CC BY
64
© В.И. Клишин, В.Н. Власов, Кубанычбек у.Б., 2003
УАК 622.232
В.И. Клишин, В.Н. Власов, Кубанычбек у.Б.
МЕХАНИЗИРОВАННАЯ КРЕПЬ С ПРИНУАИТЕЛЬНЫМ ВЫПУСКОМ УГЛЯ ИЗ ПОАКРОВЕЛЬНОЙ ТОЛШИ
Технология разработки с выпуском угля из подкровель-ной или межслоевой толщи предусматривает использование сил горного давления для разрушения верхних слоев угля. Для такой схемы создаются механизированные комплексы, обладающие дополнительными функциями по управлению извлечением угля, находящегося над крепью. Авторами был проведен сравнительный анализ существующих способов и средств выемки пологих пластов мощностью свыше 4,5 м.
В отечественной практике накоплен большой опыт применения подобных комплексов. Начало развития технологии с выпуском угля подкровельной толщи в Карагандинском бассейне приходится на момент создания комплекса КТУ в 1957 г. [1].
На АО «Востсибуголь» шахта «Букакача» при отработке целика угля по пласту 1-11 мощностью 10-12м, уголом падения 10120 для выемки мощного пологого пласта с выпуском угля подкровельной толщи был создан комплекс КМ81В, основанный на базе серийной крепи 2М81Э [2].
Сущность предложенной технологии заключалась в следующем. Нижний (подсечный) слой мощного пласта отрабатывался механизированным комплексом КМ81В, а вышележащая подкро-вельная толща угля под воздействием горного давления разрушалась и через специальные окна в ограждениях, открываемых и закрываемых шиберами, выпускалась на конвейер, установленный между ограждениями и стойками заднего ряда секций крепи. Промышленные испытания этой технологии были проведены в условиях шахты им. В.И. Ленина ПО «Карагандауголь» при
отработке мощного пологого пласта Д6.
Выпуск угля подкровельной толщи вначале производили после двух передвижек крепи, а затем с целью сокращения потерь -после каждой передвижки секций крепи. Выпуск производили одновременно с работой комбайна с отставанием на 10—15 м, начиная от конвейерного или вентиляционного бремсберга. Для этого на секции поднимали шибер, образуя выпускное отверстие размером 1х 0.7 м, обрушенный уголь подкровельной толщи, который до этого магази-нировался за ограждением крепи, самотеком поступал на завальный конвейер.
Для активизации выпуска угля наклонной гидростойкой производили покачивание (поднятие и опускание) ограждения. Разрушения крупных кусков угля за ограждениями осуществляли той же наклонной стойкой, включая ее на распор с усилием 320 кН, при этом большие куски раскалывались продольными ребрами, расположенными на внешней стороне ограждений секций крепи, а куски, упавшие на почву пласта, разрушали шибером, снабженным клиновидными
зубьями с усилием 100 кН. Работая выдвинутым шибером как обратной лопатой, загребали уголь с почвы на завальный конвейер.
В результате проведенных испытаний установлены возможность и целесообразность применения такой технологии, была подтверждена возможность использования горного давления и самообрушения угля за ограждениями, то есть у почвы пласта, возможность применения выдвижного шибера, снабженного зубками для погрузки угля с почвы пласта. Вместе с тем, выявлен
ряд существенных недостатков механизированного комплекса КМ81В. Если отработка обрушенных угольных пачек мощных пластов не представляет особых трудностей, то совершенно противоположное положение создается с отработкой оставленных запасов, сосредоточенных в целиках мощных (5-8 м) пластов, особенно в целиках ограниченных размеров (30-50 м).
Для отработки таких целиков сотрудниками ИГД им. А.А. Ско-чинского, КНИУИ и Карагандинского отделения ВостНИИ, ПО «Карагандауголь» был создан образец механизированного комплекса 0КПВ70, позволяющий вынимать оставленные целики мощных пластов сразу на всю мощность с выпуском угля подкровельной толщи [2].
По технологической схеме выпуск угля по лаве предусматривалось производить снизу вверх. Однако постоянство в соблюдении технологии выпуска не получилось, так как выпуск угля осуществлялось самопроизвольно. Благоприятные условия выпуска были достигнуты благодаря следующим факторам; длительное (более 15 лет) нахождение целика в напряженном состоянии, что привело к нарушению его сплошности, особенно краевых частей, и наличие большей сети старых погашенных выработок по верхнему слою.
За время шахтных испытаний были выявлены некоторые конструктивные и эксплуатационные недостатки: наибольшие затраты времени приходятся на концевые операции по передвижке крепи сопряжения и приводных головок забойного и завального конвейеров. В условиях шахты им. Ленина был опробован вариант отработки пласта III без предварительной отработки монтажного слоя, без гибкого перекрытия и без применения буровзрывных работ для выпуска мощной подкровельной пачки с использованием комплекса КТУ-2М. Мощность пласта составляла 9 м, угол падения 120, мощность подсечного слоя 2,6 м, мощность межслоевой пачки - 6,4 м. Основным осложняющим фактором была кровля пласта. Предполага-
лось, что она будет зависать, затем обрушаться крупными блоками, что вызовет осложнения по выпуску угля, поэтому было решено управлять процессом обрушения кровли. С этой целью в соответствии с предполагаемым шагом обрушения нижних слоев кровли (8-12 м) в пласте проводились на всю длину лавы штреки через 8-12 м. Из штреков кровля обурива-лась, производилось взрывание шпуровых зарядов, таким образом, очередной штрек погашался. С отставанием от штрека 6-12 м велась отработка подсечного слоя с выпуском угля через выпускные окна в секциях крепи КТУ.
Эксперимент оказался неудачным, но идея самообрушения подкровельной толщи была подтверждена. Главным осложняющим фактором при выпуске был большой выход негабаритов и трудность выпуска угля через выпускные окна секций.
Для отработки мощных пластов с выпуском подкровельной и межслоевой пачки угля был разработан и испытан комплекс КНКМ. Он предназначен для отработки мощных пластов с углом падения до 350, обеспечивает выемку монтажного и подсечного слоя на максимальную мощность до 5 м. Для настила гибкого перекрытия и выпуска угля из межслоевой пачки в конструкции комплекса предусмотрены: устройство для укладки гибкого межслоевого перекрытия (из металлических полос и сетки) и выпуска при работе в верхнем слое; люк с затвором в ограждающей части секции, управляемый гидроцилиндром и направляющим лотком для выпуска угля из межслоевой пачки на забойный конвейер; пики для разрушения угля, размещенные в верхняке с его завальной стороны и в люке.
Технологическая схема с выпуском межслоевой пачки угля предполагает возведение гибкого перекрытия в монтажном слое. Как в монтажном слое, так и в подсечном, используется комплекс КНКМ. Раскройка пласта мощностью 9-9,5 м производится следующим образом: мощность подсечного и монтажного слоев составляла - 3,8 м, мощность меж-
слоевой пачки изменялась от 1,4 м до 2 м. Сначала отрабатывался монтажный слой, затем с отставанием 40-60 м подсечный слой с выпуском угля из межслоевой пачки.
Анализ опыта отработки пласта в условиях шахты им. Ленина с комплексом КНКМ позволил выявить:
- межслоевая пачка угля мощностью 1,6-1,65 м разрушается в зоне опорного давления и сомо-обрушается за козырьком крепи. Разрушение происходит в направлении снизу вверх, нижние слои угольной пачки разрушаются на более мелкие куски сравнительно с верхними. Разрушение сопровождается расслоением пачки, мощность слоев изменяется в пределах 0,4-0,5 м;
- выпуск угля межслоевой пачки происходил неудовлетворительно, при этом выявлено две основные причины: близкое расположение выпускного люка к козырьку крепи и недостаточные размеры выпускного люка. Уголь верхнего слоя межслоевой пачки обрушается большими кусками, размеры которых превышают размеры люка, а верхняя пика, предназначенная для разрушения негабаритов, оказалась неэффективной;
- выпуск угля в направлении снизу вверх (от конвейерного штрека к вентиляционному), предусмотренный технологической схемой оказался неэффективным из-за больших потерь угля. Более эффективным оказался выпуск угля в направлении от вентиляционного штрека к конвейерному при остановленном комбайне [3].
В сводной таблице представлены показатели работы различных комплексов с выпуском угля из межслоевой (подкровельной) толщи угля. В Венгрии в 1980-х г. была создана конструкция огради-тельно-поддерживающей щитовой крепи ВХП-730 [4]. Недостатком данного технического решения является сложность обеспечения качественного закрытия углеспускного люка из-за трудности управления люком, что не позволяет своевременно остановить выпуск и обеспечить безопасность технологии выпуска. Таким образом, анализ существующих механизи-
рованных крепей с выпуском из подкровельной толщи позволил установить, что наиболее благоприятные условия для выпуска создаются в завальной нижней части механизированной крепи.
Кроме того, исследованиями геомеханических процессов при выпуске сыпучего материала, проведенными в ИГД СО РАН установлено, что если выпускные отверстия рассредоточить по площади, а расстояние между центрами подобрать таким образом, чтоб зоны потока пересекались, то при одновременном дозированном выпуске сыпучего материла в пространстве над выпускными отверстиями образуется единый поток движущегося сыпучего материла.
С учетом этого предложена секционная механизированная крепь с принудительным и управляемым выпуском самообрушаю-щегося угля из межслоевой толщи (рис. 1), которая включает комбайн (не показан), забойный скребковый конвейер 2 и секционную механизированную крепь 3. Секция крепи состоит из перекрытия 4 с гидроцилиндром выдвижения 9, рамы 5, основания 6, гидростоек 7 и верхняка 8. Гидродомкраты передвижения (не показаны) установлены на основании 6 и связаны с забойным скребковым конвейером 2. Устройство 10 для выпуска самообрущающегося угля из межслоевой толщи 11 выполнено в виде жесткой плиты 12, который принудительно выпускает уголь на завальный скребковый конвейер 13. Для возвратнопоступательного перемещения жесткой плиты 12 плунжерный питатель 14 снабжен гидроцилиндром 15 (рис. 1, 2).
Силовые полости 19 рабочего и 20 обратного хода жесткой плиты 12 (рабочего органа) посредством магистральных трубопроводов 21 и 22 присоединены к общему для группы плунжерных питателей 14 (рис. 2) пульту 23 управления работой гидроцилиндров 15.
Для организации управления площадным выпуском самообру-шающегося угля из межслоевой толщи необходима одновременная работа группы плунжерных питателей 14 на завальный скребковый конвейер 13. Причем желательно, чтобы производительность плун-
Рис. I
Рис. 1. Принципиальная схема секции механизированной крепи с управляемым дозированным выпуском угля на завальный конвейер
21/ 22/ 16/ 12/ 25/ 24/
Рис. 2. Схема управления питателем
жерного питателя 14 была как можно меньше, что позволит включать в работу большое их количество, тем самым организовать больший размер зоны потока.
На приведенной схеме (рис. 2) показана группа из восьми плунжерных питателей 14. Для осуществления непрерывного процесса транспортирования угля организуют работу группы из двух подгрупп. В одной подгруппе А из четырех плунжерных питателей 14 ведут рабочий цикл выгрузки угля, в это же время во второй подгруппе В ведут обратный ход и уголь не грузят. В следующий период - наоборот. Это обеспечивает непрерывную погрузку угля и позволяет полностью равномерно загружать завальный скребковый конвейер 13, охватывая большую площадь забоя. На приведенной принципиальной схеме показан вариант, когда подгруппы набраны сосредоточенными. Возможен вариант, когда плунжерные питатели 14 включены в противофазе через один, то есть, например, четные питатели 14 включены в одну группу, а нечетные - в другую.
Каждый из плунжерных питателей 14 подсоединен к магистральным трубопроводам 21 и 22 посредством пусковых кранов 24 и 25 и присоединительных шлангов
26, 27. Используя эти краны 24, 25 и присоединительные шланги 26,
27, набирают группы плунжерных питателей 14 в механизированной крепи, при которых обеспечивается выпуск самообрушающегося угля большими зонами потока.
Механизированная крепь с принудительным выпуском из подкровельной толщи работает следующим образом. Выемку почвенной толщи угля комбайном лентой толщиной 0,6-0,8 м и перемещение секций механизированной крепи 3 осуществляют известными технологическими операциями. Выпуск самообрушающегося угля ведутся плунжерными питателями 14 при их одновременной работе.
По техническим возможностям завального скребкового конвейера 13 определяют количество одновременно работающих плунжерных питателей 14, который имеет рабочий ход при выгрузке угля на скребковый конвейер 13, и обрат-
ный ход, когда рабочий орган (жесткая плита 12) внедряется в завал угля. Для обеспечения равномерной работы завального скребкового конвейера 13 необходимо, чтобы во время обратного хода одной части питателей 14, другая их часть работала на выгрузке угля.
Скорость перемещения жесткой плиты 12 зависит от давления в полости 19 рабочего хода. Изменяя давление, путем использования регулируемого по производительности гидронасоса, можно в широких пределах менять производительность плунжерных питателей 27, а, следовательно, и скорость опускания самообрушающегося угля в межслоевой толще 11. Так как плунжерные питатели 14 равномерно работают всей рабочей поверхностью, то при ограниченных (по длине) размерах жесткой плиты 12 в отработанном пространстве будет наблюдаться рав-
номерно опускающийся столб угля. Ввиду того, что плунжерные питатели 14 расположены на расстоянии 0,6 м друг от друга (малое расстояние по сравнению с поперечным сечением жесткой плиты 12 в плане), образуется единый поток над всеми одновременно работающими питателями 14, что исключает зависания угля и снижает засорение пустыми породами.
Одновременная работа группы питателей 14 обеспечивает выпуск угля на больших площадях общим потоком с управляемой скоростью, что минимизирует потери и засорение пустыми породами при разработке мощных угольных пластов. За счет большой площади потока угля исключается его зависание, создаются благоприятные условия для обрушения пород (кроме труд-нообрушаемой кровли, где требуется специальные технологические приемы), что уменьшает динами-
ческие нагрузки на крепь, а наличие единого потока исключает засорение угля со стороны кровли. Таким образом, механизиро-
ванная крепь с выпуском угля позволяет осуществить полный, принудительный управляемый выпуск угля из подкровельной (межслое-
вой) толщи и при этом обеспечить безопасную и эффективную работу очистного забоя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сагинов А.С., Жетесов С.С. Совершенствование технологии выемки мощных пологих угольных пластов. -Алма-Ата; Казакстан,1981. —23 с.
2. Саламатин А.Г. Подземная разработка мощных пологих угольных пластов. - М.: Недра, 1997. - 407 с.
3. Шундулиди И.А., Марков А.С., Калинин С.И, Егоров П.В. Выбор параметров технологии отработки мощных
пологих пластов с выпуском межслоевых и подкровельных пачек угля. - Кемерово: Кемеровское отделение Академии наук, 1999. - 258 с.
4. Механика горных пород и механизированные крепи. Отв. Ред.: академик Е.И. Шемякин, член-корр. Ван Л. Ка-пойи. Институт горного дела СО АН СССР. 1985
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Клишин Владимир Иванович - доктор технических наук, зам. директора по науке, Институт горного дела СО РАН. Власов Владимир Никифорович - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Институт горного дела СО РАН. Кубанычбекуулу Бакыт - аспирант, Институт горного дела СО РАН.
© В.П. Конлрахин, А.И. Хииенко, 2003
УЛК 622.232.7
В.П. Конлрахин, А.И. Хииенко
ИМИТАЦИОННОЕ МОАЕАИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОА
Изучение закономерностей формирования усилий и гранулометрического состава продуктов при резании угля и горных пород необходимо для исследования и оптимизации рабочих процессов породоразрушающих машин. В настоящее время достаточно полно разработаны вопросы имитационного моделирования нагрузок на рабочих инструментах при выемке угля очистными комбайнами. Следует подчеркнуть, что вполне решенной можно считать только задачу моделирования средних нагрузок при резании углей и горных пород. Вопросы измельчения угля при резании также исследованы достаточно полно, в то время как для других полезных ископаемых и горных пород закономерности измельчения при резании исследованы недостаточно.
Для широкого распространения методов имитационного моделирования в практику исследования и проектирования породоразрушающих машин необходимо разработать достаточно общую и простую модель формирования динамических составляющих нагрузок на их рабочих инструментах при резании широкого класса горных пород и полезных ископаемых. Модель должна содержать минимальное количество параметров, требующих экспериментального определения или идентификации.
Предлагаемая математическая модель процесса резания позволяет определить мгновенные значения усилий резания и подачи, а также гранулометрический
состав продукта резания. При зании пород боковым усилием можно пренебречь, так как в большинстве случаев оно мало по сравнению с усилиями резания и подачи. При резании угля ние модели для определения венных значений бокового усилия затруднительно ввиду отсутствия его корреляции с усилием рения. Разработанная модель процесса резания основана на представлении процесса в виде потока случайных событий - единичных актов разрушения (сколов). ная модель имеет малое число параметров, что по-ляет ее использовать для широкого класса пород, для которых определение параметров математической дели весьма затруднительно. Учет сопротивляемости пласта резанию, изменения геометрических пара-ров резца в процессе резания, а также других фак-ров, влияющих на формирование нагрузки на резце комбайна, производится косвенным путем через деление средних усилий резания и подачи в вии с ОСТ 12.44.197-83.
При моделировании процесса резания по предлагаемой модели усилие резания на резце в каждый момент времени определяется как сумма усилий, формируемых в каждом 1-том единичном акте разрушения:
«2
2(г) =£г,,
,=«
где N1, N2 - порядковые номера первого и последнего из начавшихся, но еще не закончившихся единичных актов разрушения; - усилие резания, формирующееся в каждом единичном акте разрушения:
2 = ]с„АХ,(г), АХ,(г) < Рск{Сп;
'■ [0, АХ,(г) > Рск/Сп,
