Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние и перспективы развития безлюдной технологии подземной угледобычи 14
1.1 Анализ состояния и направлений развития технологий угледобычи 14
1.1.1 Анализ состояния и направлений развития технологии отработки угольных пластов длинными комплексно- механизированными забоями 14
1.1.2 Анализ состояния и направлений развития технологии комплексной механизации основных технологических процессов с отработкой угольных пластов короткими забоями 17
1.2 Анализ и оценка результатов исследований и производственного опыта применения гидравлической технологии разработки угольных месторождений для конструирования агрегатов безлюдной выемки угля 19
1.2.1 Анализ производственного опыта дистанционной гидравлической выемки угля и обоснование элементов адаптивных к безлюдной гидравлической технологии 20
1.2.2 Анализ и оценка результатов научных исследований способов и средств формирования струй для создания шахтных самоходных гидромониторов 26
1.3. Анализ влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность разрушения угля и пород 34
1.4. Обоснование актуальности исследований и разработки технологических требований к техническим средствам подземной гидромониторной выемки угля в сложных горно геологических условиях 37
2 Разработка вариантов технологии безлюдной гидравлической выемки угля в сложных горно геологических условиях 40
2.1 Обобщение реализованных на гидрошахтах технологических схем дистанционной выемки угля в коротких забоях гидромониторами 41
2.1.1 Технологические схемы дистанционной гидравлической выемки пологих и наклонных угольных пластов гидромониторами 43
2.1.2 Технологические схемы дистанционной гидравлической выемки крутых и крутонаклонных угольных пластов гидромониторами 47
2.2 Обобщение опыта реализации технологических решений выемки угля гидромонитором с элементами подвигания 49
2.3 Разработка технологических схем безлюдной технологии гидравлической выемки угля самоходными агрегатами 50
2.3.1 Технологические схемы гидравлической выемки угля самоходными агрегатами : 51
2.3.2 Технологические схемы гидравлической выемки угля самоходными агрегатами с приближением насадка гидромонитора к поверхности забоя 59
2.3.3 Технологические схемы скважинной гидродобычи из подземных выработок 63
2.4 Разработка схем выемки угля в заходках самоходным гидромонитором 65
3 Разработка алгоритма расчёта геомеханических параметров процессов взаимодействия гидромониторной струи с угольным пластом и самоходных средств крепления с породами кровли в коротком очистном зпабое 71
3.1 Методика исследований процессов взаимодействия гидромониторной струи и самоходных средств крепления с углепородным массивом в коротком очистном забое 71
3.2 Алгоритм расчета гидравлических и энергетических параметров гидромониторной струи 75
3.3 Разработка алгоритма расчёта смещений, напряжений и энергии деформации угольного пласта при воздействии гидромониторной струи 77 '
3.4 Алгоритм расчёта параметров взаимодействия гидромониторной струи и самоходных средств крепления с углепородным массивом 89
4 Разработка требований к техническим средствам гидравлической выемки угля и крепления пород кровли короткого забоя 102
4.1 Исследование процессов взаимодействия гидрофицированной самоходной крепи с углепородным массивом в коротком очистном забое 102
4.2 Исследование процессов взаимодействия гидромониторной струи с угольным массивом с учётом энергии горного давления 107
4.3 Технологические требования к техническим средствам гидравлической выемки угля и крепления пород кровли короткого очистного забоя 113
4.3.1 Разработка принципиальной технологической схемы подземной гидравлической выемки угля с использованием самоходного крепления пород кровли в коротких очистных забоях 113
4.3.2 Технологические требования к техническим средствам подземной гидравлической выемки угля и самоходного крепления пород кровли короткого очистного забоя 118
Заключение 123
- Анализ и оценка результатов исследований и производственного опыта применения гидравлической технологии разработки угольных месторождений для конструирования агрегатов безлюдной выемки угля
- Обобщение опыта реализации технологических решений выемки угля гидромонитором с элементами подвигания
- Разработка алгоритма расчёта смещений, напряжений и энергии деформации угольного пласта при воздействии гидромониторной струи
- Исследование процессов взаимодействия гидромониторной струи с угольным массивом с учётом энергии горного давления
Введение к работе
Актуальность работы. Реструктуризация угольной промышленности России привела к сокращению производственных мощностей угольных шахт за последние 10 лет в 1,7 раза, что связано с низкой рентабельностью и высокой промышленной опасностью применения традиционных технологий подземной угледобычи в сложных горно-геологических условиях. При расширении области применения средств комплексной механизации очистных подземных работ до 95%, в том числе с использованием новых технических средств отечественного и импортного производства, доля ручного труда при выполнении вспомогательных процессов остаётся на уровне 30-54%, а травматизм со смертельным исходом превышает 0,5 человека на 1 млн. т подземной добычи.
Одним из перспективных направлений развития подземной технологии угледобычи в сложных горно-геологических условиях является разработка и широкое промышленное применение технических средств, обеспечивающих выполнение опасных для людей процессов и операций технологического цикла.
Наиболее близко требованиям безлюдной роботизированной выемки угля соответствует гидравлическая технология угледобычи, базирующаяся на едином гидравлическом энергоносителе. Устранение присущих подземной гидродобыче угля недостатков (высокая до 140 кВт'ч/т энергоёмкость процесса разрушения угля, повышенная опасность при управлении кровлей на пластах, склонных к газодинамическим явлениям, неустойчивые режимы проветривания выработок, относительно высокие потери угля и др.) может быть обеспечено повышением эффективности гидравлического разрушения угля за счет приближения насадка гидромонитора к поверхности забоя, применения гидрофицированных механизированных секций для крепления выработок в опасных зонах и дистанционного управления технологическими процессами.
В связи с изложенным, обоснование технологических требований к новым техническим средствам подземной гидравлической выемки угля в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях для создания гидротехнологии нового научно-технического уровня является актуальной научно-практической задачей.
Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Новокузнецкого филиала-института Кемеровского государственного университета в 1996-2002гг., в том числе: региональной программе Кемеровского научно-образовательного комплекса (тема №27- 6, гос. per. № 01970004330), Федеральных целевых программ «Интеграция» (проект № 564, гос.рег. № 01990000622), Грантовые проекты №78, № 467, № 1650 Министерства образования РФ.
Целью работы является разработка технологических требований к техническим средствам подземной гидравлической выемки угля для эффективной отработки угольных месторождений в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Идея работы заключается в комплексном использовании сил взаимодействия гидромониторной струи, горного давления и крепи самоходного гидромониторного проходческого - очистного агрегата, разработанного с учетом технологических требований, элементами которых являются мобильность гидромонитора и гидрофицированной крепи, безопасность ведения работ и регулирование параметров выемки угля.
Основные задачи исследований:
обосновать концепцию и принципы создания проходческо - очистного самоходного гидромониторного агрегата для выемки угля в сложных горногеологических условиях;
разработать варианты технологических схем выемки угля самоходным гидромониторным агрегатом в коротком очистном забое;
разработать алгоритм расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя с учётом комплексного воздействия на
8 углепороднии массив гидромониторной струи и средств крепления пород кровли для управления давлением струи, перемещением агрегата и распором кровли;
установить зависимости производительности гидромониторного агрегата при изменении в процессе выемки угля геометрии короткого очистного забоя от прочности угля и угла наклона оси гидромониторной струи к поверхности забоя;
разработать технологические требования для создания проходческо -очистного самоходного гидромониторного агрегата, работающего в сложных горно-геологических условиях.
Методы исследований:
анализ технологий и опыта гидравлической добычи угля для выявления направлений совершенствования гидравлический технологии добычи угля и формализации требований к ней;
стендовые исследования и моделирование процессов выемки угля для установления зависимости производительности гидромониторной струи от геометрической формы поверхности забоя и крепости угля;
математическая статистика для обработки результатов моделирования:
- методы управления для разработки требований к дистанционному
управлению самоходного гидромониторного проходческо-очистного агрега
та;
- технико-экономический анализ эффективности технических и техноло
гических решений.
Научные положения, выносимые на защиту:
- концепция создания проходческо - очистного самоходного гидромони
торного агрегата базируется на принципах: максимального приближения на
садка гидромонитора, расположенного на подвижной платформе, к поверх
ности забоя; формирования уступной формы очистного забоя в зоне разру
шения угля, использования сил горного давления для повышения эффектив
ности разрушения угля, снижения удельной энергоемкости процесса разру-
9 шения угля, которые обеспечиваются за счет мобильности самоходной гид-рофицированной крепи;
- высокая адаптивность технологических схем выемки угля гидромониторным агрегатом к сложным горно-геологическим условиям достигается посредством расширения диапазона работы агрегата во взрывоопасной метановой среде, отработки локальных участков пласта сложной геометрической формы, дистанционного управления процессами выемки угля и передвижения агрегата;
алгоритм расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя базируется на комплексном использовании сил гидромониторной струи, горного давления и распора секции гидрофицирован-ной крепи;
эффективность выемки угля в очистной заходке зависит от угла наклоне оси гидромониторной струи к поверхности забоя и его геометрической формы в зоне выемки угля;
эффективность и безопасность эксплуатации проходческо - очистного самоходного гидромониторного агрегата обеспечивается реализацией технологических параметров, элементов и средств: повышения давления воды, установки анкерной крепи в очистном забое, пульпоформирования, перемещения и изменения угла наклона струи гидромонитора, системы мониторинга параметров технологических процессов и дистанционного управления агрегатом.
Достоверность научных положений, выводы и рекомендаций подтверждается:
положительными результатами опытных испытаний самоходных гидромониторных установок в зонах повышенного давления в условиях гидрошахт «Красногорская», «Тырганская», «Юбилейная» и «Полосухинекая» в Кузбассе;
использованием проверенных на практике элементов гидравлической и традиционных технологий для синтеза вариантов технологических схем
10 выемки угля самоходным гидромониторным агрегатом в коротком очистном забое;
использованием классических постановок научно-технических задач механики сплошных сред и аппарата их решения для разработки алгоритма расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя с учётом комплексного воздействия на массив гидромониторной струи и крепления пород кровли;
значительным объемом (более 600 вариантов) численных экспериментов в широком диапазоне горно-геологических параметров (глубина разработки 200-600 м, мощность пласта 2-4 м, ширина междукамерного столба 4-12 м, распор секции гидрофицированной крепи 0-2000 кН) для установления зависимости производительности гидроотбойки угля от этих параметров;
- соответствием разработанных технологических требований для соз
дания гидромониторного агрегата реализованным на практике технологиче
ским и техническим решениям в элементах широко применяемых на практи
ке устройств и механизмов: самоходных секций механизированной крепи,
буровых гидравлических станков, передвижных гидромониторов, повысите-
лей давления воды, систем дистанционного управления выемочными маши
нами.
Научная новизна результатов исследований заключается в:
разработке оригинальных технологических схем гидравлической выемки угля самоходным агрегатом, обеспечивающих эффективную отработку участков угольных пластов сложной геометрической формы, в том числе во взрывоопасной среде, зонах геологических нарушений и повышенного горного давления:
комплексном учете сил взаимодействия гидромониторной струи, горного давления и гидрофицированной самоходной крепи для разработки алгоритма расчета геомеханических и технологических параметров, реализуемого в системе дистанционного управления;
разработке принципиальной схемы управления выемочным агрегатом с обоснованием параметров режимов его работы посредством формирования уступной формы забоя и ориентации оси гидромониторной струи к поверхности забоя под углом 45-60;
создании самоходного гидромониторного проходческо-очистного агрегата, соответсвующего требованиям мобильности и безопасности ведения горных работ.
Личный вклад автора заключается в:
- разработке концепции и принципов создания проходческо — очистно
го самоходного гидромониторного агрегата для выемки угля в сложных гор
но-геологических условиях;
конструировании оригинальных вариантов технологических схем дистанционной выемки угля гидравлическим способом в коротком очистном забое;
разработке алгоритма расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя с учётом комплексного воздействия сил гидромониторной струи, горного давления и самоходной гидрофициро-ванной крепи;
установлении зависимостей производительности гидромониторного агрегата от крепости угля и угла наклона оси гидромониторной струи к поверхности забоя, изменяемой в процессе выемки для обоснования его параметров;
обосновании технологических требований для создания проходческо -очистного самоходного гидромониторного агрегата выемки угля в сложных горно-геологических горнотехнических условиях.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- разработанные технологические схемы дистанционной выемки угля в
коротком очистном забое проходческо-очистным самоходным гидромони
торным агрегатом позволяют вести отработку локальных участков и пластов
в сложных горно-геологических условиях, различной геометрической фор-
12 мы, в том числе во взрывоопасной метановой среде, в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления;
алгоритм расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя, учитывающий взаимодействие сил гидромониторной струи и горного давления, рекомендуется для расчета проектных показателей систем разработки короткими забоями;
технологические требования создают теоретическую основу проектирования самоходного гидромониторного проходческо-очистного агрегата для безлюдной выемки угля гидравлическим способом в сложных горногеологических условиях, использующего комплексное взаимодействие сил гидромониторной струи, горного давления и распора гидрофицированной крепи.
Реализация практических выводов и результатов работы. Полученные научные результаты, выводы и практические рекомендации использованы при:
- обосновании рентабельности отработки участков шахтных полей
шахт «Юбилейная», «Зиминка» и «Коксовая» по малозатратным технологиям
малых шахт в проектах ЗАО «Проектгидроуголь»;
разработке проектов строительства трех малых шахт с общими промышленными запасами 12,6 млн.т;
- курсовом и дипломном проектировании студентами Сибирского го
сударственного индустриального университета.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались на научно - практической конференции НФИ КемГУ «Взаимодействие образовательных, хозяйственных и административных структур в регионе» (2000), VII Междунарародной научно - практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III тысячелетии» (2000), V и VII Международной научно- практической конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработ-
13 ки месторождений полезных ископаемых» (2000-2002), Ученых советах факультета информационных технологий НФИ КемГУ (2002-20004).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 11 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, включает 6 таблиц, 36 рисунков и список литературы из 84 наименований.
Анализ и оценка результатов исследований и производственного опыта применения гидравлической технологии разработки угольных месторождений для конструирования агрегатов безлюдной выемки угля
В настоящем подразделе дан краткий анализ состояния и результатов исследований способов и средств гидравлического разрушения угля и пород. Установлено, что гидравлическое разрушения угля является эффективным и безопасным по сравнению с механическим и буровзрывным способами разрушения. Однако энергоемкость процесса разрушения угля достигает 140 кВт-ч/т. Причинами высокой энергоемкости являются недостаточная изученность процессов формирования и регулирования параметров струй шахтных гидромониторов, а также закономерностей взаимодействия гидравлической струи с угольным массивом. Возможность использования элементов гидравлической технологии для конструирования безлюдной выемки угля подтверждается наличием следующих признаков этой технологии: малооперационность технологического цикла; непрерывность (поточность) процессов технологического цикла; наличие единого энергоносителя; отсутствие источников воспламенения метана; отсутствие запыленности шахтной атмосферы; возможность работы технических средств в метановоздушной среде; возможность дистанционного автоматического управления процессом выемки угля с использованием компьютерного программного обеспечения. Указанные преимущества могут быть реализованы при гидравлическом разрушении угля гидромонитором.
Возможность создания безлюдной технологии следует из результатов проведенного в следующих пунктах настоящей работы анализа. Анализ производственного опыта дистанционной гидравлической выемки угля и обоснование элементов адаптивных к безлюдной гидравлической технологии Гидравлическое разрушение угля или пород происходит при воздействии движущейся струи воды с горным массивом. Наиболее полно гидравлический способ разрушения угля реализован при выемке угольных пластов на гидрошахтах с применением шахтных гидромониторов. В институтах ВНИИгидроуголь, УкрНИИгидроуголь, ИГД. им. А.А. Скочинского, ЛГИ, ДонУГИ и др. разработаны и испытаны на шахтах выемочные машины, гидромониторные агрегаты, установки и переносные гидромониторы с непрерывными и импульсными струями давлением воды от 0,2 до 250 МПа и расходом от 80 до 500 м /ч. Диаметры насадок менялись в широком диапазоне: для тонких струй - от 2 до 12 мм; для гидромониторных струй - от 12 до 50 мм [7-12,78]. Импульсные струи не нашли применения из-за некачественного формирования импульсов воды по длине струи и диссипации переносимой энергии за счет высокой турбулентности потока в каждом импульсе [21-24]. Однако результаты испытаний в шахтных условиях подтвердили снижение энергоёмкости процесса разрушения импульсными струями на 20-30 % по сравнению с энергоёмкостью разрушения непрерывной струей.
При шахтных испытаниях были выявлены следующие технические недостатки машин с импульсным формированием струи: низкая надежность, сложность и высокая металлоёмкость гидравлического аппарата, формирующего импульсную струю. Следовательно, возможности использования импульсных струй для создания гидромонитора-робота ограничены. Струи воды с различными добавками на основе поверхностно активных веществ - полимеров (ПАВ) неоднократно испытывались в лабораторных и шахтных условиях [25]. В результате испытаний процесса гидравлического разрушения струями с полимерными добавками было достигнуто увеличение производительности гидроразрушения на 15-25%. Данный способ не нашел промышленного применения по ряду причин: неустойчивость полимерных добавок и необходимость их постоянного пополнения для поддержания заданной концентрации в технологической воде; сброс полимерных добавок вместе с шахтным притоком воды в отстойники и водоемы снижает экологическую безопасность процесса добычи угля. Соответственно, разработка и использование конструкции гидромонитора-робота с устройством для автоматического нагнетания ПАВ в поток воды приведет не только к усложнению конструкции, но и дополнительным затратам по очистке воды. Для снижения энергоемкости процесса выемки угля в забое были разработаны способы регулирования параметров гидромониторных струй по напору и расходу воды. Реализация идеи в работе намечалась посредством использования высоконапорной воды только для гидравлического разрушения угля и низконапорной воды для смыва отбитой горной массы. Были разработаны способы регулирования параметров гидромониторных струй: ступенчатый и плавного регулирования давления технической воды. Способ управления параметрами струй с плавным регулированием давления воды потребовал создания: специального электродвигателя мощностью 3000 кВт для эксплуатации в подземных условиях; сложного электронного оборудования для управления электродвигателем с изменением частоты переменного напряжения; обратной связи с очистными забоями для управления процессом выемки угля. Оборудование изготовлялось, но не испытыва-лось, т.к. не удалось обеспечить автоматическую обратную связь с очистными забоями. Другое направление со ступенчатым регулированием параметров гидромониторных струй испытывалось на шахте «Тырганская» в Кузбассе и было реализовано последовательной работой нескольких высоконапорных насосов - с количеством ступеней регулирования, равным количеству насосов [27]. Экспериментальные исследования показали положительный результат. Ступенчатое регулирование параметров гидромониторных струй на шахте «Тырганская» применяется до настоящего времени, что позволило снизить энергоемкость добычи угля на 25-30 %. Общим недостатком обоих способов регулирования параметров гидромониторных струй является снижение расхода воды через насадок при понижении напора воды. Сокращение расхода воды через насадок гидромонитора приводит к снижению производительности смыва отбитого угля из заходки и надежности работы безнапорного гидротранспорта из-за уменьшения несущей способности потока [28]. Работа по увеличению расхода воды за счет регулирования диаметра насадок или увеличения их количества в процессе выемки угля в заходке осталось нереализованной, так как смена одного насадка на другой большего диаметра требует остановки процесса выемки угля. Наличие обратной связи является обязательным условием управления гидромонитором, поэтому в качестве одной из задач созданий и исследований безлюдной технологии следует выделить обеспечение устойчивой системы передачи и обработки информации между агрегатом и оператором. Наибольшее распространение получила гидравлическая выемка угля струями с нерегулируемыми параметрами. Этот способ реализуется по двум направлениям: полиструйное - с двумя и большим количеством насадков и моноструйное, применяемое в настоящее время на шахтах «Красногорская» и «Тырганская» в Кузбассе.
Для реализации идеи полиструйного разрушения пород разрабатывался двуствольный гидромонитор с заданным плечом между стволами, при котором происходит скол угля в промежутке между контактами струй с угольным массивом [22]. Для получения рациональной скорости перемещения струй по забою они вращались с заданной скоростью относительно общей оси. Испытания образцов двуствольного гидромонитора на шахте «Тырганская» подтвердили увеличение производительности на 35-40 % по сравнению с обычным одноствольным гидромонитором при одинаковом расходе и давлении воды. Однако разработка не нашла широкого применения из-за ограниченной дальности полета двух разделенных струй. Деление одной струи на две приводит к уменьшению размеров очистных заходок с 10-12 м до 6-8 м, увеличению затрат на проведение выемочных выработок. Многоструйные агрегаты с тонкими струями воды диаметром до 6-12 мм использовались при создании фронтальных агрегатов, испытанных на шахтах «Полосухинская» и «Юбилейная» в Кузбассе при давлении воды 9-10 МПа [17]. Низкое качество тонких струй не позволило получить снижение энергоемкости процесса гидравлического разрушения по сравнению с механическим способом и поэтому многоструйные агрегаты не нашли дальнейшего применения. Однако идея многоструйного разрушения угля может быть успешно реализована в конструкции агрегата в виде струга. Таким образом, из технических и технологических решений, направленных на увеличения производительности и снижение энергоемкости струйного гидравлического разрушения угля в безлюдной гидротехнологии можно применить: высоконапорные гидромониторные струи с нерегулируемыми параметрами давлением воды 12-14 МПа; двухступенчатое регулирование напора технологической воды, при котором давление воды на первой ступени 4-6 МПа и на второй ступени 12-14 МПа.
Обобщение опыта реализации технологических решений выемки угля гидромонитором с элементами подвигания
Попытки создания самоходного гидромонитора, непрерывно или циклически перемещающегося при выемке угля, предпринимались неоднократно [54-57 и др.]. Целью разработки новых технологических решений и создания новых технических средств было приблизить насадок гидромонитора к разрушаемой поверхности очистного забоя на расстояние меньше 50 d0, где d0-диаметр насадка гидромонитора. Научные исследования для достижения поставленной цели проводятся путем решения следующих основных задач: разработка технических средств передвижения гидромонитора в очистной заходке или по скважине; создание и обоснование параметров средств подачи высоконапорной струи к движущемуся гидромонитору; создание повысителей давления воды на самоходном гидромониторном агрегате. Наибольший прогресс достигнут при скважинной гидродобыче с земной поверхности /56/ и из горных выработок [55, 58]. Развитие гидродобычи из скважин, пробуренных с земной поверхности, привело к созданию технологии и технических средств подземной выплавки серы, добычи глубокоза-легающих песков и других россыпных месторождений /56/. Сложности реализации технологии скважинной добычи возникли из-за высокой энергоемкости подъема пульпы и больших затрат на бурение скважин большого диаметра.
На основе краткого анализа элементов существующих технологических схем гидромониторной выемки угольных пластов установлено, что для создания эффективной технологии подземной гидравлической выемки угля необходимо приблизить насадок гидромонитора к поверхности разрушаемого угольного пласта на расстояние не более 50 do, где d0 - диаметр насадка. Для реализации этой идеи необходимо разработать конструкцию, обосновать параметры и изготовить самоходный гидромонитор с повысителем давления. Обоснование параметров гидравлической струи самоходного гидромонитора приведено в настоящей работе. 2.3 Разработка технологических схем технологии гидравлической выемки угля самоходными агрегатами Предлагаемые технологические схемы технологии подземной гидравлической выемки угля могут быть реализованы при наличии самоходных гидромониторных агрегатов, имеющих следующую техническую характеристику: давление воды на входе в водоприёмник, МПа - 5-6; давление воды в стволе гидромонитора, МПа - 8-16; расход высоконапорной воды через насадок гидромонитора, м/с - 0,04- о,П; диаметр насадков гидромонитора, мм - 14, 16, 18, 22, 25,28, 304
Система управления - дистанционная, автоматическая, программная с обратной связью; шаг передвижки, м - 0.2 - 0,6; углы поворота корпуса выемочного агрегата от оси выемочной выработки, град. ± 90; углы поворота ствола гидромонитора, градус: в горизонтальной плоскости - ± 90; в вертикальной плоскости вниз - 45; в вертикальной плоскости вверх - 80; ширина, мм, не более - 1600; высота, мм, не более - 1200; длина корпуса, мм, не более - 4000. Разработаны варианты принципиальных технологических схем выемки пологих и наклонных пластов гидравлическим способом с использованием самоходных гидромониторов. Для реализации каждой из схем необходимо создать следующее оборудование: самоходный гидромониторный агрегат, средства подвода гидроэнергии, механизированную крепь, систему дистанционного управления и др. В этой связи предлагаемые схемы следует рассматривать как технологическую основу для конструирования указанного оборудования. 2.3.1 Технологические схемы гидравлической выемки угля самоходными агрегатами Разработанный вариант технологической схемы отработки пласта базируется на технологической схеме, приведенной на рисунке 2.1. Отличие предлагаемого варианта от технологической схемы базового (рисунок 2.1) заключаются в следующем (рисунок 2.4): гидромонитор с повысителем давления воды установлен на секциях механизированной крепи, обеспечивающих перемещение гидромонитора и крепление сопряжения очистной заходки и выемочной выработки; выемка угля в угольной полосе осуществляется заходками шириной 1-2 м; после выемки каждой заходки гидромониторный агрегат передвигается с помощью гидросистемы секции механизированной щели; после отработки угольной полосы осуществляется перемонтаж секций крепи и гидромонитора в следующую выемочную выработку. Для подготовки выемочного участка проводятся спаренными забоями параллельный и аккумулирующий штреки (рисунок 2.4). На сопряжении вентиляционного штрека с выемочной выработкой монтируется выемочный агрегат в виде трех секций механизированной крепи, оснащенных гидравлическими средствами распора и передвижки, гидромонитором и повысителем давления воды. Технологическая вода среднего напора давлением до 4 МПа подается от насоса по сети жестких и гибких трубопроводов на повыситель давления.
Отработка выемочного столба осуществляется обратным ходом от флангов к центральным выработкам панели. Выемка угольной полосы начинается сверху вниз от вентиляционного до параллельного штрека заходками шириной 1-2 м, что позволяет повысить производительность гидроотбойки за счет использования энергии горного давления. В процессе гидроотбойки происходит гравитационное обогащение пульпы при оставлении на почве заходки кусков породы. Гидротранспорт водоугольной пульпы осуществляется по почве выемочной выработки и желобам, уложенным в аккумулирующем штреке. После отработки заходки проводится передвижка секций крепи на 1 -2 м без отключения системы подачи низконапорной технологической воды и выемочный цикл повторяется. Управление передвижкой крепи и выемкой угля дистанционное или рабочее место оператора располагается под верхним перекрытием механизированной крепи за специальными ограждениями. При отработке мощных пластов возможна установка на выемочном агрегате двух гидромониторов для последовательной или параллельной работы. Разработан также вариант двусторонней выемки угля из выемочной выработки (рисунок 2,5), В этом случае ширина вынимаемой полосы может быть увеличена на 4-6 м в зависимости от горно-геологических условий. Выемочный агрегат оборудуется двумя гидромониторами, устанавливаемыми на усиленных противоотжимных или выдвижных козырьках секции механизированной крепи.
Разработка алгоритма расчёта смещений, напряжений и энергии деформации угольного пласта при воздействии гидромониторной струи
Согласно схемам очистных забоев (см. рисунок 2.8, 2.9) и граничным условиям, указанным на рисунке 3.2, угольный пласт в пределах очистной заходки находится в сложном напряженно-деформированном состоянии. Сложность состоит в том, что давление пород кровли на поверхность пласта неравномерное и его величина и характер распределения зависят от горногеологических факторов, условий обнажения боковых поверхностей заходки горными выработками, а также формы и размеров заходки, которые изменяются в процессе гидравлической выемки угля. К сложностям расчётной схемы следует также отнести форму поверхности забоя, на которую воздействует гидромониторная струя. В процессе перемещения контакта гидромониторной струи по поверхности забоя на последней возникают неровности в виде щелей, «стаканов», выступов. Соответственно изменяются напряженно-деформированное состояние угольного массива и углы между осью гидромониторной струи и поверхностью забоя. Другим фактором, осложняющим решение поставленной задачи, является анизотропия угольного массива, связанная с его трещиноватостью и включениями породных прослойков. Разработка алгоритма расчёта напряжений и деформаций угольного массива по методике, приведенной на рисунок 3.1 и с учетом граничных условий (рисунок 3.2), является сложной научной задачей, не имеющей аналогов в геомеханике.
Для упрощения алгоритмов расчета напряжений и деформаций в горных породах, как правило, рассматриваются идеализированные расчетные схемы: двумерная постановка задачи, изотропный однородный материал [7]. Наиболее корректным является решение задачи расчета напряжений и деформаций в угольном массиве при воздействии гидромониторной струи посредством идентификации ее с известной задачей для полубесконечного пространства, которое деформируется под влиянием сосредоточенной силы [70,71 и др.]. Для общего случая взаимодействия гидромониторной струи и поверхности забоя можно представить в виде геометрической схемы, приведенной на рисунке 3.3. Так как ось гидромониторной струи ориентирована относительно разрушаемой поверхности пласта под разными углами, то вектор давления струи можно разложить на проекции: РХ = Р cos(x, р), Py=Pcos(y,p), P2=Pcos(z,p), (3.9) где Рх, Ру, Pz - проекции вектора давления, гидромониторной струи соответственно на оси х,у, z (рисунок 3.6, а): реальных условиях при увеличении длины диаметр гидромониторной струи и её давление на поверхность забоя изменяются (рисунок 3.3, б). Эти зависимости параметров струи от её длины необходимо учитывать при расчёте объемов разрушенного угля. В общем случае давление струи на поверхность забоя можно представить в виде неравномерно распределенной нагрузки (рисунок 3.3,а).
В частном случае при нормальном расположении вектора гидромониторной струи относительно поверхности забоя эпюру распределена нагрузки на поверхность забоя можно представить в виде усеченной колоколообразной поверхности (рисунок 3.3, в,г). Уравнение этой поверхности принято в виде зависимости, близкой к нормальному распределению случайной величины, то есть Рг- давление по периметру гидромониторной струи (рисунок 3.3); R - радиус струи на поверхности забоя. Определение напряжений и деформации в анизотропном угольном массиве, возникающих под влиянием нагрузки, заданной в виде уравнения (3.11), является сложной геомеханической задачей. Поэтому для её решения предлагается численный метод конечных элементов. Для реализации метода конечных элементов (МКЭ) угольный массив в заходке рассматривается в виде системы элементов. Непрерывность напряжений и деформаций в пределах очистной заходки обеспечивается аппроксимацией дифференциальных уравнений механики сплошной среды системой линейных уравнений, число которых соответствует количеству неизвестных перемещений вершин элементов. Процесс дискретизации угольного массива на конечные элементы осуществляется поэтапно (рисунок 3.4). На первом этапе проводится деление заходки на призмы (рисунок 3.4, б), а потом для каждой призмы осуществляется построение тетраэдров (рисунок 3.4, в), количество которых может быть равно 5 или 6. Предложенная конечно-элементная модель очистной заходки соответствует технологии отбойки угля с помощью гидромониторной струи. Учитывая техническую возможность изменения положения высоконапорной гидравлической струи в пространстве с помощью гидромонитора - робота, предлагается на основе прогноза напряженно-деформированного состояния угольного массива в каждом конечном элементе проводить избирательную выемку угля путем перемещения гидромониторной струи по поверхности забоя к конечному элементу с максимальной энергией формоизменения. Таким образом, разработана конечно-элементная модель угольного массива в очистной заходке, система дискретизации которой соответствует идеологии избирательной выемки угля с учетом минимума энергетических затрат за счёт первоочередной выемки угля в конечных элементах с максимальными касательными напряжениями.
Учитывая сложность задачи её решение предлагается осуществлять поэтапно, согласно методике, приведенной на рисунке 3.1. При составлении условий равновесия (3.1) энергии формоизменения разрушаемого угля и энергии гидромониторной струи ее давление в виде распределенной нагрузки заменяется эквивалентной суммой сосредоточенных нагрузок (рисунок 3.7), то есть где qt -распределенная по зависимости (3.11) нагрузка на поверхность забоя; -площадь конечного элемента на поверхности забоя (рисунок 3.5, в); Pt - сосредоточенная сила, эквивалентная распределенной нагрузке на поверхности конечного элемента. Существенным преимуществом численного метода конечных элементов по сравнению с аналитическим является возможность моделирования изменений напряженно-деформированного состояния анизотропного углепо-родного массива и при сложной геометрической форме разрушаемой поверхности пласта. При отклонении оси гидромониторной струи от нормали к поверхности забоя вектор давления струи можно разложить на вертикальную и горизонтальные составляющие по формулам (3.9). Напряжения и деформации в изотропном упругом массиве при взаимном влиянии сосредоточенных вертикальной и горизонтальных сил можно определить по известным алгоритмам, например Миндлина или методом конечных элементов. Влияние гидромониторной струи после разложения вектора её давления на сумму сосредоточенных сил (рисунок 3.5, б,в) можно определить методом суперпозиции. Однако это решение справедливо только при линейной зависимости между напряжениями и деформации, что не соответствует реальной ситуации в угольном массиве, где перед разрушением угля возникают нелинейные упруго-пластические деформации. Поэтому в настоящей работе расчёт напряженно-деформационного состояния угольного массива в допредельном и предельном состояниях проведён методом конечных элементов с дискретизацией анизотропного угольного массива на тетраэдры. В качестве исходных данных используются следующие параметры: модуль деформации, коэффициент Пуассона и предел прочности угля на сжатие и сцепление; форма и размеры очистной заходки; мощность и угол падения пласта; давление и диаметр гидромониторной струи. Адаптированный для решения поставленных задач пакет компьютерных программ метода конечных элементов позволяет определять следующие параметры напряженно-деформированного состояния угольного массива при воздействии на него гидромониторной струи: деформация угля; смещения; упругие напряжения; энергию формоизменения угольного массива под влиянием давления гидромониторной струи на поверхность; объем разрушенного угля.
Исследование процессов взаимодействия гидромониторной струи с угольным массивом с учётом энергии горного давления
Исследование влияния энергии гидромониторной струи на эффективность гидравлического разрушения угля проводились с учётом энергии 108 горного давления. Для этого в каждом конечном элементе по формуле (3.18) определялась удельная энергия формоизменения, вычисленная с использованием деформаций и напряжений, полученным при воздействии на угольный массив горного давления. Для сравнения на рисунке 4.5 показаны графики изменения энергии формоизменения при начальном распоре секции механизированной крепи R=0 (рисунок 4.5,а) и Я=2000 кН (рисунок 4.5,6). По графикам рисунка 4.5 можно сделать вывод, что механизированная крепь оказывает существенное влияние на характер распределения и величины энергии формоизменения. Посредством регулирования распора секции крепи в процессе выемки угля можно управлять устойчивостью пород кровли и производительностью гидроотбойки угля согласно условиям (4.1) и (4.2). Полученная энергия горного давления, согласно формуле (3.1), суммировалась с энергией гидравлической струи (см. формулу (3.8)) и по полученной сумме по формулам (3.19), (3.20) определялся объём разрушенного угля. Исследования проводились по методике, изложенной в подразделе 3.4 настоящей работы. Пределы изменения варьируемых параметров приведены в таблице 3.1. В процессе исследования изучалось влияние энергии гидромониторной струи и энергии горного давления на объем разрушенного угля, Объём разрушенного угля в угольном столбе определялся по формуле (3.20).
Условиями разрушения угля в отдельном конечном элементе приняты критерии (3.21) и (3.22). В процессе исследований изучалось влияние энергии гидромониторной струи и горного массива на объём разрушенного угля по формуле (3.20) и отношение энергии формоизменения к суммарной энергии гидравлической струи и горного давления. Для этого формировались варианты численных моделей, в которых изменялся только один параметр с соответствующим шагом, а параметры остальных факторов принимались постоянными (см. таблицу 3.1). Согласно классификации ИГД им. А.А. Скочин-ского [7] гидравлических струй на струи низкого давления (до 2 МПа), среднего (3-13 МПа), высокого (14-70 МПа) и сверхвысокого(70-300 МПа) при формировании вариантов численных моделей в качестве базового расстояния от насадка до гидромонитора принимались соответственно расстояния 5, 2 и 0,5м. Всего было проведено 630 вариантов численного моделирования. Учитывая большой объём полученных результатов исследований, был проведён их анализ и построены графики, которые разделены на три группы: первая группа графиков для полупространства (рисунок 3.10,а) -графики получены при имитации процесса разрушения угля на плоской поверхности угольного забоя;вторая группа графиков для четверть пространства (рисунок 3.10,6) — графики получены при имитации процесса выемки угля «стружкой» при двух обнажённых поверхностях очистного забоя; третья группа графиков для уступа (рисунок 3.10,в) - графики получены при имитации процесса разрушения угля при трех обнажениях угольного массива (столбчатые угольные целики, негабаритные куски угля в очистной заходке и др.).
После обобщения полученных результатов исследований были установлены закономерности изменения геомеханических параметров при совокупном влиянии энергии горного давления и гидромониторной струи. Установлено, что энергия упругой деформации угольного массива с увеличением кинетической энергии увеличивается по показательной функции. Энергия формоизменения при увеличении кинетической энергии гидравлической струи и энергии горного давления возрастает по параболическому закону. При увеличении площади обнажения поверхности разрушаемого угольного массива в забое от полупространства до уступа (см. рисунок 3.10) энергия формоизменения возрастает в 50-80 раз. Соответственно производительность гидроотбойки при прочих равных условиях теоретически может подняться в 50-100 с увеличением площади обнажения поверхности разрушаемого угольного массива в забое от полупространства до уступа. При анализе не учитывались возможности отгрузки угля гидротранспортом. Установленная закономерность роста энергии формоизменения и объёма разрушенного угля при увеличении площади обнажения угольного массива подтверждается на практике. Например, при гидравлическом разрушении угля в подготовительном забое, где преобладает двухосное напряжённо-деформированное состояние, производительность гидроотбойки в 15-20 ниже по сравнению с производительностью гидроотбойки в очистной заходке, где уголь находится в условиях одноосного напряжённого состояния.l Рекомендуется отношение расчётной энергии формоизменения к полученной при испытании угля на прочность использовать в качестве параметра устойчивости угля в подзавальных угольных целиках-ножках и на боках выемочных камер. Удельная энергия деформации, удельная энергия формоизменения и производительность гидромониторной струи существенно зависят от предела прочности пород на сжатие (рисунок 4.6,а). При увеличении предела прочности на сжатие объём разрушенного угля снижается по гиперболическому закону. Графики рисунка 4.6,а подтверждают необходимость применения таких схем выемки угля в очистной заходке, при которых создаются усло вия перехода угольного массива из трехосного напряжённо- деформированного состояния к одноосному.
Возможность реализации та ких схем выемки должна быть заложена в конструкции гидромонитора робота. Установлено, что при воздействии гидромониторной струи на угольный массив последний деформируется и часть энергии струи расходуется на сжатие угля. Полный вектор смещений (мм) разрушаемой поверхности угольного массива уменьшается пропорционально прочности угля (МПа) с интенсивностью 0,0006-0,0012 мм/МПа. С целью сокращения непроизводительных затрат на сжатие угля в зоне разрушения проведены исследования влияния угла наклона оси гид ромониторной струи к поверхности разрушаемой поверхности забоя (см. рисунок 3.8). Результаты исследований показали, что наибольшая эффек тивность разрушения угля достигается при угле наклона оси к поверхности забоя 20-30 (рисунок 4.6,6), растяжение в 8-30 раз меньше прочности на сжатие, то эффективность гидроотбойки увеличивается. На основе проведённых исследований с использованием унифицированных элементов традиционных технологий угледобычи разработана принципиальная технологическая схема гидравлической выемки угля, с включением в схему полного состава элементов и связей между ними. Принципиальная схема отражает полное представление о последовательности формирования и использования гидравлической энергии, системе управления технологическими процессами (рисунок 4.7). Функциональные связи объектов принципиальной технологической схемы и операций представлены в виде объектно-функциональной схемы (рисунок 4.8).
Совокупность элементов принципиальной и объектно-функциональной схем позволяет разработать алгоритм управления сложным объектом с использованием пакета компьютерных программ метода конечных элементов. В качестве основных блоков и элементов принципиальной и объектно-функциональной схем выделены следующие (рисунки 4.7, 4.8). Система водоснабжения, включающая насосы, жесткие и гибкие трубопроводы, повысители давления воды. Отличием предлагаемой технологической схемы от существующих является включением в неё средств повышения давления воды максимально приближенных к очистному забою. В качестве средств повышения давления воды можно применять каскад промежуточных наносов или специальных повысителеи давления на самоходном шасси. Мобильный гидромонитор, обеспечивающий приближение к разрушаемой поверхности пласта, формирование высоконапорной гидравлической струи и перемещение её в выработанном пространстве очистной за-ходки, крепление пород кровли на сопряжении выемочной камеры и очистной заходки. Очистной забой включает очистную заходку в угольном пласте, поверхность которого в процессе работы гидромонитора перемещается вследствие разрушения угля под влиянием гидромониторной струи и горного давления. Критерием оптимальности взаимодействия струи гидромонитора и угольного массива является минимум необходимой для разрушения угля суммарной энергии гидромонитора энергии горного давления на участке разрушения угля.
