Обоснование и выбор параметров секций механизированной крепи для усложнённых условий пологих пластов мощностью 1, 0-2, 5 м

Актуальность работы. Из комплексно-механизированных забоев (КМЗ) на полого-наклонных до 35° (далее пологих) пластах мощностью 1,02,5 м (далее маломощных пластах) в РФ в последние годы добывалось 3537% угля от общего объёма подземной добычи и к 2020 г. ожидается увеличение добычи до 45% или до 50 млн. т угля в год.

Применительно к шахтам РФ нижний предел вынимаемой мощности пластов рассматриваемого диапазона определён реальной возможностью создания высокопроизводительной техники для выемки тонких пластов, что подтверждается работами Гипроуглемаша, ПНИУИ и других разработчиков.

Верхний предел условно ограничен требованиями безопасности к механизированным крепям по применению на их секциях оградительных щитов, снижающих опасность ведения очистных работ в условиях отжима угля из забоя на пластах мощностью более 2,5 м.

К усложнённым горно-геологическим условиям эксплуатации отнесены пласты с вынимаемой мощностью менее 1,5−1,6 м, с углами падения 12°-35°, с неустойчивой непосредственной и ложной кровлями, со слабыми непосредственными почвами, со значительными геологическими нарушениями.

Количество шахтопластов, не имеющих осложняющих факторов в РФ, ожидается не более 10% (для сравнения в 1995 г — 5,5%), а имеющих два и более осложняющих факторов — до 70%.

Среднее ожидаемое снижение нагрузки на забой по всем КМЗ с усложнёнными условиями может составить до 2 раз, а производительности труда — до 3 раз.

В работе введено понятие «кинематическая модель секции крепи» для проведения компьютерного анализа взаимодействия секций с боковыми породами пласта и последующего перехода от кинематических, силовых, прочностных и ресурсных стендовых испытаний к компьютерным исследованиям.

Механизированная крепь обеспечивает положительные качества совместно с забойным конвейером — базой для агрегатирования, и выемочной машиной.

Работа, направленная на обоснование и выбор параметров секций крепей для усложнённых условий эксплуатации, актуальна.

Цель работы: обоснование и выбор конструктивных и силовых параметров секций механизированных крепей для: усложнённых условийэксплуатации на пологих маломощных пластах, что позволит обеспечить эффективную работу крепи без снижения проектных показателей очистного комплекса:

Идея работы: выбор и расчёт параметров секций крепи выполняется с использованием компьютерного моделирования взаимодействия крепи с боковыми породами пласта.

• Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна: :

— метод графо-аналитического определения' параметра, сопротивления: крепи-в зависимости от, тяжести кровли, вынимаемой мощности и технологии выемки пласта;

— зависимость обоснованного выбора параметров сопротивления сект ции креии, его распределения по ширине поддержания кровли, давления секции на почву пласта и его распределение от кинематической модели секции и интервала положения результирующей горного давления;

— зависимость координат интервала положения результирующей горного удавления, воспринимаемого секцией, от тяжести и ширины поддержания кровли.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием апробированных методов математической статистикисовпадением теоретических обоснований и рекомендаций с экспериментальными и шахтными даннымиудовлетворительной сходимостью расчётных показателей с фактическими с расхождением, не превышающим ± 6%. .

Методы исследования. В работе использован комплексный подход к решению проблем оценки конструктивных и эксплуатационных качеств секций крепи и их параметров, включающий теоретические исследования с использованием ЭВМ, анализ и научные обобщения опыта создания и эксплуатации отечественных и импортных крепей, методы математической статистики для обработки теоретических, экспериментальных и шахтных данных и экспертных оценок.

Научное значение работы заключается.

— в определении обоснованного выбора параметров сопротивления крепи для конкретных условий эксплуатации с обеспечением работоспособности секции во всем диапазоне раздвижности в зависимости от тяжести кровли, вынимаемой мощности и технологии выемки пласта;

— в обосновании выбора и расчёта параметров сопротивления секций крепи, его распределения по ширине поддержания кровли, в определении среднего и максимального давления секции на почву пласта в заданных условиях эксплуатации в зависимости от кинематических моделей секции и интервала положения результирующей горного давления;

— в определении координат интервала положения результирующей горного давления в зависимости от тяжести и ширины поддержания кровли.

Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по структурным схемам секций крепи и методики выбора и расчёта конструктивных и силовых параметров секций крепи для усложнённых условий эксплуатации на пологих маломощных пластах, обеспечивающих эффективную работу крепи и очистного комплекса без снижения проектных показателей.

Реализация результатов работы. Результаты проведения исследований докладывались на Ученом совете ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского в 2008 г, как часть работы «Создание высокопроизводительных базовых очистных комплексов и машин» и были одобренырекомендации работы использованы Московским филиалом Юрмаша при разработке в 2011 г технического предложения по крепи для тонких пластов ШУ «Карагайлинское» (Кузбасс), где принята рекомендуемая в работе структурная схема секции — двухмодульная, двухрядная, трёхзвенная с шагом установки 2 м, с основными параметрами, разработанными в диссертации, а также использованы в нормативной документации на очистные комбайны, где показано, что совместная работа крепи с двумя комбайнами и цельнопередвижным конвейером по сравнению с однокомбайновой выемкой и волновой передвижкой конвейера позволяет повысить нагрузку на забой в 1,45−1,95 раза, а производительность труда — в 2,2−2,5 раза, и отказаться от погрузочных щитов на комбайнах, что снизит энергоёмкость выемки пласта на 20−25% и повысит сортность угля и безопасность ведения очистных работ.

Апробация диссертации. Результаты диссертационной работы рассматривались на семинарах «Горные машины и оборудование» при проведении научных симпозиумов «Неделя горняка» в Московском государственном горном университете в 2007, 2008, 2009, 2010 и 2011 годах.

Публикации. По результатам исследований и анализа, выполненных в диссертации, опубликовано 9 работ, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. I.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключениясодержит 36 рисунков, 20 таблиц и список использованной литературы из 54 наименований.

Выводы по 4-ой главе.

1. Анализ взаимодействия крепей с секциями для усложнённых условий эксплуатации совместно с цельнопередвижным забойным конвейером и одним двухшнековым комбайном показывает, что решена основная цель данной работы — обеспечение работы очистного комплекса без снижения проектных показателей.

2. При совместной работе с цельнопередвижным конвейером и двумя одношнековыми комбайнами могут быть устойчиво обеспечены результаты, превосходящие до 1,5−2 раз по нагрузке на забой и до 2,2−2,5 раз по производительности труда очистных комплексов, работающих в благоприятных условиях.

3. Весьма перспективным направлением может явиться применение крепей с секциями со скалывающими верхняками применительно к усложнённым условиям для пластов мощностью 1,0−1,5 м совместно со струговыми установками с выемкой пласта под охранной пачкой угля.

По нашему мнению, сегодня это единственное направление работ, которое может возродить добычу антрацита в Восточном Донбассе РФ.

Заключение

.

В диссертационной работе на основе проведенных исследований опыта создания и промышленной эксплуатации механизированных крепей дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в обосновании выбора и расчёта параметров секций крепи, что позволит повысить эффективность её работы в усложнённых условиях на пологих пластах мощностью 1,0−2,5 м.

Выполненные исследования позволили получить следующие результаты и сделать выводы:

1. К 2020 г. намечается работа более 100 КМЗ на маломощных пластах, из которых только 10% ожидаются с благоприятными условиями^ эксплуатациив среднем по всем КМЗ, которые будут работать в усложненных условиях с существующими крепями, ожидается снижение нагрузки на забой — до 2 раз, а производительности труда — до 3 раз.

2. Разработана методика выбора и расчёта предлагаемых параметров секций крепи, что позволит обеспечить эффективную работу крепибез снижения проектных показателей очистного комплекса.

3. Разработан метод графо-аналитического-определения* основного параметра — сопротивление крепи, в зависимости от тяжести кровли, вынимаемой^, мощности и технологии выемки пласта, что позволит обеспечить работоспособность секций крепи в заданных условиях эксплуатации.

4. Установлена зависимость параметров сопротивление секции (модуля) крепи, его распределения по ширине поддержания кровли, среднего и максимального давления секции (модуля) крепи на почву пласта от кинематической модели секции и положения* интервала результирующей горного давления, что позволит обеспечить эксплуатацию крепи в усложнённых условиях по боковым породам пласта.

5. Разработаны рекомендации по определению координат интервала положения результирующей горного давления в зависимости от тяжести кровли и ширины её поддержания, что позволит обеспечить эффективную работу секций крепи в заданных условиях эксплуатации.

6. Применение секций с выдвижными или скалывающими верхняками предпочтительно. По сравнению с секциями для традиционной выемки пласта их сопротивление ниже на 40−43%, а среднее и максимальное давление на почву пласта ниже на 15−20%.

7. Наиболее целесообразно применение секций со скалывающими верхняками, которые обеспечивают полную затяжку кровли при ширине поддержания 4 м, коэффициенте закрепления^- не менее 0,95, усилии скалывания охранной пачки угля до 150кН/м, сопротивлении крепи для тяжёлой кровли 1-го типоразмера — 730 кН/м2,11-го — 850 кН/м2, сопротивлении модуля соответственно- 2900 кН и 3400 кНсреднем давлении на почву пласта — 1,6 МПа и 1,9 МПа, максимальном давлении 2,3 МПа и 2,7 МПаожидаемой металлоёмкости — 5,5 т/м и 7,5 т/м.

8. Секции крепи со скалывающими верхняками универсальны по применению и могут работать во всех усложнённых условиях эксплуатации при выемке пластов. мощностью 1,0−1,5 м струговыми установками, а мощностью* 1,3−2,5 м — очистными комбайнами.

9. Показано, что совместнаяфаботакрепи с цельнопередвижным конвейером и двумя* комбайнами создает четкую единую конструктивную базу для высокопроизводительной технологии выемки пласта и позволит по сравнению с однокомбайновой выемкой с волновой передвижкой конвейера при равной энерговооруженности повысить нагрузку на забой в 1,45−1,95 раза и производительность труда в 2,2−2,5 раза, отказаться от погрузочных щитов на комбайнах, обеспечивая зачистку призабойной части лавы от разрушенного угля лемехами-подборщиками забойного конвейера при его фронтальной передвижке на новую ленту выемки угля, что снизит энергоёмкость выемки пласта на 20−25%, повысит сортность, угля и безопасность ведения работ в лаве.

10. Данные предложения использованы в нормативной документации и Московским филиалом Юрмаша при разработке в 2011 г технического предложения по крепи для тонких пластов Ш. У. «Карагайлинское» (Кузбасс), где принята рекомендуемая в работе структурная схема секции — двухмодульная, двухрядная, трёхзвенная, с шагом установки 2 м, с основными параметрами, разработанными в диссертации.