CC BY
43
Г.Д. Буялич
д-р техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева», ЮТИ ТПУ
1\М
Н.И. Тарасова
аспирантка ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т. Ф. Горбачева», менеджер ООО «ИКЦ «Промышленная безопасность»
и
О
II и
\\
В.М. Тарасов
аспирант ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т. Ф. Горбачева», инженер ООО «РивальСИТ»
УДК 622.285 : 622.831
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СЕКЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ С БОКОВЫМИ ПОРОДАМИ КАК ДАВЛЕНИЕ СПОЛЗАЮЩИХ ПРИЗМ ПО ГИПОТИЗЕ П. М. ЦИМБАРЕВИЧА. РАЗВИТИЕ ГИПОТЕЗЫ ДО КОНЦЕПЦИИ
Боковое горное давление в горных выработках определяют как давление сползающих призм и давление со стороны кровли и боков выработки, а применительно к лаве - это боковые породы в кровле и породы в завальной части лавы. Так как лава с забойными механизмами есть не что иное, как выработка с постоянно движущимся бортом, где состояние борта перешло в состояние «забоя», а крепление и функции борта взяли на себя секции механизированной крепи, необходимо эти две системы увязать в одну, что обеспечивает рассмотренная инновационная схема монтажа и эксплуатации секции механизированной крепи в лаве.
Ключевые слова: ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ, НЕУСТОЙЧИВЫЕ ПОРОДЫ, СПОЛЗАЮЩИЕ ПРИЗМЫ, ОБРУШЕНИЯ, СЕКЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ТРУДА, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ, БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА, СНИЖЕНИЕ АВАРИЙНОСТИ
Вспомним историю - трудовую деятельность выдающего ученого в период развития горной науки в нашей стране. Петр Михайлович Цимбаревич - советский ученый в области горной науки, профессор (1930 г.), доктор технических наук (1944 г.). П. М. Цимбаревич родился в 1891 году в д. Чи-гляны Оршанского р-на Витебской обл. Окончил Петроградский горный институт (1916 г.), стар-
ший инженер, главный инженер, заместитель управляющего рудоуправления в Подмосковном угольном бассейне (1916-1925 гг.), преподаватель Московской горной академии (1926 г.), заведующий кафедрой Московского горного института (1932-1953 гг.).
Петр Михайлович - один из основоположников научного направления, изучающего механические процессы и явления, протекающие в
114
породных массивах при ведении горных работ и методы управления ими. Он является разработчиком методики оценки устойчивости незакрепленных выработок, определения нагрузки на крепь горизонтальных и вертикальных выработок, влияния реакции крепи с учетом фактора времени на проявление горного давления и др., автором опубликованных фундаментальных научных работ и учебников, учебных пособий для студентов горных специальностей.
Рассмотрим гипотезу П. М. Цимбаревича и расширим ее концептуально применительно к секции механизированной крепи (СМК). Напомним, что гипотеза - предположение, утверждение, предполагающее доказательство, в отличие от аксиомы, постулата, не требующих доказательств, а концепция - система связанных между собой и вытекающих один из другого взглядов на те или иные явления, общий замысел, основная мысль чего-либо.
Если в стенках выработки породы неустойчивые f < 4), то крепь будет испытывать горное давление Рб со стороны боков. По гипотезе проф. П. М. Цимбаревича боковое горное давление определяют как давление сползающих призм АВЕ и DCF (рис. 1), нагруженных сверху породой призм ВКЕ и CLF. При этом увеличиваются как размеры свода (пролета и высота) обрушения, так и давление со стороны кровли и боков выработки, а применительно к лаве - это боковые породы в кровле и породы в завальной части лавы [1,2].
Полупролет свода обрушения рассчитывается по ф
Тогда
ах = а + htg
90° -Фб
(1)
¿>i =
а + htg
90° -Фб
1Я составит:
tgq>k
(2)
где h - высота выработки в проходке, м;
Фб - угол внутреннего трения пород в боках выработки, град.;
ф- угол внутреннего трения пород в кровле, град.;
Величина вертикального горного давления на 1 м выраб_. _ ,
Рв = 2аЬг1 к
(3)
Величина бокового горного давления на 1 м вы рабе _ +
(4)
где у6 - удельный вес пород в боках выработки, Н/м3.
Наиболее правильную форму свода обрушения имеют однородные неустойчивые породы. Устойчивые крепкие породы при обрушении образуют свод уступной формы.
При рассмотрении крепления выработки трапеции АBCD, где верхняк крепится в замок со стойками жестко и стойки имеют приямки в почве можно увидеть, что стойки не сместятся ни по почве, ни по кровле в пространство выработки.
Полупролет свода обрушения - это расстояние от середины верхняка до края замка. Лава с забойными механизмами есть не что иное, как выработка с постоянно движущимся бортом, где состояние борта перешло в состояние «забоя», а крепление этого борта и его функции взяли на себя секции механизированной крепи. Поэтому необходимо эти две системы увязать в
Рисунок 1 - Схема к определению горного давления как давления сползающих призм по гипотезе П. М. Цимбаревича
одну, что обеспечивает инновационная схема монтажа и эксплуатации СМК в лаве, где непосредственно идет процесс добычи полезного ископаемого, а в завале за СМК происходит полное обрушение и породы в кровле лавы неустойчивые (у < 4) [2, 3, 4]. Применительно к инновационному способу монтажа и эксплуатации СМК видим также в наличии трапецию, только вместо замков и левого приямка на почве под стойку соединительные шарниры и посадочные шарнирные места в основании и поддерживающем элементе СМК [5] (рис. 2). Нагрузку от левого борта (лавы) и сил свода обрушения (над призабойном пространством) взяли на себя гидростойки, а функцию правой - ограждающий элемент, соединенный с основанием четырехз-венником и шарниром с поддерживающим элементом (на примере СМК КМ-138). Расстояние между шарниром поддерживающего и ограждающего элементов до шарнирно-посадочного места гидростойки составляет 1,350 м - это свод обрушения; полупролет свода обрушения а = 0,675 м, мощность пласта - 4 м, значит, h = 4 м - высота по забою и в завальной части лавы. За гидростойками в свету за минусом высоты основания и поддерживающего элемента она составит h = 3,4 м, так как в новом способе монтажа и эксплуатации СМК поддерживающий элемент и основание СМК параллельны. Силы свода обрушения воздействуют на верх гидростойки со стороны завала на забой, а при передвижке лав-ного конвейера силы гидродомкратов воздействуют на основание, нижнюю часть гидростоек в шарнире от забоя в сторону завала (см. рис. 2).
Происходит поворот относительно вер-
тикали верха гидростоек к забою, а низ с основанием поворачивается в сторону завала против часовой стрелки, тем самым еще сильнее расклиниваясь в шарнирно-посадочных местах основания и поддерживающего элемента СМК дополнительно к гидрораспору гидростоек. Этим эффектом увеличивается поддерживающая способность забойной консоли поддерживающего элемента. Высота гидростоек в шарнирах будет всегда больше, чем расстояние по вертикали от поддерживающего элемента до основания.
В новом способе монтажа и эксплуатации СМК можно просчитать все нагрузки по вертикали с кровли, завала и забоя, а также и расстояние Ь1 - высоту призмы, ширину сползающих призм по гипотезе проф. П. М. Цимбаревича, когда боковое горное давление определяют как давление сползающих призм АВЕ и DCF. Также в этом способе в наличии три призмы DCF, ВКЕ и CLF, четвертую призму АВЕ выдали на-гора как полезное ископаемое. Трапеции - это часть равнобедренных треугольников силовой составляющей СМК, где вершины лежат на прямой линии XY границы горного давления от завала и обрушения (рис. 3).
Развивая гипотезу далее, мы видим, что в этом способе присутствуют пятая призма BXC, падающая на соседнюю СМК, при передвижке объем которых в разы меньше расчетного.
Найдем все неизвестные значения. По новой технологии монтажа и эксплуатации СМК при расстоянии полупролета свода обрушения a = 0,675 м и по известной на сегодня технологии монтажа и эксплуатации СМК при расстоянии полупролета свода обрушения а = 1,350 м,
F - сила горного давления
А Э
Рисунок 3 - Распределение нагрузки на секции механизированной крепи в лаве по инновационному способу монтажа и эксплуатации СМК, силовой треугольник и граница горного давления
а = 3,500 м.
Исходные значения: фб = 37о, у6 = 26 000, Ф = 37о, у = 26 000, h = 4.
'к ' ' к '
Все вычисленные показатели сведем в таблицу (табл. 1).
Применительно к известному способу монтажа и эксплуатации СМК видим не трапецию, а параллелограмм. Однако вместо замков и правого приямка на почве под стойку - соединительные шарниры и посадочные шарнирные места [3, 4]. Нагрузку от правого борта и силы свода обрушения лавы приняли гидростойки, а функцию крепления выработки правой стойки -ограждающий элемент, соединенный с основанием четырехзвенником и шарниром с поддерживающим элементом. Расстояние между шарнирами поддерживающего элемента и гидростойки на ограждающем элементе составило 1,350 м. Это свод обрушения в предлагаемом способе монтажа и эксплуатации СМК. Полупролет свода обрушения в известном способе монтажа и эксплуатации СМК равен
2,700 м по поддерживающему элементу. Функция крепления левого борта, из которого сформировался забой, отсутствует, значит, жесткого замка в шарнирах на основании и в поддерживающем элементе с гидростойками СМК нет, в забой поддерживающий элемент не упирается (рис. 4). Отсюда следует, что должно быть определенно расстояние полупролета свода обрушения. Это расстояние от нижнего края ограждающего элемента до забоя а = 3,500 м, значит, вторая часть свода опирается на пласт полезного ископаемого и на сам забой, так называемое опережающее опорное давление [5].
Таким образом, геометрическая фигура присутствующая в известном способе монтажа и эксплуатации СМК - ПАРАЛЕЛОГРАММ, который легко подается на сжатие, а в новом способе монтажа и эксплуатации СМК - ТРЕУГОЛЬНИК равнобедренный с ТРАПЕЦИЕЙ, который по жесткости, на смятие и на излом в разы прочнее ПАРАЛЕЛОГРАММА.
Рассмотрим гипотезу П. М. Цимбаревича
Таблица 1 - Расчет компонентов горного давления
№ п/п Исходные значения Расчетные значения
а1 = 2,408
1 а = 0,675 Ь1 = 4,199
Р = 147393,870
Рб = 120995,815 б '
а1 = 3,083
2 а = 1,350 Ь1 = 5,376
Рв = 188713,401
Рб = 143972,061 б '
а1 = 5,233
3 а = 3,500 Ь1 = 9,126
Рв = 320323,759
Рб = 217155,660 б '
Рисунок 4 - Схема к определению горного давления как давления сползающих призм по гипотезе П. М. Цимба-ревича применительно к инновационному и действующему способам монтажа и эксплуатации СМК
применительно к известному способу монтажа и эксплуатации СМК (см. рис. 4). Отобразим на схеме зеркально СМК на пласт полезного ископаемого относительно забойного края поддерживающего элемента пунктиром до присутствия фигуры трапеции АВСD. Силы свода обрушения и призмы воздействуют на верх гидростойки со стороны завала Рб. на сам забой согласно гипотезе проф. П. М. Цимбаревича, а при передвижке лавного конвейера силы гидродомкратов воздействуют на нижнюю часть гидростоек и основание СМК от забоя в сторону завала. Происходит поворот относительно вертикали в точке О, верх стоек - к забою, а низ с основанием - в сторону завала против часовой стрелки. Эти две силы раскрепляют гидростойки в шарнирах, где был произведен распор, тем самым значительно
уменьшая несущую способность в шарнирно-по-садочнах местах основания и поддерживающего элемента. Такой поворотный эффект отрицательно влияет на поддерживающую способность забойной консоли поддерживающего элемента, т. к. отсутствует полный контакт с кровлей (рис. 5).
Гидростойки с шарнирами поддерживающего элемента будут всегда наклонены на забой. В известном способе монтажа и эксплуатации СМК также можно просчитать все нагрузки по вертикали в кровле, из завала и забоя, а также расстояние b1, ширину сползающих призм по гипотезе проф. П. М. Цимбаревича, где боковое горное давление определяется как давление сползающих призм АВЕ и DCF. В известном способе в наличии все четыре призмы DCF,
Рисунок 5 - Действующая эксплуатация СМК: СМК наклонены на забой, поддерживающие и оградительные элементы находятся на одной линии или в одной плоскости, поддерживающая способность утрачена
(отсутствует)
Ш научно-технический журнал № 1-2014
ВЕСТНИК
ВКЕ и СLF, АВЕ, длина в основании и высота в разы больше и находятся глубоко в массиве от линии забоя ВКЕ, АВЕ, чем в предлагаемом способе монтажа и эксплуатации СМК [3, 4, 5]. Пятая призма, назовем ее проникающая зажимающая ВХС, в десятки раз больше падающей призмы в новой технологии. Отсюда аварийные ситуации: зажатие пласта, выбросы пылегазовой смеси, нестабильная работа лавы, а также малопроизводительный труд, без возможности использования челноковой схемы резания. Это отрицательные моменты известного способа монтажа и эксплуатации СМК. Один положительный момент наблюдается только для системы резания комбайна, так как забой становится мягким, количество отжимов большим, негативная работа пятой призмы проникающей зажимающей ВХС. Но из-за этого снижается безопасность труда, возрастает аварийность, а так же наблюдается отрицательное влияние на аэрогазовый режим шахты.
Сравнив результаты расчетов и проанализировав функциональность работы известного и предлагаемого инновационного способов монтажа и эксплуатации СМК видим, что согласно гипотезе проф. П. М. Цимбаревича [1] боковое горное давление определяется как давление сползающих призм АВЕ и DСF нагруженных сверху породой призм ВКЕ и СLE, а также присутствие падающей призмы работающей в положительном ключе и воздействующей на разгрузившуюся и передвигающуюся СМК, тем самым увеличивающей скорость передвижки. При этом в инновационном способе не увеличиваются как размеры свода (пролет и высота) обрушения, так и давление со стороны кровли и забоя лавы, она работает в целике, и завале. То есть гипотеза перетекает в закономерность, в концепцию. Это еще раз доказывает работоспособность предлагаемого нового способа монтажа и эксплуатации СМК: каждую СМК в монтажной камере надо не просто раскрыть, но и взвести весь ее многозвенный механизм согласно предлагаемой ООО «РивальСИТ» технологии [5].
Развивая далее гипотезу проф. П. М. Цимбаревича применительно к механизированным комплексам боковое горное давление определяют как давление сползающих призм АВЕ и DСF, в новом способе также в наличии трапеции ABCD - это часть равнобедренных треугольников силовой составляющей СМКAXD, где вершины лежат на прямой линии (XY) границы горного давления от завала и обрушения (см. рис. 3). Помимо сползающих призм, в лаве присутствуют падающие призмы ВХС - это вер-
шина от силового треугольника AXD, лежащая на поддерживающем элементе от шарнира с гидростойками до шарнира с поддерживающем элементом (цвет желтый) над неразгрузившейся СМК, и призмы, сползающие от ограждающего элемента DСF, СLF (цвет красный) (см. рис. 2). Они воздействуют на разгрузившуюся и передвигающуюся к забою СМК с огромной силой, бьют по ограждающему элементу, тем самым увеличивая скорость передвижки СМК (на рисунке 2 стрелками). Призма, находящаяся над поддерживающим элементом ВКЕ со стороны забоя до шарнира с гидростойкой, находится в целике, как и сам забой, пласт твердого полезного ископаемого не деформирован. По действующей технологии монтажа и эксплуатации СМК также присутствуют сползающие призмы над СМК, где он подныривает под проникающие зажимающие призмы при каждой ее разгрузке и передвижке. Призмы сползают только по поддерживающему элементу, а всю нагрузку принимают на себя забой и пласт твердого полезного ископаемого.
Из таблицы 1 для действующей технологии монтажа и эксплуатации СМК видим, что расстояние полупролета свода разрушения а = 3,500 м, тогда а1 = 5,233 м от забоя вглубь пласта ничем не подкреплена, высота свода обрушения Ь1 = 9,126 м, горное давление вертикальное на 1 м выработки Рв = 320323,759, горное давление боковое на 1 м выработки Рб = 217155,660. Все значения и величины превышают в 2,2 раза показатели новой технологии, что является отрицательной динамикой.
Таким образом, гипотеза проф. П. М. Цимбаревича перетекает в концепцию только для новой технологии монтажа и эксплуатации СМК, предлагаемой ООО «РивальСИТ» [5]. А в известном способе и гипотеза, и концепция рассыпаются, так как система не стабильна: отсутствует равновесие, нет жесткого упора в посадочных шарнирах гидростоек и основания с перекрытием. Отсюда наличие ряда отрицательных моментов в работе. В известном способе монтажа и эксплуатации СМК в наличии все четыре призмы, а ширина в основании и высота в 2,2 раза больше, чем в новом способе монтажа и эксплуатации СМК [3, 4, 5]. Пятая призма, проникающая зажимающая ВХС, в десятки раз больше по объему падающей призмы ВХС в предлагаемой технологии.
Поэтому необходимо внедрять и переводить все механизированные комплексы на новый способ монтажа и эксплуатации СМК[5].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Заплавский, Г. А. Технология подготовительных и очистных работ: учебник для техникумов / Г. А. Заплавский, В. А. Лесных. - М.: Недра, 1989. - С. 70-72.
2. Буялич, Г. Д. Инновационный подход к вопросам монтажа и эксплуатации секции механизированной крепи / Г. Д. Буялич, В. М. Тарасов, Н. И. Тарасова // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1.1-2013. - С. 115-126.
3. Буялич, Г. Д. Повышение безопасности работ при взаимодействии секций механизированной крепей с кровлей в призабойном пространстве лавы / Г. Д. Буялич, В. М. Тарасов, Н. И. Тарасова // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1.2-2013. -С. 130-135.
4. Буялич, Г. Д. Влияние компоновки механизированной крепи на ее взаимодействие с трудноуправляемой кровлей в призабойном пространстве лавы / Г. Д. Буялич, В. М. Тарасов, Н. И. Тарасова // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1.2-2013. - С. 136-139.
5. Пат. 2387841 Российская Федерация, МПК Е 21 D 23/00 (2006.01). Способ монтажа и эксплуатации секции механизированной крепи (варианты) / Тарасов В. М., Тарасова А. В., Тарасов Д. В.; патентообладатель Тарасов В. М., ООО «РивильСИТ». - № 200812934/03; заявл. 18.07.2008; опубл. 27.04.2010, Бюл. № 12. - 18 с.
INTERACTION OF POWER SUPPORT SECTION WITH LATERAL ROCK WALLS AS SLIPPING PRISMS PRESSURE BY HYPOTHESIS OF P.M. TSIMBAREVICH. DEVELOPMENT OF HYPOTHESES TO THE CONCEPT
G. D. Buyalich, V. M. Tarasov, N. I. Tarasova Lateral rock pressure in mines is defined as the pressure of slipping prisms and pressure from the roof and sides of the opening. In connection with a longwall face these are lateral rocks in roof and rocks in the gob area. As a longwall face with the face equipment is nothing but an opening with the constantly moving side wall where condition of the side wall transferred into condition of a face and support and side wall functions are taken by power support sections, it is necessary to connect these two systems into one which is provided by the longwall power support assembly and operation innovation system which is under review.
Key words: rock pressure, unstable rocks, sliding PRISMS, roof falls, power support sections, productivity, mining operation efficiency, safety, reduction of accidents
Буялич Гзннадий Даниилович е-mail: [email protected]
Тарасов Владимир Михайлович е-mail: [email protected]
Тарасова Нина Ивановна е-mail: [email protected]
120
