Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования . 13
1.1 Общая оценка техники и технологии выемки тонких угольных пластов. Роль, место и особенности струговой выемки.. 13
1.2 Анализ существующих механизированных крепей современного технического уровня 39
1.3 Анализ существующих крепей сопряжения современного технического уровня 49
1.4 Анализ существующих методов расчетов механизированных крепей очистных забоев 58
1.5 Выводы. Цель и задачи исследований 69
2. Разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей при струговой выемке 73
2.1 Разработка методов определения фактического сопротивления щитовых механизированных крепей 73
2.2 Разработка методов определения усилия на конце консоли однорядной щитовой секции крепи и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли 86
2.3 Исследование взаимодействия оснований однорядных и двухрядных секций механизированных крепей с породами почвы. 95
2.4 Методики и алгоритмы расчетов силовых и конструктивных параметров щитовых механизированных крепей 108
2.4.1 Алгоритмы расчета равнодействующих сопротивления щитовых механизированных крепей 108
2.4.2 Алгоритмы расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями секций щитовой крепи 112
2.4.3 Алгоритмы расчета усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия углового гидродомкрата и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли 123 2.5 Выводы 133
3. Исследования нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое и способов крепления сопряжений лав с примыкающими выработками 136
3.1 Разработка метода и алгоритма прогноза нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое 136
3.2 Определение необходимого сопротивления консольной части секции щитовой механизированной крепи 150
3.3 Исследование способов крепления сопряжения лав с примыкающими выработками . 163
3.4 Обоснование технических требований к механизированной крепи сопряжения 176
3.5 Выводы 178
4. Совершенствование существующих и разработка новых струговых механизированных комплексов ... 180
4.1 Разработка механизма передвижки струговой секции механизированной крепи 180
4.2 Выбор конструктивных схем и параметров механизированных крепей сопряжения, предлагаемые их конструкции 184
4.3 Обоснование технических и технологических требований к системе автоматизированного управления крепью при струговой выемке 191
4.4 Разработка рекомендаций по совершенствованию существующих и разработке новых струговых механизированных комплексов 204
4.5 Оценка повышения эффективности стругового механизированного комплекса за счет снижения технологических перерывов, связанных с передвижкой крепи и креплением кровли 211
4.6 Разработка технических требований на струговый механизированный комплекс 220
4.7 Выводы 227
5. Внедрение результатов работы 229
Заключение 233
Литература
- Анализ существующих механизированных крепей современного технического уровня
- Методики и алгоритмы расчетов силовых и конструктивных параметров щитовых механизированных крепей
- Определение необходимого сопротивления консольной части секции щитовой механизированной крепи
- Разработка рекомендаций по совершенствованию существующих и разработке новых струговых механизированных комплексов
Введение к работе
Актуальность работы. Основной задачей предприятий по добыче угля является повышение рентабельности за счет применения прогрессивной техники и технологии. Особенно актуально это для шахт, отрабатывающих тонкие пласты, которые в Российской Федерации составляют около 60% промышленных запасов угля, являющегося высококачественным энергетическим топливом, а также технологическим сырьем в различных отраслях промышленности.
Отечественный и зарубежный опыт, в особенности в Германии, показывает, что наиболее эффективной при отработке тонких пластов является струговая выемка. Наиболее существенным и значительным преимуществом струговой выемки является высокая сортность добываемого угля и возможность существенного снижения, а, как правило - и полного исключения присечек боковых пород, что ведёт к снижению зольности добываемого угля.
Исследованиям проблем комплексной механизации очистных работ
посвящены работы многих ученых – Алейникова А.А., Бреннера В.А., Бурчакова
А.С., Бурова Г.Г., Бернацкого В.А., Венера К.-Э., Воскобоева Ф.Н., Гетопанов В.Н.,
Голода А.Б., Глушко В.Т., Глушихина Ф.П., Давыдянца В.Т., Дмитриева А.П.,
Докукина А.В., Дубова Е.Д., Зиглина А.А., Игнатьева А.Д., Каткова Г.А.,
Карленкова А.А., Коровкина Ю.А., Кузнецова Г.Н., Кузнецова С.Т., Кияшко И.А.,
Лаптева А.Г., Луганцева Б.Б., Матвеева В.А., Мышляева Б.К., Ошерова Б.А.,
Слепцова А.С., Солода В.И., Солода Г.И., Старичнева В.В., Турова А.П., Хорина
В.Н., Хове Х., Шемякина Е.И., Широкова А.П., Ягодкина Г.И., Яковлева Н.И.,
Ямщикова В.С., Якоби О. и других. Выполненные ими исследования явились
основой для разработки как комбайновой, так и струговой техники выемки.
В последние годы были разработаны и прошли шахтные испытания струговые комплексы нового технического уровня, однако производственные показатели их эксплуатации оказались на прежнем уровне, а зачастую были даже ниже ранее достигнутых. Главные причины низкой эффективности эксплуатации новых механизированных комплексов заключаются в больших потерях рабочего времени. К ним следует отнести потери рабочего времени, приводящие к низкому коэффициенту машинного времени выемочных машин в самих очистных забоях из-за низкого уровня адаптивности механизированных крепей к изменениям свойств вмещающих пород, а также высокую трудоемкость крепления сопряжений лав с примыкающими выработками.
Практика применения механизированных комплексов в сложных горногеологических условиях показал, что недостаточное внимание уделялось взаимодействию крепи как с кровлей, так и с почвой в экстремальных ситуациях, и не учитывались особенности струговой выемки.
Если породы кровли склонны к вывалам, то в струговых лавах эффективно поддерживать кровлю над вынимаемой полосой угля значительно труднее, чем в комбайновых лавах. Причина заключается в том, что принцип работы струговой установки обуславливает запаздывание крепления одновременно по всей длине очистного забоя.
К конструкции механизированной крепи стругового комплекса предъявляются
дополнительные требования в части системы агрегатирования (механизма передвижки), конструкции основания, консольной части перекрытия. Поэтому необходим более тонкий подход к проектированию механизированных крепей струговых комплексов. Без решения вопросов разработки методов расчета силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов дальнейшее развитие струговой выемки невозможно.
Поэтому повышение технической производительности стругового
механизированного комплекса на основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных и силовых параметров взаимодействия механизированной крепи и крепи сопряжения с вмещающими породами и выемочной машиной в движущемся очистном забое является актуальной научной проблемой.
Цель работы. Разработка методов определения силовых и конструктивных
параметров механизированных крепей струговых комплексов с учетом
закономерностей их взаимодействия с вмещающими породами и струговой установкой.
Идея работы заключается в том, что повышение технической
производительности стругового механизированного комплекса достигается на
основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных параметров
механизированной крепи и ее силового взаимодействия с вмещающими породами и струговой установкой в движущемся очистном забое.
Научные задачи. В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие основные задачи:
- разработка методов определения силовых и конструктивных параметров
механизированных крепей при струговой технологии выемки;
- разработка метода и алгоритма прогноза нагруженности механизированной
крепи в движущемся очистном забое;
- обоснование технических требований и конструкций механизмов
передвижки однорядных и двухрядных щитовых секций механизированной крепи;
обоснование технических требований конструкции механизированной крепи сопряжения при струговой технологии выемки;
разработка рекомендаций по совершенствованию существующих струговых механизированных комплексов и созданию новых на основе комплексного учета взаимодействия механизированной крепи и крепи сопряжения с вмещающими породами и струговой установкой.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод
исследований, включающий анализ технико-экономических показателей работы очистных забоев и результатов промышленных испытаний механизированных комплексов; статистические методы обработки производственной информации; натурное исследование функций механизированных крепей и крепей сопряжения при струговой технологии выемки; аналитическое исследование системы крепь – кровля – почва методами теоретической механики и механики горных пород; математическое моделирование.
Защищаемые научные положения:
1. Повышение технической производительности стругового
механизированного комплекса достигается на основе сокращения затрат времени на
непроизводительные операции, связанные с выводом секций крепи из нештатного состояния путем увязки конструктивных параметров механизированной крепи с силовыми параметрами взаимодействия элементов крепи с вмещающими породами и струговой установкой в движущемся очистном забое.
-
Фактическое сопротивление секции крепи зависит не только от сопротивления гидростоек, но и от сил трения, возникающих в их опорах и шарнирах. Учет этих сил объясняет превышение сопротивления однорядной щитовой секции крепи от 12 до 20%, установленное соответствующими стендовыми испытаниями секции крепи в сравнении с результатами расчетов по методике, регламентированной действующим руководящим техническим материалом РТМ.24.007.01.
-
Предельное усилие на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи может быть повышено до 30%, обеспечивая при этом ее устойчивость, за счет применения углового гидродомкрата и выбора рациональных координат установки его опор относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.
-
Выбор типа крепи и параметров основания по критерию давления на почву пласта и при определении рабочего сопротивления секции крепи с учетом вдавливания ее в почву следует производить не по среднему значению как предусматривает ГОСТ Р52152-2003, а по контактному давлению на конце забойной части основания с учетом реальной эпюры распределения напряжений, что исключает возможность проявления потери устойчивости секции крепи.
-
Определения необходимого сопротивления крепи достигается применением усовершенствованной модели прогноза нагруженности на основе уточненной физической картины процесса расслоения кровли пласта при его непрерывной выемке. Расчетные значения данного параметра при этом повышаются до 40 % в сравнении с результатами расчетов по применяемой в настоящее время методике, основанной на рассмотрении статических силовых схем.
6. Необходимое усилие на конце консоли перекрытия струговой секции
механизированной крепи для поддержания кровли в призабойной части наиболее
точно определяется расчетом с применением сводообразной, а не блочной (как
принято) схемы нагружения перекрытия.
Научная новизна работы.
1. Разработаны метод и алгоритм определения фактического сопротивления
секции щитовой механизированной крепи с учетом дополнительных сил
торможения гидравлических стоек, обусловленных наличием сил трения,
возникающих в шарнирах и опорах стоек, что обеспечивает повышение
сопротивления однорядной щитовой секции крепи от 12 до 20 %.
2. Впервые разработан метод расчета рациональных координат расположения
опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним
ограждением, обеспечивающих максимальную величину усилий на конце консоли
перекрытия однорядной щитовой секции крепи, надежное поддержание кровли в
бесстоечном пространстве при струговой выемке и сохраняющих устойчивость
секции.
3. Разработаны методы и алгоритмы расчета контактных давлений,
передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций механизированных крепей, впервые учитывающие эпюру распределения контактных напряжений и позволяющие устанавливать критерии потери устойчивости секции крепи.
4. Впервые с учетом значительной вариации параметров, характеризующих
геомеханические процессы в кровле движущегося очистного забоя, разработаны
математическая модель и алгоритм более точного прогноза нагружености
механизированной крепи.
5. Впервые предложено величину усилия на конце управляемой консоли
перекрытия секции механизированной крепи стругового комплекса определять в
зависимости от действия веса обрушенных пород кровли при сводообразной схеме
нарушения, как адекватно описывающей наиболее тяжелые условия работы крепи, и
принимать ее в качестве расчетной. В сравнении с аналогичной величиной,
регламентируемой ГОСТ Р52151 для пластов мощностью до 2 м, рассчитанная
таким образом величина усилия на конце управляемой консоли перекрытия почти в
два раза выше.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: анализом фактических технико-экономических показателей работы очистных забоев с новой техникой и представительного объема хронометражных наблюдений; применением методов теоретической механики, механики горных пород и расчета балок и плит на упругом основании; инженерно-техническими проработками и решениями, а также положительными результатами их реализации в опытных образцах механизированных крепей.
Практическое значение работы заключается в разработке:
-
Методик расчета фактического сопротивления и усилий в рычагах заднего ограждения щитовых механизированных крепей с однорядным и двухрядным расположением стоек.
-
Методик расчета усилий консольной части однорядной щитовой секции крепи.
-
Методик расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций.
-
Механизмов передвижки однорядной щитовой секции крепи с основанием катамаранного типа и двухрядной щитовой секции крепи со сплошным жестким основанием.
-
Крепи сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования.
-
Методики прогноза нагружености механизированной крепи в движущемся очистном забое.
-
Технических заданий на усовершенствованный струговый механизированный комплекс и крепь сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования.
Реализация работы. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда».
Основные положения и результаты диссертационной работы использованы ОАО «ШахтНИУИ» при разработке технических требований на комплекс очистной механизированный струговый МКС с участием автора.
По разработанным методикам определены оптимальные параметры секции крепи КС и крепи механизированной 2КТК в части управляемой консоли перекрытия, расположения углового гидродомкрата и основания.
Головной образец секции крепи КС изготовленный ООО «Шахтинский завод горного оборудования» прошел стендовые испытания. На прошедшей в г. Кемерово Международной выставке-ярмарке «Экспо-Уголь 2003» крепь механизированная струговая КС удостоена Диплома II степени.
Изготовленный опытный образец крепи механизированной 2КТК прошел приемочные испытания в составе комплекса 2МКС216 в условиях ОАО «ШУ «Обуховская» и рекомендован к серийному производству.
На прошедшей в июне 2005 г. в г. Новокузнецке кузбасской ярмарке «Уголь России и Майнинг 2005» крепь механизированная 2КТК удостоена Диплома.
Разработано и утверждено ОАО «ШахтНИУИ» техническое задание на усовершенствованный струговый механизированный комплекс.
Результаты исследований рекомендуются к использованию конструкторскими организациями и профильными заводами угольного машиностроения при модернизации имеющихся и разработке новых механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
доложены и одобрены на международных научных симпозиумах «Неделя горняка»
(2005-2013 г.г.); на Всероссийской конференции «Проблемы геологии,
планетологии, геоэкологии и рационального природопользования». Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ) – 2011; на президиуме ЮРО АГН РФ (2012 г.), на ученом совете ОАО «ШахтНИУИ» (2013 г.); на научно-практических конференциях Шахтинского института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова (2005-2013 г.г.).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 46 печатных работах, в том числе 11 статей в изданиях включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, включенных ВАК России в список изданий рекомендованных для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата и доктора наук, 3 патента на полезную модель, 3 монографии.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 123 наименований, изложена на 250 страницах машинописного текста и приложений на 73 страницах.
Анализ существующих механизированных крепей современного технического уровня
Одной из основных задач угледобывающих шахт Российской Федерации является повышение их экономической эффективности за счет интенсивного внедрения новых прогрессивных технологий и техники подземной добычи угля. Особенно остро этот вопрос стоит для шахт, имеющих значительные подготовленные запасы или отрабатывающих особо ценные угли на тонких пластах.
Так, в Кузнецком бассейне более 30% промышленных запасов наиболее ценных коксующихся углей находятся на тонких пластах, из них к настоящему времени более 40 млн. тонн подготовленных запасов. На шахтах Российского Донбасса доля промышленных запасов антрацитов на тонких пластах составляет более 75%.
Основными составляющими повышения экономической эффективности выемки тонких пластов являются: - улучшение качества добываемых углей за счет увеличения сортности и исключения присечек боковых пород; - снижение доли затрат на подготовительные работы и концевые операции; - обеспечение нагрузки на лаву более 3000 т/сутки. Наиболее распространенная в настоящее время комбайновая технология ведения очистных работ зачастую ставит забои на тонких пластах в разряд недостаточно эффективных из-за низких нагрузок [1, 2].
Наглядным свидетельством этого являются показатели работы очистных забоев ряда шахт Российского Донбасса. Так на шахтах ОАО «Гуковуголь» в 2007-2009 г.г. эксплуатировались комбайновые комплексы в составе комбайна KGS245 и крепи 3КД90Т с нагрузкой 1544 т (шахта «Алмахная»), комбайна МВ320Е и крепи КМР с нагрузкой 1108 т (ОАО «ШУ «Обуховская»), комбайна УКД250 и крепи
КД80 с нагрузкой 849 т (шахта «Замчаловская), комбайна МВ280Е и крепи 2КД90Т с нагрузкой 1124 т (шахта «Дальняя).
Известно, что основными техническими и экономическими преимуществами струговой выемки в сравнении с комбайновой являются: - возможность повышения концентрации горных работ, достижение высоких темпов подвигания линии очистного забоя и получения за счет этого высоких нагрузок на забой; - повышение качества добываемого угля за счет увеличения сортности и снижения зольности; - более высокая ремонтнопригодность за счет вынесения приводов в прилегающие горные выработки; - более высокая безопасность при отработке пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа.
Несмотря на доказанную на практике высокую эффективность, в последние десятилетия струговая выемка на шахтах Российской Федерации применяется в ограниченном объеме. Основными причинами такого положения являются: - прекращение добычи угля на шахтах Российского Донбасса с наибольшим объемом струговой выемки; - недостаточная информированность работников угольных шахт и проектных организаций о преимуществах и недостатках струговой выемки, об условиях применения струговых комплексов, технических характеристиках современных струговых механизированных комплексов; - отсутствие механизированных крепей, наиболее полно отвечающих струговой выемки; - прекращение серийного выпуска струговых комплексов российскими заводами [3].
В 1973 году бригада дважды Героя Социалистического Труда М.П. Чиха имела наивысшие показатели в угольной промышленности страны по объему добываемого угля, добыв за 31 рабочий день 237203 т антрацита из одной лавы, оборудованной струговым комплексом 1МКС. Максимальная добыча за сутки составила 8135 т [4,5].
В последние годы нагрузки на струговые комплексы при выемки пластов мощностью 0,85-1,5 м изменялись в пределах от 1000 до 2200 т/сут и при прочих равных условиях превосходили нагрузки на комбайновых комплексах [3].
Так в период с декабря 2006 года по январь 2008 года на шахте «Северная» ОАО «Воркутауголь» в лаве №312-з эксплуатировался струговый механизированный комплекс КМС-ДБТ в составе механизированной крепи Ostzoj 065/14 (Чехия), оснащенный системой автоматизированного управления крепью РМС-R фирмы ДБТ (Германия) и струговой установкой типа GH 5.7N/9-38ve фирмы ДБТ [6].
Средняя нагрузка на лаву по угольной пачке при мощности пласта 0,9 м составила около 1000 т/сут, при этом наилучшие показатели были достигнуты в октябре 2007 г. – средняя нагрузка составила 1258 т/сут. За весь период эксплуатации с нагрузкой более 1500 т/сут лава работала 17 дней, из них 3 дня с нагрузкой более 2000 т/сут.
Практически с самого начала эксплуатации стругового комплекса КМС-ДБТ выемка угля велась с присечкой пород кровли, при этом фактически вынимаемая мощность пласта изменялась от 1,05 до 1,25м.
В 1996 г. на шахтах ОАО «Ростовуголь», ОАО «Обуховская» и ОАО «Воркутауголь» прошли промышленные испытания струговые механизированные комплексы 1МКД90СО, 1МКД90СН, «Дон-Фалия» и КМ137СХБ [7]. Наиболее представительными как по горно-геологическим и горнотехническим условиям эксплуатации, так и по достигнутым результатам, явились приемочные испытания струговых комплексов 1МКД90СО со струговой установкой СО90У, проводившиеся на шахте «Майская» ОАО «Ростовуголь», и 1МКД90СН со струговой установкой СН96, проводившиеся на шахте ОАО «Обуховская».
Методики и алгоритмы расчетов силовых и конструктивных параметров щитовых механизированных крепей
В агрегатированных крепях секции не могут отставать от конвейера более чем на один шаг передвижки, при этом в процессе передвижки, необходимо обеспечить в определенных пределах их ориентацию относительно конвейера. Агрегатирование позволяет использовать механизм передвижки крепи для управления установкой в вертикальной плоскости пласта, объединить средства передвижки крепи и подачи установки, упростить процесс автоматизации управления крепью и комплексом в целом.
При этом условия и характер работы стругового выемочного комплекса предъявляют дополнительные требования к системе стабилизации положения конвейерного става струговой установки относительно механизированной крепи и подготовительных выработок [39]: - восприятие устройствами стабилизации положения конвейерного става или так называемыми системами агрегатирования механизированной крепи статических и динамических нагрузок, возникающих при работе струговой установки; - обеспечение надежности функционирования системы агрегатирования при наличии отклонений от прямолинейности конвейерного става, обусловленных как технологическим режимом работы (при перемещении конвейерного става «волной», например, при выемке участками), так и вследствие случайных возмущений; - обеспечение надежности работы секций механизированной крепи в сложных горно-геологических условиях, особенно при наличии «порогов» в почве пласта.
Исходя из этого для обеспечения надежности функционирования системы агрегатирования необходимо обеспечить податливость соединения механизма передвижки секции крепи и забойного конвейера в плоскости пласта. В то же время для удержания конвейерного става от сползания, а также для перераспределения межрештачных зазоров, указанное соединение должно обеспечивать заданное усилие удержания со стабилизирующим эффектом.
Анализ результатов исследований показывает, что для большинства существующих типов крепей присущи схождение или расхождение секций при их передвижке, сползание крепи и как следствие искривление ее «фронта» и положения конвейерного става.
Поэтому система агрегатирования крепи с конвейером должна предусматривать ориентирующие механизмы, обеспечивающие установку секции крепи в конце передвижки в заданное положение, по отношению к конвейеру. Подобная система агрегатрования разработана ОАО «ШахтНИУИ» при создании комплекса КД90С (рисунок 1.8).
В ней плоский толкатель секции крепи 1 (балка крепи), вместе с домкратом передвижки 2, размещенном в центральном канале основания 3 секции крепи вертикальной осью 4 соединяется с опорой 5, которая горизонтальной осью 6 через вертикальный паз соединяется с бортом 7 конвейера 8. На опоре 5 закрепляются два гидропатрона 9, штоки которых упираются в сферические опоры 10 на плоском толкателе 1 секции крепи.
Гидропатроны обеспечивают направленную передвижку секций крепи, а также создают усилия, препятствующие свободным продольным перемещениям конвейера.
Недостатком данной системы является то, что при работе струговой установки гидропатроны должны находится постоянно под давлением рабочей жидкости. Кроме этого не учтен угол разворота толкателя 1 в основании, увеличивающий величину смещения секции (данное смещение не подлежит Наиболее полно требованиям струговой выемки отвечает система агрегатирования (механизм передвижки крепи «Дон-Фалия») с упруго-ограниченной связью секций крепи с конвейером струговой установки посредством штанговых толкателей (рисунок 1.9) [3].
Механизм передвижки, размещенный в канале между лыжами 1 и 2 основания обеспечивает кинематическую связь секции крепи с забойным конвейером, а также передвижку секции крепи конвейера.
Механизм передвижки состоит из бугеля 3, в котором закреплены две упругие штанги 4 и гидроцилиндра передвижки секции 5. Одной стороной бугель шарнирно соединяется с навесным оборудованием конвейера 6, а с другой – со штангами и через опору 7 – со штоком домкрата передвижки. При этом цилиндр домкрата передвижки размещен в специальной опоре 8, которая шарнирно соединена с хомутом 9, шарнирно соединяющим лыжи основания.
Конструкция механизма передвижки с упругими штангами обеспечивает направленное передвижение секции крепи относительно конвейера, удержание его при передвижке от сползания по падению пласта в пределах упругих деформаций штанг и разгружает домкрат передвижки от боковых нагрузок.
Вместе с тем по результатам эксплуатации выявлена низкая надежность хомута, заключающаяся в его изломе и деформации мест присоединения хомута к лыжам основания при переходе секцией крепи «порогов» в почве пласта превышающих величину 100 мм.
На схеме преодоления «порогов» в почве пласта секцией крепи видно, что лыжи оснований смещаются относительно друг друга не только в вертикальном, но и продольном направлениях (рисунок 1.10) [39].
Разработанный ОАО «Гипроуглемаш» механизм передвижки секции крепи М137 (рисунок 1.11) состоит из задней стяжки 1, шарнирно соединенной с цилиндрическими толкателями 2, расположенными на лыжах основания 3 и 4. Цилиндр гидродомкрата передвижки 5 шарнирно соединен со стяжкой, а шток с толкателем 6.
Проведенный анализ опыта эксплуатации крепи механизированной М137 на шахте «Ростовская» ОАО «Гуковуголь» показал, что секции крепи эффективно преодолевали значительные «пороги» в почве пласта.
Вместе с тем выявлена деформация штоков гидродомкратов передвижки секций крепи. Как правило это было связано с тем, что гидродомкрат передвижки не был разгружен от боковых нагрузок. Рисунок 1.10 – Схема преодоления «порогов» в почве пласта секцией крепи. Кроме этого для извлечения гидродомкрата передвижки при работе крепи на тонких пластах практически отсутствует доступ к оси, соединяющей цилиндр со стяжкой.
Определение необходимого сопротивления консольной части секции щитовой механизированной крепи
При наличии достоверной информации о структуре и механических свойствах пород кровли и самого разрабатываемого пласта может быть построен прогноз проявлений горного давления в динамике по мере подвигания очистного забоя. Но вследствие необходимости выполнения огромного объема расчетов для отслеживания параметров и в направлении толщи структуры кровли и в направлении движения забоя эта задача может успешно решаться только с применением компьютерной технологии после составления соответствующей программы. На рисунке 3.4 показана блок-схема алгоритма определения нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое.
Исходные данные для реализации математической модели нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое при отработке угольного пласта m8 на шахте «Садкинская» получены сотрудниками ОАО «Ростовуголь» с участием автора. пород
Для получения исходных данных для реализации математической модели нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое был использован метод геоакустических спектральных исследований. Значительный опыт его использования в течение 15 лет был накоплен в бюро шахтной геофизики ОАО “Ростовуголь”. Как следует из названия, в качестве информативных параметров метода используются амплитудно-частотные характеристики спектра акустического сигнала. Анализ представительного массива данных, полученных в процессе шахтных измерений, позволил отработать методику съемки, определить факторы, влияющие на характеристики регистрируемого сигнала, разработать методику интерпретации, усовершенствовать измерительную аппаратуру. В результате был создан аппаратурно-измерительный комплекс акустической резонансной дефектоскопии (АРД), представляющий собой сочетание шахтного регистрирующего прибора, лабораторного анализатора спектра и методики интерпретации. Погрешность определения мощности породных слоев не превышает 15 %, что подтверждается сопоставлением прогнозных и фактических материалов.
На основании аналитических и экспериментальных исследований для решения задачи нахождения поверхностей ослабленных механических контактов (ОМК) принята физико-геологическая модель, согласно которой угленосная толща представляется плоскопараллельной структурой, состоящей из ряда породных слоев (рисунок 3.5). Физическая сущность процесса состоит в том, что при ударном возбуждении массива горных пород, в нем возникает явление так называемого толщинного резонанса [88, 89, 90]. Реакция плоскопараллельной породной толщи на удар представляет собой кратковременный колебательный процесс, спектр которого имеет максимальную плотность вблизи частоты:
Поскольку исследуемый массив представляет собой многослойную среду, то, кроме отдельных слоев горных пород, образуются так называемые “составные” слои, представляющие совокупность нескольких породных слоев. Теоретическое рассмотрение и анализ экспериментальных кривых позволяют сделать вывод, что, имея доступ к слоистому массиву только с одной стороны, можно надежно выделять звучание составных породных слоев-резонаторов, которые в качестве одной своей плоскости имеют поверхность обнажения. Так, в соответствии с рисунком 3.5 при доступе к кровле со стороны первого породного слоя, можно получить информацию о следующих структурах: hi; hi + I12; hi + I12 + Ігз и т.д. Соответственно резонансные частоты спектральных составляющих будут определяться выражениями: мощности слоев, м; V - средняя скорость распространения колебаний (для Донбасса 4000 - 5000 м/с), f - частота резонансных колебаний, Гц.
Явление резонанса, естественно, будет наблюдаться и в отдельных слоях, составляющих толщу пород. Но энергия резонансного отклика будет наибольшей для структур, имеющих свободную поверхность, на которой имеет место разкое различие акустических характеристик (горной породы и воздушной среды). По этой причине звучание отдельных слоев-резонаторов, а, соответственно и наличие спектральных составляющих на амплитудно-частотном графике наблюдается только в близи пункта возбуждения. Подтверждение данного тезиса получено в результате анализа экспериментальных данных при исследовании строения кровли на шахтах ОАО “Ростовуголь”. На основе сопоставления прогнозных и фактических материалов были определены оптимальные параметры методики шахтной съемки и интерпретационные зависимости, в частности, расстояние между пунктами возбуждения и приема колебаний – 2-3 м. Глубинность исследований составляет 14-16 м от границы угольного пласта с породами кровли, что соответствует мощности породной толщи, активно влияющей на геомеханические процессы.
С использованием метода АРД на шахтах ОАО “Ростовуголь” в общей сложности были исследованы структуры пород кровель на 147 участках подготовительных и очистных выработок с целью оценки их устойчивости. Показателем надежности и информативности метода АРД может служить тот факт, что в процессе ведения горных работ маркшейдерско-геологическими службами шахт не было зафиксировано каких-либо существенных расхождений между поведением пород кровель по фактору устойчивости и возможных обрушений и заключениями, сделанными на основе геофизических исследований.
В 2001 г. в рамках программы исследовательских работ по гранту Минобразования России ТОО-4.1-2753 были проведены исследования структуры активной толщи кровли пласта m18 в лаве № 13 шахты «Садкинская» ОАО “Ростовуголь” в шести створах по мере движения очистного забоя с участием автора. На основе исследования была воспроизведена детальная структура активной части кровли пласта m18 и выполнена геомеханическая оценка слоистости кровли с удалением от пласта [91].
Полученные данные были использованы для реализации исходной версии компьютерной программы прогнозирования нагруженности механизированной крепи в конкретных условиях.
Разработка рекомендаций по совершенствованию существующих и разработке новых струговых механизированных комплексов
Одной из основных причин низкой эффективности работы отечественных струговых механизированных комплексов является большая потеря рабочего времени в самих очистных забоях, связанная с процессом управления крепью.
Высокая производительность и безопасность труда в угольной промышленности могут быть достигнуты наряду с совершенствованием техники и технологии угледобычи путем сокращения трудоемкого и опасного труда в очистных и подготовительных забоях на основе автоматизации производственных процессов.
Жесткие требования по безопасности применения, габаритно-весовым характеристикам блоков аппаратуры размещаемых на секциях крепи с одновременной реализацией требований по высокой надежности, гибкости, алгоритмов управления и относительно низкой стоимости аппаратуры поставили перед разработчиками сложную техническую задачу, которая решена с учетом всех этих требований путем применения электрогидравлического управления крепью, которая осуществляет все стандартные функции в лаве и обеспечивает дополнительно наблюдение за состоянием забоя. Средняя суточная нагрузка на автоматизированную лаву значительно превышает добычу в не автоматизированной лаве. Высокие объемы добычи являются главным образом результатом повышения машинного времени в лаве. Цикл крепления при этом составляет 10 секунд на секцию [117, 118].
В настоящее время имеются данные о применении автоматизированной системы управления – «marco», на зарубежных шахтах.
О возможностях системы можно судить по некоторым данным максимальной суточной добычи в лавах (в том числе со сверх трудными условиями для струговой выемки) с системами автоматизации «marco», приведенными ниже в таблице 4.1. При этом на шахте «Heinrich Robert» работы ведутся полностью в безлюдной лаве, поскольку пласт опасен по горным ударам [119].
Электрогидравлическая система управления осуществляет автоматизацию всех функций крепи, исполнительного органа, управления секцией или группой секций, регулирование геометрии очистного забоя. Значительные технические возможности системы обеспечиваются широким набором изделий, начиная от кабельной системы и разнообразных датчиков и кончая искробезопасной централью и поверхностной диспетчерской лавы.
Автоматизированное управление и контроль могут быть осуществлены более чем 200 секциями крепи в одной сети. Параметры управления могут задаваться, как в центральном компьютере, так и в каждом компьютере локально или для лавы в целом. «Marco» – система использована в самой длиной в мире 400 – метровой струговой лаве.
Все автоматизированные очистные забои в Рурском бассейне и в Китае обслуживаются только 2-мя сотрудниками.
Решена проблема распознавания границы раздела уголь – порода. Для этого в шнек рядом с резцом запрессовывается пьезодатчик. Бортовой компьютер анализирует в реальном масштабе времени шумы, определяет результат распознавания в виде «порода» или «уголь» и выдает сигнал для управления гидравликой исполнительного органа. Быстродействие компьютера позволяет принимать управляющие решение до 10 раз за оборот шнека [120].
Автоматизацией управления механизированными крепями струговых и комбайновых очистных комплексов в России занималась научно производственная фирма АО «Конвер» совместно со специалистами «Гипроуглемаш». В связи с прекращением финансированием, закончить разработку электрогидравлической системы управления и довести её до промышленного серийного изготовления удалось только по системе автоматизированного управления крепью М138.
