Гайко Г.И. История горной техники

Подождите немного. Документ загружается.

мощность 73 кВт, гусе-

ничного хода – 10 кВт,

ленточного конвейера

– 2,2 кВт. Крестовина

делала 5 об/мин и про-

двигалась по раме шас-

си, причем через каж-

дые 1-1,5 м крестовина

подавалась назад, зуб-

цы на ней заменялись и

комбайн передвигался

ближе к забою посред-

ством гусеничного

хода. Скорость прове-

дения выработки комбайном Ч-3 составляла: по аргиллитам – 0,83 м/

час, по песчаниками – 0,46 м/час, по известнякам – 0,2 м/час [33].

В 50-х годах были созданы проходческие комбайны избирательного

разрушения ПК-3 (рис. 4.30, а) со стреловидным исполнительным орга-

ном и одной резцовой коронкой, а также сплошного разрушения типа

ШБМ (рис. 4.30, б) с буровым исполнительным органом, образующим

в массиве зарубные щели и скалывающим целики. Эти комбайны были

предназначены для проведения выработок малой площади по слабым

породам. Их конструкции явились исходными для разработки после-

дующих моделей более мощных проходческих машин: ГПКС (рис. 4.30,в)

– со стреловидным исполнительным органом и двумя резцовыми ко-

ронками, ПК-8М (рис. 4, 30, г) – с роторным резцовым исполнительным

органом, КРТ (рис. 4.30, д) – с роторным шарошечным исполнитель-

ным органом и др.

К середине 80-х годов объем комбайновой проходки достиг 45% вы-

работок (в 1960 г. он составлял всего 4%), что объясняется рядом досто-

инств комбайнового способа: сокращением числа и продолжительнос-

ти операций проходческих работ, облегчением труда рабочих, повыше-

нием его производительности и безопасности. Применение комбайнов

позволяет улучшить качество работ, обеспечивает стабильную форму и

размеры выработок, повышает их устойчивость, сокращает объемы

вынимаемой породы, облегчает установку стандартных крепей. Пред-

почтительность комбайнов наиболее очевидна при необходимости ско-

ростной проходки выработок. Абсолютный мировой рекорд проходки

горизонтальных горных выработок установлен в 1971 г. шахтерами

комбината «Беларускалий» на комбайне ПК-8М, который прошел за один

месяц 4551 пог. м выработок [35]. Сдерживающим фактором применения

комбайнов является высокая крепость вмещающих пород. Так, отечествен-

4.29 Комбайн конструкции Чихачева

Рис. 4.30 Конструкции отечественных проходческих комбайнов

ные комбайны с резцовым исполнительным органом могут успешно ра-

ботать только при крепости пород

≤

(в случае немонолитной по-

роды – при

≤

), а с шарошечным – при

10f

≤

. Следует отметить,

что разработанные в США и Западной Европе более мощные машины

фирм «Robbins» (рис. 4.31), «Demag», «Dosco» и др. решают эту про-

блему, однако из-за высокой стоимости они не могут быть в ближай-

шее время востребованы отечественной горной промышленностью.

Наряду со стоимостью немаловажными аспектами являются снижение

удельного энергопотребления на отбойку породы, повышение надеж-

ности, удобства обслуживания и ремонтнопригодность комбайнов.

Анализируя общие показатели горно-проходческих работ, следует

отметить наличие большого числа отдельных проходческих машин и

комплексов с ограниченной областью применения, обусловленной кре-

постью пород, углом наклона выработок, площадью их сечения и др.

факторами. Обращает внимание невысокий коэффициент машинного

времени этих машин. Так, для комбайнов он составляет 0,25-0,3, а у

погрузочных машин всего 0,12 от продолжительности проходческого

цикла. В 80-е годы проходческие комбайны работали в среднем 19,4

дня в течение месяца, а погрузочные машины – до 15 дней в месяц.

Коэффициент использования парка погрузочных машин был менее

65%, бурильных – около 70%, комбайнов – 60-70% (данные по бывш.

СССР) [36]. Как свидетельствуют экономические показатели, приме-

нение погрузочных машин становится целесообразным при скорости

проведения вы работок более 40 м/мес, проходческих комбайнов – более

150 м/мес для легких и более 300 м/мес для тяжелых типов. В этой свя-

зи к основным направлениям совершенствования горно-проходческой

техники наряду с общими требованиями к конструированию (надеж-

ность, экономичность, техническая эффективность) следует отнести

стремление к универсальности машин, что обеспечивает возможность

применения в широком диапазоне горно-технических условий, а так-

же к их многофункциональности (т.е. совмещении в одной машине обо-

рудования для различных проходческих процессов).

Горные выработки можно без преувеличения назвать «артериями

шахты», по которым ходят люди, движется воздух, перемещаются гру-

зы, транспортируется полезное ископаемое. Для обеспечения устойчи-

вости, технологической функциональности и безопасности выработок

применяют горную крепь, которая является важнейшей и наиболее до-

рогостоящей частью горной техники.

Рис. 3.31 Проходческий комбайн фирмы «Robbins» (США)

В начале ХХ в. на шахтах преоб-

ладали рамные деревянные крепи

(рис. 4.32), принципиально не изме-

нившиеся со времен Г. Агриколы. Од-

нако, деревянные крепи недолговеч-

ны, а с увеличением глубины разра-

ботки и усложнением горно-геологи-

ческих условий надежность этих кон-

струкций еще более снизилась. Это

послужило причиной широкого при-

менения стального проката для креп-

ления горных выработок.

Первоначально в штреках исполь-

зовали жесткие рамы из стального двутаврового профиля или рельса

(рис. 4.33). Поскольку жесткая конструкция может приспосабливаться

к смещениям породного контура только ценой остаточной деформации

элементов рамы с последующим их разрушением, то применение сталь-

ных жестких крепей не решило проблему устойчивого поддержания

выработок в сложных условиях. Более того, немецкие инженеры в начале

ХХ в. пришли к мнению о непригодности металлических конструкций для

крепления горных выработок [37]. Впоследствии совершенствование сталь-

ных рамных крепей шло по пути увеличения их работоспособности и при-

способления (адаптации) к формоизменению сечения выработки.

На первом этапе (1924 г.) в конструкцию стальной арочной крепи

были введены дополнительные шарниры (рис. 4.34, а), позволившие

снизить неравномерность распределения внешних нагрузок за счет их

передачи на окружающие крепь породы. Особая заслуга по внедрению

шарнирных арок принадлежит немецкой фирме «Ф. Моль и сыновья»,

благодаря которой в 30-40-е годы стальная рамная крепь находит мас-

совое применение на угольных шахтах Рура.

Рис. 3.33 Жесткие конструкции стальных рамных крепей:

а – трапециевидная; б – арочная; в – кольцевая

Рис. 3.32 Рамная деревянная крепь

В 1932 г. фирма «Туссен-Хайнцман» (Германия) разрабатывает пар-

ные желобчатые профили различных типоразмеров и эффективную кон-

струкцию их соединений. Прототипами таких профилей были, по види-

мому, U-образные профили стоек фирмы «Шварц» для поддержания

очистных выработок (1908 г.). Благодаря этому конструктивному ре-

шению, рамная крепь стала податливой и, сохранив свои грузонесущие

функции, получила возможность «уходить» от горного давления без раз-

рушений, приспосабливаясь к формоизменению породного контура

выработки.Имена владельца металлургического завода в Бохуме г-на

Хайнцмана и главного директора верфи г-на Туссена навсегда вошли в

историю горной техники. Как показал опыт, работоспособность, дефор-

мационно-силовые характеристики и область применения стальных рам-

ных крепей во многом предопределяются конструкцией соединений их

элементов (рис. 4.35), хотя первоначально соединительные узлы выпол-

няли лишь монтажную функцию для сборки несущих элементов рам.

После второй мировой войны податливые конструкции крепей (рис.

4.34, б) получают широкое распространение в большинстве промышлен-

но развитых стран Европы. К концу 50-х годов стальной рамной крепью

поддерживалось в Германии 50% всех горных выработок, во Франции –

более 60%, в Англии – более 70%, в Бельгии – до 90%. В эти же годы нача-

лось широкое использование стали для крепления выработок на шахтах

бывш. СССР (первые промышленные испытания проведены в 1947 г.).

Первоначально работы по ее конструированию и внедрению были

сосредоточены в Донецком угольном институте. Здесь были разработа-

ны и прошли разносторонние испытания параметрический ряд взаимо-

заменяемых специальных профилей, конструкции узлов податливости,

особые стали для крепи, были созданы нормативные материалы по изго-

товлению и применению податливых крепей типа АП.

Рис. 4.34 Развитие стальных рамных крепей: а – шарнирная крепь фирмы

«Ф. Моль и сыновья»; б – податливая крепь фирмы «Туссен-Хайнцман»

Примечательно, что в отечественной научно-технической литературе

и горной практике утвердился термин «металлические крепи», хотя для

их изготовления используют исключительно сталь. Возникновением это-

го термина мы во многом «обязаны» переводчикам с немецкого статей и

монографий 40-50-х годов по вопросам исследования работы стальных

(в немецких оригиналах именно «стальных» – «Stahlausbau») крепей. За-

мена терминов при переводе основывалась, по видимому, на аналогии с

Рис. 4.35 Конструкции соединений элементов стальных рамных крепей:

а – жесткие соединения (конец XIX в); б – шарнирные соединения

(30-40-е гг. ХХ в.); в – податливые соединения (30-е гг. ХХ в. по н.в.)

металлическими конструкциями в строительстве. Однако в строительстве,

наряду со сталью широко используют алюминий и др. металлы, не при-

меняемые для крепления выработок. Поэтому для горного дела, по мне-

нию автора, более корректным является термин «стальные крепи».

К 1991 г. Украина ежегодно использовала для крепления горных вы-

работок около 550 тыс. т нового проката, в выработках находилось более

7 млн. т стальных крепей, из 16 тыс. км поддерживаемых выработок 12

тыс. км были закреплены металлом. В настоящее время более 80% горных

выработок на шахтах Украины проходится с применением стальных рам-

ных крепей. Это объясняется не только достоинствами их конструкций (по-

датливость, высокая несущая способность, возможность запредельного де-

формирования, относительная безопасность, ремонтопригодность и др.),

но и определенным консерватизмом отечественных проектировщиков, ти-

ражирующих «шаблонное» решение (трехзвенную арочную крепь из тяже-

лых спецпрофилей) практически на весь диапазон горно-технических ус-

ловий поддержания выработок. Как отмечал проф. А.П. Максимов (НГА

Украины), «арка из спецпрофиля справедливо считается одним из лучших

конструктивных решений, однако было бы ошибочным считать это реше-

ние универсальным» [37].

Проведенное в ДГМИ исследование «линии жизни» технической сис-

темы стальной рамной крепи за последние 30 лет – анализ объемов и об-

ласти ее применения; количества выпускаемых конструкций, изобрете-

ний, продлевающих срок эксплуатации системы, и др. – позволяет сде-

лать вывод об ее S-образном характере во времени (рис. 4.36), т.е. систе-

ма уже прошла исходный этап быс-

трого совершенствования и после-

дующий этап стабильного роста,

темпы ее развития начинают спа-

дать, хотя объемы применения еще

достаточно высоки [37]. В дальней-

шем, в соответствии с законом

«жизни» технических систем [38],

стальная рамная крепь либо вытис-

нится принципиальной иной систе-

мой (анкерные, породонесущие

конструкции и др.), что в ближай-

шие 15-20 лет маловероятно из-за высокой инерционности развития

горной промышленности, либо перейдет на существенно более высо-

кий уровень своего технического развития (свойства адаптивности; вы-

равнивание запаса прочности несущих элементов по периметру рамы, а

также вдоль выработки; снижение трудоемкости возведения и др.).

Для условий установившегося равномерно распределенного горного

Рис. 4.36 «Линия жизни» технической

системы стальной рамной крепи

(данные по бывш. СССР)

давления, для выработок с длительным (более 10 лет) сроком службы

уже в начале ХХ в. применяли бетонную крепь. В «Материалах для

урочного положения горных работ» (1926 г.) М.М. Протодьяконов при-

водит нормированные расходы бетона, анализирует трудоемкость ра-

бот «для набивания бетона по шаблонам», дает примеры организации

работ при креплении выработок бетоном. Современную бетонную

крепь (рис. 4.37, а, б) возводят при помощи бетоноукладочных комп-

лексов (рис. 4.37, в), позволяющих механизировать процесс укладки

бетона за опалубку.

Дальнейшим развитием данного направления крепления выработок

для сложных горно-геологических условий явилась комбинация сталь-

ных рам с монолитным бетоном (т.н. металлобетонная крепь, рис. 4.38).

Расход стали в этом случае составляет от 400 до 1300 кг, а бетона 4-6 м

на

1 м выработки. Не смотря на исключительно высокую материалоемкость

эта крепь не всегда обеспечивает надежное поддержание выработок, по-

скольку в данной конструкции не удается обеспечить эффективную со-

вместную работу бетона и стали: сначала разрушается бетонная оболоч-

ка (особенно в межрамных пролетах), а затем «вступает в работу» жест-

кая стальная крепь. Не нашли широкого применения и сборные железо-

бетонные конструкции (тюбинги, блоки и др.), поскольку эти крепи пло-

Рис. 4,37 Бетонная крепь: а – с вертикальными стенами и сводчатым перекрытием;

б – с обратным сводом; в – технология возведения (1 – бетоновоз; 2 – загрузочное

устройство; 3 – пневмонагнетатель; 4 – раздвижная упорная стойка; 5 – опалубка)

хо приспособлены к неравномерному распределению нагрузок по кон-

туру выработки и не имеют достаточного запаса податливости.

Весьма эффективным фактором управления горным давлением яв-

ляется набрызг-бетон, представляющий смесь цемента, песка и гравия

(щебня), которая наносится безопалубочным методом. Первое сообще-

ние о возможности получения бетонного покрытия путем набрызга (вы-

дувание смеси сжатым воздухом через сопло) было сделано в Нью-Йор-

ке Д. Прантиссом в 1910 г. Им же в 1914 г. набрызг-бетон был впервые

использован для крепления горных выработок. В России применяется с

1916 г. Создание в Швейцарии в 1942 г. машин для нанесения смеси с

наполнителем крупностью до 30 мм и разработка эффективных ускори-

телей схватывания и твердения смеси способствовали широкому исполь-

зованию набрызг-бетона в качестве самостоятельной крепи, а также в

сочетании с анкерами или стальными рамами с покрытием непосред-

ственно по породе или по сетчатой затяжке [39]. Полная механизация

работ по возведению набрызг-бетонной крепи, ее высокие прочност-

ные свойства, превышающие характеристики монолитного бетона в 2,5-

2,75 раза, эффективное взаимодействие с породным массивом (образо-

вание единой грузонесущей системы), удачное сочетание с дополнитель-

ными крепями – делают набрызг-бетон одной из наиболее перспектив-

ных технологий шахтного строительства.

Особый интерес представляет анкерная (штанговая) крепь, которая

принципиально отличается от применяемых в течение тысячелетий под-

порных конструкций, устанавливаемых на почву выработки (стойки,

рамы и т.п.). Она представляет собой стержни (анкера), закрепленные с

определенной частотой в шпурах по контуру горной выработки и обес-

печивающие упрочнение массива за счет скрепления («подшивки») раз-

личных по прочности породных слоев [40]. Идея анкерной крепи не сра-

Рис. 4.38 Металлобетонная крепь: а – незамкнутая:

б – с обратным сводом

зу завоевала своих сторонников. Горняков смущало то обстоятельство,

что анкерная крепь поддерживает ту породу, которая держит саму крепь.

Это, на первый взгляд, напоминало известный «трюк» барона Мюнха-

узена, который вытащил из болота за волосы самого себя, и внушало

неверие в работоспособность такой конструкции.

Первые сведения о применении анкеров (штанг) для крепления гор-

ных выработок относятся к 1900 г., когда на угольной шахте в Верхней

Силезии были использованы деревянные клинощелевые анкеры. Экспе-

рименты с применением стальных анкеров для крепления штреков были

проведены в Нидерландах, Германии, Великобритании и США в 1914-

1918 гг., однако их широкое промышленное использование началось

только после 2-й мировой войны.

В горной практике по-

лучили распространение

стальные анкеры с точеч-

ным закреплением в дон-

ной части шпура посред-

ством клинощелевых или

распорных замков (рис.

4.39), а также (в меньших

объемах) со сплошным или

частичным закреплением

смесями на цементной ос-

нове. Значительным шагом

в совершенствовании тех-

нологии анкерного крепле-

ния стало использование

при закреплении стержней

специальных химических

составов на основе синтети-

ческих смол (эпоксидных,

полиэфирных и др.). При

этом химические составы

помещают в патронообраз-

ные оболочки (ампулы),

причем смола и отвердитель подаются в шпур в отдельных оболочках

(рис. 4.40, а). В шпур вводится стальной стрежень, вращаемый с помо-

щью сверла или перфоратора, который подается в донную часть шпура

(рис. 4.40, б). Оболочка ампул разрывается, их содержимое перемеши-

вается. После затвердения химического состава на стержень устанавли-

вают опорную плиту и создают предварительное натяжение, завинчи-

вая гайку на конце стрежня (рис. 4.40, в). В настоящее время на основе

Рис. 4.39 Стальные анкера: а – с клиновым замком;

б – с распорной головкой; в – схема установки в

шпуре (1 – щель; 2 – клин; 3 – стальной стержень;

4 – опорная плита; 5 – натяжная гайка; 6 – распор-

ный стакан; 7 – распорный конус)