Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и анализ изученности вопроса 14-46
1.1. Условия залегания крутых пластов средней мощности и перспективы создания механизированных крепей в Кузбассе 14-17
1.2. Состояние комплексной механизации для отработки крутых пластов средней мощности 17-28
1.3. Состояние изученности механизма взаимодействия механизированных крепей с боковыми и обрушенными породами .28-33
1.4. Анализ существующих методов расчета механизированных крепей .33-46
Выводы 46-48
2. Выбор кинематической схемы, анализ силовых и геометрических параметров секции крепи 48-89
2.1. Изыскание рациональной конструктивной схемы механизированной крепи .48-56
2.2. Выбор кинематической схемы секции крепи 57-61
2.3. Анализ кинематики секции крепи 61-69
2.4. Анализ силовых параметров секции крепи ,69-89
2.4.1. Силовой анализ конструкции перекрытия... 69-75
2.4.2. Анализ распределения рабочего сопротивления по перекрытию .76-81
2.4.3. Силовой анализ взаимодействия ограждения с обрушенными породами 82-89
Выводы 89-91
3. Экспериментальные исследования взаимодействия опытных образцов крепи КПК-І с боковыми и обрушенными породами 92-136
3.1. Планирование эксперимента, объем и достоверность исследований 92-95
3.2. Методика проведения исследований 95-99
3.3. Стендовые исследования 99-110
3.4. Шахтные исследования ІІ0-І34
3.4.1. Характеристика условий места испытаний 110—112
3.4.2. Исследования поведения боковых пород 112—119
3.4.3. Исследования формирований силовых нагрузок на крепь 119—125
3.4.4. Исследования взаимодействия перекрытия с кровлей пласта 125-129
3.4.5. Исследования взаимодействия ограждений с обрушенными породами 129-134
Выводы 135-136
4. Обоснование и определение силовых и конструктивных параметров одностоечной секции с направляющим механизмом 137-182
4.1. Обоснование и определение параметров перекрытия и реакций в направляющем механизме секции. 137-150
4.1.1. Обоснование рационального распределения рабочего сопротивления по перекрытию и определение его параметров І37-І4І
4.1.2. Определение реакций в направляющем механизме секции при "точечном" контакте перекрытия ...141-147
4.1.3. Определение усилий в элементах ограждения при вероятностных схемах его нагружения... 147-150
4.2. Критерии оценки кинематической схемы секции и определение ее рациональных геометрических параметров 150-157
4.3. Внедрение результатов работы и обоснование основных силовых параметров секции... 157-168
4.4. Экономическая оценка результатов работы 168-180
Выводы 180-182
Заключение 183-186
Приложения 201-222
- Состояние комплексной механизации для отработки крутых пластов средней мощности
- Анализ распределения рабочего сопротивления по перекрытию
- Исследования взаимодействия ограждений с обрушенными породами
- Определение реакций в направляющем механизме секции при "точечном" контакте перекрытия
Введение к работе
Перспективным планом развития народного хозяйства страны предусматривается довести добычу угля по Кузнецкому бассейну к 1985 г. до 200-212 млн.т, в том числе угля для коксования до 86-92 млн.т и увеличить производительность труда на 17-18$ за счет комплексной механизации очистных работ. В перспективе к 1995-2000 г. планируется довести добычу по бассейну до 500 млн. т, из них около 300 млн.т угля для коксования.
Особое внимание при этом уделяется разработке крутых (свыше 35°) пластов средней мощности (1,8 - 3,5 м), содержащих в основном ценные коксующиеся угли. Если в настоящее время в общем объеме добычи угля подземным способом доля пластов с углами падения более 35° составляет около 15$ (52-54 млн.т.), то в 1985 г. в Кузбассе планируется добывать только из крутых пластов средней мощности около 18,5 млн.т [і].
Исследованиями КузНИУИ и ВНИМИ установлено, что в крутых пластах средней мощности Кузбасса сосредоточено 78 млн.т угля пригодных для отработки комплексами с механизированными крепями. Однако комплексную механизацию имеют только около 8% забоев. Основные системы разработки - длинные столбы по простиранию с обрушением кровли на деревянную органную крепь и столбы по падению с применением щитовых перекрытий различных конструкций--характеризуются высокой трудоемкостью работ и низкими технико--экономическими показателями в сравнении с аналогичными показателями при разработке пластов пологого падения (производительность труда в 1,5 -1,8 раза ниже, а себестоимость угля в 1,5-2 раза выше). Применение агрегата І АЩМ не дает значительного экономического эффекта из-за частых перемонтажей, обусловленных малой (100-110 м) высотой этажа.
Наиболее перспективным и экономически целесообразным направлением при совершенствовании технологии отработки крутых пластов является создание механизированных крепей, работающих по простиранию [2,3] . Из существующих в СССР механизированных крепей такого типа применению в специфических условиях залегания угольных пластов в Кузбассе более всего соответствует агрегат АК-3 и комплекс типа КПК. Однако на пластах с мелкоамплитудными нарушениями и твердыми включениями применение агрегата АК-3 затруднено.
Недостаточная изученность сложных и специфических процессов взаимодействия системы "крепь-породы", большое разнообразие горно-геологических условий и недостаточность учета этих условий в существующих методах расчета в значительной мере объясняют различие силовых и конструктивных параметров существующих механизированных крепей. Поэтому исследования, посвященные созданию и совершенствованию механизированной крепи для отработки крутых пластов средней мощности Кузнецкого бассейна, являются актуальными как в научном, так и в практическом плане.
Цель работы - выбор кинематической схемы и обоснование силовых и конструктивных параметров одностоечной секции механизированной крепи оградительно-поддерживающего типа, предназначенной для отработки пластов средней мощности столбами по простиранию, на базе изучения и анализа ее деформационно-силового и контактного взаимодействия с боковыми и обрушенными породами. Идея работы заключается в выявлении особенностей взаимодействия механизированной крепи с боковыми и обрушенными породами и в принятии основных характеристик взаимодействия в качестве отправных параметров при компоновке кинематики и модернизации секции крепи.
Задачи исследований:
- обоснование рациональной кинематической схемы механизированной крепи для крутых пластов Кузнецкого бассейна;
- установление качественных и количественных характеристик нагрузок на перекрытие и завальное ограждение секции крепи при ее взаимодействии с боковыми и обрушенными породами;
- выявление процессов взаимодействия перекрытия и ограждения с боковыми и обрушенными породами при реальных схемах наг-ружения и определение зависимостей реакций в элементах направляющего механизма от вынимаемой мощности, схем нагружения ограждения и "точечного" контакта перекрытия с кровлей пласта;
- определение рациональных силовых и геометрических параметров одностоечной секции с шестизвенным направляющим механизмом.
Методика исследований предусматривала детальное изучение характера взаимодействия секций крепи с боковыми и обрушенными породами, условий формирования и величин внешних нагрузок на перекрытия и ограждения секций, а также способов реализации полученных данных в конкретных расчетных схемах и приемах компоновки кинематики секции крепи и ее конструктивного совершенство вания. В соответствии с этим выполнялись:
- шахтные исследования характера разрушения кровли над
крепью и в зонах сопряжений забоя со штреками, сдвижения кров 8
ли, движения обрушенных пород за крепью, реакций гидроопор и их просадок, нагрузок на перекрытия и ограждения секций крепи;
- лабораторные и стендовые исследования на натурных образцах силовых и кинематических характеристик в звеньях и связях секций крепи при различных схемах нагружения и контактирования с боковыми породами;
- теоретические исследования характеристик контактного взаимодействия с боковыми и обрушенными породами, схем компоновки кинематики секции и ее деформационно-силовых параметров.
Теоретические исследования и обработка экспериментальных данных методами математической статистики проведены с помощью ЭВЦМ. Оценка эффективности разработанных рекомендаций и технологических решений выполнена, на основе технико-экономического анализа.
Научные положения, защищаемые автором:
- максимальные значения реакций в элементах шестизвенного направляющего механизма и опор секции крепи зависят от расположения точек контактирования перекрытия с кровлей и могут превосходить величины реакции цри полном контакте в несколько раз, например, в крепи типа КПК в 2,5-15 раз ;
- при примерном равенстве длин основной плиты перекрытия и его активного (консольного) козырька рациональным распределением их рабочего сопротивления соответственно является 70% и 30% всей несущей способности секции при расположении гидроопоры с соотношением плеч основной плиты 6:5 в направлении завала;
- при разных схемах нагружения ограждения обрушенными породами в элементах ограждения возникают реакции, максимальные значения которых в крепи типа КПК изменяются от 1,6 величины удельного давления обрушенных пород при сжатии до 3,6 этого значения при растяжении соответствующих элементов;
- кинематическая схема секции одностоечной щитовой крепи с направляющим шестизвенным механизмом обеспечивает параллельность перемещения перекрытия боковым породам при изменении высоты секции, жесткость и продольную устойчивость секции относительно основания при слабой кровле и передачу двигательного усилия от основания к перекрытию без расклинивания секции при передвижении с подпором кровли, уменьшение реакций в кинематических парах секции и возможность использования пространства между звеньями механизма для прохода людей;
- способ определения основных геометрических, конструктивных и силовых параметров секции крепи, основанный на методе проекций, позволяет свести расчеты секций одностоечных щитовых крепей к однотипным блок-схемам, дает наглядность и простоту анализа.
Достоверность научных положений подтверждается:
- обоснованным объемом экспериментальных исследований в лабораторных и шахтных условиях с использованием современных средств измерений;
- сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований в пределах 85-90%;
- успешными лабораторными и шахтными (на шахтах "Краснока-менская", "Зенковская", им.Дзержинского п/о "Црокопьевскуголь") испытаниями крепей типа КПК по мере их создания и совершенствования в 1970-1980 гг. в пяти лавах при отработке пластов мощностью 1,8 - 2,4 м с углом падения до 72°.
Научная новизна работы заключается:
- в экспериментальном установлении количественных и качественных характеристик нагрузок на перекрытие и ограждение одностоечной секции крепи при ее взаимодействии с боковыми и обрушенными породами на крутых пластах средней мощности столбами по простиранию;
- в разработке нового способа силового расчета, теоретическом определении и экспериментальном подтверждении зависимостей реакций в звеньях и связях секции крепи от вынимаемой мощности и различных схем нагружения при ее взаимодействии с боковыми и обрушенными породами;
- в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении правильности выбора силовых и конструктивных параметров одностоечной -секции крепи для крутых пластов средней мощности столбами по простиранию.
Личный вклад автора в получении научных результатов состоит:
- в выявлении механизма взаимодействия механизированной щитовой крепи с боковыми и обрушенными породами;
- в установлении качественных и количественных характеристик нагрузок на перекрытие и завальное ограждение секции крепи при ее взаимодействии с боковыми и обрушенными породами;
- в разработке силового расчета и определении зависимостей реакций в элементах направляющего механизма секции крепи от вынимаемой мощности, различных схем нагружения и "точечного" контакта перекрытия с кровлей пласта;
- в обосновании рациональных силовых и геометрических параметров секции крепи КПК-І и КПК-ІМ.
Практическая ценность работы:
- полученные автором уточненные максимальные значения нагрузок и характер их распределения на крепь позволяют принять их за основу для расчета механизированных крепей для крутых пластов.
Кузбасса мощностью до 2,5 м и, в частности, крепей, перекрытия которых состоят из основной плиты и активного козырька;
- выявленные схемы нагружения ограждения, определенные значения нагрузок и установленный характер их распределения на ограждения позволяют принять их за основу для расчета крепей для крутых пластов средней мощности;
- установленные значения реакций в звеньях и связях шести-звенного направляющего механизма от вынимаемой мощности пласта при разных схемах взаимодействия секции с боковыми и обрушенными породами позволяют принять их для расчета прочности звеньев секций механизированных крепей;
- обоснованная кинематическая схема одностоечной секции агрегатной механизированной щитовой крепи для крутых пластов средней мощности и определенные ее рациональные геометрические и силовые параметры позволили осуществить модернизацию крепи КІЖ-ІМ.
Реализация работы. Результаты исследований и щахтных испытаний использованы для обоснования рациональной кинематической схемы агрегатной механизированной щитовой крепи при разработке ТЭТ на комплекс оборудования для выемки угля столбами по простиранию на пластах мощностью 1,8-3,5 м с углами падения более 35° и ТЗ на первый типоразмер этого комплекса на мощность 1,8-2,4 м. ТЗ утверждено Минуглепромом СССР. Рекомендации автора по совершенствованию секции крепи нашли применение при разработке рабочих чертежей на установочную партию комплекса КІЖ-І и опытный образец модернизированного комплекса KIK-IM.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные положения рассматривались, обсуждались и получили одобрение научно-технического совета института КузНИУИ (г.Прокопьевск 1982 г., 1983 г.), XXI регионального научно-координационного со 12 вещания "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (г.Новосибирск,1980 г.), Ш Всесоюзного семинара "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (г.Новосибирск, 1982 г.), НТС отдела разработки крутых пластов средней мощности КузНИУИ (г.Прокопьевск, 1982 г.), семинаров отделения комплексной механизации выемки крутых пластов ИГД им. А.А.Ско-чинского (Москва, 1981 г.) и Института горного дела СО АН СССР (г.Новосибирск,1983 г.,1984 г.).
Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 13 статей в научных изданиях. Результаты исследований изложены в 7 научных отчетах, ТЭТ на комплекс оборудования для выемки угля столбами по простиранию на пластах мощностью 1,8-3,5 м с углами падения более 35°, ТЗ на первый типоразмер этого комплекса на мощность 1,8 - 2,4 м и протоколах приемочных испытаний.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и содержит 126 страниц машинописного текста, 46 рисунков, II таблиц, список литературы из 108 наименований и 3 приложения.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ КузНИУИ за І97І-І983гг. по темам 4-У.З - 1971 г.(№ гос.рег.71019954), 050I0I60 - 1972 г., 0501030000 - 1973-1975 гг.(№ гос.рег. 75032038), 050II40000 - 1976-1980 гг. (№ гос.рег.76053119), 050I30I000 - 1981 г.(№ гос.рег.81052708), 05045I800O - 1982-1983 гг. (№ гос.per.01820092468), в отделе разработки крутых пластов средней мощности Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского угольного института (КузНИУИ), в которых автор принимал непосредственное участие в качестве исполнителя и ответственного исполнителя.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к.т.н., заведующему лабораторией механизированных крепей ИГД СО АН СССР Фролову Б. А., заведующему лабораторией безлюдной выемки КузНИУИ к.т.н. Судареву В.А., заведующему лабораторией мощных крутых пластов ИГД им.А.А.Скочинского к,т.н. Аксенову В.В., а также сотрудникам лаборатории механизированных крепей КузНИУИ за помощь, оказанную при выполнении работы.
Состояние комплексной механизации для отработки крутых пластов средней мощности
Особенность механизированной крепи, как основы очистных комплексов и агрегатов, состоит в том, что ее работоспособность как машины в значительной степени определяется соответствием ее конструктивных и силовых параметров условиям эксплуатации. Для создания механизированных крепей необходимо иметь достаточно полные сведения об основных параметрах залегания пластов: фактических изменениях мощности и угла падения, степени их нарушенно-сти, устойчивости пород кровли и почвы и др. Эти характеристики определяют ряд технических требований к конструкциям (раздвиж-ность, число типоразмеров, конструктивную связь узлов и секций, средства управления и т.д.) и области их применения, а поэтому должны учитываться при конструировании крепей и выборе участков для их применения.
По тектонической структуре Кузнецкий бассейн представляет собой крупный синклинорий неправильной четырехугольной формы, длинная ось которого вытянута с юго-востока на северо-запад. Бассейн характеризуется значительной угленосностью угольных месторождений. Коэффициент угленосности колеблется от 2,0 до 10,6% [4]. Пласты имеют сближенное залегание, расстояние между ними, как правило, не превышает 50-60 м.
В крутых пластах Кузбасса мощностью 1,8 - 3,5 м сосредоточено 442 млн.т или 9,5% всех промышленных запасов бассейна. Вмещающие породы нарушены трещиноватостью различной интенсивности и представлены всеми типами кровель.
Кровля пластов представлена песчаниками, алевролитами, аргиллитами, углистыми аргиллитами слабой и средней устойчивости от легко до труднообрушаемых и часто характеризуется непостоянством состава даже в пределах одного шахтного поля. Временное сопротивление пород кровли на одноосное сжатие изменяется от 11,4 до 201,5 МПа. Непосредственная почва пластов представлена породами средней крепости с временным сопротивлением на одноосное сжатие от 45 до 70 МПа [Ь].
На шахтах Кузбасса большинство пластов крутого падения средней мощности имеет тектонические нарушения, расположенные как по простиранию, так и по падению, переход которых механизированными крепями невозможен или затруднен.
Значительная часть угольных запасов Кузнецкого бассейна сосредоточена в крутых пластах средней мощности, при этом 61,3 млн.т находится в пластах мощностью 1,7 - 2,5 м Прокопьевско-Ки-селевского района. Для определения возможного объема применения механизированных комплексов в бассейне на крутых пластах средней мощности КузНИУИ и ВНИМИ проведены исследования, позволившие установить, что из 225 выемочных полей Прокопьевском района Кузбасса с высотой этажа 50-110 м и длиной по простиранию 200-400 м, расположенных на отрабатываемых в настоящее время горизонтах, степень тектонической нарушенности (разрывы сплошности, сдвиги, сбросы и т.д.) достигает от 22,2 до 45,4$ [б]. Комплексная оценка длины очистных забоев с учетом нарушенности, закономерностей распределения нагрузок на крепь по длине лавы и других факторов, а также по критерию минимальности приведенных затрат по экономическому фактору позволяет рекомендовать механизированные лавы длиной 50-70 м (при устойчивых породах до 80--100 м) [7]. Помимо нарушенности угольные пласты характеризуются непостоянством мощности и углов падения.
Из исследований [в] видно, что 70% общего количества пластов имеют коэффициент вариации мощности пласта в пределах 25%, т.е. такое колебание мощности пласта существенного влияния на применение механизированных комплексов не оказывает.
Анализ количественного распределения 300 полей с длиной по простиранию от 200 до 700 м с различными пределами изменения углов падения и радиуса кривизны позволяет сделать заключение, что на крутых пластах практически нет полей с выдержанным углом падения и при проектировании механизированных комплексов следует считать характерными для большинства полей пределы колебания углов падения + 5-6, а радиусы кривизны поверхности кровли и почвы по падению не менее 30 м и по простиранию до 350-400 м [9
Исследованиями условий залегания крутых пластов Прокопьев-ско-Киселевского района установлена их расчлененность на тектонические блоки из-за наличия крупноамплитудных (с амплитудой более 10-20 м) геологических нарушений и сильная изменчивость характеристик пластов не только в целом по месторождению, но и в пределах тектонического блока: мощность пластов на 10 тыс.м площади изменяется в пределах от 0,1 до 4,2 м; коэффициент крепости углей - от 0,4 до 2,5; сопротивляемость угля резанию изменяется от 1,о- I03 до 3,4-Ю3 да [ю].
Из исследований [lI,I2,I3_ видно, что Прокопьевско-Киселев-ское месторождение является сильно нарушенным, пласты имеют большую изменчивость условий залегания, однако механизированные крепи могут найти достаточно широкую область применения (не менее 35-40% выемочных полей).
Таким образом, на крутых пластах средней мощности механизированные комплексы могут найти значительную область применения (запасы пригодные для отработки механизированными крепями составляют 78 млн.т [ю] ). Однако работы над созданием крепей необходимо вести с учетом специфических условий залегания пластов в бассейне, что позволит не только улучшить технико-экономические показатели, но и решить социальную задачу - изменить труд рабочего очистного забоя.
Анализ распределения рабочего сопротивления по перекрытию
Установление основных параметров механизированных крепей возможно только при изучении влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на механизм взаимодействия крепи с вмещающими породами. На механизм взаимодействия механизированной крепи с вмещающими породами, определяющий устойчивость пород в при-забойной зоне и, следовательно, работоспособность крепи очистного забоя, влияет комплекс горно-геологических (устойчивость, величина и скорость сдвижения вмещающих пород, мощность пласта, крепость угля), технологических (выемка угля, посадка кровли, отсутствие работ в лаве, простои) и конструктивных (конструктивные и силовые параметры самой крепи) факторов [із].
Закономерности сдвижения горных пород, характер деформации, разрушения и смещения пород кровли, взаимодействие кровель с крепью изучены и изложены в работах д.т.н. В.Т.Давидянца [21, проф. Г.Н.Кузнецова [22], д.т.н. Г.И.Грицко [ 23J , д.т.н. К.А.Ар-дашева б, д.т.н. С.Т.Кузнецова [24], к.т.н. Н.И.Яковлева [25], к.т.н. Н.А. Федорова 26 , д.т.н. А.К.Коврижина [із] , к.т.н. П.Н.Куртукова [27], к.т.н. В.А.Сударева [28], к.т.н. В.П.Белова [29_, д.т.н. В.М.Шика [ЗО] и др. На основании этих исследований накоплен большой фактический материал по механизму расслоения, сдвижения и обрушения пород кровли и формированию нагрузок на механизированные крепи.
Переходя к общей оценке изученности вопроса следует отметить, что при современном знании количественных значений факторов,влияющих на. механизм взаимодействия крепи с вмещающими породами, их баланса для разнообразных условий работы крепей,переменного их значения в этом балансе, ввиду постоянно меняющихся условий работы крепи, без их уточнения и детализации для конкретных условий воспользоваться этими факторами для расчетов параметров крепей не представляется возможным.
Крепь очистного забоя должна предотвращать обрушение пород в призабойной зоне. Процесс расслоения происходит в результате неравномерного сдвижения слоев кровли по высоте и является наиболее важным в формировании нагрузок на. механизированную крепь. Вероятность и характер расслоения пород кровли над призабойным пространством зависят от физико-механических свойств породных слоев и сопротивления крепи. Смещения и скорости смещения кровли возрастают с увеличением расстояния от забоя [Зі] и зависят от мощности пласта, класса, кровли и крепости угля [28,32. При разработке крутых пластов средней мощности по мере увеличения мощности процесс обрушения боковых пород происходит более интенсивно: более резко проявляются трещины давления в массиве угля впереди забоя и в прилегающих целиках угля. Образование же трещин в междуэтажном целике и его ослабление будет способствовать разрушению его после прохода лавы и перепуску обрушенных пород вышележащего этажа в выработанное пространство [32J. Исследованиями [8,13,24,33-34) установлено, что наиболее интенсивные смещения кровли происходят в зоне работы выемочной машины. Профильная линия смещения кровли по ширине призабойного пространства может быть аппроксимирована прямой.
При подвиганий лавы кровля непрерывно опускается. В момент выемки угля комбайном скорость опускания резко возрастаете при отсутствии производственных процессов в лаве она снижается и составляет небольшую часть от средней скорости за цикл. При комбайновой выемке угля лучшей схемой работы крепи является последовательная передвижка секций путем подтягивания их к предварительно передвинутой без крепи [в] , что обеспечивает возможность надежного поддержания кровли в лаве, минимальные обнажения кровли, а это весьма важно при слабых породах. Однако передвижение секций вслед за комбайном ухудшает состояние кровли, так как полная разгрузка и передвижение секций крепи и создание комбайном нового обнаженного рабочего пространства вызывает значительное увеличение скорости опускания пород кровли [25,28,33]. Многократная разгрузка крепи на одних и тех же участках кровли способствует разрушению кровли и проникновению под крепь разрушенной породы [24]. Чем выше скорость опускания кровли в различные периоды производственного цикла, тем больше общее опускание кровли за цикл. Исследованиями [8,34] установлено,что увеличение скорости подвигания лавы является положительным фактором, так как при этом уменьшается расслоение непосредственной кровли и ее средние величины опускания на равных расстояниях,а скорости опускания кровли увеличиваются.
Для решения вопроса о величине сопротивления крепи, необходимого для предотвращения расслоения кровли, принципиальное значение имеет положение, сформулированное впервые Г.Н. Кузнецовым [Зб, что крепь может работать в двух режимах: заданной деформации и заданной нагрузки, фи отсутствии расслоения кровли крепь получает заданную деформацию, обусловленную смещениями кровли и не зависящую от сопротивления крепи. При расслоении кровли крепь поддерживает отслоившуюся породу, давление на крепь пропорционально весу отслоившихся породных слоев и не зависит от деформации самой крепи. На отрабатываемых горизонтах шахт Кузбасса с увеличением глубины разработки устойчивость кровли, допускаемые ее обнажения и шаг посадки увеличиваются, что нужно считать положительным фактором с точки зрения сдвижения кровли, допускаемых межсекционных зазоров и способов передвижки крепи. Величина и скорость смещения кровли заметно снижается, кровля становится более устойчивой, менее склонной к обрушениям. Работа крепи в режиме заданной нагрузки возможна только при расслоении пород, вызванном недостаточным сопротивлением или несвоевре менной установкой крепи, и связана с дополнительным смещением кровли, во многих случаях вредно отражающимся на ее устойчивости [Зб] .
Исследования взаимодействия ограждений с обрушенными породами
Механизированная крепь - это самопередвигающаяся машина цикличного действия, преимущественно гидрофицированная, ограждающая рабочее пространство, механизирующая процессы крепления и управления кровлей, передвижки забойного конвейера (базы) и другого технологического оборудования.
Анализ отечественного и зарубежного опыта применения механизированных крепей показал, что наиболее прогрессивным видом механизированной крепи является агрегатная гидравлическая крепь [6I-64J , структурные единицы которой имеют общую групповую связь по длине лавы, строго фиксирующую параллельность, либо интервалы их расположения и обеспечивающую силовое и кинематическое взаимодействие секций крепи.
Основная особенность схемы агрегатной механизированной крепи, входящей в состав очистного комплекса, наличие базы и на ней элементов, обеспечивающих связь, установку и передвижение выемочной машины (комбайна), совершающей по базе возвратно-поступательные движения. База, крепи - пространственная кинематическая цепь функциональных звеньев, формирующая равномерную расстановку, линейное расположение и связь структурных элементов крепи по длине лавы.
Существует ряд классификационных конструктивных схем механизированных крепей Рассмотрение механизированных крепей с точки зрения конструктивной схемы и принципов устройства, показывает, что конструкции крепей, предназначенных для работы в условиях пластов крутого падения, отличаются от конструкций, применяющихся на пластах пологого падения, более развитой и законченной базовой системой либо наличием дополнительных связей по длине лавы, гарантирующих направленность движения секций крепи, устойчивость, удержание их от сползания и обеспечивающих безопасность работ.
Несмотря на то, что из приведенных классификаций нельзя сделать вывод о целесообразности применения того или иного вида крепи в зависимости от горно-геологических условий, они предлагаются как возможная основа и исходная система для анализа различных конструктивных и конструктивно-технологических схем механизированных крепей и их структурных единиц, с точки зрения наибольшего соответствия конкретным горно-геологическим условиям эксплуатации и удовлетворения эксплуатационно-техническим требованиям при проектировании конструкций крепей.
Пригодность крепи по ее принципиальной конструктивной схеме для применения на пластах крутого падения может быть установлена по системе связей по длине лавы и взаимосвязи секций крепи, схеме их передвижения и некоторым другим признакам.
Известно, что основные кинематические свойства крепи связаны с такими фундаментальными понятиями механики, как устойчивость (направленность) и управляемость движения. Под устойчивостью понимается способность системы сохранять неизменным заданный параметр движения при воздействии на нее возмущающих факторов, под управляемостью - способность изменять заданный параметр при целенаправленном воздействии оператора [бв] . Устойчивость движения механизированной крепи должна обеспечить, во-первых, упорядоченную взаимную ориентацию отдельных секций, и во-вторых - заданную ориентацию всей крепи в пространстве. При рассмотрении первого вопроса, необходимо отметить,что уже найдены удачные сочетания связей, которые обеспечивают постоянство интервалов между секциями и поперечную устойчивость (крепь М-87ДН). При рассмотрении второго вопроса необходимо отметить, что по условиям эксплуатации механизированных крепей (перегрузка, угля, сопряжение со штреком и др.) допустимое изменение длины лавы ограничено величиной + 0,5 м. Изменять траекторию крепи необходимо для компенсации накопленных отклонений и для того, чтобы следить за профилем подготовительной выработки. Управляемость движения механизированной крепи может быть сведена к решению двух частных задач: управлению движением в направлении подвигания лавы и управлению движением вдоль лавы. При управлении движением в направлении подвигания лавы существуют различные способы, позволяющие: - корректировать движение путем резкого изменения траектории ; - решать "стратегические" задачи по вождению комплекса за счет неограниченного изменения курса крепи, но разворот протекает медленно и нарушает производственный цикл; - обеспечивать оптимальную маневренность крепи. Управление движением крепи вдоль лавы, в условиях крутых пластов, имеет несравненно большее значение, чем в условиях пологих пластов, где сползание крепи под действием собственного веса и влияния обрушенных пород незначительно. К способам управления движением крепи в плоскости крутого пласта вдоль лавы при работе по простиранию должны предъявляться следующие требования [69,70J: возможность управляемого попеременного движения в обоих направлениях вдоль лавы (маневр крепи), высокая маневренность крепи, характеризуемая интенсивностью смещения крепи вдоль лавы за один цикл передвижки при маневре, осуществление направленного движения вдоль лавы (установившийся период) посредством ориентирования секций в плоскости пласта и обеспечения их поперечной устойчивости. Проведенный с этих позиций анализ конструкций современных механизированных крепей показывает, что управление движением крепи решается двумя принципиально различными способами: 1, Поступательное движение крепи параллельно самой себе с помощью специальных движущих устройств (крепь КГУ). 2. Поступательное движение крепи с угловым разворотом ее линии фронта относительно лавы с помощью домкратов передвиже ния секций (крепи КПК, АК-3).
Определение реакций в направляющем механизме секции при "точечном" контакте перекрытия
Рациональность обоснованной и разработанной кинемати ческой схемы одностоечной секции для крутых пластов средней мощности заключается в том, что в ее основу впервые заложен шестизвенный направляющий механизм, обеспечивающий параллель ность перемещения перекрытия боковым породам при изменении вы соты секции, жесткость и продольную устойчивость секции отно сительно основания при слабой кровле и передачу двигательного усилия от основания к перекрытию без расклинивания секции при передвижении с подпором кровли, уменьшение реакций в звеньях и связях шестизвенника по сравнению с четырехзвенннм механизмом и возможность использования пространства между звеньями механизма для прохода людей. 3. При изменении высоты секции опытного образца крепи КПК-І от Hmin до fimax перекрытие имеет горизонтальное и вер тикальное перемещение соответственно равное 42,5 Ю 3м и 15,4 Ю 3м, при этом основное приращение перемещения происходит цри раздвижности секции от 2,3 до 2,5 м и соответственно равно 20 10" м и Ю,5 10""3м, что вызывает дополнительный прирост реакций в звеньях и связях в 2 раза. 4. Вероятностным распределением сопротивления по перекры тию секции опытного образца крепи КПК-І установлено, что на ко зырек и его забойный конец приходится соответственно 6,7 и 0,4% от рабочего сопротивления гидростойки, что не позволяет с достаточной надежностью поддерживать кровлю в призабойной части при распоре и передвижении секции с активным подпором. Примерно равное распределение сопротивления по левой и правой частям основной плиты перекрытия и максимальная концентрация сопротивления в районе гидростойки приводят к излишнему напряжению и деформации основной плиты в этом месте. 5. При изменении высоты секции опытного образца крепи КІЖ-І от Нтіп до Нпсгх реакции в элементах ограждения от действия обрушенных пород являются сжимающими и изменяются в широком диапазоне. Наибольшее изменение реакции происходит в верхнем оградительном щите, а ее величина изменяется от 0,26 до 3,2 единичного значения удельного давления обрушенных пород.
Целью экспериментальных исследований являлась оценка выбора конструктивной схемы секции и крепи в целом, проверка соответствия расчетных параметров фактическим значениям и установление эмпирических закономерностей взаимодействия крепи с боковыми и обрушенными породами. При этом активные эксперименты проведены в основном при лабораторных и стендовых исследованиях,а пассивные эксперименты (наблюдения) - при шахтных исследованиях.
Большие затраты средств и времени на выполнение экспериментов диктуют необходимость проведения минимального числа опытов, результаты которых были бы достоверны.
Рациональное планирование эксперимента обусловлено специфическим характером исследований: возможностью постановки ограниченного числа опытов как в лабораторных, так и в шахтных условиях, трудоемкостью и высокой стоимостью экспериментов.
Для установления числа опытов при определении зависимости горизонтального и вертикального перемещения перекрытия и углов наклона элементов при изменении высоты секции от Нтіп до Нтах согласно [86J применено следующее правило: рассматривая сложную кривую как комбинацию прямых и простых кривых, необходимо описать каждый перегиб кривой по меньшей мере тремя опытами; каждый участок, близкий к прямолинейному - двумя опытами и близко к назначенным пределам поставить два "концевых" опыта. При большом относительном колебании результатов с целью получения большей надежности опыта должно быть больше повторных опытов. Для измерений, связанных с конструкциями машин, вполне достаточна надежность Р=0,9 . Ошибка измерений не должна превышать одного стандарта. При принятом правиле число опытов для горизонтального перемещения перекрытия (см.рис.2.3, линия I) равно 10, а для вертикального перемещения (см.рис.24, линия I) - 12. Число повторений данных опытов - 5.
Число опытов при определении распределения рабочего сопротивления по перекрытию и при определении реакций в кинематических осях при "точечном" контакте определено из условия изменения усилия в стойке от 0 до 400 кН с интервалом в 20 кН. Число опытов составило 20 с 5-6 кратным повторением. Планирование числа опытов (измерений) в шахтных условиях тензометрическим способом осуществлено из специфики взаимодействия секций с боковыми и обрушенными породами по длине лавы. Для измерений устанавливалось три секции (в нижней, средней и верхней частях) по длине лавы. Число опытов определено режимами нагружения секций и влиянием процессов на измеряемый параметр, надежностью и точностью измерений и соответственно равно: при статическом нагружении - 15, при динамическом нагружении - 25, при передвижке секции без подпора - 15, при передвижке секции с подпором 20-60 кН 45, при передвижке соседних секций и выемке угля комбайном - 20.
Планирование числа опытов при определении сдвижения кровли и формирований нагрузок на крепь практически невозможно, поэтому данные замеры определены методикой исследований.
Обработка результатов исследований проводилась с помощью элементах крепи - методом ординат. На интересующий участок осциллограммы наносилась сетка из горизонтальных и вертикальных линий с промежутками по обеим осям. Для каждого промежутка, определялись точки пересечения кривой с вертикальными линиями.
