Повышение эффективности струговой выемки антрацитовых пластов на основе совершенствования средств управления кровлей

Турук, Юрий Владимирович

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности струговой выемки антрацитовых пластов на основе совершенствования средств управления кровлей"

На правах рукописи

Турук Юрий Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРУГОВОЙ ВЫЕМКИ АНТРАЦИТОВЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ КРОВЛЕЙ

25.00.22 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)» 05.05.06 «Горные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск-2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)» на кафедре «Разработка пластовых месторождений»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Матвеев Валентин Александрович

Научный консультант доктор технических наук

Луганцев Борис Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Линник Юрий Николаевич

доктор технических наук, профессор Ткачев Валерий Александрович

Ведущая организация - ОАО «Гуковуголь»

Защита диссертации состоится 28 мая 2004 г. в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ), аудитория 41 горного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

Автореферат разослан 26 апреля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю.И. Разоренов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Антрацит является высококачественным бездымным энергетическим топливом, а также технологическим сырьем в различных отраслях промышленности. В Российской части Донбасса геологические запасы антрацита оцениваются в 5 млрд. т, что составляет около 90 % запасов этого топлива в России, и практически все они залегают в пластах мощностью от 0,85 до 1,3 м.

Отечественный и зарубежный опыт, в особенности в Германии, показывает, что наиболее эффективной при отработке тонких пластов в указанном диапазоне мощностей является струговая технология выемки. Наиболее существенным и значительным преимуществом струговой выемки является высокая сортность добываемого угля и возможность существенного снижения, а, как правило - и полного исключения присечек боковых пород, что ведёт к снижению зольности добываемого угля. Кроме того, она имеет значительные резервы в увеличении производительности очистного забоя за счет повышения коэффициента машинного времени.

В последние годы были разработаны и прошли шахтные испытания струговые комплексы нового технического уровня КМ137СХБ, МКД 90СО, МКД 90СН, «Дон-Фалия» и др. Однако производственные показатели их эксплуатации оказались на прежнем уровне, а зачастую были даже ниже ранее достигнутых при многократном удорожании нового оборудования в сравнении с ранее выпускавшимся. Главные причины низкой эффективности эксплуатации новых механизированных комплексов заключаются в больших потерях рабочего времени, связанных с изношенностью транспортного оборудования шахт, высокой его аварийностью, плохим состоянием горных выработок и низким уровнем технологической дисциплины на шахте в целом. Однако большие потери рабочего времени, приводящие к низкому коэффициенту машинного времени выемочных машин имеют место в самих очистных забоях из-за низкого уровня адаптивности нового оборудования к изменениям условий залегания пласта. В частности с появлением зон геологических нарушений и вдавливании (запахивании) оснований секций крепи в ослабленную почву эффективность работы струговых комплексов снижается.

Если породы кровли склонны к вывалам, то в струговых лавах эффективно поддерживать кровлю над вынимаемой полосой угля значительно труднее, чем в комбайновых лавах. Причина заключается в том, что принцип работы струговой установки обуславливает запаздывание крепления одновременно по всей длине очистного забоя.

По прогнозным данным ВНИМИ из возможных 328 забоев на пластах мощностью от 0,71 м и выше почти 30 % имеют слабые почвы.

Анализ литературных источников, научно-исследовательских работ, а так же примероз практики применения механизированных комплексов в сложных горно-геологических условиях показал, что недостаточное внимание уделялось взаимодействию крепи как с кровлей, так и с почвой в экстремальных ситуациях,

и не учитывались особенности разных технологий выемкнгв частности струговой.

I foc НАЦИОНАЛЬНАЯ

! БИБЛИОТЕКА

! £*siïJff

Поэтому повышение эффективности струговой технологии выемки антрацитовых пластов на основе совершенствования средств управления кровлей является актуальной научной задачей.

Цель работы. Обосновать пути и разработать средства и способы повышения эффективности технологии выемки антрацитов в очистных забоях, оборудованных механизированными комплексами современного технического уровня.

Идея работы. Снижение потерь времени, затрат труда и стабилизация режима эксплуатации оборудования в очистном забое на основе совершенствования щитовых механизированных крепей и обоснования рациональных технологических схем расстановки и передвижки секций.

Научные задачи. В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие основные задачи:

- выявление основных причин низкой эффективности эксплуатации современной выемочной техники в очистных забоях и определение направлений их устранения;

- исследование комплекса технологических операций и функций стругового оборудования в процессе добычи угля в очистном забое;

- исследование функций и параметров механизированных крепей при струговой технологии добычи угля;

- разработка методов расчета, и составление математических моделей взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами;

- разработка рекомендаций по совершенствованию конструкций и повышению эффективности работы механизированных крепей в сложных горногеологических условиях.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ технико-экономических показателей работы очистных забоев и результатов промышленных испытаний механизированных комплексов; натурное исследование функций механизированных крепей при струговой технологии выемки; аналитическое исследование системы крепь -кровля - почва методами теоретической механики и механики горных пород; математическое моделирование.

Защищаемые научные положения:

1. Существенные технологические потери времени (до 10 %) и повышение трудоемкости работ по управлению кровлей связаны с низкой адаптивностью механизированных крепей к изменениям свойств вмещающих пород в сторону снижения прочностных свойств кровли и почвы, особенно в зонах геологических нарушений.

2. В качестве критерия определения действующего усилия на конце управляемой консоли следует применять нагрузку от обрушенных пород кровли при сводообразной схеме нарушения.

3. Выбор конструктивных и силовых параметров консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи должен осуществляться с учетом направле-

ния приложения усилия углового гидродомкрата.

4. Оценка адаптивности щитовых механизированных крепей по фактору взаимодействия с почвой пласта должна осуществляться. по критерию максимальных напряжений на передней кромке забойной части основания.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- впервые установлен баланс технологических потерь рабочего времени при эксплуатации механизированных комплексов нового технического уровня в очистных забоях в современных реальных условиях работы шахт, указывающий на актуальность задачи дальнейшего их совершенствования;

- предложен критерий определения необходимого усилия на конце управляемой консоли перекрытия секции механизированной крепи по двум схемам нагружения: при блочной схеме разрушения нижних слоев кровли и при сводо-образовании в слабых породах;

- разработана методология расчета усилий на конце консоли и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли, позволяющая находить оптимальные параметры расположения углового гидродомкрата;

- установлено, что выбор типа крепи по критерию удельное давление на почву пласта следует производить не по среднему значению, как предусматривает ГОСТ 28597, а по контактному давлению на конце забойной части основания, это же нужно учитывать и при определении рабочего сопротивления секции крепи с учетом вдавливания ее в почву.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: анализом фактических технико-экономических показателей работы очистных забоев с новой техникой и представительного объема хронометражных наблюдений; применением методов теоретической механики, механики горных пород и расчета балок и плит на упругом основании (метод Симвулиди И.А.); инженерно-техническими проработками и решениями, а также положительными результатами их реализации в опытном образце крепи для стругового комплекса.

Практическое значение работы заключается в разработке методик и алгоритмов расчетов усилий на консольной части однорядной щитовой секции крепи и контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций, а также рекомендаций по повышению эффективности работы механизированных крепей в сложных горногеологических условиях и выбору рациональных технологических схем расстановки и передвижки секций.

Реализация работы. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГТУ (НПИ) «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ 25.04.2001 на период 2001-2005 гг.

Основные положения и результаты диссертационной работы использова-

ны ОАО «ШахтНИУИ» при разработке технических требований на комплекс очистной механизированный струговый МКС с участием автора.

По разработанным методикам определены оптимальные параметры секции крепи КС в части управляемой консоли перекрытия, расположения углового гидродомкрата и основания.

Головной образец секции крепи изготовлен ООО «Шахтинский завод горного оборудования». На прошедшей в г. Кемерово Международной выставке-ярмарке «Экспо-Уголь 2003» крепь механизированная струговая КС удостоена Диплома II степени.

Результаты исследований рекомендуются к использованию конструкторскими организациями и профильными заводами угольного машиностроения при модернизации имеющихся и разработке новых механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на трех научно-практических конференциях Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ), ЮжноРоссийской Академии горных наук РФ и Шахтинского отделения РАЕН в 2001-2003 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 4 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 54 наименований, изложена на 141 странице машинописного текста и приложения на двух страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Динамика основных технико-экономических показателей работы угледобывающей отрасли Российского Донбасса в последние годы характеризуется негативными тенденциями вопреки целям и ожиданиям от проведенной реструктуризации угольной промышленности. Наглядным свидетельством таких тенденций являются итоговые показатели работы ОАО «Ростовуголь» за 1998— 2000 гг., где почти все шахты отрабатывали антрацитовые пласты мощностью 0,85 - 1,3 м. В рассматриваемом периоде в эксплуатации находились комбайновые и струговые очистные механизированные комплексы как традиционные для 80-х годов прошлого века (1 КМ 103, КД80, КМС97М, ДФК) так и относящиеся к новому поколению с более высокими техническими характеристиками (МКД90, МКД90СО, «Дон-Фалия 5», КМП). При этом среднесуточная нагрузка составила 521 т в 1998 г., 493 т в 1999 и 465 в 2000 г.

Исследование комплекса технологических операций и выявление путей повышения эффективности новой техники производились на материалах прие-

мочных испытаний механизированных комплексов нового технического уровня. При этом оценивались возможности современного забойного оборудования и причины далеко не полного их использования.

Из основных результатов приёмочных испытаний отечественных и импортных струговых комплексов следует, что по показателям интенсивности выемки антрацитов струговые комплексы отечественного производства не уступают, а в ряде случаев, при прочих равных условиях, превосходят показатели работы струговых комплексов со струговыми установками производства фирм Германии.

Был выполнен анализ значительного объема хрономегражных наблюдений за работой очистных забоев с новой выемочной техникой который показал, что значительная часть потерь рабочего времени (33 - 50 %), а, следовательно, и производительности очистных забоев, связана с причинами внешними по отношению к забою - на транспорте, в энергоснабжении, в общешахтной организации работ и др. Выяснение причин и поиск эффективных решений во внешних технологических звеньях - это важная задача. Но значительная часть общих потерь времени, а также увеличение трудоемкости процессов добычи угля приходится на основное технологическое звено шахты - очистной забой.

В общей массе металлоконструкций современных выемочных комплексов и стоимости их изготовления основную долю занимает механизированная крепь. Непрерывное усовершенствование конструкций крепей сопровождается прогрессивным увеличением цены. Поэтому оценка и повышение эффективности струговых комплексов на базе новых конструкций механизированных крепей требует особого внимания.

Анализ обших затрат рабочего времени при работе комплексов типа МКД и «Дон-Фалия» показал, что ощутимую часть общих затрат рабочего времени составляют затраты на крепление и управление кровлей, которые не совмещаются с процессом выемки и составляют от 4,2 % до 10,8 %, а также затраты труда и времени которые совмещаются с процессом выемки и простоями по внешним причинам и отдельно не фиксируются хронометражными наблюдениями: освобождение зажатых секций, корректировка их положений и положений перекрытий, выход из «запахивания» в почву и др. Эти затраты значительно увеличивают трудоемкость добычи угля и серьезно дают о себе знать, как только снижаются внешние непроизводительные потери рабочего времени.

Анализ представленных данных показывает, что актуальной задачей в проблеме повышения эффективности эксплуатации механизированных комплексов является исследование взаимодействия секций крепи с вышележащими породами в неординарных условиях - в зонах слабой и нарушенной кровли или при слабой почве пласта с целью разработки конструкций, обеспечивающих эффективную работу крепи в этих условиях.

Об этом свидетельствуют результаты приемочных испытаний опытного образца механизированного комплекса КМП 06/15 в лаве № 368 шахты «Гуков-ская» ОАО «Гуковуголь» с участием автора данной работы.

При прохождении комплексом зон с вывалами непосредственной кровли, когда отсутствовал надежный распор в задней части секции, и консоль пере-

крытия нагружалась усилием более чем 2,5 т, наблюдалась потеря продольной устойчивости однорядных шитовых секций крепи с ее разворотом вокруг носка основания консолью в конвейер. Восстановление - секций в исходное (рабочее) положение без применения вспомогательных средств не представлялось возможным. Попытки разжать секцию стойками приводили к срабатыванию предохранительных клапанов в гидроблоках гидродомкрата управления консолью или углового гидродомкрата. ,

Проведенные хрономегражные наблюдения показали, что затраты времени на передвижку секции с зачисткой почвы в нормальных условиях составляют 4 мин. 49 сек., а в горно-геологическом нарушении 6 мин. 33 сек.

По результатам расчетов сделан вывод о целесообразности конструирования и налаживания производства механизированных крепей двух классов по критерию сопротивления: нормальных и форсированных. Крепи нормального класса предназначаются для взаимодействия со структурами кровель 1-го и 2-го типа, по принятой для Российского Донбасса классификации кровель, и должны иметь сопротивление от 1800 до 3150 кН/м или 400 - 700 кН/м2. Крепи форсированного класса предназначаются для управления тяжелыми кровлями со структурами 3-го типа и должны иметь сопротивление от 3150 до 4500 кН/м или 700 - 1000 кН/м2 в зависимости от мощности пластов в диапазоне от 0,85 до 1,3 м.

В результате проведенных исследований установлено, что существующая методика расчета усилия на конце управляемой консоли перекрытия не учитывает реальных значений усилия при переходе секциями крепи зон геологических нарушений. Предложены критерии определения усилия на конце управляемой консоли перекрытия секции механизированной крепи по двум схемам нагружения: при блочной схеме разрушения нижних, слоев кровли и при сводо-образовании в слабых породах, характерном для зон геологических нарушений.

При передвижке секций крепи под вывалы, образовавшиеся в незакрепленной полосе кровли, угловой гидродомкрат однорядной щитовой секции крепи должен обеспечивать усилие консоли соответствующее силе тяжести участка свежеобнаженной кровли:

Р.у=С^„=2.1п,1.1.Ь.70>кН) О)

где h - расстояние между плоскостями расслоения (ослабления) при обрушении пород кровли, т.е. высота вывала, м.

Это усилие должно обеспечиваться силовыми параметрами и конструкцией всей секции крепи.

Расчетная схема для определения усилия на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи от направления приложения усилия углового гидродомкрата представлена на рисунке 1.

Уравнения для определения усилия Роу на конце управляемой консоли имеют вид:

Аслева = ' U ' COS ?2 + P2 • (h2 - h3 )■ sin J2 - P0y • 0, +12 )+ R • 12 • COS у, - ^ ^*mAcnpaaa = 2T1 Л ' СОв(ф-7з )+ 2T2 ■ (l6 +17 )-СОв(ф-у4)+ P2 -18-COs(Y5 ~ф)+

где Роу- • усилие на конце управляемой консоли, кН; R- реакция опор стоек, кН; 2Ту • усилие в передних рычагах заднего офаждения, кН; 2Тг - усилие в задних

izd2

рычагах заднего о г р а ж, кН;Р2=——-Р усилие углового гидродомкрата,

4

кН;

здесь (!„-• диаметр поршня углового гидродомкрата, м; Р- давление рабочей жидкости в высоконапорной гидромагистрали, МПа; G¡ - сила тяжести перекрытия в сборе с консолью, выдвижными щитами и, расположенными на нем элементами гидрооборудования секции, kH;;G2 - сила тяжести заднего ограждения с выдвижными щитами и рычагами, кН; lj - общая длина консоли перекрытия, м;; 12 -расстояние от опор стоек до шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением, м; 1з - расстояние от шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением до точки приложения силы тяжести Gi, м; - расстояние от шарнира переднего рычага до шарнира, соединяющего заднее ограждение с перекрытием, м; 17 - расстояние между шарнирами переднего и заднего рычагов, м; U и h2,18 и h4 - координаты приложения усилия углового гидродомкрата соответственно к перекрытию и заднему ограждению, м;; Ьз - координата шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением относительно поверхности перекрытия, м; 19 и hj - координата приложения силы тяжести G2 относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением, м; - координата шарнира, соединяющего оси стоек с перекрытием относительно поверхности перекрытия, м; Ьз - координата шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением. относительно поверхности перекрытия, м; <р - угол наклона заднего ограждения, град; - углы наклона стоек, углового гидродомкрата, пе-

реднего и заднего рычагов соответственно, град.

Рисунок I-Расчетная схема для определения усилия па конце юисолп перекрыта однорядной щнюиой секции - крепи ог направления приложения усилия уповот

Из представленной на рисунке 2 зависимости следует, что расположение углового гидродомкрата относительно шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением, т. е. направление приложения усилия углового гидродомкрата существенно влияет на величину усилия на конце консоли перекрытия. При этом с изменением высоты секции крепи меняются и значения усилия на конце консоли перекрытия для конкретного расположения углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.

Проведенными исследованиями установлен характер изменения усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли от угла наклона жесткой части перекрытия и направления приложения усилия углового гидродомкрата. Усилие консоли при угле наклона 15" жесткой части перекрытия на забой в 3-4 раза больше усилия консоли при таком же угле наклона жесткой части на завал. Максимальный угол наклона 15* жесткой части перекрытия сехции крепи принят по рекомендациям специалистов ББТ (Германия).

4РСу,КН

Н, мм

Рисунок 2 - Зависимость усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия углового гидродомкрата и высоты секции крепи КС

До сих пор разработанные методики предусматривают расчеты контактных давлений, передаваемых на почву основаниями секций щитового типа, только от вертикальных составляющих усилий гидростоек без учета усилий, действующих со стороны рычагов четырехзвенника заднего ограждения, которые приложены к завальной части основания.

Проведенные исследования взаимодействия оснований щитовых секций крепи с породами почвы пласта показали, что усилия в рычагах, составляющие 20-50 % от усилия гидростоек, существенно влияют на величину и распределение реальных значений контактных давлений по длине основания и должны быть учтены при определении технических характеристик щитовой механизированной крепи.

Практика эксплуатации струговых механизированных крепей как в РФ, так и за рубежом показала, что наибольшее распространение получили однорядные секции с основаниями состоящими из двух балок и двухрядные секции, основания которых состоят из одной балки (плиты). Исходя из этого в работе и рассматриваются взаимодействия оснований однорядной секции крепи, состоящей из двух балок и двухрядной - из одной плиты. Основания секций механизированных крепей, расположенные на непосредственной почве пласта, рассматриваются как балки или плиты лежащие на упругом основании. Каждая из балок двухбалочного основания представляет собой упругий брус, деформирующийся по длине от действия сосредоточенных нагрузок стойки и двух рычагов, приложенных к ее продольной оси. Основание, состоящее из одной балки, рассматривается как плита, нагруженная несколькими силами, приложенными вдоль балки симметрично оси. Непосредственная почва пласта рассматривается как однородная упругая среда, характеризуемая модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Такой подход принят по результатам исследований

взаимодействия секций механизированных крепей с боковыми породами, проведенными в нашей стране и в ФРГ.

Так как на каждую балку двухбалочного основания действуют только сосредоточенные силы (рисунок 3), то реакция почвы пласта на балку основания принимается в виде:

где: х - расстояние точки, в которой определяется значение до забойного конца балки основания; Ь - длина балки основания,а0) З), аг, аз -" параметры, значения которых зависят от жесткости балки основания, ее длины, модуля деформации балки основания, характера нагрузки, характеристик деформации почвы пласта (метод Симвулиди И.А.).

Рисунок 3-Расчетная схема для определения контактных давлений, передаваемых на почву пласта балкой основания однорядной щитовой секции крепи

Разработанная методика позволила получить зависимости контактных давлений, передаваемых основаниями ряда секций на почву пласта

Из полученных зависимостей (рисунок 4) следует, что контактные давления на концах забойной и завальной частях основания весьма существенно зависят от соотношения их размеров. Так, при отношении длины забойкой части основания к длине завальной части меньше единицы < 1 (КМПС и

М137С) контактные давления на конце забойной части основания составляют соответственно 3,41 МПа и 2,85 МПа, а на завальной - 1,5 МПа и 1,9 МПа. При отношении Ьмб/Ьзм > 1 (КС) контактные давления на конце забойной части основания составляют 2,26 МПа, а на завальной 2,64 МПа.

"Ру

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

1 - секции крепи КС - 1м5Лзав = 1170/975 мм; 2 - секции крепи КМПС - 1мбА>а« = 1000/1420 мм; 3 - секции крепи М137С- 1за6/1за, = 980/1240 мм

Рисунок 4 - Графики контактных давлений, передаваемых на почву пласта балками основания однорядных щитовых секций крепи КС, КМПС, М137С

Расчет контактных давлений на почву пласта основанием двухрядной щитовой секции механизированной крепи, состоящим из одной балки (плиты), целесообразно производить методом преобразования систем приложенных сил. Суть этого способа заключается в преобразовании исходной системы пространственно расположенных сил, направленных под углом к основанию секции крепи, в эквивалентную систему нескольких сил, расположенных по продольной оси основания, и двух сосредоточенных моментов, изгибающих поперечную ось основания секции крепи (рисунок 5). Фактические значения контактных давлений определяются суммой контактных давлений от сосредоточенных сил и изгибающих моментов в соответствующих точках основания.

0Л ! I

Рисунок 5 - Преобразованная схема для определения контактных давлений,

передаваемых на почву основания двухрядной щитовой секции крепи

Из полученных в результате исследований зависимостей (рисунок 6) следует, что контактные давления на конце забойной части основания двухрядной щитовой секции крепи КД 90ТС, состоящего из одной балки значительно (в несколько раз) превышают контактные давления на конце завальной части основания. Поэтому эффективная работа двухрядной секции крепи, основание которой состоит из одной балки в условиях слабых почв возможна лишь при оснащении основания устройствами, обеспечивающими выезд вдавленных в почву секций при их передвижке.

10,5

8,0 6,0

4,0 2,0

-2,0 -3,5

к Рх,МПа

V 1

X Ь

0.2 0,4 0,6 0,8 . _ I .0*

1 - длина забойной части основания 500 мм; 2 - длина забойной части основания 850 мм

Рисунок 6 - Графики контактных давлений, передаваемых на почву пласта основанием двухрядной щитовой секции крепи КД90ТС

Выполненные исследования позволили установить, что выбор типа крепи по критерию удельное давление на почву пласта следует производить не по среднему значению, как предусматривает ГОСТ 28597, а по контактному давлению на конце забойной части основания, это же нужно учитывать и при определении рабочего сопротивления секции крепи при вдавливании ее в почву.

Эффективное поддержание обнаженной кровли в значительной степени способствует снижению технологического перерыва, связанного с передвижкой секций крепи и как следствие приводит к повышению сменного коэффициента машинного времени, т.е. нагрузки на забой.

Средняя скорость передвижки фронта крепи за подвиганием очистного забоя в значительной степени зависит от горно-геологических условий залегания пласта, т.е. находится в прямой зависимости от затрат времени на работы, обусловленные переходом секциями крепи обрушений нижних слоев кровли, а также соответствия удельного давления оснований секций и несущей способности почвы. Существующая методика расчета средней скорости передвижки фронта механизированной крепи («Методические документы по опреде-

лению нагрузок на очистные забои угольных шахт») не отражает ей фактические значения при переходе зон нарушений или при передвижке секций под вывалы (свежеобнаженную кровлю), образовавшиеся в незакрепленной полосе кровли между забоем и концами консолей, так как входящие в формулу средние удельные затраты времени на работы, обусловленные местными наруше-

ниями определяются исходя из минимального времени устойчивости нижних слоев пород кровли в зависимости от угла между линией очистного забоя и направлением основной трещиноватости пород.

Целесообразно среднюю скорость передвижки фронта механизированной крепи за подвиганием очистного забоя определять исходя из фактических значений затрат времени на передвижку секции крепи, определенных хронометражем. При этом

где 1Ш, - величина иодвигания забоя или шаг передвижжки секции крепи, м; затраты времени на передвижку секции крепи, мин.

При реализации рекомендаций данной работы по усовершенствованию секций механизированной крепи в части повышения эффективности взаимодействия перекрытий с породами кровли в экстремальных ситуациях (зонах нарушений) и оснований со слабыми породами почвы позволит за счет снижения технологического перерыва, связанного с передвижкой крепи, повысить сред-несменную эксплуатационную производительность.

В результате проведенных исследований установлено, что разность затрат времени при передвижке секции крепи в горно-геологическом нарушении и в нормальных условиях составляет при передвижке секции с зачисткой в среднем ^.ц. = 1,73 мин. При этом при передвижке одним ГРОЗ П = 20 секций технологический перерыв увеличивается при передвижке секций на 34,6 мин. Как показали расчеты, использование превышения технологического перерыва непосредственно для добычи угля позволит повысить среднесменную нагрузку на очистной забой на 300-400 т.

Годовой экономический эффект от увеличения нагрузки на очистной забой рассчитанный для условий шахты «Гуковская» ОАО «Гуковуголь», где в работе находится один очистной забой, в соответствии с методикой («Временные методические рекомендации по комплексной оценке эффективности мероприятий научно-технического прогресса в угольной промышленности», формула 4.6) составит 68720000руб.

В очистных забоях со струговой выемкой угля, где ширина незакрепленной полосы кровли в процессе выемки угля увеличивается одновременно по всей длине очистного забоя, весьма важно обеспечить повышение устойчивости обнаженной кровли. Этот вопрос решается путем выбора рациональных схем расстановки и передвижки секций крепи.

Анализ схем расстановки и передвижки секций крепи и параметров обнажений кровли показал, что при разделении во времени процессов выемки угля и крепления кровли наиболее рациональной является линейная схема расстановки секций, а при совмещении во времени процессов выемки угля и крепления - уступное расположение секций в группах расстановки, т.е. простая пилообразная схема, в которой эквивалентные пролеты и величины характери-

стик, производных от них, получаются значительно меньшими в сравнении с линейной схемой при одинаковых значениях шага передвижки.

Совмещение во времени процессов выемки угля и передвижки секций крепи приводит к сведению до минимума не совмещенных с выемкой затрат времени на крепление, что в свою очередь обеспечивает повышение коэффициента машинного времени, т.е. нагрузки на очистной забой. Рост среднесуточной нагрузки на лаву при совмещении во времени процессов выемки угля и передвижки секций крепи, т.е. при применении простой пилообразной схемы расстановки и передвижки секций крепи составит от 20 до 66 %.

Наряду с совершенствованием техники и технологии угледобычи в части схем расстановки и передвижки секций механизированных крепей высокая производительность и безопасность труда могут быть достигнуты за счет автоматизации производственных процессов.

Результаты исследований настоящей работы использованы при создании комплекса МКС по контракту ОАО «ШахтНИУИ» с Департаментом угольной промышленности Министерства Энергетики Российской Федерации № 2002-02-208 б от 28 июня 2002 г. по теме «Провести исследования и разработать технические требования на струговый комплекс МКС и рабочие чертежи на струговое исполнение механизированной щитовой крепи типа КС с сопротивлением не менее 54 тс/м2 для работы в комплексе с унифицированными струговнми установками скользящего типа СН-02 с энерговооруженностью до 1000 кВт для выемки пластов мощностью 0,85-1,4 м». На прошедшей 1619 сентября 2003 г. в г. Кемерово Международной выставке-ярмарке «Экспо-Уголь 2003» крепь механизированная струговая КС, изготовленная ОАО «Шах-тинский завод горного оборудования» по разработанной ОАО «ШахтНИУИ» конструкторской документации удостоена Диплома II степени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение и заключающейся в повышении эффективности струговой технологии выемки антрацитовых пластов на основе совершенствования средств управления кровлей.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. В решении проблемы эффективности добычи угля из тонких пластов большие потенциальные возможности имеет струговая технология выемки, однако фактические показатели эксплуатации струговых механизированных комплексов нового технического уровня остаются низкими и не соответствуют возросшей стоимости оборудования, что является одной из важнейших причин нерентабельности угольного производства в условиях рыночной экономики.

2. Ощутимую часть общих затрат рабочего времени, снижающих эффективность работы комплексов, составляют затраты на крепление и управление кровлей, которые не совмещаются с процессом выемки и составляют от 4,2 %,

до 10,8 %, а также затраты, которые совмещаются с процессом выемки и простоями по внешним причинам и отдельно не фиксируются хрономегражными наблюдениями: освобождение зажатых секций, корректировка их положений и положений их перекрытий, выход из запахивания в почву и др. Эти затраты значительно увеличивают трудоемкость добычи и серьезно дают о себе знать как только снижаются непроизводительные потери рабочего времени.

3. Существующая методика расчета усилия на конце управляемой консоли перекрытия механизированной крепи не учитывает реальных значений усилия при переходе секциями крепи зон геологических нарушений. Критерием определения необходимого усилия на конце управляемой консоли в этих условиях является нагрузка на консоль от обрушенных пород при сводчатой схеме нарушения кровли.

4. Разработаны методики и алгоритмы расчетов усилий на конце консоли и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли однорядной щитовой секции крепи в зависимости от расположения углового гидродомкрата и угла наклона жесткой части перекрытия. Установлено, что расположение углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением, существенно влияет на величину усилия на конце консоли.

5. Разработаны методики и алгоритмы расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций механизированных крепей, учитывающие усилия в рычагах заднего ограждения.

6. Установлено, что контактные давления на концах забойной и завальной частях основания однорядной щитовой секции крепи, состоящего из двух балок, существенно зависит от соотношения их размеров, а контактные давления на конце забойной части основания двухрядной щитовой секции крепи, состоящего из одной плиты, в несколько раз превышают контактные давления на конце завальной части основания. Поэтому эффективная работа двухрядных щитовых секций в условиях слабых почв возможна лишь при оснащении оснований устройствами, обеспечивающими выезд вдавленных в почву секций при их передвижке.

7. В качестве критерия применимости крепи по фактору прочности почвы необходимо принимать максимальное значение напряжений на конце забойной части основания.

8. Усовершенствование крепи в части повышения эффективности взаимодействия перекрытий секций с породами кровли в экстремальных ситуациях и оснований с породами почвы позволит повысить нагрузку на очистной забой в среднем на 300-400 т. в смену. При этом годовой экономический эффект от увеличения нагрузки на очистной забой рассчитанный для условий шахты «Гу-ковская» ОАО «Гуковуголь» составит 68720000руб.

9. Рост среднесуточной нагрузки на лаву при совмещении во времени процессов выемки угля и передвижки секций крепи, т.е. при применении простой пилообразной схемы расстановки и передвижки секций крепи составит от 20 до 66 %.

Ю.Результаты диссертационной работы использованы ОАО «ШахтНИ-УИ» при создании крепи механизированной струговой КС. Головной образец секции крепи изготовлен ООО «Шахтинский завод горного оборудования». На прошедшей в г. Кемерово Международной выставке-ярмарке «Экспо-Уголь 2003» крепь механизированная струговая КС удостоена Диплома II степени.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. В.А. Матвеев, Ю.В. Турук. Пути повышения эффективности очистных работ при использовании механизированных комплексов нового технического уровня в условиях Российского Донбасса. Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. науч. тр. ШИ ЮРГТУ. Новочеркасск ЮРГТУ, 2003., с. 5-10.

2. В.А. Матвеев, Ю.В. Турук. Анализ эффективности технологии выемки тонких пластов угля. - Состояние и перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч. тр.: В 2 ч. Ч 1/ Шахтинский Институт ЮРГТУ. — Новочеркасск. 2001., с 38-41.

3. В.А. Матвеев, Ю.В. Турук. Особенности взаимодействия призабойных консолей секций механизированных крепей с породами кровли в очистном забое. - Вестник Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ): Материалы 52-й научно-практической конференции. - Шахты. 2005.

4. Турук Ю.В., А.В. Черкесов. Алгоритм расчета сопротивления однорядной щитовой секции механизированной крепи. - Вестник Шахтинского института ЮРГТУ (НПИ): Материалы 52-й научно-практической конференции. - Шахты. 2003.

Турук Юрий Владимирович

повышение эффективности струговой выемки антрацитовых пластов на основе совершенствования средств управления кровлей

Автореферат

Подписано в печать 21.04.04. Формат 60X 84 1 /16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л 1. Уч.-изд. л. 1,15. Тираж 100. Заказ 594.

Типография ЮРГТУ (НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 Тел., факс (863-52) 5-53-03 E-mail: tvnography@novoch ru

J.9469

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Турук, Юрий Владимирович

Введение.

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования.

1.1 Общая оценка технологии выемки тонких антрацитовых пластов.

1.2 Выводы, цель и задачи исследований.

2. Исследование комплекса технологических операций и функций стругового оборудования в процессе добычи угля в очистном забое.

2.1 Условия и результаты промышленных испытаний струговых механизированных комплексов нового технического уровня.

2.2 Анализ результатов промышленных испытаний струговых механизированных комплексов нового технического уровня.

Выводы.

3. Исследование функций и параметров механизированных крепей при струговой технологии добычи угля.

3.1 Оценка механизированных крепей современного технического уровня.

3.2 Основные принципы выбора оптимального сопротивления механизированных крепей.

3.3 Технологическое обоснование необходимого сопротивления консольной части секции крепи.

3.3.1 Технологические требования к поддержанию призабойной полосы кровли в струговых очистных забоях.

3.3.2 Исследование зависимости усилия на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи от направления приложения усилия углового гидродомкрата.

3.4 Исследование взаимодействия оснований однорядных и двухрядных секций механизированных крепей с породами почвы пласта.

3.4.1 Общие положения.

3.4.2 Определение контактных давлений, передаваемых на почву пласта основанием, состоящим из двух балок однорядной щитовой секции крепи.

3.4.3 Определение контактных давлений, передаваемых на почву пласта основанием, состоящим из одной балки (плиты) двухрядной щитовой секции крепи.

3.4.4 Алгоритмы расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных секций механизированных крепей, для составления компьютерных программ.

Выводы.

4. Исследование причинно-следственных связей в структуре потерь времени, косвенно зависящих от процесса управления кровлей в очистном забое.

4.1 Расчет нагрузки на очистной забой, оборудованный струговым механизированным комплексом.

4.2. Исследование влияния потерь времени, зависящих от процесса управления кровлей, на нагрузку очистного забоя.

4.3. Обоснование и выбор рациональных технологических схем расстановки и передвижки секций механизированной крепи в струговых очистных забоях.

Выводы.

5. Рекомендации по повышению эффективности работы механизированных крепей в сложных горно-геологических условиях и расчет годового экономического эффекта от увеличения нагрузки на очистной забой.

Внедрение результатов работы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение эффективности струговой выемки антрацитовых пластов на основе совершенствования средств управления кровлей"

Актуальность работы. Антрацит является высококачественным бездымным энергетическим топливом, а также технологическим сырьем в различных отраслях промышленности. В Российской части Донбасса геологические запасы антрацита оцениваются в 5 млрд. т, что составляет около 90 % запасов этого топлива в России, и практически все они залегают в пластах мощностью от 0,85 до 1,3 м.

Отечественный и зарубежный опыт, в особенности в Германии, показывает, что наиболее эффективной при отработке тонких пластов в указанном диапазоне мощностей является струговая технология выемки. Наиболее существенным и значительным преимуществом струговой выемки является высокая сортность добываемого угля и возможность существенного снижения, а, как правило - и полного исключения присечек боковых пород, что ведёт к снижению зольности добываемого угля. Кроме того, она имеет значительные резервы в увеличении производительности очистного забоя за счет повышения коэффициента машинного времени.

В последние годы были разработаны и прошли шахтные испытания струговые комплексы нового технического уровня КМ137СХБ, МКД 90СО, МКД 90СН, «Дон-Фалия» и др. Однако производственные показатели их эксплуатации оказались на прежнем уровне, а зачастую были даже ниже ранее достигнутых при многократном удорожании нового оборудования в сравнении с ранее выпускавшимся. Главные причины низкой эффективности эксплуатации новых механизированных комплексов заключаются в больших потерях рабочего времени, связанных с изношенностью транспортного оборудования шахт, высокой его аварийностью, плохим состоянием горных выработок и низким уровнем технологической дисциплины на шахте в целом. Однако большие потери рабочего времени, приводящие к низкому коэффициенту машинного времени выемочных машин имеют место в самих очистных забоях из-за низкого уровня адаптивности нового оборудования к изменениям условий залегания пласта. В частности с появлением зон геологических нарушений и вдавливании (запахивании) оснований секций крепи в ослабленную почву эффективность работы струговых комплексов снижается.

Если породы кровли склонны к вывалам, то в струговых лавах эффективно поддерживать кровлю над вынимаемой полосой угля значительно труднее, чем в комбайновых лавах. Причина заключается в том, что принцип работы струговой установки обуславливает запаздывание крепления одновременно по всей длине очистного забоя.

По прогнозным данным ВНИМИ из возможных 328 забоев на пластах мощностью от 0,71 м и выше почти 30% имеют слабые почвы.

Анализ литературных источников, научно-исследовательских работ, а так же примеров практики применения механизированных комплексов в сложных горно-геологических условиях показал, что недостаточное внимание уделялось взаимодействию крепи как с кровлей, так и с почвой в экстремальных ситуациях, и не учитывались особенности разных технологий выемки, в частности струговой.