CC BY
102
УДК 622.232.7
ПРОВЕДЕНИЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПРОХОДЧЕСКИМ КОМБАЙНОМ С КОМБИНИРОВАННЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ОРГАНОМ
Виктор Никитович Лабутин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)217-09-63, e-mail: [email protected]
Рассмотрена принципиальная возможность применения комбинированного способа разрушения, сочетающего резание с ударом, при проходке горных выработок со сложной структурой забоя. Дана оценка удельной энергоемкости разрушения и производительности при проведении горной выработки сечением 12м .
Ключевые слова: проходка, горная выработка, комбайн, исполнительный орган, забой, резание, ударное разрушение.
MINING WITH HEADING MACHINES EQUIPPED WITH A COMBINATION TOOL
Victor N. Labutin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, tel. (383)217-09-63, e-mail: [email protected]
The author considers principal feasibility of cutting and impact combination method to break rocks in drivage of complex structure faces. Destruction energy input and production output are evaluated in terms of driving an excavation with a cross section area of 12 m2
Key words: heading, excavation, heading machine, tool, face, cutting, impact fracture.
Производительность добычи полезных ископаемых подземным способом находится в прямой зависимости от темпов горноподготовительных работ. Растущие темпы воспроизводства очистного фронта горных работ ставят задачу создания новых более производительных технологий комбайновой проходки горных выработок. Основными способами проведения горных выработок в мировой практике являются буровзрывной и комбайновый (преимущественно на основе комбайнов избирательного действия).Эффективность горнопроходческих работ в значительной степени определяется конструкцией применяемых средств механизации, их технической производительностью и энергоемкостью разрушения горной массы, которые во многом зависят от прочности и способа разрушения горных пород. Среди известных способов разрушения наибольшее распространение получили механические: взрывной, резание и ударный. Расширяется область применения гидравлического, термического и комбинированных способов.
Буровзрывной способ характеризуется относительно малой энергоемкостью разрушения пород, простотой и универсальностью, однако имеет и недос-
татки: высокую стоимость ВВ, цикличность работ, повышенную опасность, сейсмическое воздействие на окружающую среду, и др. Поэтому, несмотря на постоянно проводимую его модернизацию, этот способ разрушения продолжает вызывать беспокойство за последствия его широкого применения.
Разрушение резанием обладает одним из важных критериев оценки перспективности его применения - технологичностью, т.е. возможностью создания высокопроизводительной технологии с механизацией и автоматизацией всех операций добычного цикла. Резание наиболее эффективно на углях и горных породах ниже средней крепости.
Ударный способ разрушения позволяет получить на лезвии инструмента в момент удара большие усилия (3-4 МН), что обеспечивает высокую производительность, особенно при режиме послойного разрушения со снятием стружек увеличенной толщины. Относительная эффективность его в сравнении с резанием повышается с увеличением крепости горных пород.
В последние годы в горной промышленности начинают применяться комбинированные способы, основанные на сочетании различных механических способов разрушения с гидравлическим, термическим и электрофизическим.
Работы по изучению комбинированного гидромеханического способа разрушения пород и созданию на его основе новых конструкций исполнительных органов проходческих комбайнов ведутся с 70-х годов прошлого столетия: в России в ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского и ТулГТУ [1,2]; за рубежом известными фирмами: «Роббинс» (США), «Вирт» (ФРГ), «Доско», «Андерсон Стрэсклайд» (Великобритания) и др. [3]. Экспериментально было установлено, что применение в исполнительных органах проходческих комбайнов высокоскоростных струй воды давлением более 120 МПа в сочетании с механическим инструментом (резцами или дисковыми шарошками) позволяет: снизить на 30-40% усилия резания и подачи, значительно уменьшить износ механического инструмента и пылеобразование [4]. При проведении горной выработки по известнякам прочностью 110-135 МПа комбайном «Доско МК2А» с девятью насадками было достигнуто двукратное увеличение скорости проходки при двукратном же снижении удельных энергозатрат [3]. К недостаткам этого способа следует отнести конструктивные сложности подвода воды под высоким давлением (300-400 МПа) к забою, быстрый износ форсунок, необходимость подключения значительной дополнительной мощности, невозможность их работы в среде с отрицательной температурой.
Таким образом, на прогнозируемый период по-прежнему основными способами разрушения горных пород являются взрывной и механические. Привлекательность механических способов разрушения заключается в их технологичности, хорошей адаптации к горно-геологическим условиям, возможности реализации разрушения пород выше средней крепости, разрабатываемых в настоящее время с применением взрыва.
Применяемые за рубежом проходческие комбайны, оснащенные ударным исполнительным органом [5-7], идентичны по своей конструкции и отличаются лишь габаритными размерами, ходовыми механизмами и энергетическими па-
раметрами ударных устройств. Они предназначаются для проведения выработок по углю и горным породам прочностью 60^100 МПа, а также для дробления крупных кусков породы на почве выработки, и состоят из ходовой части, привода, телескопической стрелы и, как правило, одного ударного механизма, работающего по схеме «в лоб забоя».
Многочисленные исследования, проведенные в нашей стране, в том числе в ИГД СО РАН [8,9], показали, что эффективность ударного разрушения горных пород во многом зависит от выбранной схемы разрушения. Наибольший эффект достигается при послойной схеме, когда забой имеет две обнаженные поверхности, а инструмент наклонен к одной из них под углом 20^30° (отбойка сколом). Для создания двух плоскостей обнажения при проходческих работах необходимо образовать вруб, при производстве которого используется отбойка способом выкола - равнозначно часто встречаемому термину «разрушение в лоб забоя», когда инструмент наклонен к поверхности забоя под углом близким к 90°. Энергоемкость процесса отбойки этим способом, согласно проф. Ю.И. Протасову [10], на два порядка выше, чем при разрушении сколом. О низкой эффективности отбойки выколом свидетельствует тот факт, что затраты времени на образование вруба при проведении горной выработки составляют около 50% продолжительности проходческого цикла в целом [11].
В угольной промышленности РФ ежегодно проводятся большое количество горных выработок (около 1000 км), почти половина из них составляют выработки смешанным забоем, массив которого содержит уголь и вмещающие породы прочностью 60^80 МПа и более. Производительность проходческих комбайнов с режущими исполнительными органами в подобных условиях резко падает. Учитывая неоднородность строения смешанного забоя горной выработки, предлагается использовать комбинированную схему разрушения, основанную на использовании известных преимуществ: принципа резания и ударного
разрушения. Такая схема разрушения впервые была испытана на одной из росл
сыпных шахт Якутии [9] при проходке горной выработки сечением 7м проходческим комбайном ГПКС, оснащенным режущей коронкой с приводом 55 кВт и ударным исполнительным органом с энергией единичного удара 1700 Дж. На рисунке изображена схема экспериментального исполнительного органа. Основная часть забоя горной выработки была представлена многолетнемерзлыми крупнообломочными породами с включением кварцита крупностью до 0,1 м, с сопротивляемостью разрушению в среднем по забою 70-80 МПа, а нижняя -0,5 м (плотик) - коренными породами, состоящими преимущественно из глинистых сланцев, которые хорошо разрушались резанием.
Технологический процесс проведения выработки заключался в следующем. В первую очередь у почвы забоя (по плотику) с помощью режущей коронки проходился вруб, средняя высота которого составляла 0.6 м, а глубина соответствовала величине хода телескопа стрелы комбайна и равнялась 0.5 м. Затем оставшаяся часть забоя обрабатывалась ударным исполнительным органом последовательными сколами стружки в сторону обнаженной поверхности вруба. Толщина сколов колебалась от 0.15 до 0.35 м. В целом средняя часть за-
боя разрушалась эффективно: отделялись куски породы размером от нескольких сантиметров в поперечнике до крупных кусков размерами 0.5х 0.3 х 0.2 м. Окончательное доведение сечения выработки до проектных размеров осуществлялось путем снятия режущей коронкой комбайна приконтурного слоя толщиной 0,1^0,2 м, ослабленного ударными нагрузками.
Рис. Проходческий комбайн с экспериментальным исполнительным органом
На основании результатов комбинированного разрушения многолетне-мерзлых горных пород c точки зрения энергопотребления был сделан вывод, что для рассматриваемых условий разрушения при проведении горной выработки сечением 7 м2 средняя удельная энергоемкость по всему забою в 2,4 раза меньше энергоемкости, полученной при обработке забоя резанием.
Предлагаемая технологическая схема обработки забоя позволяет осуществлять работу режущим и ударным органами в условиях, где достигается максимально возможная эффективность отбойки горных пород. Расчеты, проведенные на основании экспериментальных данных показали, что техническая скорость проходки составила около 1 пог.м/ч., а эксплуатационная, при соответствующей организации ведения горных работ, может составить 10-12 пог.м/сут., что почти в 3 раза выше, чем проходка с применением буровзрывных работ.
С целью энергетической оценки комбинированного способа разрушения сложного по структуре забоя в сравнении с ударным и резанием, нами рассмотрен один из возможных вариантов проведения горной выработки сечением 12 м2. Учитывая характерную для горного массива неоднородность его структуры и физико-механических свойств слагающих пород, для упрощения расчетов условно принят забой выработки, нижняя часть которого высотой 0,8 м сложена породами с асж=40 МПа, а остальная часть - асж=80 МПа. В ка-
честве базовой машины принят проходческий комбайн избирательного действия среднего класса, оснащенный отбойной коронкой с приводом мощностью 100 кВт и ударным исполнительным органом с энергией единичного удара 2,5 кДж.
Технологический цикл проходки включает: образование вруба в забое с породой прочностью 40 МПа с помощью отбойной коронки диаметром 0,8 м на глубину подачи 0,6 м; разрушение центральной части забоя (асж=80 МПа) ударным исполнительным органом; и, наконец, обработку отбойной коронкой при-контурной («кутковой») части забоя толщиной 0,2 м. Следует заметить, что эта часть забоя, как показали эксперименты [11,12], является трудным участком для разрушения ударным инструментом. Производительность ударного разрушения здесь снижается по сравнению с разрушением центральной части забоя в 2^3 раза. Поэтому приконтурный слой толщиной 0,1^0,2 м, в определенной мере уже ослабленный ударной нагрузкой, можно разрушать отбойной коронкой, при этом достигается большая точность проектных отметок горной выработки и улучшается качество ее поверхности. Расчетные данные по удельной энергоемкости разрушения и производительности проходки для трех способов разрушения представлены в таблице.
Таблица
Способ разрушения Прочность породы, МПа Объем разрушения, 3 м Производительность разрушения, м3/ч Удельная энергоемкость, кВтПч/м Средняя уд. энергоемкость по забою, кВтПч/м Скорость проходки, пог.м/ч
Комбнированный
Образование вруба
резанием 4° 1,9 3° 3,3
Ударное разруше-
ние центральной 8° 4,25 12 1,5
части забоя 4,17 1,°2
Обработка контура
выработки резанием 8° 1,°5 6,° 16,6
Ударный
Образование вруба 4° 1,2 3,° 5,°
Обработка центр.
части забоя 8° 4,32 12 1,5
Обработка контура 2,4 °,54
выработки 8° 1,68 5, ° 3,°
Резание 4° 1,9 3° 3,3
8° 5,3 6,° 16,6 13,1 °,63
На основании этих данных можно сделать вывод о том, что сочетание резания и удара для разрушения забоя принятого варианта горной выработки позволяет по сравнению с проходкой обычным резанием увеличить ее скорость на 60% и в 3 раза снизить удельные энергозатраты на разрушение. При ударном разрушении забоя имеем самую низкую удельную энергоемкость, однако скорость проходки уменьшается по сравнению с комбинированным разрушением почти в 2 раза. И, наконец, проходка выработки проходческим комбайном, оснащенным резцовой головкой, характеризуется высокими энергозатратами, низкой производительностью и большим расходом режущего инструмента. Особенно пород прочностью выше 60 МПа и абразивностью более 15 мг.
Таким образом, сравнение комбинированного разрушения горных пород с резанием и ударным разрушением позволяет сделать следующие выводы.
Комбинированный способ разрушения, сочетающий основные преимущества резания - непрерывность процесса и чистоту обработки контура выработки, и удара - низкую удельную энергоемкость разрушения, является перспективным при проходке горных выработок со сложной структурой забоя с породными прослойками прочностью 60^120 МПа. Энергопотребление на разрушение в сравнении с резанием можно снизить в зависимости от структуры и прочности пород в забое в 2^4 раза и в таких же пропорциях увеличить скорость проходки.
Наибольший эффект от применения комбинированного способа ожидается при проходке выработок по смешанному забою с присечкой крепких пород, проведение которых в настоящее время остается актуальной задачей в горнодобывающей промышленности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Пушкарев А.Е., Щеголевский М.И. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: Изд-во АГН, 2000.343с.
2. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Г. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: ННЦГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2004. 645с.
3. Афендиков В.С., Топорков А.А., Чеботарева А.Н. Механизация проведения подготовительных выработок за рубежом. - М.: ЦНИЭИуголь, 1989. -98 с.
4. Мерзляков В.Г., Присташ В.В.Состояние и перспективы развития способов разрушения горных пород применительно к технологиям проведения горных выработок // Научн. сообщ. /ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1998. - Вып. 310. - С. 41-50.
5. Бузинник В.Н., Епифанцев Ю.К. Нешитин В.М., Коняшин Ю.Г. Проведение горных выработок машинами ударного действия. М.: ЦНИЭИуголь. - 1976.
6. Циферблат В.А. Навесные гидравлические и пневматические ударники фирмы «Ин-герсол-Рэнд». М.: НИИинформтяжмаш. - 1978.
7. Шрайман А.Л., Заяц И.Е. Опыт применения проходческих машин с ударным рабочим органом за рубежом. М.: ЦНИЭИуголь. - 1978.
8. Безвзрывная технология открытой добычи твердых полезных ископаемых /[Маттис А.Р. и др.] Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007.-337с.
9. Марков В.С., Лабутин В.Н., Ёлшин В.К. Безвзрывная разработка многолетнемерзлых россыпных месторождений подземным способом. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2014. -176 с.
1°. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. - М.: МГГУ, 1995.
11. Лабутин В.Н., Елшин В.К., Маркин В.С. Опыт применения ударных устройств для разработки россыпных месторождений в условиях многолетней мерзлоты.// Сб.науч.тр. Межд. Конф. «Проблемы и перспективы развития горных наук», посвященной 60-летию ИГД СО РАН. Т.2. Машиноведение. Геотехнологии.- Новосибирск: ИГД СО РАН, 2005.
12. Лабутин В.Н., Марков В.С. Перспективы применения комбинированного способа разрушения горных пород. / Ж. ГИАБ, №12, 2015
© В. Н. Лабутин, 2016
