Физико-механические процессы процесса погрузки при проходке тоннелей с учетом влияния характеристик материала

Строительство транспортных магистралей связано с повышенными требованиям к их долговечности, капитальности, эксплуатационным качествам, включая все инженерные конструкции и дорожные сооружения. Тоннели широко используются в современном дорожном строительстве, являются дорогостоящими конструктивными системами, включающими эксплуатационное оборудование; они относятся к первому классу сооружений по степени их капитальности.

Применение тоннелей в горных условиях является альтернативой обхода препятствий, сокращая протяженность и величину уклонов пути, повышая стабильность и скорость движения транспорта и безопасность эксплуатации. В городских условиях применяются тоннели для обеспечения транспортных развязок в случаях многоуровневого движения транспорта, разделения потоков транспорта и снижения их интенсивности, а также повышения безопасности пешеходов [1,2].

Эффективность строительства тоннелей в первую очередь связано со скоростью их проходки. Данный факт установлен русским горным инженером Л. Д. Шевяковым в 50-х годах XX века. Он утверждал, что при повышении скорости проходки выработок повышается эффективность, сокращается срок окупаемости капиталовложений. Следует отметить, что повышение скорости проходки соответствует повышению коэффициента использования строительного оборудования, при этом эксплуатационная производительность оборудования приближается к технической. При этом постоянные (накладные) расходы остаются практически неизменными, и следовательно удельные расходы на 1 метр пройденной выработки (тоннеля) снижаются обратно пропорционально скорости проведения.

Для обеспечения высокоскоростной проходки необходима рациональная эксплуатационная работа, обеспечивающая организацию процессов проведения тоннелей, выдачу разрушаемой горной массы. перемещение в забой материалов для обеспечения вспомогательных процессов [3]. Инженерная задача заключается в том, что из поля допустимых типов оборудования с различными параметрами необходимо сформировать все возможные сочетания, из числа которых отбираются конструктивно реализуемые. Из полученных реализуемых вариантов отбираются те, которые реализуют целевую функцию — максимальную скорость проходки тоннеля — с учетом определенной системы ограничений. В рамках такой задачи возможны различные сочетания технологий, принципов и организации работ, позволяющих достичь высокую скорость проходки тоннелей [4]. тоннель нагрузка горный строительство При выполнении проходческих работ в тоннелях и рудниках как правило имеются технологические перерывы, связанные с применением средств периодического действия — автомашин для перемещения горной массы. Данный фактор приводит к цикличности технологических процессов. Возможны два варианта простоев — при недостаточном количестве автосамосвалов ожидание прибытия следующего автомобиля под погрузку; при большом количестве машин возникают трудности с разминовкой и возрастает стоимость проходки тоннелей (рост эксплуатационных расходов и амортизационных отчислений). При работе в комплекте со средствами транспорта цикличного действия недостаточно применения перегружателей, чтобы сократить простои; необходимо включение в комплект оборудования для проходки тоннелей бункера, аккумулирующего разрушенную породу в период обмена транспортных средств под погрузкой.

В случае строительства тоннелей методом проходки подземных выработок для закрепления их сводов могут быть применены обделки различных конструктивных и технологических решений: из монолитного железобетона, сборных железобетонных элементов; сводчатые комбинированные, а также из набрызг-бетона [5,6].

Для строительства тоннелей широко применяются проходческие комбайны, если позволяют горно-геологические условия. Преимуществом является отсутствие буровзрывных работ, которые неизбежно приводят к взрывным деформациям целого массива горных пород. Разрушение горных пород исполнительным органом комбайна происходит в процессе резания, который оказывает минимальное динамическое воздействие, сохраняя устойчивость массива горных пород. Комбайны избирательного действия имеют существенное преимущество, способствующее росту скорости проходки — они позволяют совместить основные технологические процессы: процесс разрушения и процесс погрузки горной массы, обеспечивается формирование достаточно ровной поверхности свода тоннеля, сокращается время устройства обделки тоннеля. Одновременно осуществляется непрерывная перегрузка разрушенной породы на перегружатели, связанные с бункерами-накопителями, в результате чего темпы строительства тоннелей могут возрастать в 2 раза. При этом, благодаря отсутствию буровзрывных работ существенно снижается стоимость строительства тоннеля, улучшаются условия труда рабочих, лучше обеспечивается безопасность проведения работ.

Одним из факторов, сдерживающих рост скорости проведения тоннелей, зачастую становится нагребающая часть комбайна — ее производительность оказывается ниже, чем производительность исполнительного органа по разрушению. В число задач исследования, направленного на повышение эффективности строительства тоннелей, входит анализ факторов, влияющих на эффективность работы погрузочного органа. Существенное влияние на формирование производительности и нагрузок на погрузочном органе оказывает стохастический характер взаимодействия с рабочей средой — разрушенной горной массой, которая может быть описана множеством характеристик, носящих случайный характер и формирующих представление о структуре и строении этой среды.

Чтобы оценить предельные значения производительности для условий эксплуатации конкретного объекта, применяется два подхода: определение достигнутой мгновенной производительности комбайна и достигнутой пропускной производительности конвейера. Первый подход соответствует соотношению максимального объема материала на конвейере к времени прохождения его по конвейеру; для второго производительность определяется как произведение максимальной площади поперечного сечения транспортируемого потока горной массы на скорость его перемещения.

Модель расчета производительности и нагрузок, разработанная Е. А. Крисаченко, основана на экспериментальных исследованиях взаимодействия исполнительного органа с нагребающими лапами со штабелем разрушенной горной массы. Было установлено, что и производительность, и нагрузка зависят от следующих величин: ширины захвата лап, глубины внедрения, высоты сдвигаемого при захвате слоя материала, плотности материала в насыпном состоянии. При погрузке горной массы ее перемещение осуществляется в двух плоскостях: в плоскости движения исполнительного органа и в плоскости, перпендикулярной ей. На форму и размеры этих зон влияют форма частиц погружаемого материала и их размеры. Неравномерность, дискретность и стохастичность строения горной массы описывается двумя коэффициентами. Первый из них, коэффициент формы предложен проф С. С. Музгиным [7] и служит для описания формы частиц; k_ф=l_max/l_min, где в числителе максимальный, а в знаменателе минимальный размер частицы. Данный коэффициент для рядовой породы отражает средневзвешенное значение в зависимости от процентного содержания частиц разной формы. Причем форма кусков не зависит от степени дробления; на нее влияет вид горной породы, подвергаемой погрузке. Пропорции линейных размеров частиц и погрузочного органа описываются коэффициентом линейных пропорций k_d= l/d_ср, где l — габаритный линейны размер зоны захвата рабочего органа. Коэффициент линейных пропорций оказывает существенное влияние на весь комплекс физико-механических свойств породы: угол естественного откоса, насыпную плотность и коэффициент разрыхления. От значения коэффициента линейных пропорций зависит интерпретация свойств погружаемого материала как сыпучего или крупнокускового.

Для разработки и проектирования комплектов оборудования для проходки тоннелей необходима достоверная информация о величине нагрузок в приводах разрушающего и погрузочного органа. При эксплуатации оборудования при проведении тоннелей могут возникать различные условия для формирования производительности:

• — исполнительный (разрушающий) и погрузочный органы обеспечивают равные производительности; обеспечивается рациональный режим нагружения;
• — производительность разрушающего органа превосходит максимальную производительность погрузочных элементов; в этом случае погрузка осуществляется под завалом, привод работает в условиях перегрузки, снижаются значения показателей надежности (наработка на отказ, ресурс до капитального ремонта;
• — производительность погрузочного органа превосходит показатели разрушающего органа; снижаются нагрузки, коэффициент использования мощности двигателя погрузочного органа;
• — возможен вариант переменного соотношения производительностей внутри процессов разрушения и погрузки горной; соответственно снижается долговечность нагруженных элементов привода.

В целом на функционирование системы «погрузочный орган — штабель» оказывают влияние следующие факторы [8]:

• — коэффициент линейных пропорций и коэффициент формы частиц, через физико-механические свойства оказывают влияние на энергоемкость процесса погрузки;
• — изменение активного объема при продвижении погрузочного органа вглубь штабеля разрушенного материала, в результате чего происходит изменение объема единичного черпания, от которого зависит величина производительности, нагрузок на погрузочном органе; сам же активный объем зависит от высоты штабеля, глубины внедрения, наличия боковых частей штабеля;
• — свойства погружаемого материала: распределение частиц по крупности и форме, средний размер куска, причем средний размер частиц формируется случайным образом в каждом цикле черпания;
• — угол естественного откоса ц₀ может достигать 25?-45?, но при значении масштабного фактора K_d?10 ц₀ зависит только от литологических свойств горной породы: крепости, абразивности, твердости, пористости; а при K_d?10 порода проявляет свойства дискретной крупнокусковой среды,
• — динамические нагрузки в силу цикличности работы нагребающей части влияют на силовые, кинематические характеристики и необходимый тип привода;
• — крепость горных пород в толще которых прокладывается тоннель, описывается контактной прочностью р_к; определяет возможную глубину резания короны разрушающего органа, а отсюда влияет на производительность как исполнительного органа, так и комбайна в целом;
• — при формировании штабеля в результате разрушения может наблюдаться неравномерное распределения крепости, крупности и коэффициента разрыхления К_р.

Ранее в исследованиях было выявлено [9], что плотность материала в разрыхленном состоянии зависит от коэффициента линейных пропорций и коэффициента формы частиц. Для целей моделирования рабочих процессов комбайнов при проходке тоннелей исследования структуры частиц материала по форме требует проведения производственных исследований. Для частиц кубообразной формы выведена эмпирическая зависимость, отражающая влияние процентного содержания кубообразных частиц K_% (горизонтальная ось) на насыпную плотность погружаемого материала с_р (вертикальная ось). На основании данного графика можно сделать вывод о том, что форма частиц оказывает существенное влияние на плотность материала только в случае практически однородной структуры штабеля (100% кубообразных или 100% пластинчатых частиц). При реальных пропорциях содержания частиц (от 25 до 75% однотипных частиц) диапазон изменения насыпной плотности составляет 5% от минимального значения с_р, что меньше допустимой эмпирической погрешности при исследованиях машин, работающих в тяжелых условиях со стохастическим режимом нагружения. Таким образом, в целях исследования режима нагружения проходческих комбайнов в производственных условиях данным фактором влияния допустимо пренебречь.

Можно предположить, что влияние коэффициента линейных пропорций более существенно, так как с изменением геометрических пропорций размеров частиц погружаемого материала и ширины питателя (сечения движущегося потока погружаемого материала) изменяется характер физических процессов в штабеле погружаемого материала — проявление свойств сыпучего материала преобразуется в реализацию процесса погрузки крупнокусковой среды.

Проведено экспериментальное исследование влияния коэффициента линейных пропорций K_d на насыпную плотность и коэффициент разрыхления погружаемого материала. Поставлена цель: получить зависимость насыпной плотности с_р и коэффициента разрыхления K_р от влияющих факторов. Коэффициент разрыхления — это увеличение объема грунта при его разработке (извлечении). Проведено исследование зависимостей с_р=f (K_d), K_р=f (K_d). Исследуемый тип горной породы — песчаник, средний линейный размер частицы 50 мм, плотность материала в целике с_ц=2540 кг/м³. Исходя из соображений геометрического подобия коэффициент линейных пропорций принят 1? K_d?10. При составлении программы опытов учтено, что в реальных условиях прокладки туннелей в толще горных пород высокой крепости соотношение размера частицы и линейного размера активной зоны питателя составляет 2,5 (длина гребка l=500 мм, крупность материала d_ср= 200 мм). Для выявления влияния коэффициента линейных пропорций K_d для проведения экспериментов использовались цилиндрические сосуды, параметры которых приведены в табл. 2. Производилось взвешивание рядового материала в указанных емкостях, определены расчетным путем показатели с_р и K_р.

Коэффициент разрыхления, таким образом, зависит от соотношения размерности частиц и рабочей зоны питателя, крупный материал создает большую пустотность, что приводит к снижению производительности (в целике) и, предположительно, возрастанию нагрузок в приводе нагребающей части.

Путем аппроксимации данных зависимости K_р=f (K_d) методом наименьших квадратов получим K_р=K_d^л, из чего следует с_р= с_ц (1/ K_d^л). В процессе аппроксимации значение степени влияния масштабного фактора л установлено равным -0,12. В этом случае известная модель момента при погрузке идеально сыпучего материала, разработанная Е. А. Крисаченко:

(1).

где r_д — радиус ведущего диска;

B — ширина питателя;

h_сл — высота сдвигаемого слоя;

с_р — плотность материала в разрыхленном состоянии;

— глубина внедрения нагребающего элемента ;

может быть преобразована в следующее выражение:

(2).

При сопоставлении расчетных данных по зависимостям (1) и (2) выявлено, что по ранее установленной зависимости вычисляемые значения моментов на нагребающих лапах оценивались ниже реальных и не зависели от степени дробления горной массы при буровзрывном или комбайновом способе разрушения. Данные исследования свидетельствуют также о низком уровне влияния на исследуемый процесс формы частиц погружаемого материала.

В целях моделирования рабочего процесса по погрузке горной массы комбайновым способом нам представляется целесообразным для определения производительности погрузочного органа применять модель, учитывающую влияние активного объема на формирование выходных характеристик системы. Как утверждал С. Е. Лоховинин [10], объем материала активной зоны V_A при заглублении погрузочного органа в штабель на расстояние L (t) определяется как разность между суммарным накопленным объемом горной массы в заходке V_нак и захваченным в процессе черпания объемом V_гр. Производительность в этом случае может быть определена на основании следующего выражения:

.

где n_д — частота вращения ведущего диска 1/мин; V_гр — объем материала, сдвигаемого лапой.

Объем материала в активной зоны определен ориентировочно из геометрических соображений, как объем криволинейный призмы, формирующейся на питателе при погрузке и ограниченной поверхностью штабеля, плитой питателя и поверхностью сдвига, по которой происходит обрушение материала при погрузке. Его величина составит V_А= где ц₁— угол откоса штабеля; шугол обрушения штабеля в зажатой среде; K_бок — коэффициент, учитывающий долю объема в боковых призмах.

Степень влияния боковых частей штабеля зависит от ряда факторов, таких как соотношение ширины тоннеля и питателя, может быть установлен экспериментально для конкретных условий эксплуатации. в нашем случаем влиянием боковых частей можно пренебречь. С учетом влияния данных факторов, расчетное значение производительности и нагрузок возрастает минимум в 1,5 раза, что подтверждает существенность принимаемых уточнений в расчетной модели.

В ходе исследований установлены зависимости, учитывающие влияние соотношения крупности материала к ширине захвата и влияние активного объема, которые могут быть применены при определении производительности и нагрузок при проходке автомобильных тоннелей, выбора комплектов оборудования для производства работ по проходке автомобильных тоннелей. Выбор на основании уточненных расчетных моделей обеспечит высокую эффективность и снижение удельной стоимости проходки за счет обоснованного определения нагрузок в приводе оборудования, энергоемкости процесса и достигаемой производительности.

• 1. Домницкий, А.А. К вопросу о выборе комплектов оборудования для строи-тельства транспортных тоннелей комбайновым способом/А.А. Домницкий, А. С. Носенко, Е. А. Шемшура, Р. В. Каргин // Дороги и мосты: сборник / ФГУП «РОСДОРНИИ». — М.: РОСДОРНИИ, 2014. — Вып. 32/2. — С. 40−54.
• 2. Directive 2004/54/EC of the European Parliament and of the Council of 29 April 2004 on minimum safety requirements for tunnels in the Trans-European Road Network URL: bmvit.gv.at/verkehr/strasse/tunnel/downloads/ EURL_20 0454EGvom762004en.pdf.
• 3. Шемшура Е. А. Пути оптимизации системы эксплуатации горнопроходческого оборудования// Инженерный вестник Дона, 2013. № 4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2001
• 4. Носенко А. С., Каргин Р. В., Шемшура Е. А., Носенко В. В. Применение модульной компоновки горнопроходческих машин при строительстве транспортных тоннелей// Инженерный вестник Дона, 2015. № 1 (часть 2). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1p2y2015/2832
• 5. Petar Steva Vujasinovic. Tunnel Building United States Patent 3 590 590 freepatentsonline.com/3 590 590.html
• 6. Agreement on Main. International Traffic Arteries (AGR) ECE/TRANS/SC.1/384 14 March 2008. URL: unece.org/fileadmin/DAM /trans/conventn/ECE-TRANS-SC1−384e.pdf.
• 7. Музгин, С. С. Экскавация крупнокусковой горной массы. — Алма-Ата: Наука, 1973. — 106 с.
• 8. Меньшенина, Е. А. Обоснование параметров и режимов работы гидрофицированных погрузочных машин непрерывного действия. Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Новочеркасск, 1994 — 20 с.
• 9. Ревякина, Е. А. Исследование физико-механических свойств горной массы штабеля подготовительных забоев.//Изв. Вузов. Сев. Кавк. Регион. Техн. науки. — 2004. — Приложение № 6. С. 119−124.
• 10. Лоховинин, С. Е. Повышение эффективности погрузочных машин типа ПНБ применением устройств автоматической прерывистой подачи: дис… канд. тех. наук. — Новочеркасск, 1986. 252 с.