Методика выбора очистного механизированного комплекса для конкретных горно-геологических условий Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Ю.Ф. Васючков, акад. РАЕН, проф., д.т.н.

Е.П. Брагин, проф., д.т.н.

Московский государственный горный университет

МЕТОДИКА ВЫБОРА ОЧИСТНОГО МЕХАНИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ПЛЯ КОНКРЕТНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

На шахтах Российской Федерации основной объем угля подземным способом добывается с применением комплексной механизации. С переводом угольной промышленности РФ на рыночные отношения острым становится вопрос о конкурентоспособности добываемого угля на мировом рынке. Высокие качество угля и экономическая эффективность его добычи могут быть обеспечены только при условии использования современных технологических процессов и оборудования, в полной мере соответствующих мировому научнотехническому уровню. Такие процессы и оборудование для различных горногеологических условий созданы и в мировой практике широко используются. В связи с открытостью мирового рынка имеется реальная возможность приобретения и оснащения очистных забоев на отечественных шахтах в благоприятных горногеологических условиях механизированными комплексами лучших предприятий и фирм. В этих условиях приобретает особое значение обоснованный выбор очистных механизированных комплексов для конкретных условий при планировании и проектировании горных работ.

Однако анализ работы очистных забоев в разных бассейнах России, как и других стран, показывает, что выбор всех средств комплексной механизации, и даже базового оборудования механизированных комплексов - механизированных крепей -осуществляется, как правило, без необхо-

димых обоснований. Нередко к применению принимаются механизированные крепи имеющиеся в наличии, без должного учета их соответствия по основным параметрам назначения конкретным, постоянно усложняющимся горно-геологическим и горнотехническим условиям. При этом на практике характерным становится исчерпание предела раздвижности секций крепи за время технологического цикла в условиях труднообрушающихся пород из-за недостаточной несущей способности, обрушение неустойчивых пород в поддерживаемое пространство, продавливание опорных элементов крепи в слабые вмещающие породы, сползание секций при передвижке на наклонных пластах и так далее. Это приводит во многих случаях к возникновению опасных ситуаций, существенному снижению технико-экономических показателей подземной разработки угля.

Оборудованием, определяющим тип, типоразмер и особенности механизированного комплекса является механизированная крепь. Выбор новых и проверку применяемых механизированных крепей во всех случаях целесообразно осуществлять поэтапно, оценивая их соответствие основным факторам, определяющим горно-геологические и горнотехнические условия [1,2]:

• минимальной и максимальной мощности пласта в пределах поля:

• углу падения пласта в лаве;

• опусканию кровли в поддерживаемом пространстве в течение технологического цикла;

• взаимодействию очистного забоя с породами кровли и нагружению крепи деформирующимися породами;

• вдавливанию опорных элементов в породы кровли и почвы;

• длине лавы.

Для выбора рациональной механизированной крепи конкретные горногеологические условия очистного забоя задаются исходными данными, основными из которых принимаются:

• средняя мощность пласта в пределах поля,

На каждом из последующих этапов отбор осуществляется из числа крепей, отобранных на предыдущем этапе. После отбора крепей по всем техническим факторам в качестве рациональной принимается крепь, в полной мере соответствующая всем основным и дополнительным условиям.

Порядок выбора крепи

На основании заданных значений средней мощности пласта в пределах поля тср и отклонений мощности от среднего значения Ат определяются минимальная и максимальная мощности пласта

М.иин ~ СО

• отклонение мощности пласта от среднего значения в пределах поля,

• угол падения пласта,

• прочность пород кровли на изгиб,

• средняя плотность пород кровли,

• прочность нижних слоев прод кровли на вдавливание,

• прочность пород почвы на вдавливание,

• длина лавы,

По исходным данным из информационных источников или компьютерного банка данных осуществляется поэтапный отбор соответствующих условиям механизированных крепей.

жиальная (б) высоты механизированной крепи

т»акс - тСр + Лт (2)

2. Минимальная и максимальная конструктивные высоты крепи (рис. 1) должны соответствовать мощности пласта и опусканию в режиме заданной деформации пород кровли в пределах поддерживаемого пространства очистного забоя за период технологического цикла и может быть определена из известных выражений

**мин.К Ш.иин ~ Из ~ @кр (3)

Нмакс к Ммакс ~ ^ &кр (4)

где уср - средняя плотность пород кровли, т/м3;

тмакс - максимальная вынимаемая мощность, м;

g - ускорение свободного падения,

"I

м/с ;

/„ - длина поддерживающей части перекрытия секции, м; г- ширина захвата, м; г/ - расстояние от забоя до конца перекрытия крепи, м;

<7и - прочность пород кровли на изгиб, МПа.

Рис. 2. Схема нагрумсения механизированной крепи деформирующимися породами кровли

5. Среднее удельное давление на кровлю и почву рассчитывается с учетом максимальной нагрузки на крепь и несущей способности кровли и почвы.

Возможность вдавливания верхнего перекрытия крепи в кровлю или основания в почву зависит от величины максимальной реакции секции крепи и площади опоры.

Расчетные удельные давления на кровлю и почву

где - удельное давление на кровлю или почву по характеристике, МПа;

Ях - сопротивление крепи по характеристике, кН/м2.

6. Механизированные крепи в поставке должны иметь длину, не меньшую заданной длины лавы.

7. Необходимо также учитывать возможность пропуска по лаве расчетного количества воздуха с допустимой скоростью, трудоемкость монтажа и обслуживания лавного оборудования, его освоенность, стоимость, фактическое наличие, возможность его)приобретения и соответствие технических решений современному мировому уровню.

Другое комплектующее оборудование механизированных комплексов выбирается в соответствии с условиями залегания пласта и принятой крепью с использованием информационных материалов - каталогов, проспектов, справочников отечественных издательств и зарубежных фирм.

Имеющиеся информационные материалы позволяют выполнить анализ технического уровня современных механизированных комплексов отечественного и зарубежного производства, а также установить тенденции их развития на предстоящие периоды.

При определении технического уровня механизированных крепей рассматриваются и сравниваются их конструктивные схемы, основные показатели назначения и качества, в том числе предусмотренные [3], а также наиболее общие конструктивные решения. Определяются требования к крепям для конкретных условий бассейна, соответствующие мировым.

Преимущественное распространение во всех диапазонах мощностей имеют под-держивающе-оградительные крепи, обеспечивающие устойчивое и достаточное по величине сечение поддерживаемого пространства, возможность получения высокого удельного сопротивления крепи. При этом поддерживаюгце-оградительные крепи могут быть представлены как в 4-х стоечном исполнении (с формулой 2+2), так и в 2-х стоечном. Характерной является тен-

денция увеличения шага установки секций крепи. Более 75% современных крепей имеют шаг установки 1.5 м, а часть крепей даже 2,0 м. Лишь 24 % современных крепей имеют шаг установки 1.1 м.

Удельное сопротивление механизированных крепей с увеличением вынимаемой мощности пластов имеет тенденцию к увеличению. Такая тенденция отчетливо проявляется в крепях зарубежного производства. В отечественных крепях во многих случаях закономерность роста удельного сопротивления с увеличением вынимаемой мощности нарушается, что нельзя считать нормальным. Так удельное сопротивление отечественных крепей оградительно-поддерживающего типа при изменении максимальной мощности обслуживаемых пластов с 2,2 до 4,3 м практически остается неизменным и равным 600 кН/м , что может привести к значительной перегрузке крепи при мощностях, превышающих 2,5-3,0 м (20КП70, 20КП70К, ЗОКП70 и др.). Не является также обоснованной величина удельного сопротивления ряда отечественных крепей поддерживающего и поддержи-вающе-оградительного типов (МТ, 2М144, ЗМ144, М138, 1М103 и др.).

Одним из силовых параметров, определяющих характер силового взаимодействия механизированных крепей с массивом, являются коэффициент начального распора. Анализ показывает, что коэффициент начального распора колеблется по рассмотренным зарубежным крепям от 0,52 (Фазос 15/31-Оз и др.) до 0,93 (Фазос 073/17) и в среднем составляет 0,75, по отечественным крепям - от 0,4 (ОКП70) до 0,9 (1КД90) и в среднем составляет 0,69.

Удельное давление на почву у отечественных механизированных крепей (в среднем 1,9 МПа), ниже чем у зарубежных (в среднем 2,04 МПа). Вместе с этим в практике имеют место многочисленные случаи вдавливания ("запахивания") передних или завальных частей оснований кре-

пей в слабые породы почвы. Увеличение опорной площади секций за счет применения удлиненных оснований, заходящих под конвейер (у крепей СЖП70, МК75, ЗМ144, УКП5), не исключает вдавливания оснований. Выполненные исследования показывают, что удельное давление на почву по длине основания крепи распределяется неравномерно, максимальные значения существенно превышают средние (в 3-5 раз); при этом удлинение основания на 0,8 м уменьшает максимальные значения удельных давлений не более, чем на 0,5 %, что не может иметь практического значения. Для улучшения управляемости секций на слабых породах почвы, подъема вдавленных оснований перед передвижкой в зарубежных крепях широкое распространение получило применение оснований в виде сдвоенных балок типа "катамаран" с шарнирным соединением или сплошным коротких оснований с механизмами подъема, позволяющими поднимать носок основания перед передвижкой секций.

С целью повышения универсальности оборудования механизированных комплексов, возможности его безопасного использования на наклонных и даже крутонаклонных пластах современные механизированные крепи и лавные конвейеры для таких условий должны оснащаться специальными устройствами, предотвращающими их сползание по падению при передвижке.

Характерной особенностью механизированных крепей нового технического уровня является стремление полностью исключить просыпание пород кровли в поддерживаемое пространство очистного забоя. Это достигается уменьшением расстояния между козырьками перекрытий и забоем, применением выдвижных козырьков, раздвижных боковых щитов на перекрытиях и ограждениях, управляемых гидродомкратами, заряженного исходного положения секций, позволяющего обеспечить передвижку секций вслед за проходом рабочего органа

выемочной машины без отставания. Для отечественных крепей техническое требование по увеличению коэффициента затяжки кровли до 0,90 включено в [3].

Для перекрытий механизированных крепей характерны варианты, включающие сплошные жесткие перекрытия, конструкции с управляемой передней консолью и с выдвижными козырьками. Притом сплошные перекрытия наибольшее распространение получают на пластах малой мощности. Для пластов средней мощности и мощных (от 2,2-2,5 м и выше) практически все крепи оснащаются средствами защиты от падения отжатого угля. Преимущественно это ограждающие конструкции, шарнирно закрепленные к консольной части перекрытия, управляемые гидродомкратами и не имеющие силового контакта с забоем. Исключение, которое нельзя считать перспективным, составляют крепи ЗОКП70, М130, КМ700/800 и некоторые другие, оснащаемые механизмами удержания прижимного типа. Оригинальным и возможно перспективным является техническое решение по защитному устройству на крепи Фазос 09/22-ОзМ, представляющее управляемое гидравликой ограждение (щит) над завальным бортом лавного конвейера.

Управление секциями отечественных механизированных крепей в большинстве случаев осуществляется вручную дистанционно, (с соседних секций. Однако большинство зарубежных крепей оснащаются электронно-гидравлическими и микропроцессорными системами автоматического управления, обеспечивающими гарантированный уровень распора секций, улучшение состояния кровли, ускорение процессов передвижки крепи, сокращение численности обслуживающего персонала и повышение безопасности работ.

В условиях строящихся рыночных отношений шахт с предприятиями отечественного машиностроения и лучшими зарубежными фирмами повышаются возможно-

сти обеспечения очистных забоев современным оборудованием, в полной мере соответствующим мировому научнотехническому уровню. Анализ опыта работы передовых угольных предприятий отрасли показывает, что выполненный на стадии проектирования и реализованный при монтаже очистных забоев технически обоснованный выбор оборудования механизированных комплексов, как правило, позволяет получить высокие техникоэкономические результаты и обеспечить высокую безопасность горных работ.

Пример. Осуществить выбор рационального механизированного комплекса для очистного забоя по пласту "Степановскому" шахты "Восточная" АО "Ростовуголь"

Исходные данные

1. Средняя мощность пласта в пределах поля, м 1,2

2. Отклонение мощности пласта от среднего значения в пределах поля,

м 0,1

3. Угол падения пласта, град 34

4. Прочность пород кровли на изгиб,

Мпа 0,1

5. Средняя плотность пород кровли,

т/м3 2,5

6. Прочность нижних пород кровли на

вдавливание, МПа 3,2

7. Прочность пород почвы на вдавли

ванне, МПа 2,2

8. Длина лавы, м 200

На основе сопоставления исходных условий с характеристиками механизированных крепей по информационным материалам, а также расчетов по пп 1-6, механизированные крепи, соответствующие исходным условиям:

• по мощности пласта: Ml37 (СНГ), 1М88 (СНГ),КМ09/15К(СНГ),

Глиник 055/15 Озс (Польша), Глиник 066/16 Озс (Польша). QY 200/5.5/17 (Комп. Китай), 2КД90 (СНГ), 1МТ (СНГ), Ml43(СИГ), Глиник 07/17 Озк (Польша), Глиник 08/22 03 (Польша), Фа-

зос073/17 Оз(Польша), Фазос 09/22 03м (Польша);

• по конструктивным высотам:

М137, 1М88, КМ09/15К, Глиник 055/15. QY200/5.5/17, 2КД90,

Ml43, Глиник 08/22 Оз, Фазос 073/17;

• по углу падения: Ml 37.

КМ09/15К, 2КД90, М143, Глиник 08/2203

• по нагрузке на крепь: Ml 37,

КМ09/15К, 2КД90. М143. Гли-ник08/22 Оз;

• по вдавливанию опорных элементов: М137, КМ09/15К.

2КД90.М143, Глиник 08/22 Оз;

• по длине лавы: Ml37, КМ09/15К, 2КД90, Ml43, Глиник08/220з.

•

Механизированные крепи, соответствующие исходным условиям по всем техническим факторам приведены в табл.

С учетом рассмотренных технических факторов, а также возможности получения крепей и комплексов в целом, их стоимости, трудоемкости доставки, монтажа, эксплуатации, соответствия мировому научно-техническому уровню, в качестве наиболее рациональных принимаются механизированная крепь Глиник 08/22 Оз (Польша) и соответственно механизированный комплекс - Глиник 08/22 Оз (Польша) с комбайном КВБ З РНС и конвейером "Рыбник".

Таблица

Показатели Тип крепи

М137 СНГ КМ 09/15К СНГ 2КД90 СНГ М143 СНГ Глшшк08/220э Польша

Вынимаемая мощность пласта, м ШИ) 0,80 1,00 1,10 0,90 1.00

шах 1,40 1,50 1,50 1,50 2,00

Конструктивная высота м пип 0,560 0,760 0,710 0.710 0.800

шах 1.300 1,525 1,450 1.500 2.200

Угол падения пласта, градусы 35 35 35 35 35

Удельное сопротивление крепи, кН/м 450 420 500 640 560

Удельное давление, МПа на кровлю 0.50 0,42 0,50 0.64 0,70

на почву 1,32 2,00 1,50 1.60 1,20

Длина креста в поставке, м 200 200 200 200 200

Ширина захвата комбайна, м 0,80 0,63 0,80 0,80 0,60

Расстояние от козырька до забоя, м 0,20 0,30 0.23 0,30 0,45

Расстояние от забоя до передней стойки, м 3,14 2,51 2,25 2.40 2,40

задней стойки, м 3.94 4,40 3.55 3.10 2,95

Запас хода крепи на разгрузку, м 0,05 0,10 0,10 0,10 0,10

Длина перекрытия крепи, м 4,13 3.67 3,54 3.10 .. 2.74 .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васючков Ю.Ф Горное депо.: Недра,

1990

2. Васючкда. Ю.Ф.. Брагин Е.П Выбор ме каптированных комплексов с учетом повышения

безопасности горных работ.: Безопасность труда в промышленности, К II, 1996,с. 25-28.

3. ГОСТ 28597-90 "Крепи механизированные для лав. Основные параметры. Общие технические требования”

О Ю.Ф.Васючков, Е.П.Брагин