Введение к работе
Актуальность проблемы. В "Основных направлениях реструктуризации тольной промышленности России" одним из критериев определения іриоритетности государственной поддержки является возможность сокращения :оличества низкопроизводительных забоев с сохранением достигнутого уровня ;обычи за счет технического перевооружения, концентрации горных работ и юста нагрузки на очистной забой.
Основные угольные бассейны страны, разработка пластов которых существляется подземным способом с преобладающей технологией длинными чистными забоями на основе комплексов с механизированными крепями, арактеризуются большим разнообразием горно-геологических условий, все более сложняющихся с ростом глубины горных работ при интенсификации процессов рбычи угля, что в первую очередь сказывается на работоспособности [еханизированных крепей.
Расширение области применения механизированных крепей в последние оды достигается за счет разработки пластов с труднообрушаемыми основными и еустойчивыми непосредственными кровлями, что привело к повышению еталлоемкости и стоимости крепей более высокого технического уровня за счет величения их сопротивления и усложнения конструкций. Одним из основных пасных природных факторов, препятствующих отработке пластов и пределяющих работоспособность механизированных крепей, является наличие руднообрушаемых кровель. Неожиданные неуправляемые динамические брушения горного массива опасны для людей, разрушают механизмы и горные ыработки. Управление такими кровлями особенно затруднено при недостаточной :тойчивости пород непосредственной кровли и почвы. Из-за высокой стоимости ібойного оборудования при постоянно возрастающей нагрузке на очистные ібои, нарушения производственного процесса, вызванные недостаточно [)фективными методами адаптации системы "крепь-породы", будут иметь все злее ощутимые экономические последствия.
Анализ опыта эксплуатации очистных комплексов в отечественной и ірубежной практике показывает, что в усложненных горно-геологических ;ловиях, роль и значение механизированных крепей, а также способов іравления массивом, резко возрастает, а эффективность комплекса в целом и ггенсификация работ в лаве будут существенно зависеть от уровня технического тершенства крепи и состояния ее взаимодействия с боковыми породами. :шение проблемы тесно связано с разработкой принципиально новых,
адаптивных к динамическим нагрузкам очистных механизированных крепей и новых способов снижения опасных проявлений горного давления.
Настоящая работа направлена на обоснование и разработку комплекса мероприятий, совокупное осуществление которых представлено в виде способов и средств адаптации силового взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами для создания совершенных технических и технологических средств разработки пластов в условиях динамического нагружения.
Цель работы - разработка способов и средств адаптации механизированных крепей к динамическим условиям нагружения, позволяющих повысить эффективность и безопасность подземных очистных работ.
Идея работы состоит в использовании закономерностей взаимодействия механизированных крепей с труднообрушаемыми кровлями и разработке на этой основе специальных аварийных устройств, основанных на инерционном принципе работы и способов управления горным давлением путем перераспределения усилий крепи по отношению к действующим на нее силам, а также разупрочнения кровли методом ориентированного гидроразрыва.
Задачи исследований:
разработать методику исследований взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами по удельным значениям работы и мощности с учетом случайного характера проявления горного давления;
обосновать методы и технические средства адаптации механизированных крепей к условиям динамического нагружения, включающие:
а) обеспечение адаптации однорядных механизированных крепей к условиям
их нагружения путем согласования взаимного положения силовых элементов
крепи и сил, действующих на нее;
б) создание аварийных устройств защиты гидростоек, основанных на новом
принципе работы;
в) снижение динамических нагрузок на крепь за счет разупрочнения
труднообрущаемой кровли ориентированным гидроразрывом, осуществленным по
слоистости и вкрест простирания;
разработать конструктивные схемы гидростоек с новыми средствами защиты, использующими дополнительную нескомпенсированную площадь и выполнить стендовые испытания полноразмерных и макетных образцов гидростоек с средствами защиты на динамические нагрузки;
разработать инженерные методы расчета гидростоек при динамическом нагружении, в том числе с аварийными устройствами;
исследовать возможность применения ориентированного гидроразрыва кровли и изучить механизм взаимодействия механизированных крепей с разупрочненным массивом на шахтах.
Методы исследований. Анализ и обобщение результатов исследований
взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами в условиях
труднообрушаемых кровель. Теоретические исследования динамических
процессов в силовых элементах крепей. На этапе стендовых и лабораторных
исследований изучение процессов, протекающих в прозрачных моделях и
полноразмерных натурных образцах гидростоек на стендах статического и
динамического нагружения в условиях, близких к реальным в различных режимах
тгружения. Шахтные исследования с использованием специально разработанных
іриборов для регистрации процесса гидроразрыва и параметров силового
ззаимодействия механизированных крепей с боковыми породами.
Научные положения, защищаемые автором:
адаптация однорядной механизированной крепи в условиях случайного
сарактера проявления горного давления достигается за счет постоянной
іегистрации взаимного положения сил горного давления и силовых элементов
грепи, своевременного оперативного перемещения силовых элементов крепи в
управлении к действующим на нее нагрузкам, что обеспечивается системой,
снованной на гидравлических датчиках автоматической коррекции или датчиках
іесконтактной регистрации электрического сигнала;
величина и время достижения пикового давления в гидростойке пределяются размерами клапана, гидравлической раздвижностью гидростойки и нергией удара; увеличение размеров клапана нелинейно уменьшает величину и ремя достижения пикового давления, увеличение размеров гидравлической аздвижности уменьшает величину пикового давления и увеличивает время его остижения, а увеличение энергии удара приводит к росту величины и амплитуды икового давления;
при динамическом нагружении гидростойки с аварийным устройством еремещение опоры по отношению подвижного запирающего элемента, эеспечивающее разгерметизацию поршневой полости, определяется величиной ескомпенсированной площади под опорой, массой подвижного элемента и <оростью нагружения, при этом уменьшение нескомпенсированной площади, сличение массы подвижного элемента и скорости нагружения приводят к зеличению открытия выпускного отверстия устройства и времени нахождения о в открытом состоянии;
снижение динамических нагрузок в очистных и подготовительных забоях эстигается ослаблением труднообрушаемой кровли за счет реализации іиентированного гидроразрыва кровли как по слоистости, так и вкрест юстирания, при этом мощность разупрочненного слоя определяется силовыми іраметрами механизированных крепей и пределом прочности пород на изгиб;
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертацир обоснована:
достаточным обьемом экспериментальных данных, полученных і результате лабораторных и стендовых исследований адаптивны? механизированных крепей и их силовых элементов в различных условия? нагружения, близких к реальным;
сопоставимостью аналитических расчетов с фактическими данными полученными при стендовых испытаниях;
натурными исследованиями способа ориентированного гидроразрыв] кровли и средств его реализации, проведенными на 7-ми шахтах в 12-и забоях.
Научная новизна:
предложена и разработана система регистрации и управления взаимныл положением силовых элементов крепи и сил горного давления, действующих н; нее, основанная на гидравлических датчиках и бесконтактном способе измерени: электрических зарядов;
при исследовании динамических процессов в гидростойке механизированно] крепи получены аналитические зависимости величины и времени достижени пикового давления от размеров клапана, гидравлической раздвижности и энерги] удара;
для аварийного устройства защиты гидростойки обоснованы параметрь влияющие на обеспечение герметичности и на разгерметизацию поршнево полости соответственно при статическом и динамическом режимах нагружения;
получены зависимости, а также расчетные величины мощност разупрочненного слоя от параметров крепи и прочностных характеристик массив горных пород, что позволило предложить и экспериментально реализовать шахтных условиях способы и средства ориентированного гидроразрыва п слоистости и вкрест простирания для снижения динамических нагрузок очистных и подготовительных забоях;
Практическое значение работы. Выявлены и разработаны способы и средств адаптации механизированных крепей к динамическим условиям нагружени: обоснованы и разработаны принципиальные схемы однорядны механизированных крепей, адаптивных к условиям нагружения, а так» конструктивные схемы аварийных устройств в силовых элементах крепеі предназначенные для эксплуатации в условиях динамического нагружени позволяющие создать крепи и их силовые элементы с новыми свойствами улучшенными силовыми характеристиками;
полученные результаты исследований положены в основу новых методе статического и динамического расчета и инженерного проектировав адаптивных механизированных крепей и их силовых элементов;
разработаны и испытаны в лабораторных и стендовых условиях, близких к эеальным различные конструкции аварийных устройств в полноразмерных ;иловых элементах крепей, защищенные авторскими свидетельствами и международными заявками на изобретения;
разработан и реализован на угольных шахтах способ ориентированного "идроразрыва кровли а также средства его реализации.
Внедрение результатов и рекомендаций работы.
Научные результаты и практические рекомендации использованы в 8 -ми юрмативно-методических документах, три из которых приняты к внедрению в б. Л инуглепроме СССР:
1. Рекомендации по совершенствованию управления горным давлением и
ыбору силовых параметров механизированных крепей для разработки тонких и
редней мощности угольных пластов с углами падения свыше 35 столбами по
іростиранию и падению с обрушением Л., ВНИМИ, 1980г.
2. Методика определения обобщенных количественных показателей и
арактеристик взаимодействия с боковыми породами по классам условий полого-
аклонных (до 35) пластов. Минуглепром СССР, ВНИМИ, ИГД
м. А.А.Скочинского. Ленинград, 1982.
3. Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на
ыемочных участках. Л., ВНИМИ, 1991.
В выполненной работе созданы и апробированы опытные образцы идростоек с аварийными клапанами инерционного действия (КИД), беспечитивающие эффективную защиту механизированных крепей при инамическом нагружении энергией до 108Дж. Результаты исследований зарийных устройств в силовых элементах крепи внедрены в техническом їданий (ТЗ) на аварийное устройство, принятом в Гипроуглемаше.
Предложенный способ ориентированного гидроразрыва кровли и средства пя его осуществления позволили разработать проекты и внедрить на 6-й шахтах узбасса ("Распадская", "Томская", "Юбилейная","Им. 60-летия Союза ССР", Дальние горы", "Комсомолец") и ш. "Покуй" (Польша) в 12 лавах технические семы и средства разупрочнения кровли и обеспечить значительное снижение шамических нагрузок на крепь, безопасность работ в лаве и сохранность здготовительных выработок.
Согласно приказа б. Министра угольной промышленности СССР № 185 от L09.89 по шахте "Распадская" принято решение об изготовлении 50 комплектов хнических средств для внедрения на этой шахте способа ориентированного щроразрыва труднообрушаемой кровли.
Разработанные в процессе исследования приборы типа РДС могут был использованы для решения практических и исследовательских задач прі изучении и оценке взаимодействия системы "крепь-породы" и их реологически) характеристик, а также при изучении процесса гидроразрыва кровли.
Личный вклад автора заключается в формулировке общей идеи и целі работы; в обосновании и разработке метода оценки взаимодействи: механизированной крепи с боковыми породами; в выполнении большей часті теоретических и экспериментальных исследований адаптивных крепей и и: силовых элементов и обобщении результатов; в разработке конструкций і методик испытаний аварийных устройств в гидростойках, технологических схем проектов реализации метода гидродинамической стратификации, а такж непосредственном участии в стендовых, шахтных испытаниях и внедрении.
Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались и получил одобрение на XIX и XXI Региональных научно-координационных совещаниях п проблеме горного давления: "Взаимодействие механизированных крепей боковыми породами" (Новосибирск, 1978, 1980 гг.); научно-практическо конференции "Совершенствование технологии, средств комплексно механизации, автоматизации и техники безопасности при подземной разработь угля" (Караганда, 1978 ), VI ,VII, семинарах " Исследование горного давления способов охраны капитальных и подготовительных выработок"( Новосибирс 1978, Владивосток, 1980), Региональной научно-технической конференщ "Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных рабо-(Тула, 1981 г.), III, IV, V, VI и VII Всесоюзных научных семинар: "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породам: (Новосибирск, 1982, 1984, 1986, 1988 и 1991 гг.), IX Всесоюзной конференции і механике горных пород (Фрунзе, 1989 г.), I Всесоюзной конференці "Динамические процессы в горных машинах и стационарных установка (Тбилиси, 1989 г.), III симпозиуме "Избранные проблемы геомеханики в горні выработках на глубоких горизонтах" (Польша, Гливице, 1988 г.), Международна конференции "Динамика горных машин" DYNAMACH 89 (Польша, Гливш 1989 г.), семинарах по новым решениям механизированных крепей, применяем! в выработках с горными ударами (Польша, г. Кочиж, 1993, 1994 п 16 Всемирном горном конгрессе (Болгария, София, 1994 г.), на научі тахнических совещаниях института Гипроуглемаш (1981, 1989, 1991 гг.), научно-технических совещаниях в б. ПО "Южкузбассуголь", "Леннинскуго/ (1982-1991 гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 71 научі работа, из них 53 отражает основное содержание диссертации, в том числ монография и 23 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, зложенных на 316 стр. машинописного текста и содержит 101 рисунок, 3 таблиц, список литературы из 234 наименований и приложений на 28 стр.
Автор выражает искреннюю признательность научному консультанту садемику РАН М.В.Курлене и дейст. чл. АГН, д.т.н., проф. О.И.Чернову. В «сертации частично использованы результаты исследований, выполненных >вместно с сотрудниками лабораторий механизированных крепей, ^традиционных геотехнологий и б. СКБ ПГ СО АН СССР. Автор считает своим элгом выразить им глубокую признательность за содействие в выполнении іботьі и полезные замечания, а также руководителям института Гипроуглемаш, жцерна "Кузнецкуголь", ассоциации "Ленинскуголь" и А.О.ш. "Распадская" за змощь и содействие в проведении экспериментальных исследований и :ализации результатов. Выполненные исследования являются логичным юдолжением работ д.т.н. проф. Б.А.Фролова под научным руководством іторого автор проработал около 10 лет.
Исследования проводились по плану НИР Института горного дела СО АН "СР (3.2.1.1, 3.2.1.2, 3.2.1.6, 1.11.14) в том числе в рамках Региональной юграммы "Сибирь" (3.4.7), выполняемой согласно совместному постановлению гГ СССР и ГКНТ СМ СССР по науке № 385/96 от 13.07.84 и программы НИР инуглепрома СССР на 1981-1985 гг. и до 1990 г. (ПО 10510, 0111600000,
11900000,4-27-21-14/308).
Начиная с 1977 г. автор принимал непосредственное участие в этих
следованиях в качестве исполнителя, ответственного исполнителя и
ководителя.