Статья - Ильин С.Р. Адресный динамический контроль жесткой армировки вертикальных стволов рудников Украины с применением портативных цифровых измерительных станций

Подождите немного. Документ загружается.

РАЗДЕЛ I. ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СТРОИТЕЛЬСТВО И ОСНАЩЕНИЕ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

УДК 622.674

АДРЕСНЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ

КОНТРОЛЬ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ

ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ РУДНИКОВ

УКРАИНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ПОРТАТИВНЫХ ЦИФРОВЫХ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ

С. Р. Ильин (Институт геотехнической механики

им. Н.С.Полякова Национальной академии наук Украины)

АННОТАЦИЯ. В статье описывается многолетний опыт, теоретические и практические результаты прове-

дения на рудниках Украины адресного динамического контроля систем «подъемный сосуд - арми-

ровна» в вертикальных стволах с применением портативных цифровых измерительных стан-

ций Лаборатории диагностики ШПУ ИГТМ им. Н. С. Полякова НАНУ.

Ключевые слово: шахтная подъемная установка, обследование технического состояния, запас прочности,

проводник, параметры влияния, диаграммы безопасности.

ADDRESS DYNAMIC CONTROL OF RIGID REINFORCEMENT OF VERTICAL

BORES AT UKRAINIAN MINES USING PORTABLE DIGITAL MEASURING

STATIONS

S. Ilyin (N. Polyakov Geotechnical Mechanics Institute of National Academy of Science, Ukraine)

ABSTRACT. Long-term experience, theoretical and practical results of address dynamic control of the systems «lifting

vessel-reinforcement» in vertical shafts with the use ofthe portable digital measuring stations of Diagnostic

Laboratory of the mining hoist oflGTM by name of N.S. Polyakov NASU conducting in the mines of Ukraine

are described in the article.

Key words: mine winder, operating condition examination, safety margin, guide, influence parameters, safety chart

Шахтная подъемная установка

(ШПУ) является протяженной, мно-

гозвенной, полиосцилляторной ко-

лебательной системой со многими

степенями свободы. В ней присут-

ствуют звенья с жесткими ограни-

чениями на допускаемые значения

рабочих параметров и звенья с ши-

рокими допусками на пределы их

изменения. При ее работе в неко-

торых случаях возможны сильные

проявления взаимного влияния

динамических процессов, одно-

временно происходящих в разных,

достаточно далеко локализованных

друг от друга звеньях.

Техническое состояние каждого

из звеньев характеризуется набо-

ром определенных диагностических

параметров. Допустимые значе-

ния некоторых из них в настоящее

время определены действующими

нормативными документами, для

остальных параметров соответству-

ющие нормативы на допуски отсут-

ствуют.

В работоспособном (исправном)

техническом состоянии каждое из

звеньев ШПУ должно работать в

проектном динамическом режиме,

исключающем нештатное влияние

динамики других звеньев.

При наличии локальных де-

фектов нарушается динамическая

изолированность процессов в от-

дельных звеньях и появляется

непроектная перекачка энергии

динамических процессов в одних

звеньях и ее временная концентра-

ция в движении одного звена или

пары смежных звеньев. Такая пере-

качка соответствует непредвиден-

ной активизации в системе резо-

нансов различного типа (внешних,

внутренних, в т. ч. параметрических,

«биений», автоколебаний и т. п.).

Наиболее опасные из этих резо-

нансов, явно и аварийно проявив-

шиеся на практике за время суще-

ствования шахтного подъема,учтены

в действующей проектной докумен-

тации. Ряд других резонансных яв-

лений, завуалированных от внима-

ния обслуживающего персонала,

проявляются опосредованно, через

цепочку динамических звеньев, и

выражаются в нарушении проект-

ного режима работы отдельного

звена, концентрирующего в своей

работе дополнительную, сверхпро-

ектную, энергию за счет накопления

и системного эффекта от суммарно-

го влияния незначительных дефек-

тов в работе других звеньев. Такие

явления еще не изучены и не отра-

жены в нормативной документации

по обслуживанию, наладке, диагно-

стике и испытаниям оборудования

ШПУ. Особенно это касается стволо-

вого оборудования ШПУ, эксплуати-

рующегося в условиях интенсивного

коррозионного и механического из-

носа армировки, минимальных до-

пусков на амплитуды колебаний

подъемных сосудов (20-30 мм) по

сравнению с их габаритными разме-

рами (10-20 м), малых допустимых

отклонений проводников от вер-

тикали (10 мм на смежных ярусах),

больших контактных нагрузок в паре

«сосуд - проводник», передающихся

на расстрелы и крепь ствола.

Главным рабочим органом ШПУ

и основным концентратором, под-

верженным влиянию наибольшего

количества процессов в различных

звеньях установки, является подъ-

емный сосуд. На обеспечение его

безопасного движения работают все

остальные звенья системы подъема.

Наиболее объективную инфор-

мацию о фактических параметрах и

особенностях технического состоя-

ниях оборудования ШПУ с длитель-

ными сроками эксплуатации дают

специализированные обследования

с аппаратурными динамическими

испытаниями подъемов на рабочих

и специальных тестовых режимах

с последующей системной компью-

терной обработкой результатов.

В Украине они проводятся в соответ-

ствии с положениями нормативных

документов [1,2] и охватывают ком-

плекс работ, описанных в статьях

[3-6]. В ряде зарубежных стран ди-

намический контроль систем «со-

суд - армировка» также является

обязательным наряду с традици-

онным маркшейдерским контролем

профилей проводников. В частнос-

ти, в Польше постановлением ми-

нистра народного хозяйства от

28.06.2002 г. определено, что «...в

соответствии с графиком, установ-

ленным начальником эксплуатаци-

онного управления горного пред-

приятия, в зависимости от местных

условий и загрузки подъемных со-

судов, но не реже чем раз в 5 лет,

должно производиться исследова-

ние технического состояния крепи

ствола и контрольные измерения:

— геометрии ствола, его арми-

рш• элементов оборудования:

— прямолинейности проводни-

ков;

Рис. 1. Диаграмма уровней остаточного сечения элементов армировки

— реальных сил воздействия

подъемных сосудов на оборудование

ствола».

По проекту все ярусы армировки

рассчитаны на то, чтобы работать в

одинаковых условиях нагружения и

на одном уровне противостоять на-

грузкам со стороны подъемных со-

судов и околоствольного массива,

но уже в течение первых десяти лет

эксплуатации в силу воздействия

агрессивной среды, динамических

нагрузок, сдвижения пород, ре-

монтных работ образуется резко

неоднородная по глубине ствола

картина распределения уровней

несущей способности элементов

армировки — проводников и рас-

стрелов.

В результате анализа данных

более 130 обследований и дина-

мических испытаний систем «со-

суд - армировка» шахтных стволов

с определением их технического

состояния и уровня эксплуатаци-

онной безопасности, проведенных

Лабораторией диагностики обору-

дования ШПУ ИГТМ Н. С. Поляко-

ва НАН Украины установлено, что

на протяжении жизненного цикла

функционирования ствола зна-

чения параметров технического

состояния элементов армировки

приобретают существенно неодно-

родный характер по его глубине.

По уровню они могут отличаться на

разных участках ствола в 5-10 раз.

Иллюстрацией этого положения

может служить диаграмма уровней

остаточных сечений проводников и

расстрелов, полученная на основе

инструментальных измерений при

обследовании одного из рудных

стволов (рис. 1). Верхняя прямая

показывает проектный уровень для

новой армировки (100%), а сплош-

ные кривые показывают его значе-

ние в развертке по номерам ярусов.

Пунктиром отмечен уровень потери

сечения (20%), ниже которого объ-

ект должен подвергаться специаль-

ным обследованиям для оценки его

технического состояния и уровня

безопасности эксплуатации. Видно,

что, например, на балках централь-

ного расстрела имеются аномаль-

ные участки потери до 90% сечения

в верхней части ствола у ярусов

№ 60-50 (с соответствующим уров-

нем потери несущей способности),

тогда как в среднем по стволу поте-

ря сечения составляет 50-60%.

Для проводников эта картина уже

другая. Первый проводник потерял

до 40% сечения вверху ствола, а

второй имеет явную местную ано-

малию на участке ярусов № 270-280

и потери 50% сечения при общем

уровне в стволе сохранения до 80%

сечения.

Аналогичный процесс потери

однородности свойств происходит

и в геометрических параметрах про-

филей проводников, по которым

движутся подъемные сосуды, в силу

чего образуется геометрическая не-

однородность армировки по глуби-

не ствола.

На рис. 2 показан профиль прово-

дников в клетевом отделении ство-

ла, попавшего в зону мульды сдви-

жения. Между ярусами № 70-150

мы видим явную геометрическую

аномалию отклонения проводников

от вертикали. Понятно, что именно

на таком участке взаимодействие

сосуда с армировкой будет носить

неблагоприятный характер, особен-

но в условиях перехода на повы-

шенную скорость работы.

Следующим видом неоднород-

ности по глубине ствола является

режим работы самой подъемной ма-

шины. На рис. 3 показана диаграм-

ма скорости вращения подъемной

машины клетевого отделения. На

ней видно, что в соответствии с тре-

бованиями ЕПБ на каждом рабочем

горизонте происходит замедление

подъемного сосуда до 1 м/с. Ниже

показан график, полученный диф-

ференцированием этой диаграммы

и представляющий собой вертикаль-

ное ускорение подъемного сосуда.

Исследования показали, что в

точках ствола, где происходит рез-

Рис. 2. Диаграмма отклонений проводников от вертикали клетевого

отделения в зоне мульды сдвижения горных пород

Рис. 3. Диаграмма окружной скорости и ускорения барабана подъемной

машины клетевого отделения ствола

Рис. 4. Диаграммы динамических нагрузок на проводники при движении

подъемного сосуда

кое изменение скорости подъемно-

го сосуда, а особенно при срабаты-

вании предохранительного тормоза

за счет возбуждения вертикальных

колебаний сосуда на упругом кана-

те, в некоторых случаях возникают

в несколько раз (до 4-5) большие,

чем при движении с постоянной

скоростью, горизонтальные удары

сосуда по проводникам. Повторя-

ясь от цикла к циклу, они способ-

ствуют накоплению усталостных

повреждений в проводниках и рас-

стрелах, образованию трещин по

сварным швам, ослаблению узлов

крепления проводников, расшаты-

ванию расстрелов в местах заделки

в крепь [6].

Всеэти неоднородности влияютна

процесс динамического взаимодей-

ствия сосудасармировкой на каждом

участке ярусов, которые он проходит.

В результате такого наложения об-

разуется своеобразная динамиче-

ская неоднородность нагружения

армировки по глубине ствола, со

своим средним уровнем и участками

динамических аномалий (рис. 4).

Главным показателем, определя-

ющим вид технического состояния

армировки ствола, являются оста-

точные запасы прочности ее эле-

ментов (проводников и расстрелов),

определенные на каждом ярусе, так

как разрушение любого из них хотя

бы на одном ярусе неизбежно при-

водит к аварии с тяжелейшими по-

следствиями.

Динамическое взаимодействие

сосудов с армировкой носит ударно-

циклический случайный характер.

Это необходимо учитывать при оцен-

ке технического состояния проводни-

ков и расстрелов под действием фак-

тических эксплуатационных нагрузок

в течение достаточно большой серии

рабочих циклов. По критерию нена-

копления усталостных повреждений

в металлоконструкциях армировки

следует принять двойной минималь-

но допустимый запас прочности. При

сочетании уровня нагрузок и оста-

точной прочности проводников и

расстрелов, обеспечивающих такой

уровень запаса прочности на огра-

ниченном участке ствола, его тех-

ническое состояние следует считать

безопасным. При снижении запаса

прочности от 2 до 1.0 на локальном

участке или даже на отдельных яру-

сах его состояние следует считать

потенциально опасным, требующим

специального надзора за появле-

нием усталостных трещин и других

дефектов. Ярусы, на которых запас

прочности меньше 1.0 по пределу

текучести, следует считать аварийно

опасными и требовать немедленно-

го принятия мер либо по снижению

контактных нагрузок (например, за

счет снижения скорости движения

по участку), либо по восстановлению

прочности элемента армировки.

Таким образом, существует три

основных процесса, влияющих на

величину остаточных запасов проч-

ности несущих элементов армиров-

ки и не связанных между собой по

причинам их возникновения:

• износ проводников и расстре-

лов (коррозионный и механиче-

ский);

• искривление пространственного

профиля проводников (под влиянием

сдвижения горных пород и наруше-

ний при текущем ремонте армировки,

образования уступов на стыках про-

водников);

• резкое изменение вертикаль-

ной скорости движения подъемно-

го сосуда.

Износ армировки вызывает сни-

жение остаточной несущей спо-

собности ее элементов (снижение

допустимых контактных нагрузок

при заданных значениях запасов

прочности). Искривление профиля

проводников вызывает рост дина-

мических нагрузок на локальных

участках ствола (при условии от-

сутствия резонансных явлений!).

Резкое изменение вертикальной

скорости сосуда (ТП, в частности)

вызывает на определенных участ-

ках ствола (зонах неустойчивости)

рост горизонтальных динамических

нагрузок на проводники [6].

Изучение динамических явле-

ний в многозвенной системе ШПУ

и выявление дефектных техниче-

ских состояний, причин и условий

их возникновения лежит в основе

разработки технологии управления

техническим состоянием ШПУ при

длительной эксплуатации. Для ил-

люстрации взаимосвязи динамиче-

ских характеристик и параметров

технического состояния оборудо-

вания ШПУ нами разработан базо-

вый вариант укрупненной графи-

ческой схемы (динамический граф

ШПУ), который описывает энерге-

тическое взаимовлияние механи-

ческих процессов между звеньями

подъемной установки (рис. 5).

Узлы схемы (вершины графа) ото-

бражают динамические процессы

и свойства звеньев, связи (одно-

сторонние и двусторонние стрелки)

описывают физические механизмы

передачи энергии (передача только

в одну сторону или периодический

взаимообмен в обе стороны) между

звеньями (математически им соот-

ветствуют системы дифференциаль-

ных или интегродифференциальных

уравнений, описывающих эти явле-

ния). Разбивая узлы этой схемы на

более мелкие составляющие блоки.

Рис. 5. Граф взаимосвязи динамических характеристик и параметров технического состояния оборудования ШПУ

с жесткой армировкой ствола

можно построить подробный атлас

энергетического взаимодействия

процессов с любой степенью дета-

лизации.

На этой схеме (рис. 5) можно

наглядно проследить все возмож-

ные каналы перехода энергии

динамических процессов при ра-

боте каждого звена ШПУ через по-

следовательную цепочку связей в

другое, достаточно отдаленное от

него звено. Также можно увидеть,

какие источники могут влиять на

конкретные параметры техни-

ческого состояния ШПУ, как это

влияние может суммироваться от

нескольких источников и локали-

зоваться в отдельном звене, вызы-

вая выход его параметров техни-

ческого состояния за допустимые

пределы.

Построив на графе локальную

цепочку каналов влияния (в терми-

нологии теории графов — марш-

рут) между любыми, связанными

между собой по схеме процессами

и свойствами звеньев, можно раз-

работать соответствующую ей ма-

тематическую модель, определить,

какие из каналов и параметров

взаимовлияния еще не изучены или

не описаны в литературе, поставить

соответствующие задачи научных

исследований.

В частности, на этой схеме пока-

зан прямой маршрут 3.1 —> 3.2, опи-

сывающий влияние вертикальных

колебаний подъемных сосудов на

горизонтальные за счет локального

динамического процесса [6]. Также

введена «функция остаточных кине-

матических зазоров» системы «баш-

мак - проводник», определяемая на

основании экспериментальных ис-

следований в каждом конкретном

грузоподъемном отделении (прямой

маршрут 4.5 —• 4г). Ее использова-

ние позволяет прогнозировать из-

менение параметров технического

состояния на определенный период

эксплуатации при выполнении диа-

гностических обследований.

В качестве примера применения

графа пунктиром на рис. 5 показан

маршрут, отражающий постановку

и путь решения задачи, в совокуп-

ности представленной в работах [7,

8]. Он показывает влияние нару-

шений цилиндричности барабана

подъемной машины на параметры

технического состояния армировки

ствола.

Модель, построенная на основа-

нии данного графа, позволяет ком-

плексно проследить и исследовать

механизм сквозного влияния дина-

мических характеристик элементов

оборудования надземной части

ШПУ на выходные параметры тех-

нического состояния подземного

стволового оборудования и наобо-

рот (за счет медленного изменения

(деградации) собственных свойств

звеньев системы при длительной

эксплуатации) [9].

Для удобства анализа целесо-

образно для каждой решаемой

задачи строить соответствующий

ей маршрут на общем графе с це-

лью визуализации ее места и роли

в общем динамическом процессе

Рис. 6. Диаграммы безопасности для бокового коробчатого проводника

жесткой армировки скипового отделения рудного ствола

ШПУ. Сравнивая представленную

совокупность параметров техни-

ческого состояния с параметрами,

нормированными в действующей

нормативно-технической докумен-

тации, можно выделить те из них,

которые еще необходимо норми-

ровать для повышения безопасно-

сти эксплуатации ШПУ, особенно с

учетом деградации оборудования,

накапливающейся при длительных

сроках его работы.

Из графа видно, что общая карти-

на процесса имеет разветвленный

характер. Один и тот же локальный

динамический процесс может иметь

несколько изолированных друг от

друга источников возникновения.

Влияние источников может пере-

даваться через цепочки непосред-

ственно связанных между собой

механических звеньев, суммиро-

ваться и в конечном итоге влиять на

основные показатели технического

состояния и безопасность работы

всей подъемной установки, в ко-

торой подъемный сосуд является

основным концентратором, при-

нимающим на себя воздействия со

стороны всех функциональных зве-

ньев ШПУ.

Одним из основных параметров,

определяющих уровень динамиче-

ских нагрузок на армировку, при

прочих равных условиях, являются

параметры профилей системы прово-

дников грузоподъемного отделения.

Разработанная нами система диффе-

ренциального математического ана-

лиза данных профилировок позво-

ляет эффективно увязывать данные

маркшейдерской съемки проводни-

ков с данными аппаратурных дина-

мических испытаний систем «сосуд -

армировка». Она определяет (кроме

нормативных значений отклонений

на смежных ярусах и ширины колеи),

какие именно пространственные гео-

метрические параметры профилей

не только отдельных проводников,

но и их пар, принадлежащих одно-

му сосуду, являются наиболее веро-

ятными причинами возникновения

повышенных ударных нагрузок. Это

позволяет рассчитать параметры

коррекции профилей проводников,

обеспечивающие требуемое сниже-

ние контактных нагрузок даже при

невозможности возврата к проектно-

му уровню вертикальности их ниток

из-за сдвижения горных пород или

других технических причин, и повы-

сить скорость подъема до нужной ве-

личины при сохранении допустимого

уровня нагрузок.

Графической формой системно-

го представления результатов всех

измерений и расчетов являются

разработанные нами «Диаграммы

безопасности» (рис. 6), которые

строятся для каждого элемента

армировки. Они включают в себя

результаты математической обра-

ботки данных инструментального

измерения износа проводников

и расстрелов, аппаратурного из-

мерения контактных нагрузок,

деформационно-прочностных рас-

четов армировки [10].

На диаграммах для каждого

проводника или расстрела в рас-

кладке по номерам ярусов арми-

ровки строятся кривые предельно

допустимых контактных нагрузок

со стороны подъемного сосуда для

запасов прочности п = 1, п = 1.5,

п = 2, рассчитанные с учетом фак-

тической остаточной толщины дан-

ного сечения данного элемента, и

кривые фактических максимальных

контактных нагрузок, полученных

за все тестовые проезды сосуда по

стволу в соответствии с програм-

мой динамических испытаний [1].

Диаграммы показывают:

• в области каких значений за-

пасов прочности эксплуатируется

каждый конкретный элемент арми-

ровки на каждом ярусе на момент

обследования (аварийно опасных,

потенциально опасных, безопас-

ных);

• из-за каких технических при-

чин элемент попадает в неблаго-

приятную область безопасности

по запасам прочности. Появление

участков провалов на кривых до-

пустимых нагрузок вызвано повы-

шенным износом данного элемента

армировки, поэтому даже при уме-

ренных динамических нагрузках

элемент может эксплуатироваться

в аварийно опасной области. Появ-

ление всплесков повышенных зна-

чений фактических эксплуатаци-

онных нагрузок вызвано наличием

значительных местных нарушений

прямолинейности профилей прово-

дников или уступами на их стыках.

Из их анализа видно, какие тех-

нические мероприятия следует вы-

брать в качестве первоочередных,

а какие в качестве плановых для

перевода эксплуатации элемента в

зону с более высоким значением за-

паса прочности. Снижение уровня

контактных нагрузок на заданном

участке ствола в первую очередь

может быть обеспечено снижени-

ем скорости движения сосуда по

участку, во вторую — коррекцией

параметров профилей проводников

или уступов на стыках. Повышение

уровня допустимых нагрузок на

элемент без коррекции профиля и

скорости движения сосуда достига-

ется его заменой на новый или ме-

роприятиями по усилению несущей

способности конструкции.

Проведение этих работ на руд-

никах Украины показало, что даже

в условиях экономического спада

и большого дефицита средств воз-

можно эффективное управление

безопасностью эксплуатации ство-

лового оборудования и ее поддер-

жание на заданном уровне. •

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Диагностика состояния си-

стем «крепь - массив» и «подъ-

емный сосуд - жесткая армиров-

ка» шахтных стволов. Порядок и

методика выполнения. ГР 3-032-

2004. ПБП «Економика». Днепропе-

тровск. 2004.-40с.

2. Организация контроля безо-

пасного состояния оборудования

вертикальных стволов и подъемных

установок шахт. СОУ-Н МПП 73.100

079:2007. Мин. промышленной по-

литики Украины, 2007. - 99 с.

3. Ильин С. Р., Гавруцкий А. Е.

Повышение безопасности работы

шахтных подъемов путем приме-

нения компьютерных технологий

и средств электронного контро-

ля за состоянием оборудования

стволов в Приднепровском регионе

// Геотехническая механика: сб.

науч. тр. - Днепропетровск. 1998.

Вып. 6.-С. 169-173.

4. Чередниченко 0. Л., Иль-

ин С Р., Радченко В. К. Мониторинг

безопасности эксплуатации шахт-

ных стволов // Технополис. Днепро-

петровск. 2008. Вып. 12. - С. 30-31.

www. tehnopolis. dp. иа.

5. Ильин С. Р., Трифонов Г. Д.,

Воробель С. В. Динамический кон-

троль состояния армировки шахт-

ных стволов//Рудник будущего: сб.

науч. трудов. Пермь. 2009.Вып. 5.

- С. 130-132.

6. Ильина И. С. Разработка и

обоснование метода диагности-

рования состояния систем «подъ-

емный сосуд - армировка» при

предохранительном торможении:

Автореф. дис. ... канд. техн. наук.

Днепропетровск. 2005. - 16 с.

7. Ильин С. Р. Диагностиче-

ская модель влияния нарушений

цилиндричности канатоведущих

шкивов на уровень динамического

взаимодействия подъемных сосу-

дов с армировкой шахтных ство-

лов// Геотехническая механика:

сб. науч. тр. ИГТМ H АН Украины.

Днепропетровск. 2000. Вы п. 22.

-С.118-121.

8. Белобров В. И., Дзензер-

ский В. А., Самуся В. И., Ильин С Р.

Динамика шахтных подъемных уста-

новок // Днепропетровск: Изд. Дне-

пропетровского гос. ун-та. 2000.

-380 с.

9. Ильин С. Р. Разработка и обо-

снование общей диагностической

модели оборудования шахтных

подъемных установок // Геотехни-

ческая механика: сб. науч. тр. ИГТМ

НАН Украины. Днепропетровск.

2008. Вып. 76.-С.66-85.

10. Ильин С. Р., Дворников В. И.,

Кърцелин Е. Р. Программный

комплекс «Армировка шахтного

ствола» // Сб. научн. тр. Нацио-

нальной гор. акад. Украины. Днепро-

петровск: Изд. «Навчальна книга».

2002. № 13, том 3. - С.40-43.