Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важных проблем совершенствования подземного способа добычи угля является задача создания эффективной техники и технологии выемки пологих угольных пластов мощностью 0,9...1,5 м, промышленные запасы которых в горных отводах действующих шахт России составляют около 48%, а в резервных участках - более 70%. В тонких пластах сосредоточены запасы высококачественных углей остродефицитных марок А, К, Ж, Г.
Незначительный объём добычи из данной группы пластов (в 2005 г. 7-8 млн.т/год или 8% подземного способа) объясняется отсутствием надежных и высокопроизводительных комплексов для их отработки. Средние нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой (КМЗ) при выемке тонких пластов составляют 550-1200 т/сут, что зачастую является недостаточным для обеспечения конкурентоспособности добываемого угля по сравнению с его добычей на пластах мощных и средней мощности и приводит к списанию запасов по экономическим соображениям.
Во многом сдерживающим элементом в повышении нагрузки на КМЗ является выемочная машина. На шахтах РФ комплексно-механизированная технология отработки тонких пластов применяется в двух вариантах: комбайновой и струговой. Главенствующее положение занимает комбайновая технология как наиболее соответствующая зачастую сложным горногеологическим условиям залегания тонких угольных пластов.
В условиях отработки тонких пластов к основным недостаткам очистных комбайнов относятся: высокий удельный расход электроэнергии (0,6...1,2 кВт-ч/т); излишнее переизмельчение угля шнеками, ведущее к снижению сортности добываемого угля и интенсивному пылеобразованию; низкая погрузочная способность шнеков и др. Недостатки струговых установок: существенные ограничения по сопротивляемости угля резанию; значительные трудности при работе на пластах со сложной гипсометрией и мелкоамплитудной нарушенностью; низкий коэффициент машинного времени, не превышающий в среднем 0,2. Немецкие струговые установки нового технического уровня также предъявляют жесткие требования по горно-геологическим условиям и имеют высокую стоимость.
Таким образом, разработка высокоинтенсивной технологии и создание эффективной техники для выемки тонких угольных пластов, использующей лучшие технические и технологические решения узкозахватной и струговой выемки и частично устраняющей их негативные стороны, является актуальной научной и практической задачей.
Целью работы является обоснование технических и технологических параметров выемки тонких угольных пластов с применением быстроходной выемочной машины с малым захватом.
Идея работы. Создание специальной конструкции исполнительного органа быстроходной выемочной машины в комплексе со скалыванием нижней угольной пачки скалывающе-погрузочным лемехом скребкового конвейера приведет к сочетанию положительных качеств комбайновой и струговой технологий при механизированной выемке тонких угольных пластов машиной БВМ.
Основные научные результаты, выносимые на защиту, и их новизна:
1. Закономерности влияния минимального диаметра обечайки барабанно-
дискового исполнительного органа быстроходной выемочной машины БВМ с
малым захватом на критическую частоту вращения исполнительного органа,
обеспечивающую его гарантированную разгрузку.
Закономерности формирования максимальной толщины стружки на барабанно-дисковом исполнительном органе быстроходной выемочной машины БВМ в зависимости от скорости ее подачи и минимального диаметра обечайки исполнительного органа при соблюдении его критической частоты вращения, позволившие обосновать рациональные технические и технологические параметры выемки тонких угольных пластов с применением машины БВМ.
Зависимости формирования удельного напорного усилия на лемехе-скалывателе скребкового конвейера от размеров разрушаемой нижней угольной пачки, конструктивных параметров скалывателя и физико-механических свойств угля и вмещающих пород, определяющие усилие домкратов передвижки скребкового конвейера, необходимое для эффективной погрузки отбитой горной массы и скалывания нижней пачки угля.
Достоверность разработанных научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью постановки задач исследования; применением фундаментальных положений теории резания угля; корректным применением апробированных математических методов (метод расчетных вариантов, методы математической статистики, методы экономико-математического и графо-аналитического моделирования); удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований с экспериментальными данными стендовых испытаний (расхождения результатов составляют не более 22%, значения коэффициентов корреляции не ниже 0,93).
Методы исследования включают в себя: систематизацию и анализ литературных источников и результатов исследовательских работ по изучению процессов резания и разгрузки барабанных и комбинированных исполнительных органов, процессов скалывания угля клинообразным инструментом; экспериментально-статистический метод с применением математической статистики; аналитический метод расчета параметров исполнительного органа с применением компьютерных программ; метод графо-аналитического модели-
рования процесса разгрузки исполнительного органа; экономико-математический метод по определению оптимальных параметров системы разработки с применением машины БВМ. Научное значение работы состоит:
в установлении закономерностей формирования критической частоты вращения исполнительного органа машины БВМ и максимальной толщины стружки; разработке расчетных зависимостей по определению рациональных режимных параметров работы машины БВМ с барабанно-дисковым исполнительным органом с центробежной разгрузкой и уточнении на их основе метода расчета схем резания и расстановки резцов на исполнительном органе данного типа;
в установлении характерных закономерностей процесса скалывания нижней пачки угля скалывающе-погрузочным лемехом скребкового конвейера и зависимости удельного напорного усилия на лемехе-скалывателе от размеров разрушаемой пачки угля, геометрии скалывателя и физико-механических свойств угля и вмещающих пород.
Практическая ценность работы:
разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров выемки тонких угольных пластов с применением быстроходной выемочной машины БВМ с малым захватом, обеспечивающие минимальные энергозатраты на разрушение, улучшение сортности добываемого угля при соблюдении условия эффективной центробежной разгрузки ее исполнительного органа;
установлены расчетные зависимости для определения рациональных режимных и конструктивных параметров работы машины БВМ (критической частоты вращения и минимального диаметра обечайки исполнительного органа, максимальной толщины стружки, скорости подачи) и удельного напорного усилия на лемехе-скалывателе скребкового конвейера. Уточнен метод расчета параметров схем резания и расстановки резцов на барабанно-дисковом исполнительном органе с центробежной разгрузкой;
разработана конструкция барабанно-дискового исполнительного органа с центробежной разгрузкой для машины БВМ, обеспечивающая высокоинтенсивную (скорость подачи до 21 м/мин) энергосберегающую выемку тонких угольных пластов с сопротивляемостью резанию до 300 Н/мм и представляющая собой дисковый барабан, оснащенный резцовым инструментом и специальными карманами (впадинами).
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований были использованы ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского совместно с ОАО «ПНИУИ» при выполнении государственных проектов по разработке технологических схем выемки тонких угольных пластов с применением быстроходной выемочной машины БВМ, рабочей конструкторской документации на комплекс горно-шахтного оборудования с применением машины БВМ и разработке типовых схем вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов для
шахт РФ на базе высокопроизводительных и безопасных технологий горных работ (Госконтракты № 41.003.11. 2913 от 26.02.02 и № 113-ОПН-05п от 23.09. 2005 г).
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение на научном симпозиуме в рамках "Недели горняка" (Москва, 2005, 2006); 54-й Региональной научно-практической конференции Шахтинского института Южно-Российкого государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) (Шахты, 2005), научных семинарах ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Ско-чинского (2004-2006 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 - в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 137 страниц, 25 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 63 наименований.
Автор выражает благодарность коллективу лаборатории "Технология и механизация очистных работ" ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского за оказанную помощь в организации и проведении исследований.
