Учебник











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.23.054.051:624.191.6
ББК 33.15+39.112
     Ж12



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры техники и технологии горного и нефтегазового производства
       Московского политехнического университета В. ГМерзляков;
директор Тульского научно-технического центра ООО «МАШГЕО» кандидат технических наук В. ГОленников



     Жабин, А. Б.
Ж12 Расчет и проектирование герметических щитов и проходческих комбайнов : учебник / А. Б. Жабин, Ан. В. Поляков, Ал. В. Поляков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 424 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0837-0
        Приведены общие сведения о герметических тоннельных щитовых машинах, технологических операциях, особенностях обеспечения безопасности рабочего персонала и охраны окружающей среды. Представлены их классификации и области применения, компоновки и конструкции. Даны рекомендации по выбору параметров и типа таких машин для различных горногеологических условий. Рассмотрены закономерности разрушения горных пород поворотными резцами, их износостойкость и удельный расход при эксплуатации, технология производства, а также нагруженность рабочих органов проходческих комбайнов избирательного действия. Отмечены тенденции и перспективы их развития. Представлены методы и методики расчета и проектирования как герметических тоннельных щитовых машин, так и исполнительных органов комбайнов.
        Для студентов и аспирантов, изучающих горное дело.

                                             УДК 622.23.054.051:624.191.6
                                             ББК 33.15+39.112






ISBN 978-5-9729-0837-0

     © Жабин А. Б., Поляков Ан. В., Поляков Ал. В., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                I РАЗДЕЛ




ГЕРМЕТИЧЕСКИЕ ТОННЕЛЬНЫЕ ЩИТОВЫЕ МАШИНЫ

            ПРЕДИСЛОВИЕ



                                           Лучше ум хорошо устроенный, чем ум хорошо наполненный (Мишель де Монтень)

         В слабых и неустойчивых обводненных грунтах тоннели строят специальными способами - с применением сжатого воздуха, водопонижения, замораживания или укрепления (глинистыми, цементными или химическими растворами) грунтов. Подобные методы требуют очень больших затрат времени и средств, создают экологические проблемы и отражаются на здоровье проходчиков. Специальные способы проходки тоннелей в неустойчивых обводненных грунтах и агрессивных средах осуществляются уже много лет. Однако принципиально новым решением проблемы, позволяющим осуществлять переход на высокую технологию проходки тоннелей, является создание и использование в таких условиях специальных механизированных щитов, имеющих герметичную призабойную зону, в которой в процессе проходки используется активный пригруз, обеспечивающий устойчивость забоя. Такой пригруз осуществляется непрерывно в виде давления на забой бентонитовой суспензии, нагнетаемой в призабойную камеру или давления перемешанного в призабойной камере разработанного грунта. Используется также пригруз в виде давления сжатого воздуха, нагнетаемого в призабойную камеру (кессонирование), который уравновешивает гидростатическое давление и осушает забой. Такое специальное оборудование получило название «Герметические тоннельные щитовые машины».
         Выбор вида активного пригруза осуществляется на основе анализа инженерно-геологических условий и технико-экономического сопоставления видов пригруза. Например, для гидропригруза требуется сложная сепарационная установка для сбора разработанного грунта и сепарации твердой фракции, а также установки для регенерирования бентонитовой суспензии. С другой стороны, эксплуатация систем гидротранспорта породы в среде тиксотропной суспензии обеспечивает определенные преимущества в отношении гигиены труда и безопасности, исключает транспорт грунта в тоннеле. В свою очередь, при грунтовом пригрузе забоя, разработанный грунт, поступающий через шнековый транспортер, не требует для своего вывоза специальной обработки, т. е. отпадает надобность в насосных станциях и регенерационной установке.


4

ПРЕДИСЛОВИЕ

         Предлагаемый вниманию читателей настоящий учебник является четвертой книгой из серии «Горное машиностроение» и посвящается основам расчета и проектирования проходческих комбайнов и щитов.
         Первая книга этой серии, предметом которой являлись щитовые проходческие комплексы и проходческие щиты для строительства горных выработок различного назначения и формы поперечного сечения, вышло в издательстве «Горная книга» в 2009 году тиражом 2000 экземпляров. Вторая и третья книги в виде учебных пособий, посвященные проходческим комбайнам и герметическим щитам, вышли соответственно в 2018 и 2019 гг. в издательстве Тульского государственного университета тиражом в 100 экземпляров каждая и стали библиографической редкостью.
         Эффективная работа угольной промышленности как одно из направлений обеспечения энергетической независимости, может быть обеспечена высоким техническим уровнем средств механизации и автоматизации технологических процессов горных работ. Анализ мировых тенденций развития угольной промышленности показывает, что одним из направлений снижения себестоимости добычи полезного ископаемого является концентрация горных работ. Это достигается на основе интенсификации процессов подземного производства с использованием современных технологий и максимального использования потенциальных возможностей техники за счет ее адаптации под горно-геологические и горнотехнические условия шахт.
         Комбайновый способ проходки горных выработок является наиболее эффективным. Комбайны оснащаются продольно - и поперечно-осевыми резцовыми коронками. Темпы продвигания забоев с появлением современных проходческих комбайнов возросли с 70-80 м/мес. до 100-110 м/мес. и выше. Анализ перспектив применения высокоэффективных добычных комплексов с объемом добычи 3-6 тыс. т в сутки показывает, что темпы проходки выработок должны быть существенно повышены, что может быть достигнуто только при эффективном использовании потенциальных возможностей проходческой техники.
         Силовой расчет исполнительных органов проходческих комбайнов связан с определением их эксплуатационной нагруженности. Такой показатель является приоритетным в сравнении с обоснованием других характеристик комбайна. Это связано с тем, что невысокое качество определения других параметров приводит к снижению эксплуатационных характеристик машины, в то время как ошибки в обеспечении нагруженности исполнитель-

5

   РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕРМЕТИЧЕСКИХ ЩИТОВ И ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ •-------------------------------------------------------------------
  ного органа приводят к его полной неработоспособности. Нагруженность исполнительного органа во многом формируется в результате «внешнего» возмущения - сил резания и подачи на рабочем инструменте, в качестве которого используются поворотные резцы.
         Обработка забоя исполнительным органом проходческого комбайна сопровождается непрерывным износом резцов, что ведет к росту удельных энергозатрат разрушения забоя (до 2-х раз между заменами резцов). При этом снижается теоретическая производительность комбайна, увеличивается длительность разрушения единицы объема горного массива и, как следствие, количество циклов нагружения, что приводит к снижению ресурса машины. В основу содержания этого раздела книги положены материалы и результаты исследования рабочих процессов в силовых системах проходческих комбайнов избирательного действия, направленные на повышение эффективности их использования.
         В первой главе настоящего учебника приведены общие сведения о герметических тоннельных щитовых машинах, дана их классификация, описаны конструктивно-компоновочные схемы и область их применения. Отдельно рассмотрены сопутствующие технологические операции щитовой проходки, к которым относятся тампонаж заобделочного пространства, блокирующая стабилизация грунтов вокруг щитовой машины, вопросы ее ведения по заданному направлению и контроль за ее работой. Кроме того, в данном разделе описаны особенности обеспечения безопасности рабочего персонала и охраны окружающей среды, даны рекомендации по выбору типа тоннельной щитовой машины для различных горно-геологических условий.
         Во второй главе достаточно подробно рассмотрены вопросы выбора параметров и проектирования герметических щитовых машин с грунтовым и суспензионным пригрузом забоя.
         Третья глава посвящена методам расчета технологических параметров процесса активного пригруза забоя, таких как давления пригруза забоя, параметров осадки дневной поверхности, параметров суспензии и грунтового раствора, а также производительности работ. Представлены методики расчета основных конструктивных элементов герметических тоннельных щитовых машин.
         В четвертой главе рассматриваются виды и цели экспериментальных исследований, проводимых при создании новых щитовых машин, и приводится обоснование не только целесообразности, но и необходимости их проведения.

6

ПРЕДИСЛОВИЕ


         Проведенные исследования иллюстрируются примерами изготовления и результатами практического применения новых щитов, созданных на основе и с учетом этих исследований, а также даны некоторые обобщающие выводы по проведенным исследованиям.
         В пятой главе приведены общие сведения, касающиеся основных закономерностей процесса взаимодействия поворотных резцов с породным массивом, описана конструкция и даны сведения о влиянии параметров резцов на силовые характеристики процесса. Здесь же представлен обзор результатов исследований износа резцов и влияния отдельных факторов на интенсивность изнашивания последних.
         Особый интерес, на наш взгляд, представляет шестая глава учебника, в которой в методологической последовательности изложены инженерные методики расчета эксплуатационной нагруженности трансмиссии исполнительного органа и устойчивого момента двигателя, выбора гидроцилиндров подачи и гидронасоса, определения износостойкости и удельного расхода резцов и приведены примеры расчета для проходческого комбайна КП-21.
         В седьмой главе изложены методики проверочного расчета проходческого комбайна со стреловидным исполнительным органом, оснащаемым продольно- или поперечно-осевой коронками. Отметим, что проверочный расчет заключается в построении схем стружкообразования, дающих качественный анализ работы резцов коронки, и в определении производительности комбайна - завершающего этапа проектировочного расчета исполнительного органа комбайна.
         Общие сведения о технологии производства тангенциальных поворотных резцов и расчета временных показателей основных операций их производства представлены в восьмой главе.
         В девятой главе кратко изложены перспективы и основные направления совершенствования рабочего инструмента и исполнительных органов проходческих комбайнов.
         Особенностью настоящего учебника является то, что после каждого раздела книги приводится по десять контрольных вопросов, правильные ответы на которые позволяют закрепить изученный материал и помочь сложить целостное представление о современной горнопроходческой технике и методах ее расчета и проектирования.
         В приложении авторы сочли возможным представить сведения о конструктивном исполнении серийных поворотных резцов ведущих отечествен-

7

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕРМЕТИЧЕСКИХ ЩИТОВ И ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ

  •--------------------------------------------------------------------
  ных фирм-производителей. Эти данные могут быть использованы для силового расчета исполнительных органов комбайнов при оснащении их резцами различных типоразмеров и для различных горно-геологических условий применения одного и того же комбайна.
         Учебник предназначен для студентов старших курсов, обучающихся по специальности 21.05.04 - «Горное дело», специализация - «Горные машины и оборудование» при изучении ими дисциплин «Горные машины и оборудование», «Расчет и проектирование горных машин и комплексов» и «Разрушение углей и горных пород», а также может быть использован при курсовом и дипломном проектировании.
         Авторы выражают глубокую признательность рецензентам:
         • доктору технических наук, профессору кафедры техники и технологии горного и нефтегазового производства Московского политехнического университета Виктору Георгиевичу Мерзлякову;
         • кандидату технических наук, директору Тульского научно-технического центра ООО «МАШГЕО» Владимиру Григорьевичу Олен-никову, взявшими на себя труд прочитать рукопись и сделать ряд ценных замечаний по ее методическому совершенствованию.

8

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕРМЕТИЧЕСКИХ ТОННЕЛЬНЫХ ЩИТОВЫХ МАШИНАХ



    1.1. Термины и определения

        Конструкция герметических тоннельных щитовых машин и их специфические особенности достаточно разнообразны. Тем не менее, в сфере строительства тоннелей щитовым способом и разработки соответствующего щитового оборудования сложилась своя терминология, которой все придерживаются. И прежде чем переходить к рассмотрению конструкции и методов расчета и проектирования герметических щитовых машин остановимся на основных терминах и определениях.
        Прежде всего, скажем о некой несуразице, случившейся в стройных рядах российских, и не только, тоннелестроителей.
        Общеупотребительной стала аббревиатура ТПМК - тоннелепроходческий механизированный комплекс. Она проникла в деловую переписку, техническую документацию, нормативные документы и, конечно, в научные диссертации.
        Обозначают ею механизированные проходческие комплексы с роторным исполнительным органом.
        Аббревиатура эта, во-первых, совершенно не информативна и, во-вторых, понятие «тоннелепроходческий комплекс» никак нельзя отнести к механизированному проходческому щиту, который, к сожалению, мы сегодня именуем «ТПМК».
        Ведь даже если принять, что аббревиатурой этой обозначается механизированный проходческий щит (или, как сейчас принято говорить, комплекс) то из ее содержания совершенно неясен принцип механизированной разработки породы в забое. Общеупотрибительные в практике тоннелестроения обороты типа «ТПМК София» или «ТПМК Херренкнехт» не несут никакой информации об этом проходческом щите. Совершенно неясен тип исполнительного органа для разработки забоя. Это может быть и проходческий щит с роторным или планетарным рабочим органом для крепких устойчивых пород, и щит с грунтовым или шламовым пригрузом.
        С другой стороны, мы знаем механизированные (имеется в виду механизированная разработка забоя, в отличие от ручной на ранних щитах)


9

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕРМЕТИЧЕСКИХ ЩИТОВ И ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ

  •------------------------------------------------------------------
  проходческие щиты, где разработка породы ведется вовсе не роторным исполнительным органом, а челюстными погрузчиками. Например, советский щит, работавший на перегоне «Волгоградский проспект» - «Крестьянская Застава» Московского метрополитена. Или стреловидный исполнительный орган, как, например, в щитах английской фирмы «Маркхэм» и других производителей.
         Перечисленные машины также являются ТПМК, если следовать принятой у нас в настоящее время терминологии. Однако никому в голову не приходит так их назвать.
         В нормативной и технической литературе существует определенная неразбериха и противоречивость в определении понятия «проходческий комплекс».
         «Горная Энциклопедия» разъясняет, что «проходческий комплекс» оборудования - система горных машин, обеспечивающая механизацию всех основных операций процесса проведения горных выработок, включая разрушение массива, погрузку, транспортировку горной массы и крепление выработок.
         И далее, там же: «Проходческие комплексы оборудования... основываются на технологически и кинематически взаимоувязанной системе горных машин, смонтированных на единой базе» или «. на технологически взаимоувязанной системе автономно работающих горных машин».
         С другой стороны, сегодняшний законодатель в строительной отрасли - «СТО НОСТРОЙ» - определяет ТПМК как «комплект механизмов и устройств для разработки и выдачи грунта, крепления забоя, возведения обделки и нагнетания тампонажного раствора за обделку».
         В другом, своем же, нормативном документе для «СТО НОСТРОЙ» ТПМК - это уже «комплект механизмов и устройств, осуществляющих во взаимосвязи и взаимодействии все этапы работ - (курсив авторов), связанных с разработкой грунта, креплением забоя, уборкой грунта и возведением обделки».
         Если первые определения в полной мере можно отнести к сегодняшней практике применения понятия ТПМК, то второе определение представляется нам единственно правильным, хотя и неполным.
         Скажем иначе: комплекс оборудования - это определенный набор автономно работающих машин, выполняющих совместно определенную последовательность работ, результатом которых становится конечный продукт. В нашем случае - конструкция тоннеля.

10