Средства и методы инструментального контроля состояния оборудования шахтных стволов

В процессе эксплуатации параметры оборудования ствола под влиянием различных причин подвержены непрерывным изменениям.

При визуальном осмотре шахтного ствола с движущегося подъемного сосуда со скоростью 0,3 м/с можно выявить лишь грубые изменения геометрии оборудования, конечные остаточные деформации, большие зазоры. Скрытые дефекты оборудования ствола и износ проводников при этом выявить, как правило, практически невозможно. На смену субъективным визуальным методам проверки элементов оборудования ствола в последние десятилетия пришли объективные и сравнительно точные методы инструментального контроля, позволяющие получить большой объем информации о фактическом состоянии оборудования, геометрических отклонениях, и оперативно определить место его аварийного состояния в условиях действующих шахт.

При оперативном контроле определяется фактическое состояние оборудования шахтного ствола в условиях эксплуатации. Результаты инструментального контроля служат основанием для инженерного анализа технического состояния оборудования, определения величины износа рабочих поверхностей проводников, причин разрушения, расчетной нагрузки для выбора наиболее рационального режима работы подъемной установки, планирования технического обслуживания и ремонта оборудования ствола.

Увеличение вместимости подъемных сосудов и повышение скорости их движения сказываются на нагрузках, действующих на проводники. Масса т и скорость движения v подъемного сосуда характеризуют интенсивность подъемной установки mv2. При достижении mv2 определенного значения может произойти деформация армировки или выход подъемного сосуда из проводников.

В связи с повышенными требованиями к надежности и безопасности работы шахтной подъемной установки необходим периодический замер лобового и бокового износов рабочих поверхностей проводников. В процессе эксплуатации должен также осуществляться контроль за основными параметрами армировки шахтного ствола: шириной колеи проводников, вертикальностью оси системы армировки, взаимным положением проводников относительно вертикальной плоскости, местами стыковки проводников.

Для обоснованного проектирования и оценки эксплуатационного состояния армировки необходимо исследовать динамическое взаимодействие движущегося подъемного сосуда с армировкой ствола и измерить эксплуатационные нагрузки посредством фиксации напряжений в расстрелах и проводниках шахтного ствола. Вопросы динамического контроля армировки являются весьма актуальными, так как данные, полученные при измерениях, позволяют проанализировать общее состояние элементов армировки в стволах нескольких шахт, определить изменение их параметров.

В настоящее время разрабатываются допуски на отклонение геометрических элементов шахтного ствола. В рекомендациях по допускам учитываются конкретные эксплуатационные условия стволов в разных бассейнах страны.

Маркшейдерский контроль. Целью маркшейдерского контроля при эксплуатации ствола является проверка соблюдения соотношений геометрических параметров элементов подъемного комплекса и армировки шахтного ствола.

При профильной съемке ствола устанавливается состояние проводников в стволе, что имеет важное значение для обеспечения надежной и безаварийной работы подъемной установки. При этом необходимо определить следующие параметры: наклон проводников, расстояние между проводниками, площадь сечения проводника.

Маркшейдерские способы контроля трудоемки, они требуют остановки подъемного комплекса на длительное время и проводятся в тяжелых условиях.

Профилирование шахтных стволов осуществляется механическим, оптическим, фотооптическим, стереофотограмметрическим и ультразвуковым методами.

При непосредственном механическом профилировании, наиболее широко распространенном на практике, применяются мерная рейка и отвес, опущенные в шахтный ствол. При помощи рейки определяют расстояние между отвесами и соответствующим элементом крепи.

При автоматическом механическом профилировании определяется пространственное положение проводников. В качестве чувствительного элемента используется маятник.

Маркшейдерские приборы для определения расстояний между проводниками шахтных стволов состоят из телескопической трубы с подвижным штоком, отсчетного устройства с линейкой — шкалой и контактных упоров.

В Московском горном институте разработано устройство для автоматического контроля микропрофиля направляющих проводников армировки вертикальных стволов шахт. При таком контроле не требуется вертикальной измерительной базы. Точность измерения составляет 2 %.

В последние годы при маркшейдерском контроле применяют измерительную станцию СИ-1 (СИ-4), предназначенную для автоматического профилирования рельсовых проводников Р38, Р43, Р50 и металлических коробчатых проводников размером от 160x160 до 212x212 мм. Станция разработана ВНИМИ и изготовляется Харьковским заводом маркшейдерских инструментов. При разработке аппаратуры СИ-1 (СИ-4): использован оптический способ профилирования с применением механических устройств. Станция представляет собой комплекс приборов для измерения угловых отклонений проводников от проектного положения, измерения расстояний между проводниками, определения взаимного расположения проводников и приборов для камеральной обработки полученных записей. Она также включает в себя средства доставки аппаратуры к месту работы.

Маркшейдерская съемка ведется при прокатывании по проводникам укрепленной под подъемным сосудом на расстоянии 6—8 м каретки со смонтированными на ней приборами. Построение профилограмм по данным съемки делается при помощи механического интегратора-полуавтомата. Точность измерения 0,5 мм.

Недостатками станции СИ-1 являются невозможность измерения ширины колеи проводников, их смещения и сложность ее настройки.

Для настройки и периодической проверки в стационарных условиях аппаратуры этой станции применяется специальный стенд, разработанный в специализированном шахтомонтажном: управлении ПО «Карагандауголь» и состоящий из вертикально установленного рельса длиной 2 м, регулировочных винтов и уровней.

Грани головки рельса профрезерованы под углом 90° и отшлифованы по всей длине. Рельс крепится к бетонной стене двумя швеллерами, регулировочные винты которых обеспечивают возможность его установки под различными углами. Угол наклона рельса контролируется специальным уровнем.

Динамический контроль состояния армировки. Исследованиями С. Бэра, О.А. Залесова, Л.Г. Медведева, Н.Г. Гаркуши, В.И. Дворникова, и других установлено, что во время движения подъемных сосудов по стволу на армировку воздействуют горизонтальные динамические нагрузки, действующие в двух взаимно перпендикулярных направлениях и вызывающие опасные напряжения Причинами возникновения горизонтальных нагрузок являются: периодическое изменение жесткости проводников, неточный монтаж армировки, обусловливающий непрямолинейность рабочих поверхностей проводников, неравномерный износ проводников и башмаков, конструктивные недостатки подъемных сосудов и армировки, знакопеременные отклонения проводников от вертикали в боковом и лобовом направлениях, поперечные колебания подъемных сосудов из-за раскручивания подъемных канатов, смещение центра тяжести подъемных сосудов. Величина этих нагрузок достигает 10% полного веса подъемного сосуда. На величину горизонтальных динамических нагрузок, возникающих в армировке ствола, существенно влияют параметры армировки, масса и скорость движения подъемных сосудов, дефекты проводников. Переменные нагрузки приводят к выходу подъемных сосудов из проводников или их интенсивному разрушению, отрицательно влияют на крепь ствола, нарушают плавность движения подъемных сосудов.

Величина горизонтальных динамических нагрузок согласно .исследованиям Н.Г. Гаркуши и В.И. Дворникова

где m — масса подъемного сосуда; v — скорость движения подъемного сосуда по стволу; b — величина зазора между проводником и жестким направляющим башмаком; l — расстояние между расстрелами (шаг армировки).

Измерение горизонтальных нагрузок имеет важное значение для повышения пропускной способности шахтных стволов, для оценки эксплуатационного состояния ствола. Проверка армировки аппаратурой динамического контроля имеет целью определить динамические характеристики армировки, определить влияние динамики подъемных сосудов и армировки на крепь. Динамический контроль армировки осуществляется выборочно или непрерывно по всей длине ствола. При этом применяются механические (акселерометры, вибрографы и др.) и электрические (полупроводниковые тензорезисторы и др.) устройства.

Известно несколько видов аппаратуры автоматического контроля воздействия динамических нагрузок на армировку и: крепь шахтных стволов.

Аппаратура Всесоюзного научно-исследовательского института взрывобезопасного электрооборудования (ВНИИВЭ) предназначена для исследования и проверки пригодности армировки вертикальных шахтных стволов к дальнейшей эксплуатации. Она обеспечивает четкую регистрацию статических и динамических нагрузок, действующих в горизонтальной плоскости на жесткие проводники, одновременно записывая пройденный путь в течение всего подъемного цикла при движении подъемного сосуда с рабочей скоростью. В качестве регистратора использован магнитоупругий датчик трансформаторного типа. Аппаратура устанавливается непосредственно на смотровой площадке скипа или на крыше клети. Запись нагрузок выполняется без присутствия людей на подъемном сосуде.

Аппаратура в пылевлагозащищенном исполнении состоит из блока регистрации измерительных направляющих устройств, блока частотного питания, батареи питания аппаратуры, датчика ввода пройденного пути в блок регистрации и пульта управления.

Перед измерением действующих усилий в шахтных условиях необходимо записать выходные значения напряжений при отсутствии нагрузок на датчики. Обработка и оценка результатов измерения статических и динамических сил проводится в камеральных условиях. С учетом результатов измерения выбирается наиболее рациональный режим работы подъемной установки.

Аппаратура контроля нагрузок на роликовые направляющие шахтных подъемных сосудов. Научно-исследовательским горнорудным институтом (НИГРИ) разработана аппаратура контроля нагрузок на роликовые направляющие шахтных подъемных сосудов во время их работы.. Она обеспечивает регистрацию нагрузки одновременно на всех: роликовых направляющих во время загрузки и разгрузки,, спуска и подъема сосудов при любой скорости их передвижения по проводникам.

Аппаратура состоит из блока регистрации, блока частотного питания, батареи питания преобразователей, датчика, пути, пульта управления, измерительного направляющего устройства для проводников коробчатого сечения.

На рис. 8.1 показана блок-схема указанной аппаратуры. Блок-схема включает силоизмерительное устройство 1, балансировочное устройство 2, блок регистрации 4, блок автономного питания 6, датчик 5, фиксирующий место расположения расстрелов, пульт управления 3.

Внедрение аппаратуры позволяет оперативно получать данные о характере и величине нагрузок, производить обоснованный выбор пружинных амортизаторов исходя из конкретных величин нагрузок, возникающих при движении подъемных сосудов, улучшать качество и повышать надежность работы роликовых направляющих.

Электровиброизмерительная аппаратура. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте горной механики им. М. М. Федорова разработан комплект электровибро-измерительной аппаратуры. В этот комплект входят источник питания, панель управления, шлейфовый осциллограф, датчики виброперемещений, отметчики расстрелов. Расходные датчики перемещений позволяют измерять вибропрогибы до 100 мм.

Для контроля жесткой армировки разработана также электромеханическая виброизмерительная система, сконструированная на вибрографах Гайгера.

Электродинамометрическая аппаратура предназначена для исследования динамики взаимодействия движущегося подъемного сосуда с армировкой. Результаты исследований позволяют оценить эксплуатационное состояние армировки.

В комплект электродинамометрической аппаратуры ВНИИГМ им. М.М. Федорова входят источники питания, панель управления и распределения питания, шлейфовый осциллограф, силоизмерительные направляющие, панель силоизмерительных каналов, отметчики расстрелов, датчики ускорений, (акселерометр МП-81).

Силоизмерительные направляющие устройства измеряют контактные нагрузки при жестких и упругих направляющих устройствах. В качестве чувствительных элементов применены полупроводниковые резисторы. Силоизмерительные направляющие башмаки устанавливают на подъемном сосуде. Тензорезисторы обеспечивают необходимую точность измерения, большой уровень выходного сигнала измерительных схем, надежную работу при нечувствительности к внешним помехам.

Измерительная система Ленинградского горного института и Гипроникеля для динамического контроля армировки состоит из четырех тензометрических силоизмерительных башмаков, четырех датчиков ускорений, датчика пути, схемы автоматического управления измерительной аппаратуры при помощи магнитоупругих контактов, устройств для контроля изоляции тензорезисторов, осциллографа и источника питания.

Основой тензоизмерительного башмака, регистрирующего боковые и лобовые составляющие горизонтальных нагрузок на проводники, являются три стальных кольцевых чувствительных элемента с наклеенными на их поверхность фольговыми тензорезисторами, соединенными по мостовой схеме. Магнитоуправляемые контакты, помещенные в текстолитовый корпус, крепятся к подъемному сосуду. Постоянные магниты закрепляются в точках ствола, при прохождении которых должна включаться и выключаться измерительная аппаратура. Измерение в стволе осуществляется без присутствия людей на груженом подъемном сосуде, движущемся с рабочей скоростью.

По результатам экспериментальных исследований, записанных на осциллограмму, можно качественно и количественно оценить эксплуатационное состояние ствола.

Аппаратура имеет простую конструкцию, небольшие размеры, удовлетворительную точность измерений.

Оперативный контроль. В процессе эксплуатации ствола необходим оперативный контроль коррозионного и механического состояния износа элементов армировки, трубопроводов, кабелей, канатов, за изменением расстояния между подъемными сосудами и крепью ствола. Периодические наблюдения за состоянием оборудования ствола должны проводиться по всей глубине ствола. Для этих целей на шахтах применяют шаблоны, мерные линейки, рулетки, штангенциркули, отвесы, двусторонние кронциркули. Эти приспособления не позволяют измерить односторонние боковые износы, не обеспечивают требуемой точности замеров при определении суммарного износа. Наиболее эффективным является применение механизированных и автоматизированных способов контроля, позволяющих обеспечить: механизацию процесса контроля проводников всех типов с регистрацией результатов измерения;

- повышение качества контроля при меньших затратах времени на его выполнение;

- выявление наиболее изношенных участков оборудования ствола, требующих первоочередного ремонта;

- объективную оценку состояния армировки ствола и т. п.

Прибор типа ИП контроля состояния армировки и изменения геометрических параметров ствола. Научно-исследовательский горнорудный институт разработал работоспособный и надежный механический прибор типа ИП для оперативного контроля деревянных, рельсовых и металлических коробчатых проводников в стволах шахт (рис. 8.2). Он обеспечивает при относительно малых затратах времени автоматическую регистрацию на рулонную миллиметровую бумагу одновременно измеренных параметров армировки:

- фактическую ширину каждого проводника;

- действительный и предельно допустимый износ проводника;

- ширину колеи и ее отклонение от проектного значения;

- боковые кинематические зазоры между, направляющими устройствами подъемных сосудов и рабочими поверхностями каждого проводника с трех сторон;

- суммарные боковые зазоры;

- расстояние между ярусами расстрелов по высоте (шаг армировки);

- число расстрелов в стволе.

Прибор состоит из устанавливаемых на подъемном сосуде двух измерительных и регистрирующего устройства, которые связаны между собой гибким валом и гибким тросиком. Гибкий вал обеспечивает передачу вращения ведущего ролика на бумагопротяжный механизм. Гибкий тросик предназначен для передачи на регистрирующее устройство результатов измерений.

Аппаратуру устанавливают непосредственно на клети или скипе при любом расположении проводников относительно подъемного сосуда. Аппаратура, обслуживаемая двумя рабочими, позволяет проверить одно отделение ствола за 1,5—2 ч (включая ее установку и демонтаж), что позволяет проводить оперативный контроль во время планового технического обслуживания ствола.

Для механизации камеральной обработки и анализа полученных графических материалов используется устройство «Силуэт» с полуавтоматической приставкой, позволяющей преобразовывать графическую информацию в цифровой код с записью на перфоленту. Для расшифровки перфоленты применяют ЭВМ. По полученной информации можно выявить повреждения армировки и установить их место.

Прибор типа ИП не позволяет получить точные данные о фактических износах рабочих поверхностей проводников. Точность измерения составляет 1—2 мм, что является недостаточным. Прибор не контролирует величин лобового износа проводников по высоте профиля.

Результаты применения самопишущей аппаратуры на рудных шахтах России показали ее высокую производительность и эффективность. При этом сократилась продолжительность ежесуточного технического обслуживания проводников, повысилась безопасность работы подъемной установки.

Малогабаритная самопишущая аппаратура для контроля проводников противовесных отделений. Противовесные отделения шахтных стволов характеризуются труднодоступностью и ограниченностью в сечении ствола. При указанных условиях целесообразно применять аппаратуру автоматического контроля состояния деревянных, рельсовых и коробчатых проводников. Самопишущая аппаратура НИГРИ позволяет регистрировать без присутствия людей во время спуска и подъема противовеса десять одновременно измеряемых параметров на миллиметровую бумагу в виде кривых, увязанных по всей глубине ствола с отметками ярусов расстрелов.

Комплект аппаратуры состоит из одного регистрирующего, двух измерительных устройств со специальным редуктором и отметчика ярусов расстрела. На оперативный контроль одного отделения ствола, включая установку и демонтаж прибора, затрачивается в среднем 1—1,5 ч.

Ультразвуковая дефектоскопия рельсовых проводников. Модернизированный ультразвуковой дефектоскоп УРД-63 позволяет выявить различного вида скрытые дефекты (микротрещины, пустоты, шлаковые включения) па всей высоте и длине рельсовых проводников. Прибор предназначен для работы в условиях шахтного ствола. Он портативен, пылевлагозащищен. Индикация дефектов звуковая. Звуковые сигналы, возникающие в месте дефекта, прослушиваются с помощью наушников.

Дефектоскопия проводников производится оператором, находящимся на подъемном сосуде, скорость передвижения, которого 0,5—1,5 м/с. Акустический контакт между искательной системой дефектоскопа и поверхностью головки рельса осуществляется смачивающей жидкостью. Центрируется искательная система по менее изношенной боковой поверхности головки рельсового проводника.

Ультразвуковая дефектоскопия обеспечивает своевременное выявление скрытых дефектов в проводниках, позволяет предотвратить аварии в шахтных стволах.

Модернизация дефектоскопа УРД-63 применительно к шахтным стволам осуществлена НИГРИ.