Технологии сооружения тоннелей

Рисунок 3.9 – Проходка тоннеля щитом, оснащенным исполнительным

органом избирательного действия

Рисунок 3.10 – Проходка тоннеля щитом, оснащенным исполнительным органом бурового действия

Зарубежные фирмы ведут активный поиск по созданию новых технологий проведения горных выработок и формирования подземного пространства, а также созданию геотехники, способной проходить подземные выработки в любом направлении и создавать достаточное напорное усилие на исполнительном органе для разрушения горных пород.

Механизированные проходческие щиты предназначены для проведения горизонтальных горных выработок в условиях неустойчивых пород. Трансмиссии современных механизированных проходческих щитов представляют собой распорно-шагающие органы перемещения, так называемые грипперные системы перемещения. Такие механизмы подачи обеспечивают напорные усилия, значительно превышающие вес самого щита или комбайна, имеют малые габариты и массу, и позволяют работать при большом реактивном моменте на органе разрушения. Недостатками распорно-шагающей системы перемещения являются: цикличность перемещения, малая маневренность и ограниченная область применения – только по крепким устойчивым породам несклонным к вывалам, так как при работе ее элементы упираются в боковые породы. [31]

Традиционно в подземных условиях для перемещения проходческого аппарата используются внешние движители: гусеничные, колесные, колесно-рельсовые или распорно-шагающие. Они (движители) хорошо показавшие себя при работе на земной поверхности (на контакте твердой и воздушной сред), не приспособлены для движения в геосреде.

Из этого обстоятельства вытекают основные проблемы современных технологий проведения горных выработок:

· Невозможность движения проходческих аппаратов в любом направлении подземного пространства.

· Невозможность создания больших напорных усилий на исполнительном органе для разрушения крепких пород.

Как следствие, для создания достаточных напорных усилий конструкторы вынуждены увеличивать массу горнопроходческих комбайнов, масса которых уже превышает 100т. Кроме того, продолжают остро стоять вопросы безопасности ведения работ в призабойной зоне.

В процессе работы проходческого комбайна или щита, для создания силы тяги и напорного усилия на исполнительном органе никоим образом не задействована сама внешняя геосреда, а только твердая поверхность выработки на контакте гео и воздушной сред, или при щитовом способе проходки - мощная постоянная крепь.

Известные технологии проведения горных выработок, развиваясь по пути увеличения мощности и металлоемкости оборудования, практически исчерпали свои возможности в увеличении производительности, обеспечении безопасности работ и расширения области применения. Поэтому наиболее актуальным является создание принципиально нового, альтернативного инструментария (геотехники, геотехнологий и крепи) для формирования подземного пространства.

Институт Угля СО РАН и НИ ТПУ в течение ряда лет вели работы по созданию принципиально нового вида горнопроходческой техники. [32]

Создан научный и практический задел в области разработки новой технологии проведения горных выработок, и нового вида горнопроходческой техники - геоходов, подтверждена патентная чистота разработанных технических и технологических.

Полученные результаты, не только открыли новые направления исследований в области горного дела и определили необходимость зарождения новой отрасли машиностроения - геоходостроения, но и создали предпосылки для прорыва России в лидеры в сфере геотехнологий и горного машиностроения. [33]

Представляемый проект является пионерным в области горного машиностроения. Анализ научных публикаций показал, что ИУ СО РАН и НИ ТПУ является лидером в этом направлении. Аналогов проводимых в горном деле исследований и полученных результатов (кроме авиа- и кораблестроения) как в России, так и в мире пока нет.

Проектом предусматривается создание базового элемента инновационный инструментарий для формирования подземного пространства – геохода. [34]

Инновационный геотехнологический инструментарий для формирования подземного пространства (инновационный ИФПП)–комплекс, включающий в себя:

– новый поход к проведению горных выработок и формированию подземного пространства;

– новые технологии проведения выработок;

– новый класс горнопроходческой техники;

–новый вид крепей горных выработок и обделок подземных сооружений;

– новое научно-методическое обеспечение.

Новый поход к проведению горных выработок и формированию подземного пространства – проходка горных выработок изначально рассматривается как процесс движения твердого тела (оборудования) в среде вмещающих пород (геосреде).

Приконтурный массив (геосреда) при этом используется:

· как опорный элемент, участвующий в создании движущей силы подземного аппарата - геохода;

· для формирования напорного усилия на исполнительном органе;

· для восприятия реактивных усилий при движении проходческого агрегата (подземного аппарата);

· для выполнения основных технологических операций, включая и крепление выработки постоянной крепью.

ГЕОВИНЧЕСТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК (ГВТ)–процесс механизированного проведения горных выработок с формированием и использованием системы законтурных винтовых и продольных каналов, в котором операции по разработке забоя, уборке горной массы, креплению выработанного пространства, а также перемещению всей проходческой системы на забой осуществляются в совмещенном режиме. Вовлечение приконтурного массива горных пород достигается введением дополнительной технологической операции – формирования системы законтурных каналов. [35]

Новый класс горнопроходческой техники, систем (ГПС) -

ГЕОХОДЫ- аппараты,движущиеся в породном массиве с использованием геосреды. Базовый элемент ГВТ. Представляя собой новый класс горных машин, геоходы предназначены для проходки подземных выработок различного назначения и расположения в пространстве, аналогов конструкции в мировой практике нет.

Новый вид крепей горных выработок и обделок подземных сооружений - ГЕОВСТРОЕННАЯ (ЗАКОНТУРНАЯ) КРЕПЬ –использование винтовых и продольных каналов за контуром проводимой выработки для формирования пространственной несущей системы крепь - приконтурный массив пород. [36]

Новое научно-методическое обеспечение - ГЕОДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ АППАРАТОВ – наука, изучающая силы, возникающие на поверхности твердого тела (подземного аппарата) движущегося в твердой среде (геосреде).

Решение задач проектирования нового вида горнопроходческой техники – геоходов требует создания и нового научного направления в механике горных пород (геомеханика) – геодинамики подземных аппаратов.

Существующая жесткая мировая конкуренция в освоении подземного пространства, экономический спад в отечественном машиностроении, импортная зависимость в период санкций – все это является основой поиска реальной конкурентоспособной технологии, которая была бы инновационно привлекательной и соответствовала мировым тенденциям. Геоход соответствует вызовам современности.

Мировые тенденции в подземном строительстве можно классифицировать:

1) В области техники и технологии:

• Создать высокоэффективную, конкурентоспособную горнопроходческую технику принципиально нового вида.

• Создать новые технологии в области горного дела и строительства подземных сооружений, обеспечивающие повышение темпов проходки и производительности труда в 4-6 раз относительно технологии щитовой проходки.

• Снизить на 30-40% капитальные и эксплуатационные затраты на проходческие работы в сравнении с существующей практикой.

• Решить проблему проведения горных выработок любого пространственного направления.

• Организовать серийное высокотехнологичное производство горнопроходческих машин нового класса – геоходов.

• Повысить уровень безопасности горнопроходческих работ.

• Создать базу для реализации мегапроектов в сфере тяжелого машиностроения.

2) В области науки и образования:

• Открыть новое направление научных исследований – геодинамика подземных аппаратов.

• Обеспечить приток молодых научно-исследовательских кадров в отрасль горного машиностроения.

• Создать инфраструктуру научных исследований в области движения твердого тела в твердой среде.

• Организовать новое направление подготовки специалистов ­– горных инженеров-испытателей.

• Повысить научно-технический уровень производства горного машиностроения.

• Обеспечить практико-ориентированную подготовку студентов НИ ТПУ.

• Расширить материально-техническую и научную базу проведения НИОКТР участников проекта.

3) В производственно-экономической и социальной сфере:

• Создать предпосылки организации новой экспортно-ориентированной отрасли горного машиностроения.

• Повысить конкурентоспособность предприятия и инвестиционную привлекательность региона.

• Создать новые рабочие места в регионе.

• Реализовать научный и педагогический потенциал работников ОАО «КОРМЗ».

• Расширить портфель заказов предприятий реального сектора экономики.

• Увеличить загрузку производственных мощностей предприятий общего машиностроения.

• Увеличить налоговые поступления в бюджеты различных уровней.

В числе серийно выпускаемых горнопроходческих систем не известно аналогов геоходов. Уникальность геохода определяется существенными отличиями и новыми техническими решениями, применяемыми во всех его системах.

Рисунок…Принципиальная схема геохода

При создании традиционных горнопроходческих систем применяются устоявшиеся компоновки и конструктивные решения, с середины прошлого века не появлялось принципиально новых технических решений и новых видов горных машин. Геоходы – это принципиально новый класс горных машин. Создание геоходов предполагает применение целого ряда новых технических решений во всех системах геохода, а именно:

Способ передвижения, обеспечения устойчивости геохода и формирования тягового и напорного усилий основан на использовании специально подготовленных законтурных каналов. Тяговое и напорное усилия формируются не за счет сил трения, как это происходит у традиционных проходческих машин, а за счет нормальной реакции породы. Направление реактивных сил взаимодействия со стороны породы и направление тягового и напорного усилий совпадают, в то время как у традиционных проходческих систем реакция породы перпендикулярна к напорному усилию. [37]

В трансмиссии применяются системы многопоточной передачи мощности, разработаны варианты авто- и принудительного выравнивания потоков, разработаны системы с распределением приводных сил и моментов по оболочке корпуса геохода. Впервые разработаны конструктивные решения трансмиссии геохода с ВППТК с полым валом, реализующие необходимый вращающий момент, и обеспечивающие свободное пространство в центральной части геохода

В исполнительном модуле применяется новый подход к проектированию, основанный на применении забоя рациональной формы. Критерии, по которым выбираются геометрические параметры формы забоя, основаны на смещении главных напряжений в породе забоя в сторону растяжения, что позволяет добиться снижения удельной энергоемкости разрушения породы, снизить требования к энерговооруженности исполнительного модуля, уменьшить его металлоёмкость. [38]

Системы обеспечения движения, стабилизации и маневрирования совмещены с системами подготовки законтурных каналов и исполнительного модуля, при этом, в отличие от традиционных проходческих машин, маневрирование осуществляется не за счет изменения положения машины с последующим изменением направления выработки, а наоборот, сначала меняется направление выработки, что в дальнейшем приводит к изменению положения машины. [39]

Таблица 4.6 – Сравнение характеристик геоходов и щитов

	Геоходы, диаметр, в м	Проходческие щиты
	2,6	3,2	4,1	5,6	ПЩМ-2,6	ПЩМ-3,2	ПЩМ-4	ПЩМ-5,6
Диаметр выработки в проходке (м)	2,6	3,2	4,1	5,6	2,6	3,2		5,6
Диаметр выработки в свету (м)	2,45	3,0	3,85	5,3	2,25	2,8	3,55	4,83
Скорость проходки (м/час)	4…6	4…6	4…6	4…6	0,8	0,8
Длина (м)	3,6	4,3	5,1	6,1	3,9	4,8	5,4
Углы наклона проводимых выработок	±90°	±90°	±90°	±90°	±20°	±20°	±20°	±20°
Масса (т)	10,2		20,3	32,4
Установленная мощность/диаметр (кВт)

Заключение по главе

Барьеры для выхода на рынок (угрозы):

- конкуренция со стороны других производителей проходческой техники;

- высокая зависимость от внешних источников финансирования;

- необходимость инвестиций в опытно-конструкторские и исследовательские работы;

- отсутствие в стране производства щитовых машин для горнопроходческих работ.

Сильные стороны проекта:

- уникальны продукт, не имеющий аналогов с стране и мире с более лучшими техническими и экономическими характеристиками;

- развитие отечественной промышленности в сфере производства машин для подземного строительства;

- благоприятное воздействие на социально-экономические показатели региона и страны (создание рабочих мест, улучшение экономических показателей);

- создание базы для научной и экспериментальной деятельности в сфере подземного строительства;

- подготовка специалистов в сфере создания техники для подземного строительства;

- кооперация научных организаций и производственных предприятий.

Слабые стороны проекта:

- продукт впервые выводится на рынок, мало знаком потенциальным потребителям;

- необходимо экспериментальное уточнение параметров отдельных узлов геохода;

- необходимость организации системы поддержки жизненного цикла продукта;

- необходима отработка технологии изготовления геохода;

- высокие затраты на организацию производства;

- зависимость от поставщиков.

Возможности:

- растущая необходимость подземного строительства, прокладки гражданских и геоинженерных коммуникаций;

- возможность получения Госзаказа (МЧС, Минобороны);

- продолжение проекта в части разработки новых видов крепей и обделок подземных сооружений;

- создание центра испытаний горной техники;

- организация нового направления подготовки специалистов – горных инженеров-испытателей.

В настоящее время практически отсутствуют проходческие щитовые машины отечественного производства и организация работ по производству геоходов позволит снизить уровень потребности в данном виде техники и уменьшит затраты на ее приобретение и эксплуатацию по сравнению с импортным оборудованием.

Рассматривая экспортный потенциал разрабатываемой продукции можно отметить, что стоимость, универсальность, эксплуатационные расходы и отсутствие близких аналогов позволят продавать данное оборудование на зарубежные рынки, особенно привлекательны в этом плане страны с развивающейся экономикой.

Стратегия развития продаж продукции в первую очередь предполагает поставку на внутренний рынок, с постепенным выходом на зарубежные рынки.

Таблица 6.2 – Прогноз производства и продаж

Год	Количество, шт.
Итого