Проблемы шахтного подъема и горной техники с гибкими тягово-несущими элементами

Такой тематический акцент имела состоявшаяся в г. Одессе (Украина) 5-я Международная конференция, организованная Международной Ассоциацией Исследователей Стальных канатов (МАИСК). Партнерами-организаторами были Национальный комитет по теоретической и прикладной механике Украины, Институт механики им. С.П. Тимошенко НАН Украины, Минуглепром Украины, Государственный Макеевский институт по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ), Научно-исследовательский институт горной механики им. М.М. Федорова (НИИГМ) и Объединение Укрметиз. В работе конференции приняли участие представители 36 предприятий и институтов Украины, России, Казахстана, Молдовы и Германии. Заслушаны и обсуждены 29 докладов, проведен круглый стол на тему «Стальные канаты для горной промышленности - проблемы и решения».

Учитывая актуальность проблемы и практическую важность рассмотренных аспектов для работников горнодобывающих предприятий не только Украины, но и России и некоторых стран СНГ, в настоящем выпуске журнала представлен отчет участника конференции М.Н.Котровского. Журнал намерен опубликовать статьи по практически наиболее интересным докладам, заслушанным на конференции (первая из них о результатах работы института МакНИИ по продлению срока службы подъемных шахтных канатов на основе неразрушающих методов контроля, опубликована в №3/2006).

В приветственном слове к участникам конференции Президент МАИСК д.т.н. В.И. Бережинский отметил, что конференция приурочена к 100-летию академика Гурия Николаевича Савина - научного руководителя конференций и симпозиумов СССР по теории и практике расчета и изготовления стальных канатов для различных отраслей промышленности, первая из которых состоялась в 1963 году. О.А. Горошко, д.ф-м.н., проф. Киевского Национального университета подчеркнул основополагающую роль акад. Г.Н. Савина в становлении и развитии динамической теории расчета подъемных канатов. Отметил, что одним из главных практических достижений акад. Г.Н. Савина стали обоснованные в 1942 г. нормативные сроки службы шахтных и прочих индустриальных канатов на основе минимальных запасов их прочности. Эти нормативы до сих пор сохраняют свое практическое значение. Г.Н. Савиным совместно с М.Ф. Глушко разработана методика расчета продольной прочности каната с учетом углов свивки прядей и проволок в канате.

О современном состоянии эксплуатации канатов на угольных шахтах Украины рассказал гл. механик Минуглепрома Украины А.В. Рубель. Отметив, что в системе воссозданного в ноябре 2005 г. Министерства угольной промышленности Украины работает 164 шахты, 141 из которых имеет статус государственного предприятия (всего в отрасли эксплуатируется более 1200 подъемных шахтных установок) с сожалением констатировал, что к одной из устойчивых и неприятных тенденций последнего 10-летия их эксплуатации становится рост аварийности и травматизма, в т.ч. на шахтном подъеме. И причины тому - несоблюдение правил эксплуатации, с одной стороны, и низкое качество подъемных канатов, с другой стороны. Напомнил, что еще в 1995 г. были предприняты попытки создать в Украине канаты, по эксплуатационным характеристикам не уступающие зарубежным. Однако разработанные технические условия на канаты не обеспечивали требований стандарта DIN, а сравнения с работавшими на шахтах канатами фирмы Tyssen (Германия) показали, что малые надежность и сроки службы украинских канатов объясняются низким качеством по всем процессам их изготовления, начиная от процесса смазки, до процесса оцинкования проволок и свивки. Вот почему канаты Одесского завода работают на подъемных установках по 11.5 месяцев, в то время как зарубежные в этих же условиях служат по 3.5-6 лет, а уравновешивающие - по 11 лет.

Практика работы украинских угольных шахт свидетельствует, что на сегодня самая назревшая проблема, требующая незамедлительного решения - разработка конструкций и налаживание выпуска канатов в Украине для глубоких (>900 м) шахт. Отсутствие таких канатов приводит к необходимости импортных закупок. По оценкам специалистов Министерства увеличение сроков эксплуатации канатов подъемных шахтных установок позволит обеспечить экономический эффект не менее 2 млн. долл. США в год. В заключение отметил, что в целях повышения безопасности и экономичности эксплуатации подъемных установок необходимо широко использовать приборы неразрушающего контроля канатов, наилучшими из которых считает дефектоскопы фирмы «Интрон Плюс», которые давно эксплуатируются в Кривбассе.

Освещению важнейших аспектов использования приборов неразрушающего контроля канатов был посвящен доклад к.т.н. А.С. Мироненко (фирма «Интрон Плюс»). В докладе подробно изложены технологические особенности и экономические результаты использования этого метода на предприятиях России и стран СНГ. Приборы «Интрос», изготовленные этой фирмой, с 1995 г. широко применяются на рудниках ГМК «Норильский Никель», где с их помощью осуществляется постоянный контроль подъемных канатов в стволах глубиной от 300 м до 1800 м (всего ~270 канатов длиной 300 км). В докладе приведены цифры высокого экономического эффекта от своевременного предупреждения аварий канатов и увеличения сроков их эксплуатации, обоснованного с помощью приборов «Интрос».

О теоретических исследованиях в области разработки канатов специальной конструкции и практических результатах их внедрения рассказал Исполняющий директор МАИСК, директор НПП «ВИРА-СЕРВИС Плюс», д.т.н., проф, В.А. Малиновский. Он сообщил, что сегодня на шахтном подъеме используются канаты, изготавливаемые по стандартам общепромышленного назначения, охватывающего все сферы от лифтовых до судовых и нефтегазовых отраслей. Кардинальное решение задачи по существенному повышению эксплуатационной долговечности, в частности шахтного подъема, возможно только при использовании специально разработанных канатов. В докладе (в соавторстве с Н.С. Тарнавской) «Адаптированные подъемные канаты» содержалась информация о новом направлении в проектировании шахтных подъемных канатов, а также анализ характера нагрузок на подъемные канаты. Вместе с тем, приведены меры по нейтрализации раскучивающих усилий в канате, рассказано о новой конструкции канатов Одесского завода и первых результатах их успешной эксплуатации.

Докладчик показал, в частности, что масса каната находящегося под действием вертикальной навески груза (клеть, скип) в шахтах глубиной 500 м и более, становится соизмеримой с весом поднимаемого груза. При его работе верхняя половина каната обычной конструкции раскручивается в одну сторону, нижняя - в другую, таким образом, в нижней половине длины канат сжимается, укорачиваясь, а в верхней - растягивается, удлиняясь. Характерным свидетельством такого проявления нагрузок являются выпучивание сердечника в нижней половине каната и его растягивание (сжатие) в верхней половине. Чтобы избавить подъемные канаты от такого воздействия нагрузок на сегодня известны три способа: 1 - использовать так называемые «некрутящиеся» канаты (вместо шестипрядных); 2 - применять канаты односторонней свивки (опыт ЮАР); 3 -применять канаты с переменным шагом свивки (запатентованы специалистами Германии в 1986 г.).

Докладчик сообщил, что инженеры завода «Стальканат» (г. Одесса) независимо от немецких специалистов в этот же период создали канат с переменным шагом свивки для глубоких шахт Криворожья. В то же время была разработана методика расчета шага свивки, идея которой заключалась в изменении шага свивки в верхней и нижней частях каната на 30%, затем организовано производство 8-прядных (без центральной пряди) канатов. Вскоре конструкция каната была усовершенствована, и он был «разбит» на 4 участка: верхний (на барабане) был без измененного шага, а на трех участках шаг укорачивался ступенчато на 7-8%. Канаты новой конструкции бессменно в течение трех лет работают на клетевых подъемах, по 11-12 месяцев - на скиповых.

Практика использования таких канатов подтвердила, что адаптированные канаты (даже изменением шага свивки) имеют существенно более высокую эксплуатационную долговечность в вертикальном шахтном подъеме. Канаты с переменным шагом навивки для барабанных подъемных установок, в настоящее время производятся по заказам предприятий на заводе «Стальканат». Конструкторы и изготовители уверены, что эти канаты могут служить гораздо дольше, если не допускать механических повреждений проволок.

Ряд докладов был посвящен вопросам технологии надзора за состоянием стволового оборудования и канатов шахтных подъемных установок.

Об опыте более 10-летнего использования программно-аппаратного комплекса «ТЕХНО-МАК» на рудных шахтах Украины рассказал к.ф-м.н. С.А. Ильин (ИГТМ НАНУ). С помощью аппаратуры МАК II и МАК III специалисты института ведут мониторинг и диагностику армировки и крепи шахтных стволов, измеряют скорости движения транспортного сосуда в стволе и остаточную толщину проводников и расстрелов. В конечном итоге эти измерения позволяют сделать оценку запаса прочности элементов шахтного ствола и рекомендовать допустимые режимы эксплуатации подъема (до проведения очередного ремонта). Кроме того, измерения позволяют определить источники повышенного динамического воздействия и потенциально опасные участки шахтного подъема, на основе полученных данных рекомендуются меры по их устранению или согласованию.

За 10-летний период специалисты ИГТМ НАНУ провели более 100 шахтных испытаний.

Анализу опыта и оценке экономической эффективности применения неразрушающих методов контроля с помощью измерительных приборов ИИСК-5 шахтных канатов на угольных шахтах Украины был посвящен доклад группы специалистов МакНИИ во главе с Президентом МАИСК д.т.н. В.И.Бережинским. (На основе этого доклада авторами подготовлена статья, опубликованная в журнале «Горная Промышленность», №3/2006).

Благодаря постоянному приборному контролю сроки службы шахтных канатов удалось увеличить в 2-2.5 раза по сравнению с установленными ПБ нормативами. Докладчик подчеркнул, что применение приборов неразрушающего контроля подъемных канатов в Украине позволило практически ликвидировать понятие «нормативный срок службы канатов». Все канаты теперь заменяются по достижении ими допустимого уровня износа (потери сечения и количеству обрывов проволок). На базе накопленного материала исследований разработана классификация динамических нагрузок в зависимости от скорости движения транспортного сосуда в стволе, выделили основные типы динамических нагрузок и рекомендовали меры по их нейтрализации.

Аналогичные исследования параметров шахтного подъема проводятся научными сотрудниками кафедры горных и нефтепромысловых машин (Пермский ГТУ) под руководством к.т.н. Г.Д.Трифанова. Разработанные ими методики и аппаратура в течение 5-7 лет широко используется на предприятиях концернов «Уралкалий», «Сильвинит», а также в Казахстане, Алтае и Южном Урале. По ряду признаков и данных, зарегистрированных на диаграммах-циклограммах с большой точностью прогнозируется возникновение аварий в стволе.

Довольно значительный блок докладов и сообщений был посвящен анализу качественных показателей канатов и характеристик катанки для их производства, сравнению стандартов на шахтные канаты Украины и Германии, вопросам конструирования канатов для горной промышленности на российских («Белореченский МК», «Северсталь-Метиз») и украинских (ОАО «Силур», «Стальканат») заводах, а также особенностям применения канатных смазок при изготовлении канатов («Пермский завод смазок и «СОЖ-РОВЕЛ»). Представители канатных заводов рассказали о но-

вых видах продукции для горной промышленности. Так «Силур» выпускает шахтные оцинкованные, некрутящиеся плоские канаты диаметром до 54 мм, Белорецкий МЗ наладил выпуск улучшенных канатов специальной конструкции для экскаваторов-драглайнов, срок службы которых в 1.5-1.6 раза больше, чем ранее выпущенных этим и другими заводами. Завод «Стальканат» освоил выпуск «шахтных подъемных канатов взамен импортных для КЖРК и 8-прядных канатов для драглайнов, срок эксплуатации которых в 1.6 и в 2.0 раза больше (соответственно, на подъеме и тяге экскаватора), что подтверждено практикой эксплуатации на Орджоникидзевском ГОКе.

Результаты теоретических исследований различных аспектов проектирования и применения стальных канатов в различных отраслях промышленности содержались в докладах второго дня работы конференции.

О широте охвата теоретических проблем конструирования и эксплуатации стальных канатов, исследуемых в университетах, НИИ и исследовательских центрах фирм Украины, говорит тематика докладов. Например, три формы уравнений динамики реологических канатов (О.А. Горош-ко, Н.П. Пучко - КНУ им. Т. Шевченко); продольные колебания отвеса каната с закрепленными на нем грузами по стандартной схеме метода Фурье (д.т.н. В.И. Бережинский и др., МакНИИ); динамика подъемного каната с переменным шагом свивки (д.ф-м.н. И.Ф. Шумлянский, д.т.н. В.А. Малиновский, ОНПУ, НПП «ВИРА-СЕРВИС Плюс»); влияние изгибной жесткости каната на его взаимодействие с огибаемой поверхностью большой кривизны (д.т.н. В.И. Бережинский, инж. А.Н. Ярошенко, МакНИИ); изгиб каната в зоне навивки на барабан, несущая способность стальных канатов при растяжении переменной нагрузкой (д.т.н. И.М. Чаюн, ОНПУ); выбор стальных канатов для подвесных канатных дорог и влияние упругой деформации и податливости опор на состояние несущих канатов ПКД (д.т.н. М.Г. Адамовский, М.П. Мартынцев и др., УНЛТУ) и другие.

Актуальность и практическая значимость обсуждаемых на конференции вопросов собрали ведущих и главных специалистов механических служб 22-х угольных шахт и подземных рудников Украины, Казахстана и России. С их активным участием проходила дискуссия за круглым столом, красной нитью которой стал анализ случаев аварий подъема на шахтах, их причины, реакция на них заводов-производителей канатов и меры по предотвращению таких аварий в будущем. Рассмотрены конкретные случаи с канатами Одесского и Харцизского заводов, дан анализ причин и заслушаны объяснения и мнения представителей этих заводов. Дискуссия подтвердила, что одной из частых причин аварий канатных шахтных подъемов является низкое качество их оцинкования. Рекомендованные в свое время НИИ ГМ им. Федорова меры по улучшению технологии оцинкования и по применению новых фильеров для протяжки катанки, тем не менее, после их внедрения не привели к ожидаемому улучшению качества канатов. По мнению специалистов этого НИИ и канатного завода без модернизации технологии свивки канатов (за счет приобретения новой машины) и использования катанки только высокого качества не удастся кардинально поднять качество канатов до требуемого шахтерами уровня. А пока в сложившихся условиях в практике расследования причин аварий часто достигается «компромисс» изготовителей и потребителей канатов, в результате которого количество аварий и экономические потери шахт не уменьшаются... Выступившие представители шахт и рудников рекомендовали Одесскому, Харцизскому и др. канатным заводам создать службу по обязательному входному неразрушающему контролю используемой катанки и выходному контролю выпускаемой продукции. (На сегодня же выходной контроль продукции Одесский завод готов осуществлять по желанию заказчика канатов).

Представители шахт Сухая Балка, КРЖРК сообщили о резком повышении надежности контроля канатов и снижении аварийности подъема благодаря использованию приборов неразрушающего контроля канатов «Интрон Плюс». Здесь же были высказаны пожелания об улучшении конструкции таких приборов в части повышения точности определения числа обрывов проволок в сечении каната. По сообщению «Интрон Плюс» приборы неразрушающего контроля, кроме Одесского завода, закупили заводы Германии и Англии для осуществления выходного контроля производимых канатов.

Представитель завода «Стальканат» сообщил о переходе к использованию высококачественной катанки Макеевского меткомбината, а также о начале выпуска обжимных (плоских) канатов, которые, как минимум, в 1.5 раза дольше служат, чем круглые.

Вниманию участников конференции был представлен доклад доктора Isabel Ridge, представителя фирмы CASAR (Германия), об опыте использования канатов этой фирмы на шахтных подъемных установках Австралии. В докладе отмечено, что срок эксплуатации подъемных канатов CASAR составляет 58-59 месяцев, и заменяются они превентивно после проявления первых признаков износа.

ГОСТы на канаты для промышленности, эксплуатационное качество, цены, и сроки службы канатов в шахтном подъеме стали «горячей» темой заседания круглого стола.

Представители заводов, производящих канаты, докладывали о строгом соблюдении требований ГОСТов, а представители шахт предъявляли претензии к качеству канатов, обуславливающим малые сроки их службы по сравнению с зарубежными аналогами. Дискуссия обострила сложившуюся парадоксальную ситуацию, когда изготовитель выдерживает требования действующих ГОСТов на канаты, а потребитель остается недовольным их качеством и заявляют, что «дальше так жить нельзя...» Одну из причин, порождающих эту ситуацию, назвал исполняющий директор МАИСК, д.т.н. В.А. Малиновский: «Если для западных заводов-изготовителей канатов требования германских стандартов DIN 3078 и DIN 7372 являются нижним пределом, то для заводов стран СНГ требования ГОСТ 3241 и ГОСТ 7372 являются практически высшей отметкой качества выпускаемых канатов». Сам собой напрашивается вывод, что действующие ГОСТы не стимулируют заводы-изготовители к совершенствованию конструкции и налаживанию выпуска современных канатов и, по существу, способствуют консервации технической отсталости в этом важном секторе техники. Кроме того, в дискуссиях круглого стола просматривалось в общем-то понятное, и давно устоявшееся стремление потребностей получать канаты мирового уровня качества за традиционные и привычно доступные, если не сказать небольшие, цены. Но мировая практика опровергает реальную достижимость такой цели. И в этом лишний раз убеждал доклад представителя фирмы CASAR, из ответа которого на «жгучий» вопрос о стоимости их канатов можно было понять, что она (стоимость) прямо пропорциональна их стойкости (сроку эксплуатации).

По окончанию рабочих сессий конференции участники

посетили Одесский завод «Стальканат», специалисты которого ознакомили с технологией производства канатов и рассказали о программе модернизации технологических процессов.

В результате дискуссий и обсуждения проблемы конференция приняла решения, главные из которых:

1.    Отметить, что качество канатов, изготовленных в странах СНГ, остается на низком уровне и не отвечает современным запросам потребителей угольной и горнорудной отраслей промышленности. И главная причина - канаты для шахтного подъема производятся в основном по техническим требованиям ГОСТ 3241 и сортаментным стандартам на канаты общепромышленного назначения из основного сырья - проволоки стальной канатной по ГОСТ 7372, также предназначенной для канатов общепромышленного назначения.

2.    Рекомендовать органам стандартизации разработать и ввести в действие ТУ, а затем специальные стандарты на катанку стальную канатную, проволоку стальную канатную и канаты стальные для шахтного подъема, предусматривающие повышенные технические требования на эти виды продукции на уровне германских стандартов DIN 3078 и DIN 21254 или близком к ним.

3.    Рекомендовать сталепроволочно-канатным заводам и предприятиям горной промышленности провести широкую промышленную апробацию стальных канатов прогрессивных типов и конструкций: канатов с переменным шагом свивки (адаптированных) для шахтных подъемов с глубинами стволов более 1000 м; канатов с полимерной оболочкой металлического сердечника в качестве шахтных подъемных и экскаваторных; канатов из пластически обжатых прядей (типа ПК) для шахтного наклонного подъема; подъемных канатов производства фирмы CASAR (Германия).

4.    Отметить перспективность работ по созданию, совершенствованию и внедрению средств неразрушающего контроля канатов и диагностированию оборудования шахтных подъемных установок, проводимых ИГТМ НАНУ, ООО «Региональный Канатный Центр» (г. Пермь), МакНИИ, ООО «Интрон Плюс».

5.    Рекомендовать заводам-изготовителям рассмотреть целесообразность введения приборного контроля при изготовлении шахтных подъемных канатов с помощью аппаратуры неразрушающего контроля.

Вместе с тем, конференция отметила актуальность и перспективность исследований в области динамики шахтных подъемных канатов, проводимых в Киевском национальном университете им. Т.Г. Шевченко, ИГТМ НАН Украины, МакНИИ, Одесском национальном политехническом университете.

Оргкомитет конференции и МАИСК пригласили участников на конференцию 2007 г. и через наш журнал обращаются к специалистам российских шахт с надеждой увидеть их на предстоящей конференции в 2007 году, т.к. и для них эти проблемы актуальны.

М.Н. Котровский, горный инженер, ведущий научно-технический редактор журнала «Горная Промышленность»

Журнал "Горная Промышленность" №5 2006