CC BY
15
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2022;(6):46-61 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.23.05 DOI: 10.25018/0236_1493_2022_6_0_46
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СЕКЦИЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ ОЧИСТНОГО КОМПЛЕКСА, АДАПТИВНАЯ К УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Д.А. Задков1, В.В. Габов1, Н.В. Бабырь1, А.В. Стебнев2, В.А. Теремецкая1
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия, e-mail: dzadkov@yandex.ru 2 АО СУЭК-Кузбасс, Ленинск-Кузнецкий, Россия
Аннотация: Рассмотрено снижение негативного влияния процесса «топтания кровли» на состояние пород непосредственной кровли и на устойчивость процесса добычи угля в комплексно-механизированных очистных забоях шахт. На основе теории горного давления и особенностей процесса силового взаимодействия секций механизированной крепи с породами кровли проведен анализ режимов работы секции механизированной крепи МКЮ.2Ш-13/27 в условиях шахты имени А.Д. Рубана АО «СУЭК-Кузбасс». Предложен энергетический принцип непрерывного управления горным давлением в комплексно-механизированном очистном забое регулированием объема перепускаемой рабочей жидкости из поршневых полостей гидростоек секций механизированной крепи в напорную магистраль гидросистемы очистного механизированного комплекса в процессе опускания пород кровли. Обоснованы параметры секции механизированной крепи с блоком безымпульсного регулирования ее сопротивления опусканию пород кровли. Предложена структура адаптивной секции механизированной крепи с телескопическими основанием и перекрытием, которая конструктивно выполнена в виде посадочной и забойной ступеней с возможностью их независимой и согласованной телескопической раздвижки. При этом наличие опорной и направляющей балок в предлагаемой секции крепи обеспечивает при ее передвижении неподвижный силовой контакт ее опорных элементов с кровлей, повышенный подпор и снижение при использовании скользящих подшипниковых опор, сопротивление передвижению секции крепи.
Ключевые слова: уголь, добыча, очистной забой, горное давление, очистной комплекс, секция механизированной крепи, гидростойка, адаптивность, энергоэффективность.
Благодарность: Исследование выполнено за счет субсидии на выполнение государственного задания в сфере научной деятельности на 2021 г. № FSRW-2020-0014.
Для цитирования: Задков Д. А., Габов В. В., Бабырь Н. В., Стебнев А. В., Теремецкая В. А. Энергоэффективная секция механизированной крепи очистного комплекса, адаптивная к условиям эксплуатации // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. -№ 6. - С. 46-61. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_6_0_46.
Adaptable and energy-efficient powered roof support unit
D.A. Zadkov1, V.V. Gabov1, N.V. Babyr1, A.V. Stebnev2, V.A. Teremetskaya1
1 Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia, e-mail: dzadkov@yandex.ru 2 JSC SUEK-Kuzbass, Leninsk-Kuznetskiy, Russia
© Д.А. Задков, В.В.Габов, Н.В. Бабырь, А.В. Стебнев, В.А. Теремецкая. 2022.
Abstract: The article addresses an acute problem connected with mitigation of impact exerted by a 'hovering' roof on the immediate roof behavior and on the coal cutting sustainability in the fully mechanized longwall mining technology. Using the theory of overburden pressure and features of force interaction between powered roof support units and roof rocks, the duty of MKYU.2SH-13/27 powered roof support unit in Ruban Mine of SUEK-Kuzbass is analyzed. It is proposed to use an energy-based principle of ground control in a fully mechanized longwall, which means adjustment of volume of power fluid by-pass from head ends of hydraulic props of powered support units to the pressure line of the hydraulic system of the fully mechanized longwall mining system during subsidence of roof rocks. The parameters of the powered support unit with a pulse-free control of the roof rock subsidence resistance are substantiated. The proposed structure of an adaptable powered roof support unit with telescopic footing and canopy consists of a bearing stage and a face stage which are independently and concordantly telescopically expandable. The support and guide beams available in this unit structure ensure immobile force contact between the bearing components of the unit and roof rocks when the unit is advanced, as well as enhanced prop and decreased resistance to movement of the powered roof support unit when it is equipped with sliding bearing supports. Key words: coal, mining, longwall, overburden pressure, longwall mining system, powered roof support unit, hydraulic prop, adaptability, energy efficiency.
Acknowledgements: The study was supported under the state contract in the sphere of scientific activities in 2021, RN SRW-2020-0014.
For citation: Zadkov D. A., Gabov V. V., Babyr N. V., Stebnev A. V., Teremetskaya V. A. Adaptable and energy-efficient powered roof support unit. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022; (6):46-61. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_6_0_46.
Введение
Мировая энергетическая система, несмотря на продолжающиеся структурные преобразования, все еще базируется на органическом топливе. Изменения на этом рынке ожидаются в связи с разработкой мероприятий по защите окружающей среды, что привело к динамичному развитию нетрадиционных источников энергии. Однако количество энергии, получаемой из нетрадиционных источников, недостаточно для покрытия огромного и постоянно растущего спроса на энергию. Это означает, что во многих странах получение энергии по-прежнему осуществляется, и в обозримом будущем будет осуществляться, из традиционных источников энергии, включая каменный уголь. По оценкам
отечественных и зарубежных экспертов, через несколько десятков лет уголь останется единственным надежным по объему запасов, возможностям добычи и эффективности переработки горючим полезным ископаемым [1, 2]. Подземная добыча угля является наиболее распространенным и устойчивым способом получения этого сырья.
На рынках энергетического сырья отмечается активная конкуренция, заставляющая горнодобывающие компании стремиться к снижению производственных затрат. Одним из способов достижения этой цели является повышение интенсивности процесса добычи повышением мощности и производительности машин и оборудования очистных механизированных забоев.
Рис. 1. Выкопировка из плана ведения горных работ по пласту Надбайкаимский шахты имени А.Д. Рубана АО «СУЭК-Кузбасс» Fig. 1. Duplicate mining plan for Nadbaikaim seam in Ruban Mine of SUEK-Kuzbass
Горно-геологические и технологические характеристики выемочного столба лавы № 1208, пласт Надбайкаимский Geological and geotechnical characteristics oflongwall 1208, Nadbaikaim seam
Выемочный столб, пласт Глубина разработки, м Мощность пласта, м Крепость по шкале М.М. Прото-дьяконова Кровля
ложная непосредственная основная
мощность, м прочность, МПа мощность, м прочность, МПа мощность, м прочность, МПа
1208, Надбайкаимский 118-241 2,0-2,35 0,9-1,2 алевролит 0,12-0,68 10-20 6 алевролит 2,7-10,7 алевролит/песчаник 9,65-36,70 35-60
Одним из основных поставщиков угля в России является АО «СУЭК-Куз-басс», которое благодаря принятой стратегии интенсификации горных работ [3 — 5] смогло достичь существенного роста нагрузок на очистные забои при окращении их количества. Однако следует отметить, что потенциальные возможности применяемых очистных механизированных комплексов по производительности существенно превышают достигаемый рост интенсивности добычи в условиях эксплуатации. Отставание интенсивности процессов добычи угля очистными механизированными комплексами от технически обоснованного уровня остается весьма значимым для добывающих предприятий, как и упущенные возможности в наращивании объемов добычи [6—8].
Неустойчивость процессов добычи угля в комплексно-механизированных очистных забоях и отклонение режима от рационального объясняется объективными причинами: сложными горногеологическими условиями, в которых эксплуатируются комплексы, техническим состоянием машин, оборудования и систем очистных комплексов и многими другими причинами, которые относятся к традиционно рассматриваемым и учитываемым в практике горного производства. Такие выводы локализуют направленность принимаемых позитивных стратегий развития процессов в комплексно-механизированных очистных забоях в сторону развития очистных механизированных комплексов, их структурных элементов и систем. При этом не акцентируется внимание на необходимости развития свойств адаптивности секций механизированной крепи очистных механизированных комплексов к диапазону изменчивости горно-геологических условий по мере отработки выемочных участков, которые должны обеспечивать их устойчивую в рацио-
нальных режимах работу в заданных условиях эксплуатации [9, 10]. Следовательно, изменение интенсивности процесса добычи по мере отработки запасов можно объяснить и недостаточной адаптивностью применяемых современных высоко энерговооруженных очистных механизированных комплексов к изменяющимся в широком диапазоне горно-геологическим условиям.
Существенная роль в плане общей адаптации очистных механизированных комплексов к условиям эксплуатации принадлежит именно механизированной крепи [11 — 13]. Общие требования к механизированной крепи в рассматриваемом аспекте (к особенностям ее структуры, кинематики и конструктивного исполнения) неизбежно переносятся на секцию механизированной крепи, являющуюся ее основным структурным элементом [14, 15].
Таким образом, механизированные крепи должны быть адаптивными к переменным горно-геологическим условиям эксплуатации и обеспечивать устойчивую работу очистных механизированных комплексов в рациональных режимах.
Анализ ситуации
и метод исследования
Рассмотрим диапазон изменчивости типичных горно-геологических условий по мере отработки запасов выемочных участков на примере шахты имени А.Д. Рубана АО «СУЭК-Кузбасс». В пределах лавы № 1208 данной шахты ведется отработка пласта «Надбай-каимский», мощность которого изменяется в интервале от 2,00 до 2,35 м при средней — 2,15 м. Пласт имеет преимущественно простое строение и состоит из одной угольной пачки. Глубина отработки пласта составляет от 118 до 241 м от поверхности. Состав пород кровли представлен в таблице.
Пласт с глубины 220 м относится к угрожаемым по горным ударам, к опасным по взрывчатости угольной пыли и склонным к самовозгоранию. Повсеместно присутствует ложная кровля пласта и неустойчивая непосредственная кровля, суммарная мощность которых составляет 0,5 — 2,5 м. При ведении горных работ наблюдаются вывалообразо-вания.
Непосредственная кровля пласта представлена мелко- и крупнозернистыми трещиноватыми алевролитами мощностью от 2,7 до 10,7 м и отнесена к средне-устойчивой. В толще алевролитов залегают прослои аргиллитов мощностью 6,0-8,4 м. В кровле присутствуют зоны наведенной трещиноватости от отработки нижележащего пласта «Байкаимский».
Основная кровля, отнесенная к сред-необрушаемым, сложена песчаником мелкозернистым и алевролитом мощностью 9,65 — 36,70 м. План ведения горных работ по пласту «Надбайкаимский» с указанием опасных зон и зон повышенного горного давления представлен на рис. 1, с. 48.
В пределах поля шахты имени А.Д. Рубана АО «СУЭК-Кузбасс» выявлены следующие осложняющие факторы:
• опасность отрабатываемого пласта по горным ударам;
• наличие зон повышенного горного давления от пласта «Байкаимский»;
• опасные зоны у технических скважин;
• влияние зон повышенного горного давления, в которых наблюдается снижение устойчивости непосредственной и основной кровли вследствие повышенной напряженности массива;
• обрушение пород ложной и неустойчивой непосредственной кровли в результате уменьшения мощности непосредственной кровли до 1,5 м.
Таким образом, сложность и многофакторность процесса добычи обуслов-
лены сложностью горно-геологических условий, которые отражены на планах ведения горных работ (рис. 1).
В состав основного оборудования очистного забоя лавы № 1208 входит механизированная крепь МКЮ.2Ш-13/27. На эффективность функционирования механизированной крепи в реальных условиях эксплуатации влияют следующие основные факторы [16 — 18]: характер силовых циклических взаимодействий секции механизированной крепи с непосредственной кровлей; технический уровень совершенства и степень адаптивности секций механизированной крепи к переменным горно-геологическим условиям, техническое состояние гидросистемы механизированной крепи.
В настоящее время в очистных забоях угольных шахт, оснащенных механизированными очистными комплексами, с энергетической точки зрения процесс управления горным давлением построен на энергозатратной компенсационной основе [19, 20]: энергии конвергенции боковых пород в зоне очистных забоев противопоставляется гидравлическая энергия, создаваемая насосной станцией комплекса и преобразуемая секциями крепи. При этом регулирование горного давления осуществляется импульсным способом [21] — последовательными срабатываниями предохранительных клапанов гидростоек с перепусками рабочей жидкости из поршневых полостей гидростоек в сливную магистраль комплекса или на почву, сопровождаемыми большим перепадом давлений [22].
Результаты исследований
и их обсуждение
Импульсный силовой характер взаимодействия гидростоек секции механизированной крепи с кровлей при управлении горным давлением срабатыванием предохранительных клапанов обусловливает высокую вероятность разру-
шения пород непосредственной кровли и приводит к интенсификации процесса трещинообразования, высыпанию пород непосредственной кровли в межсекционное пространство [23], а также к динамическим воздействиям на элементы гидросистемы и к ускорению расходования их ресурса [24, 25].
Уменьшение негативного влияния «топтания кровли» на ее состояние и на устойчивость процесса добычи угля в комплексно-механизированном очистном забое угольных шахт может быть достигнуто:
• переходом к принципу «безымпульсного регулирования»;
• уменьшением диапазона изменчивости циклических силовых воздействий секций механизированной крепи на породы непосредственной кровли совершенствованием их контактной и силовой адаптивности к условиям эксплуатации.
Безымпульное регулирование достигается совершенствованием рабочей характеристики секции механизированной крепи [26, 27]. Вместо существующей трехуровневой рабочей характеристики «равного сопротивления», формируемой последовательными срабатываниями предохранительного клапана, с большой разностью давлений при выполнении операций цикла работы секций крепи, предлагается четырехуровневая рабочая характеристика гидростоек секций механизированной крепи с непрерывным регулированием их сопротивления опусканию пород кровли и малым диапазоном изменений давлений.
Диапазон адаптации секции механизированной крепи задается установкой верхнего и нижнего уровней зоны регулирования сопротивления гидростойки опусканию пород непосредственной кровли [28]. Пределы настройки предохранительных клапанов остаются без изменения. Все устанавливаемые уров-
ни по давлению разделены промежуточными зонами для исключения ложных срабатываний из-за их возможных наложений. Для уменьшения эффекта топтания пород кровли из-за разности сил распора за цикл операций целесообразно давление подпора при передвижке секции механизированной крепи поднять до уровня начального распора. Однако в этом случае будет невыполнима операция передвижки секций механизированной крепи из-за больших сопротивлений их перемещению. Для выполнения изложенных выше требований необходимы: совершенствование структуры секции механизированной крепи, непрерывное безымпульсное регулирование сопротивления секции механизированной крепи с извлечением, преобразованием и использованием энергии горного давления и совершенствование механизма циклических перемещений секций механизированной крепи. Следует отметить, что гидростойка секции механизированной крепи представляет собой идеальный преобразователь механической энергии конвергенции боковых пород в гидравлическую энергию с передачей ее в нагнетательную магистраль гидросистемы механизированной крепи.
Безымпульсное регулирование сопротивления гидравлических стоек опусканию пород кровли может быть обеспечено блоком безымпульсного регулирования (рис. 2). Основным элементом блока является мультипликатор давления 1, который представляет собой сдвоенный гидроцилиндр с блоком поршней. Отношение диаметров поршней сдвоенного гидроцилиндра принимается равным отношению номинального давления рабочей жидкости в поршневой полости 7 первой ступени стойки 6 секции к давлению жидкости в напорной магистрали гидросистемы 9. При этом полость меньшего диаметра 3 мультипликатора 1 соединена с поршневой поло-
Рис. 2. Блок безымпульсного регулирования сопротивления Fig. 2. Pulse-free resistance control
стью 7 гидростойки 6, а полость большого диаметра 2 мультипликатора соединена через дроссели 11, 16 и подпорный клапан 15 с напорной магистралью 9 гидросистемы комплекса. Подпорный клапан 15 совместно с пневмогидроакку-муляторным блоком 19 обеспечивает независимость режима работы блока регулирования от изменений давлений в напорной магистрали 9 гидросистемы крепи. Обратный клапан 17 предназначен для перепуска рабочей жидкости из напорной магистрали 9 при передвижке секции крепи в большую полость мультипликатора 1, чем обеспечивается возврат блока поршней мультипликатора в исходное положение.
Основным отличием представленной схемы блока (рис. 2) от ранее известных является то, что она содержит установленные последовательно между промежуточным регулируемым дросселем 16 и нагнетательной линией 9 гидростанции настроенный на нижнюю границу регулируемого давления подпорный клапан 15 и разделительный дроссель 11, при этом параллельно разделительному дросселю установлен пневмогидроакку-мулятор 14 с обратным клапаном 13 на входе от нагнетательной линии гидро-
1 - мультипликатор давления;
2 - большая полость мультипликатора;
3 - малая полость мультипликатора;
4 - предохранительный клапан гидравлической стойки;
5 - гидрозамок;
6 - гидравлическая стойка;
7 - поршневая полость гидравлической стойки;
8 - блок управления секцией;
9 - напорная магистраль;
10 - сливная магистраль;
11 - разделительный дроссель;
12 - ограничительный дроссель;
13 - обратный клапан;
14 - пневмогидроаккумулятор;
15 - подпорный клапан;
16 - промежуточный регулируемый дроссель;
17 - обратный клапан;
18 - блок безымпульсного регулирования сопротивления;
19 - пневмогидроаккумуляторный блок
станции и ограничительным дросселем 12, установленным параллельно обратному клапану на выходе из пневмогидроак-кумулятора. Техническим результатом является возможность изменения рабочей характеристики секций крепи при управлении горным давлением и оседании кровли независимо от изменения давления в нагнетательной магистрали комплекса, что снижает интенсивность «топтания» кровли, обеспечивает возможность рекуперации энергии горного давления вытеснением рабочей жидкости при оседании кровли из поршневых полостей стоек секций механизированной крепи в нагнетательную магистраль очистного комплекса.
Объем полости 2 (рис. 2) мультипликатора определяется исходя из средне-максимального объема вытесняемой рабочей жидкости из поршневой полости 7 гидростойки 6 за цикл в конкретных горно-геологических условиях.
Работа секции по данной схеме происходит следующим образом. При конвергенции пород кровли и почвы давление в поршневой полости 7 гидростойки 6 увеличивается выше давления начального распора. В исходном положении поршни мультипликатора 1 сме-
щены в крайнее положение и прижаты к днищу корпуса цилиндра в малой полости 3. Объем жидкости в полости 2 максимальный. При повышении давления выше нижнего уровня зоны регулирования условие равновесия сил, действующих на поршни мультипликатора, нарушается (Ё3 > Р2). Блок поршней перемещается, вытесняя жидкость из камеры 2 через регулируемый дроссель 16, разделительный дроссель 11 и клапан 15 в напорную магистраль 9 гидросистемы.
Сопротивление гидростойки в зависимости от скорости и массы опускающегося блока кровли будет изменяться. Перепад давления на выходе мультипликатора определяется снижением давления на сопротивлениях в рукавах высокого давления до напорной магистрали, и им можно пренебречь по сравнению со снижением давления на дросселе.
Количество энергии, отводимой в гидросистему очистного механизированного комплекса в процессе конвергенции боковых пород в комплексно-механизированном очистном забое, прямо пропорционально объему рабочей жидкости, вытесняемой из гидростоек за цикл работы:
Е = Д V ■ ДР (1)
где Д V — объем рабочей жидкости, вытесняемой из гидростойки в малую полость 3 мультипликатора давления блока за цикл выемки угля в лаве, м3; ДР = = Р3 — Р — разность давлений, МПа; Р3 — давление в малой полости 3 мультипликатора, МПа; Р — давление в напорной магистрали, МПа. При этом ДУ определяется по формуле:
ДЦ = Дh ■
nD:
(2)
где ДИ — осадка стойки за цикл, м; Оп — диаметр поршневой полости гидростойки, м.
Количество рекуперируемой энергии за цикл работы секций механизирован-
ной крепи в составе очистного механизированного комплекса можно определить по формуле (5):
Е = V ■ ДР ■ п ■ N ■ п, (3)
3 ст сц 1б' * '
где пст — количество гидростоек в секции; N — количество секций крепи в комплексно-механизированном очистном забое; пб — КПД блока безымпульсного регулирования, пб = 0,99.
При этом повышение эффективности работы секций механизированной крепи в режиме передвижки с уменьшением диапазона изменчивости их циклических силовых воздействий на породы непосредственной кровли может быть достигнуто только совместным совершенствованием их структуры и адаптивности, а именно:
• повышением кинематической и контактной адаптивности секций крепи к изменяющимся горно-геологическим условиям;
• совершенствованием структуры секций с направляющей и опорной балками и с телескопическим перекрытием и основанием с меньшим диапазоном изменения сил при выполнении операций передвижки.
Поэтому была разработана структура кинематически и контактно-адаптивной секции крепи с телескопическими основанием и перекрытием (рис. 3), которая конструктивно выполнена в виде двух ступеней (посадочной и забойной) с возможностью их независимой и согласованной телескопической раздвиж-ности по основаниям и перекрытиям. Основание посадочной ступени выполнено с боковыми балками, охватывающими основание забойной ступени с возможностью взаимного смещения оснований на шаг передвижки секции крепи с помощью двух гидродомкратов. Секция обладает возможностью передвижки забойной ступени с повышенным подпором, сохранения неподвижными контактов распорных элементов, опорной и
направляющей балок, перекрытия и основания завальной ступени с породами кровли в процессе передвижки забойной ступени секции, что исключает статические и динамические импульсные силовые воздействия крепи на породы кровли в процессе передвижки, а также снижение сопротивления ее передвижению при использовании скользящих подшипниковых опор. При этом обеспечивается возможность выбора большего количества вариантов режимов передвижки секций крепи при изменении горно-геологических условий и с разной площадью сечения очистного забоя в зависимости от газообильности. Сокращается время на передвижку, обеспечивается устойчивость процесса передвижки секции крепи и повышается интенсивность процесса добычи.
Забойная ступень секции механизированной крепи включает в себя (рис. 3, а): перекрытие 2, основание 11, гидростойки 4, направляющую балку 14 и механизм компенсационного подъема лыж забойного основания. Забойное основание 11 катамаранного типа выполнено в виде лыж с боковыми поверхностями, связанных забойным порталом основания 13 и порталом основания 12, между которыми расположена направляющая балка 14. Один конец направляющей балки соединен с забойным конвейером 15, а другой конец направляющей балки соединен с забойным гидродомкратом 16 основания (рис. 3, в), шток которого соединен шарниром на кронштейне 17 с забойным основанием 11. На направляющую балку 14 установлен в вертикальном положении механизм компенсационного подъема лыж забойного основания, выполненный в виде гидропатрона 23 основания (рис. 3, г), опирающегося на направляющую балку 14 через подшипник направляющей балки 24, и имеющего цилиндр, выполненный со сферической опорой и
снабженный цапфами, и шток, закрепленный на порталах 12 и 13 основания (рис. 3, в). Забойное перекрытие 2 (рис. 3, а) шарнирно соединено с козырьком 1, имеет призабойный портал 3 и забойный портал 5 с распорно-компенсационными устройствами с гидропатронами перекрытия 22 и подшипником 21 опорной балки (рис. 3, г).
Посадочная ступень секции механизированной крепи включает перекрытие 7 и основание 10, соединенные между собой ограждающим щитом 9, распорные посадочные гидростойки 8 и опорную балку 19, соединенную с одной стороны шарниром 26 опорной балки с перекрытием 7 (рис. 3, а и б), а с другой стороны — гидродомкратом 20 с забойным перекрытием 2 (рис. 3, г), при этом посадочное 10 и забойное 11 основания соединены гидродомкратами 18 (рис. 3, в).
Телескопическое соединение ступеней по перекрытиям осуществлено консолями 25, которые с одной стороны шарниром консоли 6 соединены с посадочным перекрытием 7, с другой стороны консоли 25 входят в пазы забойного перекрытия 2. Соединение оснований посадочной и забойной ступеней выполнено телескопически: внутренние боковые поверхности лыж посадочного основания 10 образуют паз, в который установлены направляющие забойного основания 11 с возможностью взаимного их смещения на шаг передвижки секции крепи.
Работа секции механизированной крепи циклическая. За цикл секция выполняет следующие операции: распор секции в почву и кровлю посредством гидростоек секции крепи, управление сопротивлением гидростоек опусканию пород кровли, осуществляемое клапанным блоком стойки и блоком управления секции крепи, снятие распора, осуществляемое блоком управления секции
1 23 45 26 6 7 S 9
15 14 13 12 17 11 10
1 — козырек; 2 — забойное перекрытие; 3 — призабойный портал; 4 — забойные гидростойки; 5 — забойный портал; 6 — шарнир консоли; 7 — посадочное перекрытие; 8 — посадочные гидростойки; 9 — ограждающий щит; 10 — посадочное основание; 11 — забойное основание; 12 — портал основания; 13 — забойный портал основания; 14 — направляющая балка; 15 — забойный конвейер; 16 — забойный гидродомкрат основания; 17 — шарнир забойного гидродомкрата; 18 — гидродомкраты посадочного основания; 19 — опорная балка; 20 — гидродомкрат перекрытий; 21 — подшипник опорной балки; 22 — гидропатрон перекрытия; 23 — гидропатрон основания; 24 — подшипник направляющей балки; 25 — консоль; 26 — шарнир опорной балки
Рис. 3. Секция механизированной крепи с телескопическими перекрытием и основанием: главный вид (представляющий собой поперечное сечение очистного комплекса с выдвинутой забойной ступенью перекрытия) (а); вид сверху на перекрытие (б); вид сверху на основание (в); вид слева (г)
Fig. 3. Powered roof support unit with telescopic footing and canopy: general view (cross-section of longwall mining system with expanded face stage of canopy) (a); top view of canopy (b); top view of footing (v); left-side view (g)
крепи и клапанными блоками гидростоек, и передвижка секции крепи, выполняемая гидродомкратами оснований и перекрытий секции крепи. Распорные усилия при передвижке секции (оснований в почву и перекрытий в кровлю) переносятся механизмами компенсационного распора с гидропатронами и подшипниковыми опорами скольжения с основания на неподвижную направляющую балку и с перекрытия на неподвижную опорную балку.
Передвижка секции может осуществляться в следующих вариантах.
При неустойчивой непосредственной кровле. В исходном положении забойный конвейер 15 находится у забоя, секция подвинута к забою и к конвейеру (рис. 3, а). После прохода комбайна с выемкой полосы угля выдвигается только забойное перекрытие 2 гидродомкратом перекрытий 20 с опорой в осевом направлении через опорную балку 19 в посадочное перекрытие 7 через шарнир 26 опорной балки (рис. 3, б). При этом осуществляется распор двух гидропатронов перекрытия 22 через приза-бойный портал 3, подшипник опорной балки 21 в опорную балку 19 и через забойный портал 5 и второй подшипник опорной балки 21 в опорную балку 19 (рис. 3, а, б, в). Поджатая к кровле опорная балка 19 неподвижна, обеспечивает поддержание неустойчивой непосредст-
венной кровли и предохраняет ее от разрушения и вывалов.
При ограничениях по газу. С отставанием от очистного комбайна, предусмотренного паспортом комплексно-механизированного очистного забоя, выдвигается забойный конвейер 15 (рис. 3, в) вместе с направляющими балками 14 к забою забойными гидродомкратами 16 основания с опорой через шарнир с кронштейном 17 на забойное основание 11 забойной ступени. Затем перемещается основание 11 ступени секции крепи гидродомкратом 16 основания с опорой на неподвижную направляющую балку 14 с приподьемом оснований распорно-компенсационными устройствами по основанию (рис. 3, в). По мере снижения содержания метана в забое до допустимого уровня в соответствии с правилами безопасности последовательно перемещаются со снятием распора завальные ступени секций крепи к забою гидродомкратами 18 посадочных оснований (рис. 3, в) и гидродомкратами 20 перекрытий (рис. 3, б).
При устойчивой непосредственной кровле и отсутствии ограничений по газу передвижка секций механизированной крепи может осуществляться по любому из вариантов, предусмотренных паспортом крепления очистного забоя: передвижка каждой секции в целом без использования телескопической раз-
а)
б)
Рис. 4. Секция механизированной крепи с телескопическими перекрытием и основанием: посадочная и забойная ступени сдвинуты (а); посадочная и забойная ступени раздвинуты (б) Fig. 4. Powered roof support unit with telescopic footing and canopy: pushed-in bearing and face stages (a); extended bearing and face stages (b)
движности как с разрывом контакта перекрытия с кровлей, так и с подпором; передвижка сначала забойных ступеней с разрывом контакта перекрытия с кровлей или с подпором, а затем с отставанием; последовательная передвижка посадочных ступеней секций.
Возможны и другие схемы передвижки секций крепи, если они предусмотрены паспортом крепления и управления кровлей очистного забоя в конкретных горно-геологических условиях.
На рис. 4 представлена 3D-модель секции механизированной крепи с телескопическими перекрытием и основанием при сдвинутых (рис. 4, а) и раздвинутых (рис. 4, б) посадочной и забойной ступенях.
Предложенный способ передвижки секции механизированной крепи характеризуется:
• неподвижным силовым контактом распорных элементов (специальной направляющей и опорной балок) с кровлей и почвой очистной выработки;
• усилие распора опорных элементов может достигать усилия начального распора;
• в зависимости от состояния кровли предусматриваются режимы передвижки с разрывом контакта перекрытия секции с кровлей и передвижки с подпором;
• для снижения усилий (при передвижке) секция опирается на ее неподвижные элементы (балки) через скользящие подшипниковые опоры;
• при передвижке секции передняя часть ее основания приподнимается с опорой на направляющую балку, а передняя часть перекрытия опускается с опоры на опорную балку.
Заключение
Таким образом, секция механизированной крепи предложенной структу-
ры, схемные и конструктивные ее технические решения обеспечивают:
• передвижку с опорой на распорные элементы (направляющую по почве и распорную по кровле балки), которые могут при необходимости сохранять усилие распора не ниже начального;
• сохранение неподвижными контактов распорных элементов с кровлей и почвой при передвижке секции, снижение статического и динамического «топтания пород» кровли и почвы и вероятности их разрушения;
• безымпульсное управление горным давлением;
• отвод энергии горного давления в гидросистему очистного механизированного комплекса в процессе конвергенции боковых пород в комплексно-механизированном очистном забое в количестве прямо пропорциональном объему рабочей жидкости, вытесняемой из гидростоек за цикл работы комплекса, и уровню регулируемого давления в гидростойке секции механизированной крепи;
• независимость значений параметров режима работы блока безымпульсного регулирования сопротивления в каждой секции механизированной крепи от изменений давлений рабочей жидкости в напорной магистрали гидросистемы комплекса по всей длине лавы.
Предложенные технические решения направлены на повышение адаптивности секции крепи к изменяющимся горногеологическим и технологическим условиям в комплексно-механизированных очистных забоях, на повышение устойчивости процесса последовательно выполняемых операций цикла и последовательности этих циклов.
Разработка и создание адаптивных секций механизированной крепи к изменяемому по мере отработки выемочных столбов горному давлению открывает возможность создания адаптивных энер-
госберегающих очистных механизированных комплексов и перехода от стратегии силового противодействия горному давлению к стратегии эффективного
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
использования энергии горного давления в технологическом процессе добычи угля в комплексно-механизированном очистном забое шахты.
1. Kazanin O. I., Sidorenko A. A., Drebenstadt C. I. Intensive underground mining technologies: Challenges and prospects for the coal mines in Russia // Acta Montanistica Slovaca. 2021, vol. 26, no. 1, pp. 60-69. DOI: 10.46544/AMS.v26i1.05.
2. Казанин О. И., Сидоренко А. А. Мешков А. А. Организационно-технологические принципы реализации потенциала современного высокопроизводительного очистного оборудования // Уголь. - 2019. - № 12. - С. 4-12. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-12-4-13.
3. Мешков А. А., Волков М. А., Ордин А. А., Тимошенко А. М., Ботвенко Д. В. О рекордной длине и производительности очистного забоя шахты имени В.Д. Ялевского // Уголь. - 2018. - № 7. - С. 4-7. DOI: 10.18796/0041-5790-2018-7-4-7.
4. Ralston J. C., Reid D. C., Dunn M. T., Hainsworth D. W. Longwall automation: Delivering enabling technology to achieve safer and more productive underground mining // International Journal of Mining Science and Technology. 2015, vol. 25, no. 6, pp. 865-876. DOI: 10.1016/j. ijmst.2015.09.001.
5. Brodny J. Analysis of the impact of unscheduled downtimes on their availability in machine operations // MAPE. 2018, vol. 1, no. 1, pp. 145-151. DOI: 10.2478/mape-2018-0019.
6. Buyalich G., Buyalich K., ByakovM. Factors determining the size of sealing clearance in hydraulic legs of powered supports // E3S Web Conference. 2017, vol. 21, article 03018. DOI: 10.1051/e3sconf/20172103018.
7. Szurgacz D., Brodny J. Analysis of the influence of dynamic load on the work parameters of a powered roof support's hydraulic leg // Sustainability. 2019, vol. 11, no. 9. DOI: 10.3390/ su11092570.
8. Буялич Г. Д., Тарасов В. М., Тарасова Н. И., Тарасов Д. В. Повышение безопасности ведения горных работ в процессе взаимодействия секций механизированных крепей с боковыми породами в лаве // Уголь. - 2016. - № 10. - С. 26-30. DOI: 10.18796/00415790-2016-10-26-30.
9. Szurgacz D., Brodny J. Adapting the powered roof support to diverse mining and geological conditions // Energies. 2020, vol. 405, no. 13. DOI: 10.3390/en13020405.
10. Litvinenko V. S. Technological progress having impact on coal demand growth / XVIII International Coal Preparation Congress. Conference proceedings. 2016, vol. 1, pp. 3-16. DOI: 10.1007/978-3-319-40943-6_1.
11. Зубов В. П. Состояние и направления совершенствования систем разработки угольных пластов на перспективных угольных шахтах Кузбасса // Записки Горного института. - 2017. - Т. 225. - С. 292-297. DOI: 10.18454/PMI.2017.3.292.
12. GendlerS. G., Prokhorova E. A. Risk-based methodology for determining priority directions for improving occupational safety in the mining industry of the Arctic Zone // Resources. 2021, vol. 3, no. 10, pp. 1-14. DOI: 10.3390/resources10030020.
13. Buevich V. V, Gabov V. V, Zadkov D. A., Vasileva P. A. Adaptation of the mechanized roof support to changeable rock pressure // Eurasian Mining. 2015, no. 2, pp. 11-14. DOI: 10.17580/em.2015.02.03.
14. Gabov V. V, Zadkov D. A., Stebnev A. V. Evaluation of structure and variables within performance rating of hydraulically powered roof support legs with smooth roof control // Eurasian Mining. 2016, no. 2, pp. 37-40. DOI: 10.17580/em.2016.02.09.
15. BabyrN. V., KorolevA. I., Neupokoeva T. V. Enhancement of powered cleaning equipment with the view of mining and geological conditions // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018, vol. 194, no. 3, article 032004. DOI10.1088/1755-1315/194/3/032004.
16. Клишин В. И., Кисслинг У., Ройтер М., Вессел А. О. Система автоматического управления крепью (САУК) как средство адаптации крепи к различным горно-геологическим условиям шахт Кузбасса // Вестник КузГТУ. - 2014. - № 1. - C. 34 — 39.
17. Стебнев А. В., Буевич В. В. Совершенствование рабочей характеристики гидропровода стоек секций механизированных крепей очистных комплексов // Записки Горного института. — 2017. — Т. 227. — С. 576 — 581. DOI: 10.25515/PMI.2017.5.576.
18. Guo W. B., Wang H. S., Dong G. W, Li L., Huang Y. G.A case study of effective support working resistance and roof support technology in thick seam fully-mechanized face mining with hard roof conditions // Sustainability. 2017, vol. 9, no. 935. DOI: 10.3390/su9060935.
19. Martens P. N., Rattmann L, Janssen S., Kratz T. Advances in longwall mining / 22nd World Mining Congress & Expo, Istambul. 2011, vol. 1, pp. 85 — 96.
20. Zorkov D., Renev A., Filimonov K., Zainulin R. The roof support load analysis for pre-driven recovery room parameters design // E3S Web of Conferences. 2020, vol. 174, article 01029.
21. Sobik L., Brodny J., Buyalich G., Strelnikov P. Analysis of methane hazard in longwall working equipped with a powered longwall complex // E3S Web of Conferences. 2020, vol. 174, article 01011.
22. Thang P. D., Thang H. H., Phuc L. Q. Technological solutions for intensive working of medium thick inclined coal seams in difficult conditions in the mines of the quangninh coal basin // Sustainable Development of Mountain Territories. 2019, vol. 11, no. 1, pp. 105 — 109.
23. Ютяев Е. П. Современные вызовы и перспективы развития технологии подземной отработки пологих газоносных угольных пластов // Уголь. — 2017. — № 5. — С. 30 — 36. DOI: 10.18796/0041-5790-2017-5-30-36.
24. Buyalich G. D., Buyalich K. G., Umrikhina V. Yu. Study of falling roof vibrations in a production face at roof support resistance in the form of concentrated force // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016, vol. 142, article 012120. DOI: 10.1088/1757-
899ХД42Д/012120.
25. Efimov V. I., Abramkin N. I., Vernigor V. V, Khakimov B. Kh. Underground mining equipment kits coal in shallow beds // Sustainable Development of Mountain Territories. 2020, vol. 12, no. 4(46), рp. 510 — 515.
26. Турук Ю. В., Сысоев Н. И., Луганцев Б. Б., Стрельцов С. В., Богомазов А. А. Определение параметров поворотных лыж для оснований секций механизированной крепи // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 9. — С. 113 — 121. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_9_0_113.
27. Klishin V. I., Fryanov V. N., Pavlova L. D., Nikitenko S. M., Malakhov Y. V. Rock mass-multifunction mobile roof support interaction in mining // Journal of Mining Science. 2021, vol. 57, no. 3, pp. 361 — 369. DOI: 10.1134/s1062739121030017.
28. Gabov V. V, Zadkov D. A., Babyr N. V, Fangwei X. Nonimpact rock pressure regulation with energy recovery into the hydraulic system of the longwall powered support // Eurasian Mining. 2021, no. 2, pp. 55 — 59. DOI: 10.17580/em.2021.02.12. EES
REFERENCES
1. Kazanin O. I., Sidorenko A. A., Drebenstadt C. I. Intensive underground mining technologies: Challenges and prospects for the coal mines in Russia. Acta Montanistica Slovaca. 2021, vol. 26, no. 1, pp. 60 — 69. DOI: 10.46544/AMS.v26i1.05.
2. Kazanin O. I., Sidorenko A. A. Meshkov A. A. Organizational and technological principles of realizing the potential of modern high-performance cleaning equipment. Ugol'. 2019, no. 12, pp. 4 — 12. [In Russ]. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-12-4-13.
3. Meshkov A. A., Volkov M. A., OrdinA. A., Tymoshenko A. M.,Botvenko D. V. On record length and productivity of highwall mining the V.D. Yalevsky mine. Ugol'. 2018, no. 7, pp. 4 — 7. [In Russ]. DOI: 10.18796/0041-5790-2018-7-4-7.
4. Ralston J. C., Reid D. C., Dunn M. T., Hainsworth D. W. Longwall automation: Delivering enabling technology to achieve safer and more productive underground mining. International Journal of Mining Science and Technology. 2015, vol. 25, no. 6, pp. 865-876. DOI: 10.1016/j. ijmst.2015.09.001.
5. Brodny J. Analysis of the impact of unscheduled downtimes on their availability in machine operations. MAPE. 2018, vol. 1, no. 1, pp. 145-151. DOI: 10.2478/mape-2018-0019.
6. Buyalich G., Buyalich K., Byakov M. Factors determining the size of sealing clearance in hydraulic legs of powered supports. E3S Web Conference. 2017, vol. 21, article 03018. DOI: 10.1051/e3sconf/20172103018.
7. Szurgacz D., Brodny J. Analysis of the influence of dynamic load on the work parameters of a powered roof support's hydraulic leg. Sustainability. 2019, vol. 11, no. 9. DOI: 10.3390/su11092570.
8. Buyalich G. D., Tarasov V. M., Tarasova N. I., Tarasov D. V. Increasing the safety of mining operations during the interaction of mechanized crosscut sections with lateral rocks in the face. Ugol'. 2016, no. 10, pp. 26-30. [In Russ]. DOI: 10.18796/0041-5790-2016-10-26-30.
9. Szurgacz D., Brodny J. Adapting the powered roof support to diverse mining and geological conditions. Energies. 2020, vol. 405, no. 13. DOI: 10.3390/en13020405.
10. Litvinenko V. S. Technological progress having impact on coal demand growth. XVIII International Coal Preparation Congress. Conference proceedings. 2016, vol. 1, pp. 3-16. DOI: 10.1007/978-3-319-40943-6_1.
11. Zubov V. P. Status and directions of improvement of development systems of coal seams on perspective Kuzbass coal mines. Journal of Mining Institute. 2017, vol. 225, pp. 292-297. [In Russ]. DOI: 10.18454/PMI.2017.3.292.
12. Gendler S. G., Prokhorova E. A. Risk-based methodology for determining priority directions for improving occupational safety in the mining industry of the Arctic Zone. Resources. 2021, vol. 3, no. 10, pp. 1-14. DOI: 10.3390/resources10030020.
13. Buevich V. V., Gabov V. V., Zadkov D. A., Vasileva P. A. Adaptation of the mechanized roof support to changeable rock pressure. Eurasian Mining. 2015, no. 2, pp. 11-14. DOI: 10.17580/em.2015.02.03.
14. Gabov V. V., Zadkov D. A., Stebnev A. V. Evaluation of structure and variables within performance rating of hydraulically powered roof support legs with smooth roof control. Eurasian Mining. 2016, no. 2, pp. 37-40. DOI: 10.17580/em.2016.02.09.
15. Babyr N. V., Korolev A. I., Neupokoeva T. V. Enhancement of powered cleaning equipment with the view of mining and geological conditions. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018, vol. 194, no. 3, article 032004. DOI10.1088/1755-1315/194/3/032004.
16. Klishin V. I., Kissling U., Reuther M., Wessel A. O. System of automatic control of roof supports as a means of adaptation of roof supports to different mining and geological conditions of Kuzbass mines. Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2014, no. 1, pp. 34-39. [In Russ].
17. Stebnev A. V., Buevich V. V. Improvement of performance indicators of hydraulic drive of props of powered support units of heading complexes. Journal of Mining Institute. 2017, vol. 227, pp. 576-581. [In Russ]. DOI: 10.25515/PMI.2017.5.576.
18. Guo W. B., Wang H. S., Dong G. W., Li L., Huang Y. G. A case study of effective support working resistance and roof support technology in thick seam fully-mechanized face mining with hard roof conditions. Sustainability. 2017, vol. 9, no. 935. DOI: 10.3390/su9060935.
19. Martens P. N., Rattmann L., Janssen S., Kratz T. Advances in longwall mining. 22nd World Mining Congress & Expo, Istambul. 2011, vol. 1, pp. 85-96.
20. Zorkov D., Renev A., Filimonov K., Zainulin R. The roof support load analysis for pre-driven recovery room parameters design. E3S Web of Conferences. 2020, vol. 174, article 01029.
21. Sobik L., Brodny J., Buyalich G., Strelnikov P. Analysis of methane hazard in longwall working equipped with a powered longwall complex. E3S Web of Conferences. 2020, vol. 174, article 01011.
22. Thang P. D., Thang H. H., Phuc L. Q. Technological solutions for intensive working of medium thick inclined coal seams in difficult conditions in the mines of the quangninh coal basin. Sustainable Development of Mountain Territories. 2019, vol. 11, no. 1, pp. 105-109.
23. Yutyaev E. P. Modern challenges and prospects for the development of technology of underground mining of shallow gas-bearing coal seams. Ugol'. 2017, no. 5, pp. 30 — 36. [In Russ]. DOI: 10.18796/0041-5790-2017-5-30-36.
24. Buyalich G. D., Buyalich K. G., Umrikhina V. Yu. Study of falling roof vibrations in a production face at roof support resistance in the form of concentrated force. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016, vol. 142, article 012120. DOI: 10.1088/1757-899ХД42/1/012120.
25. Efimov V. I., Abramkin N. I., Vernigor V. V., Khakimov B. Kh. Underground mining equipment kits coal in shallow beds. Sustainable Development of Mountain Territories. 2020, vol. 12, no. 4(46), рp. 510 — 515.
26. Turuk Yu. V., Sysoev N. I., Lugantsev B. B., Streltsov S. V., Bogomazov A. A. Determining parameters of rotary skids for bases of powered support units. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2021, no. 9, pp. 113 — 121. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_9_0_113.
27. Klishin V. I., Fryanov V. N., Pavlova L. D., Nikitenko S. M., Malakhov Y. V. Rock mass-multifunction mobile roof support interaction in mining. Journal of Mining Science. 2021, vol. 57, no. 3, pp. 361 — 369. DOI: 10.1134/s1062739121030017.
28. Gabov V. V., Zadkov D. A., Babyr N. V., Fangwei X. Nonimpact rock pressure regulation with energy recovery into the hydraulic system of the longwall powered support. Eurasian Mining. 2021, no. 2, pp. 55 — 59. DOI: 10.17580/em.2021.02.12.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Габов Виктор Васильевич1 — д-р техн. наук,
профессор, e-mail: gvv40@mail.ru,
ORCID ID: 0000-0002-6587-2446,
Задков Денис Александрович1 — канд. техн. наук,
доцент, e-mail: dzadkov@yandex.ru,
ORCID ID: 0000-0002-1709-431X,
Бабырь Никита Валерьевич1 — канд. техн. наук,
ассистент кафедры, e-mail: babyr_nv@pers.spmi.ru,
ORCID ID: 0000-0002-5512-8517,
Стебнев Александр Валериевич — канд. техн. наук, главный механик, АО «СУЭК-Кузбасс», 652507, Ленинск-Кузнецкий, Россия Теремецкая Василиса Александровна1 — аспирант, 1 Санкт-Петербургский горный университет. Для контактов: Задков Д.А., e-mail: dzadkov@yandex.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
V.V. Gabov1, Dr. Sci. (Eng.), Professor,
e-mail: gvv40@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-6587-2446,
D.A. Zadkov1, Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor,
e-mail: dzadkov@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0002-1709-431X,
N.V. Babyr1, Cand. Sci. (Eng.), Assistant of Chair,
e-mail: babyr_nv@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-5512-8517,
A.V. Stebnev, Cand. Sci. (Eng.), Chief Mechanic,
JSC SUEK-Kuzbass, 652507, Leninsk-Kuznetskiy, Russia,
V.A. Teremetskaya1, Graduate Student,
1 Saint-Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia. Corresponding author: D.A. Zadkov, e-mail: dzadkov@yandex.ru.
Получена редакцией 21.12.2021; получена после рецензии 05.02.2022; принята к печати 10.05.2022. Received by the editors 21.12.2021; received after the review 05.02.2022; accepted for printing 10.05.2022.
