Обґрунтування параметрів технології механізованої виїмки крутопохилих вугільних пластів у підошвоуступному вибої

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

МІНІСТЕРСТВО ВУГІЛЬНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

ВІДДІЛЕННЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ГІРНИЧИХ ПРОБЛЕМ ДОНЕЦЬКОГО ФІЗИКО-ТЕХНІЧНОГО ІНСТИТУТУ ім. О.О. ГАЛКІНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТЕХНОЛОГІЇ МЕХАНІЗОВАНОЇ ВИЇМКИ КРУТОПОХИЛИХ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ У ПІДОШВОУСТУПНОМУ ВИБОЇ

Швидкій Юрій Вікторович

Донецьк-2000

Анотація

Швидкій Ю.В. Обгрунтування параметрів технології механізованої виїмки крутопохилих вугільних пластів у підошвоуступному вибої. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин. - Відділення фізико-технічних гірничих проблем ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАНУ та Мінвуглепрому України, Донецьк, 2000.

Дисертаційну роботу присвячено рішенню актуальної для вугільної промисловості України проблеми - розширення механізованого видобутку вугілля із крутих та крутопохилих пластів.

У роботі розроблено і обгрунтовано параметри технології механізованої виїмки крутопохилих вугільних пластів у підошвоуступному вибої з застосуванням очисних комбайнів, які працюють за технологічною схемою "зверху-вниз" вузькими смугами (до 1 м).

Ефективність отриманих результатів полягає у підвищенні ефективності і безпеки робіт в очисному вибої з комбайновою виїмкою вугілля.

Ключові слова: параметри технології, очисний комбайн, очисний вибій, пересувне кріплення, виймальна машина.

Аннотация

Швыдкий Ю.В. Обоснование параметров технологии механизированной выемки крутонаклонных угольных пластов в почвоуступном забое. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - подземная разработка месторождений полезных ископаемых. - Отделение физико-технических горных проблем ДонФТИ им. А.А. Галкина НАНУ и Минуглепрома Украины, Донецк, 2000 г.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной для угольной промышленности Украины проблемы - расширения механизированной добычи угля из крутых и крутонаклонных пластов и, на этой основе, повышения эффективности и безопасности работ очистных забоев, оборудованных очистными комбайнами.

Сложная горно-геологическая обстановка при разработке крутонаклонных угольных пластов Донбасса существенным образом замедлила процесс механизации очистных работ, что обусловило преимущественное применение отбойных молотков, в качестве основных средств выемки угля.

К числу наиболее прогрессирующих факторов, оказывающих отрицательное влияние на технологию добычи угля в этих условиях, относятся:

повышение степени выбросоопасности пластов и газоносности горного массива;

ухудшение устойчивости боковых пород.

Конвергенция боковых пород на глубине 1000 м, в сравнении с глубиной 500-600 м, возросла более чем в 2 раза. В настоящее время удельный вес добычи угля из пластов с неустойчивыми вмещающими породами увеличился с 43 % до 64 %.

В связи с этим резко сократилось число механизированных очистных забоев.

Из-за малых объемов применения эта техника не оказывает существенного влияния на технико-экономические показатели работы шахт, разрабатывающих наклонные и крутонаклонные угольные пласты.

Наряду с этим, к основным причинам, сдерживающим развитие механизированной выемки угля при отработке крутонаклонных пластов, можно отнести:

отсутствие научно обоснованных технологических параметров механизированной выемки угля;

отсутствие оптимальных инженерных решений для проектирования средств механизированной выемки угля в сложных горно-геологических условиях;

недостаточный объем исследований в области выбора рациональных технологических параметров исполнительных органов очистных комбайнов;

отсутствие обоснованных эксплуатационных и конструктивно-технологических параметров очистных комбайнов.

Поэтому в диссертационной работе ставится главная задача: ослабить влияние этих недостатков за счет изменения схемы выемки угля в очистном забое.

Обоснование параметров нетрадиционной технологии применения очистных комбайнов в очистных забоях угольных шахт, разрабатывающих крутонаклонные пласты, предопределило идею, цель и задачи рассматриваемой диссертационной работы.

Идея работы заключается в разработке принципиально новой технологии механизированной выемки крутонаклонных угольных пластов узкими полосами по падению, обеспечивающей повышение эффективности производства и безопасности работ в очистном забое.

Целью работы является комплексное обоснование рациональных параметров технологии механизированной выемки крутонаклонных угольных пластов очистными комбайнами в почвоуступном забое.

В диссертации, на основе аналитических и экспериментальных исследований, разработаны и обоснованы параметры технологии механизированной выемки крутонаклонных угольных пластов в почвоуступном забое с применением очистных комбайнов, работающих по технологической схеме "сверху-вниз".

Установлены значения оптимальных технологических параметров комбайновой выемки угля в почвоуступном забое при отработке крутонаклонных пластов узкими полосами (до 1 м).

В процессе аналитических исследований разработана математическая модель движения комбайна, позволяющая определить положение выемочной машины в забое с учётом влияния внешних сил. Траектория движения выемочной машины в забое при выемке угля представляет собой окружность большого радиуса.

По результатам шахтных исследований получены корреляционные зависимости потребляемой мощности резания и усилия подачи выемочной машины от сопротивления угля резанию.

Комплексными исследованиями, выполненными в диссертационной работе, установлены пути совершенствования технологии механизированной выемки угля с применением комбайнов при отработке крутонаклонных угольных пластов.

Доказано, что с точки зрения технологии, наиболее рациональным для этих условий способом размещения исполнительного органа относительно корпуса комбайна является применение специальных конструкций гидродомкратов, позволяющих осуществлять плавный поворот барабана исполнительного органа на 30°-40° относительно центральной оси комбайна. Полученный результат обеспечивает эффективное разрушение угольного массива и транспортировку отбитого угля в очистном забое.

Результаты работы расширяют сложившиеся представления о механизме влияния технологических параметров системы “выемочная машина - очистной забой” на обеспечение заданного положения комбайна в очистном забое, заключающиеся в целенаправленном выборе конструктивно-технологических параметров выемочной машины.

Совокупность полученных результатов составила необходимые научно-технические предпосылки для создания нетрадиционной технологии отработки крутонаклонных угольных пластов с использованием почвоуступных узкозахватных комбайнов.

Экономический эффект от реализации нетрадиционной технологии применения почвоуступного комбайна при отработке крутонаклонных угольных пластов составит 603 тыс. грн. в год.

Ключевые слова: параметры технологии, очистной комбайн, очистной забой, передвижная крепь, выемочная машина.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Складна гірничо-геологічна обстановка при розробці похилих та крутопохилих вугільних пластів Донбасу істотно сповільнила процес механізації очисних робіт, що обумовило переважне застосування відбійних молотків, у якості основних засобів виїмки вугілля, і індивідуальних засобів кріплення вибою.

До числа найбільше прогресуючих природних факторів, що негативно впливають на технологію видобутку вугілля в цих умовах, відносяться:

підвищення ступеня викидонебезпечності пластів і газоносності гірничого масиву;

погіршення усталеності бокових порід.

Конвергенція бокових порід на глибині 1000 м, у порівнянні з глибиною 500-600 м, зросла більш ніж у два рази. В даний час питома вага видобутку вугілля із пластів з нестійкими вміщуючими породами збільшилася з 43% до 64%.

З ростом глибини розробки з'явилися нові, раніше невідомі явища - раптові завалення вугілля і сповзання підошви.

У зв'язку з цим різко скоротилася кількість механізованих очисних вибоїв. Якщо декілька десятиріч тому для механізації виїмки крутопохилих пластів застосовувалися врубові машини, очисні комбайни і вугільні пили, то в останні роки кількість механізованих вибоїв у цих умовах значно скоротилася. Причому, переважно, експлуатуються або очисні комбайни, створені для відпрацьовування крутих пластів ("Поіск-2Р", "Темп" та інші), або пристосовані для цих умов комбайни для похилих пластів.

Через малі обсяги застосування ця техніка не робить істотного впливу на техніко-економічні показники роботи шахт, що розробляють похилі і крутопохилі вугільні пласти.

При існуючій технології і організації праці, навіть при освоєнні серійного випуску комбайнів нового технічного рівня ("Поіск-2РА", КУ-410, "Універсал-90"), структура механізованої виїмки тонких похилих і крутопохилих пластів істотно не зміниться.

Поряд із цим, до основних причин, що стримують технічне переозброєння шахт, які розробляють крутопохилі пласти, можна віднести:

відсутність науково обгрунтованих технологічних параметрів механізованої виїмки вугілля;

відсутність раціональних інженерних рішень для проектування засобів механізованої виїмки вугілля в складних гірничо-геологічних умовах відробки вугільних пластів на великих глибинах;

недостатній обсяг досліджень в області вибору оптимальних технологічних параметрів виконавчих органів очисних комбайнів;

відсутність обгрунтованих експлуатаційних та конструктивно-технологічних параметрів очисних комбайнів.

У зв'язку з цим, актуальною науковою і практичною проблемою є наукове обгрунтування технологічного процесу виїмки вугілля і розробка експлуатаційних і конструктивно-технологічних параметрів удосконалювання очисних комбайнів для відробки крутопохилих пластів на базі комплексного дослідження впливу гірничо-геологічних і гірничотехнічних факторів на технологію їх застосування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з галузевою програмою №0319202000, яку виконує ДонНДІ за замовленням Мінвуглепрому України, куди входить складовою частиною.

Ідея роботи полягає в розробці принципово нової технології механізованої виїмки крутопохилих вугільних пластів вузькими смугами по падінню, що забезпечує підвищення ефективності виробництва та безпеки праці в очисному вибої.

Мета і задачі дослідження. Ціллю роботи є комплексне обгрунтування раціональних параметрів технології механізованої виїмки крутопохилих вугільних пластів очисними комбайнами в підошвоуступному вибої.

Для досягнення поставленої цілі вирішено наступні основні задачі:

розроблено та обгрунтовано раціональні параметри технології комбайнової виїмки похилих і крутопохилих вугільних пластів у складних гірничо-геологічних умовах;

виконано аналіз впливу технологічних умов на параметри приводу очисних комбайнів;

досліджено виконавчі органи очисних комбайнів і зроблено вибір їхніх раціональних параметрів.

Об'єктом досліджень є параметри технології механізованої виїмки крутопохилих вугільних пластів. Відповідно, предметом досліджень є очисний вузькозахватний комбайн для підошвоуступного вибою, як засіб здійснення, вказаної вище, технології.

Методи досліджень. У основу виконаної роботи покладено комплексні аналітичні дослідження впливу технологічних факторів на роботу очисних комбайнів для виїмки крутопохилих вугільних пластів, у тому числі:

аналіз та узагальнення раніше виконаних досліджень;

методи теорії імовірності;

статистична обробка результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів.

Обгрунтована та запропонована технологія відробки крутопохилих пластів комбайном у підошвоуступному вибої, яка дозволяє сполучити процеси відбійки вугілля і кріплення вибою.

Обгрунтовані параметри гвинтового металевого тимчасового кріплення, яке забезпечує підтримку покрівлі та почви після проходу комбайна. вугілля очисний комбайн механізований

Отримані емпіричні й аналітичні залежності зусилля подачі комбайна на вибій від швидкості подачі і швидкості обертання барабана виконавчого органа, що забезпечують стійкість комбайна у подошвоуступному вибої.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій роботи підтверджено використанням апробованих методик проведення досліджень, застосуванням методів математичної статистики при обробці результатів досліджень, задовільною збіжністю результатів аналітичних і експериментальних досліджень (розбіжність не перевищує 15%), позитивними результатами їхньої дослідно-промислової перевірки.

Наукове значення роботи. Полягає в розробці та технологічному обгрунтуванні математичних моделей "очисний комбайн - вибій" стосовно до умов відробки тонких крутопохилих вугільних пластів у підошвоуступному вибої. На основі цих моделей встановлено нові закономірності формування навантажень у приводі виконавчого органу комбайну.

Практичне значення одержаних результатів:

розробці та обгрунтуванні параметрів підошвоуступної технології механізованої виїмки вугілля;

поширенні області та обсягу застосування виймальних комбайнів при розробці крутопохилих вугільних пластів, у тому числі небезпечних за раптовими викидами вугілля та газу;

розробці рекомендацій по поліпшенню конструктивно-технологічних параметрів очисних комбайнів для виїмки вугілля на крутопохилих пластах.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи

Результати виконаної дисертаційної роботи ввійшли складовою частиною і використані в:

"Техническом задании на комплекс оборудования, обеспечивающий безопасную разработку тонких крутых пластов, склонных к внезапным выбросам и обрушениям угля, узкими полосами по падению", затвердженому Мінвуглепромом України 15 жовтня 1995 року;

"Регламентных положениях по техническому обслуживанию и ремонту механизированных комплексов, агрегатов и очистных комбайнов в угольных шахтах Донбасса", затверджених Мінвуглепромом України 19 березня 1999 року.

"Техническое задание на комплекс оборудования, обеспечивающий безопасную разработку тонких крутых пластов, склонных к внезапным выбросам и обрушениям угля, узкими полосами по падению" сприяло розвитку НДДКР по створенню очисного комбайну КПВ та переносного кріплення.

"Регламентные положения…" використано шахтами ДХК "Шахтарськантрацит" і ДХК "Торезантрацит" при впровадженні очисних комбайнів нового технічного рівня.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовано ціль та задачі досліджень, ідея роботи, основні наукові положення, висновки і рекомендації, а також розроблено концепцію досліджень.

Як виконавець робіт галузевої тематики ДонНДІ, автор приймав особисту участь у розробці методик лабораторних, стендових та шахтних досліджень, розробці основних технологічних рішень по механізації виїмки вугілля в підошвоуступному вибої. Їм розроблено аналітичний апарат досліджень технологічних параметрів руху очисного комбайну в підошвоуступному вибої.

Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та її окремі розділи доповідалися і одержали схвалення на засіданнях вченої ради ДонНДІ (м. Горлівка, 1999-2000 роки); на Міжнародній конференції "Сучасні шляхи розвитку гірничого устаткування і технологій переробки мінеральної сировини" (м. Дніпропетровськ, 1996 рік).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 6-ти статтях у наукових спеціалізованих виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 61 найменування, містить 105 сторінок, 46 рисунків, 21 таблицю та 2 додатки.

2. Основний зміст роботи

У області розробки, обгрунтування і вибору параметрів технології механізованої виїмки вугільних пластів відомі праці: Антипова І.В., Алєксєєва А.Д., Бондаренка Ю.В., Булата А.Ф., Гребьонкіна С.С., Грядущего Ю.Б., Гуляєва В.М., Дороніна О.Д., Ільїна А.І., Касьяна М.М., Керкеза С.Д., Підкопаєва С.В., Піталенка Є.І., Сапицького К.Ф., Соловйова Г.І., Степановича Г.Я., Франчука В.П. та інших. В їхніх працях у різних аспектах розглядаються питання використання очисних комбайнів та іншої техніки в різних умовах.

Водночас, у зв'язку з переходом очисних робіт на більш глибокі горизонти шахт, що розробляють крутопохилі пласти, значною мірою ускладнився процес механізованої виїмки вугілля з застосуванням очисних комбайнів, які працюють по технологічній схемі "знизу-нагору" в "чоло уступу", про що свідчить виконаний аналіз.

Тому, у роботі поставлено і вирішено задачу розробки принципово нової технології виїмки крутопохилих вугільних пластів вузькими смугами зверху вниз із застосуванням комбайнів.

Задача дослідження руху виймальної машини в очисному вибої при відпрацьовуванні крутопохилого пласту відноситься до класичних задач теоретичної механіки.

З огляду на різноманітність гірничо-геологічних умов, визначити V_x і V_y аналітичним методом досить складно. Тому, для розрахунку прийнято найбільш характерні умови відробки крутопохилих пластів, що дозволило, у першому наближенні, визначити траєкторію руху виймальної машини.

Швидкість повороту машини щ(S), як функції переміщення останньої уздовж вибою з обліком вихідних даних ?3,53·10 ^-3 рад/хв.

У процесі стендових досліджень встановлено, що основними конструктивними елементами виймальної машини є привід та виконавчий орган, параметри яких повинні відповідати гірничо-геологічним умовам ведення гірничих робіт і забезпечувати необхідну швидкість руху машини.

Для перевірки результатів аналітичних досліджень в умовах шахти ім. Рум'янцева ВО "Артемвугілля" проведено шахтні експерименти.

Вони включали роботи з випробування експериментального зразку очисного підошвоуступного комбайну КПВ в очисному вибої дільниці №108-1090 (пласт k₇^1-B "Юльївський") та інструментальні спостереження за траєкторією руху комбайну.

У результаті шахтних випробувань:

визначено можливість і доцільність створення очисного комбайну для виїмки вугілля на крутих та крутопохилих пластах вузькими смугами по падінню, із забезпеченням необхідної безпеки очисних робіт;

перевірено ефективність, надійність та технологічність техніки, яка випробується;

виявлено недоліки технології та техніки;

вивчено та скоректовано організацію робіт в очисному вибої.

Для подальшого розвитку роботи запропоновано узагальнені параметри технології механізованої виїмки крутопохилих вугільних пластів у підошвоуступному вибої:

застосування переносного індивідуального розсувного металевого кріплення, яке установлюється по першій лінії кріплення лави слідом за проходженням комбайну;

оптимальна ширина захвату виконавчого органу - 1100 мм;

потужність пласту, що виймається - не більш 1,0 м;

застосування оперативного керування інтенсивністю виймальних робіт під контролем звукоулавлюючої апаратури.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій науково і практично обгрунтовано параметри технології механізованої виїмки крутопохилих пластів у підошвоуступному вибої, що дозволило вирішити актуальну народногосподарську задачу економічно доцільного видобутку вугілля із пластів зазначеного класу.

У процесі виконання дисертаційної роботи отримано наступні висновки та практичні результати:

1. Комплексними дослідженнями визначено параметри технології механізованої виїмки крутопохилих вугільних пластів у підошвоуступному вибої.

2. Вперше отримано аналітичні залежності зусилля подачі підошвоуступного комбайну на оброблювану частину вугільного вибою від швидкості подачі та частоти обертання барабану виконавчого органу в різних гірничо-геологічних умовах.

3. Доведено, що, із погляду технології, найбільш раціональним для цих умов способом розміщення виконавчого органу щодо корпусу комбайна є застосування спеціальних конструкцій гідродомкратів, які дозволяють здійснювати плавний поворот барабану виконавчого органу на 30-40° відносно центральної осі комбайну. Отриманий результат забезпечує ефективне руйнування вугільного масиву та транспортування відбитого вугілля в очисному вибої.

4. Вперше отримано емпіричні залежності динамічних зусиль у системі "механізм подачі - виймальна машина" після відновлення пружного зв'язку між виймальною машиною і барабаном лебідки від конструктивно-технологічних параметрів системи керування приводом машини, а також співвідношення масових і жорсткістних параметрів її континуальної системи.

5. Результати роботи поширюють сформовані уявлення про механізм впливу технологічних параметрів системи "виймальна машина - очисний вибій" на забезпечення заданого положення комбайну в очисному вибої, яке полягає в цілеспрямованому виборі конструктивно-технологічних параметрів виймальної машини.

6. Практична корисність результатів роботи полягає в:

розробці та обгрунтуванні параметрів підошвоуступної технології механізованої виїмки пласту;

розширенні області та обсягу застосування виймальних комбайнів при розробці крутопохилих вугільних пластів, у тому числі - небезпечних за раптовими викидами вугілля і газу;

розробці рекомендацій по поліпшенню конструктивно-технологічних параметрів очисних комбайнів для виїмки вугілля на крутопохилих пластах.

7. Результати розробок, висновків та положень дисертації реалізовано ДонНДІ і ДХК "Шахтарськантрацит" у:

"Техническом задании на комплекс оборудования, обеспечивающий безопасную разработку тонких крутых пластов, склонных к внезапным выбросам и обрушениям угля, узкими полосами по падению", затвердженому Мінвуглепромом України 15 жовтня 1995 року;

"Регламентных положениях по техническому обслуживанию и ремонту механизированных комплексов, агрегатов и очистных комбайнов в угольных шахтах Донбасса", затверджених Мінвуглепромом України 19 березня 1999 року;

"Техническое задание на комплекс оборудования, обеспечивающий безопасную разработку тонких крутых пластов, склонных к внезапным выбросам и обрушениям угля, узкими полосами по падению" сприяло розвитку НДДКР по створенню очисного комбайну КПВ та переносного кріплення;

"Регламентные положения…" використано шахтами ДХК "Торезантрацит" при впровадженні очисних комбайнів нового технічного рівня.

Впровадження результатів роботи має соціальний ефект у підвищенні безаварійності та безпеки технології механізованої виїмки крутопохилих вугільних пластів.

Сукупний економічний ефект на одиницю устаткування в середньому за рік складає понад 600 тис. грн.

Список опублікованих праць

1. Гребенкин С.С., Доронин А.Д., Швыдкий Ю.В. Исследование и выбор рациональных параметров исполнительных органов очистных комбайнов //Зб. наук. пр.: Гірнича електромеханіка та автоматика. - Дніпропетровськ. НГА України, - 1999. - №2(61). - С. 242-244.

2. Швыдкий Ю.В. Определение эквивалентной нагрузки трансмиссии стационарной лебёдки при расчёте на контактную и изгибную прочность // Зб. наук. пр.: Гірнича електромеханіка та автоматика. - Дніпропетровськ. НГА України, - 1999. - №2(61). - С. 74-77.

3. Гребёнкин С.С., Теросипов В.М., Швыдкий Ю.В. Анализ принципиальных технологических решений почвоуступной механизированной выемки крутонаклонных угольных пластов //Известия Донецкого горного института. - 2000. - №2. - С. 79-84.

4. Швыдкий Ю.В., Шипунов А.А. Разработка методических положений по оценке надёжности выемочных машин //Создание, эксплуатация и ремонт горношахтного оборудования для очистных забоев крутых и наклонных угольных пластов. - Донецк: Регион, Лебедь, 1999. - С. 269-287.

5. Доронин В.А., Гребёнкина А.С., Швыдкий Ю.В. Схемы электроснабжения очистных забоев //Технология подземной разработки крутых и наклонных угольных пластов Донбасса. -Донецк: Регион, Лебедь, 1998. - С. 266-284.

6. Финкильштейн З.Л., Пащенко В.Л., Доронин А.Д., Швыдкий Ю.В. Выбор эффективных методов и средств промывки гидросистем и отдельных элементов гидропривода горных машин //Науковий вісник. - Дніпропетровськ. НГА України, - 1999. - №3. - С. 64-66.

Размещено на Allbest.ru

...