Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров технологии очистных работ на тонких пластах с использованием механизированных щитовых крепей

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологии очистных работ на тонких пластах с использованием механизированных щитовых крепей"

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА ТОНКИХ ПЛАСТАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ ЩИТОВЫХ КРЕПЕЙ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор КУЗНЕЦОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

Официальные оппоненгы: доктор технических наук, профессор КОВАЛЬЧУК АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ

Ведущая организация-

ОАО по добыче и переработке угля «Гуковуголь» (г. Гуково)

Защита диссертации состоится « 28 » декабря 2004 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.03 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

кандидат технических наук

ЦЫПЛАКОВ БОРИС ВАСИЛЬЕВИЧ

Автореферат разослан « 26 » ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Мельник Владимир Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из положительных результатов реформирования угольной отрасли российской части Донбасса является резкое сокращение числа очистных забоев, связанных, прежде всего, с ликвидацией особо убыточных и нерентабельных шахт. Более того, при сокращении числа угледобывающих предприятий с 47 (1990 г.) до 20 (2000 г.) и среднедейст-вующего количества лав со 165,1 до 34,5 (соответственно на 57 и 79 %) нагрузка на очистной забой по остающимся в эксплуатации шахтам возросла в среднем по региону на 58 %.

В то же время анализ показывает, что основной прирост объемов добычи угля имеет место на шахтах, разрабатывающих пласты средней мощности (ш. "Алмазная", ш. им. 50 лет Октября, ш. "Садкинская"). Что касается шахт, разрабатывающих тонкие пласты, то специфика горно-геологических условий залегания последних и ограниченное призабойное пространство очистных выработок не позволили получить сколько-нибудь заметных приростов объемов добычи угля. Это обстоятельство и предопределило тенденции и направления повышения технического уровня очистных работ на топких пластах, что всегда было сопряжено со значительными трудностями из-за отсутствия работоспособных аналогов технических решений в отечественной и мировой практике.

Анализ же опыта технического перевооружения в области комплексной механизации угледобычи на тонких пластах свидетельствует о том, что ни на одном этапе не удалось достичь заметного роста показателей эффективности работы очистных забоев. Во многом это связано с тем, что конструктивная, силовая и кинематическая системы применяемых механизированных крепей не учитывают в должной мере специфику проявлений геомеханических процессов в осложненных условиях отработки запасов тонких пластов, что затрудняет формирование прогрессивных технологических схем очистных работ и не обеспечивает возможности выхода на высокий уровень использования ресурсного потенциала комплексов оборудования.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно утверждать об актуальности научных исследований, направленных на обоснование технических и технологических решений по повышен

1

ие эв£ПЛ)ДОЦ1М1Ш)№произво-БИБЛИОТЕКА |

С. Нет*

09

шт

дительности очистных забоев, оборудованных комплексами на базе щитовых механизированных крепей.

Целью диссертации является установление закономерностей силового взаимодействия линейных секций механизированных щитовых крепей с боковыми породами и изменения надежности их эксплуатации для обоснования рациональных параметров интенсивной технологии очистных работ, обеспечивающих эффективную отработку запасов тонких антрацитовых пластов.

Основная идея работы заключается в системном подходе к обеспечению адаптивности функциональных элементов очистного механизированного комплекса при осложнении горно-геологических условий отработки запасов тонких антрацитовых пластов посредством реализации адресно-ориентированных изменений силовых режимов взаимодействия линейных секций крепи с боковыми породами и параметров технологии выполнения рабочих процессов в лаве.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Адаптация механизированных крепей высокого технического уровня к осложнениям условий отработки тонких пологих антрацитовых пластов, обеспечивается за счет обоснованного изменения ширины поддерживаемого рабочего пространства, тага установки секций крепи, пространственной ориентации опорных элементов и шарнирного четырехзвенника.

2. Силовые параметры механизированной крепи для тонких пологих антрацитовых пластов должны определяться по условию эффективного поддержания толщи пород непосредственной кровли в режиме начального распора, а в режиме рабочего сопротивления при запасе конструктивной податливости гидравлических стоек, превышающем величину прогиба неразру-шаемой кровли.

3. Снижение величины опускания непосредственной кровли по линии ее обрушения в выработанном пространстве (за посадочным рядом стоек) может быть обеспечено при переходе на однорядные секции механизированных крепей щитового типа, позволяющие уменьшить пролет поддерживаемого рабочего пространства лавы.

4. При отработке запасов тонких антрацитовых пластов технологическая схема очистных работ с зачисткой почвы лавы имеет более высокий ранг предпочтения по сравнению со схемой, ориентированной на челноковую ра-

боту комбайна по критерию минимума затрат времени на выполнение концевых операций.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- достаточным объемом геолого-маркшейдерской и статистической информации о работе комплексно-механизированных очистных забоев шахт Восточного Донбасса (184 очистных забоев 12 шахт);

- проведением экспериментальных исследований эксплуатационной надежностью комплексно-механизированных очистных забоев по апробированным методикам с использованием современного инструментария;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований механизма силового взаимодействия секций механизированной крепи щитового типа с данными практики отработки запасов тонких пологих пластов;

- положительным опытом внедрения рекомендаций автора по совершенствованию технологической схемы выемки угля на шахтах "Октябрьская" (лава № 131) и "Западная" (лава № 210) ООО "Компания "Ростовуголь".

Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении закономерностей силового взаимодействия механизированных крепей щитового типа с боковыми породами и надежности их эксплуатации, которые могут быть использованы при обосновании крепей параметров технологий и режимов ведения очистных работ на тонких пологих угольных пластах.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций: по конструктивному совершенствованию механизированных крепей для отработки запасов тонких пологих антрацитовых пластов; по повышению эффективности применения технологических схем очистных работ на тонких пластах с использованием механизированных комбайновых комплексов; по экономическому стимулированию отработки запасов тонких пластов без при-сечки боковых пород.

Реализация работы. Предложенная система мультипликации начального распора секций механизированной крепи принята ШахтНИУИ при создании нового механизированного стругового комплекса МКС2.

Технологическая схема выемки угля комбайном с зачисткой почвы в разных направлениях в зависимости от состояния концевого участка лавы

внедрена при разработке паспортов выемочных участков шахт "Октябрьская" (лава № 131) и "Западная" (лава № 210).

По предложенной автором методике для всех очистных забоев шахт ООО "Компания "Ростовуголь" установлены минимальные значения вынимаемой мощности пластов, обеспечившие снижение зольности угля и повышение уровня эффективности функционирования горных предприятий.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований докладывались и получили одобрение на заседаниях Президиума Южно-Российского отделения Академии горных наук (Шахты, 2003), заседаниях технического совета ООО "Компания "Ростовуголь" (Шахты, 20022003), научно-технических конференциях Шахтинского института ЮжноРоссийского технического университета (Новочеркасского политехнического института) (Шахты, 2002-2003), научном семинаре кафедры "Подземная разработка пластовых месторождений" Московского государственного горного университета (Москва, 2004).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 8 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 72 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук Луганцеву Б.Б. за ценные методические рекомендации и консультации при выполнении экспериментальных исследований по практической реализации результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время уровень комплексной механизации очистных работ на угольных шахтах России приближается к 100 %, и базируется на применении общепризнанных в мировой и отечественной практике механизированных комплексов в основном на базе агрегатированных крепей и комбайновом или струговом способе выемки угля. Применение этих комплексов даже при отработке запасов тонких пластов мощностью 0,8-1,2 м в ряде случаев позво-

ляет достичь достаточно высоких результатов в части нагрузок на забой, качества добываемого угля и производительности труда.

Шдговые механизированные комплексы, применяемые на шахтах Восточного Донбасса, относятся к комплексам третьего поколения и предназначены для обеспечения рентабельной работы угледобывающих предприятий в рыночных условиях. Однако, несмотря на высокий технический уровень, результаты их работы оказались на уровне ранее созданных комплексов даже первого поколения, а нередко были и ниже. Подтверждением этого являются результаты анализа опыта внедрения очистной техники на шахтах ОАО "Рос-товуголь".

Таблица 1

Состояние запасов угля в ОАО "Ростовуголь"

Наименование показателей на 01.01.2000 г.

Всего запасов, млрд. т 3,6

Балансовые запасы, млн. т, 409

в том числе: по мощности 0,75 -1,2 м 260

> 1,2 м 38

Промышленные запасы, млн. т, 230

из них целесообразные к отработке на этапе

реструктуризации, 71

в том числе: по мощности 0,75-1,2 м 55

> 1,2 м 14

Балансовые запасы, потерянные при

ликвидации 16 шахт, млн. т 347

Целесообразные к отработке на действующих

шахтах, млн. т, 71

в том числе: по мощности 0,5-0,7 м 0,9(1,3%)

0,7-1,0 м 51,6 (72,6 %)

1,0-1,2 м 4,2(5,9%)

1,2-1,8 м 8,8 (12,4 %)

> 1,8 м 5,5 (7,8 %)

Промышленные запасы ОАО "Ростовуголь" на протяжении более 40 лет прошлого столетия в основном сосредотачивались на весьма тонких пластах и тонких (до 1,2 м.) и составляли в различные периоды от 50 % (1960 г.) до 80 % (2000 г.) от общих запасов (табл. 1). Это обстоятельство и предопределило специфику и направление развития механизации рабочих процессов при очистной выемке тонких пластов.

Повышение технического уровня новых комплексов не привело к минимизации отрицательного влияния на их работу постоянно ухудшающихся горно-геологических условий отработки запасов пластов. Как конструктивные, так и кинематические системы новых механизированных крепей не в полной мере отвечали техническим требованиям, прежде всего по ширине поддерживаемого рабочего пространства, шагу установки секций крепи, пространственному расположению гидростоек и шарнирного четырехзвенника.

Опыт создания средств комплексной механизации очистных работ и исследований процессов взаимодействия крепей с боковыми породами являлся основой развития научно-технического прогресса в подземной технологии угледобычи. Большой вклад в формирование методологической базы теоретических и экспериментальных исследований, а также в обоснование и реализацию конструктивных решений в области комплексной механизации очистных работ внесли А.А. Борисов, Ф.Н, Воскобоев, А.Д. Гридин, ВТ. Давидянц, П.В. Егоров, Л.А. Зиглин, A.M. Ильштейн, А.Б. Ковальчук, Г.Н. Кузнецов, СТ. Кузнецов, И.С. Крашкин, ВА. Матвеев, Б.К. Мышляев, А.А. Орлов, В.А. Потапенко, А.В. Топчиев, К.В. Руппенейт, В.Н. Фрянов, Ю.Л. Худин, Г.И. Ягодкин и многие другие ученые и специалисты горного профиля.

В то же время результаты многочисленных исследований в большинстве своем не отражали специфику работы очистных механизированных комплексов в условиях маломощных угольных пластов, что и предопределяет необходимость постановки комплекса специальных исследований в этом направлении.

Для реализации поставленной цели в работе определен следующий круг решаемых задач:

- обобщение и анализ опыта эксплуатации очистных механизированных комплексов при отработке запасов тонких угольных пластов;

- выявление тенденций и направлений совершенствования технологии и средств механизации очистных работ на тонких угольных пластах;

- анализ теоретической и методологической базы обоснования параметров технологии и средств комплексной механизации очистных работ;

- исследование эксплуатационной надежности очистных механизированных комплексов па шахтах Восточного Донбасса;

- исследование режимов взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами в процессе ведения очистных работ;

- разработка методики обоснования силовых параметров линейных секций механизированных крепей щитового типа;

- обоснование режимов силового взаимодействия механизированных крепей щитового типа с боковыми породами;

- разработка рекомендаций по совершенствованию технологии очистных работ на тонких угольных пластах с использованием комплексов оборудования на базе щитовых механизированных крепей;

- оценка технико-экономической эффективности результатов исследований.

Обоснованный выбор механизированного комплекса, обеспечивающего высокую надежность технологии очистных работ в конкретных горногеологических условиях, является определяющим условием достижения стабильного и эффективного функционирования угольной шахты.

Безусловно, надежность функционирования комплекса во многом зависит от эффективности работы механизированной крепи, которая должна обеспечивать поддержание кровли над призабойным пространством без вывалов, заколов и др., а также безопасные условия труда для обслуживающего персонала. Неэффективная работа крепи чаще всего приводит к полной остановке лавы и демонтажу всего комплекса. Однако при анализе эксплуатационных характеристик механизированного комплекса следует рассматривать каждый из функциональных элементов как отдельный объект, так и во взаимоувязке с другими элементами. Именно такой подход и был принят к реализации в рамках данной работы.

Оценка эксплуатационной надежности функционирования механизированной крепи автором осуществлялась по результатам натурных исследований состояния кровли в очистном забое, а также исследований характера проявлений сдвижений пород над поддерживаемым и выработанном пространствами. Фиксировались образования заколов, трещин и вывалов в кровле движущегося очистного забоя, шаг обрушения пород, зависание нижних слоев

кровли относительно линии обрушения, величина опускания кровли по последнему ряду крепи во время выемочного цикла, рабочее давление насосной станции и его колебания при срабатывании автомата разгрузки, а также при расходе рабочей жидкости в процессе распора и передвижки секций крепи.

Кроме того, проводился сравнительный анализ эффективности функционирования различных механизированных комплексов в сопоставимых горно-геологических условиях, что позволило осуществить объективную оценку работоспособности комплексов, соответствия их заданным техническим характеристикам.

В зависимости от типа кровли по управляемости велись наблюдения за состоянием секций крепи по условию изменения величины их податливости вплоть до полной осадки силовых стоек "нажестко" в течение нескольких рабочих циклов. Образование вывалов пород кровли, объем которых определялся по площади и высоте, рассматривалось как факт недостаточного уровня надежности функционирования секций крепи при взаимодействии их с нижними слоями кровли, особенно при выемке угля и передвижке секций.

В результате исследований работы комплексно-механизированных лав было установлено, что эффективная эксплуатация механизированной крепи мало зависит от ее сопротивления: жесткое зажатие секций происходит при любых классах кровли по устойчивости и управляемости.

Опыт работы механизированных комплексов нового поколения на шахтах Восточного Донбасса показал недостаточную их эксплуатационную надежность в условиях тонких пластов. Повсеместно наблюдались отказы в работе крепей, а именно зажатие секций, вывалы пород нижних слоев кровли в призабойное пространство и значительные затруднения по управлению кровлей за пределами рабочего пространства лавы.

Заявленные заводами-изготовителями технические характеристики механизированных крепей в эксплуатации не подтверждались, особенно по усилию начального распора, требуемой податливости и распределению сопротивления по длине и ширине поддерживаемого рабочего пространства, о чем свидетельствует посадки "нажестко" секций крепи, возникновение и быстрое распространение по длине лавы обрушений пород у забоя, работа секций крепи в силовом режиме ниже номинального рабочего сопротивления в течение всего цикла и др.

На шахте им. Октябрьской революции при разгрузке секций крепи легко обрушаемая трещиноватая непосредственная кровля сразу опускалась на перекрытие и оградительную часть. На рис. 1 проиллюстрирована характерная картина проявлений этих геомеханических процессов. Вначале происходит обрушение пород над одной секцией на высоту , затем при разгрузке соседней секции картина повторяется, но при развитии зоны обрушений на несколько большую высоту. Постепенно высота увеличивается вплоть до подбученного и неразрушаемого слоя пород кровли . На перекрытие и

ограждение крепи воздействует масса пород непосредственной кровли, это воздействие можно представить как равномерно-распределенную нагрузку, величина которой определяется высотой обрушения

("1,5м _1_

Рис. 1. Характер обрушения кровли и образования породных вывалов при работе комплекса 1МКД90

Результаты шахтных исследований явились основой для разработки расчетной схемы нагружения поддерживающей и оградительной частей перекрытия крепей 1КД80 (1КД90), представленной на рис. 2. Одной из особенно-

стей расчетной схемы является учет равномерно-распределенной нагрузки на перекрытие и ограждение, углов наклона гидростоек и самого ограждения, а также сопротивления в шарнирах.

Рис. 2. Расчетная схема нагружения поддерживающей и оградительной частей перекрытия крепи 1КД80 (1КД90)

Предложенная расчетная схема в статике представляет систему взаимодействия крепи с кровлей в момент её разгрузки и распора. Уравнение равновесия по оси X:

YjX = ~Кч' SinY ~ Щ • Siny{ + 21\ ■ Siny2 -l0q ■ Sinip +

+ 7] • SinYj + T2 • Siny4 = 0. (1)

Уравнение равновесия по оси Убудет иметь вид:

~Кч • Cosy - laq ■Cos(p + Cosyl + 2Рг ■ Cosy2 + + Г, • Cosy} + Т2 ■ Cosy4 = 0. (2)

Сумма моментов относительно точки А определяется как

2

= 2QCosy,(/„ + /4) + 1P2CosyiU ~ = 0 (^ева); (3)

2 Cos<p

А = l\CosYll2Cos(p + T2Cosy4(l2 +/3)Cos<p + TySiny^Sinip + T2SinyA ■ ,(/2 +li)Sin9Jl3^jl3fl,1{M:p +Л/;) = о (справа). (4)

В приведенных уравнениях - момент трения в одном шарни-

ре первой траверсы четырехзвенника (всего 2), а - момент трения

в одном шарнире второй траверсы четырехзвенника (всего 2). Коэффициент трения стали по стали

В формуле (1) не учитывается влияние угла наклона перекрытия в силу его малости, что практически не влияет на точность расчетов, но значительно их упрощает.

Приведенные уравнения позволяют достаточно легко определять усилия в траверсах, моменты сопротивления в шарнирах или устанавливать потребное усилие начального сопротивления стоек при распоре секций.

По расчетам и результатам шахтных исследований автора установлено, что усилия стоек не позволяли преодолеть сопротивление со стороны обрушенных пород кровли и моменты в восьми шарнирах по четырем осям траверс. Отклонение силовых стоек от вертикали на углы у, И (для 1КД80 -9°, для 1КД90 - 14-18°) значительно уменьшало усилие распора стоек. Наличие оградительной части большой площади в условиях тонких пластов, и особенно на нижнем пределе их мощностей, является нерациональным техническим решением.

Обоснованный выбор кинематических и силовых характеристик секций крепи способствует обеспечению устойчивого состояния кровли в призабой-ном пространстве лавы и исключения динамизма в процессе её обрушения за пределами последней при достаточно равномерном распределении сопротивления крепи по площади перекрытий.

По мере передвижения линейных секций снижается сопротивление крепи вдоль очистного забоя, а также имеет место неравномерное распределение усилий подпора, что может вызвать концентрацию напряжений в нижних слоях пород кровли и образование систем нежелательной эксплуатационной трещиноватости (кровля разделяется на блоки по поверхностям ослаблений).

По результатам проведенных автором исследований работы комплексно-механизированных очистных забоев были выделены наиболее характерные особенности механизма обрушения пород непосредственной кровли (рис. 3):

- слои непосредственной кровли представляют несплошную среду и обрушаются на всю высоту по линии обреза ее консоли;

- нижние слои непосредственной кровли обрушаются малыми блоками с размерами, кратными ширине захвата комбайна или равными шагу передвижки крепи, при зависании за крепью до 1 м;

- нижние слои кровли обрушаются периодически длинными блоками с зависанием за линией обреза более 2 м;

- плавное опускание кровли.

Величина рабочего сопротивления крепи, как правило, не влияет на величину опускания кровли. Поэтому при выборе крепи следует, прежде всего, учитывать, а вернее, объективно определять величину опускания кровли и соответственно конструктивную подагливость стоек крепи.

По мере отхода очистного забоя от разрезной печи увеличивается площадь обнажения кровли, которую можно представить в виде балки на двух опорах, прогибающейся под действием собственной массы. В результате в нижних слоях кровли возникают растягивающие напряжения с образованием деформационных трещин. Нижние слои кровли разделяются на две балки, каждая из которых имеет одну опору в виде заделки в целиках над забоем лавы и печи. Консольно зависшая балка создает большой изгибающий момент над забоем, происходит отрыв породных слоев по линии обреза крепи, что наблюдается в период первичной посадки кровли. При этом формируется зона обрушения пород непосредственной кровли. Основная же кровля, плавно прогибаясь, принимает форму, которую можно представить в виде гибкой цепной линии.

В работе принимается условие, что интенсивность нагрузки, распределенной равномерно по пролету нити I, равна q.

Вырежем двумя сечениями (в начале координат и на расстоянии X от начала координат) часть длины нити (х). Действие отброшенных частей рекомендовано заменить силами растяжения, касательными к кривой провисания нити Ни Т. (рис. 4).

m

iT

x/2

Рис. 4. Вырезанная часть нити

Уравнения равновесия сил и моментов после приравнивания их нулю имеет вид:

Стрела прогиба/ или стрела провисания на любом участке нити может быть определена при подстановке в формулу значений (х).

Величина опускания кровли А на линии задних стоек крепи определяется как

где Н, - сила натяжения нити по касательной к кривой в точке на расстоянии 1„ от забоя;

а, - угол, образуемый силой Я, и горизонталью.

Как правило, угол а, относительно мал при достаточно больших пролетах провисания нити и малой величине провисания на тонком пласте (разница в уровнях соответствует примерно вынимаемой мощности пласта тв).

Поэтому с достаточной степенью точности уравнение (5) можно записать как

cosa

h

с?/; + 2/„Я,5та, 2 Н, cosa-,

(5)

Таким образом, величина опускания кровли прямо пропорциональна квадрату ширины поддерживаемого пространства и обратно пропорциональна величине «натяжения» в точке обрушения или по посадочному ряду крепи. Основная кровля "задает" величину опусканий непосредственной кровли и её профиль, который не является плоским, а криволинейным, близким к параболе.

Представленная картина проявлений геомеханических процессов в породном массиве позволяет сделать вывод о том, что для выбора механизированных крепей в конкретных условиях необходимо знать величину осадок кровли над призабойным пространством, которая должна быть меньше податливости силовых стоек крепи с учетом запаса гидравлической раздвижно-сти, возможного подъема почвы (пучение до 10-12 % общей конвергенции боковых пород) и требуемый начальный распор, который должен быть близок к рабочему сопротивлению для равномерного распределения нагрузок, передаваемых крепью на кровлю.

При управлении секциями крепи в реальных условиях было отмечено падение давления в высоконапорной гидравлической магистрали, при распоре стойки крепи развивали начальное усилие меньше рабочего. Более того, после распора секций крепи почти 90 % стоек в режиме податливого опускания не выходили на уровень рабочего сопротивления в течение времени выполнения цикла работ по выемке угля. При давлении настройки насосной станции 20-25 МПа в процессе распора стоек давление падало до 10-15 МПа, стойки развивали усилие в два раза меньше указанного в технической характеристике.

Эти явления имели место при эксплуатации крепей всех типов, вызывая в конечном итоге потери эффекта подпора кровли секцией крепи, образование вывалов и заколов пород кровли. Для устранения данного явления необходимо повышать начальный распор силовых стоек крепи.

Давление в стойках можно повысить вплоть до рабочего сопротивления посредством оснащения секций крепи специальным устройством на основе мультипликатора одинарного действия. Принцип действия такого мультипликатора представлен на рис. 5.

Величина повышенного давления (без учета сил трения в уплотнениях) может быть определена как

Р^Ррае-О2/{о2-с!2}, МПа, (7)

где Б - диаметр поршня, принят 110 мм; (1 - диаметр штока, принят 70 мм. Поршневая полость 1 соединяется с напорной магистралью (Рраб), што-

Рис. 5. Схема мультипликатора давления

При этом для крепи 1КД80 (90) необходимо иметь два мультипликатора, включенных в гидравлическую сеть и питающих дие стойки ряда крепи каждый.

Количество жидкости, нагнетаемое мультипликатором:

Q = л|^(Dг-dг)L,нм\ (8)

где I - ход поршня мультипликатора, мм.

Диаметры поршней первой и второй ступеней стоек крепи 1КД80 принимаются соответственно равными 160 и 110 мм; при ходе поршня Ь = 100 мм. При этих параметрах <2 = 565487 мм3.

Ход штока стойки при данном количестве нагнетаемой жидкости дополнительно в поршневую полость стойки составит:

А =6/^,; ¿2=6/^2,ММ,

где Ь2 - соответственно ход штока стойки при движении первой или второй ступеней, мм;

Рг, ¥г - площадь, соответственно, первой и второй ступеней стойки, мм2.

При принятых конструктивных размерах мультипликатора коэффициент мультипликации, определяемый отношением площади поршневой и што-ковой полостей, составит 1.68. Такие параметры мультипликатора позволяют гарантированно осуществлять дораспор стоек крепи 1КД80(90) почти до номинального рабочего сопротивления. Если же объема нагнетаемой дополнительно жидкости недостаточно, то возможно производить неоднократные его включения.

Предложенная схема мультипликации позволяет повышать давления в стойках каждой секции крепи сразу после передвижки. Система работает автономно с каждой секцией и достаточно проста в изготовлении, а в силу требуемою малого расхода жидкости достаточно компактна, удачно "привязывается" к любым крепям, не сужая рабочие проходы и не ухудшая ремонтопригодности крепи.

По данным завода-изготовителя крепи 1КД80(90) (Каменский машза-вод) стоимость комплекта такого устройства на один очистной забой длиной 200 м не превышает 1,0 % стоимости лавокомплекта крепи (около 20 тыс. руб. на одну секцию).

Система мультипликации начального распора секций крепи по предложенному автором варианту была принята ШахтНИУИ при создании нового механизированного стругового комплекса МКС2, а также одобрена и принята к реализации Каменским машзаводом.

Обеспечение эффективной работы механизированного комплекса при отработке запасов выемочных столбов по восстанию при углах падения пластов 10° и более связано с необходимостью выравнивания рештачного става базового конвейера (приведение его в горизонтальное положение), что требует создания специальных механических и гидравлических систем. Автором предложены и апробированы в шахтных условиях (ш. "Октябрьская") такие системы. Диагональное расположение линии очистного фронта работ не позволяет уменьшить угол падения пласта и только осложняет технологию угледобычи по известным причинам (разворот секций крепи, искривление линии очистного забоя, осложнение работ на концевых участках и т.д.).

При эксплуатации комплексно-механизированных очистных забоев с комбайновым способом выемки угля повсеместно имели место присечки боковых пород от 0,1 до 0,25 м. С целью ликвидации присечек боковых пород, приводящих к ухудшению качества добываемого топлива и целому ряду других негативных явлений в виде повышения энергоемкости процесса выемки, снижения надежности выемочной техники, увеличения затрат на транспортирование и переработку дополнительных объемов горной массы и др., в работе рекомендован переход на нормирование и планирование затрат труда по площади выемки 5". При этом путем простого деления объема добычи горной массы Q (т) на производительность пласта Р (Т/м2) можно получить значение нормируемой площади выемки как показатель интенсивности и рациональности труда рабочих:

При выборе механизированного комплекса необходимо определять минимально возможную вынимаемую мощность пласта Шетп при работе комбайна в заданных условиях и оценки правильности выбора структуры механизированного комплекса.

В этой связи для всех очистных забоев ООО "Компания "Ростовуголь" по рекомендациям автора были обоснованы минимальные значения вынимаемой мощности пластов (табл. 2).

Таблица 2

Расчетные величины минимальной вынимаемой мощности пластов

Тип комплекса Тип комбайна Диаметр шнека, м Минимальная вынимаемая мощность т«ют.м

1МКД80(90) 1К101У 0,71 0,8 1,05 1,1

1К103М 0,63 0,71 0,8 0,85/0,88 * 0,85/0,96 1,05

К85 0,71 0,8 0,96 1,05

КМК97М 1К101У 0,8 1,0

В 0 0 0 "Компания "Ростовуголь" по предложениям автора в паспортах выемочных участков предусматривается работа комбайна с зачисткой в разных направлениях в зависимости от состояния концевого участка забоя, что обеспечивает более высокий уровень безопасности работ на этих участках. Эти предложения были внедрены на шахтах "Октябрьская" и "Западная" в 2003 г. соответственно в лавах № 131 и № 210.

В результате выполненных исследований эффективности эксплуатации очистных механизированных комплексов на шахтах Восточного Донбасса, анализа и обобщения передового производственного опыта с учетом проявлений геомеханических процессов при взаимодействии породного массива с механизированными крепями в движущемся очистном забое сформулированы технические и технологические требования и опредены направления совершенствования средств комплексной механизации очистных работ на тонких угольных пластах.

Так, основным способом выемки угля следует считать струговый, так как, помимо обеспечения более высокого качества угля, его реализация приводит к снижению энергоемкости процесса выемки, повышению уровня безопасности и улучшению условий труда. При этом струговые установки должны привязываться к механизированным крепям по "незаряженной" схеме, что позволит иметь меньшую ширину поддерживаемого пространства очистной выработки.

Комбайновый способ выемки в настоящее время может быть использован только при отработке запасов пластов с крепкими углями, где неэффективен струговой способ, а также на пластах мощностью от 0,9 до 1,2 м. При этом комбайн должен иметь вынесенную цепную подачу или бесцепную (на пластах мощностью более 1,0 м). Скорость подачи должна быть не менее 5,08,0 м/мин при автоматическом поддержании рационального ее значения в зависимости от крепости угля и нагрузки привода. Наиболее предпочтительная компоновка комбайна с расположением его корпуса над базовым конвейером с центром тяжести ближе к середине рештаков. Комбайн должен иметь небольшие габаритные размеры по длине и высоте корпуса, соответственно до 5 м и 600 мм.

Выполненный анализ работы базовых конвейеров показал, что для условий отработки запасов тонких пластов наиболее целесообразно применение скребковых конвейеров с расположением тяговых цепей в боковинах направ-

ляющих линейных секций, что обеспечивает увеличение клиренса комбайна до 80 мм и улучшение прохода потока горной массы под ним без заклинивания крупных кусков угля и породы.

С точки зрения рационального размещения более прочного тягового органа боковина рештака должна быть высотой в пределах 190-225 мм, что позволит применять цепи калибра 18 и 24 мм без ухудшения при этом условий погрузки угля на конвейер.

В соответствии с результатами исследований проявлений геомеханических процессов, проведенными расчетами характеристик силового взаимодействия секций механизированной крепи с боковыми породами в движущемся очистном забое определены направления повышения технического уровня и эксплуатационной надежности механизированных крепей для условий тонких пластов:

сопротивление крепи в рабочем режиме должно быть не более 300350 кН/м2;

линейные секции крепей должны оснащаться устройствами, повышающими начальное давление при распоре силовых стоек вплоть до номинального рабочего сопротивления;

жесткий размер секций крепи по линии обрушения пород кровли не должен превышать 550-580 мм;

конструктивная податливость секций крепи в режиме опускания должна быть не менее 300 мм;

длину секции крепи следует принимать равной ширине поддерживаемого рабочего пространства за минусом незакрепленной полосы кровли у забоя до 300 мм, при этом исключается использование оградительного элемента с системой четырсхзвенника, а для обеспечения связи основания с перекрытием и устойчивости секций следует применять другие технические решения, например, по типу крепей М103, М200;

для уменьшения ширины поддерживаемого рабочего пространства и возможного опускания кровли с учетом ее прогиба по линии обрушения секции крепи должны быть однорядными при двух или трех стойках в ряду;

целесообразно секции крепи конструировать в виде двух полусекций, сочленяемых друг с другом шарнирно-подвижными связями, что позволит уменьшить площадь обнажения кровли при их разгрузке и передвижке;

в случае применения специального оградительного элемента с механизмом четырехзвенника необходимо конструктивно обеспечивать в нижнем положении угол между плоскостью перекрытия и ограждения не менее 1214°, а длину ограждения не более 1,2 м, что вполне реализуемо.

Стойки крепи следует устанавливать с наклоном в сторону забоя не более 10-12° при максимально возможном приближении верхней опоры у пере-крьпия к забою, задняя часть консоли перекрытия должны быть длиной не менее 0,9-1,0 м для более равномерного распределение усилия и устойчивости.

Схема привязки секций крепи в струговом комплексе всегда будет "незаряженной", а в комбайновом варианте может быть и «заряженной» в зависимости от габаритных размеров комплектующих функциональных элементов и требуемых по правилам безопасности свободных проходов для людей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические и технологические разработки по повышению эффективности технологии очистных работ на тонких угольных пластах с использованием щитовых механизированных крепей, имеющие существенное значение для угольной промышленности России.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Анализ отечественного опыта на всех этапах создания и внедрения очистных механизированных комплексов показал, что положительная динамика эффективности их применения наблюдается в основном при отработке запасов средней мощности и мощных угольных пластов. В то же время комплексы даже третьего поколения, эксплуатирующиеся на тонких (менее 1,21,3 м) пластах, не обеспечили ожидаемый рост нагрузок на очистные забои и производительности труда.

2. В результате исследований установлено, что "невыход" механизированных комплексов для отработки запасов тонких угольных пластов, в частности 1КМД90, на уровень заложенных в них заводских технических характеристик во многом обусловлен неучетом специфики отработки запасов тон-

ких пластов и отсутствием научно обоснованной взаимоувязки технологическими параметрами функциональных элементов комплексов.

3. На основании результатов экспериментальных исследований в очистных забоях шахт Восточного Донбасса выявлены изменения механизма силового взаимодействия секций крепи и ее состояния в призабойном пространстве лавы в зависимости от усилий начального распора секций, их жесткого размера и величины податливости гидростоек. Установлено, что 90 % линейных секций крепи не достигает номинального рабочего сопротивления в течение всего выемочного цикла даже в условиях тяжелых кровель (шахта "Юбилейная").

4. Тяжелые щитовые агрегатированные крепи с оградительной частью не рекомендуется применять при отработке запасов тонких угольных пластов из-за большой ширины поддерживаемого пространства и невозможностью конструктивного исполнения работоспособной системы связи четырехзвен-ника с элементом ограждения под необходимым углом (> 14°) с перекрытием в сложенном состоянии. Оградительная часть секции крепи длиной около 1,5 м выполняет в таком положении функции основного перекрытия, что приводит к значительному нагружению всей секции.

5. Предложена методика оценки работоспособности механизированной крепи на основе изучения состояния нижних слоев кровли пласта по интенсивности сдвижений пород на поддерживаемом пространстве, наличию вывалов и заколов, величине податливости силовых элементов секций и соответствия ее величине опускания кровли по посадочному ряду гидростоек во время выполнения выемочного цикла, а также способности крепи воспринимать нагрузки со стороны кровли в режимах снятия давления, передвижки и распора секций.

6. На основании теоретических исследований доказано, что посадка секций крепи "нажестко" практически не является следствием недостаточности ее сопротивления при любых классах кровли по устойчивости и управляемости, а наличие такого рода негативных случаев связано с необоснованностью выбора типоразмеров крепи по действующим инструктивным документам, требующим своего пересмотра.

7. Разработана методика обоснования конструктивной податливости секций механизированных крепей щитового типа. Показано, что основная

кровля "задает" значения величины опускания непосредственной кровли и ее контактный профиль, который не является плоским.

8. Осуществлено теоретическое обоснование режимов рационального силового взаимодействия секций механизированной крепи с боковыми породами. Обоснованы и реализованы рекомендации по использованию эффективных регуляторов режимов надежного и безопасного функционирования системы "крепь-боковые породы" в течение всего цикла работ в очистном забое.

9. Разработаны предложения по повышению эффективности функционирования очистных механизированных комплексов при отработке запасов тонких пластов по восстанию. Выполнена оценка целесообразности комплексно-механизированной отработки запасов тонких угольных пластов без присечки боковых пород.

10. Разработаны рекомендации по повышению эффективности очистных работ на тонких угольных пластах и осуществлена ее оценка применительно к условиям антрацитовых шахт Восточного Донбасса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Голод В.А. Анализ силового взаимодействия механизированных щитовых крепей с кровлей на тонких пластах. /Научно-технические и технологические проблемы угледобывающего производства Восточного Донбасса: Сб. науч. тр./ СКНУ ВШ. - Ростов-на-Дону, 2001 г. - с.24-31.

2. Голод В.А. Эксплуатационно-технические характеристики и показатели работы механизированных комплексов для забоев тонких пластов на шахтах ОАО «Ростовуголь». /Научно-технические и технологические проблемы угледобывающего производства Восточного Донбасса: Сб. науч. тр./ СКНУ ВШ. - Ростов-на-Дону, 2001 г. - с.31-35.

3. Голод В.А. Теория и практика силового взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами и пути повышения их эксплуатационных характеристик на тонких пластах. /Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск, 2003 г. - с.21-30.

4. Голод В.А. Экономические аспекты стимулирования выемки тонких пластов без присечки боковых пород. /Совершенствование технологии, механизации и организации строительства и эксплуатации горнодобывающих

предприятий и пути повышения качества подготовки специалистов: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск, 2004 г. - с.139-142.

5. Голод В.А. Технико-экономическая оценка технологических схем работы комбайнов в комплексно-механизированных забоях (на примере ОАО «Ростовуголь»). /Совершенствование технологии, механизации и организации строительства и эксплуатации горнодобывающих предприятий и пути повышения качества подготовки специалистов: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск, 2004 г. - с.142-144.

6. Голод ВА. Теоретические и экспериментальные исследования рабочих характеристик мехкомплексов с учетом геомеханических процессов и сдвижений пород кровли на тонких пластах. /Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион. Техн. Науки. - 2004 г. - Приложение №7, с.87-95.

Подписано в печать « ¿<5 » 11 2004 г. Формат 90x60/16 Объем 1.0 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № $49

Типография Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6.

«2 55 1 5

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Голод, Вадим Аркадьевич

Введение.

1. Состояние вопроса, цель, задачи и методы исследований

1.1. Анализ производственного опыта, тенденций и направлений совершенствования технологий очистных работ на шахтах Восточного Донбасса.

1.2. Оценка степени изученности вопроса исследований

1.3. Цель, задачи и методы исследований.

Выводы.

2. Исследование эксплуатационных характеристик комплексно-механизированной технологии очистных работ на тонких пластах.

2.1. Общие положения оценки эксплуатационной надежности функционирования комплексно-механизированных очистных забоев

2.2. Исследование влияния комплекса факторов на уровень эксплуатационной надежности.

Выводы.

3. Теоретические исследования комплексно-механизированной техш нологии очистных работ на тонких пластах.

Ф 3.1. Разработка расчетной схемы нагружения линейных секций механизированных щитовых крепей для тонких пластов.

3.2. Теоретические аспекты обоснования конструктивной податливости механизированных крепей щитового типа.

3.3. Теоретическое обоснование режимов силового взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами.

Выводы.

4. Рекомендации по практической реализации и технико-экономическая оценка результатов исследований.

4.1. Разработка рекомендаций по совершенствованию механизированных крепей для эффективной отработки запасов тонких угольных пластов.

4.2. Разработка предложений по повышению эффективности функционирования очистных механизированных комбайновых комплексов при отработке запасов выемочных столбов по восстанию пластов.

4.3. Оценка целесообразности комплексно-механизированной отработки запасов тонких пластов без присечки боковых пород.

4.4. Разработка рекомендаций по повышению технического уровня и эффективности очистных работ на тонких угольных пластах.

4.5. Оценка эффективности технологических схем очистных работ на тонких пологих пластах.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров технологии очистных работ на тонких пластах с использованием механизированных щитовых крепей"

Одним из положительных результатов реформирования угольной отрасли российской части Донбасса является резкое сокращение числа очистных забоев, связанных, прежде всего, с ликвидацией особо убыточных и нерентабельных шахт. Более того, при сокращении числа угледобывающих предприятий с 47 (1990 г.) до 20 (2000 г.) и среднедействующего количества лав со 165,1 до 34,5 (соответственно на 57 и 79 %) нагрузка на лаву по остающимся в эксплуатации шахтам возросла в среднем по региону на 58 %.

В то же время анализ показывает, что основной прирост добычи имеет место на шахтах, разрабатывающих пласты средней мощности ("Алмазная", им. 50 лет Октября ОАО "Гуковуголь", "Садкинская" ООО "Компания "Ростовуголь" и др.). Что касается шахт, разрабатывающих тонкие пласты, то специфика горно-геологических условий залегания последних и ограниченное призабойное пространство очистных забоев не позволили получить сколько-нибудь заметных приростов в добыче из очистных забоев.

Это обстоятельство и предопределило тенденции и направления повышения технического уровня очистных работ на тонких пластах, что всегда было сопряжено со значительными трудностями из-за отсутствия работоспособных аналогов технических решений в отечественной и мировой практике.

Анализ же опыта технического перевооружения в области комплексной механизации угледобычи на тонких пластах свидетельствует о том, что ни на одном этапе не удалось достичь заметного роста показателей эффективности работы очистных забоев. Во многом это связано с тем, что конструктивная, силовая и кинематическая системы применяемых механизированных крепей не учитывают в должной мере специфику проявлений геомеханических процессов в осложненных условий отработки запасов тонких пластов, что затрудняет формирование прогрессивных тех-» нологических схем очистных работ и не обеспечивает возможности выхода на высокий уровень использования ресурсного потенциала комплексов оборудования.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно утверждать об актуальности научных исследований, направленных на обоснование технических и технологических решений по повышению эксплуатационной производительности очистных забоев, оборудованных комплексами на базе щитовых механизированных крепей.

Целыо диссертации является установление закономерностей силового взаимодействия линейных секций механизированных щитовых крепей с боковыми породами и изменения надежности их эксплуатации для обоснования рациональных параметров интенсивной технологии очистных работ, обеспечивающих эффективную отработку запасов тонких антрацитовых пластов.

Основная идея работы заключается в системном подходе к обеспечению адаптивности функциональных элементов очистного механизированного комплекса при осложнении горно-геологических условий отработки запасов тонких антрацитовых пластов посредством реализации адресно-ориентированных изменений силовых режимов взаимодействия линейных секций крепи с боковыми породами и параметров технологии выполнения рабочих процессов в лаве.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Адаптация механизированных крепей высокого технического уровня к осложнениям условий отработки тонких пологих антрацитовых пластов, обеспечивается за счет обоснованного изменения ширины поддерживаемого рабочего пространства, шага установки секций крепи, пространственной ориентации опорных элементов и шарнирного четырех-звенника.

2. Силовые параметры механизированной крепи для тонких пологих антрацитовых пластов должны определяться по условию эффективного поддержания толщи пород непосредственной кровли в режиме начального распора, а в режиме рабочего сопротивления при запасе конструктивной податливости гидравлических стоек, превышающем величину прогиба не-разрушаемой кровли.

3. Снижение величины опускания непосредственной кровли по линии ее обрушения в выработанном пространстве (за посадочным рядом стоек) может быть обеспечено при переходе на однорядные секции механизированных крепей щитового типа, позволяющие уменьшить пролет поддерживаемого рабочего пространства лавы.

4. При отработке запасов тонких антрацитовых пластов технологическая схема очистных работ с зачисткой почвы лавы имеет более высокий ранг предпочтения по сравнению со схемой, ориентированной на чел-ноковую работу комбайна по критерию минимума затрат времени на выполнение концевых операций.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- достаточным объемом геолого-маркшейдерской и статистической информации о работе комплексно-механизированных очистных забоев шахт Восточного Донбасса (184 очистных забоев 12 шахт);

- проведением экспериментальных исследований эксплуатационной надежностью комплексно-механизированных очистных забоев по апробированным методикам с использованием современного инструментария;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований механизма силового взаимодействия секций механизированной крепи щитового типа с данными практики отработки запасов тонких пологих пластов;

- положительным опытом внедрения рекомендаций автора по совершенствованию технологической схемы выемки угля на шахтах "Октябрьская" (лава № 131) и "Западная" (лава № 210) ООО "Компания "Ростовуголь".

Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении закономерностей силового взаимодействия механизированных крепей щитового типа с боковыми породами и надежности их эксплуатации, которые могут быть использованы при обосновании крепей параметров технологий и режимов ведения очистных работ на тонких пологих угольных пластах.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций: по конструктивному совершенствованию механизированных крепей для отработки запасов тонких пологих антрацитовых пластов; по повышению эффективности применения технологических схем очистных работ на тонких пластах с использованием механизированных комбайновых комплексов; по экономическому стимулированию отработки запасов тонких пластов без присечки боковых пород.

Реализация работы. Предложенная система мультипликации начального распора секций механизированной крепи принята ШахтНИУИ при создании нового механизированного стругового комплекса МКС2.

Технологическая схема выемки угля комбайном с зачисткой почвы в разных направлениях в зависимости от состояния концевого участка лавы внедрена при разработке паспортов выемочных участков шахт "Октябрьская" (лава № 131) и "Западная" (лава № 210).

По предложенной автором методике для всех очистных забоев шахт ООО "Компания "Ростовуголь" установлены минимальные значения вынимаемой мощности пластов, обеспечившие снижение зольности угля и повышение уровня эффективности функционирования горных предприятий.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований докладывались и получили одобрение на заседаниях Президиума Южно-Российского отделения Академии горных наук (Шахты, 2003), заседаниях технического совета ООО "Компания "Ростовуголь" (Шахты, 2002-2003), научно-технических конференциях Шахтинского института Южно-Российского технического университета (Новочеркасского политехнического института) (Шахты, 2002-2003), научном семинаре кафедры "Подземная разработка пластовых месторождений" Московского государственного горного университета (Москва, 2004).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных работ.

Автор диссертации выражает глубокую благодарность за ценные методические рекомендации при выполнении исследований проф., д.т.н. Матвееву В.А., проф., д.т.н. Посыльному И.Д., проф., к.т.н. Мелькову А.Д. и доц., к.т.н. Феоктистову В.М., а также к.т.н. Шляферу JI.IO., горн. инж. Леонову A.A. и Кузнецову А.И. - за большую помощь при проведении экспериментов в производственных условиях и внедрении их результатов на шахтах Восточного Донбасса.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Голод, Вадим Аркадьевич

ВЫВОДЫ

1. Определяющим условием надежной работы очистных механизированных комплексов является функционирование секций крепей с параметрами, обеспечивающими устойчивое поддержание кровли в призабой-ном пространстве за счет равномерного распределения передаваемых ими усилий по длине и ширине поддерживаемого участка кровли 1 в" движущемся очистном забое.

Главным фактором, влияющим на состояние кровли является создание усилий в гидравлических стойках крепи номинального рабочего сопротивления в течение всего периода выполнения выемочного цикла, а также уменьшение площади обнажения кровли при разгрузке секций при ее передвижке, улучшении кинематических связей между основанием и перекрытием, отказ от применения оградительных частей большой площади.

2. После передвижки секций крепей (всех типов) около 90 % стоек в режиме податливого опускания не выходят на уровень рабочего сопротивления в течение времени выполнения работ по выемке угля, уменьшая подпор нижних слоев непосредственной кровли с образованием вывалов и заколов пород в поддерживаемом пространстве. |

3. Гарантированное поддержание высокого сопротивления секций крепи и равномерное распределение его по длине и площади поддерживаемого пространства предлагается обеспечивать за счет оснащения секций автономными устройствами мультипликации давления начального распора вплоть до рабочего сопротивления силовых гидравлических стоек. Стоимость лавокомплекта таких устройств (длина очистного забоя 200 м) по данным расчетов завода-изготовителя (Каменский машзавод) не превышает 1 % стоимости всей крепи.

Система мультипликации начального распора по предложенному автором варианту принята ООО ШахтНИУИ при создании нового стругового механизированного комплекса МКС2, одобрена и принята для дальнейшей реализации Каменским машзаводом.

4. Обеспечение эффективной работы механизированного комплекса I при отработке выемочных столбов по восстанию с углами падения пластов 10° и более связано с необходимостью выравнивания рештачного става базового конвейера, предусматривающего горизонтальное его расположение, что требует создание специальных механических и гидравлических систем, которые предложены и апробированы автором в шахтных условиях (ш. "Октябрьская"). Диагональное расположение линии очистного фронта работ не позволяет уменьшить угол падения пласта и только осложняет технологию угледобычи по хорошо известным причинам (разворот секций крепи, уход комплекса вверх по лаве, осложнение работ на концевых участках и т.д.). !

5. Предложен и разработан новый метод планирования;и нормирования труда по площади очистной выемки, а не по объему добытой горной массы, что позволяет стимулировать ведение очистных работ в условиях тонких пластов без присечек боковых пород. При этом резко улучшается качество добываемого антрацита по сортности и зольности, снижаются энергоемкость процесса угледобычи, нагрузки на комбайн, увеличивается скорость подачи, а следовательно, и его производительность, значительно повышаются надежность и долговечность (срок службы шнеков увеличивается в 3-5 раз) выемочной и транспортной техники.

6. Разработана и внедрена в производство методика расчета минимальной мощности пласта, при которой возможны работа механизированного комплекса без присечек боковых пород, объективная оценка выбора типа и типоразмера комплекса, а также экономическая целесообразность и I технико-технологические условия его применения.

7. Разработаны рекомендации по совершенствованию технического уровня механизированного комплекса в целом и его комплектующих по выемочной машине, базовому конвейеру, механизированной Ьрепи, предусматривающие перспективные конструктивные, силовые и режимные параметры машин. Сформулированы направления проведения научноI исследовательских и конструкторских работ по созданию новых комбайнов с высокой производительностью, энерговооруженностью, надежно ! стью и долговечностью, а также механизированных крепей с рекомендуемыми рабочими параметрами по конструктивным и силовым характеристикам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изучены научно обоснованные технические и технологические разработки по повышению эффективности технологии очистных работ на тонких угольных пластах с использованием щитовых механизированных крепей, имеющие существенное значение для угольной промышленности России. |

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем: |

1. Анализ отечественного опыта на всех этапах создания и внедрения очистных механизированных комплексов показал, что положительная динамика эффективности их применения наблюдается в основном при отработке запасов средней мощности и мощных угольных пластов. В то же время комплексы даже третьего поколения эксплуатирующиеся на тонких (менее 1,2-1,3 м) пластах, не обеспечили ожидаемый рост нагрузок на очистные забои и производительности труда.

2. В результате исследований установлено, что "невыход" механизированных комплексов для отработки запасов тонких угольных пластов, в частности 1МКД90, на уровень заложенных в них заводских технических характеристик во многом обусловлено неучетом специфики отработки за! пасов тонких пластов и отсутствием научно обоснованной взаимоувязки технологическими параметрами функциональных элементов комплексов.

3. На основании результатов экспериментальных исследований в очистных забоях шахт Восточного Донбасса выявлены изменения механизма силового взаимодействия секций крепи и ее состояния в призабой-ном пространстве лавы в зависимости от усилий начального распора секций, их жесткого размера и величины податливости гидростоек. Установлено, что 90 % линейных секций крепи не достигает номинального рабочего сопротивления в течение всего выемочного цикла даже в условиях тяжелых кровель (шахта "Юбилейная").

4. Тяжелые щитовые агрегатированные крепи с оградительной частью не рекомендуется применять при отработке запасов тонких угольных пластов из-за большой ширины поддерживаемого пространства и невозможностью конструктивного исполнения работоспособной системы связи I четырехзвенника с элементом ограждения под необходимым!углом (> 14°) с перекрытием в сложенном состоянии. Оградительная часть;секции крепи длиной около 1,5 м выполняет в таком положении функции основного перекрытия, что приводит к значительному нагружению всей секции.

5. Предложена методика оценки работоспособности механизированной крепи на основе изучения состояния нижних слоев кровли пласта по I интенсивности сдвижений пород на поддерживаемом пространстве, наличию вывалов и заколов, величине податливости силовых элементов секций и соответствия ее величине опускания кровли по посадочному ряду гидростоек во время выполнения выемочного цикла, а также способности крепи воспринимать нагрузки со стороны кровли в режимах снятия давления, пеI редвижки и распора секции.

6. На основании теоретических исследований доказано, что посадка секций крепи "нажестко" практически не является следствием недостаточности ее сопротивления при любых классах кровли по устойчивости и управляемости, а наличие такого рода негативных случаев связано с необоснованностью выбора типоразмеров крепи по действующим инструктивным документам, требующим своего пересмотра.

7. Разработана методика обоснования конструктивной податливости I секций механизированных крепей щитового типа. Показано,: что основная кровля "задает" значения величины опускания непосредственной кровли и ее контактный профиль, который не является плоским. |

8. Осуществлено теоретическое обоснование режимов рациональноI го силового взаимодействия секций механизированной крепи с боковыми породами. Обоснованы и реализованы рекомендации по использованию эффективных регуляторов режимов надежного и безопасного функционирования системы "крепь-боковые породы" в течение всего цикла работ в очистном забое.

9. Разработаны предложения по повышению эффективности функционирования очистных механизированных комплексов при отработке запасов тонких пластов по восстанию. Выполнена оценка целесообразности комплексно-механизированной отработки запасов тонких угольных пластов без присечки боковых пород.

10. Разработаны рекомендации по повышению эффективности очиI стных работ на тонких угольных пластах и осуществлена ее оценка применительно к условиям антрацитовых шахт Восточного Донбасса.