CC BY
23
Совершенствование механизированных
юл ширманкин крепей агрегатов типа АК-3 для В.Ф. БОГОМОЛОВ -
В.А. ЗВЕЗДКИН разработки крутых и крутонаклонных угольных пластов средней мощности
На шахте «Зенковская» ПО «Прокопьев-скгидроуголь», при проведении Государственных приемочных испытаний опытного образца агрегата АК-ЗК выполнены исследования, задачами которых являлось:
• оценка соответствия проектных параметров механизированной крепи горно-техническим условиям и проявлениям горного давления;
• обоснование и разработка рекомендаций по обеспечению работоспособности, эффективности и безопасности в эксплуатации крепи агрегата и расширению области ее применения.
Агрегаты типа АК-3 конструкции Гип-роуглемаша, предназначены для комплексно-механизированной разработки средней мощности (1,8-2,1 м) крутых и крутонаклонных угольных пластов лавами по простиранию. В процессе опытно-про-мышленной проверки в производственных условиях производилось поэтапное совершенствование агрегата, на основе результатов исследований проявлений горного давления и взаимодействия крепи с боковыми и обрушенными породами. При исследовании определялись размеры перемещающейся зоны опорного давления при подвигании очистного забоя. Для этого на вентиляционном и конвейерном штреках были оборудованы наблюдательные станции из контурных реперов, заложенных по нормали к напластованию в кровлю и почву пласта. Измерения расстояний между реперами производились рулеткой ВНИ-МИ Р-8 с точностью до 1 мм.
В очистном забое и на сопряжениях его с подготовительными выработками осуществлялись визуальные наблюдения за состоянием и поведением кровли в призабойном и выработанном пространстве.
Силовое взаимодействие крепи с кровлей определялось измерением реакций гидростоек крепи самопишущими манометрами, включаемыми в поршневые полости гидростоек. В верхней части лавы 5 смежных секций были оборудованы самописцами СА-31, непрерывно фиксирующими на диаграммной ленте давление рабочей жидкости в течение цикла в функции времени от начального распора до разгрузки секции в конце цикла.
Боковая устойчивость секций крепи оценивалась по углу отклонения гидростоек от нормали к боковым породам, измеряемому угломером УГК ВНИМИ.
Исследования приспособляемости перекрытий секций к топографии боковых пород и вписываемости крепи в гипсометрию пласта проводились посредством угловой съемки, изучения линейных параметров гипсометрии, измерения межсек-ционных зазоров и положения балки в вертикальной плоскости. Для исследования параметров гипсометрии и положения фронта крепи в качестве базовой линии использовался луч лазерного указателя направления (ЛУН-7).
Помимо перечисленного в процессе наблюдений фиксировались механические повреждения, деформации, поломки отдельных элементов и узлов крепи, отклонения от их нормального взаиморасположения, соединения, связи и т.п.Испытания агрегата АК-ЗК проводились на пласте
Ударном. Глубина горных работ 75-85 м по вентштреку и 115-125 м по конвейерному. Пласт однородный по строению средней мощностью 2,3 м, залегает под углом 42-48°. Непосредственная кровля представлена слоистым алевролитом средней и ниже средней устойчивости общей мощностью 4,0-4,5 м, разделенным ослабленными поверхностями на пластовые отдельности мощностью от 0,2 до 0,5-0,6 м. Выше залегают: слой песчаника мощностью 1,5- 2,0 м, алевролит мощностью 2,5-3,0 м, песчаник мощностью до 4 м и крепостью У=7-8 и далее до пласта ^Двойного" — алевролит (/=4-5), В целом кровля относится к классу среднеобрушающейся.
В алевролите, слагающем непосредственную кровлю, развиты две системы трещин с частотой 2-3 м'1. В соответствии с [ 1 ] коэффициент структурного ослабления, учитывающий параметры слоистости и трещиноватости массива, равен примерно Я=0,2. Непосредственно в почве пласта залегает слой аргиллита мощностью до 0,1 м
1-1
-------— -граница
-----_. — •цоамщ+а
— *—* —т.ео.4аъи\
Рис. 1
с коэффициентом крепости до /=0,3 (ложная почва) склонный к сползанию. Нижележащие слои представлены трещиноватым аргиллитом средней устойчивости.
При проходке подготовительных выработок вскрыто два геологических нарушения с амплитутдой смещения крыльев до 1,3 м. В нарушенных участках уголь и боковые породы ослаблены, слабоустойчивы, склонны к вывалам и куполообразованию.
Пласт вскрыт квершлагами на гор. +210 и +100 м, с которых проведены вентиляционный и откаточный штреки, а также промежуточные штреки, разделяющие этаж на два подэтажа. В верхнем подэтаже наклонной высотой 60 м проходил испытания агрегат АК-ЗК. На участке испытаний агрегата пласт Ударный надработан вышележащим пластом Двойным мощностью 4-4,5 м. Этот пласт на гор. +220 и +100 м отработан системой ДСО с длиной лав 25-30 м. Между горизонтами и лавами на этом пласте оставлены целики угля наклонной высотой 6-10 м, определявшие наличие зон повышенного горного давления (ЗПГД) на пласте Ударном (рис. 1.).
Следует отметить, что на характер взаимодействия крепи агрегата с боковыми
X
I
X
пД о/п влияния целика
А о/п ‘июлогическага нарушения
Г0£ НфуОУШСНиг!
породами и на работу агрегата в целом в ходе первых пяти месяцев испытаний существенное осложняющее влияние оказа
ло совместное действие ряда факторов, которые можно разделить на три группы: сложность горно-геологических и горнотехнических условий; ко нструктивные недостатки крепи и некачественное изготовление отдельных узлов и элементов агрегата; дефекты, допущенные при сборке крепи в процессе монтажа.
К горно-геологическим и горно-техническим факторам следует отнести наличие зон повышенного горного давления (ЗГПД) от оставленных на пласте Двойном межгоризонтного и межлавных целиков и ослабление боковых пород вблизи геологических нарушений.: Постоянное воздействие фактора ПГД периодически усиливалось влиянием сильного увлажнения пород непосредственной почвы и кровли, что существенно снижало прочность пород, а также влиянием приуроченной к геологическому нарушению зоны ослабленных трещиноватых пород непосредственной кровли в 60 м от монтажной камеры.
Ряд конструктивных недостатков крепи и других компонентов агрегата приводили к затруднениям при передвижках агрегата, увеличению ширины не поддвер-живаемого крепью призабойного пространства, деформациям, поломкам, выходу из строя отдельных деталей и узлов. Это вызвало длительные простои забоя, свя-
призабойного пространства и условий взаимодействия крепи с вмещающими породами. • ••
Совокупное влияние указанных факторов предопределило весьма низкие темпы подвигания забоя и добычу угля за первые пять месяцев испытаний. Общее по-двигание забоя за этот период составило 82 м, месячное от 7 до 35 м, среднесуточная добыча 95 т.
Характер разрушения кровли и взаимодействия ее с крепью в этих условиях показан на рис.2. Из него видно, что за верхняками крепи над ограждением происходило расслоение'пачки алевролита общей мощностью 1,6-1,8 м из непосредственной кровли на слои толщиной 0,2-0,3 м и их беспорядочное обрушение мелкими блоками и плитами. Следующие слои алевролита обрушались более упорядоченно на удалении от крепи 1 -1,5 м и более крупными блоками — длиной до 1 м и толщиной до 0,5-0,6 м. Затем на расстоянии 3-4,5 м от ограждения крепи обрушался слой песчаника мощностью 1,5-2 с, разрушавшийся трещинами на блоки длиной до 2 м, которые с сохранением шарнирной связи между собой опускались на ранее рбру-шившиеся породы, подбучивая основную кровлю* Общая высота зоны обрушения достигала 6-6,5 м; выше обрушение не распространялось. Обрушенные породы за-
1.5’2,Ом
ЄД-2Л*
Рис. 2.
занные с устранением отказов, ремонтом, заменой вышедших из строя узлов, и косвенно отражалось на ухудшении состояния
подняли выработанное пространство до сопряжения с вентиляционным штреком.
В условиях слабых пород непосредственной почвы и кровли (особенно в зонах геологических нарушений) происходила потеря сплошности кровли в призабойном пространстве и разрушение почвы вследствие вдавливания оснований секций крепи. Секции теряли распор, «обыгрывались», им не хватало раздвижности, куполообра-зование над верхняками распространялось на верхние слои непосредственной кровли высотой до 1 м. В результате секции не могли развивать усилия распора, необходимого для передвижения става агрегата, и для его осуществления приходилось прибегать к весьма трудоемким дополнительным технологическим мероприятиям, снижающим эффективность и безопасность работ (выкладка костров из дерева над верхняками, укрепленение почвы анкерами, опережающее крепление кровли и др.).
В зонах совмещения ПГД и геологических нарушений действующие в массиве напряжения, судя по прогнозным расчетам и непосредственным шахтным наблюдениям, превышали предел прочности пород непосредственной кровли и они разрушались в призабойном пространстве.
В результате исследований силового взаимодействия крепи с кровлей установлено, что средняя величина начального сопротивления (распора) составила 326 кН при коэффициенте вариации 19%, что составило 81,5% от минимального проектного значения. Средняя величина рабочего сопротивления в цикле составила 361 кН при том же коэффициенте вариации. Таким образом, средний фактический прирост сопротивления секции за цикл составлял всего 35 кН, а среднемаксимальная величина сопротивления крепи за время наблюдений была ниже минимального проектного значения начального распора и составляла от этой величины 90 %.
В процессе исследований были выявлены просчеты при монтаже крепи и конструктивные недоработки, которые оказали существенное влияние на снижение эффективности крепи как средства управления горным давлением. Так дефект сборки привел к тому, что существенно изменилась ориентация ограждения в сечении секции. В частности при минимальной мощно-
сти пласта (2,2 м) ось спинки ограждения незначительно (5-10°) отклонялась от оси верхняка, т.е. поддерждивающая часть крепи удлинялась за счет спинки ограждения и секция воспринимала помимо давления кровли еще и нормальное давление со стороны обрушенных пород, что вело к прогибу поддерживающих элементов В районе шарнира, соединяющего верхняк со спинкой ограждения. При этом секция оказывалась в нерабочем состоянии вследствие того, что ребра верхняка упирались в цилиндр верхнего домкрата передвижки. В результате происходили деформации проушин на ограждении и на передней стенке, в которых крепится верхний домкрат. Развернувшиеся верхняки деформировали рессоры, закрепленные на направляющей передней стенки. В свою очередь, рессорами деформировались и отрывались гидроблоки, закрепленные на верхней части цилиндра и гидростоек, что приводило к выводу последних из строля и требовало их замены*
За время испытаний было сорвано 14 гидроблоков. Типичная картина состояния кровли в этих условиях и взаимодействия элементов крепи с породами приведена на рис.З.
Пологое положение спинки явилось причиной того, что при передвижках лежа-цими на ограждении и верхняке обрушенными породами были оторваны практически 100% защитных щитков, перекрывающих зазор между спинкой и верхняком. В результате мелкая обрушенная порода проникала через этот зазор в рабочее пространство секции, происходили заклинивания кусков породы в этом зазоре, что нарушало нормальное взаимодействие верхняка и спинки.
Существенным конструктивным недостатком является несоответствие между проектной величиной хода верхнего домкрата, его размером в сложенном состоянии и кратчайшим расстоянием между местами его крепления на спинке и передней стенке. Этот недостаток проявился в деформировании гидростоек, приходивших в силовое взаимодействие при передвижке секции с
верхним домкратом передвижки- По этой причине были сломаны в процессе испытаний 20 гидростоек.
Большим недостатком крепи, существенно отражающемся на состоянии кровли в забое, является неудачная конструкция переднего козырька и ненадежное его крепление к верхняку. Фактически козырек не выполнял своей функции, т.к. являясь неуправляемым, пассивным элементом, либо не мог контактировать с кровлей, либо отрывался от верхняка в месте крепления, когда при передвижках упирался в неровности и уступы в кровле. Во время испытаний на 39 секциях из 49 козырьки были оторваны от верхняков и крепь работала без них. Это существенно увеличивало ширину не поддерживаемой полосы кровли в призабойном пространстве. Ширина этой полосы с учетом отсутствия козырьков, недодвижек секций, наклонов верхняков, отставания передвижки от выемки вместо 500 мм по проекту в большинстве случаев составляла не менее 1 м, а часто доходя до 1,5-2 м. При такой ширине площадь не закрепленного пространства за выемочным органом достигала 8-10 и более м2, что в условиях неустойчивых пород кровли совершенно не допустимо.
Недостатком крепи также является неравномерное распределение реакции гидростойки по опорным поверхностям (верхняку и основанию), что способствует созданию концентрированных нагрузок на почву и кровлю пласта.
Установлен также ряд недостатков и в гидравлической схеме агрегата:
В результате исследований представляется возможным сделать следующие выводы и рекомендации. ' ■ '
1. В целом непосредственная кровля на пласте «Ударном» относится по устойчивости к 3 классу (неустойчивая) вне зоны нарушений и к 4 классу (весьма неустойчивая) в зонах ослаблений и нарушенно-сти. По нагрузочным свойствам (обрушае-мости) кровля относится к 3 классу (средней обрушаемости с возможностью периодических осадок основной кровли).
Гипсометрия пласта в пределах выемочного участка может быть охарактеризована как умеренно изменчивая с взаимной непараллельностью боковых пород на отдельных участках по длине лавы до 15° и колебаниями мощности до 25 %. Эти параметры существенно не влияли на силовое и кинематическое взаимодействие крепи с породами.
Горно-геологические условия осложнялись наличием зон повышенного горного давления от межгоризонтного и межлав-ных целиков угля на вышерасположенном отработанном пласте Двойном, что в этих зонах еще более снижало устойчивость боковых пород.
Однако следует сказать, что в целом горно-геологические условия и горно-техническая ситуация на участке испытаний являются достаточно типичными, представительными и широко распространенными для условий разработки крутых и круто-наклонных пластов средней мощности в Кузбассе. Поэтому, конструктивные, силовые и кинематические параметры средств комплексной механизации, в том числе агрегата АК-ЗК, для обеспечения достаточно широкой области применения должны соответствовать этим сложным условиям.
2. Практические рекомендации по совершенствованию крепи агрегата сводятся к следующему:
• балансиры, связывающие подвижное ограждение ("спинку") секции крепи с основанием должны быть не жесткими, а телескопическими, что позволит изменять их длину при колебаниях мощности пласта, превышающих диапазон раздвиж-ности крепи;
• уменьшить проектную раздвиж-ность верхнего домкрата передвижки и изменить места его крепления;
• передовой консольный козырек верхняка должен быть элементом, активно поддерживающим кровлю, например, на основе введения в конструкцию секции гидропатрона;
• устранить гидравлическую связь штоковой полости верхнего домкрата передвижки и изменить места его крепления;
• передовой консольный козырек верхняка должен быть элементом, активно поддерживающим кровлю, например, на основе введения в конструкцию секции гидропатрона;
• устранить гидравлическую связь штоковой полости верхнего домкрата передвижки с разгрузочным клапаном гидростойки;
• предусмотреть в конструкции домкратов передвижения использование предохранительных клапанов для предохранения элементов крепи от деформации во время передвижек при наличии в кровле и почве уступов;
• для обеспечения прямолинейности фронта крепи ввести в систему управления передвижкой средства контроля за шагом передвижки и прямолинейностью направляющей балки.
По инициативе и при участии шахты «Зенковская» (Ю.А.Ширманкин) ряд этих рекомендаций реализованы в конструктивном исполнении агрегата АК-ЗКМ, проходящем испытания на пласте «Пионер» шахты «Зенковская». Технико-эко-номические показатели работы этого агрегата на первом этапе испытаний в 1992 г. [2] при подвигании забоя на 250 м оказались существенно выше по сравнению с таковыми на пласте «Ударном». Среднемесячное подвигание очистного забоя на пласте «Пионер» составляло 50-60 м при среднесуточной добыче порядка 250 т.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Указания по рациональному расположению, охране и поддерживанию горных выработок на угольных шахтах СССР. ВНИМИ, Л., 1986, 220 с.
2. Ширманкин Ю.А. Проблема устойчивости подготовительных выработок при механизированной разработке весьма сближенных крутых пластов средней мощности. «Горное давление, горные удары и сдвижение массива». Сб. научн. тр. ВНИМИ, Часть 1, С.-Петербург, 1994, с.84-88.
© Авторов
