автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров исполнительных органов комплекса для проведения вспомогательных выработок в условиях кембрийских глин

На правах рукописи

ЛАВРЕНКО Сергей Александрович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005551666

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2014

005551666

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич

Официальные оппоненты:

Жабин Александр Борисович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра геотехнологий и строительства подземных сооружений, профессор

Кузиев Дильшад Алишерович - кандидат технических наук, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра горных машин и оборудование, доцент

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Защита состоится 24 июня 2014 г. в 18 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru

Автореферат разослан 24 апреля 2014 г.

диссертационного совета

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Строительство метрополитена в условиях Санкт-Петербурга сопровождается проходкой перегонных тоннелей и вспомогательных выработок, которые необходимы для сопряжения между собой камер строящихся подземных станций, в том числе для соединения с вертикальным стволом, по которым осуществляется как откатка отбитой горной породы для выдачи ее на поверхность, так и доставка материалов и тюбингов для строительства станций. При этом на 1 км перегонного тоннеля приходится, по экспертным оценкам, не менее 1 км вспомогательных выработок (подходные тоннели, выработки околоствольного двора, транспортные и вспомогательные ходки, тупиковые выработки и др.).

Шахты Санкт-Петербургского метрополитена располагаются в основном на глубине 40-70 м. Разрабатываемый забой кембрийских глин различен по своему составу: сухая глина; глина с включениями известняка, известняка закварцованного; глина с содержанием воды и глина с включениями гравия.

Объемы работ по сооружению вспомогательных выработок с развитием городского метро увеличиваются, но эффективность проведения таких выработок в настоящее время низкая, так как ее осуществляют с применением отбойных молотков и удержанием выработанного пространства дерево-металлической крепью, что является сдерживающим фактором на пути повышения общей интенсивности строительства метрополитена.

Основной причиной необходимости создания новых типов машин является невозможность эффективного использования известных средств проходки вспомогательных выработок и станционных тоннелей в условиях шахт ОАО «Метрострой» (щиты и комплексы бурового действия), что связано с проведением монтажных и демонтажных камер, превышающих зачастую протяженность самих выработок.

Таким образом, чтобы повысить интенсивность проходки вспомогательных выработок необходимо создать технические средства разработки забоя, которые обеспечивали бы оптимальные параметры работы исполнительного органа. Для этого необходимо теоретически обосновать способ обработки забоя и параметры исполнительного органа для его разрушения, что является актуальной научной задачей.

Изучению процесса разрушения горных пород посвящены многочисленные работы Барона Л.И., Берона А.И., Позина Е.З., Бреннера В.А.,

Меламеда В.З., Тона В.В., Слободкина М.И., Габова В.В., Ушакова Л.С., Коняшина Ю.Г. и др.

Цель работы. Обоснование и выбор рациональных параметров исполнительных органов комплекса с режущими и ударными инструментами для проведения вспомогательных выработок метрополитена на основе установления закономерностей взаимодействия породоразрушающих инструментов с массивом кембрийских шин, имеющих твердые включения, доя обеспечения повышенной производительности и снижения удельных энергозатрат на разрушение породы.

Идея работы заключается в том, что обоснование рациональных параметров исполнительных органов проходческого комплекса достигается совместным выбором параметров режущего и ударного инструмента, их взаимной компоновкой с учетом поочередной работы по разработке забоя.

Задачи исследования:

1. Обосновать компоновочные схемы проходческого комплекса, сочетающие исполнительные органы режущего и ударного типа для разработки сложноструктурированных забоев;

2. Экспериментально обосновать, с использованием стендовых исследований, рациональные параметры исполнительного органа проходческого комплекса, при разрушении кембрийских гаин резанием и ударом;

3. Разработать математические модели процесса разрушения забоя кембрийских гаин резанием и ударом;

4. Разработать физическую модель ударных устройств, стенда и методики экспериментальных исследований, позволяющих производить анализ процессов в ударных системах;

5. Обосновать рациональные параметры исполнительных органов проходческого комплекса для разрушения массива кембрийских пшн резанием и ударом;

6. Разработать рекомендации к методикам расчета параметров исполнительных органов проходческих комплексов для разрушения гаин.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ теорий разрушения горных пород резанием и ударом, компьютерное моделирование процесса разрушения гаин резанием и ударом, экспериментальные исследования процесса резания и ударного разрушения кембрийских гаин на лабораторных стендах, а также методы математической статистики и спектрального анализа.

Научная новизна работы. Установлена зависимость коэффициента

сопротивляемости шин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса разрушения массива кембрийских шин резанием роторными исполнительными органами проходческих комплексов с учетом зависимости коэффициента сопротивляемости гаин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса взаимодействия элементов ударной системы для расчета параметров ударного исполнительного органа, выполненного по системе «поршень-боек-инструмент», основанного на «дребезге» бойка; на основе экспериментальных исследований трехмассовых ударных систем «поршень-боек-инструмент» установлены их рациональные параметры для создания исполнительного органа проходческого комплекса ударного действия повышенной эффективности.

Защищаемые научные положения:

1. Теоретически установлен и экспериментально подтвержден параболический характер зависимости изменения удельной энергоемкости разрушения кембрийской тины резцом типа ШБМ от величины заглубления И при скорости резания Ур в диапазоне 0<Ур<1,33 м/с, причем минимальное значение удельной энергоемкости находится в пределах 0,9-1,4 кВт-ч/м3 и соответствует величине заглубления /г=15 мм.

2. Для разрушения кембрийских шин с твердыми включениями на исполнительном органе проходческого комплекса наиболее целесообразно применять трехмассовые ударные механизмы, обеспечивающие повышение эффективности разрушения кембрийских глин наращиванием суммарной зоны переднего фронта ударного импульса реализацией в инструменте семейства подимпульсов высокой интенсивности и малой продолжительности, увеличивающих заглубление инструмента в породу на 15 % по сравнению со стандартной двухмассовой ударной системой.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается корректным использованием апробированных методов классической механики разрушения горных пород резанием, корреляционного и спектрального анализа осциллограмм процесса резания, достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, а также согласованностью с общепризнанными представлениями о закономерностях соударяющихся тел, корректностью построения расчетных моделей ударного взаимодействия элементов ударных систем, использованием современных методов исследований и обработки данных.

Практическая значимость работы:

1. Разработан и изготовлен лабораторный стенд для исследования процесса резания кембрийской гаины полноразмерным одиночным резцом;

2. Разработана конструкция трехмассовой унарной системы «поршень-боек-инструмент» исполнительного органа комплекса для проходки вспомогательных выработок метрополитена, на основе предлагаемой конструкции разработан лабораторный стенд для исследования волновых процессов;

3. Разработаны рекомендации для выбора рациональных параметров исполнительного органа проходческого комплекса и уточнена методика расчета сил резания на резцах;

4. Предложены конструкции проходческого комплекса для проведения коротких выработок с тюбинговой крепью (патент № 2498071), комплекса для проходки выработок метрополитена крутого поперечного сечения (патент №2482276) и щитового проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок, а также конструкции трехмассовых ударных исполнительных органов.

Реализация результатов работы.

1. Результаты исследований приняты к внедрению ЗАО «МЕТРОКОН» Санкт-Петербург.

2. Результаты работы использовались в НИОКР: «Разработка новых образцов бурового оборудования с пониженным уровнем вибрации» для ОАО «Апатит»; «Разработка новых ударных систем буровой техники на открытых и подземных работах для повышения производительности и ресурса» для ОАО «Апатит»; «Разработка конструкции перфоратора с ударной системой «поршень-боек-штанга» для Группы предприятий Западно-Уральского машиностроительного концерна

3. Разработанные лабораторные стенды используются в учебном процессе в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» при подготовке студентов по направлению 130400 «Горное дело».

Личный вклад автора. Произведен анализ основных теоретических представлений о разрушении горных пород резанием и ударом. Сформулированы цель, задачи исследований и научные положения. Исследован на основе компьютерного моделирования в среде ANSYS Workbench процесс взаимодействия резца с моделью кембрийской глины, а также ударные процессы в трехмассовых системах малогабаритных ударников. Спроектированы и изготовлены

лабораторные стенды, проведены экспериментальные исследования процессов резания одиночным резцом образцов глины, а также процессов формирования ударного импульса в системах «поршень-боек-инструмент». Предложены конструкции трех проходческих комплексов и ударника повышенной эффективности, а также методики их расчетов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тупа, 2011 г.); международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута 2011, 2012, 2013 г.); 64-ой международной научной конференции во Фрайбергской горной академии (г. Фрайберг, Германия, 2012 г.); международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2013 г.); международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Минск, Беларусь, 2013 г.); ежегодном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2013, 2014 г.), межкафедральных семинарах механического факультета Горного университета (2011-2014 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 19 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, получено два патента Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, 7 приложений на 15 страницах, общим объемом 181 страница печатного текста, содержит 14 таблиц и 109 рисунков, список литературы из 113 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы и обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе представлен анализ состояния и основные направления развития проходческой техники для проведения вспомогательных выработок и станционных тоннелей в условиях Санкт-Петербургского метрополитена по кембрийским шинам. Рассмотрены методики расчета сил резания и дана оценка влияния скорости приложения нагрузки при разрушении горных пород. Определены основные цели и основные задачи исследования.

Во второй главе дан анализ процессов разрушения горных пород и проведено компьютерное моделирование процессов резания и ударного разрушения массива кембрийских тин. Разработаны требования к конструк-

ции лабораторных стендов для экспериментальных исследований процессов разрушения тин.

В третьей главе представлена разработанная методика экспериментальных исследований и конструкции стендов для изучения ударных процессов в системе «поршень-боек-инструмент» и процессов резания кембрийских глин одиночным резцом. Приведены результаты экспериментальных исследований.

В четвертой главе представлены варианты конструкций проходческих комплексов облегченного типа для проходки вспомогательных выработок и обоснованы параметры их исполнительных органов применительно к забоям кембрийских глин.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, выводы и рекомендации по их использованию.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Теоретически установлен и экспериментально подтвержден параболический характер зависимости изменения удельной энергоемкости разрушения кембрийской глины резцом типа ШБМ от величины заглубления 1г при скорости резания Ур в диапазоне 0<УР<1^3 м/с, причем минимальное значение удельной энергоемкости находится в пределах 0,9-1,4 кВт-ч/м3 и соответствует величине заглубления й=15 мм.

Проведение вспомогательных выработок в породах кембрийских глин вблизи строящихся станций Метростроя Санкт-Петербурга может быть основано на оснащении тюбинго- или кре-пеустановщика быстросъемным исполнительным органом, который должен выполнять три основные функции: разрушение забоя, в том числе с твердыми включениями, перемещение отбитой горной массы из зоны отбойки в средства откатки, а также удержание забоя в момент установки крепи или кольца тюбингов. Существующие конструкции комплексов имеют ряд существенных недостатков, преодоление которых потребовало исследовать процессы разрушения кембрийских глин резанием и взаимодействие с массивом глин ударников, а также взаимоувязку многочисленных устройств в компактный комплекс. Наиболее сложными, недостаточно изученными процессами, являются процессы разрушения забоя.

Экспериментальные исследования процесса разрушения образцов кембрийской глины одиночным резцом выполнены в соответствии с разработанной методикой на лабораторном стенде (рисунок 1).

Рисунок 1 - Стенд для исследования процесса резания Структура поверхности разрушения глины резанием приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структура поверхностей разрушения кембрийской глины

(й=15 мм, а=60°)

На рисунке 2 представлена структура поверхности разрушения глины эталонным резцом. В структуре скола можно выделить две составляющие, хрупкую и вязкую части скола. Экспериментально установлено, что нижняя поверхность бороздки резания остается прямолинейной, а ее величина при указанных параметрах составляет

4-5 мм и с ростом величины заглубления резца (толщины стружки) ее значение увеличивается, что обусловлено вязко-пластическими свойствами глин.

По данным экспериментальных исследований была получена зависимость изменения удельной энергоемкости резания от величины заглубления резца и произведено сравнение с результатами компьютерного моделирования в среде ANSYS Workbench (кривая 2) процесса резания с аналогичными параметрами разрушения (рисунок 3).

0,8

9 10 11 12 13 14 15

h, мм

1--Экспериментальная кривая 2--Теоретическая кривая

Рисунок 3 - Зависимость удельной энергоемкости разрушения глин резанием

Расчет удельных энергозатрат процесса разрушения глин резанием осуществлялся по формуле Е.З. Позина:

Н =0,0272 Pz'L' G

где #w - удельные энергозатраты процесса резания, кВт-ч/м'; Р, -сила резания, Н; L - длина среза, см; G - вес продуктов разрушения, г; р - плотность кембрийской глины в массиве, г/см3.

Теоретические и экспериментальные исследования процесса резания позволили разработать компьютерную модель в среде ANSYS Workbench, при этом моделирование процесса резания глины дало удовлетворительную сходимость с результатами экспериментов, что позволило перейти к реальным скоростям резания исполнительным органом роторного типа оборудованного стержневыми рез-

цами типа ШБМ с трапециевидной режущей кромкой, которые получили наибольшее распространение на отечественных щитовых комплексах. Это позволило установить рациональное значение шага резания кембрийских глин г, который составил /=25,4 мм при /г=15 мм по критерию минимума энергоемкости разрушения.

Обработка осциллограмм компьютерного моделирования процесса резания кембрийской глины резцом типа ШБМ позволила построить график изменения удельной энергоемкости разрушения глин от глубины внедрения резца в породу к в зависимости от скорости резания Ур (рисунок 4).

3,4

2,9

2,4

•—. т

«о 1,9 х

1 1,4

0,9 0,4

9 11 13 15 17 19 21

И, мм

1 - '— Ню (Ур=0,167 м/с); 2--(Ур=0,667 м/с); 3--- Над (Ур=1,33 м/с)

Рисунок 4 - Зависимость изменения удельной энергоемкости от глубины внедрения резца в зависимости от скорости резания Анализируя данный график можно сделать вывод, что оптимальная толщина стружки /г по критерию энергоемкости процесса разрушения глин резанием находится в пределах 13-15 мм и соответствует диапазону изменения удельной энергоемкости разрушения 0,9-1,4 кВт-ч/м3. Увеличение толщины стружки выше указанной величины приведет к увеличению энергоемкости процесса резания глины и росту нагрузок на резцах (рисунок 5). Кривые 1-3 показывают (рисунок 4), что с увеличением скорости резания глин увеличивается энергоемкость процесса резания. Вместо экспоненциальной зависимости удельных энергозатрат Яч от к (по Позину Е.З.) данный график описывается параболой с минимумом в точке пред-

/3

\ .............

550 500 450 400 350 300 250 200 150

ставляющей толщину стружки равную к=\5 мм. Это объясняется особенностями резания глин, у которых для малых толщин стружек (на глубину 10-15 мм) образуется скол шириной более (2-4)г, а при увеличении глубины внедрения резца в глину, происходит резание только на ширину режущей кромки резца, практически без образования развала породы. Поэтому с ростом /г более 15 мм объем скалываемой породы практически не увеличивается, а удельные энергозатраты на разрушение глин резанием возрастают. В результате падающая экспонента трансформируется в параболу.

600

1--Н№ (Ур=0,167 м/с)

2--Нш (Ур=0,667 м/с)

3 _ _ Н\д/ (Ур=1,33 м/с)

И, мм

Рисунок 5 — Зависимость силы резания от толщины стружки при резании

резцом типа ШБМ На графике (рисунок 5) видно, что с ростом толщины стружки растет и усилие резания, но при Н=15 мм усилие на резце независимо от скорости резания Ур можно принять постоянным.

Применительно к процессу разрушения пород горными машинами энергетические показатели их механических свойств представляют собой интегральные характеристики со случайным характером изменения их значений в массиве. Основными показателями пород являются: сопротивляемость резанию, показатели разрушаемости, степени хрупкости, абразивности, все они в методиках расчета сил резания для конкретных условий принимаются постоянными, что не позволяет адекватно отражать физическую сущность процесса резания и затрудняет поиск путей повышения его эффективности.

Ур, м/мин

Рисунок 6 - Зависимость изменения коэффициента А*р от к и для кембрийских глин

V У/////////7/

Рисунок 7 - Цикл работы проходческого комплекса

ОЗУ 2.5М5Л 50иг 0.5У 2.5МБЛ 50ш

Л

2

б)_

Стандартная Ударная

ударная Щ Щ Ц система

система «п-6-и» у

Рисунок 10 - Экспериментальные исследования ударных систем: а) - общий вид лабораторного стенда; б) - фотография лунок выкола, образованных различными ударными системами; в) - единичный ударный импульс трехмассовой системы «поршень-

боек-инструмент»; г) - единичный ударный импульс двухмассовой ударной системы

При резании глин резцами типа ШБМ с трапециевидной режущей кромкой в отличие от резания эталонным резцом форма сечения стружки, коэффициент бокового развала породы, сила на резце и коэффициент сопротивляемости глин резанию зависят от скорости резания Ур и величины заглубления резца в породу к (рисунок 6).

Данная зависимость позволила уточнить методику расчета сил на резцах роторного исполнительного органа проходческого комплекса при резании глин с учетом изменяющегося коэффициента сопротивляемости резанию А*, она представлена системой уравнений (1)

при к = 10 мм А*р = 0,02 • Ур -1,8 ■ Ур + 212,8,

при /г = 15 мм А*р = 0,04 • Ур +104,5, (!)

при к = 20 мм А* = -0,05 • У2р + 3,9 • Ур + 202,4,

УР1 = 2ттгг

Исполнительные органы режущего типа проходческих комплексов с учетом зависимости (1) при Л=15 мм и величине шага /=25,4 мм будут работать при минимальных значениях удельных энергозатрат на разрушение глин, что позволит повысить производительность отбойки и приведет к повышению темпов проходческих работ при строительстве метро.

2. Для разрушения кембрийских глин с твердыми включениями на исполнительном органе проходческого комплекса наиболее целесообразно применять трехмассовые ударные механизмы, обеспечивающие повышение эффективности разрушения кембрийских глин наращиванием суммарной зоны переднего фронта ударного импульса реализацией в инструменте семейства подимпульсов высокой интенсивности и малой продолжительности, увеличивающих заглубление инструмента в породу на 15 % по сравнению со стандартной двухмассо-вой ударной системой.

По результатам исследований предложены конструкции исполнительных органов проходческого комплекса, при этом обработка забоя предусматривает разрушение шины резанием и разрушение твердых включений ударником. Цикл работы проходческого комплекса показан на рисунке 7.

В начале каждого цикла работы проходческого комплекса осуществляется разрушение или частичное ослабление породы ударником 13 (рису-

нок 7, а) в зоне раздвижных окон комплекса 18, которые при разрушении забоя резцами планшайбы 9 находятся в закрытом состоянии.

После разработки породы ударником включается гидропривод вращения рычага 14 и планшайба 9, с установленными на ней резцами 11, осуществляет разрушение забоя (рисунок 7, б, в). По мере проведения выработки планшайба 9 вдавливается в забой усилием механизма подачи 16. Уборка разработанной породы в комплексе осуществляется через окна-сегменты 18. После прохождения забоя комплексом на ширину кольца тюбингов планшайба 9 отсоединяется от поворотного рычага 4 тюбингоукладчика, предварительно выдвинув стопоры 10 планшайбы 9, и на поворотный рычаг 4 при помощи захвата 17 устанавливаются тюбинги 5 для крепления выработанного пространства (рисунок 7, г). После установки тюбингов 5 по всему сечению выработки к захвату 17 рычага 4 крепится ударник 13, затем цикл повторяется.

Ниже на основе трехмассовой модели представлено теоретическое обоснование роста заглубления инструмента в породу по сравнению со стандартной, для ударников с промежуточным элементом между поршнем и инструментом.

Ударник моделируется системой трех масс: пц~ поршень, т — боек и т2 - инструмент (рисунок 8).

поршень боек инструмент

Рисунок 8 - Расчетная модель ударника

На поршень действует сила равная Р=120(Ь-1500 Н. Рассматривается единичный удар поршня. Принято, что со стороны породы на штангу действует сила сопротивления пропорциональная скорости Рс=к% ще к - коэффициент сопротивления породы, Н-с/м; q - послеударная скорость инструмента, м/с.

В системе возникает так называемый квазипластический удар - процесс учащающихся повторных соударений убывающей интенсивности. С помощью теоремы об изменении количества движения и условия, связывающего доударные и послеударные относительные скорости тел через коэффициент восстановления Я, задан циклический алгоритм, описывающий движения масс в системе.

Процесс продолжается до тех пор, пока боек не окажется зажатым

между инструментом и поршнем. При этом происходит последний за ¿-ый цикл удар поршня по инструменту (вместе с бойком).

Алгоритм расчета трехмассовой ударной системы позволил исследовать процесс «дребезга» и его влияние на передаваемый штанге суммарный импульс. На рисунке 9 показаны результаты моделирования.

Эксперименты показали, что глубина лунки выкала в пересчете на один удар поршня составляет приблизительно 0001-Ю,001 м в зависимости от свойств глины. Теоретические исследования позволяют определить коэффициент сопротивления к на уровне ЮМО5 Нс/м {)щ=\ кг; от=0,05 кг; т-£=\ кг).

а) 6)

я

Рисунок 9 - Графики зависимостей:

а) - перемещения бойка от времени (^=1 кг, /я=0,05 кг; т^ 1 кг, Я=0,6; к=\01 Н-с/м);

б) - роста величины заглубления инсрумента в породу х^хо (хд- перемещение инструмента в породе в отсутствии бойка, - перемещение инструмента в породе

при использовании бойка) от коэффициента сопротивления породы к при различных коэффициентах восстановления Я в системе «поршень-боек-шструмеш»: 1 -0,7;

2-0,6

В рассматриваемой виброударной системе движения бойка представляют собой высокочастотный колебательный процесс (рисунок 9, а). Эти колебания порождают соответствующие высокочастотные волновые процессы в штанге с возможным возбуждением соответствующих резонансов. Вследствие наличия сложных граничных условий на конце штанги, в ней возбуждаются продольные волны, которые приводят к более активному разрушению породы при «дребезге».

Необходимо отметить, что в данных условиях соударяющиеся тела существенно различаются по массе, а коэффициент восстановления может отличаться от часто принимаемого для сталей /?=0,6.

Из рисунка 9, б видно, что в среднем при коэффициенте восстановле-

ния /?=0,6-Ю,7 и коэффициенте сопротивления породы А-Ю^-ЧО5 Н-с/м эффективность «дребезга», а именно превышение величины заглубления инструмента трехмассовой ударной системы к двухмассовой составляет порядка 30 %.

При исследовании закономерностей разрушения горных пород ударом в качестве критерия часто принимают объем воронки вышла при единичном воздействии рабочего инструмента. На рисунке 10, б представлены лунки вышла, образованные после воздействия стандартной двухмассовой ударной системой и трехмассовой ударной системой «поршень-боек-инструмент» на образец глины. Скорость поршня-ударника в обоих случаях была одинакова. На рисунке 10, б можно видеть, что края воронки имеют рваные очертания, у ударной системы «поршень-боек-инструмент» это ярш выражено.

Измерения диагоналей зоны внедрения в образцы кембрийской глины показывают, что площадь разрушенного участка глины поршнем-ударником через боек в среднем, по результатам десяти замеров, превышает на 30 % площадь разрушенного участка только поршнем-ударником. Кроме того, измерения показали увеличение глубины внедрения пики на величину около 15 %, что подтверждает значения коэффициента к? (величины прироста заглубления инструмента в породу) на уровне 30 %, полученный в результате расчета математической модели (рисунок 8) для случая воздействия через боек.

Таким образом, в рассматриваемой трехмассовой виброударной модели ударника движения бойка представляют собой высокочастотный колебательный процесс, в котором происходит более эффективная передача импульса от поршня инструменту через боек за счет снижения импульса отскочившего от инструмента поршня, что фактически приводит к тому, что за каждый цикл этих колебаний происходит передача дополнительного импульса от поршня инструменту. Суммарный импульс (и соответственно перемещение инструмента в породе) при этом оказывается большим, чем импульс, передаваемый в конструкции ударника без бойка.

Анализ проведенных исследований подтверждает возможность создания высшэффекгивной ударной системы. Теоретические исследования и предпосылки расчетных схем, заложенные при моделировании подтверждаются экспериментальными исследованиями, выполненными на стенде рисунок 10, а. На рисунке 10, в и 10, г показана в сравнении форма единичного импульса трехмассовой ударной системой и стандартной двухмассовой. Следуя гипотезе профессора Мещерякова Ю.И. о первоочередном вли-

янии на интенсивность разрушения пород формы переднего фронта ударного импульса, показано, что в трехмассовой уцарной системе «поршень-боек-инструменг» интенсивность передних фронтов ударного импульса на 15+30 % превышает этот параметр стандартной двухмассовой уцарной системы. На этих рисунках показано, что суммарная длина переднего фронта ударного импульса (выделена жирно), состоящая из суммы фронтов подим-пульсов превышает длину переднего фронта ударного импульса стандартной системы. На рисунке 10, в видно, что форма ударного импульса трехмассовой системы существенно отличается от стандартной двухмассовой, как по площади, так и по длительности, причем изменяя параметры уцарной системы, могут быть изменены характеристики ее ударного импульса.

На рисунке 11 показан один из вариантов, предложенных по результатам исследований, компоновки ударника, в котором боек является элементом хвостовика и удерживается в предуцарном исходном положении за счет, например, электромагнитных сил соленоидной катушки или постоянного магнита, встроенного в корпус уцарника.

Рисунок 11 - Конструкция трехмассовой ударной системы «поршень-боек-

инструмент»

Как показывают расчеты экономической эффективности, разработанные исполнительные органы проходческих гомплексов режущего и ударного типа позволят в сравнении с проходкой забоев вручную не менее чем в 2 раза уменьшить время цикла за счет устранения времени на крепление забоя и снижения времени на отбойку породы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой научно-квалификационную работу, содержится решение задачи по обоснованию рациональных параметров исполнительных органов проходческого комплекса облегченного типа для проведения вспомогательных выработок на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов взаимодействия

режущих и ударных породоразрушающих инструментов с массивом кембрийских глин, с использованием предложенных математических моделей и методик, что имеет существенное значение для совершенствования теории проходческих машин и для повышения эффективности горнопроходческих предприятий.

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем:

1. Установлена зависимость коэффициента сопротивляемости глин резанию от скорости резания и глубины внедрения резца;

2. Разработана математическая модель процесса разрушения массива кембрийских глин резцом типа ШБМ и эталонным резцом, позволяющая моделировать разрушение глин резанием с учетом шага резания, величины заглубления резца и скорости резания;

3. Теоретически и экспериментально установлено, что энергоемкость разрушения кембрийской глины резцом типа ШБМ с трапециевидной режущей кромкой в функции заглубления резца в породу к описывается параболой, имеющей минимум в диапазоне 0,9-1,4 кВт-ч/м3;

4. Теоретически установлено (на основе компьютерного моделирования в среде процесса резания глины резцом типа ШБМ), что рациональная схема резания исполнительным органом проходческого комплекса должна выбираться исходя из условия соотношения шага резания г и величины заглубления к г - 0,06/г2 - 2,18/г + 44,6;

5. Разработана математическая модель процесса взаимодействия элементов ударной системы для расчета параметров ударного исполнительного органа, выполненного по системе «поршень-боек-инструмент», основанного на «дребезге» бойка; на основе экспериментальных исследований ударных систем «поршень-боек-инструмент» установлено превышение заглубления породоразру-шающего инструмента в глину на 15 % в сравнении со стандартной ударной системой;

6. Экспериментально доказано, что эффективность разрушения глин повышается не менее чем на 15 % при использовании ударников, основанных на системе «поршень-боек-инструмент», увеличением интенсивности ударного импульса наращиванием суммарной зоны переднего фронта ударного импульса в системе при замене стандартного единичного «колоколообразного» импульса

последовательностью импульсов высокой частоты и малой продолжительности;

7. Разработаны методики проведения экспериментальных исследований и стенды для исследования процессов ударного и режущего взаимодействия породоразрушающего инструмента с глиной;

8. Разработан комплекс для проходки вспомогательных выработок с планшайбой и ударником согласно патенту № 2498071, а схема транспортирования отбитой породы может быть выполнена согласно патенту № 2482276;

9. Применение проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок и станционных тоннелей со съемной планшайбой и гидродомкратами подачи в сравнении с проходкой отбойными молотками позволит получить годовой экономический эффект в размере 1,2 млн. руб. в год на один комплекс;

10. Рекомендации по компоновке исполнительных органов комплекса для проходки вспомогательных выработок и методика расчета породоразрушающих инструментов приняты к внедрению ЗАО «МЕТРОКОН»;

11. Результаты работы рекомендованы к использованию в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» и инженеров по направлению 130400 «Горное дело» специализации «Горные машины и оборудование».

Основное содержание диссертащт опубликовано в следующих работах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Юнгмейстер, Д.А. Анализ использования проходческого комбайна в составе комплекса КПШ-6 в условиях шахт ОАО «Мет-рострой» (Санкт-Петербург) / Д.А. Юнгмейстер, A.B. Иванов, С.А. Лавренко // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. -№ 3. - С. 14-20.

2. Юнгмейстер, Д.А. Использование погрузочно-доставочных машин на шахтах Метростроя / Д.А. Юнгмейстер, С.А. Лавренко, А.И. Исаев, A.B. Иванов // Горное оборудование и электромеханика. -2012,-№9. -С. 2-7.

3. Соколова, Г.В. Разработка погрузочных устройств с лапами активного действия / Г.В. Соколова, М.А. Васильева, М.Ю. Непран,

С.А. Лавренко // Записки Горного института. - 2012. - т. 196. - С. 266-270.

4. Пивнев, В.А. Модернизация конструкции перфоратора ПП-54 для условий рудников ОАО «Апатит» / В.А. Пивнев, Д.А. Юнгмейстер, С.А. Лавренко, А.Э. Сабитов // Горная промышленность. - 2012. -№5. - С. 75-78.

5. Пивнев, В. А. Рудничные испытания модернизированного перфоратора ПП-54С2 / В.А. Пивнев, Д.А. Юнгмейстер, В.В. Макса-ров, М.Ю. Непран, С.А. Лавренко, А.И. Исаев, А.Э. Сабитов // Горное оборудование и электромеханика. - 2013. - № 11. - С. 23-27.

6. Патент 2482276 Российская Федерация, МПК Е2Ш9/00. Комплекс для проходки выработки метрополитена круглого поперечного сечения / Тарасов Ю.Д., Кузьмин А.О., Лавренко С.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - №2012123033/03; заявл. 04.06.2012; Опубл. 20.05.2013, Бюл. № 14 - 6 с.

7. Патент 2498071 Российская Федерация, МПК Е2Ю9/11. Комплекс для проведения коротких выработок с тюбинговой крепью / Юнгмейстер Д.А., Соколова Г.В., Лавренко С.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - №2012123029/03; заявл. 04.06.2012; Опубл. 10.11.2013, Бюл. № 31 - 17 с.

РИЦ Горного университета. 23.04.2014. 3.342. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

04201459799 Г

ЛАВРЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН

Специальность 05.05.06 - Горные машины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., профессор Юнгмейстер Д.А.

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОХОДЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРО В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН.........................................10

1.1 Горно-геологические условия. Анализ массива кембрийских глин как объекта разрушения..........................................................................................11

1.2 Анализ способов проведения выработок в условиях ОАО «Метрострой» Санкт-Петербург......................................................................14

1.3 Анализ тоннелепроходческой техники.....................................................18

1.3.1 Щитовые проходческие комплексы.......................................................18

1.3.2 Комбайны избирательного действия......................................................24

1.3.3 Комбайны с ударными исполнительными органами...........................25

1.4 Анализ конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента проходческих комплексов.........................................................31

1.5 Анализ методик расчета сил резания на резцах.......................................33

1.6 Анализ влияния скорости приложения нагрузки на разрушение породЗб

1.7 Анализ методик расчета ударных исполнительных органов.................40

1.8 Выводы по главе 1.......................................................................................43

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ МАССИВА КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН РЕЗАНИЕМ И УДАРОМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОРГАНАМИ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА....................................................................................................45

2.1 Анализ критериев прочности горных пород.........................................47

2.2 Анализ процесса резания горных пород...................................................49

2.3 Компьютерное моделирование процесса резания кембрийских глин... 55

2.3.1 Методика обработки осциллограмм процесса резания........................65

2.3.2 Анализ осциллограмм процесса резания кембрийской глины эталонным резцом.............................................................................................66

2.3.3 Анализ осциллограмм процесса резания кембрийской глины резцом типа ШБМ..........................................................................................................71

2.4 Обоснование параметров ударника проходческого комплекса.............78

2.4.1 Динамика ударной системы «поршень-боек-инструмент» для жесткой штанги................................................................................................................81

2.4.2 Численный анализ процесса соударения элементов ударной системы «поршень-боек-инструмент»...........................................................................88

2.5 Требования, предъявляемые к стендовой установке для экспериментального исследования процесса разрушения кембрийской глины резанием..................................................................................................93

2.6 Выводы по главе 2.......................................................................................93

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОРГАНАМИ УДАРНОГО И РЕЖУЩЕГО ТИПА........................................95

3.1 Общие положения методики исследований.............................................96

3.2 Стенд для исследования процесса резания кембрийских глин..............96

3.3 Методика экспериментальных исследований процесса разрушения кембрийских глин резанием...........................................................................102

3.3.1 Исходные данные...................................................................................102

3.3.2 Последовательность проведения испытаний......................................102

3.4 Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения глин резанием..................................................................................................103

3.5 Экспериментальные исследования модели трехмассовой ударной системы.............................................................................................................113

3.5.1 Методика проведения испытаний трехмассовой ударной системы. 117

3.5.2 Аналитическая обработка осциллограмм ударных процессов.........118

3.6 Выводы по главе 3.....................................................................................124

ГЛАВА 4 ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАССИВА КЕМБРИЙСКИХ

ГЛИН РЕЗАНИЕМ И УДАРОМ....................................................................126

4 Л Конструкция проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок..........................................................................127

4.2 Конструкция и принцип работы щитового проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок..............................................133

4.3 Конструкция ударника исполнительного органа проходческого комплекса.........................................................................................................136

4.4 Методика расчета производительности и нагрузки на резцах при резании породного массива кембрийских глин...........................................137

4.4.1 Основы метода расчета нагруженности исполнительных органов .. 137

4.4.2 Методика расчета роторных исполнительных органов проходческих комплексов.......................................................................................................139

4.5 Расчет и анализ производительности проходческого комплекса........144

4.6 Алгоритм обоснования параметров ударных устройств......................147

4.7 Технико-экономическое обоснование целесообразности применения разработанного комплекса.............................................................................148

4.8 Выводы по главе 4.....................................................................................151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ А...........................................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЕ Б............................................................................................168

ПРИЛОЖЕНИЕ В...........................................................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ Г............................................................................................172

ПРИЛОЖЕНИЕ Д...........................................................................................173

ПРИЛОЖЕНИЕ Е............................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж..........................................................................................175

ВВЕДЕНИЕ

Сооружение метрополитена в условиях Санкт-Петербурга сопровождается строительством перегонных тоннелей и проходкой вспомогательных выработок, которые необходимы для соединения между собой камер строящихся подземных станций, в том числе для соединения с вертикальным стволом, по которым осуществляется как откатка отбитой горной породы для выдачи ее на поверхность, так и доставка материалов и тюбингов для строительства станций. При этом на 1 км перегонного тоннеля приходится, по экспертным оценкам, не менее 1 км вспомогательных выработок (подходные тоннели, выработки околоствольного двора, транспортные и вспомогательные ходки, тупиковые выработки и др.).

Шахты Санкт-Петербургского Метростроя располагаются в основном на глубине 40-70 м. Разрабатываемый забой кембрийских глин весьма различен по своему составу: сухая глина; глина с включениями известняка, закварцованного известняка; глина с содержанием воды и глина с включениями гравия.

Объемы работ по сооружению вспомогательных выработок в настоящее время увеличиваются, и с развитием городского метро будут расти, но эффективность проведения таких выработок в настоящее время низкая, так как ее осуществляют с применением отбойных молотков и креплением выработанного пространства досками и металлической сеткой, что является сдерживающим фактором на пути повышения общей интенсивности строительства метро.

Основной причиной необходимости создания новых типов машин является невозможность эффективного использования известных средств проходки вспомогательных выработок и станционных тоннелей в условиях шахт ОАО «Метрострой» (щиты и комплексы бурового действия), что связано с проведением монтажных и демонтажных камер, превышающих зачастую протяженность самой выработки.

Таким образом, чтобы повысить интенсивность проходки вспомогательных выработок необходимо создать технические средства разработки забоя, которые обеспечивали бы оптимальные параметры работы исполнительного органа. Для этого необходимо теоретически обосновать способ обработки забоя и параметры исполнительного органа для его разрушения.

Цель работы: обоснование параметров исполнительных органов комплекса с режущими и ударными элементами для проведения вспомогательных выработок метро на основе установления закономерностей взаимодействия их с массивом кембрийских глин, в том числе с твердыми включениями, обеспечивающими оптимальную производительность и минимальные удельные энергозатраты на разрушение породы.

Идея работы заключается в том, что обоснование оптимальных параметров исполнительных органов проходческого комплекса достигается совместным выбором параметров режущего и ударного инструмента и их взаимной компоновкой с учетом поочередной работы по разработке забоя.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ теорий разрушения горных пород резанием и ударом, компьютерное моделирование процесса разрушения глин резанием и ударом, экспериментальные исследования процесса резания и ударного разрушения кембрийских глин на лабораторных стендах, а также спектральный анализ осциллограмм процесса резания кембрийских глин.

Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует специальности 05.05.06 - Горные машины, ее формуле, а также пунктам «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы машин и оборудования и их элементов» и «Обоснование и выбор конструктивных и схемных решений машин и оборудования во взаимосвязи с

горнотехническими условиями, эргономическими и экологическими требованиями» области исследования.

Научная новизна работы. Установлена зависимость коэффициента сопротивляемости глин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса разрушения массива кембрийских глин резанием роторными исполнительными органами проходческих комплексов с учетом зависимости коэффициента сопротивляемости глин резанию от скорости резания при различных заглублениях резца; разработана математическая модель процесса взаимодействия элементов ударной системы для расчета параметров ударного исполнительного органа, выполненного по системе «поршень-боек-инструмент», основанного на «дребезге» бойка; на основе экспериментальных исследований ударных систем «поршень-боек-инструмент» установлены их рациональные параметры для создания исполнительного органа проходческого комплекса ударного действия повышенной эффективности.

Защищаемые научные положения:

1. Теоретически установлен и экспериментально подтвержден

параболический характер зависимости изменения удельной энергоемкости

разрушения кембрийской глины резцом типа ТТТБМ от величины

заглубления к при скорости резания Ур в диапазоне 0<Кр<1,33 м/с, причем

минимальное значение удельной энергоемкости находится в пределах 0,9-5

1,4 кВт ч/м и соответствует величине заглубления к=\5 мм.

2. Для разрушения кембрийских глин с твердыми включениями на исполнительном органе проходческого комплекса наиболее рационально применять трехмассовые ударные механизмы, обеспечивающие повышение эффективности разрушения кембрийских глин наращиванием суммарной зоны переднего фронта ударного импульса реализацией в инструменте семейства подимпульсов высокой интенсивности и малой продолжительности, увеличивающих заглубление инструмента в породу на

15% по сравнению со стандартной двухмассовой ударной системой.

Практическая значимость работы:

1. Разработан и изготовлен лабораторный стенд для исследования процесса резания кембрийской глины полноразмерным одиночным резцом.

2. Разработана конструкция ударной системы «поршень-боек-инструмент» исполнительного органа комплекса для проходки вспомогательных выработок метро и создан на ее основе лабораторный стенд для исследования протекающих в ней волновых процессов.

3. Разработаны рекомендации для выбора оптимальных параметров исполнительного органа проходческого комплекса и уточнена методика расчета сил резания на резцах.

4. Предложены конструкции: проходческого комплекса для проведения коротких выработок с тюбинговой крепью (патент № 2498071), комплекса для проходки выработки метрополитена круглого поперечного сечения (патент №2482276) и щитового проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок, а также конструкции трехмассовых ударных исполнительных органов.

Личный вклад автора. Произведен анализ основных теоретических представлений о разрушении горных пород резанием и ударом. Сформулированы цель, задачи исследований и научные положения. Исследован на основе компьютерного моделирования в среде ANSYS Workbench процесс взаимодействия резца с моделью кембрийской глины, а также ударные процессы в трехмассовых системах малогабаритных ударников. Спроектированы и изготовлены лабораторные стенды, проведены экспериментальные исследования процессов резания одиночным резцом образцов глины, а также процессов формирования ударного импульса в системах «поршень-боек-инструмент». Предложены конструкции трех проходческих комплексов и ударника повышенной эффективности, а также методики их расчетов.

Апробация работы: Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2011 г.); международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута 2011, 2012, 2013 г.); 64-ой международной научной конференции во Фрайбергской горной академии (г. Фрайберг, Германия, 2012 г.); международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2013 г.); международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Минск, Беларусь, 2013 г.); ежегодном научном симпозиуме «Неделя горняка » (г. Москва, 2013, 2014 г.), ), межкафедральных семинарах Механического факультета Горного университета (2011-2014 г.).

Результаты исследований использовались в НИОКР: «Разработка новых образцов бурового оборудования с пониженным уровнем вибрации» для ОАО «Апатит»; «Разработка новых ударных систем буровой техники на открытых и подземных работах для повышения производительности и ресурса» для ОАО «Апатит»; «Разработка конструкции перфоратора с ударной системой «поршень-боек-штанга» для Группы предприятий Западно-Уральского машиностроительного концерна.

Результаты исследований приняты к внедрению ЗАО «МЕТРОКОН».

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 19 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, получено два патента РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, 7 приложений на 15 страницах, общим объемом 181 страница печатного текста, содержит 14 таблиц и 109 рисунков, список литературы из 113 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОХОДЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МЕТРО В УСЛОВИЯХ КЕМБРИЙСКИХ ГЛИН

Инженерно-геологические и гидрологические условия Санкт-Петербурга характеризуются большой неоднородностью и относительной сложностью, которую необходимо учитывать при освоении и использовании подземного пространства города, в том числе при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных транспортных сооружений.

Основная часть тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена пройдена в верхнекотлинских и нижнекембрийских глинах.

Верхнекотлинские глины представляют собой плотные (плотность 2170-2240 кг/м3) твердые алевритовые тонкослоистые разности зеленовато-серого цвета с редкими прослоями песчаников, часто с бурыми пленками органического вещества (остатки водорослей Laminaria) на плоскостях напластования (рисунок 1.1). Слоистость обычно горизонтальна, вблизи контакта с четвертичными отложениями искажена.

Рисунок 1.1— Характер слоистости глин в выработках метрополитена Нижнекембрийские глины отличаются от верхнекотлинских как по внешнему виду, так и по составу, состоянию и физико-механическим свойствам. Нижнекембрийские глины имеют синевато-серый цвет, поэтому получили название «синие» глины. Они характеризуются как алевритовые неяснослоистые (в отличие от верхнекотлинских глин)

разности, содержат сульфиды (пирит) и органические соединения до 4%. По физическому состоянию нижнекембрийские глины более влажные и пластичные, чем верхнекотлинс