Введение к работе
Актуальность проблемы. С ростом глубины горных работ, увеличением длин лав и выемочных участков усложняются горно-геологические и горнотехнические условия отработки угольных пластов, особенно при залегании над ними труднооб-рушаемой основной кровли. Внезапные, неуправляемые обрушения такой кровли имеют динамический характер, смещения в эти моменты проходят с большими скоростями, длительность действия которых исчисляется сотыми долями секунды, а их воздействия на механизированную крепь воспринимается как удар.
Динамические нагрузки на механизированные крепи вызывают в гидравлических стойках кратковременные и значительные по величине пиковые скачки давления рабочей жидкости, превосходящие в два и более раза номинальные показатели, определяемые настройкой предохранительного клапана. Это приводит к аварийным ситуациям в очистных забоях и преждевременному выходу из строя дорогостоящих и ответственных узлов механизированных крепей.
Труднообрушаемые основные кровли составляют четвертую часть всех отрабатываемых пластов в стране. Основная кровля мощных шахтопластов Кузбасса представлена преимущественно песчаниками (60%) мощностью 10-20 м, реже - до 40 м. Известно, что ряд шахтопластов содержит локальное распространение таких кровель, а также имеет непосредственную кровлю, разрушаемую при повышении несущей способности крепи. Таким образом, выемочные столбы имеют многократно изменяющиеся геомеханические ситуации, каждая из которых требует своего технического решения.
Существующие методы разупрочнения труднообрушаемьгх кровель, направлены на снижение интенсивности проявлений динамических явлений, и, несмотря на длительную проверку, дают противоречивые результаты. Повышение несущей способности механизированных крепей приводит, при резком увеличении их металлоемкости, к удорожанию конструкций и, в условиях эксплуатации, к разрушению непосредственной кровли, залегающей между крепью и основной кровлей. Успешное упрашіение кровлей механизированными крепями в значительной степени зави-:ит от степени адаптации ее элементов к условиям нагружения, что можно обеспе-ппъ лишь при создании эффективно работающих средств защиты гидростоек в ус-товиях труднообрушаемьгх кровель. Этим объясняется интенсивный поиск средств іащитьі гидростоек как у нас в стране, так и за рубежом, что определяет актуать-юсть и научно-практическую значимость работы.
В связи с этим, существует необходимость проведения исследований по изу-іению особенностей работы гидравлических стоек механизированных крепей в ус-ювиях динамических нагрузок и разработки для них новых средств защиты.
Исследования выполнены в соответствии с планом НИР и внедрения Институ-а горного дела СО РАН по теме 1.11.14. «Создание и совершенствование горных и троительных машин с различными энергоносителями».
Цель работы — обоснование параметров средств защиты гидростоек меха-изированных крепей от динамического нагружения, позволяющих повысить безо-асность и эффективность очистных работ в условиях шахт с труднообрушаемой
кровлей.
Идея работы заключается в использовании сил трения для демпфирования динамических нагрузок, воздействующих на гидростойку со стороны кровли, и сил инерции для повышения быстродействия предохранительных клапанов прямого действия.
Задачи исследований:
-провести анализ и обобщить научно-технический опыт создания предохранительных устройств гидростоек от динамических нагрузок;
-разработать методику, провести стендовые исследования и установить закономерности изменения давления в поршневой полости гидростойки при динамическом нагружении;
-определить конструктивные схемы гидростоек с новыми устройствами, позволяющими осуществить своевременную защиту гидростоек при динамическом нагружении;
-разработать инженерный метод расчета механического устройства защиты.
Методы исследований. Поставленные задачи решались анализом и обобщением научно-технического опыта разработки средств защиты гидростоек, проведением статических и динамических стендовых исследований, аналитических расчетов.
Научные положения, защищаемые автором:
коэффициент жесткости гидростойки, определяемый отношением приращения давления в гидростойке к величине смещения ее штока, находится в прямой зависимости от скорости нагружения и величины начального давления и в обратной - от высоты столба жидкости под поршнем.
при динамическом нагружении гидравлическая стойка, как жесткий стержень, воспринимает до 20 % от действующей нагрузки, что обуслоапено работой диссипативных сил, остальная ее часть преобразуется в потенциальную энергию упругого сжатия столба жидкости и деформацию стенок цилиндра.
рост давления в поршневой полости гидростойки с механическим устройством защиты при динамическом нагружении, зависит от величины силы трения в соединении штока и пуансона.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обеспечивалась достаточным объемом результатов стендовых испытаний гидростоек на динамические и статические нагрузки, применением современной аппаратуры и методов обработки результатов, сопоставимостью аналитических расчетов с фактическими данными.
Научная новизна:
установлена экспериментальная зависимость скорости нагружения, высоты столба жидкости и начального давления в поршневой полости на величину коэффициента жесткости стойки;
выявлен процесс отставания роста давления от момента начала действующей нагрузки;
для механического устройства защиты обоснованы параметры, влияющие на изменение давления в поршневой полости гидростойки.
Практическая значимость работы: разработана инженерная методика расче-а гидравлической стойки с механическим устройством зашиты от динамических агрузок; даны рекомендации по конструированию устройств защиты гидростойки, аботающих от импульса динамического нагружения.
Реализация работы. Основные положения и результаты исследований исполь-
эвались при разработке технического задания (ТЗ) на аварийное усіройство и
ключены в «Методические указания расчета гидростоек механизированных крепей
аварийным клапаном инерционного действия на динамические нагрузки», пере-
анных для внедрения в институт Гипроуглемаш.
Личный вклад автора заключается в разработке и анализе лабораторных ис-ытаний, обосновании особенностей работы средств защиты гидростоек, выполне-ии аналитических расчетов, а также разработке новых технических решений.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и об-('ждались на VIII Всесоюзном научном семинаре «Взаимодействие механизирован-ых крепей с боковыми породами» (Новосибирск,1991г.), 16 Всемирном горном энгрессе (Болгария, София, 1994г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 па-:нта, 1 авторское свидетельство на изобретение.
Объем работы. Работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, из-шенных на 123 страницах машинного текста, включает 4 таблицы, 28 рисунков и іисок литературы из 104 наименований.
Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору техниче-:их наук Клишину В.И., глубоко признателен кандидату технических наук ;концеву Ю.М. за всемерную помощь, поддержку и внимание на всех этапах іботьі, а также доктору технических наук Исакову А.Л за оказанную помощь поддержку.