Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние изученности проблемы управления газодинамическими процессами в калийных рудниках, технические средства и технологии предупреждения и борьбы с газодинамическими явлениями 13
1.1. Геологические и горнотехнические условия разработки Старобинского месторождения калийных солей 13
1.2. Газодинамические явления в калийных рудниках 17
1.3. Технология предотвращения газодинамических явлений... 27
1.4. Технические средства предотвращения газодинамических явлений 39
1.5. Выводы 46
ГЛАВА 2. Влияние формы забоя на напряженно- деформированное состояние соляного породного массива 47
2.1. Общие положения 47
2.2. Методы компьютерного анализа геомеханических процессов, изучения надежности и НДС горно-добычного оборудования 48
2.3. Методика расчета пространственного НДС соляного породного массива в окрестности забоя горной выработки .. 52
2.4. Результаты численного моделирования НДС массива в окрестности забоя плоской и сферически-плоской формы... 58
2.5. Моделирование НДС массива в окрестности забоя плоской и сферически-плоской формы в случае наличия тектонической трещины, параллельной забою 62
2.6. Моделирование НДС массива в окрестности забоя плоской и сферически-плоской формы в случае расположения тектонической трещины под углом к забою 67
2.7. Влияние конусообразной формы исполнительного органа на геомеханическое состояние массива в районе забоя
с источником ГДЯ 71
2.8. Компьютерное моделирование НДС массива в окрестности
забоя конусообразной формы 75
2.9. Выводы 80
ГЛАВА 3. Обоснование параметров исполнительного органа проходческо-очистного комбайна 81
3.1. Общие положения 81
3.2. Исследование закономерностей режимов резания калийной соли и выбор режущего инструмента для исполнительного органа 82
3.3. Компьютерное моделирование НДС и динамической устойчивости резца исполнительного органа комбайна 95
3.4. Методика расчета режимов работы исполнительного органа проходческо-очистного комбайна 97
3.5. Определение оптимальной совокупности основных параметров исполнительного органа комбайна для создания сферически-плоской формы забоя 100
3.5.1. Обоснование и построение критериев оптимизации основных параметров исполнительного органа 100
3.5.2. Определение функциональных зависимостей и выбор ограничений параметров 106
3.5.3. Расчет и обоснование основных параметров исполнительного органа проходческо-очистного комбайна 109
3.6. Создание проходческо-очистного комбайна для проходки выработок со сферически-плоской формой забоя на участках, опасных по отжимам пород из призабойной части 114
3.6.1. Конструктивные особенности и основные технические данные проходческо-очистного комбайна 114
3.6.2. Результаты опытно-промышленных испытаний проходческо- очистного комбайна 118
3.7. Создание проходческо-очистного комбайна для проходки выработки с конусообразной формой забоя на участках, опасных по отжимам пород из призабойной части 124
3.7.1. Назначение и технические характеристики комбайна 124
3.7.2. Устройство и работа комбайна 127
3.7.3. Исполнительный орган комбайна 132
3.7.4. Результаты опытно-промышленных испытаний проходческого комбайна 134
3.8. Выводы 136
ГЛАВА 4. Разработка эффективных способов борьбы с газодинамическими явлениями путем применения врубовых скважин большого диаметра 137
4.1. К постановке задачи о бурении врубовых скважин большого диаметра при управлении ГДЯ 137
4.2. Управление энергией выбросоопасного массива с помощью создания обнажений определенной площади 138
4.3. Определение критического диаметра скважины из условий создания обнажений безопасной площади 139
4.4. Особенности применения взрывных врубов в соляных породах 142
4.5. Краткие сведения о конструкции и закономерностях работы взрывных врубов в соляных породах 144
4.6. Методика расчета рациональных параметров буровзрывных работ с врубовыми скважинами 152
4.7. Выводы 156
ГЛАВА 5. Выбор параметров буровзрывных работ для управления газодинамическими процессами в горных выработках калийных рудников 158
5.1. Общие положения 158
5.2. Разработка комплектов шпуров призматических врубов с врубовыми скважинами 159
5.3. Экспериментальная оценка эффективности комплектов шпуров с врубовыми скважинами в соляных породах 169
5.4. Разработка и экспериментальная оценка комплектов шпуров клиновых врубов с врубовыми скважинами 176
5.5. Выводы 191
глава 6. Способы управления газодинамическими процессами в калийных рудниках старобинского месторождения 193
6.1. Общие положения 193
6.2. Оконтуривание выбросоопасных геологических нарушений на уровне разрабатываемых слоев в подготовленных к отработке выемочных столбах 194
6.3. Прогнозирование выбросоопасных зон в породах, подстилающих III калийный горизонт 200
6.4. Управление газодинамическими процессами в разрабатываемых калийных пластах 210
6.5. Способы управления газодинамическими процессами в породах почвы горных выработок 218
6.6. Способы управления газодинамическими процессами в почве горных выработок при отработке Третьего калийного пласта 231
6.7. Организационные и технические мероприятия по обеспечению безопасности шахтеров при возникновении газодинамических явлений из почвы горных выработок 234
6.8. Выводы 239
Заключение 242
Список использованных источников
- Газодинамические явления в калийных рудниках
- Методика расчета пространственного НДС соляного породного массива в окрестности забоя горной выработки
- Компьютерное моделирование НДС и динамической устойчивости резца исполнительного органа комбайна
- Определение критического диаметра скважины из условий создания обнажений безопасной площади
Введение к работе
При разработке калийных пластов, опасных по газодинамическим явлениям, важнейшей проблемой является обеспечение безопасных условий труда шахтеров. От оперативного и качественного управления газодинамическими процессами зависит и эффективность работы калийных рудников, которая во многом определяется своевременной подготовкой фронта очистных работ и ритмичным ведением очистной выемки. Управление газодинамическими процессами в калийных рудниках это воздействие на соляной породный массив соответствующими способами и техническими средствами для предотвращения или искусственного инициирования газодинамического явления. При разработке калийных пластов газодинамические явления происходят в виде обрушений пород кровли, сопровождающихся газовыделениями, в виде отжима призабойной части пород, а также в виде внезапных выбросов соли и газа. При этом именно последняя опасность создает наибольшие трудности в практике горных работ. В настоящее время для предотвращения внезапных выбросов соли и газа при пересечении лавами выбросоопасных геологических нарушений применяется искусственное инициирование выбросов соли и газа с помощью сотрясательного взрывания. Однако, технология этого способа недостаточно эффективна. При его применении хотя и обеспечивается безопасность ведения горных работ, однако производительность труда при пересечении лавами выбросоопасных геологических нарушений снижается в 3-5 раз. Поэтому необходимы новые технические решения по дальнейшему совершенствованию указанного способа управления газодинамическими процессами в калийных рудниках. Новых технических решений требует также решение проблемы новой природной опасности в калийных рудниках - газодинамических явлений из почвы горных выработок.
Внедрение в практику столбовой системы разработки месторождения открывает новые возможности для решения проблемы. В частности, появляется возможность более эффективного использования метода сейсмотомографии породного массива для выявления и точного оконтуривания очагов выбросоопасности в подготовленных к выемке пластах.
В настоящее время очень перспективным представляется разработка нового способа борьбы с такими газодинамическими явлениями как внезапный выброс соли и газа и отжим призабойной части пород, который заключается в создании забоя специальной формы, отличной от плоской при проходке горных выработок. Разработка указанного способа является сложной научно-технической задачей и требует создания по сути нового исполнительного органа проходческого комбайна.
Таким образом, налицо важная многогранная научно-техническая проблема, решение которой позволяет существенно повысить безопасность и производительность труда шахтеров, снизить материальные затраты при подземной разработке калийного месторождения.
В работе проанализировано современное состояние изученности проблемы, эффективность известных способов и технических средств борьбы с газодинамическими явлениями в калийных рудниках. На основе математического моделирования напряженно-деформированного состояния соляного породного массива установлена возможность предотвращения опасных проявлений газодинамических процессов при проходке горных выработок, путем создания забоя определенной криволинейной формы. Предложен способ управления газодинамическими процессами в забое подготовительной выработки путем придания забою сферически-плоской и конусообразной формы. Установлены закономерности разрушения калийной соли режущим инструментом. Разработана методика расчета и выбраны соответствующие параметры исполнительных органов и других компоновочных узлов проходческо-очистных комбайнов. Изучена возможность совершенствования камуфлетно-сотрясательного взрывания как способа борьбы с газодинамическими явлениями при разработке месторождений калийных солей, путем использования врубовых скважин большого диаметра. Выявлены закономерности управления энергией в выбросоопасной зоне соляного породного массива при использовании таких скважин. Предложена соответствующая методика расчета параметров взрывания. Установлены оптимальные параметры буровзрывных работ для управления газодинамическими процессами. Разработаны новые способы борьбы с газодинамическими явлениями в разрабатываемых калийных пластах на основе применения сейсмотомографии, усовершенствованного метода камуфлетно-сотрясательного взрывания, дегазационных шпуров и щелей. В работе приводятся результаты опытно-промышленных испытаний разработанных способов и технических средств борьбы с газодинамическими явлениями в калийных рудниках.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Проблема управления газодинамическими процессами при подземной разработке месторождений полезных ископаемых остается весьма актуальной вот уже на протяжении более чем ста лет практически на всех калийных месторождениях Европы, Азии, Америки и Африки. Газодинамические явления в калийных рудниках представляют собой одно из наиболее мощных природных явлений, с которыми приходится сталкиваться при ведении подземных горных работ. Основные факторы газодинамических явлений, такие как их внезапность, высокая скорость разлета кусков породы, значительные объемы разрушаемых горных пород, выделение горючих и ядовитых газов, ударная воздушная волна, к сожалению, нередко приводят к трагическим и катастрофическим последствиям. С самого начала разработки Старобинского месторождения калийных солей проблема предсказания, управления и предотвращения газодинамических явлений потребовала самого пристального внимания ученых и горняков-практиков. Статистика газодинамических явлений свидетельствует о том, что за время отработки сильвинитовых пластов на Старобинском месторождении калийных солей произошло более 230 газодинамических явлений, которые нанесли значительный материальный ущерб предприятиям и приводили, в отдельных случаях, к гибели шахтеров.
Различным аспектам решения общей проблемы управления и предотвращения газодинамических явлений в калийных рудниках (разработка теорий, способов, создание технических средств, механизмов и т.д.) были посвящены работы Айруни А.Т., Андрейко С.С., Докукина А.В., Зборщика М.П., Земскова А.Н., Кантовича Л.И., Красникова Ю.Д., Красноштейна А.Е., Линника Ю.Н., Матвиенко Н.Г., Мещерякова В.В., Пастоева И.Л., Петросяна А.Э., Проскурякова Н.М., Скочинского А.А., Топчиева А.В., Трубецкого К.Н., Ходота В.В., Хорина В.Н. и многих других ученых. В этих научных работах накоплен и обобщен большой фактический материал, решен целый ряд теоретических и инженерно-технических задач. Вместе с тем, указанная проблема еще далека от окончательного решения. Так остается нерешенной проблема такого вида газодинамических явлений в калийных рудниках как внезапные отжимы призабойной части пород, сопровождающиеся разрушением и выносом разрушенной породы в выработки. На Старобинском месторождении калийных солей зафиксирована новая природная опасность - внезапные выбросы соли и газа из почвы за крепью сопряжения в лавах, отрабатывающих слои Третьего калийного пласта. Кроме того, увеличивается интенсивность ведения горных работ, разрабатываются новые технологии, усложняются горногеологические условия. Практика ведения горных работ требует создания и широкого применения эффективных способов управления газодинамическими процессами при ведении подготовительных и очистных работ. Установлено, что строящиеся 5 и 6 рудники Старобинского месторождения калийных солей с точки зрения проявления газодинамических явлений будут еще более опасными. На сегодня остаются нерешенными проблемы исследования зависимости газодинамических явлений от характеристик используемой горно-добычной техники, в частности формы исполнительного органа горно-добычного комбайна, управления газодинамическими явлениями путем использования специальных эффективных технических средств, применительно к условиям калийных рудников. В первую очередь речь идет о создании нового высокопроизводительного комбайна, обеспечивающего в условиях калийных рудников оптимальную форму забоя и защиту шахтеров от газодинамических явлений. Кроме того, необходимо обеспечить дальнейшее развитие механико-математических моделей и геомеханическое обоснование методов прогноза и способов управления газодинамическими явлениями. При этом особое внимание следует уделить такому слабо изученному вопросу, как моделирование и исследование системы «горно-добычная техника - массив горных пород с очагом газодинамического явления», рассматривая данную систему как единый объект. В соответствии с требованиями практики ведения горных работ необходимо дальнейшее совершенствование способов предотвращения газодинамических явлений в условиях применения высокопроизводительных добычных комплексов.
Таким образом, проблема дальнейшей разработки безопасных и эффективных способов, а также создания новых технических средств борьбы с газодинамическими явлениями в калийных рудниках является актуальной и имеет большое теоретическое и практическое значение.
Связь работы с крупными научными программами и темами.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с комплексными научно-техническими программами Государственного комитета Республики Беларусь по промышленности и межотраслевым производствам, Белорусского государственного концерна по нефти и химии, а также программами организационно-технических мероприятий, направленных на повышение безопасности работ на промышленных объектах «РУП «ПО «Беларуськалий». В выполнении научно-исследовательских работ автор принимал участие как ответственный исполнитель и научный руководитель. Диссертационная работа обобщает результаты исследований по темам, выполненным при участии и под руководством автора (№№ гос. регистрации 01850048106, 84058723,87137548,01910005145,01920008634,199467).
Цель работы - разработка безопасных и эффективных способов и создание новых технических средств борьбы с газодинамическими явлениями (внезапные отжимы призабойной части массива; внезапные выбросы соли и газа из почвы за крепью сопряжения в лавах и др.) в условиях калийных рудников.
Основная идея работы заключается в обосновании и целенаправленном использовании в качестве технического средства борьбы с газодинамическими явлениями проходческо-очистного комбайна со сферически-плоской и конусообразной формой забоя, а также в обосновании совместного воздействия специальных технических средств и способов управления газодинамическими явлениями.
Задачи исследований. Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка математической модели напряженно-деформированного состояния породного массива с очагом газодинамических явлений в окрестностях забоя одиночной выработки при варьировании его пространственной формы;
Определение рациональной формы забоя для отработки участков, опасных по отжимам пород из призабойной части;
Выявление закономерностей разрушения калийной соли режущим инструментом и установление зависимостей сил, действующих на резец, определение рациональных параметров и схем расстановки режущего инструмента, разработка методики расчета режимов работы исполнительного органа комбайна;
Разработка рациональных параметров компоновочных узлов (технического задания на создание) проходческо-очистного комбайна со сферически-плоской и конусообразной формой забоя;
Выявление закономерностей управления энергией в выбросоопасной зоне при бурении в соляном массиве врубовых скважин большого диаметра, разработка методики расчета и определение оптимальных параметров буровзрывных работ для инициирования выбросов соли и газа;
Разработка способов управления газодинамическими процессами в калийных рудниках на основе искусственного инициирования выброса соли и газа и технических средств их реализации;
Экспериментальные и промышленные испытания разработанных способов и технических средств борьбы с газодинамическими явлениями.
Методы исследований включают: анализ, сравнение и научное обобщение выполненных работ и исследований по изучаемому вопросу; общенаучные методы аналогий, синтеза, идеализации и построения гипотез; методы натурного шахтного эксперимента и опытно-промышленных испытаний; методы математического и компьютерного моделирования; методы и подходы геомеханики, механики машин и механизмов, механики деформируемого твердого тела, геофизики. При получении и обработке фактического материала использовались визуальные наблюдения, зарисовки, фотографирование, прямые замеры результатов механического и взрывного воздействия на соляной породный массив.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Математическая модель напряженно-деформированного состояния породного массива с очагом газодинамических явлений в окрестностях забоя одиночной выработки при варьировании его пространственной формы.
Способы управления газодинамическими процессами в забое подготовительной выработки путем выбора рациональной формы забоя.
Методы расчета режимов работы исполнительного органа комбайна и определение оптимальной совокупности его основных параметров для создания сферически-плоской и конусообразной формы забоя.
Закономерности управления энергией в выбросоопасной зоне соляного породного массива при использовании врубовых скважин большого диаметра.
Закономерности влияния параметров буровзрывных работ на эффективность управления газодинамическими процессами при ведении подготовительных и очистных работ.
Способы управления газодинамическими процессами на основе искусственного инициирования выброса соли и газа и технические средства их реализации.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
Впервые разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния соляного породного массива с очагом газодинамического явления в окрестности забоя одиночной выработки плоской, сферически-плоской и конусообразной формы;
Установлены параметры рациональной формы забоя для отработки участков калийных пластов, опасных по газодинамическим явлениям;
Установлены новые закономерности разрушения калийной соли режущим инструментом и зависимости сил, действующих на резец, рациональные режимы работы, параметры и схемы расстановки режущего инструмента исполнительного органа проходческо-очистного комбайна для сферически-плоской и конусообразной формы забоя, применительно к условиям калийных рудников;
Разработаны новые рациональные параметры компоновочных узлов проходческо-очистного комбайна для создания в массиве горных пород сферически-плоской и конусообразной формы забоя;
Выявлены новые закономерности управления энергией в выбросоопасной зоне соляного породного массива при использовании врубовых скважин большого диаметра;
Выявлены новые закономерности влияния параметров буровзрывных работ на эффективность управления газодинамическими процессами при ведении подготовительных и очистных работ в калийных рудниках;
Разработаны новые способы управления газодинамическими процессами на основе искусственного инициирования выбросов соли и газа в зонах геологических нарушений.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой теоретических задач и строгостью применяемого математического аппарата; использованием больших объемов фактических материалов, полученных на калийных рудниках, выполнением большого объема лабораторных и натурных исследований, применением современных методов анализа и обработки статистического материала; положительными результатами опытно-промышленных испытаний проходческо-очистных комбайнов со сферически-плоской и конусообразной формой забоя и способов предотвращения газодинамических явлений из почвы горных выработок и в зонах геологических нарушений; хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов (в пределах 80-85%); положительными результатами опытно-промышленных испытаний способов управления газодинамическми процессами в зонах геологических нарушений.
Практическая значимость работы заключается в том, что все выполненные исследования доведены до научно обоснованных, экспериментально подтвержденных, применимых в инженерной практике методик и алгоритмов, представляющих собой научно-методическую базу, позволившую, в свою очередь, создать эффективные технические средства борьбы с газодинамическими явлениями в калийных рудниках.
Результаты работы использованы в отраслевых методических и нормативных документах.
На РУП «ПО «Беларуськалий» внедрены:
Рекомендации по применению параметров буровзрывных работ с врубовыми скважинами большого диаметра для инициирования выбросов соли и газа из выбросоопасных геологических нарушений при проведении передовой выработки. - 2000 г.;
Рекомендации по дегазации пород почвы при отработке лавами слоев II, III Третьего пласта на участках выемочных столбов, опасных по газодинамическим явлениям из почвы горных выработок. - 2004 г.
Разработанные параметры компоновочных узлов (технические задания на создание) проходческо-очистных комбайнов и технические требования к их исполнительным органам были использованы на ЗАО «Солигорский Институт проблем ресурсосбережения с Опытным производством» при создании новых комбайнов со сферически-плоской и конусообразной формой забоя, предназначенных для отработки участков калийных месторождений, опасных по внезапным отжимам пород из призабойной части. Комбайны успешно прошли опытно-промышленные испытания на РУП «ПО «Беларуськалий».
Экономический эффект от внедрения способа управления выбросоопасностью путем искусственного инициирования выброса соли и газа в компенсационную выработку при пересечении гидромеханизированными комплексами выбросоопасных зон составляет 56,2 млн. руб. РФ в год. Экономическая эффективность способа управления газодинамическими процессами в зоне комбинированного геологического нарушения путем его дегазации и разгрузки составляет 10,4 млн. руб. РФ в год.
Личный вклад автора заключается: в разработке основной идеи работы, постановке задач исследований, разработке методологии и методик их решения; в установлении общих закономерностей напряженно-деформированного состояния массива в окрестности забоя одиночной подготовительной выработки плоской, сферически-плоской и конусообразной формы с учетом источника газодинамического явления; в разработке технического задания и методики расчета режимов работы исполнительного органа проходческо-очистного комбайна для придания забою подготовительной выработки сферически-плоской и конусообразной формы; в обосновании возможности бурения скважин большого диаметра для инициирования выбросов соли и газа буровзрывными работами; в разработке технических средств и технологических решений для предотвращения газодинамических явлений в разрабатываемых калийных пластах; в непосредственном участии в экспериментальных работах и промышленных испытаниях, анализе полученных данных, составлении схем, получении графиков, диаграмм, выводе аналитических и корреляционных зависимостей.
Апробация результатов диссертации. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на II Международной научно-технической конференции «Проблемы безопасности жизнедеятельности» (Солигорск, 1999), на семинарах-совещаниях Проматомнадзора Республики Беларусь по обмену опытом надзора за безопасным ведением горных работ и комплексным использованием полезных ископаемых на Старобинском месторождении калийных солей (Солигорск, 2000-2005), на Международных научно-технической конференциях «Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках» (Болгария, Варна, 1998-2002), на технических совещаниях РУП «ПО «Беларуськалий» (Солигорск, 2000-2005), на научно-технических советах ЗАО «Солигорский Институт проблем ресурсосбережения с Опытным производством» (1999-2005).
Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 43 научные работы общим объемом 922 страницы, в том числе монографий -3, статей в научных журналах - 19, статей в научных сборниках - 16, получено патентов на изобретения - 5.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы 278 страниц, в том числе 156 страниц машинописного текста, 104 рисунка, 32 таблицы. Список использованных источников включает 212 наименований.
Газодинамические явления в калийных рудниках
Разработка Третьего калийного пласта на месторождении осложняется газодинамическими явлениями (ГДЯ), которые происходят при ведении подготовительных и очистных горных работ. Газодинамические явления происходят в виде внезапных и искусственно инициированных выбросов соли и газа, обрушений пород кровли, сопровождающихся газовыделениями, отжимов призабойной части пород, сопровождающихся звуковыми эффектами, разрушением и выносом разрушенной породы в горную выработку. Внезапность, большая энергия и высокая скорость разрушения массива соляных пород при газодинамических явлениях приводят к травмированию, а иногда, к гибели шахтеров, разрушению дорогостоящего горного оборудования, значительным простоям высокопроизводительных добычных комплексов, создают психологическую и социальную напряженность в рабочих коллективах рудников.
Внезапные и искусственно инициированные выбросы соли и газа происходят только при вскрытии горными выработками геологических нарушений, получивших на месторождении название мульда погружения. Термин «мульда погружения» требует некоторого уточнения, ибо в соответствии с применяемой в геологии терминологией мульда есть не что иное, как замыкающаяся книзу поверхность. Термин «мульда» используется для тех замыкающихся книзу поверхностей, когда термин «синклиналь» в его истинном стратиграфическом значении не может быть применен [13]. В связи с этим, в термине «мульда погружения» дополнительное уточнение «погружения» является лишним и вносит некоторую неопределенность в этимологию этого термина. Поэтому в дальнейших рассуждениях будем использовать только термин «мульда». Мульды в условиях III калийного горизонта представляют собой уникальные геологические нарушения, имеющие относительно небольшие размеры 20,0 - - 35,0 м в плане. Горизонтальное сечение мульд имеет форму близкую к эллипсовидной или круговой, а вертикальное сечение дает воронкообразную форму (рис. 1.3). Углы падения слоев соляных пород изменяются от пологих (не более 5 - 6) в краевых частях мульды до крутых (30-80) вблизи ее центра. Для большинства мульд характерно наличие ядра, представляющего собой типичную брекчию. Форма ядра сферическая или изометрическая, породы в пределах ядра - перемятые и перемешанные. Обломки соляных пород в ядре представлены каменной солью и карналлитом, заполняющий материал -галопелиты. Размеры обломков изменяются от 0,1 м до 1,0 м. В области мульды отмечаются системы концентрических и радиальных трещин, заполненных галитом, сильвином и карналлитом, увеличивается количество разноориентированных прожилков. В пределах мульд всегда устанавливаются признаки выщелачивания и замещения сильвинитов, карналлитов и каменной соли, которые фиксируются по уменьшению мощности слоев, их «выклиниванию», изменению химического и минерального состава пород. В различной степени эти процессы проявляются в большинстве слоев сильвинита, карналлита и каменной соли. В настоящее время не вызывает дискуссий тот факт, что мульды образовались в результате воздействия на породы III горизонта агрессивных водных растворов, недонасыщенных по тем или иным компонентам. Воздействие агрессивных водных растворов приводит к формированию зон измененных пород, которые характеризуются набором соответствующих признаков. Наиболее ярко эти признаки проявляются в центральных частях мульд, а на периферии они сглаживаются из-за естественной эволюции состава водных растворов. Статистические данные о внезапных и искусственно инициированных выбросах соли и газа свидетельствуют о том, что на месторождении произошло 32 выброса соли и газа и все они приурочены к локальным геологическим нарушениям - мульдам. Этот факт свидетельствует об однозначной связи выбросов соли и газа с мульдами.
Обрушения пород кровли, сопровождающиеся газовыделениями, происходят в результате непосредственной подработки горными выработками скоплений свободных приконтурных газов. Анализ показывает, что полости, образовавшиеся при ГДЯ этого вида, имеют плоское верхнее основание, приуроченное, в основном, к месту нахождения в массиве приконтактных газов (зоны контактов литологических разностей пород), и эллиптической формы нижнее основание (рис. 1.4). Высота полостей изменяется от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Во всех случаях газодинамические явления этого вида протекают с характерным звуковым эффектом (типа сильного хлопка) и сопровождаются воздушной ударной волной. Физико-геологический механизм образования очагов ГДЯ этого вида в настоящее время не разработан, и в литературных источниках отсутствуют даже гипотезы возможного механизма. В то же время, статистические данные свидетельствуют о том, что в подавляющем большинстве случаев очаги обрушений пород кровли, сопровождающихся газовыделениями, в условиях Старобинского месторождения приурочены или расположены вблизи тектонических трещин. Так, на месторождении зарегистрировано всего 100 явлений данного вида и в 36 случаях остальных 16 случаях положение тектонических трещин относительно полостей не установлено. Это связано с отсутствием достоверной информации о геологическом строении массива соляных пород в месте проявления ГДЯ. Таким образом, 84% очагов обрушений пород кровли, сопровождающихся газовыделениями, связано с тектоническими трещинами.
Этот факт до настоящего времени не получил достаточной генетической оценки и требует научного объяснения.
Отжимы призабойной части пород, сопровождающиеся звуковыми эффектами, разрушением с выносом породы в горную выработку, имеют интенсивность, не превышающую несколько тонн (рис. 1.5). В то же время, совершаемая ими работа угрожает жизни шахтеров и вызывает разрушение элементов конструкций применяемых комбайнов.
В калийных рудниках на III горизонте известны случаи травмирования шахтеров мелкими частями разрушенной породы, отброса комбайнов от забоя на расстояние до 3,0 м и разрушения ограждающих щитов. Детальный анализ случаев отжимов призабойной части пород показал, что все они приурочены к тектоническим трещинам. Раскрытие трещин в местах отжимов изменяется от 0,01 м до 0,03 м, достигая в отдельных случаях величины 0,05 м. Трещины, как правило, залечены, однако отмечались открытые геологические трещины с раскрытием 0,01 - 0,015 м, которые прослеживались от полостей отжимов вглубь массива на расстояние до 2,0 м.
Методика расчета пространственного НДС соляного породного массива в окрестности забоя горной выработки
Геомеханические процессы в породных массивах являются одними из наиболее сложных с точки зрения адекватного качественного и тем более количественного их описания на основе математического моделирования. Качественным критерием приемлемого математического решения задач геомеханики является ясная интерпретация, достаточно просто и четко объясняющая получаемые числовые и экспериментальные результаты. Это является возможным лишь тогда, когда в качестве исходной используется физически обоснованная гипотеза механического поведения породного массива, учитывающая сложные граничные условия, гетерогенность строения и состава толщи пород и т. д.
Следует отметить, что если на сегодня успехи в решении проблемы качественного соответствия реальных геомеханических процессов и их математического описания являются значительными, то с задачей количественного соответствия результатов вычислений и данных натурных наблюдений дело обстоит не столь успешно, так как достичь высокой количественной точности при рассмотрении математических моделей крайне сложно. Одна из причин такого положения заключается в несоответствии механических и прочностных характеристик, используемых для расчетов, и реальных характеристик рассматриваемой породной толщи, вследствие сильно статистического их характера. Следующей причиной служит то обстоятельство, что невозможно построить механико-математическую модель, которая бы в точности отражала все особенности реального процесса и т. д.
Обоснованию эффективности использования математических методов анализа напряженно-деформированного состояния породного массива посвящено большое количество работ, подробный обзор и анализ которых приведен, например, в работе [124].
Поскольку в механике точных аналитических решений по сравнению с огромным многообразием задач получено лишь ограниченное число, то естественно, что для их решения широко применяются численные методы. Среди последних такие, как метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов (МГЭ), метод конечных разностей (МКР), метод конечных объемов (МКО), градиентный метод, смешанные методы и многие другие. В общем случае численные методы подразделяются в зависимости от фундаментальных законов и аналитических зависимостей, являющихся базисом построения основополагающих основ численных методов.
Главное преимущество численных методов заключается в том, что они являются весьма гибкими по отношению к вариациям исходной силовой и геометрической информации и позволяют быстро выполнить анализ воздействия разнообразных определяющих переменных (геометрических, нагружения, особенностей структуры и свойств) на состояние механической системы.
В последние годы особое внимание уделяется развитию так называемых «смешанных» компьютерных технологий, основанных на использовании одновременно несколько методов (наиболее часто МКЭ, МГИУ, МКО). Такой подход начинает доминировать при создании коммерческих прикладных пакетов. Главное преимущество таких технологий заключается в том, что они позволяют использовать наиболее сильные стороны каждого метода. Например, МКЭ использует конечные элементы для дискретизации области исследования. Поэтому процедуры формирования функций формы выполнения локального и глобального интегрирования являются достаточно легкими. Однако необходимая точность результатов вычислений при использовании МКЭ может быть обеспечена при условиях, что конечно-элементная сетка не является значительным образом искривленной, и «хорошая» форма элементов сохраняется при компьютерных вычислениях. Для случаев, когда рассматриваемая область испытывает большие деформации и в ней имеют место разрывы сплошности, или в результате процессов разрушения образуются трещины, то выполнение приведенных требований не может быть гарантировано.
В настоящее время реализуемые численные методы собраны (скомпонованы) в специальные пакеты, предназначенные для решения определенных классов задач механики. Каждый пакет можно установить на персональном компьютере или рабочей станции, что ведет к отсутствию необходимости в обслуживающем персонале и больших коллективах специалистов, задействованных над проектом.
Взаимодействие исследователя-пользователя с пакетом осуществляется по следующей схеме. Пользователь загружает пакет, подготавливает в нем входную информацию, затем «передает ее на выполнение пакету» и получает результаты решения. Работа с процедурами на сегодня существенно упрощена: подготовка исходной информации выполняется непосредственно на экране компьютера в интерактивном графическом режиме; имеются развитые библиотеки конечных элементов; быстро и эффективно задаются физико-механические свойства материалов; генерация сеток для реализации численных методов производится автоматически; физические соотношения, описывающие поведение среды, выбираются пользователем из большого набора реализуемых в пакете уравнений состояния и поведения среды (решение в рамках теории (вязко)упругости, (вязко)пластичности и т.п., статические задачи или динамические и т.д.); имеется широкий выбор инструментария для визуализации, отображения и анализа результатов расчетов (выбор вида и типа отображений напряжений, деформаций, усилий и т.п.).
Следует подчеркнуть, что использование пакетов ни в коей мере не умоляет достоинств фундаментальных аналитических решений, так как они являются математическим базисом алгоритмов, лежащих в основе построения пакетов. Различные готовые аналитические решения и математические подходы решения систем разрешающих уравнений задач механики закладываются разработчиками в основу пакетов (эти процедуры можно сравнить с использованием справочников готовых решений разнообразных интегралов).
Иллюзия незначительной сложности и даже простоты решения задачи механики с помощью универсальных и специализированных пакетов является обманчивой. От пользователя требуется хорошая подготовка в области механики, наличие фундаментальных знаний как общих основ механики, так и ее многочисленных специальных разделов и приложений. Так, пользователю необходимо отличное понимание сути задачи; умение из так называемых «кубиков» готовых наборов решений, численных алгоритмов, библиотек элементов, нагрузок, видов взаимодействия элементов конструкций и т.д. выбрать подходящие и скомпоновать в корректно сформулированную математическую и механически верную модель; исследовать правильность вычислительных процедур на контрольных промежуточных шагах и интерпретировать полученные результаты и т.д. необходимо отличное понимание сути задачи, не говоря уже о базовой подготовке в области математики, механики, физики.
Компьютерное моделирование НДС и динамической устойчивости резца исполнительного органа комбайна
Для выбора рациональных параметров исполнительных органов комбайнов и определения оптимальных режимов их работы необходимо выполнить комплексные исследования, включающие решение целого ряда задач. К ним относятся, например, такие задачи, как определение диаметра и кинематических характеристик движения исполнительного органа, установление зависимостей усилий на резцах от параметров резания и физико-механических свойств разрушаемой горной породы и др.
Важнейшим конструктивным параметром исполнительного органа комбайна является его диаметр (высота), который должен иметь несколько типоразмеров для осуществления эффективной выемки продуктивных пластов с учетом потерь и разубоживания калийных руд. С изменением диаметра исполнительного органа конструктивные (геометрические) параметры исполнительного органа также претерпевают изменения, причем геометрические параметры узлов и деталей изменяются непропорционально диаметру исполнительного органа, поскольку в каждом конкретном случае вступают в силу различные конструктивные, технологические и прочностные требования. Вместе с тем, с изменением диаметра режимные параметры не должны испытывать больших отклонений, так как в противном случае исполнительный орган будет испытывать неблагоприятный режим работы. В таких условиях представляется весьма трудным в каждом конкретном случае найти совокупность конструктивных и режимных параметров, которая обеспечивала бы работу исполнительного органа в оптимальном режиме с учетом выбранных или заданных критериев качества. К тому же, применительно к исполнительному органу, математические зависимости, описывающие взаимосвязь режимных и конструктивных параметров, являются функционалами и имеют сложное представление. Так как при выборе диаметра исполнительного органа приходится иметь дело с десятками параметров, то вопрос о необходимости оптимизации этих параметров является актуальным.
В калийной промышленности до настоящего времени имеет место особая ситуация, обусловленная тем, что применяемые для добычи калийных руд комбайны выпускаются заводами горного машиностроения как оборудование, ориентированное для добычи угля и поэтому их параметры, обеспечивающие режимы разрушения, как правило, не соответствуют горногеологическим условиям месторождений калийных солей.
Создание современных машин высокого технического уровня предполагает использование новых прогрессивных методов проектирования, разработку новых подходов и методов расчетов и активное использование при конструировании методов компьютерного моделирования [130-133].
Как было показано в предыдущих главах, одним из наиболее эффективных способов управления ГДЯ в виде отжима пород из призабойной части, является разработка такого исполнительного органа проходческо-очистного комбайна, который позволяет за счет создания соответствующей формы забоя максимально уменьшить вероятность развития ГДЯ в проводимой выработке. В текущей главе рассмотрена данная комплексная задача.
Задача разработки исполнительного органа проходческого комбайна для создания специальной формы забоя, позволяющей уменьшить вероятность развития ГДЯ, требует решения целого ряда отдельных крупных задач.
Для решения задач, связанных с изучением различных режимов резания калийной соли, установления закономерностей данного технологического процесса и выбора оптимального режущего инструмента для исполнительного органа была выполнена серия специальных лабораторных исследований. Лабораторные исследования проводились на стендовой установке (рис.3.1), при этом использовались резцы типов, наиболее распространенных в калийной промышленности. При добыче калийной соли применяются как резцы стандартной формы (в частности резцы Д6.22), так и круглые резцы, имеющие возможность вращения вокруг собственной оси. Это вращение обеспечивает более равномерный износ и повышенную долговечность резцов. К числу круглых относятся резцы типа РКС-1, РКС-2, резцы фирмы «Eickhoff» и др.
Для проведения исследований были разработаны специальные методики, учитывающие особенности разрушения калийных пород при различных схемах работы исполнительного органа.
А. Одной из важных задач является определение оптимальных режимов резания калийных пород и определение усилий, возникающих при этом в системе «резец - горная порода». Пример обобщения результатов выполненных стендовых испытаний при изучении усилий при резании горной породы приведен на рис. 3.2. Анализ результатов испытаний показал, что значения усилий резания возрастают с увеличением толщины и ширины среза (рис.3.2). Значения же усилий подачи Ру изменяются по нелинейным зависимостям, причем значения Ру при увеличении толщины среза до некоторого критического значения возрастают (в опытах при изменении толщины среза от 0,5 см до 1 см), а при дальнейшем увеличении толщины среза больше критического они уменьшаются (в опытах от 1,0 см до 1,5 см).
Д. Сравнение удельных энергозатрат на разрушение калийной соли при последовательной и шахматной схемах резания показывает, что шахматная схема резания предпочтительнее, т.к. при больших толщинах (h = 1.5 см) обеспечивает снижение удельных энергозатрат примерно на 10%.
Е. С целью получения данных, необходимых для выбора рациональных частот вращения исполнительного органа комбайна были проведены исследования влияния скорости резания на показатели разрушения калийной соли. Во время проведения стендовых испытаний скорость резания калийной соли варьировалась в пределах от 16 до 48 м/мин. Результаты исследований приведены в табл. 3.1. 89
Анализ данных стендовых испытаний подтвердил результаты и выводы, приведенные в работах [134,135] о том, что средние силы, действующие на резец, при разрушении калийной соли не зависят от скорости резания (из табл. 3.1 следует, что при изменении скорости резания от 16 до 48м/мин средние значения сил ъ Ру и Рх изменяются незначительно).
Ж. Следующий этап лабораторных исследований касался определения рационального угла установки резцов, при котором обеспечиваются минимальные значения как усилий, действующих на резец при резании, так и наименьшие удельные энергозатраты на разрушение калийных солей.
На рис.3.8 и рис.3.9 приведены зависимости составляющих сил Pz и Ру, приложенных к резцу, от угла установки оси резца в относительно плоскости резания. Из результатов экспериментов следует, что рациональными значениями углов установки резцов при разрушении сильвинитовой породы по последовательной схеме резания с шагом реза t -4,0 см и t - 5,0 см являются величины углов в интервале от 36 до 38. При этих углах установки резцов будет обеспечиваться разрушение сильвинитовых горных пород с наименьшими удельными энергозатратами и наибольшей производительностью комбайна. Рациональными углами установки резцов с точки зрения обеспечения минимальных усилий подачи резцов на забой также являются углы 36-38.
Определение критического диаметра скважины из условий создания обнажений безопасной площади
Рама грузчика в средней части шарнирно соединена с рамой гусеничного хода, а в передней опирается на два гидроцилиндра, нижние концы которых закреплены на раме гусеничного хода. На раме грузчика крепятся все основные сборочные единицы комбайна. При помощи гидроцилиндров рама грузчика может быть опущена вниз или поднята вверх, что позволяет управлять движением комбайна в вертикальной плоскости.
Бермовый орган выполнен в виде шнека и двух бермовых фрез с приводами, корпуса которых закреплены на раме грузчика. Для бурения шпуров на комбайне имеется бурильная установка, которая закреплена на раме грузчика.
Комбайн оснащен электрическим и гидравлическим пультами управления, установленными в кабине машиниста, работает с бункер-перегружателем и самоходным вагоном.
Относительное вращение резцов и центральных резцовых инструментов осуществляется через редуктор исполнительного органа, раздаточный редуктор и редуктор резцовых инструментов от электродвигателя ВА02-280М4. Переносное вращение резцовых инструментов вместе с забурниками осуществляется через редуктор исполнительного органа от электродвигателя переносного вращения ВРП 200-L6. Передачи редуктора переносного вращения размещены в общем корпусе редуктора исполнительного органа и получают вращение от двигателя ВРП 200-L6 через зубчатую муфту, две передачи и две пары цилиндрических шестерен.
Для разрушения целика, остающегося по центру исполнительного органа, на корпусе раздаточного редуктора установлены два забурника с резцами Д6.22.
Бермовый орган предназначен для разрушения массива в нижних углах выработки и оформления почвы проходимой выработки, а также для транспортирования горной массы к приемной части скребкового конвейера и погрузки на него. Он состоит из двух приводов бермового органа и шнеков.
Привод бермового органа состоит из двигателя ABP250S6 или 2BP250S6 мощностью 45 кВт, конической и четырехступенчатой цилиндрической зубчатых передач, вмонтированных в корпус. Правый и левый приводы бермового органа кинематически разделены и передают вращение шнеку и боковой фрезе соответствующей части бермового органа. Шнеки насажены на общий вал, причем могут поворачиваться относительно друг друга, чем и достигается кинематическое разделение первого и левого приводов бермового органа и их вращение в противоположных направлениях. Корпуса редукторов бермового органа крепятся к раме конвейера при помощи клинового соединения и болтов. В нижней части корпусов установлены щитки, регулируемые по высоте при помощи гидроцилиндров.
Конвейер служит для транспортирования отбитой горной массы и ее погрузки в бункер-перегружатель или самоходный вагон. Рама конвейера шарнирно соединена с рамой гусеничного хода при помощи двух цапф и опирается на два гидроцилиндра, шарнирно закрепленных на раме гусеничной тележки. Такое соединение рамы конвейера с рамой гусеничного хода обеспечивает подъем-опускание бермового органа и рабочего органа относительно опорных поверхностей гусениц с целью управления движением комбайна в вертикальной плоскости. Хвостовая часть конвейера через поворотный стол соединена с задней рамой с помощью шарнира и одного цилиндра, который может осуществлять подъем-опускание хвостовой части относительно горизонтального положения. Под поворотным столом установлены еще два гидроцилиндра, которые служат для поворота хвостовой части конвейера в горизонтальной плоскости в обе стороны на угол ±40. Привод скребковой цепи расположен на хвостовой части конвейера и состоит из двигателя ВРП180М4 мощностью 30 кВт и двух цилиндрического и конически-цилиндрического редукторов, соединенных между собой шлицевым валом. Натяжение скребковой цепи осуществляется перемещением приводной головки при помощи двух гидроцилиндров.
Гусеничный ход обеспечивает подачу комбайна на забой, перемещение во время холостого перегона, а также его повороты и развороты. Гусеничный ход состоит из приводов правой и левой гусениц, правой и левой гусеничных тележек, кронштейна буфера и двух гусеничных цепей. Он имеет боковые направляющие лыжи, связанные с гидроцилиндрами с раздельным управлением. Для предотвращения произвольного сползания комбайна по уклону каждый редуктор снабжен гидромеханическим тормозом, который при отключении гидросистемы автоматически при помощи пружины и кулачковой муфты затормаживает один из валов редуктора.
Электрооборудование комбайна предназначено для распределения электрической энергии приводам его агрегатов, управления этими приводами, освещения, сигнализации и защиты. Электрооборудование выполнено в рудничном взрывозащищенном искробезопасном исполнении в соответствии с требованиями «Правил безопасности при разработке подземным способом соляных месторождений Республики Беларусь», «Нормативов по безопасности забойных машин и комплексов для рудников соляных месторождений Республики Беларусь», стандартов на рудничное взрывозащитное электрооборудование и других нормативных документов по безопасности труда.
Опытно-промышленные испытания были организованы на руднике 1 РУ РУП «ПО «Беларуськалий». За период испытаний комбайна было добыто 50000 т, что составляет 2736 усл. погонных м. горных выработок сечением 8,3 м2. Испытания показали, что принятая компоновочная схема комбайна является работоспособной и соответствует условиям технического задания. Комбайн удовлетворительно вписывается в требуемые радиусы поворота и обеспечивает хорошую маневренность при движении по гипсометрии пласта. При проведении выработок случаев внезапных отжимов призабойной части пород отмечено не было. В процессе испытаний были выявлены и устранены некоторые недостатки в конструкции комбайна.
С целью установления степени загрузки привода исполнительного органа комбайна был выполнен комплекс исследований, при которых определялись эффективность оснащения режущих инструментов резцами Д-6 или РКС, соответствие режимам работы комбайна установленного на приводе бермового органа двигателя ВАО 82-6 (45 кВт), влияние угла падения пласта на выгрузку отбитой руды из забоя бермовым органом. Замеры потребляемой мощности осуществлялись самопишущими ваттметрами «Н-395». Обработка полученных данных позволила установить зависимость потребляемой мощности от скорости подачи комбайна (рис.3.28).
На основании полученных зависимостей установлено, что при загрузке двигателя главного исполнительного органа до номинальной мощности (160 кВт) и оснащении режущих инструментов резцами Д-6 (2) скорость подачи комбайна составляет 0,23 м/мин (4 т/мин), а двигатель бермового органа (ВАО 82-6) загружен на 122 % (6). При оснащении режущих инструментов резцами РКС (1) - соответственно 0,166 м/мин (2,9 т/мин) и 84%. Наблюдениями за работой комбайна установлено, что при скорости подачи комбайна 0,16-0,2 м/мин происходит выдавливание отбитой руды через ограждающий щит с левой стороны и через некоторое время происходит опрокид двигателя бермового органа.
Для устранения перечисленных выше недостатков на бермовый орган был установлен двигатель ЭДКОФ 43-4 (55 кВт и 1500 об/мин вместо 1000 об/мин ВАО 82-6). Исследование загрузки привода бермового органа с одно- и двухзаходной винтовой линией шнека показало, что с достаточной для инженерных расчетов точностью в измеренных пределах потребляемая мощность практически одинакова и обеспечивается возможность загрузки привода главного исполнительного органа с резцами Д-6 до номинальной мощности.
