CC BY
66
Г.Д. Буялич
д-р техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева»
В.М. Тарасов
генеральный директор ООО «РивальСИТ»
Н.И. Тарасова
генеральный директор ООО ИКЦ «Промышленная безопасность»
УДК 622.8
ИННОВАЦИОННЫЙ ПОДХОД К ВОПРОСАМ МОНТАЖА И ЭКСПЛУАТАЦИИ СЕКЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ
Описан инновационный подход к монтажу и эксплуатации секции механизированной крепи, который фундаментально меняет работу секции механизированной крепи; позволяет перераспределить горное давление с угольного пласта в завальную часть лавы, уменьшая неконтролируемые обрушения угля в угольном массиве и выбросы пылегазовой смеси в призабойной части лавы; значительно повышает безопасность ведения горных работ в лаве; уменьшает вероятность контакта рабочего органа (шнека) с поддерживающим элементом секции механизированной крепи; увеличивает скорость передвижения и производительность труда; повышает срок эксплуатации секции механизированной крепи; снижает себестоимость 1 тонны добываемого твердого полезного ископаемого; способствует существенному увеличению добычи полезного ископаемого.
Ключевые слова: ИННОВАЦИОННЫЙ, ПОДХОД, ГОРНАЯ, ВЫРАБОТКА, СЕКЦИЯ, МЕХАНИЗИРОВАННАЯ, КРЕПЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ТРУД, КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ
Кто не применяет новых средств, должен ждать новых бед.
Ф. Бэкон
В настоящее время про-
мышленной безопасности топливно-энергетического комплекса уделяется особое
внимание: проводится модер-
низация, выделяются денежные средства государством и крупными частными компаниями, создаются нормативно-правовые и организационно-технические условия, проводится работа по ценообразованию, изучаются показатели, влияющие на цену и тарифы, решаются вопросы, связанные с повышением конкурентоспособности угля как вида топлива. Правительство РФ решает вопрос по исключению необоснованных
посредников в сделках по поставке угля между основными потребителями и поставщиками. Ставятся вопросы о том, как снизить внутренние издержки, неэффективные затраты, исключить причины взрывов в шахтах, проводить высокоэффективную дегазацию угольного массива, и многие другие.
Одной из главных задач является значительное увеличение производительности труда при добыче угля как подземным, так и открытым способом в условиях безаварийной и безопасной работы и приближение к мировым показателям ведущих стран по добыче твердого полезного ископаемого.
Повышения конкурентоспособности при добыче этого вида топлива можно добиться путем снижения себестоимости 1 т угля, уменьше-
ния металлоемкости секции крепей и цены комплексов, высвобождением шахтеров (рабочих по добыче угля) из опасных условий труда, занятых обслуживанием механизированных комплексов. Кроме того, необходимо уменьшить зольность угля и затраты на его обогащение, на порядок снизить расход крепежного материала на поддержание штреков под лавами, значительно уменьшить простои лавы, связанные с механической поломкой крепей и гидрооборудования, исключить обрушение кровли в лаве и нежелательный контакт рабочего органа (шнека) очистного комбайна с поддерживающими элементами секций механизированной крепи. Обеспечить безопасность труда шахтеров в лаве можно снизив суфлярное выделение газа ме-
тана при подрезке угля комбайном и предотвратив внезапный выброс пылегазовой смеси.
Процесс метановыделения из разрабатываемых пластов в призабойном пространстве высокопроизводительной лавы недостаточно изучен, он в значительной степени обусловлен газоносностью и степенью искусственной (предварительной) и естественной (вследствие разгрузки от горного давления) дегазации массива угля, применяемой схемой проветривания лавы, интенсивностью добычи и остаточной газоносностью отбитого угля в лаве до момента его удаления за пределы участка [1].
Вспомним, что в шахте при отработке угольных пластов подземным способом для поддержания кровли в процессе эксплуатации используются поддерживающе-оградительные и оградительно-поддерживающие механизированные крепи очистных комплексов [2].
В известном способе монтаж и эксплуатация секций механизированной крепи двух типов включает доставку секции в собранном виде в монтажную камеру, разворот секции крепи относительно забоя и присоединение секции крепи к уже смонтированной секции, раскрытие секции крепи, для чего перекрытие поднимают вверх и заводят верхнюю часть наклоненных к забою гидростоек в посадочные места поддерживающего или ограждающего элементов (рисунки 1 и 2).
Основным недостатком известного способа монтажа и эксплуатации секций механизированной крепи является то, что все силы горного давления принимает на себя забой, и горное давление перераспределяется по штрекам с опережением по всему фронту лавы в процес-
1 - основание; 2 - четырехзвенник; 3 - ограждающий элемент; 4 - поддерживающий элемент; 5 - гидростойка;
6 - гидродомкрат передвижения; 7 - проставыш
Рисунок 1 - Раскрытие и эксплуатация поддерживающе-оградительной секции механизированной крепи известным
способом
се продвижения забоя до 40 м и более. Пласт угля сжимается, что приводит к вытеснению большого объема метана и создает взрывоопасные ситуации, а по забою происходит отслоение (отжим) угля, что также увеличивает опасность при производстве горных работ. Расположение элементов секции крепи таково, что силы горного давления действуют на рабочую часть лавы, а не на ее завальную часть. Гидростойки крепи наклонены к забою, что при передвижении секции крепи приводит к поломке домкрата коррекции и многого другого гидрооборудования, разрыву сварочных швов на поддерживающем и ограждающем элементах, а следовательно, к снижению срока эксплуатации очистного комплекса, нежелательному контакту поддерживающего элемента секции крепи с рабочим органом комбайна (шнеком) в верхней части забоя при подрезке угля. Для исключения нежелательного контакта для передвижки линейной секции лавного привода в известном способе используют проставыш между линейной секцией лавного привода и домкратом передвижки. Для оградительно-поддерживающего типа секции кре-
пи характерно то, что поддерживающий элемент опрокидывается при разгрузке секции. Для устранения этого недостатка используют дополнительный элемент («косынку» или «гусак») и гидропатроны, усложняя тем самым конструкцию секции крепи. Известная схема расположения секций крепи никак не влияет на формирование купола в завальной части лавы в процессе обрушения основной кровли. В известном способе монтажа и эксплуатации секции крепи не контролируется об-
рушение в завальной части лавы и низкая скорость движения секции крепи к забою при передвижке (рисунок 3).
Как повысить безопасность ведения горных работ, увеличить производительность труда и срок эксплуатации очистного комплекса?
Каким образом исключить нежелательный контакт рабочего органа очистного комбайна (шнека) с поддерживающим элементом
секции механизированной крепи, уменьшить суфлярное выделение метана?
Попробуем представить инновационную запатентованную технологию эксплуатации секций механизированной крепи, которая позволяет снять поставленные выше вопросы с помощью теоретической механики (глава «Кинематика твердого тела», раздел «Сферическое движение твердого тела» [3]). Согласно описанной в этом разделе теореме Ривальса ускорение любой точки твердого тела при сферическом движении равно геометрической сумме вращательного и осестремительного ускорений. Вспомним, что сферическим движением твердого тела называется такое движение, при котором одна точка остается неподвижной.
Рассмотрим сферическое движение твердого тела, где рабочая поверхность сферы - это поверхность, которая будет принимать на себя давление извне. Покажем это на рисунке 4 а, б.
Введем в рассмотрение две системы отсчета: подвижную Оху1, жестко связанную с твердым телом, и неподвижную Оху 111 с началом в неподвижной точке О. Линия О1 пересечения неподвижной плоскости \iOyi с подвижной хОу называется линией узлов (рисунок 5).
Положение тела, очевидно, однозначно определяется заданием трех независимых углов Эйлера: ф - собственного вращения; ¥- прецессии; в - нутации.
Уравнения сферического движения можно представить в виде углов Эйлера как функции времени:
Ф = ф(г); ¥ = ¥(г); в = в(г). (1)
Определим положение произвольной точки тела М относительно подвижной системы отсчета Оху1 радиусом-вектором (рисунок 6):
г=хТ + у[+гк. (2)
В процессе движения твердого тела координаты х, у, 1 остаются постоянными, а единичные векторы, оставаясь
постоянными по модулю, будут изменять свое направление. Тогда для скорости точки получим следующее выра-
жение:
V =г = хТ+уУ+ гк. (3)
Проекцию скорости на ось х можно записать в виде:
Ух = V-7 = хї- Г+уу-7+ гк-7. (4)
Из равенства 7 • 7= 1 следует і • і = 0, а из равенства і • ] = 0 следует ) • у + 7 • ] = 0, откуда у"1 7= -Т'У. Подставляя в выражение (4), получим:
Ух = гк-Т-уТ-у. (5)
Путем циклической перестановки находим остальные проекции:
Ц=хТ-у~гу-к; К =уу-к-хк-Т. (6)
Введем формально вектор )) с проекциями:
шх=У' к; шу = к • Т; ш2=1• /. (7)
Тогда проекции скорости на оси координат подвижной системы отсчета можно представить в виде:
Ух = Шуг-Шху; Уу = и^х-Шхг; Уг =оиху- Щх, (8)
а сам вектор скорости точки запишем следующим образом:
У = ШхГ. (9)
Таким образом, скорость точки определяем такой же формулой, что и в случае вращения твердого тела вокруг неподвижной оси. При этом введенный нами вектор Ш играет роль угловой скорости тела. Формулы (8) показывают, что проекции вектора Ш являются функциями времени, и поэтому вектор Ш, вообще говоря, будет менять со временем не только свою величину, но и ориентацию относительно тела. Поэтому Ш называется мгновенной угловой скоростью тела, а ось, вдоль которой он направлен в данный момент, - мгновенной осью вращения тела.
Уравнение мгновенной оси вращения можно найти как уравнение геометрического места точек, скорости которых в данный момент времени равны нулю.
Полагая в формулах (8)
Ух = Уу = VI = 0, получим:
о
А - У_= 1_
Шх Шу Шг'
Из формулы (10) следует, что мгновенная ось вращения есть прямая, проходящая через начало координат, то есть через неподвижную точку тела (рисунок 6).
Вектор скорости V направлен по касательной к окружности радиусом И по которой в данный момент точка вращается вместе с телом вокруг мгновенной оси вращения О (рисунок 6). Величину скорости определяем по формуле:
V =ат sin а= а h,-
(11)
В процессе движения твердого тела положение мгновенной оси вращения непрерывно меняется, и она описывает коническую поверхность с вершиной в точке О.
Геометрическое место последовательных положений мгновенной оси вращения называется аксоидом (соответственно подвижным и неподвижным относительно подвижной и неподвижной систем отсчета).
Точки тела, лежащие на мгновенной оси вращения, не имеют скорости. Вращение же тела вокруг этой оси вызывает и вращение подвижного аксоида. Поэтому сферическое движение тела можно представить как качение без скольжения подвижного аксоида по неподвижному.
По аналогии с вращательным движением угловое ускорение при сферическом движении определяем по формуле:
£ = Ш.
(12)
При сферическом движении меняется не только модуль, но и направление угловой скорости. Поэтому из формулы (12) следует, что прямые, вдоль которых направлены векторы Ш и £ , различны (рисунок 7). Прямая ОЕ, по которой направлен вектор £, называется осью углового ускорения.
Откладывая от неподвижной точки
О векторы Ш, соответствующие ряду последовательных моментов времени, и соединяя концы этих векторов, получим годограф вектора угловой скорости (рисунок 7).
По этой схеме сконструирован ковш экскаватора, где рабочая поверхность - внутренняя часть сферы (рисунок 8 а, б).
Годографом будет сам ковш экскаватора, аксоидом - домкрат со стрелой, где домкрат зафиксирован на внутренней поверхности годографа (рисунок 8 а) и на наружной поверхности годографа (рисунок 8 б). На данном этапе в лавах шахт работают секции крепи по этой же схеме (рисунок 9 а, б), где годографом будут поддерживающие, оградительные элементы секции крепи и четырехзвенники, а аксои-
дом - гидростойки. Эта схема недопустима, так как здесь должна быть рабочая поверхность сферы
- наружная (рисунок 4 б), которая бы ограждала от обрушения пород кровли в лаве и позволяла работать в призабойном пространстве горно-выемочным механизмам, таким как комбайн и лавный привод, а также не изменяла бы расчетных норм эксплуатации аэрогазового режима шахты и способствовала безопасному нахождению человека в этой среде.
Скорость точки, описывающей годограф, равна:
й=бй=Т. (13)
По теореме Ривальса - ускорение любой точки твердого тела при сферическом движении равно геометрической сумме вращательного и осестремительного ускорений. Таким образом, определим положение любой точки М твердого тела радиусом-вектором Т (рисунок 10).
Тогда скорость точки согласно формуле (9) равна:
Рисунок 9 - Секции механизированной крепи
а ускорение
Г=ШхГ,
1= V =Іо - г+ со ї =£ хТ+£о х V = а7+ ац
(14)
(15)
где Эе - вращательное ускорение;
3 ш- осестремительное ускорение.
Величины ускорений Эе и а. определяем по формулам:
аЕ = ЄГ8ІП(£, 7") = ЕІ1 Е ;
аш = шУ вігі (й), У)=ш\/=ш2 Ип.
(16)
Векторы аЕ и аш не перпендикулярны друг к другу, поэтому модуль полного ускорения точки определим как длину диагонали параллелограмма, построенного на этих векторах, по формуле:
(17)
Из формулы (17), как частный случай, следует формула для определения модуля полного ускорения точки при вращении твердого тела вокруг неподвижной оси. Действительно, ПОЛОЖИВ И = И = К, СОЭ(
1*1=
£г + КО2.
; = 0, получим
Рассмотрим общий случай движения свободного твердого тела, то есть тела, имеющего шесть степеней свободы. По аналогии с плоскопараллельным движением можно показать, что в общем случае движение можно разложить на два: поступательное вместе с полюсом и сферическое вокруг полюса.
Тогда уравнение движения представим в виде совокупности уравнений поступательного движения (уравнения движения полюса А) и сферического движения (углы Эйлера ф, ¥, в как функции времени):
ХА = Хл(0’' Уа = Уа®>'
2 А = 2а(1); ф= ф(1);
¥ = ¥(г) ; в= в(г), (18)
а скорость V и ускорение а любой точки тела запишем, соответственно, в следующем виде:
¥ = Уа+ш* Г; а=аА+гх ? +сох 57 х г = аА +Л, +а
(19)
(20)
П/
Рисунок 11 - Эксплуатация секции механизированной крепи согласно теореме Ривальса
Рисунок 12 - Раскрытие и эксплуатация поддерживающе-оградительной секции механизированной крепи инновационным способом
где 1?д, аА - соответственно, скорость и ускорение полюса А;
Ш, £ - соответственно, угловая скорость и угловое ускорение при сферическом движении относительно полюса;
- соответственно, вращательное и осестремительное ускорения;
г - радиус-вектор точки относительно полюса А.
Можно также показать, что угловая скорость Ш и угловое ускорение £ свободного твердого тела являются свободными векторами, то есть сферическое движение не зависит от выбора полюса.
Применительно к инновационному способу монтажа и эксплуатации механизированной секции крепи теорема Ривальса неопровержимо доказывает работоспособность нового способа (рисунок 11).
В представленном инновационном способе монтажа секции крепи подвижным аксоидом является гидростойка, а неподвижным и скользящим - основание секции крепи. Точки тела, лежащие на мгновенной оси вращения, не имеют скорости. Вращение же тела вокруг этой оси вызывает и вращение подвижного аксоида. Поэтому сферическое движение тела можно представить как качение без скольжения подвижного аксоида по неподвижному. Напомним, что секция крепи (рисунки 12 и 2) состоит из основания 1, четырехзвенника 2, соединенных между собой, ограждающего 3 и поддерживающего 4 элементов, гидростоек 5, гидродомкрата передвижения 6. Все эти элементы секции крепи представляют собой многозвенный механизм, который в новом (инновационном) способе взводят в процессе рас-
крытия секции крепи.
Годографом в новом способе будет являться поддерживающий элемент 4, ограждающий элемент 3 и четырехзвенник 2 секции крепи, подвижным аксоидом - гидростойки 5 секции крепи, неподвижным и скользящим аксоидом - основание
1 секции крепи и линейная секция лавного привода, скользящие по прямой ОЕ (рисунки 12 и 13).
На этой прямой расположен домкрат передвижения 6 секции крепи
и линейная секция лавного привода. Исходя из этого, подвижный аксоид берет начало в точке О. В этой точке домкрат передвижения 6 секции крепи соединен с линейной секцией лавного привода. Как только скользящий аксоид - основание секции крепи остановился в точке
О, домкрат передвижки сократился, скользящий аксоид стал неподвижным. В процессе передвижения секции крепи подвижный аксоид (гидростойки) и годограф (поддер-
живающий и ограждающий элементы) расклинит в кровлю, произойдет распирание секции крепи.
В процессе эксплуатации секции механизированной крепи, когда все секции механизированной крепи полностью зарядили в монтажной камере (каждую секцию механизированной крепи взвели поддерживающе-оградительного или оградительно-поддерживающего типа), и при отработке угольного пласта механизированным комплексом при передвижке секции крепи к забою в первую очередь сокращают гидростойки, при этом завальная часть ограждающего элемента с четырехзвенником опускается, и угол между ними сокращается. Забойная часть поддерживающего элемента не теряет контакта с кровлей. После передвижки секции крепи к забою штоки гидростойки выдвигают, секцию распирают и поддерживающий элемент имеет полный контакт с кровлей лавы, при этом мощность лавы (это высота по забою) будет одинакова с мощностью по завалу за гидростойками в завальной части секции крепи.
Если в процессе эксплуатации лавы пласт угля потерял свою мощность, то в этом случае управляют домкратом коррекции: домкрат коррекции выдвигают, и секция будет удлиняться по завалу. При распоре секции крепи домкрат коррекции будет оставаться в том положении, в каком его выдвинули, и гидростойки не будут его рвать. Завальная часть основания секции крепи не будет задираться, а будет иметь полный контакт с почвой лавы.
Произошел повторный взвод многозвенного механизма. Секция крепи опять находится во взведенном состоянии и готова к передвижке.
Так происходит, пока не закончит-
ся столб лавы. Затем комплекс заводят в демонтажную камеру, а секции крепи будут оставаться во
взведенном состоянии, пока ее не демонтируют в транспортное положение.
в с
Рисунок 15 - Силовой треугольник и граница горного давления
Как будут принимать на себя нагрузку горного давления секции механизированной крепи в лаве?
Поддерживающе-оградительные секции могут быть однорядные (секции, которые имеют две гидростойки) или двухрядные (секции, которые имеют четыре гидростойки).
На рисунке 14 показаны однорядные секции крепи. Ряд гидростоек четко разграничивает лаву на завальную и рабочую зоны. Гидростойки и поддерживающий элемент согласно теореме Ривальса никогда не будут перпендикулярны друг относительно друга и не наклонятся на забой лавы. В верхней части забоя при подрезке угля не будет контакта между поддерживающим элементом секции механизированной крепи с рабочим органом комбайна (шнеком) и не будет необходимости в установке проставыша 7 (рисунок 1).
В процессе эксплуатации лавы при обрушении породы горное давление будет принимать на себя силовой треугольник ВАС (рисунок 15), образованный силой давления гидростоек (сторона ВА этого треугольника), силой Q горного давления (сторона АС) и почвой лавы (сторона ВС).
Такой силовой треугольник образуется в каждой секции крепи. Вершины силовых треугольников секций крепи, установленных в лаве в ряд, образуют линию АД, которая является границей горного давления.
Горное давление будет принимать на себя не забой, а этот треугольник ВАС, и держать на границе горного давления в кровле лавы выше перекрытия на расстоянии Н, равном от 2,5 до 10 м в зависимости от мощности пласта (рисунок 15).
Контроль обрушения в завальной части лавы, сопротивление образующегося силового треугольника положительно сказываются на безопасности труда. При этом купол формируют за счет давления гидростоек и действия силового треугольника крепи, а не за счет продвижения забоя, как в известном способе. Инновационный способ исключает контакт рабочего органа комбайна с поддерживающим элементом секции механизированной крепи. В новом способе горное давление, воздействуя на завальную часть крепи при передвижке к забою, увеличивает скорость движения секции механизированной крепи, а правильное распределение нагрузок в сварочных швах и в посадочных местах перекрытия увеличивает срок эксплуатации комплекса.
В инновационном способе работы секций механизированной крепи подрезку угля можно вести как обычным способом (односторонне), так и челночным способом.
Выемочные работы, подрезка угля комбайном по новому инновационному способу будут вестись в целике; отрабатываемый пласт угля не будет принимать давление в забойной части лавы. Опережение горного давления по штрекам исключается, так как граница горного давления находится на линии вершин силовых треугольников. Это позволяет повысить производительность труда.
Новый способ может быть использован для поддерживающе-оградительного и оградительно-поддерживающего типов механизированной крепи.
Применение инновационной схемы монтажа и эксплуатации двух видов секций крепи может решить многие существующие проблемы в производственно-технологическом процессе работы шахт.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Рубан, А.Д. Особенности дегазации угольных пластов на шахтах с высокой производительностью очистных забоев /
A.Д. Рубан, В.С. Забурдяев, В.Б. Артемьев //Безопасность труда в промышленности. -2009. - № 9.-С.16-21.
2 Яцких, В.Г Горные машины и комплексы: учебник для техникумов; под ред. В.Г. Яцких; 5-е изд. перераб. и доп. /
B.Г Яцких, Л.А. Спектор, А.Г Кучерявый. -М.: Недра, 1984. - 400 с.
3 Хямяляйнен, В.А. Теоретическая механика: учебное пособие / В.А.Хямяляйнен, РФ. Гордиенко, Н.А. Ведяшкина. -Кемерово: КузГТУ, 2001. - 350 с.
INNOVATIVE APPROACH TO ISSUES OF POWERED SUPPORT Буялич
SECTIONS ASSEMBLY AND OPERATION ГеннадийДаниилович
G.D. Buyalich, V.M. Tarasov, N.I. Tarasova
Innovative approach to the assembly and exploitation of the powered Тарасов
support sections is described which: fundamentally change powered Владимир Михайлович
support sections operation; allows for a rock pressure redistribution from e-mail: indsafety@yandex.ru
a coal seam into a logjam part of the longwall; decreasing uncontrolled
caving of coal and coal and gas outbursts into a bottom hole part of Тарасова
the longwall; significantly increases mining work safety; reduces the Нина Ивановна
likelihood of the working body (screw) contact with a supporting element e-mail: indsafety@yandex.ru
of a powered support section; increases advancing speed and labor
productivity; increases the life of a powered support section; reduces the
cost of 1 ton of produced solid fossil; contributes to a significant increase
in mineral extraction.
Key words: INNOVATIVE, APPROACH, MINE, WORKING, SECTION,
POWERED, SUPPORT, EFFECTIVENESS, SAFETY, LABOR,
COMPETITIVENESS
