[
На правах рукописи
ЛАВРЕНКО Сергей Александрович
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
ОРГАНОВ КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ
КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН
Специальность 05.05.06 – Горные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – 2014
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич
Официальные оппоненты:
Жабин Александр Борисович – доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра геотехнологий и строительства подземных сооружений, профессор Кузиев Дильшад Алишерович – кандидат технических наук, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра горных машин и оборудование, доцент
Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Защита состоится 24 июня 2014 г. в 18 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru Автореферат разослан 24 апреля 2014 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ФОКИН
диссертационного совета Андрей СергеевичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Строительство метрополитена в условиях Санкт-Петербурга сопровождается проходкой перегонных тоннелей и вспомогательных выработок, которые необходимы для сопряжения между собой камер строящихся подземных станций, в том числе для соединения с вертикальным стволом, по которым осуществляется как откатка отбитой горной породы для выдачи ее на поверхность, так и доставка материалов и тюбингов для строительства станций. При этом на 1 км перегонного тоннеля приходится, по экспертным оценкам, не менее 1 км вспомогательных выработок (подходные тоннели, выработки околоствольного двора, транспортные и вспомогательные ходки, тупиковые выработки и др.).
Шахты Санкт-Петербургского метрополитена располагаются в основном на глубине 40-70 м. Разрабатываемый забой кембрийских глин различен по своему составу: сухая глина; глина с включениями известняка, известняка закварцованного; глина с содержанием воды и глина с включениями гравия.
Объемы работ по сооружению вспомогательных выработок с развитием городского метро увеличиваются, но эффективность проведения таких выработок в настоящее время низкая, так как ее осуществляют с применением отбойных молотков и удержанием выработанного пространства дерево-металлической крепью, что является сдерживающим фактором на пути повышения общей интенсивности строительства метрополитена.
Основной причиной необходимости создания новых типов машин является невозможность эффективного использования известных средств проходки вспомогательных выработок и станционных тоннелей в условиях шахт ОАО «Метрострой» (щиты и комплексы бурового действия), что связано с проведением монтажных и демонтажных камер, превышающих зачастую протяженность самих выработок.
Таким образом, чтобы повысить интенсивность проходки вспомогательных выработок необходимо создать технические средства разработки забоя, которые обеспечивали бы оптимальные параметры работы исполнительного органа. Для этого необходимо теоретически обосновать способ обработки забоя и параметры исполнительного органа для его разрушения, что является актуальной научной задачей.
Изучению процесса разрушения горных пород посвящены многочисленные работы Барона Л.И., Берона А.И., Позина Е.З., Бреннера В.А., Меламеда В.З., Тона В.В., Слободкина М.И., Габова В.В., Ушакова Л.С., Коняшина Ю.Г. и др.
Цель работы. Обоснование и выбор рациональных параметров исполнительных органов комплекса с режущими и ударными инструментами для проведения вспомогательных выработок метрополитена на основе установления закономерностей взаимодействия породоразрушающих инструментов с массивом кембрийских глин, имеющих твердые включения, для обеспечения повышенной производительности и снижения удельных энергозатрат на разрушение породы.
Идея работы заключается в том, что обоснование рациональных параметров исполнительных органов проходческого комплекса достигается совместным выбором параметров режущего и ударного инструмента, их взаимной компоновкой с учетом поочередной работы по разработке забоя.
Задачи исследования:
1. Обосновать компоновочные схемы проходческого комплекса, сочетающие исполнительные органы режущего и ударного типа для разработки сложноструктурированных забоев;
2. Экспериментально обосновать, с использованием стендовых исследований, рациональные параметры исполнительного органа проходческого комплекса, при разрушении кембрийских глин резанием и ударом;
3. Разработать математические модели процесса разрушения забоя кембрийских глин резанием и ударом;
4. Разработать физическую модель ударных устройств, стенда и методики экспериментальных исследований, позволяющих производить анализ процессов в ударных системах;
5. Обосновать рациональные параметры исполнительных органов проходческого комплекса для разрушения массива кембрийских глин резанием и ударом;
6. Разработать рекомендации к методикам расчета параметров исполнительных органов проходческих комплексов для разрушения глин.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ теорий разрушения горных пород резанием и ударом, компьютерное моделирование процесса разрушения глин резанием и ударом, экспериментальные исследования процесса резания и ударного разрушения кембрийских глин на лабораторных стендах, а также методы математической статистики и спектрального анализа.
Научная новизна работы. Установлена зависимость коэффициента сопротивляемости глин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса разрушения массива кембрийских глин резанием роторными исполнительными органами проходческих комплексов с учетом зависимости коэффициента сопротивляемости глин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса взаимодействия элементов ударной системы для расчета параметров ударного исполнительного органа, выполненного по системе «поршень-боекинструмент», основанного на «дребезге» бойка; на основе экспериментальных исследований трехмассовых ударных систем «поршень-боекинструмент» установлены их рациональные параметры для создания исполнительного органа проходческого комплекса ударного действия повышенной эффективности.
Защищаемые научные положения:
1. Теоретически установлен и экспериментально подтвержден параболический характер зависимости изменения удельной энергоемкости разрушения кембрийской глины резцом типа ШБМ от величины заглубления
«