Обеспечение безопасности работы шахтных подъемов в стволах при сложных горно-геологических и горнотехнических условиях

Abstract

В статье приведены результаты анализа потенциально неустойчивых динамических процессов в звеньях механических систем шахтных подъемных установок. Показано, что из-за деградации оборудования ствола, при длительной эксплуатации в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях, рассмотренные процессы могут приводить к существенному снижению уровня безопасности работы систем «сосуд – армировка» вертикальных стволов. Показано, что шахтная подъемная установка является многосвязной полиосцилляторной динамической системой. В ее силовой передаче все динамические процессы энергетически взаимосвязаны между собой. При длительной эксплуатации повышенный износ и нарушение проектных параметров звеньев в определенных условиях вызывают внутренние или внешние резонансы с возбуждением ударно-циклического взаимодействия подъемных сосудов с армировкой аварийно опасного уровня. Источниками таких резонансов являются механические процессы взаимодействия барабана подъемной машины с головными канатами, отклонения геометрических и физико-механических параметров армировки от проектных значений, эксцентриситет подъемного сосуда, несоответствие параметров направляющих устройств сосуда и диаграммы скорости подъема условиям минимизации динамических нагрузок на армировку в условиях конкретного грузоподъемного отделения. В статье приведены результаты исследований, показывающие, что на протяженном участке в средней части ствола, где частоты вертикальных колебаний сосудов 2-х концевой подъемной установки становятся близкими по значению, возникает интенсивный энергетический обмен между колебаниями поднимающейся и опускающейся ветвей канатов через шкив подъемной машины. Он вызывает рост амплитуд горизонтальных колебаний подъемных сосудов и провоцирует ударный режим взаимодействия сосуда с армировкой. К такому же эффекту приводит нарушение цилиндрической формы ведущего шкива подъемной машины вследствие внешнего резонанса. Наличие резких изгибов на переходных участках диаграммы скорости подъема так же повышает горизонтальные нагрузки на армировку из-за создания знакопеременного вертикального ускорения сосуда. Это явление имеет наибольшую интенсивность при аварийном торможении подъемной машины. В стволах с нарушенной геометрией в зоне сдвижения горных пород сочетание глобальных протяженных отклонений от вертикали со знакопеременными отклонениями на коротких участках, сравнимых по длине с 2 – 3 длинами сосуда, неоптимальный выбор жесткости роликовых направляющих вызывают одностороннее поджатие башмаков к проводникам. Это резко интенсифицирует ударное взаимодействие сосудов с армировкой из-за учащения встречи башмаков с набегающими гранями рабочих поверхностей искривленных проводников. Процесс может иметь характер лавинообразного нарастания ударных нагрузок на коротких участках ствола. Одновременное возникновение описанных негативных взаимодействий звеньев на участке ствола с изношенной армировкой может стать причиной спонтанного ускорения ее деградации, накопления усталостных повреждений несущих конструкций сосуда и первопричиной аварии с тяжелыми материальными последствиями. В статье обоснован ряд технических мероприятий по снижению уровня аварийной опасности стволов, находящихся в длительной эксплуатации в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.

В статті приведені результати аналізу потенційно нестійких динамічних процесів в ланках механічних систем шахтних підйомних установок. Показано, що через деградацію устаткування при тривалій експлуатації в складних гірсько-геологічних і гірничотехнічних умовах розглянуті процеси можуть приводити до істотного зниження рівня безпеки роботи систем «посудина - армування» вертикальних стволів. Показано, що шахтна підйомна установка є багатозв'язковою поліосциляторною динамічною системою. В її силовій передачі всі динамічні процеси енергетично взаємозв'язані між собою. При тривалій експлуатації підвищений знос і порушення проектних параметрів ланок в певних умовах викликають внутрішні або зовнішні резонанси із збудженням ударно-циклічної взаємодії підйомних посудин з армуванням аварійно небезпечного рівня. Джерелами таких резонансів є механічні процеси взаємодії барабана підйомної машини з головними канатами, відхилення геометричних і фізико-механічних параметрів армування від проектних значень, ексцентриситет підйомної посудини, невідповідність параметрів напрямних пристроїв посудини і діаграми швидкості підйому умовам мінімізації динамічних навантажень на армування в умовах конкретного вантажопідйомного відділення. В статті приведені результати досліджень, які показують, що на протяжній ділянці в середній частині ствола, де частоти вертикальних коливань посудин 2-х кінцевої підйомної установки стають близькими за значенням, виникає інтенсивний енергетичний обмін між коливаннями гілок канатів, які підіймаються й опускаються через шків підйомної машини. Він викликає зростання амплітуд горизонтальних коливань підйомних посудин і провокує ударний режим взаємодії посудини з армуванням. До такого ж ефекту приводить порушення циліндрової форми провідного шківа підйомної машини внаслідок зовнішнього резонансу. Наявність різких вигинів на перехідних ділянках діаграми швидкості підйому так само підвищує горизонтальні навантаження на армування через створення знакозмінного вертикального прискорення посудини. Це явище має найбільшу інтенсивність при аварійному гальмуванні підйомної машини. В стволах з порушеною геометрією в зоні зсуву гірських порід поєднання глобальних протяжних відхилень від вертикалі зі знакозмінними відхиленнями на коротких ділянках, порівнянних по довжині з 2 - 3 довжинами посудини, неоптимальний вибір жорсткості роликових напрямних викликають одностороннє підтискання башмаків до провідників. Це різко інтенсифікує ударну взаємодію посудин з армуванням через почастішання зустрічі башмаків з набігаючими гранями робочих поверхонь викривлених провідників. Процес може мати характер лавиноподібного наростання ударних навантажень на коротких ділянках ствола. Одночасне виникнення описаних негативних взаємодій ланок на ділянці ствола із зношеним армуванням може стати причиною спонтанного прискорення його деградації, накопичення втомних пошкоджень несучих конструкцій посудини і першопричиною аварії з важкими матеріальними наслідками. В статті обґрунтована низка технічних заходів щодо зниження рівня аварійної небезпеки стволів, які знаходяться в тривалій експлуатації в складних гірсько-геологічних і гірничотехнічних умовах.

The results of the analysis of potentially unstable dynamic processes in parts of mechanical systems of mine hoisting plants are reviewed in the article. It is shown that because of the equipment degradation under long-term operation in difficult geological and mining conditions considered processes can significantly degrade the level of security vertical shafts systems "vessel - reinforcement". It is shown that the mine hoisting plant is a multiply connected priscillarenea dynamical system. In its power train all dynamic processes are energy-connected. In the long-term operating increased wear and violation of links design parameters in certain conditions cause the internal or external resonance with the initiation of shock-cyclic interaction of lifting vessels with reinforcement emergency dangerous level. The sources of such resonances are mechanical processes of interaction of the hoist drum with head ropes, deviations of geometrical and physicallymechanical parameters of reinforcement from design values, the eccentricity of lifting vessel, the mismatch of vessel guides devices parameters and hoisting speed diagram to the conditions of dynamic loadings minimizing on the reinforcement in terms of specific lifting department. The article contains the results of studies showing that the extended section in the middle of the shaft, where the rate of vessels vertical oscillation double-end hoisting plant become close by value, there is an intensive energy exchange between fluctuations of rising and falling rope branches through a hoisting machine sheave. It causes the increase of the amplitude of lifting vessels horizontal oscillations and causes shock mode of interaction of vessel with reinforcement. The violation of cylindrical form of hoisting machine sheave because of external resonance has the same effect. The presence of sharp bends on transient section of hoisting speed diagram also increases the horizontal loading on the reinforcement because of creating the alternating vertical acceleration of the vessel. This event has significant intensity on emergency braking of hoisting machine. In the shafts with broken geometry in the area of the rock movement combination of global and local long deviations from the vertical with alternating deviations short areas, comparable in length with 2 - 3 length of the vessel, non-optimal choice of roller directors rigidity cases one-way shoes waisting to the guides. It intensifies shock interaction of vessels with reinforcement, because of the increased frequency of meetings of shoe with the moving planes of curved guides working surfaces. The process may have the character of the growing shock loadings avalanche on shaft short sections. The simultaneous occurrence of described negative links interactions on the shaft section with worn reinforcement can cause spontaneous acceleration of its degradation, fatigue damage accumulation of vessel frameworks and the main cause of an accident with heavy financial consequences. The article contains the range of technical measures to reduce rate of dangerous accident in shafts with difficult geological and mining conditions.