CC BY
38
© В.В. Мельник, В.И. Медведков
2002
УДК 622.234.5
В.В. Мельник, В.И. Медведков
СКВАЖИННАЯ МЕХАНОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
С
озданием техники для обработки тонких и весьма тонких угольных пластов для шахт и гидрошахт занимались ШахтНИУИ, Донгипроуглемаш, МГИ-МГГУ, ИГТМ АН УССР, ИГД им. А. А. Скочинского, Гипроуглемаш, ДонУ-ГИ, ПНИУИ, ВНИИгидроуголь, НПО «Угле-механизация» и др. (табл. 1).
Из анализа результатов применения для отработки тонких угольных пластов техники, в том числе и представленной в табл. 1, следует, что основными их недостатками являются: низкая нагрузка на забой; высокая трудоемкость обслуживания; низкая надежность; ограниченная область применения по углам падения пласта и устойчивости кровли; значительные потери угля; неконтролируемость и неуправляемость положением выемочной машины; значительный объем нарезных и подготовительных выработок; низкая эффективность гидромониторного разрушения; отсутствие средств контроля полноты выемки угля в забоях, средств контроля и управления положением рабочего органа.
На основании проведенного анализа применения всевозможных устройств для обработки тонких пластов в МГИ-МГГУ и ВНИИгидроуголь были разработаны требования к механогидравлическому агрегату и к его исполнительному органу [1]:
1. Разрушение угля должно производиться механическим путем, а транспортирование угля из забоя - гидравли—
5. Высокая наработка на отказ, чтобы с вероятностью, близкой к единице, можно было бы гарантировать его безаварийную работу во время выемочных циклов и регулярного осуществления плановых осмотров и ремонтов на аккумулирующем или вентиляционном штреках. В случае невозможности достижения требуемого уровня надежности исполнительного органа должна быть обеспечена возможность его извлечения из выемочной камеры на штрек без проведения к забою дополнительных выработок.
Реализация одновременно всех указанных требований представляет весьма сложную задачу, и поэтому для их выполнения агрегат АСМ предлагается выполнить в двух модификациях: с исполнительным органом постоянной ширины захвата Вз = const (модель АСМ-1: Вз > 5 м, m = 0,81 -1,2 м, а = 15-350) и исполнительным органом переменной ширины захвата (модель АСМ-2: Вз. < 5 м, m = 0,6-0,8 м, а = 5-350).
Рассмотрим некоторые особенности исполнительных органов указанных моделей агрегата АСМ.
Исполнительный орган агрегата АСМ постоянной ширины захвата представлен на рис. 1-2 и включает:
• основные режущие барабаны с гидрокинематическими передачами (ГКП);
• расширительные режущие барабаны, выполненные в виде вращающихся корпусов или режущих штанг;
• водопроводный коллектор на опорной лыже для подвода воды исполнительному органу и для удержания режущих барабанов при выемке угля или проведении первичной камеры;
• режущие цепи, ограждающие пространство, занятое трубами коллектора, соединенными с центральной трубой ГКП;
• гидроцилиндры зарубки, предназначенные для вы-
ческим, что и предопределило тип агрегата как «механо-гидравлический».
2. Обеспечение полноты выемки угля. При механическом способе разрушения это может быть реализовано, например, при применении барабанного исполнительного органа.
3. Достижение нагрузки не ниже 1000 т/сут при мощности пластов в диапазоне 0,6-1,2 м. Для реализации этого требования агрегат должен иметь существенно более высокую приводную мощность, чем аналоги.
4. Максимальная механизация монтажнодемонтажных операций для снижения трудоемкости обслуживания агрегата.
вода исполнительного органа со стартовой площадки при проведении первичной камеры для вывода его на штрек в конце очистной выемки угля обратным ходом;
• узлы стыковки отдельных режущих барабанов, режущих штанг;
• механизм синхронизации вращения режущих барабанов;
• механизм регулирования подъема второго ряда режущих барабанов;
• механизм автоматического поджатия второго ряда барабанов к кровле;
• устройство выгрузки угля из кустовой части забоя в камеру.
Исполнительный орган агрегата модели АСМ-1 незначительно отличается от базисного объекта (КМД-72.01). Поэтому подробнее остановимся только на отличиях.
В исполнительном органе агрегата АСМ-1 при проведении первичной камеры используется ГКП с вращающимися корпусом с резцами (ГКП, содержащая режущий барабан), а при обратном ходе предлагаются смешанный исполнительный орган, состоящий как из ГКП (верхний ряд барабанов, если в нем есть необходимость), так и из режущих штанг (нижний ряд; рис. 2).
В исполнительном органе базисного объекта (КМД-72.01) ширина захвата Вз. при обратном ходе составляет 3,6 м (возможно наращивание еще двух расширительных режущих штанг по 0,3 м т. е. доведение ее до 4,2 м). Однако величина Вз ограничена величиной приводной мощности комплекса на аккумулирующем штреке. В агрегате АСМ-1 предлагается увеличить ширину захвата до 5 м, что стало возможным благодаря размещению привода исполнительного органа непосредственно в забое и рассредоточению приводной мощности вдоль оси.
Гидроцилиндры зарубки в базисном агрегате отсутствуют. В агрегате АСМ-1 эти гидроцилиндры выполнены с полным штоком, по которому транзитом от источника энергии к КГП подводится вода под давлением. Управление гидроцилиндрами производится от маслостанции на аккумулирующем штреке.
Рис. 1. Очистная выемка угля агрегатом АСМ-1 при проведении камеры прямым ходом: 1- исполнительный орган; 2-режущие цепи; 3-опорная лыжа; 4-подающий двухлинейный став; 5-гидроци-линдр зарубки; 6-шарниры; 7- плоскость расположения трубчатых звеньев; стартовая площадка; 9-рельсовый путь; 10, 11-направляющие; 12, 13, 14, 15- гидродомкраты подачи 16-маслостанция; 17- устройство гибкой компенсации хода; 18-осциллятор соосности; 19, 20- входной и выходной участки направляющих; 21- тележка; 22- задвижка; 23,24-гибкие рукава; 25-коллектор
Рис. 2. Исполнительный орган агрегата АСМ-1 при расширении камеры обратным ходом: 26 - нижний расширительных барабанов; 27,28 -расширители - двигатели верхнего ряда; 30 - ограждение; 35 - шнековая канавка; 36 - направляющий орган; 3 - опорная лыжа; 29 - механизм под-пружинивания верхнего ряда; 30 - ограждение; 31 и 32 - трубные катки нижнего и верхнего ряда; 33 - пружины; 34 - щиток
(позиции на рис. 1 и 2 единые)
А-А
Таблица 2
ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ И РЕЗАНИЯ УГЛЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫ
Наименование параметров
0,6
1.5
1.5
1.5 5,23
43.5
20.6 1,8
Высота камеры (Н), м Ширина захвата (Вз), м Скорость подачи (^), м/мин Скорость резания (^), м/с Угловая скорость (ю), рад/с Приводная мощность (Ы), кВт Усилие подачи (У), кН Производительность (П), т/мин Время проведения камеры длиной 100 м (Т), мин
Узлы стыковки элементов исполнительного органа выполнены по типу хомутовых быстроразъемных соединений со стяжкой хомутов болтами, одновременно препятствующими провороту одного элемента относительно другого.
Механизм синхронизации вращения режущих барабанов используется при отсутствии второго ряда режущих барабанов. Синхронизация осуществляется посредством штанги, пропущенной в полости центральной неподвижной трубы исполнительного органа.
Механизм автоматического поджатия верхнего ряда барабанов к кровле выполнен в виде пружин, установленных концентрично гидродомкратом подъема исполнительного органа.
Агрегат АСМ-2 с исполнительным органом переменной ширины захвата (рис. 3, 4) аналогов не имеет и поэтому от базисного объекта и от модели АСМ-1 отличается существенно.
Общим у исполнительных органов моделей АСМ-1, АСМ-2 является наличие одинаковой ГКП, режущих барабанов с горизонтальной осью вращения, двух линий подвода воды к режущим крыльям и гидроцилиндров зарубки.
Особенностью исполнительного органа агрегата АСМ-2
является следующее:
1. Исполнительный орган представлен двумя режущими крыльями при соосном их положении (или близком к соосному). При этом каждое крыло оканчивается конической буровой головкой.
2. В состав исполнительного органа кроме режущих крыльев и гидроцилиндров зарубки входят: механизм разворота крыльев в горизонтальной плоскости (в плоскости пласта на 90°), механизм синхронизации угловой скорости
вращения режущих крыльев и подрубки пласта и опорная лыжа-коллектор.
3. Механизм разворота исполнительного органа включает гидроцилиндр разворота, рычажную систему и водопроводящие шарниры.
4. Гидроцилиндр разворота запитывается водой от труб, лыжи-коллектора или эмульсией от маслостанции, специально установленной для этой цели на лыже и имеющей гидротурбинный двигатель, подключенный к одной из труб лыжи.
5. Гидроцилиндр разворота реагирует на наличие давления воды в одной или в двух одновременно линиях подающего става.
6. Механизм синхронизации представлен двумя «зубчатыми» передачами.
7. Механизм синхронизации одновременно выступает в роли механизма подрубки пласта при прямом ходе исполнительного органа.
Для определения параметров технологии выемки угля при применении агрегата АСМ-1 при различной ширине захвата исполнительного органа выполнены расчеты по определению производительности, усилия подачи, скорости резания и подачи агрегата при прямом и обратном ходе (табл. 2).
Из анализа данных (табл. 2) следует, что выемка угля при прямом ходе более экономична для меньшего диаметра Du(h) и меньшей угловой скорости ю вращения барабанов (колонки 2 и 4, табл. 2). При этом требуемая мощность на резание угля или полезная мощность ГКП составляет около 43 кВт.
Выемка угля агрегатом АСМ-1 при обратном ходе проанализирована для случаев с двухрядным исполнительным органом (колонки 3, 8 и 9) и с однорядным (колонки 5, 6 и 7). Исходные данные колонок 3 и 9 отличаются по диаметру барабанов нижнего ряда (0,6 и 0,75 м) и по угловой скорости барабанов (5, 23 и 8,37 рад/с). Для мощности пласта 0,75 - 0,8 м (колонки 5-7) мощность на резание возрастает примерно втрое с ростом ширины захвата примерно в два раза и при одновременном снижении скорости подачи. Наиболее благоприятным сочетанием параметров характеризуются колонки 2 и 3 при расширении камеры с 1,5 м до 5 м. При обработке пласта мощностью 1,2 м требуется увеличение приводной мощности в 3,3 раза, если стремиться к достижению высокой производительности (4,5 т/мин). В этом случае возможно применение трех одинаковых по конструкции и по мощности КГП, с помощью одной ГКП осуществлять прямой ход, а с помощью одновременно трех -обратный.
Исходные данные и продолжительность операций при выемке угля агрегатом АСМ-1 представлены в табл. 3, а параметры технологии очистной выемки угля скважинными агрегатами в табл. 4.
При этом расчеты сил резания сходны с расчетами по табл. 2 (колонка 6), в которой даны: диаметр барабана по инструменту Du = 0,75 м (мощность пласта т = 0,75 - 0,8 м), ширина захвата Вз. = 5 м, мощность на резание N = 136 кВт, усилие подачи У = 4,8,4 кН, скорость подачи V = 0,65 м/мин, производительность исполнительного органа (и.о.) П = 2,4 т/мин (144 т/ч).
И .
Исполнительный орган ---------1-- V
в спаренном положении
Вид В
а) нат после
б) при завершении проведения
аЯОДй бурийййу первичной камеры
сМнтжргражделощадки
Рабочий непрерывный обратный хВдс.ч(. Очистная выемка угля агрегатом А
перв0и,ч1ной
3
СМ-27
кам0е,р1ы
2,97
0,1
3,2
4,75
2,9
9.
10. 11. 12. 13.
Концевые операции по выводу и. о. на штрек, ч Демонтаж расширителей, ч Демонтаж ограждения, ч
Погрузка расширителей и ограждения в вагонетки, ч Перебазировка груза с аккум. на вент. штрек к новой камере, выгрузка оборудования и возврат вагонеток, ч_________________________________
1
2
2
0,5
6
1
2
2
0,5
6
1
2,2
2,2
0,6
6
0,3
14.
Перевод машины в транспортное полож., ч Перемещение машины к новой камере, ч
Перевод машины в рабочее положение с раскреплением нивелировкой стола, ч
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
15. Осмотры агрегата перед началом прямого хода, ч
16. Демонтаж и откатка участка рельсов, крепи, арматуры, ч
17. Демонтаж-монтаж приспособлений и неучтённого оборудования, ч Регламентированный перерыв на обед, ч
18. П. - з. время в начале и в конце смены, ч
Из анализа табл. 3 и 4 следует, что основными факторами повышения нагрузки на механогидрав
2
2
1
0,33
2
2
1
0,33
2,2
2
1
0,33
2,4
2
1
0,33
3
2
1
0,33
лический агрегат является отсутствие в каждом выемочном цикле монтажно-демонтажных операций и перебазировок исполнительного органа. При этом обеспечивается нагрузка, равная заданной (1000 т/сут) и выше. Кроме этого, безусловным достоинствами агрегата АСМ-2 являются: надежные условия проветривания путем проведения сбойки между камерой, проводимой прямым ходом и предыдущей расширенной камерой; отработка пласта прямым ходом с закладкой породы в выработанное пространство камеры при оформлении агрегатом АСМ-2 целика-перемычки в верхней части яруса; предохранение попадания обрушающихся пород в зону действия исполнительного органа путем оформления целиков-перемычек в срединной части яруса. Для любых дополнительных маневров крыльями и. о. в срединной части яруса необходимо время, т. е. снижается средняя скорость подачи VI по
сравнению с принятой в табл. 2, а, следовательно, и производительность агрегата.
Существенно важно также и то, что при условии взаимозаменяемости подающих ставов агрегата модели АСМ-1 и АСМ-2 пропускная способность такого става (до 400 м3/ч) обеспечит удельный расход воды порядка 2,8 м3/т, и при этом нижний предел по углам падения пласта приближается к 5°. Следовательно, агрегат АСМ-2 при меньшей технической производительности, чем у АСМ-1, может обеспечить заданную нагрузку на пластах мощностью 0,7-0,8 м при любых углах падения пласта в заданном диапазоне (5-35°).
Выводы
На основании синтеза возможных технических решений доказана принципиальная возможность создания агрегатов ме-ханогидравлических скважинных (АСМ) для выемки угля на тонких (0,6-1,2 м) пластах с
Б - Б
Таблица 4
ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОПЕРАЦИЙ ПРИ ВЫЕМКЕ УГЛЯ АГРЕГАТОМ АСМ-1 И АСМ-2
№ Параметры технологии и АСМ-1 АСМ-2
п/п продолжительность операций Величина Вз., м
3,6 5,0 7,5 10,0
1. Продолжительность цикла, ч 40,6 40,6 44,1 45,8 20,8
2. Объём извлечённого из камеры угля, т 726 1008 1512 2016 1008
Суточная нагрузка, т 429 596 823 1056 1163
3. Продолжительность операций по непосредственной выемке угля, ч Продолжительность монтажно-демонтажных операций, ч 5,9 5,9 7,3 7,6 5
4. 5. Продолжительность операций при текущем техническом обслуживании, тт 11 11 11,8 12,1 3
ч Продолжительность перебазировок, ч 3,9 3,9 4,6 4,8 3
6. Продолжительность операций по перестановке машины, ч 6,5 6,6 6,6 6,6 5
7. Продолжительность перерывов, ч 4,5 4,5 4,7 4,8 5,5
8. Количество выходов рабочих на цикл проведения камеры 8,7 8,7 9,1 10 4,3
9. Показатели по трудоёмкости: 35 35 42 46 16
10. вых/сут вых/1000 т 20,7 20,7 22,9 24,1 18,5
Производительность труда, т/вых 48,2 34,7 27,8 22,8 15,9
11. Производительность и. о. при обратном ходе, т/ч 20,7 20,8 36 43,8 63
12. Удельный расход воды при пропускной способности подающего става 376,7 543 525,2 710,9 144
13. 400 м3/ч, м3/т Минимально возможный угол падения пласта, град 1,06 0,74 0,76 0,56 2,78
14. 14 17 17 20 5,5
углом падения 5-35°, обеспечивающих на один агрегат суточную нагрузку до 1000 т.
Создание единой модели агрегата для всего диапазона тонких пластов по мощности и углам падения вызывает существенные конструктивные трудности и поэтому предлагаются две модели агрегата:
1) АСМ-1 для отработки тонких пластов мощностью более 0,8 м при углах падения 15-35°;
2) АСМ-2 для отработки тонких пластов мощностью 0,6-0,8 м при углах падения 5-35° .
В агрегате модели АСМ-1 предлагается использовать исполнительный орган постоянной ширины захвата и при необходимости применять ограждение или секции крепи. Агрегат модели АСМ-2 предлагается использовать с и. о. переменной ширины захвата и дистанционным управлением этой шириной и не использовать механических ограждений или крепей; функции ограждений или крепей будут выполнять целики угля, формируемые исполнительным органом.
Для привода исполнительного органа агрегата АСМ предлагается высокомоментный водяной двигатель специальной конструкции, (автор) - проф., докт. техн. наук В.И. Медведков. Активную часть двигателя или его гидрокинематическую передачу (ГКП) предлагается встроить в режущие барабаны и. о. таким образом, чтобы, во-первых, режущий барабан и. о. являлся вращающимся корпусом двигателя, а водопроводящая труба - его неподвижным валом и чтобы, во-вторых, мощность ГКП была рассредоточена вдоль оси и. о.
Такое техническое решение позволяет технологически совместить функции энергоносителя на привод и. о., пылеподав-ление, охлаждение инструмента и на гидротранспорт угля по камере. Кроме того, освобождается сечение штрека, возрастает надежность невращающегося подающего става, повышается техника безопасности, повышается мощность и. о., возрастает его производительность и снижаются потери угля в недрах.
В качестве средства подачи и. о. предлагается двухлинейный став, звенья которого соединены между собой посредством водопроводящих шарниров.
Применение энергоподающего става позволяет обеспечить непрерывность подачи и. о., повысить темпы проведения камеры, заранее монтировать подающий став на штреке на всю его длину и как следствие снизить трудоемкость обслуживания агрегата.
Для компенсации непрерывного хода исполнительного органа предлагается соединить подающий став с неподвижным водоводом посредством коротких гибких рукавов, периодически подключенных к ставу.
Для получения переменной ширины захвата и. о. агрегата модели АСМ-2 предлагается использовать принцип разворота в одной (горизонтальной) плоскости режущих крыльев. Предлагается механизм разворота, механизм синхронизации частот вращения крыльев, механизм подрезки пласта при прямом ходе
и. о.
Для снижения сечения штрека предлагается осуществлять зарубку и. о. агрегата АСМ-2 в пласт в начале прямого хода разворотом режущих крыльев из их соосного положения в спаренное. Для ликвидации монтажных работ по крепи в вентиляционном штреке предлагается осуществить перевод и. о. из прямого хода на обратный путем разворота режущих крыльев из спаренного положения в соосное с одновременным резанием угля. Для интенсификации проветривания камеры повышения техники безопасности предлагается разворотом крыльев в соосное положение при прямом ходе и. о. «проводить» сбойку со смежной ранее проведенной обратным ходом камерой. Для снижения потерь угля в недрах и трудоемкости проведения штреков с присечкой породы предлагается при обратном ходе
и. о. оставлять целики угля для закладки породы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Провести комплекс поисковых исследований с целью создания агрегата ме-ханогидравлического для проходки скважин по углю: Отчет о
НИР/ВНИИгидроуголь; Руководитель Медведев В.И. - Новокузнецк, 1985. - 227 с.
2. Технические требования на агрегат механогидравлический для проходки скважин по углю: Отчет о НИР / ВНИИгидро-уголь. - Новокузнецк, 1984. - 97 с.
3. А.с. СССР № 1164414. Установка для выемки угля / А.С. Бурчаков, А.Е. Гонтов,
В.А. Ковалев, В.И. Медведков, О.В. Михеев и др. - 10 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Мельник Владимир Васильевич — доцент, кандидат технических наук, кафедра «Подземная разработка пластовых месторождений», Московский государственный горный университет
Медведков Владимир Игоревич - профессор, доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт.
