Комплекс  для специальных  выработок ОАО  «Метрострой» 

     В настоящее время строительство  подземных сооружений осуществляется следующими способами: открытым, закрытым, опускным, горным, щитовым, механизированным и продавливанием исполнительного  органа. Проведенные исследования [1] современных способов проходки спецвыработок и станционных тоннелей небольшой протяженности в условиях ОАО «Метрострой» показали, что наименее эффективной, с точки зрения производительности и технологичности, является технология бесщитовой проходки тоннелей отбойными молотками с применением ручного труда и механизированного укладчика тоннельной обделки, который применяется до сих пор. Данный способ проходки имеет ряд существенных недостатков:

    - Высокие трудозатраты;

    - Низкая производительность;

    - Высокая продолжительность монтажно-демонтажных  работ тюбингоукладчика;

    - Высокий уровень травматизма,  т.к. рабочим приходится находиться  в непосредственной близости  от забоя;

    - Профессиональные заболевания от  воздействия пыли и вибрации. 

     В связи с этим дан прогноз возможности получения значительного социально-экономического эффекта в случае внедрения в производство механизированного проходческого комплекса на основе стандартного оборудования, который обеспечил бы механизацию процессов отбойки, крепление и уборку отбитой породы, повысил производительность по любому забою, например, имеющему небольшие размеры, при простоте монтажа и использования. Оборудование для отбойки разрабатываемого массива при этом целесообразно укомплектовать гидравлическими фрезами или малогабаритными ударниками с высокой эффективностью передачи энергии удара на забой.

     Специалистами кафедры конструирования горных машин и технологии машиностроения СПГГИ (ТУ), совместно с руководством ОАО «Метрострой», были проведены  работы по разработке и исследованию проходческого комплекса, при максимальном  использовании серийного оборудования, для механизированной проходки камер и тоннелей большого диаметра и незначительной протяженности.

     Анализ  различных вариантов компоновок проходческого комплекса для проведения спецвыработок и станционных тоннелей в условиях  ОАО «Метрострой» с использованием метода морфологического анализа позволило остановиться на варианте оснащения шагающего крепеустановщика конструкции ОАО «Метрострой» исполнительным органом, обеспечивающим механизацию процесса отбойки породы и исключающим присутствие людей в забое [3,4].

     Основой предлагаемой технологии является применение модернизированной стрелы манипулятора (серийного производства) с механизмом для разрушения массива горной породы, установленные на шагающем крепеустановщике. Возведение постоянной железобетонной обделки осуществляется с помощью самостоятельной в конструктивном исполнении машины (рукояти крепеустановщика). В качестве модернизированной стрелы манипулятора (серийного производства) предлагается использовать, например, манипулятор шведской машины фирмы Brokk с возможностью размещения на его рычаге сменного навесного рабочего оборудования. Общий вид проходческого агрегата с таким исполнительным органом приведен на рисунке 1. Вариантами сменного рабочего оборудования по разработке забоя в условиях ОАО «Метрострой» рассмотрены:

1. Гидроударники зарубежных фирм, таких как РОКСОН, KONE (Финляндия), Rammer (Финляндия), KRUPP (Германия) и др.;
2. Гидравлические фрезы фирм  WEBSTER SCHAEFF, ERKAT, HITACHI и др. двух типов исполнения: а) с продольно-режущей головкой; б) с поперечно-режущей головкой.

Рис. 1. Технологическая схема проходки спецвыработок с использованием проходческого агрегата на основе крепеустановщика, агрегатированного серийным манипулятором

     1 – стойка; 2 – рама несущая; 3 –  раскосы; 4 – рычаг крепеустановщика; 5 – платформа; 6 – механизм подачи  манипулятора на забой; 7 – тюбинг; 8 – манипулятор машины фирмы   Brokk; 9 – продольно-режущая фреза; 10 – поворотная платформа машины фирмы Brokk; 11 – самоходная машина фирмы Brokk легкой серии; 12 – навесное оборудование. 

     Сравнительный анализ технологии проведения спецвыработок  и станционных тоннелей в условиях шахт ОАО «Метрострой» (рис. 2) показывает, что по варианту проходки выработки без щита методом сплошного забоя с использованием отбойных молотков требуется две смены (14 ч) для разработки 56,5 м³ объема грунта. Следовательно, производительность отбойки породы (кембрийской глины котлинского горизонта с редкими, тонкими (до 7 см) линзообразными прослоями глинисто – мергелистого и кварцевого песчаников с крепостью по шкале М.М. Протодьяконова f=2 2,5) составит 4,03 м³/ч (см. рис. 2). В случае явно выраженного кливажа течения и кливажа разлома в забое выработки породы разрушаются на параллельные плиты различной толщины, при этом производительность отбойки молотками может увеличиться до 18 м³/ч.

     В варианте проходки выработки проходческим комплексом, агрегатированным манипулятором со сменными исполнительными органами, для разработки 56,5 м³ объема грунта с помощью гидроударника или гидравлической фрезы потребуется не более 1 смены. Следовательно, производительность отбойки кембрийской глины с встречающимися твердыми прослоями глинисто - мергелистого и кварцевого песчаников с крепостью f=2 2,5 составит (см. рис. 2): для гидроударника – 3,88 м³/ч; для гидравлической фрезы со скоростью боковой подачи 0,02 м/с, принятой  на основании экспериментальных данных для условий шахт ОАО «Метрострой», – 5,64 м³/ч.

     Рис. 2. Производительность отбойки породы без щита методом сплошного забоя с использованием отбойных молотков (Q_ОМ) и проходческим комплексом,  оснащенным различными исполнительными органами (Q_фрезы, Q_{гидроударника}):

     Расчет  производительности отбойки породы гидроударником и фрезой выполнялся по стандартным методикам, а производительность отбойки породы отбойными молотками Q_ОМ рассчитывалась на основе планограмм  проходческих работ по данным шахты №614 для забоев участка станции «Пушкинская» (объект ЗАО «Тоннельный отряд - 3»).

     Анализ  зависимости производительности проходки от крепости пород по шкале М.М. Протодьяконова (см. рис. 2.) для различных вариантов исполнительных органов показывает, что для условий шахт ОАО «Метрострой» производительность фрезы недостаточно велика и меньше производительности гидроударника.

     Так как в реальных условиях для отработки  забоя необходимо использовать гидроударник большой мощности, что может привести к «расколу забоя», то далее гидроударник рассматривается в качестве исполнительного органа по отработке забоя с крепкими прослойками [2]. Гидравлические фрезы продольного вращения, например немецкой фирмы ERKAT, могут широко применяться для отбойки глиняного забоя, так как они имеют небольшие габариты, вес, выпускаются для проведения специальных подземных работ и тоннелестроении.

     Работа  комплекса будет осуществляться следующим образом. Гидравлическая фреза продольного вращения под воздействием гидроцилиндров манипулятора, рычага, а также гидроцилиндров платформы, связанных с основанием манипулятора, выставляется  в начальное положение. После включения привода исполнительного органа (ИО) и выдвижения гидроцилиндра рычага манипулятора происходит зарубание фрезы (или гидроударника) в породу забоя. Затем под действием привода поворотного редуктора основания манипулятора и гидроцилиндров манипулятора фреза (гидроударник), перемещаясь согласно выбранной траектории, производит отбойку породы. Отработав забой на ширину кольца тюбинговой обделки, манипулятор машины устанавливаем в положение, при котором не будет мешать во время работы рычага крепеустановщика и манипулятора машины Brokk, отрабатывающего нижнюю часть забоя. После полной отработки забоя рычагом крепеустановщика устанавливаем тюбинговую обделку. Цикл повторяется.

       Таким образом, внедрение разработанного комплекса и технологии отработки  забоя позволит исключить ручные работы с использованием отбойных молотков, увеличить скорость проходки, повысить безопасность ведения работ, улучшить условия труда горнорабочих и производить более точное профилирование контура выработки.

  ***

1. Горнопроходческие машины и оборудование // Нииинформтяжмаш, М, 1970;
2. Габов В.В., Юнгмейстер Д.А., Бурак А.Я., Иванов В.Г. Обоснование параметров гидроударника исполнительного органа проходческого комплекса для проведения выработок шахт Метростроя Санкт-Петербурга // Гидравлика и пневматика, №19, 2005, с. 13-15.
3. Комплекс для проведения выработок в слабоустойчивых породах. Пат. РФ, №2302529 / Д.А. Юнгмейстер, А.Я. Бурак, Д.В. Смирнов, А.В. Иванов // Бюл. №19, 2007.
4. Бурак А.Я. Исследование гидроударных исполнительных органов проходческого комплекса для Метростроя Санкт-Петербурга // Записки горного института, 2006.- Т.167(2).-С.186-188.