CC BY
51
© Е.П. Брагин, 2006
УДК 622.272 Е.П. Брагин
ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ С СИСТЕМОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
ировой опыт свидетельствует о безусловной целесообразности оснащения всех очистных забоев системами автоматизированного управления механизированными комплексами, обеспечивающего существенное повышение эффективности подземной разработки угольных месторождений.
Международное признание получила разработанная в Германии компьютерная система автоматизированного уп-равления процессами добычи угля фир-мы «Marko Systemanalyse und Entwicklung GmbH» [1,2], обеспечивающая эффективную работу очистных забоев на шахтах Германии, США, Польши, Китая. Добыча из лавы длиной 300 м достигает 20 тыс. т угля в сутки.
Получен положительный опыт использования на шахте «Казахстанская» в Караганде стругового комплекса германской фирмы ДБТ с компьютерной системой автоматизации [3].
На шахтах России успешно используется система автоматизированного управления механизированными крепями очистных забойных комплексов САУК 13 8М, разработанная и поставляемая ООО «Ильма» [4]. Система основана на программируемой цифровой импортной микропроцессорной элементной базе, в конструкции и возможностях системы учтен положительный отечественный и зарубежный опыт.
Основными достоинствами систем автоматизации разработчики считают точ-
ность выполнения технологических процессов в лаве, повышение машинного времени, быстроту, с которой технологические процессы выполняются (скорость движения комбайна до 25 м/мин и цикл крепления 10 секунд на секцию).
Расположенная в лаве компьютерная система электропитания и управления обеспечивает реализацию стандартного или заданного алгоритма работы крепи.
Создание и использование систем автоматизированного управления механизированными крепями и другим оборудованием механизированных комплексов, безусловно, крупный шаг к выводу средств комплексной механизации очистных забоев на новый, более высокий научно-технический уровень. И, что особенно важно, крупный шаг к применению технологии без постоянного присутствия людей в очистных забоях.
Ранее было показано, что подземная разработка угля осуществляется при взаимодействии технологии, как искусственной управляемой большой системы и условий среды, как сложной вероятностной системы [5]. При этом средства автоматизации могут обеспечить высокий эффект лишь в случаях оснащения ими механизированных комплексов, и в особенности механизированных крепей, в полной мере соответствующих по своим характеристикам горно-геологическим и горнотехническим условиям конкретного очистного забоя.
Рис. 1. Обрушение угольного забоя за комбайном
В практике нередки слу-
чаи, когда неполное соответствие примененного оборудования, особенно механизированных крепей, конкретным условиям по запасу податливости, удельному давлению на кровлю и почву, начальному сопротивлению, несущей способности и другим факторам приводит к вдавливанию опорных элементов в слабые породы, перегрузке крепей и посадке их на жесткую базу.
Следствием неполного соответствия конкретным условиям параметров механизированных крепей и алгоритма работы всего оборудования очистного забоя могут стать нарушения устойчивости кровли и пласта, обрушения пород кровли и угольного забоя. Первоначально, казалось бы незначительные, как показано на фотографии (рис. 1), нарушения могут быстро развиваться и в течение технологического цикла привести забой в аварийное состояние. В таких случаях практические результаты работы лав с автоматизированным управлением, даже весьма совершенным, могут значительно различаться.
Современные методы исследования, возможности компьютерного моделирования технологических процессов в очистном забое с конкретным оборудованием и имеющиеся программы позволяют последовательно осуществлять ряд дополнительных мер, обеспечивающих оптимизацию технических решений, дальнейшее повышение эффективности применения средств автоматизации при взаимодействии технологии и горных условий.
1. Вероятно, до монтажа лавы и принятия решения о поставке (до заказа) средств автоматизированного управления для
конкретного очистного забоя, целесообразно произвести выбор рациональных комплексов для заданных условий по основным техническим факторам. Порядок выбора рациональных типов механизированных крепей для конкретного очистного забоя, применяемые метод и программы для ПЭВМ были предложены и подробно рассмотрены ранее [5].
Отбор и экспертиза обычно показывают, что соответствующими условиям по техническим факторам оказываются несколько типов комплексов и крепей.
2. По каждому из предварительно отобранных комплексов с использованием имеющихся программ МКЭ определяется НДС массива, устойчивость контура очистного забоя при стандартной технологии (совокупности процессов, способов и средств), выбирается лучшее техническое решение (лучший комплекс) по минимуму деформаций, обеспечению устойчивости пласта и вмещающих пород.
3. Если уже принято решение или уже смонтировано оборудование, должна быть осуществлена, возможно по заказу через Интернет, экспертная оценка соответствия принятых комплексов условиям.
4. Проводится определение оптимальной технологии, обоснование рационального алгоритма работы (комбайн или
Рис. 2. Диаграммы сопротивления гидростоек секции механизированной крепи в производственных условиях (по горизонтальной оси - время в мин)
струг, глубина стружки, величина распора крепи, рабочее сопротивление, форма угольного забоя, продолжительность цикла, скорость подвигания и др). Оптимизация технологии осуществляется по многоцелевым критериям. Например - по максимальной производительности при сохранении устойчивости забоя (при деформациях, не превышающих предельно допус-тимых величин). Отставание крепи на стружку и более при большой скорости струга (комбайна), изменение формы краевой части пласта или увеличение захвата выемочной машины не должны приводить к обрушению пород и угля.
Значительная часть таких задач в прошлом решалась [6]. В качестве иллюстрации этого могут быть рассмотрены два примера.
Замеры давления в гидростойках механизированных крепей в шахтных условиям с помощью самопишущих манометров М72 показывают, что развитие сопротивления гидростоек за время технологического цикла в процессе их нагружения опускающимися породами кровли происходит в режиме нарастания от уровня первоначального распора до срабатывания предохранительных клапанов (рис. 2).
Из диаграмм видно, что формирование нагрузки, выполняемая гидростойкой суммарная работа и время цикла крепления в значительной степени зависят от уровня первоначального распора крепи. Естественно, что при этом устойчивость вмещающих пород, величина опускания кровли также существенно зависят от уровня начального распора.
Для определения влияния уровня первоначального распора механизированных крепей М130 и «Пиома» на конвергенцию пород в заданных горно-геологических
условиях выполнялись специальные расчеты. Определялись изменения реакции крепей и конвергенции вмещающих пород в очистных забоях во времени при разных уровнях первоначального распора и работе крепей в режиме нарастающего сопротивления.
Статистическая обработка результатов расчетов показывает, что связь между сопротивлением крепи, ее первоначальным распором, конверген-цией пород и временем нагружения может быть описана выражениями:
Р = (10,9Р00,491 -16,2X0,40770229 + 0,398), МПа;
Р =■
Рп
0,346 + 0,00696Р0
, МПа;
ДЛ = (3,0370327 + 5,68)0,185/~0'0407Ро + +0,909), мм
ДЛ1 = (28,5/016 - 24)(1,48 - 0,37/дР0), мм,
где Р и Р1 - сопротивление крепей соответственно М130 и «Пиома»; ДЛ и ДЛ1 - конвергенция пород в очистных забоях с этими крепями; Р0 - первоначальный
распор крепи, МПа; 7 - время нагруже-ния крепи, мин.
За период технологического цикла уровню сопротивления стоек в каждый момент времени соответствуют определенные показатели конвергенции пород в
забое. Для принятых условий оптимальным уровнем первоначального распора для крепи М130 является 14,9 МПа (около 30 % рабочего сопротивления). Уменьшение первоначального распора ниже этой величины приводит к значительному росту конвергенции пород в забое и снижению устойчивости контура очистного забоя. Увеличение первоначального распора свыше 30 %, как показывают расчеты, не приводит к существенному снижению конвергенции пород в очистном забое и повышению устойчивости угольного забоя.
Для крепи «Пиома» оптимальный уровень первоначального распора в данных условиях составляет 20,93 МПа (около 40 % рабочего сопротивления). При уменьшении первоначального распора конвергенция значительно возрастает.
Результаты выполненных расчетов ставят под сомнение необходимость повсеместного применения высокого уровня первоначального распора механизированных крепей. В конкретных условиях, определяемых физико-механической характеристикой массива и типом крепи, оптимальный уровень первоначального распора может определяться на основе компьютерного моделирования силового взаимодействия механизированной крепи с боковыми породами.
Анализ структуры работы механизированной крепи в шахтных условиях показывает, что продолжительность распора секции составляет в разных условиях 1832 % общей продолжительности технологического цикла крепления. При использовании систем автоматизированного управления механизированной крепью в ряде случаев снижение начального распора крепи до оптимального уровня может
иметь положительное значение при формировании алгоритма работы в очистном забое взаимосвязанных элементов механизированного комплекса, позволить упростить и уменьшить цикл крепления, повысить общую эффективность работы очистного забоя.
Наблюдения за работой очистных забоев в производственных условиях, а также результаты исследований показывают, что на состояние очистного забоя и в частности на устойчивость краевой зоны пласта может существенно влиять также изменение ее формы.
С целью анализа влияния формы и размеров элементов краевой части пласта на его устойчивость проводились специальные расчеты для наиболее типичных лав на пластах средней мощности с вертикальным и наклонным забоями, с уступами и щелью разной глубины, при наличии в призабойной части пласта нарушенных зон. Принималось, что механизированные крепи функционируют в режиме нарастающего сопротивления, уровень первоначального распора соответствует реальным условиям. Определялись напряжения в кровле, перемещения и деформации забоя, опускания кровли, конвергенция вмещающих пород.
Расчеты показывают, что наибольшее влияние на устойчивость контура забоя оказывают горизонтальные деформации забоя.
На рис. 3 приводятся результаты расчетов горизонтальных деформаций растяжения (по горизонтальной оси, в %), в очистных забоях с вынимаемой мощностью 4 м при разной форме краевой зоны.
Наиболее неблагоприятные условия по величине деформаций в нижней части создаются в вертикальных забоях (варианты 1 и 7). Максимальные деформации в нижней части приводят к отжиму угля по всей высоте забоя. В уступных забоях с разной высотой уступов деформации в нижней части уменьшаются по сравнению с вертикальным забоем в 1,23 и 1,6 раза.
Рис. 3. Горизонтальные деформации для мощности 4,0 м при различной форме забоев
При забоях с уступом и щелью по мере увеличении их глубины горизонтальные деформации существенно уменьшаются. Это объясняется, вероятно, разгрузкой (отсутствием давления кровли) в краевой части пласта ниже уступа или щели. С целью практического использования этого эффекта высоту нижнего уступа или положения щели целесообразно увеличивать.
В верхней части забоя (над уступом или щелью) картина меняется. При уступном забое, вследствие перераспре-
деления напряжений и наличия давления на краевую часть как со стороны кровли, так и почвы, горизонтальные деформации в верхней части имеют максимальные значения, причем увеличение глубины уступа приводит к их возрастанию. Однако эти деформации, особенно при малой высоте верхнего уступа, даже при их максимальной величине не приводят к падению отслоившегося угля, удерживающегося на уступе и забой оказывается менее травмоопасным, что находит подтверждение и в практике.
Комбинированная (почво-потолко-уступной) форма забоя (вариант 5) применяется в технологии отработки мощных (до 5 м) пластов с механизированной крепью 2УКП5, при которой первоначально комбайном осуществляется выемка средней части забоя на высоту до 4,2 м с оставлением уступов в кровле и почве, затем верхний уступ мощностью до 0,8 м отбивается выдвижным скалывателем механизированной крепи. Часть времени технологического цикла забой имеет комбинированную форму. В нижней и средней
частях такого забоя деформации формируются аналогично почвоуступной форме, в верхней части, не имеющей опоры, деформации имеют минимальную величину. В целом комбинированная форма забоя наиболее близка к перспективной вогнутой и естественной устойчивой форме, образующейся при отжиме в производственных условиях.
Потолкоуступная форма может иметь место при использовании крепи 2УКП5 без оставления нижнего уступа.
Приведенные примеры и выполненные расчеты показывают возможность выбора для конкретного очистного забоя элементов технологии, отдельных параметров и основных технологических функций оборудования, в наибольшей степени соответствующих горно-геологическим условиям и исходным характеристикам оборудования, в том числе механизированной крепи.
В условиях непрерывного совершенствования технологии, разработки и все более широкого внедрения и развития средств и систем автоматизации в очистных забоях, постепенного перехода к вы-
1. Dipl.-Ing. Andreas Brabeck, Essen. Marco: Steuerungstechnik bietet Potential fur weitere Leistungssteigerungen. Gluckuuf 133 (1997) Nr. 7/8
2. Векслер Ю.А., Ройтер М, Куч Ш. Перспективы автоматизационного управления процессами добычи угля. «Уголь», №5, 2002.
3. Презент Г., Цимерман К., Баймухаме-тов С., Миронов М., Котляр Я., Грюнин С., Соболев В. Струговая установка фирмы ДБТ (Германия) в Караганде. Первые результаты. «Уголь» №4, 2002.
емке угля без постоянного присутствия людей в очистных забоях это может обеспечить дальнейший существенный рост эффективности и безопасности подземных горных работ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. ООО «Ильма». Системы автоматизированного управления крепями (горно-шахтное оборудование). http://www.nppilma.narod.ru/
5. Брагин Е.П. К вопросу об устойчивости угольного забоя и вмещающих пород при очистной выемке пласта. МГГУ, ГИАБ № 3, 2004, с 103-106.
6. Брагин Е.П. Обоснование и разработка технологических решений, обеспечивающих повышение устойчивости вмещающих пород и угольного забоя при очистной выемке. Автореферат дисс. на соиск. уч. степени д.т.н., Москва, 1988.
— Коротко об авторах -
Брагин Е.П. - чл.-корр. РАЕН, доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет.
- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
СЕРДЮК Николай Иванович Совершенствование технологии кавита-ционного декольматажа фильтровой области гидрогеологических скважин 25.00.14 д.т.н.
