Обоснование и обеспечение безопасной эксплуатации барабанных шахтных подъемных установок

Актуальность темы

Главными задачами горной промышленности являются развитие опережающими темпами рудной и угольной баз и непрерывное обеспечение потребителей страны качественным рудным и топливным сырьём. Решение этих задач во многом зависит от состояния горного оборудования. В настоящее время все возрастающая часть полезных ископаемых в стране и мире добывается подземным способом, что влечет за собой необходимость усовершенствования шахтных подъемных установок (ШПУ), в частности их эксплуатационной безопасности.

Безопасная эксплуатация ШПУ регламентирована ЕПБ, ПБ и ПТЭ. На 244 подземных горных предприятиях Российской Федерации действуют более 2000 единиц подъемных установок, из которых 1800 одноканатные и только 200 являются многоканатными. Таким образом, 90% подъемов являются одноканатпыми с барабанным органом навивки — БШПУ. Из них более 700 БШПУ эксплуатируются с истекшим сроком службы и подлежат немедленной замене. Замена физически и морально устаревших БШПУ на новые займет несколько десятков лет. 1800 БШПУ, являющиеся основным парком подъемных установок в горной промышленности страны, должны обеспечить требуемую производительность предприятия при высоком уровне эксплуатационной безопасности. В представленной диссертации обобщена многолетняя работа автора по созданию прогрессивных устройств контроля и защиты для барабанных подъемных установок, а также модернизации существующих клетей, которые должны отвечать требованиям дня. Эти преобразования должны позволить продолжить безопасно эксплуатировать устаревшие БШПУ до замены их по графику. Предложенные разработки за счет своего точного предназначения и оригинальности конструкторских решений могут войти также в состав комплектующих элементов при создании новых установок. Наибольший эффект можно ожидать при усовершенствовании всего подъемного комплекса в целом, включая и стволовое хозяйство подъемной установки, чему в последнее время не уделяется достаточного внимания.

Аварийность на барабанных подъемах остается еще высокой. Аварии происходят в стволе из-за повышенного износа проводников, конструктивного и грузоподъемного несоответствия внутришахтных транспортных средств с возможностями клети и её механизмов, отсутствия необходимых средств блокировки и защиты, нарушения техники безопасности и т. д. Ремонтно-восстановительные работы в связи с ликвидацией любой аварии в стволе сопровождаются длительным внеплановым простоем. Поэтому разработка устройств по недопущению аварийных ситуаций в стволе шахты и создание условий безопасной эксплуатации БШПУ являются решением актуальной задачи как технического, социального, так и экономического значений.

Данные исследования выполнялись в рамках Указания.

Госгортехнадзора СССР от 21 августа 1973 года № 33 (255) отраслевым министерствам об обеспечении барабанных подъемных установок защитой от напуска каната, Постановлением коллегии Министерства цветной металлургии СССР от 23 декабря 1973 года № 243 и задания Управления главного механика данного министерства, а также технического задания Челябинского угольного комбината.

Целью работы является создание и реализация технических решений, направленных на повышение эксплуатационной безопасности, работоспособности и эффективности действия подъемных установок с барабанным органом навивки.

Идея работы заключается в обеспечении соответствия создаваемых технических средств требуемому состоянию барабанных шахтных подъемных установок, с целью повышения безопасность и эффективность их эксплуатации.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные (лабораторные и промышленные) методы исследования, методы математического и физического моделирования, базирующиеся на классических законах математики, физики и механики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Характер и последствия аварии в шахтных стволах зависят, в том числе, и от способа защиты барабанных шахтных подъемных установок БШПУ) от напуска каната.

2. Степень защищенности БШПУ при авариях в стволе шахты обусловлена длиной напуска каната.

3. Использование устройства гравитационного действия, как безударного стопора клети, является основой ее безаварийного стопорения.

4. Использование ближней индуктивной связи, как канала связи в стволе, датчиков натяжения каната и замедления сосуда, располагаемых вблизи или на сосуде, позволяет повысить быстродействие и надежность контроля зависания сосуда.

5. Использование индивидуального тормоза для подъемного каната аварийного сосуда позволяет создать устройство защиты БШПУ от напуска каната при авариях в стволе, основанное на клиновом исполнительном органе и быстродействующем пироприводе.

Научная новизна работы заключается в формировании новой концепции, в организации защиты БШПУ при авариях в стволе шахты:

1) Разработаны теоретическая и графоаналитическая методики расчета длины напуска каната над аварийным сосудом;

2) разработана классификация способов контроля напуска каната и установлено значение предохранительного тормоза при авариях в стволе шахты;

3) установлено, что гашение кинетической энергии за счет подъема центра масс вагонетки является основой снижения динамических нагрузок на стопора при входе вагонетки в клеть;

4) разработана методика расчета геометрических параметров кулака стопора и доказана возможность исключения резонансных явлений в системе «вагонетка — клеть»;

5) разработана методика расчета датчиков высокого быстродействия для скиповых и клетевых подъемных установок;

6) разработана методика расчета параметров ближней индуктивной связи для условий стволов шахт и установлена ее работоспособность по всей высоте ствола;

7) установлена закономерность изменения коэффициента сопротивления движению подъемного каната при его поперечном обжатии;

Практическое значение работы.

1. В результате анализа аварий на БШПУ Урала, Кузбасса, Караганды и рудников Киргизии выявлены наиболее характерные и опасные виды аварий.

2. Разработана классификация способов контроля зависания сосуда по их быстродействию в обнаружении аварии.

3. Установлено, что устройства, контролирующие зависание сосуда в стволе, не могут защитить БШПУ от напуска каната.

4. Разработан номографический способ расчета длины напуска каната, позволяющий инженерному персоналу шахты ускорить данный расчет при ликвидации аварийной ситуации.

5. Разработан, изготовлен и испытан в шахтных условиях новый клетевой стопор гравитационного безударного действия.

6. По результатам теоретических исследований и шахтных испытаний институтом Гипроникель разработаны проектные документы, а заводом горного машиностроения «Усольмаш» серийно производится клетевой стопор безударного действия.

7. Разработаны, изготовлены малой серией и испытаны датчики контроля зависания подъемного сосуда, монтируемые на канате непосредственно у подвесного устройства сосуда, на подвесном устройстве и на подъемном сосуде.

8. Разработана, изготовлена малой серией и испытана аппаратура контроля зависания сосуда АПИК-2, прошедшая межведомственные приёмочные испытания МЦМ СССР.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием классических и современных методов исследований функционирования БШПУ при нарушенных режимах работы, хорошей сходимостью результатов теоретического анализа с экспериментальными данными и результатами промышленных испытаний. Расхождения расчетных и экспериментальных данных не превышает 9−10%.

Реализация результатов работы.

Основные научные положения представленной диссертации, то есть результаты теоретических исследований и методов расчета, воплощены в новейшие технические решения:

— устройство контроля зависания подъемного сосуда АПИК-2 внедрено объединением «Средазуголь» на Сулюктинском и Кызыл-Кийском шахтоуправлениях (Узбекистан), на рудниках Хайдарканского ртутного комбината (Кыргызстан), на Дегтярском рудоуправлении (Урал) и на Каз-ском рудоуправлении ПО «Сибруда» (Кузбасс);

— стопорные устройства клети гравитационного действия типа СА в виде нескольких модификаций с 1990 г. выпущены серийно более 120 комплектов в ОАО «Усольмаш «(Иркутская обл .), которыми оснащаются клетевые подъёмы предприятий горной промышленности России и стран СНГ;

— блокировочное устройство стопорного механизма клети шахтной подъемной установки внедрено и эксплуатируется с 1986 г. на БШПУ Жескентского ГОК (Казахстан).

По данным ОАО УТОК клетевой стопор типа СА позволяет на каждом подъеме экономить 34 000 кВт-ч электроэнергию в годэкономический эффект от внедрения одного комплекта аппаратуры АПИК-2 У составляет в среднем 194 тыс. руб. в год.

По данным Жескентского ГОК экономический эффект от установки комплекта блокировочного устройства стопорного механизма по расчетам 1986 года составил 15,5 тыс. руб. в год.

Научные и методические результаты используются:

— в учебном процессе при подготовке инженеров специальности 1701 «Горные машины и оборудование» и специальности 3310 «Безопасность жизнедеятельности» (Магнитогорский государственный технический университет);

— в работе наладочных организаций и горнорудных предприятий страны.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на 18 научно-технических конференциях вузов и НИИ городов Магнитогорска, Фрунзе, Свердловска, Кемерово, Ташкента, Донецка и Днепропетровска.

Публикации. По теме диссертации получены 23 авторских свидетельства на предмет изобретения, опубликованы 65 работы, в том числе 20 статей, которые входят в перечень публикаций ВАК, 4 книги, одна из которых монография с изложениями основных научных положений, выводов, рекомендаций, результатов разработок и внедрения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы (154 наименований) и 12 приложений. Она содержит 255 страниц машинописного текста, 12 таблиц и 97 рисунков.

Выводы.

1. Разработана стендовая установка на базе подъемной лебедки БЛ-1200/1030У и ловителя ПКПЛ и проведены натурные исследования процесса торможения и экстренной остановки каната.

2. Экспериментально установлено, что обжатие каната ловителем в пределах 5,4% от первоначального диаметра каната гарантирует сохранность марки и группу прочности каната и обеспечивает безопасный напуск в ствол шахты.

3. Доказана правильность предложенной методики расчета времени срабатывания ловителя ПКПЛ.

4. Определены опытные значения коэффициента сопротивления движению обжатого каната в ловителе и его упругая характеристика в зависимости от величины обжатия.

5. Разработана номограмма для определения конструктивных параметров исполнительного органа ловителя при инженерных расчетах.

6. Торможение каната ловителем с обжатием свыше 5,4% приводит к повышению температуры в паре трения, началу точечных изменений структуры поверхностного слоя металла проволок каната, что может стать причиной уменьшения срока его службы.

7. Разработана конструкция ловителя нового поколения с повышенными требованиями к сохранности эксплуатационных характеристик каната, имеющая дистанционное управление и контроль возврата ловителя в исходное состояние.

8. Требуется проведение стендовых испытаний образца ловителей нового поколения. На основании полученных результатов предложить горному машиностроению производство партии для проведения опытной эксплуатации и межведомственных промышленных испытаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе работы над поставленными в диссертации задачами выполнены следующие исследования.

1. Собраны материалы по авариям на шахтных подъемных установках в регионах России, Казахстана и Кыргызстана с наиболее развитой горнорудной и угольной отраслями промышленности с подземной добычей полезного ископаемого.

2. Выполнен анализ этих аварий, в результате которого установлены наиболее характерные виды аварий на подъемных установках, большинство которых связаны со стволом шахты, то есть с трассой передвижения подъемных сосудов. Поэтому все исследования в соответствии с поставленными задачами были:

3. Изучены существующие технологические оборудования и средств контроля и защиты, выявлены в них конструктивные и технологические недостатки, не позволявшие в полной мере обеспечивать безопасную эксплуатацию подъемных сосудов и шахтных подъемных установок в целом.

4. Разработано безударное стопорное устройство клети, основанное на действии гравитации, признанное изобретением;

4.1. в результате теоретических исследований обоснованы формы и размеры основных рабочих органов, в том числе кулаков стопора;

4.2. в условиях Хайдарканского ртутного комбината под руководством и при участии автора собран первый действующий образец нового стопора;

4.3. по действующему образцу совместно с институтом ГИПРОНИКЕЛЬ были разработаны рабочие чертежи стопора и переданы ОАО «ПО Усольмаш» для выпуска опытной партии стопоров;

4.4. практика эксплуатации данные стопора показала :

— безударное действие при остановке входящей в клеть вагонетку и закрытие стопоров;

— прочное удержание вагонетки во время движения клети по стволу шахты с проектной скоростью;

— не чувствительность поведения вагонетки на поперечные колебания клети при движении последней в стволе;

— не чувствительность стопоров к возможным резонансным явлениям клети.

5. Данные стопорные устройства серийно выпускаются ОАО «ПО Усольмаш» совместно с модернизированной клетью:

5.1. стопора имеют кодовые названия «СА» для ШПУ с барабанным органом навивки и «САК» для многоканатных подъемных установок. В настоящее время объединение «Усольмаш» выпустило данную продукцию более 120 комплектов, которыми оснащены клетевые подъемы горных предприятий России (76 комплектов) и стран СНГ (более 44 комплекта);

5.2. по данным завода-изготовителя нарекания и замечания на недоброкачественную работоспособность за все годы эксплуатации от предприятий, эксплуатирующие эти стопора, не поступали;

5.3. высокое качество стопора подтверждены и в отзывах ОАО «Уча-линский ГОК», где в течение 11 лет успешно эксплуатируются два комплекта данной продукции;

5.4. применение данных стопоров позволило устранить удары вагонетки о кулаки стопора клети и тем самым повысить сроки эксплуатации самих стопоровпосадочных кулаков на рабочих горизонтах шахтыбетонных оснований посадочных кулаковликвидировать аварии, вызванные с выкатыванием вагонетки из клети во время движения последней по стволу из-за отказов стопоровснизить время простоя подъемной установки за счет как повышения сроков эксплуатации стопора, посадочных кулаков и их бетонных оснований, так и за счет четкой работы стопоров во время обмена вагонеток. По данным служб подъемных установок предприятий из общего числа неплановых простоев клетевых подъемов время простоев сократилось примерно на 19,7%;

5.5. по официальным данным ОАО «Учалинский ГОК» эксплуатация каждого стопора дает экономию в год 74 000 кВт-ч электроэнергии. Следовательно, эксплуатация новых стопоров по России (76 комплектов) должна приносить экономию в год порядка 4330 тыс. руб., а по СНГ -2507 тыс. руб. Итого 6837 тыс. руб.

6. Подъемные установки Хайдарканского ртутного комбината являются многогоризонтными клетевыми подъемами, поэтому для повышения безопасности их эксплуатации согласно техзадания ХРК была разработана и на горизонтах одной из шахт установлены на пробную эксплуатацию четыре комплекта блокировочных устройств для контроля положения кулаков стопора. К сожалению, на Хайдаркане эта работа осталась не документированной. Однако, на Жескентском комбинате (Казахстан) это устройство в количестве одного комплекта, контролирующее положения кулаков стопора «закрыто» и «открыто», эксплуатируется длительное время. Жескентский комбинат счел нужным оценить экономическую отдачу блокирующего устройства, так как число простоев клетевого подъема резко сократилось. По данным восьмидесятых годов ожидаемая экономия оценивалась до 15 тыс. руб. в год, что в переводе на современные рубли составляет не менее 1,73 млн руб.

7. Впервые в диссертационной работе дана оценка степени защищенности шахтных подъемных установок при действии предохранительного тормоза в случае аварии в стволе шахты, то есть на основе классификационной системы способов контроля, рекомендуемых Федеральным горным и промышленным надзором России как способы защиты:

7.1. оказалось, что в случае напуска каната в ствол БШПУ, остановленная предохранительным тормозом, не может быть защищена от аварийной ситуации и авария в стволе ни минуема получит развитие. Это обусловлено недостаточным быстродействием предохранительного тормоза для таких случаев;

7.2. в работе постоянно ведется поиск запаса времени для сокращения при исполнении данной защиты. Как одну из мер автор рекомендует рассмотреть классификацию возможных способов контроля зависания сосуда. Данная система позволило с учетом места расположения контрольной точки найти наиболее быстродействующую контрольную точку в обнаружении аварийной ситуации в стволе;

7.3. доказано, что контроль зависания сосуда с точек, расположенных непосредственно на подъемном сосуде или на участке каната вблизи сосуда являются точками, обеспечивающими самое высокое быстродействие в обнаружении аварии;

7.4. разработан и апробирован графический метод ускоренного расчета длины напуска каната в ствол, так как классический метод расчета является достаточно громоздким и требующим множество исходных данных. Предложенный метод упрощает работу, как научных исследователей, так и практиков производства;

7.3. В результате теоретических и натурных исследований по установлению фактической длины напуска каната над аварийно зависшим сосудом и допустимым с целью сохранения работоспособности каната установлено, что канат будет деформирован или разрушен из-за не способности предохранительного тормоза своевременно остановить подъемную машину.

8. Разработаны несколько вариантов конструкций датчиков зависания подъемного сосуда, действующих на основе контроля натяжения участка каната непосредственно у подъемного сосуда, имеющих три, две или одну опору о канат признанных изобретением.

8.1. Данные датчики по сути универсальны, поэтому применимы на скиповых и на клетевых подъемных установках (с противовесом и без), имеющих фактическую высоту переподъема на копре больше допустимой высоты согласно требований ЕПБ. Однако, имеют ряд серьезных недостатков, ограничивающих их применение;

8.2. с учетом специфики клетевого подъема — наличие шахтного парашюта на клетях — наилучшим вариантом контроля зависания клети, является контроль положения механизма парашюта, одновременно — целостности пружины парашюта и возможные ложные срабатывания шахтного парашюта;

8.3.данные выводы подтверждаются тем, что распознавание зависания клети парашютом начинается несколько раньше, чем начало распознавания зависания при контроле через пружину датчика натяжения каната;

8.4. датчик на механизме парашюта способен выполнять все перечисленные функции;

8.5. практика организации контроля зависания скипа показала, что скип должен быть оборудован двумя датчиками различного принципа действия. Так, для контроля зависания на большой скорости — быстродействующим датчиком чрезмерных замедлений и для контроля зависания на малой и нулевой скорости — датчиком положения прицепного устройства, т. е. коуша, признанным изобретением и способным действовать в условиях, когда скип находится в состоянии разгрузки.

9. Впервые предложена, апробирована на практике индуктивная связь в условиях ствола шахты с использованием петлевой антенны приемника как направляющая и транспортирующая части передаваемой электромагнитной энергии до приемника:

9.1. доказано, что все параметры данной индуктивной связи поддаются теоретическим расчетам, что позволяет провести предварительные расчеты при проектировании аппаратуры связи в стволе;

9.2. параметры и размеры рамочной антенны передатчика (РАП) и петлевой антенны приемника (ПАП) вписываются в размеры ствола шах- ' ты и тем самым обеспечивают качественную связь;

9.3. опытные образцы аппаратуры, условно названной АПИК-2, доказали возможность получить надежную связь на любой возможной высоте ствола;

9.4. аппаратура АПИК-2 прошла длительную производственную эксплуатацию на шахтах России, Кыргызстана и Узбекстана, успешно прошла межведомственные промышленные испытания Министерства цветной металлургии СССР;

9.5. согласно справки о внедрении, выданной Хайдарканским ртутным комбинатом, комплект аппаратуры АПИК-2, прошедший межведомственные испытания МЦМ СССР, оставлена на постоянную эксплуатацию и считается внедренной на шахте «Вспомогательная» с фактическим экономическим эффектом в 20 000 (Двадцать тысяч) рублей в год по данным декабря месяца 1980 года, что означает в переводе на современные рубли 2008 года около 2,3 млн руб.;

9.6. В соответствии с актом № 07−74 от 2008 г., выданным ОАО «Учалинский ГОК», на комбинате ведутся внедренческие работы аппаратуры АПИК-2, собираемые на современной элементной основе. Устройство изготавливается в рудничном исполнении. Ожидаемые социальный и экономический эффекты должны составить в год по минимуму на клетевом подъеме 127 тыс. руб. и на скиповом подъеме — 261 тыс. руб.

9.7. По имеющимся данным общий экономический эффект от внедрения аппаратуры АПИК-2 составит около 2,7 млн руб.

10. В результате теоретических и натурных исследований установлена фактическая длина напуска каната над аварийно зависшим сосудом. Установлено, что в случае срыва сосуда с места аварии канат обязательно будет деформирован или разрушен, т. е. оборван, из-за превышения. фактической длины напуска над допустимом, при котором канат сохранил бы свою работоспособность:

10.1. таким образом, подъемная установка даже при наличии требуемого устройства для защиты от напуска каната фактически остается не защищенной;

10.2. в работе впервые предлагается в комплект БШПУ включить дополнительную установку, устанавливаемую на копре под шкивом, приводимую в действие от сигнала аппаратуры контроля зависания сосуда. Опускающийся в ствол канат будет тормозиться этим устройством в режиме высокого быстродействия, а канат поднимающегося сосуда — по существующему режиму действия предохранительного тормоза;

10.3. в ходе теоретических и лабораторных исследований подобраны формы и размеры отдельных элементов устройства и разработана конструкция всего устройства защиты, названного ловителем, а основным рабочим органом выбран клин;

10.4. на базе экспериментального образца ловителя проведены полупромышленные исследования нового устройства и испытания проволок каната, подвергшихся воздействию ловителя;

10.5. экспериментально установлены: а) коэффициент сопротивления движению каната в зависимости от степени обжатия его в ловителеб) нормальная удельная реакция каната;

10.6. С целью повышения быстродействия ловителя в качестве силового привода принята пружина, а в качестве приводавозбудителя — сто-пор-пиропривод, причем разработаны его конструкция, методика расчета величины заряда пороха, время срабатывания и дан график для ускоренного расчета указанных параметров;

10.7. численное моделирование динамики стопора-пиропривода с обычным боковым расположением, но с самовозвратом на стартовое место показало, что ловитель может иметь отказы в работе из-за быстротечной цикличности стопора по сравнению со скоростью движения рабочего органа — клина;

10.8. в последующих конструкциях силовой привод и стопор-привод объединены в единый привод, что позволило упростить конструкцию ловителя и повысить быстродействие ловителя;

10.9. все конструктивные решения ловителей признаны изобретениями и представляют в определенной степени новизну в машиностроении.