Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о функционировании средств комплексной механизации очистных работ
1.1 .Горно-геологическая характеристика пологих и наклонных пластов 10
1.2.Систематизация средств механизации очистных работ 15
1.3. Характер и критерии взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами 17
1.4.Процесс разрушения угольного пласта 22
1.5. Процессы погрузки и транспортирования угля 27
Выводы 33
2.Методика исследований 34
2.1 .Оборудование для лабораторных исследований. 35
2.2. Оборудование для шахтных исследований 36
2.3. Методика планирования шахтных экспериментов и обработки результатов исследований 40
Выводы 43
3. Обоснование дополнительных требований к угольным комбайнам для отработки пологих и наклонных пластов 44
3.1 .Конструктивные особенности бесцепных систем подачи 45
3.2. Шахтные испытания комбайнов и изучение возможностей их применения на углах падения более 9 без предохрани тельных лебедок 48
3.3.Результаты электрических измерений на комбайне КШЭ 55
3.4.Результаты измерений параметров на комбайне РКУ16 58
3.5 .Погрузочная способность комбайна РКУ16 66
3.6.Измерения уровня звукового давления комбайна РКУ16 и забойного конвейера комплекса 20КП70Б 67
3.7.Эксплуатационные и конструктивные недостатки и реко мендации по их устранению 68
3.8.Анализ результатов исследований и предложения по совершенствованию угольных комбайнов 70
Выводы 72
4. Процессы механизированных крепей с боковыми породами и обоснование направлений совершенствования крепей 73
4.1 .Исследование процессов взаимодействия с боковыми породами первого поколения механизированных крепей 73
4.2. Исследование процессов взаимодействия с боковыми породами механизированных крепей второго поколения 110
4.3.Анализ результатов исследований 124
4.4.Основные требования к механизированным крепям третьего поколения 141
Выводы 144
5. Требования к современным механизиро ванным комплексам для отработки пологих и наклонных пластов средней мощности
5.1 .Технические требования к механизированным комплексам.. 145
5.2.Технические требования к механизированной крепи 146
5.3.Технические требования к базе крепи 147
5.4.Технические требования к выемочному комбайну 148
5.5.Технические требования к крепям сопряжений 149
5.6.Технические требования к гидросистеме крепи 150
Выводы 152
Заключение 153
Литература 155
- Характер и критерии взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами
- Методика планирования шахтных экспериментов и обработки результатов исследований
- Шахтные испытания комбайнов и изучение возможностей их применения на углах падения более 9 без предохрани тельных лебедок
- Исследование процессов взаимодействия с боковыми породами механизированных крепей второго поколения
Характер и критерии взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами
При рассмотрении единой отраслевой классификации кровли (табл. 1.1) необходимо иметь в виду, что в первой строке таблицы указаны номера и наименования классов кровли по управляемости, а во второй приведен ее полный индекс. В полном индексе кровли первая цифра обозначает номер класса кровли по управляемости, вторая - номер типа по устойчивости, третья - номер типа кровли по нагрузочным свойствам.
В Кузбассе предварительно выявлено 44 пласта (66 шахтопластов) пологого и наклонного залегания, кровли которых относятся к трудноуправляемым. Анализ показывает, что на долю этих шахтопластов приходится порядка 26 % действующих очистных забоев. Представители пластов с трудноуправляемой кровлей: Байкаимский, Надбайкаимский, Поленовский, 32, 14, 9, 1, 11, 33, XXI, Дягилевский, Бреевский, X, 21, 22, VI, III, 7-7а и др.
На работоспособность механизированных крепей влияет несущая способность почвы, залегание в которой слабых размокающих пород приводит к резкому отклонению характеристики системы «крепь-боковые породы» от характеристики гидростоек, существенному снижению устойчивости крепи и нарушению нормального взаимодействия ее с кровлей. Производительность комплекса в таких условиях оказывается на 20-30 % ниже, чем в нормальных [5,6,7].
Установлено, что только в северной и центральной частях Кузбасса имеется 23 шахтопласта, несущая способность почв которых не превышает 1,5 МПа. В таблице 1.2 приведены сведения о несущей способности почвы некоторых из пластов. Наряду с этим в Кузбассе имеется группа пластов, несущая способность почвы которых резко снижается при повышении влажности пород в результате орошения. К таким пластам относятся Инской III, Сычевский I, Горелый, Коксовый и ряд других. Необходимо отметить, что более 90 % шахтопластов Кузбасса относятся к категории выше средней крепости. Высокая насыщенность пластов породными прослойками и твердыми включениями, которые в 5-8 раз превышают прочностные свойства угля, в 1,3-1,75 раза увеличивают сопротивляемость пластов разрушению, работа очистных комбайнов на пластах сложного строения характеризуется низкими технико-эксплуатационными показателями. На них, в сравнении с пластами простого строения, на 30-40 % ниже производительность и в 1,5-2 раза выше аварийность комбайнов. При этом до 40 % времени простоев комбайнов связано с выходом из строя исполнительных органов и рабочего инструмента. Высока аварийность комбайнов с цепной системой подачи на пластах с углами падения более 9 . Переход на бесцепную систему подачи в указанных условиях требует уточнения конструктивных схем и параметров тормозных устройств.
Заканчивая анализ горно-геологических условий залегания пологих и наклонных пластов Кузбасса, следует заметить, что исследования, выполненные ИГД им.А.А.Скочинского [8] свидетельствуют о тенденции дальнейшего их ухудшения. В связи с этим большую актуальность приобретают проблемы совершенствования как средств разрушения пласта, так и средств управления кровлей, как важнейших предпосылок повышения технического уровня очистных механизированных комплексов.
Переходя к систематизации средств механизации горных работ, необходимо отметить, что этим вопросом занимались многие ученые. Существует несколько классификационных схем горных машин, в основу которых положены различные признаки. В настоящее время более широко используется систематизация, предложенная Г.И.Солодом, В.И.Солодом и другими, в основу которой положен функциональный признак. Каждая машина при любой схеме технологического процесса выполняет определенные функции, обусловленные ее назначением. Одна и та же функция может осуществляться машинами, имеющими различную конструкцию. В связи с этим функциональный признак обладает необходимыми собирательными свойствами, является интегральным и достаточно общим [9].
В наиболее общем случае технологический процесс очистных работ включает в свой состав три основные операции: собственно выемку (отбойку и погрузку) полезного ископаемого, доставку, крепление призабойного пространства и управление кровлей.
Средства механизации указанных операций существенно отличаются по конструкции. Однако в общей схеме механизации технологического процесса эти средства могут быть объединены для совместной работы путем наложения на них технологической, кинематической и конструктивных связей.
Технологическая связь осуществляется согласованием машин для совместного технологического процесса. Эта связь проявляется в основном во взаимном согласовании основных параметров (скорость, габариты, производительность и др.). При наличии технологической связи функциональные машины остаются в известной степени обособленными и могут быть заменены другими машинами аналогичного назначения. Технологическая связь является обязательной и при наложении на функциональные машины кинематической и конструктивных связей.
Кинематическая связь осуществляется сочленением технологически согласованных функциональных машин. При кинематической связи машины еще сохраняют свою индивидуальность. Конструктивная связь характеризуется совмещением базовых элементов технологически согласованных и кинематически увязанных функциональных машин, приводящим к изменению конструкции машин и к потере ими своей индивидуальности. Примерами, характеризующими технологическую, кинематическую и конструктивную связи, являются связи между функциональными машинами, соответственно, широкозахватных комплексов, узкозахватных комплексов и агрегатов.
Методика планирования шахтных экспериментов и обработки результатов исследований
Исследования работы комбайнов показывают, что при крепких углях и наличии твердых включений цепные механизмы перемещения не обеспечивают равномерного движения комбайна.
Движение комбайна с цепной подачей становится возвратно-поступательным с частотой колебаний 1,5-2,0 Гц. Исполнительный орган отходит от забоя на расстояние 40-50 мм со скоростью до 15 м/мин и затем возвращается на забой с удвоенной скоростью [31].
Рывки и колебания исполнительных органов увеличивают динамические нагрузки комбайнов и снижают срок службы приводов резания и подачи. Так средняя наработка на отказ поворотных редукторов составляет менее 1000 часов, шнеки выходят из строя через 3-4 месяца работы. Более 10 % отказов в работе комбайнов приходится на порывы тяговых цепей и их заклинивание в механизмах перемещения. При искривлении линии забоя и неспокойной гипсометрии пласта тяговая цепь попадает на конвейер и элементы крепи, повреждая их. Кроме того, колебания и обрывы тяговой цепи приводят к травмированию рабочих.
Недостаточным является величина тягового усилия для комбайнов массой 20-30 т на пластах с углами падения свыше 7. Применение полиспастной подачи, не устраняя указанных недостатков, в два раза снижает скорость движения комбайнов. В связи с этим со всей остротой встала задача создания и исследования бесцепной системы подачи для обеспечения равномерного движения комбайнов и необходимого тягового усилия при повышении безопасности труда.
Опытом их эксплуатации установлено, что основными вопросами при отработке пологих и наклонных пластов являются: вопросы перемещения комбайна и предотвращение его от сползания при углах падения пласта свыше 9; вопросы взаимоувязки комбайна и забойного конвейера для обеспечения эффективной погрузки. Не выяснен полностью вопрос и о необходимой энерговооруженности комбайна, особенно с учетом разрушения сложнострук-турных пластов. Объектами исследований являются угольные комбайны, испытанные на шахтах Кузбасса - КШ75, КШЗМ, 2КШЗ, 2ГШ68Б, РКУ16, КШЭ. Конструкции опорно-направляющих механизмов, обеспечивающих взаимоувязку комбайна и конвейера и перемещение комбайна бесцепной системой подачи, схематично представлены на рис.3.1.
Бесцепная система подачи комбайнов 2ГШ-68Б и 2КШ-3 с однопривод-ным движителем состоит из гидропередачи (насос 1НП-200 - гидромотор 1ДП-4), редуктора, движителя, включающего цевочное колесо, цевочные рейки и детали опорно-направляющего механизма. Рабочее давление на выходе насоса 11,4 МПа, предельное - 16. МПа, подача 200 л/мин. Перемещение комбайна вдоль лавы осуществляется путем взаимодействия вертикального цевочного колеса на выходном валу редуктора с самоустанавливающейся секционной цевочной рейкой, смонтированной на кронштейнах завального борта конвейера. Кроме приводного цевочного колеса к корпусу комбайна с завальной стороны прикреплена лыжа со специальным захватом, при помощи которой осуществляются направленное движение комбайна по цевочной рейке и постоянное зацепление цевочного колеса с рейкой. Конструкция опорно-направляющего механизма была выполнена как с плоской направляющей, где завальная лыжа имела захваты за полки цевочной рейки (рис.3.1,а), так и с дополнительной круглой направляющей, частично разгружающей реечный став от динамических нагрузок.
Бесцепная система подачи комбайна КШ-75 с двухприводным движителем состоит из гидропередачи (насос 2Г13-36А - два гидромотора ДП-510), развивающей давление до 16 МПа, двух редукторов, става цевочных реек. Завальные лыжи комбайна имеют захваты за полки цевочной рейки и оснащены катками, которые катятся по плоскости полок (рис.3.1,6).
Бесцепная система подачи ГМП на комбайне КШ-ЗМ с одноприводным движителем состоит из гидропередачи, редуктора и движителя.
Движитель состоит из цевочного колеса, вращение которого осуществляется от выходного вала редуктора, плавающего реечного колеса и става зубчатых реек, закрепленных на завальном борту конвейера. Постоянное зацепление зубчатого колеса с рейкой при наклонах комбайна осуществляется за счет отклонения реечного колеса в вертикальной плоскости. Завальные лыжи комбайна опираются на круглую направляющую и обеспечивают направленное движение комбайна и постоянное зацепление колеса с рейкой (рис.3.1,в).
Было испытано две конструкции механизма подачи ГМП-1 и ГМП-2 с разными гидромоторами в приводе редуктора: в ГМП-1 применены два высо-комоментных радиально-поршневых гидромотора 1МР-2,5, спроектированные ИГД им. А.А.Скочинского; в ГМП-2 - один низкомоментный аксиально-плунжерный гидромотор 210.32.11.00 Одесского завода «Стройгидравлика». В обеих конструкциях применяется насос 207.32.11.02.
Бесцепная система подачи комбайна КШЭ с двухприводным движителем состоит из двух электродвигателей постоянного тока, двух редукторов, двух цевочных колес, става цевочных реек, опорно-направляющего механизма (рис.3.1,г). В механизме подачи применены электродвигатели с часовой мощностью 23,5 или 30 кВт. Тиристорный привод постоянного тока развивает номинальное тяговое усилие 300 кН, максимальное - 500 кН. Скорость подачи: средняя 5,65 м/мин; максимальная - 10 м/мин.
Шахтные испытания комбайнов и изучение возможностей их применения на углах падения более 9 без предохрани тельных лебедок
В отличие от комбайнов с цепными тяговыми органами, скорость подачи комбайна КШЭ не имеет существенных динамических колебаний.
Для оценки тягово-скоростных характеристик механизма подачи проведены измерения скорости подачи, тягового усилия, температуры нагрева отдельных элементов электродвигателей механизма подачи. Скорость подачи при выемке угля изменялась от 3,3 до 6,5 м/мин.
Для определения тягового усилия измерялся ток электродвигателей механизма подачи. По полученной при стендовых испытаниях зависимости тягового усилия от тока электродвигателей определялись тяговые усилия при различных режимах работы комбайна. При движении комбайна вверх по лаве ток электродвигателей изменялся в пределах 50-80 А, что соответствует тяговому усилию 90-200 кН, среднее значение тягового усилия при этом составило 140 кН.
Максимально зарегистрированное значение тягового усилия при движении комбайна вниз по зачистке лавы и выемке оставшейся части угля мощностью 1,2 м при скорости подачи 9,5 м/мин составило 80 кН. анализ результатов измерений показывает, что даже при высокопроизводительной работе комбайна (до 5000 т/сут) из-за низкой сопротивляемости угля резанию (до 120 кН/м), малого угла падения пласта (9-12) заложенные в электрический механизм подачи тяговые характеристики не были полностью реализованы.
Температура нагрева элементов электродвигателя при коэффициенте машинного времени 0,72 составила: коллектора - 99С, якоря - 105С, обмотки возбуждения - 102 С при допустимой температуре нагрева, соответственно, 105, 160 и 180 С.
Мощность, потребляемая электроприводом механизма подачи, имеет преимущественно плавный характер изменения с наложенными на ее рабочий уровень динамическими трапецеидальными колебаниями длительностью 0,5-1,5 с, а также стохастическими изменениями длительностью более 3 с. Амплитуды (пики) трапецеидальных колебаний мощности превышают в 1,2-1,6 раза ее средний уровень, стохастических - в 1,3-1,8 раза. Мощность, потребляемая электроприводом механизма подачи, во время холостого хода комбайна со скоростью подачи 2,2-4,8 м/мин по восстанию пласта составила 10,0-19,3 кВт, при работе комбайна под нагрузкой изменялась от 12,0 до 28,7 кВт; во время холостого хода со скоростью подачи 2,2-4,2 м/мин по падению пласта составляла 8,0-13,2 кВт. При указанных значениях мощности усилие подачи составляло 140-160 кН во время движения комбайна по восстанию и 100-130 кН - по падению.
Динамические изменения потребляемой мощности электропривода механизма подачи в основном были вызваны колебаниями усилия подачи на стыках реечного става, а также на отдельных цевочных пальцах, где были нарушения в работе цевочного зацепления, стохастические - изменениями про-странственного положения секций лавного конвейера, а также регулированием скорости подачи. Эти особенности формирования нагрузки на электропривод механизма подачи должны быть учтены при корректировке и доводке комбайна КШЭ.
Низкие нагрузки на привод комбайна КШЭ в условиях испытаний были обусловлены невысокой сопротивляемостью угля резанию и особенно интенсивным отжимом угля, характерными для всех ранее отработанных лав по пласту 7-7а на шахте «Распадская».
Анализ результатов исследования показывает, что при сопротивляемости угля резанию 200-250 кН/м и отсутствии интенсивного отжима угля установленная мощность электропривода исполнительного органа комбайна (400 кВт) будет использоваться полностью. При этом для работы комбайна со скоростью подачи 6 м/мин и тяговом усилии до 300 кН мощность электропривода подачи должна составлять не менее 50 кВт в продолжительном режиме, 80 кВт - в часовом. Двигатели должны иметь перегрузочную способность, кратную 2,5.
Испытаниям комбайна РКУ16 и измерению его параметров было уделено особое внимание, т.к. этот комбайн является представителем разрабатываемого унифицированного ряда комбайнов.
Поэтому целью испытаний было не только измерение рабочих параметров комбайна, связанных с разрушением и подачей, но и, с учетом перспективы создания типажного ряда, изучение погрузочной способности, измерение уровня звукового давления. На основе результатов испытаний комбайна РКУ16 и опыта, накопленного при испытаниях и эксплуатации других комбайнов, предполагается обобщить их эксплуатационные и конструктивные недостатки для выработки рекомендаций по их устранению, а также по совершенствованию комбайнов. Длина лавы по падению 100 м, длина выемочного столба по простиранию 1350 м. Выкопировка из плана горных работ приведена на рис.3.2.
Пласт «Наддягилевский» в пределах лавы 2603 имеет строение от простого до сложного и состоит из одной, двух или трех пачек, разделенных прослойками алевролита мощностью 0,05-0,2 м. Общая мощность пласта 2,0-2,4 м, вынимаемая - 2,38 м. Гипсометрия пласта неспокойная - угол залегания пласта в пределах лавы изменяется от 20 до 39. Наклон лавы по простиранию столба колеблется от 5 до 15 при среднем значении 11.
Исследование процессов взаимодействия с боковыми породами механизированных крепей второго поколения
Эпюра контактных нагрузок симметрична относительно оси, проходящей через линию действия внешней силы, что объясняется постоянной по длине жесткостью опорного элемента и центральным приложением внешней нагрузки.
Характерным является отсутствие какой-либо концентрации нагрузок в месте приложения сосредоточенной силы. В отличие от распределения контактных нагрузок, имеющих место при нагружении жесткого одноопорного элемента, зависимости, полученные при исследовании распределения нагрузок по опорной поверхности основания крепи ОКП, несколько сложнее, однако, общий характер кривых в принципе одинаков. При неустойчивой почве и гибком основании увеличение внешней нагрузки на основании приводит область пород почвы, расположенную под опо-рой стойки, в предельное напряженное состояние. Передний конец основания по мере увеличения внешней нагрузки прижимается к почве и контактные нагрузки на него возрастают. На заднем участке, как и при исследовании основания на устойчивой почве, распределение контактных нагрузок осуществляется с концентрацией на концах.
Результаты лабораторных исследований распределения контактных нагрузок в зависимости от жесткости опорного элемента и типа почвы позволяют сделать вывод об определяющем влиянии жесткости элемента на характер распределения нагрузок по основанию крепи и о возможности путем подбора оптимальных величин жесткости в пределах отдельных участков, активно влиять на формирование контактных нагрузок.
Характер взаимодействия основания с почвой, помимо жесткости элемента, определяется и типом почвы. При работе крепи на устойчивых почвах как в случае гибкого, так и жесткого оснований, по мере увеличения внешней нагрузки на основание перераспределения контактных нагрузок не происходит и кривые распределения контактных нагрузок на всех этапах нагружения в принципе одинаковы. При неустойчивых же почвах кривые распределения контактных нагрузок по мере увеличения внешней нагрузки значительно изменяются в результате развития в отдельных областях почвы пластических деформаций и вступления этих областей в стадию предельного напряженного состояния.
Завершающая часть лабораторных исследований процессов взаимодействия механизированных крепей первого поколения с боковыми породами осуществлялась на крупногабаритном стенде (масштаб моделирования 1:10), закатка которого соответствовала условиям пласта «Кемеровского» ш.им. Волкова. Гидрофицированная модель крепи ОМКТм имела три секции.
Результаты исследований гидрофицированной модели крепи ОМКТм полностью подтверждают полученные на втором этапе лабораторных исследований закономерности распределения контактных нагрузок по основанию механизированной крепи в зависимости от жесткости опорного элемента. Также, как и в рассмотренных случаях, наибольшая концентрация контактных нагрузок у жесткого основания наблюдается на концах при незначительной контактной нагрузке под опорой гидростойки, и совершенно противоположная картина имеет место в случае гибкого основания, где наибольшая концентрация имеет место под опорой гидростойки, при незначительной нагрузке на переднем конце.
Как правило, при посадке основной кровли происходила потеря устойчивости секцией модели, имеющей жесткое основание, в результате погружения его переднего конца в почву. При этом козырек секции отходил от кровли, и секция наклонялась на забой. Передний участок кривой распределения контактных нагрузок по жесткому основанию (рис.4.4) при этом стремился основанию модели крепи ОМКТм до посадки основной кровли (I) и после (II) занять более пологое положение, что является результатом перехода области почвы под передним концом в стадию пластических деформаций, при которой практически не происходит увеличения реакций на указанный участок основания механизированной крепи. Характерным является то, что рядом расположенная секция, имеющая гибкое основание, не потеряла устойчивости. Кривая распределения контактных нагрузок после посадки основной кровли по гибкому основанию (рис.4.5) имеет более пологий участок в зоне расположения опоры гидравлической стойки, что свидетельствует о распространении зоны предельного напряженного состояния пород почвы в обе стороны от максимальной ординаты контактных нагрузок, находящейся под опорой стойки.
При погружении секции модели в почву затруднялся процесс ее передвижки, что в реальных условиях вызвало бы необходимость выполнения работ по выравниванию секции и значительные простои комплекса.
Таким образом, значительная жесткость основания механизированной крепи обусловливает наибольшую концентрацию контактных нагрузок на переднем конце основания, что приводит к потере крепью устойчивости, свя-занной с погружением секции в породы почвы, затруднению процесса передвижки и значительным потерям времени на восстанавливание секций из погруженного состояния. Гибкое основание, имеющее возможность формировать наибольшие контактные нагрузки под опорой стойки, позволяет значительно повысить устойчивость механизированной крепи.
