Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современного состояния теории и практики отработки тонких пластов на шахтах России и за рубежом
1.1 Шахтный фонд РФ (тонкие пласты) до 2020 года 9
1.2 Анализ структуры запасов угля в тонких пластах и горно-геологических условий их разработки на действующих шахтах РФ и резервных участках 11
1.3 Техника и технология выемки пологих пластов мощностью 0,9... 1,5 м на шахтах России и за рубежом, ее эффективность и безопасность 17
1.4 Цель и задачи исследований 25
2. Исследование опыта применения и проектирования быстроходных выемочных машин (комбайнов) с малым захватом
2.1 Отечественный и зарубежный опыт применения быстроходных выемочных машин 28
2.2 Проект ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского и ОАО "ПНИУИ" по созданию быстроходной выемочной машины БВМ для пластов мощностью 0,85..Л,4м 32
2.3 Основные предпосылки создания новой конструкции исполнительного органа машины БВМ 36
3. Исследование и обоснование параметров исполнительного органа машины БВМ, уточнение метода его расчета
3.1 Обоснование оптимального значения ширины захвата машины БВМ 45
3.2 Исследование разгрузочной способности исполнительного органа машины БВМ 47
3.3 Уточнение метода расчета параметров схемы расстановки резцов и укрупненного расчета сил резания на барабанно-дисковом исполнительном органе 51
3.4 Рекомендации по выбору рационального режима работы машины БВМ с барабанно-дисковым исполнительным органом 57
4. Исследование технологии выемки тонкого пласта машиной БВМ
4.1 Анализ вариантов схем выемки тонкого пласта быстроходной выемочной машиной БВМ с малым захватом 63
4.2 Аналитические и экспериментальные исследования основных силовых параметров работы скалывающе-погрузочного лемеха скребкового конвейера 68
4.3 Рекомендации по разработке технологии крепления очистного забоя, оборудованного быстроходной выемочной машиной БВМ 86
4.4 Рекомендации по разработке технологических схем выемки угольных пластов мощностью 0,9...1,5 м с применением машины БВМ 92
4.5 Определение экономической эффективности от внедрения технологии выемки тонких пластов с применением машины БВМ 101
Выводы 106
Заключение 111
Литература 114
Приложения 121
- Анализ структуры запасов угля в тонких пластах и горно-геологических условий их разработки на действующих шахтах РФ и резервных участках
- Проект ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского и ОАО "ПНИУИ" по созданию быстроходной выемочной машины БВМ для пластов мощностью 0,85..Л,4м
- Исследование разгрузочной способности исполнительного органа машины БВМ
- Аналитические и экспериментальные исследования основных силовых параметров работы скалывающе-погрузочного лемеха скребкового конвейера
Анализ структуры запасов угля в тонких пластах и горно-геологических условий их разработки на действующих шахтах РФ и резервных участках
В качестве исходных, при анализе горно-геологических условий залегания разрабатываемых угольных пластов, использовались фактические данные, взятые из планов горных работ за 2004 г, привлекались данные каталогов условий залегания угольных пластов по бассейнам [2-4], фактические результаты работы действующих шахт и перспективы их дальнейшего развития, ТЭО и проекты вновь строящихся шахт, а также данные о запасах угля в них. Анализом были охвачены все разрабатываемые и намеченные к отработке подземным способом тонкие пласты. В результате был составлен перечень пластов действующих шахт РФ (с учетом запасов резервных участков), располагающих запасами угля в пластах мощностью 0,9...1,5 м [см. прил. 3].
В настоящее время на шахтах Российской Федерации вскрыто более 40 пологих шахтопластов мощностью 0,9-И ,5 м в т.ч. в Кузнецком бассейне -28 (из них отрабатывают 2-3); в Печорском - 3 (в отработке -1), Российском Донбассе - 9 (отрабатывают 9). Промышленные запасы угля в рассматриваемой группе пластов составляют свыше 400 млн.т. Таблица 2 - Перечень действующих шахт РФ, располагающих запасами угля в пластах мощностью 0,9... 1,5 м разрабатывающих пласты рассматриваемой мощности приходится более 80% от общего количества действующих шахт (рис. 1).
Анализ запасов резервных участков показывает, что в Российском Донбассе почти 40% последних сосредоточены в пластах мощностью до 0,7 м. Мощность основной части пластов составляет 0,7 м. В то же время 95% запасов действующих шахт Донбасса сосредоточено в пластах мощностью более 0,7 м. В Печорском бассейне все анализируемые шахты отрабатывают пласты мощностью более 1,2 м. На резервных участках более 50% запасов сосредоточено в пластах мощностью менее 1,2 м. Аналогичная структура запасов наблюдается и в Кузнецком бассейне, где мощность отрабатываемых пластов на действующих шахтах больше мощности пластов на резервных участках. Сведения о распределении запасов резервных участков и действующих шахт по мощности пластов приведены в табл. 3 Сопоставление данных по углу падения пластов резервных участков и действующих шахт показывает, что геологическое строение резервных участков или их отдельных частей является, как правило, более сложным (табл. 4).
Практически на всех анализируемых шахтах углы залегания пластов не превышают 35, а в Печорском бассейне - 24. На резервных участках подобные условия сохраняются только в Печорском бассейне (около 80% запасов). В других бассейнах количество запасов с такими условиями составляет 50-60%.
Практически все запасы резервных участков Российского Донбасса и Печорского бассейнов выдержаны по мощности. Для Кузнецкого бассейна этот показатель несколько ниже (табл. 5).
Залегание запасов угольных пластов в резервных участках приурочено к распространению устойчивых и средней устойчивости вмещающих пород.
Сравнительный анализ горно-геологических условий залегания запасов резервных участков и остаточных запасов действующих шахт Российской Федерации показал, что по основным горно-геологическим факторам запасы резервных участков являются менее благоприятными к отработке. В Кузнецком и Печорском бассейнах они имеют меньшую мощность пластов (0,7..Л,5 м), более высокую газоносность и при залегании на меньшей глубине более подвержены динамическим явлениям. Однако, после отработки высокотехнологичных запасов, отработка запасов резервных участков, на действующих шахтах неизбежна.
На угольных шахтах Кузнецкого бассейна в 2004 г. разрабатывались два пологих шахтопласта мощностью 0,9-1,5 м (ш. «Березовская», ш. Первомайская): наличие разрывных нарушений, высокая газоносность углей (до 25 м3/т), глубина горных работ 400-600 м, боковые породы средней устойчивости и устойчивые, породы основной кровли легко обрушаемые, опасность по проявлению внезапных выбросов угля и газа и горных ударов. Угли данных пластов представлены марками К, КО; имеют сравнительно низкую сопротивляемость резанию, изменяющуюся в пределах от 120 до 160 Н/мм.
В Печорском угольном бассейне (Воркутинское месторождение) разрабатывают пласт Пятый средней мощностью 1,0 м. Пласт слабо нарушенный, несамовозгорающийся, опасный по горным ударам, глубина ведения горных работ 500-600 м, газоносность пласта - до 25 м3/т. Боковые породы не ниже средней устойчивости с прочностью на одноосное сжатие 40-60 МПа. Породы основной кровли легкообрушаемые. Уголь пласта Пятый представлен маркой КО, сопротивляемостью резанию 180 Н/мм.
Проект ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского и ОАО "ПНИУИ" по созданию быстроходной выемочной машины БВМ для пластов мощностью 0,85..Л,4м
Национальный научный центр горного производства - институт горного дела им. А.А. Скочинского (ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского) совместно с ОАО «ПНИУИ» разработали принципиально новую отечественную технологию ведения очистных работ с комплексом КМБМ, заключающуюся в следующем: выемка угольного пласта осуществляется путём отделения от массива узкой ленты шириной 0,27...0,33 м быстроходной выемочной машиной (БВМ), передвигающейся по очистному забою со скоростью до 35 (45) м/мин.
Техническая характеристика БВМ приведена в таблице 9 [19]. Быстроходная выемочная машина состоит из двух корпусов (центрального и электроблока), поворотного редуктора и фрезы (рис. 6).
В центральном корпусе размещается электродвигатель АКВ 250L4 мощностью 100 кВт и элементы систем гидравлики и оросительного устройства. Опорами центрального корпуса служат 4 колеса: две опоры с забойной стороны разнесены и имеют со стороны забоя упорный буртик; две опоры со стороны завала сближены и располагаются в одном блоке с упорными роликами, ограничивающими перемещение БВМ в сторону забоя. На этом же блоке имеются захваты для установки тяговой цепи. Система подачи БВМ -цепная с вынесенными за пределы лавы приводами подачи.
Схема расположения машины БВМ на конвейере может быть следующей: с торцевым расположением электродвигателя (рис. 7а) и с центральным (рис. 76).
Поворотный редуктор служит для передачи крутящего момента от двигателя, размещения и управления положением фрезы и крепится к центральному корпусу БВМ двумя цапфами. Исполнительный орган служит для разрушения горного массива и не является погрузочным органом.
Технология выемки тонких пластов БВМ позволяет во многом устранить недостатки, присущие комбайновой и струговой технологиям выемки и вместе с тем совместить положительные качества этих технологий при отра Установлено, что высокоинтенсивная технология выемки тонких пластов БВМ с малым захватом (0,27...0,33 м) эффективна при скоростях подачи БВМ от 15 до 45 м/мин [20]. Для обеспечения требуемых параметров работы БВМ необходимо создание исполнительного органа, отвечающего этим требованиям и установление его рациональных режимов работы.
Наибольший вклад в горную науку в области разрушения угля режущими инструментами внесли такие видные ученые, как А.И. Берон, В.Н. Гетопанов, Кантович Л.И., Ю.Д. Красников, В.И. Кутовой, Ю.Н. Линник, В.Г. Мерзляков, В.З. Меламед, В.И. Миничев, К.М. Первов, Е.З. Позин, М.М. Протодьяконов, В.И. Солод, В.В. Тон, А.Г. Фролов и др. В результате их исследований в ИГД им. А.А. Скочинского и Московском Государственном горном университете образовались научные школы, в рамках которых разработаны методы комплексной оценки свойств угольных пластов как объектов, разрушаемых резцами исполнительного органа, и сформирована экспериментально-статистическая теория резания угля, послужившая базой для разработки инженерных методов расчета нагрузок на резцах и определения рациональных режимов работы очистных машин.
Исследованиями вышеупомянутых отечественных [21, 22, 23] и зарубежных [24, 25] ученых установлено, что максимальная подача на резец за оборот исполнительного органа (толщина стружки) равна:
Величина hmax ограничивается радиальным вылетом резца, который у современных тангенциальных резцов составляет 60-80 мм, у радиальных - до 100-120 мм. Частота вращения исполнительных органов - также ограниченный параметр. У шнековых исполнительных органов при увеличении частоты вращения резко снижается погрузочная способность, а оптимальной считается частота вращения в диапазоне от 30 до 40 об/мин [25]. Погрузочная способность барабанных исполнительных органов также зависит от частоты вращения, но имеет принципиальные отличия от шнековых. Более подробнее погрузочная способность барабанных исполнительных органов рассмотрена ниже в главе 3. Оптимальная частота вращения этих типов исполнительных органов находится в диапазоне 60-72 об/мин. Большие значения частоты вращения применять не рекомендуется т.к. это ведет к ухудшению сортности, увеличению пылеобразования и может привести к травмированию персонала очистного забоя, вследствие хаотического разбрасывания с большой скоростью мелких кусков горной массы по лаве. Увеличение числа резцов в линии резания шнекового исполнительного органа ограничивается конструктивной возможностью расположения резцедержателей на лопастях шнека - при диаметре двухзаходного шнека 0,9 м максимально возможное число резцов в линии резания составит 2. В этом отношении барабанные исполнительные органы обладают определенным преимуществом, поскольку позволяют размещать любое необходимое количество резцов в линии резания, что дает возможность широко варьировать параметры схемы разрушения угольного массива для достижения наибольшего эффекта.
Исследование разгрузочной способности исполнительного органа машины БВМ
Основной отличительной особенностью барабанного исполнительного органа с горизонтальной осью вращения от шнекового является его разгрузочная способность: вынос разрушенного материала осуществляется в направлении противоположном подаче комбайна под действием центробежной сил и сил тяжести, а не перпендикулярно направлению подачи как у шнековых исполнительных органов. Указанная особенность оказывает существенное влияние на энергоемкость выемки [21]. Отмечая несомненные заслуги вышеупомянутых ученых в области теории резания, следует отметить, что существующие методики по определению параметров схем резания и расстановки резцов на исполнительном органе угледобывающего комбайна в полной мере не учитывают указанной особенности барабанно-дискового исполнительного органа, которая оказывает существенное влияние на энергоемкость выемки. Действие центробежной силы на отбитую горную массу было изучено А.И. Шендеровым при исследовании роторных экскаваторов с центробежной разгрузкой [43] и получена формула: где to - угловая скорость; g - ускорение силы тяжести, g= 9,81 м/с ; 1,1 - коэффициент запаса; Rmi„ - минимальный радиус разгрузочного окна ротора с центробежной разгрузкой, м. Разгрузочную способность барабанно-дискового исполнительного органа необходимо рассчитывать исходя из значения критической частоты вращения исполнительного органа побкр, определяемой из условия его центробежной разгрузки.
С этой целью нами были получены расчетная зависимость (1) критической частоты вращения исполнительного органа машины БВМ от минимального диаметра его обечайки Иобир АинЛ согласно которой, с увеличением диаметра обечайки исполнительного органа критическая частота вращения, при которой обеспечивается эффективная центробежная разгрузка угля, уменьшается. /1 =423/) , об/мин (1) где Dmin - минимальный диаметр обечайки исполнительного органа, м. Под критической частотой вращения барабанно-дискового исполнительного органа понимается такое значение частоты его вращения, начиная с которого исполнительный орган полностью разгружается от отбитой горной массы за один оборот, т.е. не происходит ее циркуляции, которая сопровождается значительным увеличением энергоемкости разрушения [21]. Графически, зависимость критической частоты вращения исполнительного органа машины БВМ от минимального диаметра его обечайки Поб.кр=ЯВтіп), показана на рис. 10. Частота вращения исполнительного органа по6 должна принимается с учетом коэффициента запаса к3 =1,1...1,15: Для рассматриваемой конструкции исполнительного органа (см. Рис. 9, D=0,9 м, Яз=0,31 м) машины БВМ критическая частота вращения из условия центробежной разгрузки равна поЪкр- 63 об/мин, частота вращения с учетом коэффициента запаса «об= 72 об/мин. Тогда скорость резания составит: Значение скорости резания Vp=3,4 м/с соответствует результатам исследований барабанных исполнительных органов, проведенных В.И. Миничевым [21], согласно которым, для определения влияния скорости резания и площади погрузочных поверхностей на выносящую способность барабанов, были изучены различные барабанные исполнительные органы (рис.8 а,б,г) и установлены критические скорости резания, имеющие следующие значения: Моделирование разгрузки предлагаемой конструкции исполнительного органа машины БВМ было произведено графоаналитическим методом (рис. 11).
Для расчета были приняты две точки: 1 - в крайнем верхнем положении; 2 - в крайнем нижнем. На эти точки, являющимися аналогиями отбитой горной массы, действуют силы: центробежная и тяжести. Сопротивлением воздуха пренебрегается. В точке 1 значение скорости резания будет Vpi=3,4 м/с, а в точке 2: Vp2= nDminno6= 3,14-0,6-1,2=2,2 м/с, За 0,1 с ребро фрезы перейдет из положения 1 в положение 2 - на 36 в направлении вращения и на 0,31 м в направлении подачи (при условии, что скорость резания равна Гр=3,4 м/с, а скорость подачи К„=19 м/мин). По В.И. Миничеву скорость потока: Для точки 1 Vnom = 2,55 м/с, для точки 2 - Vnom= 1,65 м/с. Тогда, точки под действием центробежной силы, направленной перпендикулярно радиусу, за 0,1 с будут перемещаться соответственно на 0,25 и 0,16 м. За 0,1 с под действием силы тяжести точки переместятся на: За 0,2 с ребро фрезы переместится в положение 3 на 72 от положения 1. За то же время, под действием силы тяжести точки переместятся на: S2=0,2M, за 0,3 с на S3=0,45 м. Полученные траектории точек и обобщенные результаты исследований разгрузки барабанных исполнительных органов, приведенные выше, говорят о том, что фреза будет полностью разгружаться за 0,2...0,3 с и при принятых параметрах (частота вращения поб=1,2 об/с, скорость подачи БВМ V„= 19 м/мин) будет работать без заштыбовки. Таким образом, выполненные теоретические исследования разгрузочной способности исполнительного органа машины БВМ позволили подтвердить справедливость внесения в расчет зависимости (1) и установить работоспособность конструкции барабанно-дискового исполнительного органа быстроходной выемочной машины БВМ с принятыми параметрами по фактору разгрузочной способности.
Аналитические и экспериментальные исследования основных силовых параметров работы скалывающе-погрузочного лемеха скребкового конвейера
Исследованиями погрузочных устройств (лемехов) лавного скребкового конвейера занимались такие известные в области горного дела ученые как Берман А.В., Геллер A.M., Гончаревич И.Ф., Зеленин А.Н., Куракин А.И., Левин А.Г., Люринг Х.И., Михайлов Ю.И., Фролов А.Г., Шеин Л.Г., Эйдер-ман Б.А., Яшвили В.И. и другие. Однако в работах перечисленных авторов лемех скребкового конвейера рассматривался только с целью осуществления им эффективной погрузки отбитой горной массы. Анализ отечественных литературных источников показал, что в настоящее время имеются лишь единичные публикации, в которых рассматривается возможность применения скалывающе-погрузочного лемеха скребкового конвейера, в то время как за рубежом данная технология находила применение. Аналитические исследования скалывания нижней пачки угля таким лемехом в отечественной практике отсутствуют полностью. Для предварительного силового расчета, на наш взгляд можно использовать зависимости, полученные применительно к процессу разрушения угля и грунтов клинообразным инструментом [51, 52]. Рассматривая работу прямого клина (Рис.17) при разрушении угольного пласта [51] автор, используя аппарат теории упругости, получил формулу усилия, с которым необходимо воздействовать на угольный пласт для отделения от него элемента угля: 1 + sin/? где N- необходимое усилие, кгс; h - толщина снимаемой полосы угля, см; L - суммарная ширина рабочей кромки, см; /? - угол клина, град; [т] допустимое касательное напряжение, кгс/см2. Рисунок 17. Схемы воздействия прямого клина на угольный пласт Согласно утверждению автора разрушение произойдет в момент, когда максимальные касательные напряжения, распределенные по окружности I, построенной на линии АВ как на диаметре, достигнут свободной поверхности х-х . Так как при движении клинообразный инструмент преодолевает не только усилие реакции со стороны разрушаемого, но и трение по передней и задней граням, то рассматривая равновесие клина под действием этих сил, получено выражение, связывающее суммарное напорное усилие с усилием, необходимым (6) где Р) - результирующее напорное усилие
Н; сру- угол трения клина по углю, град; фц- угол трения клина по породам почвы, град;(3 -задний угол клина, град. Окончательно выражение для необходимого напорного усилия принимает вид. В этой формуле вводится коэффициент к, учитывающий наличие свободной поверхности обнажения х-х , т.к. основой для получения формулы (6) являлось решение Буссинекса (о воздействии сосредоточенной силы на упругое полупространство). Значение коэффициента рекомендуется выбирать в пределах 1,7...3,0, в зависимости от средневзвешенного значения сопротивляемости пласта резанию. Проф. Зеленин А.И., рассматривая процесс экскавации грунта [52] пришел к выводу, что отделение элемента разрушаемого материала может быть, в общем случае, произведено двояко: или за счет сдвига, создаваемого составляющей S силы N, или за счет отрыва, создаваемого составляющей Н (рис. 176). Аналогичным образом описывается качественная сторона процесса разрушения угля А.И. Бероном и Е.З. Позиным [22]: наиболее вероятно разрушение происходит за счет отрыва частей угля от массива (так как сопротивление угля отрыву на порядок меньше сопротивления сдвигу). Однако при определенных условиях (вязкие угля, большие углы резания) разрушение может происходить и путем сдвига. Как отмечалось выше, сила N раскладывается на составляющие двояким образом: а) на составляющую Sw, образующую с N пока неизвестный угол 6сди составляющую Нсд, перпендикулярную Sw; б) на составляющую S0T, действующую под пока произвольным углом 0ОТ и нормальную к ней составляющую Ног (Рис.176). Усилия, возникающие в плоскостях сдвига и отрыва, определяются по формулам: где Рсд - площадь поверхности сдвига 0-0; F0T - площадь поверхности отрыва 0 -0 ;с ,т растягивающие и касательные напряжения соответственно в плоскостях 0-0, 0 -0 . С другой стороны, эти составляющие являются проекциями силы N на соответствующие направления: SCJl=Nsm(P + py+(pem+ecM), где фвт- угол внутреннего трения угля. Приравнивая правые части уравнений (8) и (9) и решая их относительно напряжений, имеем: Очевидно, что максимум касательных и растягивающих напряжений будет наблюдаться в плоскостях, расположенных под углами соответственно 0 сд и 9пт, значения которых определяются в результате решения тригонометрических уравнений: Таковыми решениями являются: Из выражений (10) и (12) в результате несложных преобразований получаем формулы для определения усилия, с которым необходимо воздействовать на пласт для разрушения его соответственно сдвигом или отрывом.
