Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, основная идея, цель, задачи и методы исследований 12
1.1. Состояния вопроса и пути повышения эффективности работы угледобывающих предприятий России 12
1.2. Оценка горно-геологических особенностей залегания пластов на разрабатываемых и перспективных угольных месторождениях РФ 17
1.3. Обзор результатов исследований проявлений горного давления и его влияния на состояние непосредственной кровли и очистного забоя 21
1.4. Анализ основных направлений улучшения технологических параметров крепления кровли при выемке угольного пласта длинными лавами ..25
1.5. Анализ опыта выемки угольных пластов короткими очистными забоями 31
1.6 Основная цель, идея, задачи и методы исследований 37
Выводы 41
2. Геомеханическое обоснование силовых, конструктивных и технологических параметров механизированных крепей на базе комплексного метода расчета системы "крепь- углепородный массив" 44
2.1. Постановка задачи, обоснование метода расчета и разработка расчетной схемы 44
2.2. Математическая модель комплексного метода расчета напряженно- деформированного состояния геомеханической системы "крепь- угле- породный массив" 51
2.3. Исследования особенностей распределения опорного давления на угольный пласт и перекрытие секций механизированных крепей при изменении их силовых, конструктивных и технологических параметров 63
2.4. Метод определение характера нагружения и величины отжима краевой части угольного пласта под действием сил опорного давления 67
2.5. Обоснование силовых параметров механизированных крепей при передвижке секций с постоянным подпором в условиях неустойчивых кровель 73
2.6. Обоснование силовых и конструктивных параметров выдвижных козырьков в режиме скалывания угольной пачки 82
2.7. Исследование интенсивности и характера нагружения угольного пласта и безразгрузочного комплекта передвижных гидроопор силами горного давления в условиях труднообрушающихся кровель 89
2.8. Аналитические исследования напряженно-деформированного состояния "крепь-углепородный массив" во времени 103
Выводы 107
3. Разработка конструкций механизированных крепей для крепления неустойчивой и труднообрушающейся кровель 109
3.1. Конструктивные особенности механизированных крепей с выдвижным поддерживающим элементом и системой гидравлического подпора. 109
3.2. Разработка конструкции безразгрузочной механизированной крепи со скользящей лентой 113
3.3. Разработка конструкции автономной самоходной механизированной крепи на гусеничном ходу (КСМ) 116
3.4. Разработка конструкции самоходной шагающей комплектной крепи КСК 120
3.5. Разработка новых технических решений по созданию безразгрузочного комплекта передвижных гидроопор с роторным транспортным средством их перемещения 124
3.6. Разработка и обоснование основных конструктивных элементов "искусственного механизированного целика" 136
3.7. Разработка системы беспроводного управления процессом крепления горных выработок механизированными крепями 143
Выводы 146
4. Стендовые исследования силовых, конструктивных, кинематических и технологических параметров усовершенствованных и новых конструкций механизированных крепей 148
4.1. Программа и методика проведения стендовых испытаний механизированных крепей различных конструкций 148
4.2. Особенности конструкций испытательных стендов и измерительная аппаратура для проведения исследований 152
4.3. Исследование силовых и конструктивных параметров механизированных крепей с изменяющейся длиной поддерживающего элемента 161
4.4. Исследование особенностей процесса передвижки безразгрузочной крепи с шасси со скользящей лентой 166
4.5. Исследование кинематических, силовых и технологических параметров комплекта передвижных гидроопор с роторным транспортным средством 170
4.6. Испытания монтажного навесного оборудования (ОМН) для доставки и установки комплекта гидроопор 178
4.7. Исследования системы беспроводного радиоуправления механизированными крепями 181
Выводы 187
5. Шахтные исследование силовых, кинематических и технологических характеристик усовершенствованных механизированных крепей для отработки пластов длинными столбами 189
5.1. Методика шахтных исследований и аппаратура для измерения параметров механизированных крепей 189
5.2. Исследование взаимодействия с боковыми породами механизированных крепей, оборудованных выдвижным поддерживающим элементом 193
5.3. Шахтные исследования взаимодействия с боковыми породами механизированных крепей, оборудованных выдвижными скалывающими козырьками 205
5.4. Исследования взаимодействия с боковыми породами механизированных крепей, передвигающихся без потери силового контакта верхнего перекрытия с породами кровли 210
5.5. Исследование экспериментального образца системы беспроводного управления комплектом передвижных гидроопор 219
Выводы 222
6. Экспериментальные исследования коротко- забойных технологий отработки участков ограниченных размеров и сложной конфигурации ..225
6.1. Исследования параметров технологии выемки угля короткими очистными забоями с применением отечественного горношахтного оборудования 225
6.2. Исследование особенностей разработки выемочных участков камерно-столбовой системой оборудования фирмы "Джой" 245
6.3. Сравнение показателей работы горношахтного оборудования и анализ эффективности применения различных вариантов короткозабойных технологий 251
Выводы 261
7. Обоснование технологических схем и параметров механизированного крепления кровли при комбинированном способе разработки угольных пластов, залегающих в условиях неустойчивых и труднообрушающихся кровель 263
7.1. Технологические особенности выемки угольных пластов при комбинированном способе разработки 263
7.2. Обоснование технологических схем и параметров механизированного крепления очистного забоя в условиях неустойчивой кровли 267
7.3. Обоснование параметров и технологии длиннокамерной адаптивной системы разработки на базе применения комплектов передвижных гидроопор 277
7.4. Выбор оборудования и рациональных параметров технологии разработки угольных пластов камерно-столбовой системой 284
7.5. Обоснование технологии и параметров крепления кровли при выемке угольных пластов сложной конфигурации и ограниченными запасами с применением БКПО 289
7.6. Выбор технологических схем выемки угольного пласта камерно- столбовой системой при крепления кровли шагающей и гусеничной автономными самоходными крепями 299
Выводы 309
Заключение 311
Список использованной литературы 315
Приложение 338
- Обзор результатов исследований проявлений горного давления и его влияния на состояние непосредственной кровли и очистного забоя
- Метод определение характера нагружения и величины отжима краевой части угольного пласта под действием сил опорного давления
- Разработка конструкции автономной самоходной механизированной крепи на гусеничном ходу (КСМ)
- Исследование силовых и конструктивных параметров механизированных крепей с изменяющейся длиной поддерживающего элемента
Введение к работе
Особенности разработки угольных пластов с трудноуправляемыми кровлями, характеризующимися залеганием труднообрушающихся пород в основной и неустойчивых в непосредственной предопределяют необходимость решения целого комплекса проблем, связанных с обоснованием рациональных параметров технологии подготовки и отработки выемочного участка, выбора высокопроизводительного оборудования, способного к быстрой адаптации при изменении горно-геологических условий. При этом особо важное значение приобретает выбор способов и средств крепления и поддержания кровли горных выработок на основе изучения проявлений горного давления и исследования напряженно-деформированного состояния пород кровли.
Несмотря на весомые успехи, достигнутые в этой области исследований, технологические системы разработки угольных пластов должны совершенствоваться с целью достижения более высоких технико-экономических показателей работы угольных шахт в Российской Федерации. Для реализации этого положения одной из основных целей проводимой в России реструктуризации угольной отрасли является внедрение ресурсосберегающих технологий, способствующих улучшению экономической и социальной инфраструктуры угольных предприятий.
Анализ технико-экономических показателей работы угольных шахт различного технического уровня в настоящее время показал, что нагрузка на очистной забой в среднем составляет 681 т/сутки при средней себестоимости 1 тонны добываемого угля 165,1 рубля, что значительно хуже показателей таких угледобывающих стран, как США, ЮАР, Австралия, Китай.
Доля механизированного и труда по Кузнецкому и Печорскому м бассейнам составила 38,9 и 48,8 соответственно. Наметилась тенденция к усложнению горно-геологических условий отработки угольных пластов.
Анализ горно-геологических условий залегания пластов в основных угольных регионах страны показывает, что 76 % угольных пластов в Кузнецком бассейне имеют трудноуправляемую кровлю, а в Печорском эти цифры достигают 93 %. При этом особо важно отметить, что в Кузбассе 54 % угольных пластов имеют неустойчивую непосредственную кровлю, в Печорском угольном бассейне - 72 %.
На разрабатываемых участках при неустойчивых кровлях эффективность механизированных комплексов снижается в 2 и более раз за счет больших непроизводительных затрат времени на крепление кровли деревом для предотвращения вывалов и дополнительных обнажений кровли, образовавшихся в результате интенсивного отжима угля, а также зачистке оснований секций от просыпавшейся породы. Трудоемкость этих работ в 1,5- 2,5 раза превышает трудоемкость работ, связанных с непосредственной добычей угля.
В настоящее время в АО "ПНИУИ" созданы и широко внедряются на шахтах РФ высокопроизводительные механизированные комплексы третьего поколения: УКП5, КМК500, КМК700, КПМ, КМ950 и целый ряд других, которые могут обеспечить достижение нагрузок на лаву от 2500 до 5000т / сутки. Для обеспечения эффективной работы данных комплексов с высокой нагрузкой на очистной забой необходимо иметь размеры выемочных столбов равные 200x1500 м и более. При этом ширина подготовительных выработок должна быть не менее 5,0 м, а высота от 2,5 до 3,0 м. Если разделить имеющиеся в Российской Федерации шахгопласты на выем очные столбы указанных выше размеров, то с их помощью можно будет извлечь не более 65-70 % запасов угля, что приведет к значительным его потерям на участках ограниченных размеров
Согласно проведенной совместно АО"ПНИУИ" и "ННЦ ГП ИГД им. А.А.Скочинского " оценки запасов угля на участках ограниченных размеров на 47 шахтах России в целиках различного назначения, выемка которых механизированными комплексами неэффективна и нецелесообразна и, которые могут быть извлечены с применением короткозабойных технологий, сосредоточено 369 млн. тонн в основном высококачественного угля. Наиболее значительные запасы угля сосредоточены в Кузбассе - 253 млн. тонн, из них в целиках - 240 млн. тонн и Печорском угольном бассейне - 89 млн. тонн. Отработка этих запасов механизированными комплексами не эффективна и нецелесообразна из-за значительных капитальных и эксплуатационных затрат.
В связи с этим исследования, направленные на обоснования параметров технологии выемки угольных пластов короткими очистными забоями на базе комплексов мобильного оборудования, несомненно являются актуальными. Не менее важным фактором, определяющим эффективность системы разработки является корректное определение на основе геомеханических закономерностей технологических параметров, предопределяющих способы управления кровлей, безопасность ведения работ и объемы извлечения полезного ископаемого.
Поэтому целью настоящей работы является повышение эффективности отработки участков шахтных полей с трудноуправляемой кровлей и сложной конфигурацией на основе установления закономерностей развития геомеханических процессов при выемке угольного пласта, позволяющих обосновать параметры гибких технологических схем и адаптированных к данным условиям механизированных крепей
Идея работы заключается в полноценном извлечении запасов угля на участках сложной конфигурации за счет управления геомеханическими процессами в углепородном массиве обоснование технико- технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности отработки участков шахтных полей с трудноуправляемыми кровлями, ограниченными запасами и сложной конфигурацией.
Научная новизна работы заключается в следующем: - на основе аналитических исследований и имитационного моделирования на ПЭВМ научно обоснованы требования к параметрам механизированного крепления кровли и технологии выемки угольного пласта в условиях трудноуправляемых кровель;
' - установлены закономерности проявлений горного давления при осуществлении основных технологических процессов: выемки угля, передвижки крепи, простоях лавы;
установлены закономерности нагружения краевой части угольного пласта под действием сил горного давления, на основе которых разработана методика расчета ее устойчивости, позволяющая дать количественную оценку напряженного состояния призабойной зоны с учетом состава, строения, размеров пласта и длительности воздействия;
обоснованы рациональные параметры механизированного крепления пород непосредственной кровли в условиях трудноуправляемых кровель, позволяющие быстро адаптироваться к изменениям внешней и внутренней сред функционирования;
предложены и разработаны оригинальные конструкции роторной, гусеничной и комплектной механизированных крепей, не имеющих аналогов в отечественной угольной промышленности;
разработаны методические принципы формирования гибких технологических систем разработки угольных пластов за счет применения комбинированного способа разработки выемочного участка сложной конфигурации;
Научное значение работы состоит в разработке на базе геомеханических исследований научных основ выбора параметров механизированного крепления и технологических систем разработки, адаптированных к сложным горно-геологическим условиям и гибко реагирующих на их изменения при выемке угля на участках шахтных полей с трудноуправляемой кровлей, ограниченными запасами и сложной конфигурации.
Обзор результатов исследований проявлений горного давления и его влияния на состояние непосредственной кровли и очистного забоя
Исходя из анализа состояния очистных работ на шахтах Российской Федерации, перспектив реструктуризации и развития угольной отрасли страны, можно констатировать, что максимальная эффективности эксплуатации шахт может быть достигнута с использованием технологии выемки угольных пластов, предполагающей совместное применение длинных лав в сочетании с выемкой угля короткими очистными забоями на участках ограниченных размеров и сложной конфигурации. Такое решение позволит угледобывающим предприятиям внедрить ресурсосберегающие технологии, способствующие улучшению экономической и социальной инфраструктуры шахт, снизить капитальные и эксплуатационные затраты. Комбинированный способ выемки участков обладает высокой степенью адаптивности к изменяющимся горногеологическим условиям залегания угольных пластов и позволяет вовлечь в разработку запасы угля, ранее списанные с баланса шахт. Эффективность применения данной технологии зависит от успешного решения целого ряда задач, заключающихся в создании наиболее перспективных конструкций горного оборудования и разработке технологических схем для выемки угольных пластов с привязкой к конкретным горно-геологическим условиям. При отработке механизированными комплексами выемочных столбах с трудноуправляемой кровлей, характеризующихся наличием интенсивного отжима, неустойчивой непосредственной кровлей, а также наличием в основной кровле мощных слоев песчаников и алевролитов склонных зависанию, одним из наиболее важных элементов обеспечения эффективности выемки угля может быть решение вопроса по созданию и внедрению механизированных крепей, конструктивные особенности которых соответствуют условиям ведения очистных работ.
В настоящее время технология ведения работ при отработке участков ограниченных размеров короткими очистными забоями не эффективна из-за значительных потерь угля в оставляемых предохранительных целиках, выполняющих функции крепи, в связи с отсутствием средств механизированного крепления кровли на сопряжении камер и заходок.
Выполненные ранее исследования не позволяют в полной мере решить целый ряд вопросов и проблем создания эффективных методов определения механизма сдвижения подрабатываемого массива, а также его напряженно-деформированного состояния. Использование, на базе этих исследований, большинства правильных предположений для расчетов параметров технологических схем и механизированных крепей с учетом интенсивности проявления сил горного давления, наталкиваются на серьезные трудности либо из-за отсутствия полноценного математического аппарата для решения соответствующей задачи, либо из-за условности выдвинутых гипотез или упрощенных расчетных схем, либо из-за недостаточного объема исходных данных по учету максимально возможного числа влияющих факторов. Поэтому не менее важным элементом, определяющим эффективность системы разработки является корректное определение на основе геомеханических закономерностей технологических параметров, предопределяющих способы управления кровлей, безопасность ведения работ и объемы извлечения полезного ископаемого.
В связи с этим целью настоящей работы является повышение эффективности отработки участков шахтных полей с трудноуправляемой кровлей и сложной конфигурацией на основе установления закономерностей развития геомеханических процессов при выемке угольного пласта, позволяющих обосновать параметры гибких технологических схем и адаптированных к данным условиям механизированных крепей
Идея работы заключается в полноценном извлечении запасов угля на участках сложной конфигурации за счет управления геомеханическими процессами в углепородном массиве в зонах интенсивного проявления горного давления при совместном использовании столбовой и камерно-столбовой систем разработки на базе применения комплекса технических средств, обеспечивающих опережающее крепление кровли с возможностью скалывания угольной пачки, непрерывный силовой контакт перекрытия с кровлей при передвижке лавных и автономных самоходных механизированных крепей. В соответствии с идеей и поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи: - оценить и систематизировать горно-геологические условия залегания пластов на разрабатываемых и перспективных угольных месторождениях РФ, изучить и проанализировать отечественный и зарубежный опыт применения короткозабойных технологий ; - исследовать с помощью имитационно-цифрового моделирования на ПЭВМ особенности механизма нагружения и деформирования призабойной зоны угольного пласта и нижних слоев неустойчивой непосредственной кровли при выемке угля комбайном, передвижке секций и изменении ее конструктивных параметров применительно к условиям длинных забоев; - установить закономерности формирования напряженно-деформированного состояния "механизированная крепь - массив" с учетом реологических свойств пород, исследовать влияние технологических параметров механизированного крепления очистного забоя на устойчивость и распределение нарушений непосредственной кровли и забоя; - определить рациональные технические и технологические параметры механизированного крепления кровли длинных очистных забоев в условиях неустойчивых пород и повышенного горного давления, применение которых позволяет обеспечить снижение ручных работ и увеличить нагрузку на лаву; - установить рациональные конструктивные и технологические параметров крепления кровли горных выработок при выемке пласта камерно-столбовой системой с учетом напряженно-деформированного состояния подрабатываемого слоистого массива горных пород; - разработать конструкции автономных механизированных крепей нового технического уровня для крепления кровли выработок при выемке угольного пласта камерно-столбовой системой с учетом устойчивости нижних слоев непосредственной кровли, обосновать параметры и разработать конструкцию безразгрузочного комплекта передвижных опор (БКПО) с роторным транспортным средством их перемещения в процессе крепления кровли горных выработок; - обосновать параметры и разработать технологические схемы выемки угольного пласта камерно-столбовой системой с использованием высокопроизводительного оборудования и новых технических средств крепления кровли, разработать аппаратуру и алгоритмическое обеспечение беспроводного управления процесса крепления кровли механизированными крепями с целью применения в дальнейшем автоматизированных и роботизированных средств контроля и управления предлагаемым и используемым оборудованием. Для решения поставленных задач использовался комплексный метод, включающий: обобщение ранее проведенных исследований по данному вопросу; широкий спектр наблюдений и измерений в натурных условиях различных угольных бассейнов страны; обработку экспериментальных данных с помощью методов математической статистики; предварительные стендовые испытания на заводе; шахтные исследования экспериментальных образцов оборудования и вариантов технологических схем; разработку расчетных моделей и имитационное цифровое моделирование на ПЭВМ особенностей взаимодействия системы "механизированная крепь- углепородный массив."
Метод определение характера нагружения и величины отжима краевой части угольного пласта под действием сил опорного давления
Одним из основных направлений повышения эффективности отработки угольных пластов подземным способом является решение сложных технологических и технических проблем, обеспечивающих совершенствование способов управления кровлей в очистных забоях, особенно в условиях разработки месторождений с труднообрушающимися породами, вызывающими повышенную концентрацию опорного давления на угольный пласт впереди забоя за счет больших размеров зависающих в выработанном пространстве консолей основной и непосредственной кровель. Вследствие этого возникает ряд негативных явлений, оказывающих значительное влияние на состояние системы "крепь-углепородный массив", в частности: разрушение краевой (призабойной) части угольного массива - отжим: перераспределение горизонтальных напряжений в лито типах кровли, сопровождающееся перемещением их экстремума в сечения, близкие к линии забоя; увеличение нагрузки на крепежные конструкции, с одной стороны связанное с повышенной длиной зависающих консолей - "квазистатическое", на каждый шаг передвижки, воздействие, с другой - с периодической потерей устойчивости пород кровли, вызванной нарушением их целостности над пластом или рабочим пространством (формируются трещины, закладывающие шаг обрушения), - динамическое воздействие, с третьей - с непрогнозируемым, в результате отжима, увеличением ширины призабойного пространства. Все эти явления, кроме того, усугубляются увеличением глубины разработки.
Применение крепей с повышенным сопротивлением, возведение различных типов закладки, оставление естественных предохранительных полос угля, возведение искусственных охранных сооружений (типа костров, кустов, бутовых полос, железобетонных тумб, органных рядов и т. д.) или использование специальных способов разупрочнения массивов хотя и позволяют решить часть проблем управления кровлей в таких условиях, но не обеспечивают либо высоких темпов отработки либо минимума эксплуатационных затрат, поднимая, в конечном итоге, себестоимость добычи, что в современных условиях хозяйствования является весьма нерентабельным.
В последнее время значительные успехи в области решения проблем отработки угольных пластов с труднообрушающимися кровлями связаны с созданием крепей нового технического уровня, сочетающих в себе возможности поддержания кровли как в длинных, так и в коротких очистных забоях, а также обеспечивающих эффективное управление горным давлением на основе разгрузки краевой зоны угольного пласта, перевода максимума опорного давления на крепь и снижения критических напряжений в породах кровли над очистным забоем. К таким крепям необходимо отнести безразгрузочные комплекты передвижных опор (БКПО), конструкции которых разработаны в ОАО "ПНИУИ". Главные особенности комплекта заключаются в возможности варьирования количества опор в зависимости от характера проявлений горного давления в различных горно-геологических или горнотехнических условиях и в управлении сопротивлением опор независимо друг от друга, обеспечивающем адекватное реагирование на изменение геомеханической ситуации (естественно, при наличии прогноза).
На рис. 2.16 схематично показано расположение БКПО, установленного перпендикулярно линии очистного забоя и включающего 7 гидроопор, перемещающихся с помощью роторной системы подачи. Безразгрузочность комплекта обеспечивается постоянным сопротивлением 6 опор (для данного случая), а его движение вслед за забоем - за счет автоматического перемещения последней стойки по роторному ставу в начало, к забою. Такая схема работы предполагает равноценное конструктивно заложенное предельное сопротивление всех опор комплекта. В противном случае, когда последняя опора выполняет функцию посадочной тумбы (как это принято при использовании индивидуальных крепей в условиях разработки маломощных пластов), она перемещается при своей частичной разгрузке с помощью гидродомкратов передвижки вслед за гидроопорами и при полном рабочем контакте остальных опор комплекта с боковыми породами.
Необходимость перевода максимума опорного давления на опоры и формирование линии обрушения пород как можно ближе к посадочному ряду стали основополагающими факторами при конструктивной разработке элементов безразгрузочной крепи. Важным критерием обоснования силовых характеристик являлись также горно-геологические и горнотехнические условия применения БКПО.
Так как данная конструкция разрабатывалась применительно к условиям Кузнецкого угольного бассейна, в частности его Томь-Усинского промышленного района, то в качестве исходных силовых параметров были заложены 2 варианта предельного сопротивления опор в комплекте: 1900 кН для каждой опоры и 5700 кН для последней опоры (как посадочной) при сохранении предыдущего номинала для всех остальных опор. Данные параметры получены на основе предварительных лабораторных (стендовых) испытаний, которые подтвердили высокую работоспособность и маневренность создан ной конструкции
Однако специфика практического использования, в силу непостоянства геомеханической или геотехнической ситуации, предопределяет необходимость проведения многовариантных испытаний комплекта в целях установления рациональных силовых и конструктивных параметров крепи при ее взаимодействии с углепородным массивом, к числу которых прежде всего необходимо отнести плотность установки опор и комплектов соответственно перпендикулярно к забою и вдоль него. Особое внимание при этом должно быть уделено моделированию условий при различных механических характеристиках пород кровли и почвы, длине зависающих консолей или ширине призабойного пространства.
Такие широкомасштабные исследования невозможны без привлечения теоретических методов, базирующихся, в частности, на современных численных или комбинированных (численных и аналитических) моделях расчета напряженно-деформированного состояния геомеханических систем, включающих породы кровли, почвы, угольный пласт и крепежные конструкции. К ним следует отнести и модель, разработанную на основе синтеза метода начальных параметров и теории расчета конструкций на упругом полупространстве и реализованную на ПЭВМ в виде группы программных модулей, которая направлена на исследование характера взаимодействия пород непосредственной кровли и почвы с угольным массивом и крепями в призабойной зоне.
С этой целью был разработан ряд расчетных схем, имитирующих совместную работу крепи БКПО с углепородным массивом, максимально приближенным к условиям отработки пласта XVII ш. им. В.И. Ленина в Кузбассе. Рис. 2.16 отражает основные геометрические параметры схем при комплекте с числом опор от 3 до 7 и шагом их установки 0,71 м, варьировании длины консоли 1К за посадочным рядом в диапазоне 0-5 м и с учетом изменения ширины Ъ очистной выемки в интервале 0-3 м.
Разработка конструкции автономной самоходной механизированной крепи на гусеничном ходу (КСМ)
При разработке конструкции безразгрузочной крепи со скользящей лентой был проведен анализ существующих типов серийных механизированных крепей, в результате которого установлено, что наиболее благоприятной является конструкция крепи поддерживающе - оградительного типа, так как она обеспечивает более полный контакт перекрытия крепи с боковыми породами. В связи с этим для создания экспериментальных секций была выбрана серийно выпускаемая крепь 2МКЭ конструкции ПНИУИ, при этом поставлена задача внести в конструкцию крепи минимально возможное количество изменений. Базовая механизированная крепь 2МКЭ предназначена для работы на пластах мощностью 1,5-2,2 м, несущая способность 1000 кН, максимально возмолсное усилие передвижки 340 кН. Верхняк шарнирно-жесткий с гидропатроном управления козырьком. Опыт эксплуатации крепей 2МКЭ показал их достаточно хорошую приспосабливаемость к неспокойной гипсометрии угольных пластов. Верхнее перекрытие соединено с основанием посредством четырехзвенного механизма, что является важным обстоятельством, позволяющим синхронизировать движение верхнего и нижнего шасси и разгрузить гидростойки от изгибающих моментов. Одним из основных вопросов при разработке конструкции безразгрузочной крепи являлся выбор антифрикционных материалов для контактной пары "корпус - лента". Эти материалы должны отвечать следующим требованиям: - обладать возмолсно более низким коэффициентом трения, который должен минимально зависеть от изменения внешних условий; - иметь достаточную прочность при работе на сжатие и на разрыв, а для ленты при этом и хорошую гибкость; - иметь высокую стойкость к истиранию, в том числе и при работе в абразивной среде; - быть устойчивыми к действию агрессивных сред, водофобными, негорючими, не поддаваться гниению. Проведенный в работе [119] анализ свойств и характеристик различных материалов показал, что поставленным требованиям отвечает достаточно большое количество материалов. Из металлических к ним относятся некоторые сорта легированных сталей, а из полимерных - капрон, нафтлен, политетрафторэтилен и ряд других. Изучение свойств указанных антифрикционных материалов показало, что наиболее приемлемым для конструирования безразгрузочного шасси является нафтлен с коэффициентом трения Ктр = 0,03. Отмечено, что применение смазочных материалов значительно снижает коэффициент трения и положительно сказываются на состояние материалов. Важно выделить следующую важную для шахтных условий отличительную особенность антифрикционных полимеров, у которых при смазке водой работоспособность на хуже, чем при смазке минеральными маслами. Это обстоятельство имеет большое значение, так как позволяет создать благоприятные условия для работы безразгрузочного шасси со скользящей лентой. Помимо полимерных материалов достаточно хорошими антифрикционными свойствами обладают легированные(например, нержавеющие хромо- никелиевые) стали. Они обладают повышенной ударной вязкостью и пластичностью при высокой прочности и коррозийной стойкости. Предел текучести достигает значения 1000 кН / м , ударная вязкость - 12x10 Н / м . Коэффициент трения изменяется в пределах 0,1-0,2 и при применении смазок снижается. К достоинствам легированных сталей следует отнести широкое распространение и сравнительно невысокую стоимость. Учитывая все эти обстоятельства при конструировании крепи было решено использовать два типа антифрикционных материалов: нафтлен и легированную сталь.
Экспериментальные секции крепи состояли из металлоконструкции и гидравлического оборудования базовой крепи 2МКЭ и трех безразгрузочных шасси со скользящей лентой, установленных на козырьке, верхняке и основании секции. Такая компоновка крепи дала возможность оставить неизменной металлоконструкцию крепи и избежать необходимость пропуска скользящей ленты через ограждающие элементы и мимо гидростоек, а также обеспечить полный поворот козырька. Безразгрузочное шасси представляет собой двойной пустотелый короб (по типу ложного дна). Каждый короб состоит из двух ребер жесткости, представляющих собой металлический брус с поперечным сечением 0,03x0,03 м, приваренный непосредственно к металлоконструкциям базовой крепи (общий вид безразгрузочного шасси и техническая характеристика экспериментальной секции представлены в приложении 1). Ребра жесткости перекрыты стальными листами, толщиной 0,01 м. На внешней стороне короба закреплены листы подложки из легированной стали толщиной 0,0015 м. Внешняя часть листов подложки является контактной поверхностью для рабочей ветви скользящей гусеничной бесконечной ленты, холостая ветвь этой ленты пропущена по внутренней части короба. Скользящая лента изготовлена из легированной стали толщиной 0,0003м. В передней части шасси в специальных гнездах установлены ролики диаметром 0,06 м. Они предназначены для предотвращения излома в местах ее изгиба. На шасси козырька и основания в передней части установлены защитные пластины.
Установка безразгрузочного шасси на основание, перекрытие и козырек секции увеличила вес базовой крепи на 10 %, а ее габаритный размер по высоте на 0,084 м. Стоимость модернизации составила 10 % стоимости базовой секции крепи. Разработанные и изготовленные экспериментальные секции безразгрузочной крепи прошли комплексные стендовые и шахтные испытания. Разработанная в АО "ПНИУИ" с участием автора и запатентованная [111] механизированная крепь на гусеничном ходу КСМ, предназначена для крепления и поддержания кровли на границе с выработанным пространством в процессе погашения "столбов" и околоштрековых целиков при камерно- столбовой системе разработки. Крепь может работать в комплексе с широкозахватным комбайном типа "Континиус майнер" и самоходным вагоном на пневмоходу типа "Шатл кар" фирмы "Джой" или вагоном ВСШ15, конструкция которого разработана в институте с непосредственным участием автора. Автономная крепь КСМ (рис.3.1) состоит из верхняка, балки, рычагов, траверсы, гидростоек, рамы, тележек, ведущих и ведомых звезд, направляющих колес, электродвигателя, гидронасосов, гидромоторов, редуктора, маслобака, кабельного барабана с кабелеукладчиком, щитов ограждений, гусениц, систем управления, освещения и контроля, лемеха.
Исследование силовых и конструктивных параметров механизированных крепей с изменяющейся длиной поддерживающего элемента
Многократная статистическая неопределенность механизированных крепей обуславливает приближенность расчета их на прочность и устойчивость. В этой связи стендовые испытания являются ответственным этапом, с помощью которого проверяются кинематические и силовые параметры крепи, оцениваются новые конструктивные решения, правильность положений, принятых при проектировании и расчетах. Кроме того, предварительные стендовые испытания позволяют выявить недостатки крепи, внести изменения в ее конструкцию и скорректировать рабочую документацию для изготовления опытной партии.
Настоящая программа и методика предназначена для проведения комплексных испытаний механизированных крепей различных конструкций и назначения. При проведении испытаний использован комплексный метод, включающий натурные измерения, визуальные и хронометражные наблюдения, непрерывную фиксацию изменения измеряемых параметров с помощью самопишущей аппаратуры, обработку полученных результатов методами математической статистики и их обработку с помощью ПЭВМ. К предварительным испытаниям на заводских стендах допускались собранные конструкции механизированных крепей после их приема отделом технического контроля (ОТК) предприятия-изготовителя.
Программой и методикой предусматривалось исследование, на специально разработанных и изготовленных стендах силовых, конструктивных, кинематических и других параметров механизированных крепей. Объектами испытаний являлись крепь 1УКП с выдвижным скалывающим козырьком, безразгрузочная крепь со скользящей лентой из легированной стали и нафтлена и комплект передвижных гидроопор, состоящий из забойной секции, ротора с гидроопорами, посадочной секции и системы управления.
Целью предварительных испытаний крепей и исследования их параметров с помощью специальной аппаратуры являлось оценка работоспособности заложенных в разработанных конструкциях новых оригинальных технических решений. Кроме того, были проведены испытания навесного монтажного оборудования, предназначенного для доставки и установки комплекта гидроопор и испытания системы беспроводного управления механизированными крепями. В соответствии с целью задачами исследований на стенде являлись:
Проверка соответствия прочности узлов и конструкций крепей в целом принятым расчетным нагрузкам. При выполнении данного этапа испытаний конструкции крепей подвергаются максимальному силовому нагружению с помощью гидродомкратов стенда, а развиваемые ими усилия фиксируются визуально или самописцами. Проверяется механическая прочность секции крепи при ассиметричном нагружении поддерживающего элемента. Одновременно ведутся наблюдения за целостностью конструкции и отмечаются появление трещин, поломки, разрушения.
Проверка основных конструктивных параметров проектным показателям (конструктивная высота, раздвижность, габаритные размеры и т.д.). С помощью инструментальных замеров фиксируются минимальная и максимальная высота крепи, определяется раздвижность гидростоек и гидродомкратов, измеряются необходимые конструктивные зазоры и проводится сравнение полученных результатов с проектными.
Сравнение фактических силовых параметров экспериментальных секций с показателями, заложенными в технических характеристиках и технических требованиях. Силовое нагружение козырька, верхняка и гидростоек осуществлялось согласно разработанным схемам внешней нагрузкой, создаваемой домкратами стенда, при этом экспериментальные секции предварительно (перед началом испытаний) обжимались на стенде нагрузкой равной 50% ее максимальной несущей способности. Для получения силовых характеристик основание секции устанавливалось на двух опорах. Внешняя нагрузка прикладывалась в месте шарнира соединения козырька с перекрытием. После чего измерялось давление в гидростойках, прогиб козырька, перекрытия, основания, их остаточные деформации. Для определения механической прочности козырька нагружение на его краевую часть при задвинутом и выдвинутом положении осуществлялось внешней нагрузкой до величины срабатывания предохранительного клапана гидропатрона. Фиксировалась нагрузка и реакция козырька, отмечались случаи поломок, если они происходили. 4. Исследование кинематических особенностей конструкций крепей осуществляется с нижнего предела раздвижности до верхнего и обратно. Проверяется плавность хода подвижных элементов, оценивается работоспособность других выдвижных устройств. Определяется угол поворота козырька от горизонтали вверх и вниз на нижнем и верхнем пределе раздвижности, проверяется плавность хода скалывателей. 5. Исследование характера процесса передвижки секции безразгузочной крепи при применении скользящей ленты из различных материалов. При этом усилия в гидродомкратах фиксируются с помощью специальной аппаратуры. При холостом ходе роторной цепи и передвижке гидроопор по роторному транспортному средству непрерывно фиксируются изменения усилий в гидродомкратах привода. 6. Проведение хронометражных наблюдений за процессом передвижки секций с целью определения их максимально возможной скорости перемещения. Отмечаются затраты времени на различные операции, включающие выдвижку козырька или скалывателя, осадку секции или гидроопоры, перемещение на шаг выдвижки, распор, время манипуляций с гидрораспределителем. Определяются скоростные показатели выполнения тех или иных позиций. 7. Проверка соответствия изделий требованиям техники безопасности и условиям применения. Оценивается безопасность осуществления процесса управления секциями, определяется надежность конструкции элементов, возможность замены узлов и доступность заменяемых элементов при ведении ремонтных работ. 8. Выявление и устранение конструктивных недостатков, проверка взаимоувязки элементов конструкций. Обнаруженные конструктивные недостатки фиксируются и устраняются при разработке рабочей конструкторской документации на серийные образцы. 9. Проверка на соответствие изделий рабочим чертежам, техническим требованиям и техническим заданиям. Полученные при испытаниях экспериментальных образцов результаты, анализируются, сравниваются с заложенными в ТТ и ТЗ, после чего при необходимости корректируются. В качестве средств измерения используется визуальная и самопишущая аппаратура, причем в каждом конкретном случае применяется комплект аппаратуры наиболее полно отвечающий требованиям проведения эксперимента. При стендовых исследованиях конструкций механизированных крепей использовались следующие приборы: секундомер, рулетка, масштабная линейка, угломер-квадрант, показывающие манометры типа МТП-4/1-У60 1,5; динамометр ДПУ-20-1-У2, измеритель деформации цифровой ИДЦ- 1 в сочетании с проволочными тензорезисторами, 2ПКБ - 20200; датчики давления МД-300Т; тензоусилители УТ-4 и «Топаз 3-01»; самописцы Н338-4; тензопреобразователи (тензодатчики Д-2,5) в в комплекте со светолучевым осцилографомК121 и избирателями РОЮ.
