Проходка плюс

Предлагаем вниманию читателейпрезентацию комплексного проекта, который стал победителем конкурса Министерства образования и науки по отбору организаций на право получения субсидий


По оценкам Центра стратегических исследований «СЕВЕРО-ЗАПАД» (ЦСИСЗ), одним из ключевых направлений деятельности машиностроительного комплекса Кемеровской области является выпуск оборудования для нужд добывающих отраслей, прежде всего, производство горно-шахтного оборудования.

Развитие работ в области геотехники идет по двум направлениям:

  •  модернизация существующего горношахтного оборудования и его совершенствование путем создания систем нового технического уровня;
  •  поиск и создание принципиально нового, альтернативного инструментария (технологий и геотехники) для освоения угольных месторождений, формирования подземного пространства.

Согласно концепции развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового оборудования на период до 2020 года основная направленность совершенствования и создания оборудования будет соответствовать традиционным технологиям добычи угля подземным способом, вскрытию участков месторождений и подготовки пластов к выемке.

На этом направлении зарубежные фирмы (закупив у СССР лицензии на выпуск горно-шахтного оборудования и постоянно его модернизируя) достигли таких результатов, что, несмотря на все усилия кузбасских машиностроительных компаний, угледобывающие предприятия в основном предпочитают использовать технику, ввозимую из-за рубежа.

Сооружение капитальных подземных выработок горнодобывающих предприятий, городских коллекторных магистралей и перегонных тоннелей метро — трудоемкий и дорогостоящий процесс. Наиболее остро стоят задачи повышения скорости проходки, производительности труда и безопасности, снижения стоимости работ.

Известные технологии проведения горных выработок, развиваясь по пути увеличения мощности и металлоемкости оборудования, практически исчерпали свои возможности в увеличении производительности, обеспечении безопасности работ и расширения области применения. Поэтому наиболее актуальным является создание принципиально нового, альтернативного инструментария (технологий и геотехники) для формирования подземного пространства.

В поисках путей совершенствования геотехнологий проведения горных выработок нами были рассмотрены альтернативные подходы и решения, используемые, в частности, в самолетостроении и кораблестроении. Как известно, в этих областях используются результаты исследований, в основу которых положен процесс изучения движения твердого тела соответственно в воздушной и водной средах.

Авиаконструкторы и кораблестроители при проектировании и строительстве аппаратов, предназначенных для движения в воздушном пространстве (самолет, вертолет и другие) и водной среде (корабль, подводная лодка) изыскали возможность использования самой среды для создания усилий тяги при движении соответствующего аппарата. Для этой цели были созданы внешние движители: пропеллер, гребной винт и так далее. В результате была получена возможность перемещения твердого тела (аппарата) в любом направлении воздушного или водного пространства.

Идея создания нового инструментария для проведения выработок, а точнее формирования подземного пространства, основана на предложении рассматривать проходку горных выработок изначально как процесс движения твердого тела (оборудования) в среде вмещающих пород.

При этом приконтурный массив (геосреда) используется как опорный элемент, участвующий в создании движущей силы подземного аппарата — геохода:

  •  для формирования напорного усилия на исполнительном органе;
  •  для восприятия реактивных усилий при движении проходческого агрегата (подземного аппарата);
  •  для выполнения основных технологических операций, включая и крепление выработки постоянной крепью.

Инновационный инструментарий для формирования подземного пространства (инновационный ИФПП) является комплексом, который включает в себя новый подход к проведению горных выработок и формированию подземного пространства, оригинальные технологии проведения выработок. При этом создается новый класс горнопроходческой техники с новым видом крепей горных выработок и обделок подземных сооружений, который подразумевает специфическое научно-методическое обеспечение.

Базовым элементом ИФПП может и должен стать геоход. Это аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды. Представляя собой новый класс горных машин, геоходы предназначены для проходки подземных выработок различного назначения и расположения в пространстве. Аналогов этой конструкции в мировой практике нет.

Основными отличиями геоходов станут: принцип работы, наличие новых функционально-конструктивных элементов, возможность реализации на исполнительном органе любых напорных усилий (возможность создания ИО для разрушения крепких пород), качественно новые функциональные возможности и прочее.

Областью применения геоходов может стать проходка горных выработок различного расположения в пространстве, возведение подземных сооружений различного назначения: городские коллекторы, подземные склады, хранилища и пр.

Отличительными его потребительскими свойствами станут:

  •  совмещенное выполнение операций при проходке горных выработок и возведении подземных сооружений;
  •  снижение в 6 и более раз металлоемкости оборудования проходческой системы;
  •  повышенная безопасность ведения проходческих работ при полной защите призабойной зоны от вывалов породы;
  •  повышение в 4 и более раз темпов проходки, производительности труда;
  •  снижение трудоемкости и стоимости ведения горнопроходческих работ;
  •  возможность проведения выработок с любым расположением в пространстве.

Решение задач проектирования нового вида горнопроходческой техники — геоходов требует создания и нового научного направления в механике горных пород (геомеханика) — геодинамики подземных аппаратов.

Для разработки методик расчета силовых и конструктивных параметров геоходов необходимо проведение большого объема исследований по изучению сил, возникающих на поверхности геохода и его элементов при движении в геосреде.

Задачами, связанными с определением сил, возникающих на поверхности движущегося в воздушной и жидкой среде твердого тела, занимаются такие науки, как аэродинамика летательных и гидродинамика подводных аппаратов. Но, в отличие от воздуха и воды, геосреда по диапазону изменения физико-механических свойств гораздо более многообразна и многогранна в своих проявлениях. Поэтому для решения подобного типа задач применительно к освоению подземного пространства назрела необходимость создания нового научного направления — геодинамика подземных аппаратов.

Основной задачей геодинамики подземных аппаратов должно стать изучение сил, возникающих на поверхности твердого тела, движущегося в твердой среде. У геохода не менее восьми элементов (корпус геохода, внешний движитель, исполнительный орган разрушения забоя, диафрагма, ИО внешнего движителя, крыло, ИО крыла, система управления по трассе) активно взаимодействуют с геосредой.

Работы по созданию нового инструментария могут стать точкой опоры в развитии горного машиностроения Кузбасса, конечной целью, которой должно стать формирование нового сегмента рынка горного машиностроения и его захват.

Владимир Аксенов, заведующий лабораторией угольной геотехники Института угля СО РАН, д.т.н.


СГИ Тимофеева