Введение к работе
Актуальность работы. С ростом глубины разработки угольных шахт увеличивается горное давление и вместе с ним возрастает актуальность проблем, связанных с управлением состоянием массива пород вокруг выработок. Эффективность горных работ в значительной степени зависит от состояния подземных горных выработок, поддержание которых в, безопасном эксплуатационном состоянии требует выполнения трудоемких и дорогостоящих работ.
Горнотехнические факторы в значительной степени влияют на механизм и интенсивность проявлений горного давления и газовыделения. Изменяя технологию или технологические параметры ведения горных работ, можно управлять геомеханическими процессами: изменением напряжений, деформаций, смещений и разрушений в горных породах, примыкающих к подготовительным и очистным выработкам.
Повышение устойчивости выработок может быть достигнуто путем рационального их расположения, выбора способов охраны и поддержания выработок, обеспечивающих минимальные затраты на их ремонт, и применения мероприятий по повышению прочности пород и снижению напряжений. Методы повышения устойчивости выработок разнообразны и диктуются большим диапазоном горно-геологических и горнотехнических условий.
Важность правильного выбора, совершенствование способов и средств активного управления горным давлением в приконтурном массиве с целью повышения устойчивости выработки в сложных горно-геологических условиях обусловлена рядом причин, характеризующихся все более ощутимыми экономическими последствиями, а также катастрофическими событиями, сопровождающимися нередко человеческими жертвами.
Выбор рационального способа или сочетания способов управления горным давлением выполняется на базе прогноза устойчивости пород в горных выработках. Характерной особенностью горных пород Кузбасса является то, что в исследованных массивах более 60% пород относятся к породам средней и выше средней прочности. Высокие упругие свойства подавляющего большинства углевмещающих пород бассейна указывают на довольно большую удароопасность в условиях предельного напряженного состояния. С переходом на нижние горизонты следует ожидать значительное повышение удароопасности, особенно при проведении выработок в зоне влияния очистных работ.
Одним из направлений обеспечения устойчивости горных выработок и снижения опасных динамических проявлений горного давления является использование локальных способов управления при отработке призабойной части угольного и породного массива, приводящих к снижению уровня напряжений за счет щелевой разгрузки массива. Существующие локальные способы разгрузки массива из подготовительных и очистных выработок и мероприятия для их реализации имеющимися средствами требуют больших затрат времени и не совмещены с процессами проходки (выемки). Вопросы устойчивости выработок, проводимых в сложных условиях, не решенные на стадии проектирования и проведения, приводят к значительным затратам по их поддержанию в безопасном эксплуатационном состоянии в последующем.
В этой связи представляются актуальными исследования, направленные на разработку специального оборудования по образованию в приконтурном массиве разгрузочных щелей большой длины и высоты, обеспечивающего в комплексе разрушение, погрузку-удаление разрушенной массы из щели, доставку-закладку материала в выработанное пространство щели, проводимые одновременно или с небольшим отставанием (опережением) от проходческих (очистных) работ.
Цель работы- теоретическое обоснование и определение геометрических, кинематических и силовых параметров гибкого става, направленные на создание маши-
ны для щелевой разгрузки массива, обеспечивающей снижение динамических проявлений горного давления на стадии проведения выработки для повышения ее устойчивости .
Идея работы заключается в использовании фронтального способа нарезания щели в тупиковом забое за счет объединения выемочного и доставочного органов машины одной несущей базой в виде управляемого гибкого става, что позволяет в комплексе обеспечить эффективное разрушение, погрузку-удаление разрушенной массы из щели, доставку-закладку материала в выработанное пространство щели на стадии проведения выработки.
Задачи исследований]
установить влияние параметров щелей на напряженное состояние и смещения в приконтурном массиве в конкретных горно-геологических условиях для обоснования расположения, количества и параметров щелей, необходимых для эффективного управления свойствами и состоянием массива с целью снижения уровня напряжений -разгрузки пород;
обосновать и определить геометрические параметры щеленарезной машины, включающей выемочные и доставочные органы, объединенные одной несущей базой, позволяющей образовать в массиве щели большой длины и высоты для реализации различных технологических требований;
исследовать возможности управления щеленарезной машиной фронтального действия в тупиковом забое щели в плоскости пласта и обосновать параметры гибких элементов, осуществляющих подачу гибкого става;
установить особенности транспортирования материала винтовым конвейером в кожухе гибкого става с боковым пазом и обосновать режимные и геометрические пара-метры.вйнтов для погрузки-удаления разрушенной массы и доставки-выгрузки закладочного материала.
Методы исследований. При выполнении теоретических исследований использовались классические положения аналитической механики, теории упругости, математической физики, теории колебаний, теории оболочек. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработки, разгруженной щелью, осуществлялось методом конечных элементов с использованием современных программ! При решении дифференциальных уравнений движения частицы в кожухе винтового конвейера и волнового уравнения в частных производных, представляющего продольные колебания упруго-вязкого стержня, использовались численные методы. Результаты теоретических исследований, полученные в символьной форме, позволили применить метод компьютерного моделирования и получить зависимости искомых параметров от исходных данных в широком диапазоне средствами машинной графики.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
геометрические параметры щеленарезной машины должны определяться на основе рекомендаций, полученных при установлении влияния параметров щелей на напряжения и смещения в приконтурном массиве с целью его разгрузки в конкретных горно-геологических условиях;
разработана оригинальная компоновочная схема состоящей из отдельных секций щеленарезной машины, включающей выемочные и доставочные органы, объединенные одной несущей базой в виде гибкого става;
управляемость щеленарезной машины фронтального действия в плоскости пласта в тупиковом забое щели достигается гибкими элементами, позволяющими реализовать необходимую подачу машины на забой щели до 0,3 м и усилие подачи на режущем органе до 30 кН при расчетной нагрузке до 300 кН при технически приемлемых значениях тяговых усилий на канате 7=3400; 2000; 1200 кН и усилий пружин F=90; 105;
120 кН при длине секции /=1; 2; 3 м, соответственно, для нарезания щели высотой л=1,0 м и длиной (.=10 м;
рациональные режимные параметры винтов выбираются в зависимости от выполняемых операций: равномерное и установившееся движение при погрузке-удалении разрушенного угля возможно при числе оборотов в минуту винта л=90; 130; 100; 90; 80 об/мин; винтовое движение закладочного материала по желобу с последующей выгрузкой через верхние разгрузочные окна возможно при п>300; 210; 180; 150; 140 об/мин для винтов радиуса R=0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0, 5 м, соответственно.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций лодтверждается:
корректной постановкой теоретических задач и строгостью применяемых методов, основанных на классических положениях аналитической механики, теории упругости, математической физики;
полной сходимостью результатов математического моделирования с имеющимся для частных случаев точным аналитическим решением поставленных задач;
использованием современных достижений в области компьютерного моделирования.
Научная новизна работы:
установлено, что разгрузочная щель большой длины L=5; 10; 15; 20 м и высоты л=0,3-1,0 м полностью снимает напряжения Су по горизонтальной оси выработки на всю длину щели; по вертикальной оси- на расстоянии от контура, равном примерно половине длины щели, независимо от высоты щели;
компоновочная схема щеленарезнои машины, состоящей из отдельных секций, включающей выемочный и доставочный органы, объединенных одной несущей базой в виде гибкого става, позволяет использовать машину в широком диапазоне горногеологических и горнотехнических условий и обеспечить непрерывность и эффективность выполнения основных технологических процессов;
впервые установлены аналитические зависимости, необходимые для расчета геометрических и силовых параметров гибких элементов, обеспечивающих управляемость щеленарезнои машины фронтального действия в плоскости пласта в тупиковом забое щели;
впервые установлена аналитическая связь между геометрическими и режимными параметрами винта конвейера, углом наклона оси конвейера к горизонтали, свойствами транспортируемой частицы и углом отклонения ее от плоскости, перпендикулярной оси вращения винта, принятым в качестве критерия транспортирования винтовым конвейером, что позволяет конкретизировать рациональные режимные параметры винта определенной геометрии в соответствии с операциями погрузки-доставки разрушенного угля или доставки-выгрузки закладочного материала и обеспечить эффективную работу винтовых конвейеров машины.
Личный вклад автора заключается в аналитическом обосновании принципа действия и параметров щеленарезнои машины. Для этого
установлена аналитическая зависимость тягового усилия каната при равновесии и движении става машины от требуемого усилия подачи на режущем органе, расчетной нагрузки, величины подачи на забой, глубины забоя щели при различной ширине и длине секции гибкого става;
получена аналитическая зависимость удлинения каната от тягового усилия и геометрических параметров каната с учетом его вязкости для определения хода гидроцилиндра, необходимого для достижения требуемой подачи гибкого става на забой щели различной высоты и длины;
выявлена аналитическая зависимость восстанавливающей силы пакета пружин, необходимой для выпрямления машины, от расчетной нагрузки, величины подачи на
забой, глубины забоя щели при различной ширине и длине секции гибкого става;
предложен графический способ определения необходимой толщины диска тарельчатой пружины по заданным значениям диаметра пружины, деформации пакета пружин и общей нагрузки в пакете, полученный на базе аналитических исследований и реализованный методом компьютерного моделирования;
установлена аналитическая зависимость между геометрическими и режимными
параметрами винта конвейера, углом наклона оси винта, свойствами транспортируе
мой частицы и углом отклонения, принятым в качестве критерия транспортирования
винтовым конвейером; „.
определены рациональные режимные параметры винта определенной геомет
рии в соответствии с операциями погрузки-доставки разрушенного угля или доставки-
разгрузки закладочного материала, необходимые для эффективной работы винтовых
конвейеров машины. . ...
Практическое значение работы заключается в том, что полученные аналитиче
ские зависимости позволяют: ' .
осуществить выбор параметров щеленарезной машины, образующей полости больших размеров, необходимые для эффективного управления свойствами и состоянием массива в конкретных горно-геологических условиях и реализации различных технологических требований;
разработать рациональные компоновочные схемы и создать работоспособные образцы щеленарезной машины в широком диапазоне ее геометрических и силовых параметров;
создать методику расчета геометрических и силовых параметров гибкого става машины;
осуществить выбор режимных параметров винтовых конвейеров при определенных геометрических параметрах для регулирования характера транспортирования материала при выполнении различных операций; возможность транспортирования материала винтовым конвейером, заключенным в закрытый кожух гибкого става, под углом к горизонту позволяет адаптировать машину к условиям применения на наклонных и крутых пластах.
Реализация работы. Результаты исследований включены в рабочие программы курсов «Горные машины и комплексы» и «Проектирование и конструирование горных машин и комплексов»для студентов специальности 170100 «Горные машины и оборудование» и реализованы при эксплуатации экспериментальной лабораторной установки, используемой для исследовательских работ, и в учебном процессе.
Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (^Кемерово, 1998-2000 гг.), на научно-техническом семинаре по предварительной экспертизе диссертаций КузГТУ (2000 г.), на научном семинаре в Институте угля и углехи-мий СО РАН.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 научных работах.
Объем работы. Диссертация изложена на 212 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, содержит 66 рисунков, 40 таблиц и список литературы из 104 наименований.