Лекция 7. Горные машины и оборудование для строительства стволов

Общие сведения

Специфические условия эксплуатации горных машин при проходке стволов определяют и специфические требования к горным машинам, механизмам, среди которых наиболее важными являются: безопасность и безотказность в работе, соответствие габаритов машин размерам рабочего пространства и возможность его свободного перемещения по стволу и забою, возможность разборки машин на отдельные сборочные узлы и агрегаты, наличие средств, исключающих самопроизвольное включение либо передвижение вниз под собственным весом. С конца 50-х годов в шахтном строительстве определился переход от создания отдельных машин и агрегатов к разработке и внедрению целых комплексов по проходке вертикальных стволов. В комплекс входят: стволовые погрузочные машины, бурильные установки, оборудование для возведения крепи, оборудование проходческого подъема, водоотлива, лебедки, полки, компрессорные станции, копры и многое другое. Подбор горных машин и оборудования для оснащения производится исключительно для соответствующей схемы проходки ствола и осуществляется из расчета его параметров: глубины, диаметра и планируемой скорости проходки. Накопленный опыт оснащения стволов горношахтным оборудованием в шахтостроительных комбинатах “Кузбассшахтострой”, “Ростовшахтострой”, “Печершахтострой” показывает, что основным классификационным признаком комплексов оборудования для проходки вертикальных стволов буровзрывным способом является назначение, согласно которому они подразделяются на комплексы для проходки устьев стволов глубиной до 50 м, неглубоких стволов (до 300 м), стволов средней глубины (300 – 700 м) и глубоких (более 700 м) стволов.

Подбор оборудования в период оснащения, размещение его на поверхности и в стволе представляется настолько важным и ответственным, что накладывает все положительные и отрицательные последствия на весь последующий период строительства ствола. Принятые инженерные решения в виде проекта на оснащение вертикального ствола есть ни что иное, как первая стадия оснащения, которая совершенствуется в процессе подбора и расстановки оборудования. Оснащение, выполненное творчески и в полном соответствии со схемой проходки, в последствии обернется хорошим качеством и высокими темпами проходки.

В настоящее время очень редко в проект оснащения закладывается оборудование с применением грузчиков ручного вождения по забою, а также ручных перфораторов для бурения шпуров. Эта техника в широких масштабах уже не найдет применения и используется для решения локальных задач, как исключение из правил.

Продолжительность оснащения зависит от его объема, подготовленности площадки, гидрогеологической ситуации, наличии нужных горных машин, оборудования и квалификации шахтостроительной организации, осуществляющей оснащение. С появлением и широким использованием передвижного блочного проходческого оборудования для оснащения вертикальных стволов, сроки значительно сократились и не превышают 12 месяцев в особо сложных условиях и 6 месяцев – в обычных. Научно-исследовательские и проектно-конструкторские институты, заводы угольного и горнорудного машиностроения, ведущие ученые внесли огромный вклад в развитие отечественной горной техники и оборудования для проходки стволов, в результате чего наша страна стала одним из лидеров в области механизации проходки стволов. Созданием, внедрением и развитием стволопроходческой техники мы обязаны институтам ЦНИИПодземмаш, КузНИИшахтострой, ВНИИОМШС, НИИТяжмаш, ИГД им. Скочинского, а также вузам МГГУ, Санкт-ПГИ, УГИ, КузГТУ, ДГУ, ЮРГТУ, ТулГУ и др.

Большой вклад в развитие технологии горных работ и средств механизации внесен шахтостроительными комбинатами и шахтопроходческими трестами бывшего министерства угольной промышленности СССР: "Донецкшахтострой", "Донецкшахтопроходка", "Ростовшахтострой", "Кузбассшахтострой", "Кузбассшахтопроходка", "Печершахтострой", "Карагандашахтострой".

В настоящее время освоены и применяются комплексы КС-2у; 2КС-2у; КС-1м; КС-6; КС-7; КС-8; КС-9 на основе серийно выпускаемых породопогрузочных и бурильных машин с использованием различных видов опалубок для возведения постоянной крепи и проходческих полков.

В данной главе рассматриваются горные машины и оборудование для проходки вертикальных стволов, применяемые на горнорудных предприятиях, и в первую очередь, на угольных шахтах. Выбор этих машин для оснащения в конкретных горно-геологических условиях при определенных параметрах ствола и организация высокопроизводительной, безопасной и безаварийной работы в процессе проходки вертикального ствола являются одними из главных задач горного инженера, которые ему необходимо повседневно решать.

Стволовые погрузочные машины с ручным вождением грейфера

Стволовые погрузочные машины предназначены для погрузки породы в бадьи и должны удовлетворять следующим требованиям: обладать прочностью и надежностью в работе, обеспечивать погрузку со всей площади забоя, иметь небольшие размеры, но достаточную емкость, быть простыми в управлении и маневренными, легко монтироваться и демонтироваться в забое ствола. Кроме этого машины должны легко подниматься на безопасную высоту перед ведением буровзрывных работ и так же опускаться на забой, легко внедряться в горную массу любой крепости и иметь высокий коэффициент заполнения при погрузке.

В отечественной и зарубежной практике более всего удовлетворяющим поставленным требованиям является грейфер. Грейферные машины классифицируются по способу вождения: с ручным и механизированным вождением. Остальные параметры: емкость грейфера, способ подвески (на канате, на манипуляторе, к стенке ствола и т.д.) при выборе стволовой погрузочной машины рассматриваются как дополнительные данные к характеристике для соответствующей схемы оснащения и проходки вертикального ствола. Первой погрузочной машиной, получившей широкое распространение после ручной погрузки породы в бадьи, стал пневматический грузчик БЧ-1у, затем пневмогрузчик ГП-2, разработанный СКБ Кузнецкого машиностроительного завода. В настоящее время эти грузчики серийно не выпускаются как устаревшие. На смену грузчикам БЧ-1у и ГП-2 институтом ЦНИИПодземмаш создан более производительный пневмогрузчик КС-3. Он был внедрен в тресте "Донецкшахтопроходка" комбинатом "Донецкшахтострой" при скоростной проходке вентиляционного ствола шахты "Бутовская-Глубокая", где в 1957 г. за месяц было пройдено 241,1 м готового ствола. С применением грузчиков КС-3 максимальная производительность поднялась на 20%, а площадь забоя, обслуживаемая одним пневмогрузчиком, увеличилась в 1,3-1,6 раза.

Погрузочные машины с механизированным вождением грейфера

Погрузка породы грузчиками с ручным вождением грейфера рассматривается как частичная механизация процесса и не может отвечать современным требованиям, поэтому ставится задача добиться полной механизации. Если для первой фазы погрузки породы эта задача практически решена, то для второй фазы такие отечественные машины предстоит еще создать. В настоящее время применяется целый ряд погрузочных машин с механизированным вождением грейфера: КС2у/40, КС-1, 2КС-2у/40, 2КС-1м, "Погрузчик", ПМС.

Погрузочная машина КС-2у/40. Машина предназначена для погрузки взорванной горной массы в бадьи при проходке вертикальных стволов диаметром от 4 м и выше. Машина нашла широкое применение при оснащении в самых различных схемах проходки стволов не зависимо от глубины ствола. Она рассчитана на средние темпы проходки 60 м в месяц и выше. Машина КС-2у/40 состоит из грейфера 9 емкостью 0,65 м3, подвешенного на канате к тельферу 7, который при помощи лебедки 3 радиально перемещается по раме 6 посредством тележки 4.

Рисунок. Погрузочная машина КС-2у/40

Благодаря радиальному перемещению тельфера на раме и повороту рамы вокруг центральной подвески грейфер может забирать породу из любой точки забоя. Управление грейфера осуществляет машинист из кабины 8, которая перемещается вместе с рамой по окружности, обеспечивая удобство обзора и управления.

Стволовые бурильные машины и перфораторы

При оснащении стволов к проходке очень важным является произвести выбор и поставить соответствующую буровую технику. Ручное бурение при проходке стволов было распространено вплоть до 70-х годов. Его главными недостатками являются низкая производительность труда проходчиков и трудности в комплектовании проходческих бригад, так как на бурение приходится комплектовать отдельное дополнительное и многочисленное звено бурильщиков. В Донбассе по предложению Н.М. Марковича была разработана бурильная установка БУС-1м, но наиболее работоспособной и перспективной является БУКС-1м конструкции ЦНИИПодземмаша, используемая в комплексе с породопогрузочной машиной КС-2у или КС-1м.

В институте КузНИИшахтострой коллективом авторов создана и внедрена стволовая бурильная машина СМБУ. Машины типа БУКС и СМБУ в настоящее время являются основными стволовыми бурильными машинами, которые серийно выпускаются заводами.

Установка БУКС-1м остоит из пульта управления 1 бурильными машинами, центральной телескопической колонны 3, к которой с двух сторон шарнирно крепят выдвижные стрелы 4 с четырьмя (самый распространенный вариант) бурильными машинами типа БУ-1. Установку подвешивают на тельфере погрузочной машины и перемещают по забою механизмом вождения грейфера. В рабочем положении центральную колонну распирают между тельфером и забоем ствола. На направляющих стойках бурильных машин установлены лестницы 2 для обеспечения обслуживания узлов, расположенных в верхней части установки. Шарнирные узлы крепления 5 бурильных машин позволяют устанавливать их в заданное рабочее положение согласно расположению шпуров по паспорту буровзрывных работ и складывать их в транспортное положение, обеспечивая требуемый габарит для пропуска установки через бадейный проем в полке. Установка обеспечивает бурение шпуров вертикально и до 10о к вертикали, а также позволяет смещать сетку бурения, что исключает бурение по возможным отказам в шпурах предыдущей заходки. БУКС-1м в забое при бурении обслуживает 4-5 проходчиков, а перемещение по забою осуществляет машинист КС-2у/40 или КС-1м. Установка снабжена оборудованием для воздушно-водяной промывки шпуров, обеспечивает пылеподавление и вынос буровой мелочи из шпура.

Более поздние машины модернизированы и имеют незначительные расхождения с базовой моделью. Их основным отличием является количество манипуляторов (стрел), а также наличие цепной подачи вместо винтовой, что делает машину более надежной при бурении в вертикальном стволе.

Стволовые бурильные машины типа БУКС имеют простую конструкцию установки и позволяют бурить глубокие шпуры. К числу недостатков таких машин можно отнести: большой вес, необходимость перестановки БУКС при бурении (в стволе диаметром в проходке 7,8 м требуется до 8 перестановок), необходимость ожидания при перестановках окончания работы последней из четырех буровых машин, возможность их использования только при наличии погрузочной машины типа КС, необходимость устройства специального здания для обслуживания БУКС и пути подкатки установки к стволу.

Подвесной проходческий полок

Подвесной проходческий полок предназначен для обслуживания рабочего пространства в забое вертикального ствола. Проходческие полки служат для крепления и натяжения направляющих канатов и предохранения людей, находящихся в забое, от случайного падения сверху каких-либо предметов. Кроме того, на полках устанавливаются лебедки для подвески пневмогрузчиков, шлангов сжатого воздуха, светильников, кабелей и другого забойного оборудования. Конструктивно проходческий двухэтажный полок состоит из нижнего 2 и верхнего 7 этажей, соединенных между собой междуэтажными стойками 6, выполняющими одновременно роль направляющих лыж. На этажах полка расположены бадейные проемы, имеющие ограждения 9. Канаты 10, по которым перемещаются направляющие рамки бадей, одновременно используются для подвески забойной опалубки. Бадейные проемы снабжены направляющими стойками 5 для предотвращения раскачивания бадей при их движении через этажи полка.

Шкивы 3 служат для отклонения направляющих канатов 10. Они располагаются под верхним этажом 7 на направляющих стойках 4 и на периферии нижнего этажа.

Под нижним этажом 2 прикреплен монорельс 1 для установки на нем грейферной породопогрузочной машины. Соединение секций этажей между собой осуществляют с помощью четырех-пяти осей и шести-восьми болтов.

Гидросистема полка предназначена для создания гидрораспора полка и обеспечения его устойчивого положения с целью восприятия реактивных и опрокидывающих моментов, возникающих во время работы породо погрузочной машины.

К конструкции проходческих полков предъявляются следующие технические требования:

− бадейные проемы должны быть ограждены раструбами высотой не менее 1600 мм над этажной площадкой. Раструбы могут быть сплошные,

проходящие через оба этажа, и раздельные – на каждой площадке устанавливается свой раструб.

− независимо от конструкции подвески полка подвесное устройство должно быть расположено так, чтобы в центре полка было обеспечено место для пропуска центрального отвеса;

− бадейные проемы должны быть снабжены четырьмя жесткими направляющими стойками, равномерно расположенными по окружности и установленными таким образом, чтобы между стойками и бадьей был зазор 40-50 мм; две из них должны иметь посадочные площадки для направляющей рамки;

− бадейные проемы ограждаются сеткой с размерами ячеек не более 50×50 мм из проволоки толщиной 3-4 мм, вверху ограждение имеет конусообразные отбойники; высота ограждений должна быть: для двухэтажного полка на верхнем этаже – 2 м, на нижнем – 2,5 м; для трехэтажного полка на нижнем – 2,5 м, на среднем и верхнем – 2 м;

− зазор между полком и возводимой крепью ствола, опалубкой или щитом-оболочкой должен быть не более 120 мм;

− на всех этажах полка должны быть проемы для пропуска труб подачи бетона, сжатого воздуха, водоотлива, при этом проемы под трубы подачи бетона должны иметь размеры, позволяющие разместить две трубы с фланцами; зазоры между фланцами трубопроводов и ободом полка должны быть 100-150 мм;

− по периферии этажей полка необходимо предусматривать решетчатое ограждение высотой не менее 1400 мм, нижняя часть которого зашивается сплошным листом на высоту 300 мм толщиной 2,5-3 мм с открывающимися проемами (4 шт. на этаж) для сброса мусора при очистке этажей;

− зазор между крепью ствола и монорельсом погрузочной машины принимается равным 440-490 мм;

− зазор между крепью ствола и ободом нижнего этажа полка должен перекрываться фартуками из металла и транспортерной ленты в два слоя;

− на верхнем и среднем этажах полка для пропуска центрального отвеса необходимо оставлять проемы размером 350×350 мм, перекрываемые лядами с вырезом под канат отвеса, а у места нахождения рабочего, обслуживающего полок, предусматривать корзину для хранения центрального отвеса;

− шкивы, служащие для отклонения направляющих канатов, необходимо располагать в трехэтажных полках под средним и на нижнем этажах, в двухэтажных полках – в направляющих стойках;

− расположение отклоняющих шкивов в плане должно исключать или максимально уменьшать закручивающий момент от усилий натяжения проводниковых канатов и обеспечивать равномерное расположение точек подвески опалубки;

− зазор между канатами и обечайкой монорельса должен быть не менее 100 мм;

− на нижнем этаже полка с двух сторон от центральной подвески необходимо предусматривать смотровые окна размером 400×400 мм, которые ограждать цилиндром из листового железа высотой 150 мм и перекрывать решеткой с ячейками 40×40 мм из круга диаметром 16 мм;

− все ляды на этажах полка должны иметь конструктивные элементы, обеспечивающие их закрытие под действием собственного веса;

− ляды на нижнем этаже, предназначенные для перехода машиниста в кабину породопогрузочной машины, необходимо располагать у монорельса.

Для машины КС-2у/40 нужно предусматривать одну ляду, а для 2КС-2у/40 – две, расположенные диаметрально противоположно; проем ляды должен иметь ступеньки и поручни, а также крюки для крепления гибкой лестницы к забою ствола, которая входит в комплект полка;

− высота и конструкция раструба для пропуска трубы вентиляции на среднем (в трехэтажном полке) или нижнем (в двухэтажном полке) этаже должна обеспечивать установку на него наращиваемой трубы таким образом, чтобы верхний конец ее выступал над верхним этажом на 900-1100 мм, при этом высота раструба должна быть не менее 1200 мм, а при невозможности осуществления этих требований на верхнем этаже должна предусматриваться монтажная площадка для крепления наращиваемой трубы;

− высота опорных рамок под гидродомкраты, кронштейны для отклоняющих шкивов и стоек должна быть не менее 150 мм;

− маслостанцию гидрораспора полка необходимо располагать на нижнем этаже с учетом последующего переоборудования полка для армирования (в "нейтральной" зоне машины для бурения лунок);

− баки для воды (водоотлива и промывки шпуров) должны располагаться на этажах таким образом, чтобы обеспечивалось устойчивое положение полка при его перемещениях по стволу;

− во избежание попадания взорванной породы на полки балок нижнего этажа они должны обшиваться листом толщиной 3 мм под углом 55-60°;

− междуэтажные стойки необходимо располагать таким образом, чтобы они находились в месте подхода балок подвески полка к ободу этажа. Остальные стойки должны быть расположены так, чтобы исключить касание ободов этажей о крепь ствола;

− на нижнем этаже полка необходимо предусматривать устройство для крепления цепей (канатов) страховки грейфера в процессе ведения взрывных работ;

− разводку кабелей лучше производить под верхним (средним) этажом полка, разводка на нижнем этаже должна выполняться в защитных кожухах.

Так как проходческие полки переоборудуются для армирования, определяющими параметрами для межэтажных расстояний являются шаг армировки и расстояние от осей лунок до этажа полка, которое зависит от типа бурильной установки, используемой для бурения лунок под расстрелы.

Электрооборудование проходческих полков выполняется во взрыво-безопасном исполнении. Разводку кабелей по этажам производят в специальных металлических рукавах, которые крепят к настилу этажей при помощи планок и болтов. Междуэтажную разводку кабелей ведут внутри периферийных стоек.

Система освещения предназначена для освещения рабочих этажей полка и забоя. Щит освещения устанавливается на нижнем этаже полка. Напряжение 220 В должно поступать с поверхности на щит освещения к двум пускателям со штепселем ПРШ-1 через шахтную коробку КШВ-1.

Стволовая сигнализация, расположенная на полке, предназначена для подачи звуковых сигналов от полкового рукоятчику (электрическая), от рабочих забоя полковому (тросовая) и для подачи аварийного сигнала из забоя или полка. При использовании для проходки ствола двух подъемных машин предусматривается два пульта сигнализации, а при использовании одной подъемной машины – один пульт сигнализации.

Пульты сигнализации устанавливаются на нижнем этаже полка, они предназначены для подачи звуковых и световых сигналов. Кодовый звуковой сигнал, соответствующий характеру операции, необходимо подавать с помощью тягового сигнального включателя ВСТ. Сигнал должен дублироваться звонком СВ-2.

Система газовой защиты предусматривает непрерывный контроль содержания метана. Датчик ДМТ-4 устанавливают под нижним этажом полка.