В основных положениях «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» доказывается необходимость ввода новых шахт и разрезов на общую мощность в объеме 130−200 млн. т, в том числе за счет строительства новых шахт 20−40 млн. т.
В условиях ограничения инвестиций в строительство шахт большое значение имеет продолжительность их соружения, так как от этого зависят сроки окупаемости финансовых вложений.
Основная продолжительность времени на критическом пути приходится на сооружение вертикальных стволов. Анализ календарных графиков их оснащения показывает, что продолжительность оснащения и переоснащения центральных стволов составляет 24−26 месяцев, фланговых — 12−16 месяцев, а основным резервом сокращения этого показателя является снижение затрат времени, связанных с монтажем-демонтажем проходческого копра и монтажем постоянного.
Средняя календарная скорость строительства вертикальных стволов в Кузбассе не превышает 10 м/мес (с уменьшением глубины ствола этот показатель уменьшается) при среднемесячной технической скорости проходки свыше 50 м/мес.
Попытки сократить время оснащения и переоснащения вертикальных стволов за счет применения быстромонтируемых проходческих копров не решили проблемы, хотя их было разработано более 20-ти типов (ВНИИОМШС, Дон-гипрооргшахтострой, Днепрогипрошахт, Ростовгипрошахт, Сибгипрооргшахто-строй и др.).
Попытки решить эту проблему за счет приспособления постоянных копров для проходки или наоборот, временных для эксплуатации реализованы неэффективно в силу конструктивных особенностей названных сооружений. 5.
Поэтому требуется замена проходческого и постоянного копров на комплексное многофункциональное устройство, пригодное как для проходки, так и для эксплуатации, позволяющее сократить перерывы в работе до минимума.
При расчете проходческих и постоянных копров широко применяется принцип типизации конструкций, который зачастую приводит к неоправданным затратам с точки зрения ресурсосбережения по сравнению с конструкциями, запроектированными индивидуально для конкретной расчетной ситуации, например, по сравнению с рамными конструкциями переменного сечения.
Поэтому требуется не просто разработка типового многофункционального копра, с традиционной градацией параметров. Требуется разработка индивидуального копра (на основе унифицированной элементной базы) параметры которого будут адаптированы к конкретной расчетной ситуации с учетом работы на разных этапах сооружения и эксплутации ствола.
Большинство расчетов копров сводится к проверке уже назначенных сечений готовых проектных решений, принятых по аналогии, а основным расчетным критерием является прочность, так как перемещения малы (порядка 15−25 мм). Предложенный копер имеет коробчатые и трубчатые сечения и поэтому подразумевает применение высокопрочных сталей с характерным для них свойством деформироваться при продольном изгибе. Следовательно, фактор перемещений играет особо важную и даже определяющую роль, а метод расчета копра имеет свои особенности.
Цель работы — обоснование параметров и разработка метода расчета стальных укосных копров многофункционального назначения, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей комплекса работ по соружению ствола в 1,3−1,6 раза.
Идея работы заключается в обосновании возможности проектирования стальных копров многофункционального назначения с адаптацией их конструктивных параметров ко всем этапам строительства, эксплуатации и реконструкции ствола.
Для реализации поставленной цели в работе решались три задачи:
— разработать расчетную модель копра многофункционального назначения и оценить ее особенности на различных этапах функционирования;
— определить конструктивные параметры копра многофункционального назначения;
— разработать алгоритм реализации модели и концепцию предпроектного анализа схем оснащения вертикального ствола к проходке.
Методы исследований. Исследования выполнены комплексным методом, включающим в себя анализ проектно-конструкторских решений и литературных источников, аналитические исследования с использованием классических методов решения комплексных (статических и динамических) задач строительной механики. Разработка пространственной расчетной модели копра многофункционального назначения проведена при помощи компьютерного моделирования с использованием программ «РЕКОН», «Лира», «Гамма» на основе методов строительной механики и теории упругости. Анализ и обработка полученных при помощи численного эксперимента результатов произведены методами математической статистики (метод последовательного анализа и конструирования для отыскания оптимальной формы укосного копра, метод Байеса-Лапласа, метод решения многокритериальной задачи в виде нахождения Парето-оптимумов). Разработка концепции выбора оптимального решения для определения параметров технологии оснащения вертикального ствола с использованием копра многофункционального назначения выполнена с использованием достижений теории оптимального управления. 7.
— расчетная модель копра, ее особенности и многофункциональное назначение обеспечиваются соединением в одной наземной конструкции основного несущего блока, состоящего из подшкивного устройства, не передающего воздействия от работы подъема на устье ствола, дополнительного эксплуатационного блока, состоящего из ненесущего рамного станка, и временного блока, состоящего из подшкивной и разгрузочной проходческих площадок;
— формирование конструктивных параметров копра многофункционального назначения определяется вектором управляемых переменных X {Хь Х2, Х3, Х4, Х5, Х6, Х7> JС8), отражающих требования к конструкции копра как к функции постоянного подъема, работы в режиме эксплуатации, работы в режиме проходки, причем сечения, габариты, топология конструкции копра зависят от диаметра ствола, предельного горизонтального перемещения подшкивной площадки Дпш, — предельных горизонтальных смещений подшкивной площадки АХ и АУ при соблюдении условия совмещения центра тяжести копра с его геометрическим центром жесткостей (уц. т. = уж), а также от диапозона собственных частот сооружения в пределах 1,4 -ь 1,9 Гц;
— алгоритм реализации модели осуществляется путем прохождения по графу решений, который позволяет увидеть возможные варианты схем оснащения для заданных условий проектирования, при этом выбор оптимального из них лежит в области эффективных множеств (так называемых множеств Парето) и осуществляется путем сравнения глобальных векторных оценок Е =f (Gj, Tj, tp Сд) с учетом ранжирования выбранных целевых функций по степени предпочтительности.
Научная новизна полученных результатов заключается:
— в разработке расчетной модели стального копра многофункционального назначения, отличительной особенностью которой является соединение в одной наземной конструкции постоянного набора элементов, применяющихся на про8 тяжении всего периода строительства и эксплуатации ствола и сменных блоков, необходимых для обеспечения работы копра на период проходки;
— в установлении признаков, позволяющих сформулировать концепцию проектирования стальных укосных копров нового технического уровня для совершенствования оснащения вертикальных стволов с точки зрения сокращения металлоемкости, трудозатрат и продолжительности переходного периода;
— в обосновании конструктивных параметров копра многофункционального назначения, отражающих требования к конструкции копра как к функции постоянного подъема, функции работы в режиме эксплуатации, функции работы в режиме проходки;
— в отображении системы поиска оптимального конструктивного решения на весь период оснащения в виде графа технических решений, отличающегося тем, что любому приемлемому для заданных условий варианту соответствует допустимый путь на графе;
— в обосновании метода предпроектного выбора схем оснащения, отличающейся тем, что поиск оптимального варианта осуществляется на основе критериального выбора предпочтительных решений.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением апробированных экспериментальных методов с использованием лицензионных программных средств «РЕКОН», «Лира», «Гамма» — адекватностью полученной оптимальной схемы копра с общепризнанными системами стальных укосных копровсопоставимостью расчетных данных по динамической нагрузке и перемещениям, полученных независимыми расчетными методами (расхождение в пределах ± 9%). Личный вклад автора состоит: 9.
— в разработке расчетной модели стального укосного копра многофункционального назначения с учетом особенности его работы в режимах статики и динамики;
— в разработке принципиально новой конструкции стального укосного копра многофункционального назначения и схемы его монтажа;
— в разработке усовершенствованной технологической схемы оснащения вертикальных стволов, обеспечивающей при использовании копра многофункционального назначения сокращение продолжительности подготовительного периода;
— в разработке рекомендаций по определению параметров и метода расчета копра многофункционального назначения.
Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненной работы позволяют:
— на основе применения расчетной модели многофункционального копра нового технического уровня, разработать оптимальный способ оснащения строительства вертикального ствола шахты, позволяющий снизить стоимость и продолжительность строительства ствола в 1,3 раза, трудоемкость — в 1,7 раза, сократить продолжительность подготовительного и переходного периода минимум в 1,5 раза по сравнению с общепринятыми способами строительства, а также создать более комфортные и безопасные условия для обслуживания копра путем устройства лифта или подъемника внутри центральной трубчатой стойки (или трубчатого портала), который заменит традиционные лестницы на укосине копра;
— формализовать задачу поиска индивидуального оптимального конструктивного решения на весь период оснащения в виде графа технологических альтернатив.
Реализация выводов и рекомендаций работы♦
Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в нормативный руководящий документ «Обоснование параметров и разработка метода расчета стальных копров многофункционального назначения» (ОАО «Кузбассгипрошахт», ОАО «Кузниишахтострой» , — Кемерово, 2002.) и используются «Кузбассгипрошахтом» при проектировании стальных копров.
Научные выводы и практические результаты диссертационной работы реализованы в Кузбасском государственном техническом университете при чтении учебных дисциплин «Горнотехнические здания и сооружения» и «Строительство вертикальных стволов» студентам специальности «Шахтное и подземное строительство» .
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на П1 международной конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» — секция «Уголь и углепродукты» (Кемерово, 1997) — II международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1997) — IV международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1997) — 54-ой научно-технической конференции Новосибирской государственной академии строительства «Строительные конструкции и расчет сооружений» — секция «Металлические конструкции» (Новосибирск, 1997) — научно — производственной конференции Новочеркасского государственного технического университета «Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт» (Новочеркасск, 1997) — Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и угле-переработки» (Новокузнецк, 1998) — научно-технических конференциях КузГТУ (Кемерово, 1998, 1999 гг.). Кроме того, копер многофункционального назначения удостоен диплома Международной выставки-ярмарки «Экспо-уголь 2001».
Публикации. Основные положения диссертации и результаты выполненных исследований опубликованы в 11 печатных работах, в том числе получен патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение. Изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 6 таблиц, список используемой литературы из 65 наименований.
Основные выводы и практические рекомендации.
1. В настоящее время существует большое количество технологических схем по оснащению вертикальных стволов. Однако их реализация оказалась недостаточной для существенного снижения среднего показателя продолжительности оснащения ствола в отрасли. Продолжительность оснащения и переоснащения центральных стволов составляет 24−26, фланговых — 12−16 месяцев. Продолжительность оснащения и переоснащения вертикальных стволов (с применением модульного передвижного проходческого оборудования) по типовым схемам «Донгипрооргшахтостроя» достигает 15 месяцев при продолжительности монтажных работ по возведению проходческого копра до 7,7 месяцев. Средняя календарная скорость строительства вертикальных стволов в Кузбассе не превышает 10 м/мес (с уменьшением глубины ствола этот показатель уменьшается) при среднемесячной технической скорости проходки «50 м/мес.
2. Модель стального копра многофункционального назначения обеспечивает возможность проектирования индивидуальных ресурсосберегающих и экономичных копров, конструктивные параметры которых адаптированы к конкретным условиям сооружения и эксплуатации вертикального ствола.
3. Установлено, что расчет полученной модели необходимо производить с учетом новых критериев и условий выхода конструкции из строя, как в режиме проходки, так и в режиме постоянной работы:
— при расчете на воздействие от работы подъема, помимо горизонтальной и вертикальной составляющих в плоскости подъема (в плоскости натяжения подъемных канатов) следует учитывать горизонтальную составляющую воздействия из плоскости подъема, расчетная величина которой принимается равной 25% вертикальной составляющей;
— распределение жесткостей и масс элементов копра назначается с учетом сохранения динамического равновесия сооружения таким образом, чтобы геометрический центр жескостей сооружения уж совпал с его центром тяжести уц. т. (уж = уц. т.) во избежание возникновения крутящего момента из плоскости подъема на уровне подшкивной площадки;
— допустимые горизонтальные перемещения подшкивной площадки от действия нормативных нагрузок, длительных и постоянных, не должны превышать 1/800 высоты копра до центров шкивов Ншкив;
— допустимые горизонтальные перемещения подшкивной площадки из плоскости подъема от действия расчетных нагрузок должны учитывать ограничения по углу девиации адев < 1° 30';
— следует ограничивать величину горизонтальных перемещений подшкивной площадки от действия расчетных нагрузок, так как они могут вызвать увеличение эксцентриситетов прилагаемых динамических воздействий, причем их величина в плоскости и из плоскости подъема не должна превышать 0,5% расстояния между перекрытиями;
— при расчете на динамическое воздействие следует определять собственные частоты колебаний /сооруж, как в режиме проходки, так и в режиме эксплуатации с целью их сопоставления с частотой возмущающей силы /возмущ., причем собственные частоты копра должны располагаться в пределах 1,4 1,9 Гц, а их значения достаточно хорошо сочетаются с диапозоном частот (1,079 -г- 1,911Гц) возмущающего внешнего воздействия — вибраций от шкивов подъемных проходческих и постоянных машин или других грузоподъемных средств.
4. Установлено, что формирование конструктивных параметров копра многофункционального назначения определяется вектором управляемых пе.
165 ременных X (Xj, Х2, Хз, Х4, Х5, Хб, Х7> Х8), отражающих требования к конструкции копра как к функции постоянного подъема, работы в режиме эксплуатации, работы в режиме проходки, и отображается графом решений, который позволяет увидеть все возможные варианты решений для заданных условий проектирования.
5. Установлено, что принятие решения по выбору оптимальной схемы оснащения с использованием копра многофункционального назначения лежит в области эффективных множеств (так называемых множеств Парето) и осуществляется путем сравнения глобальных векторных оценок Еf (Gj, Tj, tj, Сд) с учетом ранжирования выбранных целевых функций по степени предпочтительности.
6. Применение многофункциональных копров позволяет сократить период оснащения проходки стволов и снизить расход ресурсов. Например, схема оснащения проходческим копром «Север-1» с последующей заменой его на постоянный копер станкового типа увеличивает продолжительность работ по графику в 1,5 раза, трудоемкость СМР — в 1,5 раза, снижает календарную скорость сооружения ствола — в 1,22 раза, по сравнению с аналогичными показателями при примнении копра многофункционального назначения.
7. Ожидаемый экономический эффект составляет не менее 277 тыс. руб. (в ценах 1984 г) на каждый оснащаемый для проходки ствол.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Кассихина Е. Г. О формообразовании конструктивной схемы надшахтного стального копра на основе модификаций традиционных решений // Изобретения и нововведения для угольной промышленности: Научн.-техн. реф. сб. — М., 1997, — № 1−2. — С. 54 — 62.
2. Кассихина Е. Г. К вопросу о выборе рациональной статической схемы головки укосного металлического копра/ Е. Г. Кассихина, В. В. Першин // Горный журнал, — 1997, — №. 8. — С. 35 — 38.
3. Кассихина Е. Г. Об оптимизации конструкций укосных стальных копров / Е. Г. Кассихина, В. В. Першин // Уголь.- 1999. № 2,-С. 19−22.
4. Кассихина Е. Г. Новая концепция проектирования многофункциональных стальных укосных копров / Е. Г. Кассихина, В. В. Першин// Уголь,-2001.-№ 2.-С. 11−14.
5. Кассихина Е. Г. Оптимизация конструкции укосного металлического копра / Е. Г. Кассихина, В. В. Першин // Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Тез. докл. IV Международ, науч.-практ. конф.-Новокузнецк, 1997. — С. 231.
6. Кассихина Е. Г. Применение копра многофункционального назначения при строительстве вертикальных стволов / Е. Г. Кассихина, В. В. Першин // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Тез. докл. II Международ, науч.-практ. конф.- Новокузнецк, 1997. — С. 100−101.
7. Кассихина Е. Г. Многофункциональное устройство для строительства и эксплуатации вертикальных стволов / Е. Г. Кассихина, В. В. Першин // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Секция «Уголь и углепро-дукты»: Тез. докл. III Международ, конф. / Кузбас. гос. техн. ун-т, — Кемерово, 1997. — С. 41, 42.
8. Першин В. В. Интенсификация строительства и углубки вертикальных стволов / В. В. Першин, Д. И. Назаров, А. Н. Садохин, Е. Г. Кассихина, А. Ф. Агафонов // Технология и механизация горнопроходческих работ: Сб. науч. тр. / Южно-Росс. отд. АГН РФНовочеркасск, гос. техн. ун-т, Новочеркасск, 1997. — С. 21−25.
9. Першин В. В. Технологические схемы строительства вертикальных стволов с применением копров нового технического уровня / В. В. Першин, Д. И. Назаров, А. Н. Садохин, Е. Г. Кассихина // Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт: Тез. науч. — производств, конф. Новочеркасск. гос. техн. ун-та. Новочеркасск, 1997. — С. 34−36.
10. Кассихина Е. Г. Стальной копер многофункционального назначения для строительства, эксплуатации и углубки вертикалных стволов / Е. Г. Кассихина, В. В. Першин // Наукоемкие технологии угледобычи и уг-лепереработки: Мат. Международ, науч.-практ. конф. / Ин-т угля и углехи-мии СО РАНКузбас. гос. техн. ун-т, — Кемерово, 1998. — С. 187.
11. Пат. 2 120 013 CI (RU), 6Е 04 Н 12/26. Многофункциональное устройство для проходки и эксплуатации шахтных вертикальных стволов/ Е. Г. Кассихина, В. В, Першин.- № 97 110 900- Заявлено 26.06.97- Опубл. 10.10.98., Бюл. № 28.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию параметров и разработке метода расчета стальных укосных копров многофункционального назначения, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей комплекса работ по сооружению вертикальных стволов, имеющей существенное значение для строительной геотехнологии.
