Путевые работы в карьерах - Конструкции верхнего строения карьерных железнодорожных путей

Гл а в a I
КАРЬЕРНЫЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ПУТИ
§ 1. Конструкция верхнего строения карьерных железнодорожных путей в условиях повышенных осевых нагрузок и больших уклонов
Техническое перевооружение открытых горных работ новым высокоэффективным подвижным составом железнодорожного транспорта и современная тенденция проектирования и строительства капитальных траншей карьеров с уклонами 60—80%  предъявляют повышенные требования к надежности конструкции верхнего строения рельсовых путей. Карьерные железнодорожные пуги разделяют на постоянные и передвижные. Постоянные пути сооружают на поверхности, в капитальных траншеях и на участках примыкания их к забойным или отвальным путям, передвижные пути — на рабочих горизонтах карьеров или отвалов. Отличительным признаком их является периодическая переноска по мере отработки экскаваторных заходок на вскрышных и добычных уступах, а также на отвалах.
К особенностям эксплуатации карьерных постоянных путей относятся: значительная грузонапряженность и интенсивность движения, изменяющаяся на различных карьерах от 200 до 300 пар поездов в сутки; большие уклоны, достигающие 40—60% и в перспективе сравнительно небольшие радиусы участков кривых 200—250 м; быстрый износ рельсов в результате   торможения подвижного состава; значительный уклон рельсов на участках уклонов.

Таблица 1
Параметры перспективного подвижного состава карьерного железнодорожного транспорта, влияющие на конструкцию рельсовых путей

Рис. 1. Поездная работа спаренных электровозов Д-100М

Условия эксплуатации передвижных путей характеризуются технологической необходимостью переноса  их, отрицательным деформационным воздействием взрывных работ,  нарушением деталей строения падающими кусками при производстве взрывов, засоренностью, просыпью при погрузке составов, малыми радиусами участков кривых, доходящими до 80—100 м, высокой стоимостью и трудоемкостью переноски, содержания и ремонта.
В табл. 1 приведены параметры перспективного подвижного состава карьерного железнодорожного транспорта, которые могут оказывать влияние на конструкцию железнодорожных путей. Из таблицы следует, что новые локомотивы и вагоны имеют осевые нагрузки на рельсы, превышающие 30 тс. С учетом неравномерности нагрузки думпкаров, а также их перегрузки экскаваторами в забоях осевое давление на рельсы может достигать 35 тс и более. Так, контрольные взвешивания думпкаров 2ВС-105 и ВС-100 в условиях Качканарского, Криворожского Центрального, Соколовско-Сарбайского, Коршуновского ГОКов, загруженных железной рудой объемной массой 3,2—3,6 т/м³, показывают, что величина перегрузки отдельных вагонов составляет 20—25%.

Рис. 2. Погрузка тепловозного состава на передвижных забойных путях

На рис.. 1 и 2 показана поездная работа современных типов локомотивов.
К верхнему строению путей относятся рельсы, скрепления и подрельсовое основание — шпалы, плиты, балластный слой, а также стрелочные переводы и брусья. Основными требованиями, предъявляемыми к конструкции верхнего строения путей в условиях повышенных осевых нагрузок и больших уклонов, являются на постоянных магистралях прочность, устойчивость, долговечность; на передвижных путях к этим факторам добавляются быстроразъемность и простота монтажа рельсо-шпальной решетки.
Выпускаемые в настоящее время отечественной промышленностью рельсы чаще всего имеют длину 25 м, вместо выпускаемых ранее длиной 12,5 м. Внедрение таких рельсов на постоянных путях значительно повышает эффективность их эксплуатации за счет уменьшения количества стыковых соединений. На передвижных путях продолжают использоваться рельсы длиной 12,5 м, что обусловливается их технологическими особенностями. С этой целью нормативные рельсы, как правило, в условиях горных предприятий разрезаются. Различные типы рельсов (Р-43, Р-50, Р-65, Р-75) характеризуются их профилем и погонным весом (табл. 2).  

Таблица 2
Характеристика рельсов, применяемых в карьерах

Для восполнения большого разрыва в типаже рельсов между Р-50 и Р-65 предполагается изготовление рельсов Р-57, как более отвечающих требованиям усиления пути. Одновременно с этим производятся опытно-промышленные исследования целесообразности внедрения рельсов Р-75.
Анализ данных работы подвижного состава на карьерах показывает, что возрастанию осевых нагрузок сопутствует увеличение протяженности путей с рельсами тяжелого типа. В настоящее время в карьерах используются рельсы Р-43 (20%), Р-50 (60%) и Р-65 (20%). Рельсы Р-43 и Р-50 чаще всего используются на передвижных путях. Рельсы Р-65 устанавливаются на грузонапряженных участках постоянных путей — в выездных траншеях, заездах на отвалы, главных перегонах и др. Для обеспечения надежной работы подвижного состава с осевыми нагрузками более 30 тс отдельные предприятия приступили к внедрению рельсов Р-65 на передвижных путях.
К преимуществам применения тяжелых типов рельсов при повышенных осевых нагрузках относятся более равномерное распределение нагрузок на подрельсовое основание, снижение вертикальных и боковых деформации пути при динамических воздействиях движущегося поезда, сокращение числа поломок рельсов  при падении кусков горной массы и, как следствие этого, уменьшение количества просадок и уширений колеи, вызывающих аварии и сходы подвижного состава.
К недостаткам утяжеления путевой решетки следует отнести возрастание ее металлоемкости и стоимости, а также необходимость создания и внедрения для производства путевых работ специальных машин. Однако, как свидетельствует опыт работы железнодорожного транспорта большинства карьеров, последнее окупается снижением простоев оборудования по причине неисправности рельсовых путей. Исследованиями установлено, что срок службы тяжелых рельсов, по сравнению с соответствующими типами более легких, увеличивается в 1,5—2 раза, а стоимость их эксплуатации снижается.

Таблица 3
Целесообразные типы рельсов при различных осевых нагрузках

В табл. 3 на основании наблюдений, выполненных в производственных условиях, экспериментальных работ и результатов исследований специализированных институтов приведены целесообразные типы рельсов для железнодорожных путей карьеров для различных осевых нагрузок. Выбор типа рельсов следует производить с учетом грузонапряженности дорог.
Для увеличения плавности хода поездов, снижения основного сопротивления, а также уменьшения изломов рельсов в стыковых соединениях и снижения их количества положительно зарекомендовал себя способ укладки рельсов в путь большими плетями и сварка их с превращением в бесстыковой путь.   Опыт работы Coколовско-Сарбайского, Криворожских ГОКов, а также угольных разрезов комбината Вахрушевуголь показывает, что применение рельсовых плетей длиной 50 м, а на прямолинейных трассах 100—150 м вполне целесообразно. На главных перегонах большой протяженности возможна сварка таких плетей в температурно-напряженный бесстыковой путь с использованием уравнительных рельсов.
Экономическая эффективность применения длинных плетей и бесстыкового пути заключается в снижении расходов на содержание его и ремонт, экономии металла, а также уменьшении затрат на ремонт подвижного состава.
С внедрением в карьерах подвижного состава с повышенными осевыми нагрузками получают распространение установки для смазки рельсов. В настоящее время Свердловским ПРМЗ изготовляются путевые рельсо- смазыватели (лубрикаторы), устанавливаемые в участках кривых с рельсами Р-50, Р-65 и Р-75. Аппараты автоматически наносят смазку на гребни колесных пар движущихся поездов, что снижает боковой износ головок рельсов.
В условиях повышенных осевых нагрузок и больших уклонов особо важное значение приобретает надежность и прочность рельсовых скреплений. По своему назначению рельсовые скрепления подразделяются на устройства для скрепления рельсов с подрельсовым основанием (шпалами, брусьями, плитами), соединения рельсов между собой, противоугонов, рельсовых стяжек.
В настоящее время имеется несколько типов скреплений рельсов со шпалами. Основными из них являются костыльное, шурупное и болтовое. Конструкция скрепления состоит из рельсовой (иногда и подшпальной) подкладки, крепящего устройства, а в современных типах еще и амортизирующего элемента (чаще всего резиновой прокладки между подкладкой и шпалой). Из перечисленных типов скреплений наиболее несовершенным является костыльное. К основным недостаткам его относятся низкое сопротивление выдергиванию (1,8— 2,1 тс) и поперечному смещению, высокая восприимчивость к ослаблению при меняющихся по направлению деформациях рельсов, способность к раскалыванию деревянных шпал, особенно при низких температурах.
Шурупные скрепления создают сопротивления выдергиванию до 3—3,5 тс, болтовые — до 8,5—9 тс.
Однако простота монтажа рельсо-шпальной решетки, возможность осевых смещений рельсов, а также небольшие усилия при изменении эпюры шпал при путепереукладочных работах обусловили широкое распространение костыльного скрепления на большинстве карьеров как на постоянных, так и передвижных путях.
Основными эксплуатационными недостатками шурупного и болтового скреплений являются высокая жесткость конструкции путевой решетки и большая трудоемкость ослабления скреплений для сгонки или изгиба рельсов, изменения эпюры шпал, а также последующего скрепления рельсов и шпал при путепереукладочных работах. В силу этого данные типы скреплений не получили широкого распространения на передвижных путях в карьерах, несмотря на их надежность.
Для увеличения жесткости и прочности рельсошпальной решетки при костыльном скреплении такие предприятия, как Качканарский и Соколовско-Сарбайский ГОКи и другие, при внедрении тяговых агрегатов используют рельсовые стяжки. Стяжки предназначены для восприятия боковых нагрузок на рельсы и предотвращения уширения колеи. Конструкция их состоит из двух захватов с прорезями для установки на подошву рельсов и стяжной металлической скобы диаметром 12—15 мм, один конец которой имеет нарезку для установки и натяжения гаек. Рельсовые стяжки изготовляются в условиях предприятий.
При внедрении тяговых агрегатов EL-10 вместо тепловозов ТЭМ-1 в условиях карьеров Качканарского ГОКа трудоемкость содержания рельсовых путей (особенно передвижных) значительно возросла. Так, при работе этих локомотивов на участках кривых с радиусами 100—150 м перешивка пути по шаблону требовалась после каждого прохода состава. В таких условиях установка рельсовых стяжек через каждые 1,5—2 м дала положительные результаты, а количество путевых рабочих, занятых на обслуживании этих путей, осталось на уровне нормативного, несмотря на повышение осевых нагрузок почти в 2 раза.   

При установке железобетонных или деревянных шпал на постоянных путях используются шурупные (К-2 и К-4) и болтовые (КБ и ЖБ) скрепления.
Для унификации рельсовых скреплений и внедрения их в карьерах в условиях повышенных осевых нагрузок и больших уклонов в ИГД им. А. А. Скочинского разработаны конструкции универсальных скреплений, предназначенных для передвижных и постоянных путей открытых горных разработок. Для передвижных путей рекомендуется болтовое раздельное универсальное скрепление типа З с регулировкой ширины колеи (УСТЗ-БР). Для постоянных путей разработаны конструкции шурупно-болтового раздельного универсального скрепления типа 3 (УСТЗ-ШБР) и шурупно-болтового раздельного пружинного универсального скрепления типа З (УСТЗ-ШБРП). Техническая характеристика этих типов скреплений приведена в табл. 4. Основным недостатком новых скреплений является их многоэлементность.

Таблица 4
Техническая характеристика универсального скрепления типа 3

Опытная партия рассмотренных скреплений была установлена на эксплуатационных путях угольных разрезов комбината Экибастузуголь, где используется подвижной состав с осевыми нагрузками на рельсы до 30 тс и более. Результаты опытно-промышленных испытаний показали, что новые типы скреплений обеспечивают безаварийную работу подвижного состава, повышение прочности рельсо-шпальной решетки при путепереукладочных работах, увеличение срока службы элементов путевой решетки, в том числе шпал в 2—2,5 раза, снижение трудоемкости содержания передвижных путей на 30% и сокращение приведенных затрат в сумме 1,2 тыс. руб. на 1 км пути. На основании положительных результатов испытаний выполнена техническая документация новых типов скреплений для производства промышленностью.
Для восприятия осевых сдвигающих усилий, передающихся на рельсы от движущегося поезда, и передачи их подрельсовому основанию карьерные пути оборудуются противоугонами. Конструкция их состоит из расклинивающего устройства для крепления противоугонов к подошве рельса и опорного выступа. В условиях карьеров противоугоны устанавливаются обычно на постоянных путях, имеющих уклоны. При высоких осевых нагрузках эффект угона значительно возрастает. В связи с этим отдельные предприятия переходят на установку противоугонов как на передвижных забойных, так и на отвальных путях, увеличивая тем самым трудоемкость путепереукладочных работ и снижая трудовые затраты на содержание и ремонт пути. В условиях карьеров Соколовско-Сарбайского ГОКа установка противоугонов совмещена с установкой отрезков рельсов в период переукладки путевой решетки. Эти мероприятия позволяют исключить операции сгонки-разгонки рельсов при их стыковании.
При выборе подрельсового основания карьерных железнодорожных путей в последние годы проводятся исследования и экспериментальные испытания целесообразной области применения деревянных, железобетонных, металлических шпал и железобетонных плит. Результаты исследований свидетельствуют, что окончательный выбор рационального типа подрельсового основания применительно к конкретным условиям возможен только на основе расчетов прочности верхнего строения пути, экспериментальной проверки и экономического сравнения с конкурирующими типами.

На передвижных путях в настоящее время используются деревянные шпалы. При осевых нагрузках на рельсы более 25 тс в путь укладываются на прямолинейных участках 1840 шпал на 1 км, на криволинейных — до 2000. По ГОСТ 78—65 для железнодорожных путей большой грузонапряженности и с высокими нагрузками на ось предусматривается применение двух типов шпал: IА и IIА (обрезные с четырех сторон) и IБ и IIБ (обрезные с двух сторон). Длина обоих типов шпал принимается 2750 мм (табл. 5).

Таблица 5
Размеры деревянных шпал для высоких осевых нагрузок, мм

На главных перегонах и в капитальных траншеях в путь укладываются шпалы, пропитанные антисептическими растворами. На передвижных путях обычно применяются непропитанные шпалы. Срок службы шпал, пропитанных хлористым цинком, на постоянных путях достигает 5—7 лет, пропитанных креозотом 8—10 лет. Срок службы шпал на передвижных путях в большой степени зависит от физических воздействий на них при путепереукладочных работах, экскаваторной погрузке, операций при очистке габарита и др. (в среднем составляет 1,5—2 года).
Для увеличения срока службы деревянных шпал и предохранения от износа иногда усиливают их металлическими скобами, забиваемыми в торцы шпал, и металлическими бандажами, устанавливаемыми на концах или середине.
Железобетонные шпалы выпускают двух видов: струнобетонные, армированные тонкой проволокой; пучковые, армированные пучками проволок.
Действующий стандарт на брусковые железобетонные шпалы для колеи 1524 мм предусматривает изготовление для промышленных железных дорог трех типов шпал в струнобетонном варианте: С-56-1, С-56-2, С-5р-3, которые рассчитаны на применение рельсов Р-5|0 и Р-65. Они отличаются друг от друга формой выемок/для установки скреплений К-2, КБ, ЖБ. Шпалы имеют следующие размеры: длину — 2700 мм, высоту — 219 мм и ширину — 300 мм. Срок службы железобетонных шпал на постоянных путях практически составляет 40—50 лет. Результаты испытаний шпал на передвижных путях в. условиях Томусинского разреза, карьеров Соколовско- Сарбайского и Криворожских ГОКов свидетельствуют, что эффективное использование их в условиях забоев и отвалов возможно лишь при внедрении способов предварительной отсыпки балластного основания при путепереукладочных работах и внедрении скреплений, позволяющих быстро снижать и восстанавливать жесткость конструкции рельсо-шпальной решетки. Опыт эксплуатации показывает, что укладка звеньев в путь с железобетонными шпалами на подошву уступа, имеющую вертикальные колебания отметок, и движение по ним путеукладочных поездов и путевых машин до выполнения балластировочных работ приводят к поперечным изломам шпал. Последнее обусловливается хрупкостью бетона.
Металлические шпалы изготовлялись и испытывались в условиях буроугольных разрезов Украины. Небольшое количество шпал изготовлено в условиях Соколовско-Сарбайского ГОКа, где для этой цели использовались некондиционные трубы. Незначительный опыт эксплуатации металлических шпал показал хорошие эксплуатационные качества их на передвижных путях. В связи с дефицитом металла такие шпалы распространения до настоящего времени пока не получили.
Новым направлением совершенствования конструкции железнодорожных путей является применение железобетонных плит, изготовляемых по чертежам, разработанным МПС. Накопленный опыт эксплуатации путей с железобетонными плитами, уложенными на постоянных путях, например, в условиях Соколовско-Сарбайского ГОКа, где осевые нагрузки подвижного состава достигают 40 тс, а уклоны траншей — 40%, позволяет сделать вывод о целесообразности их применения. Размеры таких плит: длина — от 3500 до 5000 мм, ширина — 2700 мм, высота 180—250 мм. Масса одной плиты равна 3-5 т.
На большинстве рудных карьеров в качестве балласта используются сухие хвосты обогащения или скальные вскрышные породы, перерабатываемые в дробильно-грохотильных устройствах. На некоторых угольных и железорудных предприятиях, разрабатывающих слабые горные породы, построены специальные щебеночные карьеры с дробильно-грохотильными установками. Такие установки сооружаются либо в щебеночном карьере (комбинат Вахрушевуголь), либо на промплощадке (Криворожские ГОКи). На некоторых горных предприятиях (комбинат КМАруда, Михайловский ЖРК, Стойленский ГОК и др.), где отсутствует местный материал, пригодный для приготовления балласта, используется покупной щебень, поставляемый камне-щебеночными заводами.
Сухие хвосты обогатительных фабрик, используемые в качестве балластного материала, имеют фракционный состав, изменяющийся от 0 до 25 мм. Такой материал обычно содержит глинистые включения, которые имеют тенденцию к набуханию, прилипанию, смерзаемости и морозному пучению. В связи с этим данный материал редко удовлетворяет техническим условиям, предъявляемым к балласту, и не может быть использован.
Более приемлемым являются щебень, приготовленный и отсортированный из скальных пород (гранитов, кварцитов, габбро и др.), а также отходы обогащения скальных руд, прошедшие предварительную сортировку (иногда промывку). Достаточной несущей способностью, дренажными свойствами, пригодностью к машинной балластировке обладает щебень с фракционным составом 25—40 мм. Наблюдения показывают, что путь, уложенный на такое балластное основание, отличается высокой надежностью и долговечностью. Толщина балластного слоя, в зависимости от крепости грунтов основания, на постоянных путях изменяется от 250 до 400 мм.   

 Исследования выполнялись на рабочих путях при тяговых агрегатах ПЭ-2 и рудовозных составах из вагонов 2ВС-105 и ВС-100. Расчеты напряжений в рельсах, подрельсовом основании и балластном слое при выполнении работ базировались на законах теории вероятности и механики. При выборе конструкции верхнего строения нуги, кроме расчетов на прочность, производились расчеты сил угона и напряжения на основной площадке земляного полотна для уклонов 40—80% и осевых нагрузок 30—40 тс.
Результаты исследований по определению напряжений, возникающих в рельсах, шпалах и балласте, и их зависимость от изменения скорости движения поездов при осевых нагрузках на рельсы 40 тс показаны на рис. 3 -5. Из графиков видно, что при определенных условиях эти напряжения значительно превышают допустимые. В связи с этим установлено, что распространенные конструкции верхнего строения путей (рельсы Р-50, Р-65, деревянные шпалы, щебеночный балласт) в условиях повышенных осевых нагрузок и больших уклонов не всегда удовлетворяют требованиям прочности.
Для разработки новых конструкций верхнего строения пути были выполнены экспериментальные и опытнопромышленные испытания путевой решетки с железобетонными шпалами и плитами. В результате этих работ для подвижного состава с осевыми нагрузками на рельсы 30—40 тс и скоростей движения до 60 км/ч в условиях больших уклонов рекомендованы следующие конструкции верхнего строения для карьерных постоянных железнодорожных путей:

рельсо-шпальная решетка из рельсов Р-65 и деревянных шпал типа IА и IIА с клиновыми противоугонами, уложенная на балластное основание толщиной 400 мм, — только для прямых участков;
рельсо-шпальная решетка из рельсов Р-65 и железобетонных шпал с противоугонными скреплениями раздельного типа, уложенная на балластное основание толщиной 300—400 мм, — для прямых участков и кривых с радиусами до 300 м;
рельсы Р-65 и железобетонные плиты с противоугонными скреплениями раздельного типа, уложенные на балластное основание толщиной 200—250 мм, — для прямых и кривых участков с минимальными радиусами 100—150 м.
Технико-экономическое сравнение вариантов подрельсовых оснований свидетельствует, что в настоящее время наиболее целесообразной является комбинация железобетонных шпал на прямых участках постоянных путей и железобетонных плит на участках кривых.
Целесообразная конструкция передвижных путей для этих же условий состоит из рельсов Р-50, Р-65 и железобетонных шпал, уложенных на предварительно отсыпанное балластное основание, скорость движения подвижного состава в этом случае может достигать 20— 25 км/ч вместо 10—15 км/ч при деревянных шпалах и рельсах Р-50.
Современные конструкции электрифицированных карьерных железнодорожных путей связаны с устройством надежных контактных сетей. По своей принадлежности путям эти сети также разделяются на постоянные и передвижные. Конструкция контактной сети состоит из питающей и отсасывающей линий, опор и элементов подвески. В качестве питающей линии используется профилированный медный провод сечением 100—150 мм². Отсасывающей линией являются рельсы.
В отечественной практике на постоянных путях получили распространение железобетонные и металлические опоры, устанавливаемые в соответствии с правилами технической эксплуатации промышленных железных дорог, конструкция элементов подвески которых обеспечивает центральное расположение контактного провода.  

Особенностью сооружения передвижной контактной сети является периодическая переноска ее в соответствии с перемещением железнодорожных путей и  
боковая подвеска контактного провода на фронте производства погрузочных или отвальных работ. В связи с этим конструкция передвижных сетей предусматривает возможность быстрого монтажа и демонтажа контактного провода и переноса опор.
В карьерах получили распространение деревянные опоры, установленные на железобетонных, металлических или деревянных подопорниках. При массе железобетонных подопорников 1 —1,5 т они устанавливаются без засыпки. Металлические и деревянные подопорники обычно обсыпаются грунтом. Вкапывание опор в грунт современными конструкциями не предусматривается, так как в условиях скальных пород выполнение этих операций сопряжено с большой трудоемкостью.