Обґрунтування кінематичних і силових параметрів щитових механізованих кріплень підтримуючо-огороджувального типу для очисних вибоїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування кінематичних і силових параметрів щитових механізованих кріплень підтримуючо-огороджувального типу для очисних вибоїв

Гуляєв Костянтин Володимирович

Донецьк ? 2001

Аннотация

Гуляев К.В. Обоснование кинематических и силовых параметров щитовых механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа для очистных забоев. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - “Горные машины” - Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2001.

Актуальность работы подтверждается необходимостью повышения технического уровня щитовых крепей и расширения области их эффективного применения на пологие пласты с малоустойчивой и неустойчивой кровлей, доля которых в Донецком бассейне составляет 70.1%.

В работе показано, что на эффективность поддерживания кровли и на формирование внутрисекционных нагрузок доминирующее влияние оказывают кинематические и силовые параметры секций крепи, обусловленные их конструктивной схемой и параметрами четырехзвенного механизма связи ограждения с перекрытием и основанием. Теоретическими исследованиями установлено, что четырехзвенные механизмы, применяемые в современных щитовых крепях, относятся к типу односторонних двухкоромысловых механизмов. Параметры последних могут формировать существенно различные виды и параметры траектории оси шарнира, соединяющего ограждение с перекрытием, а, следовательно, и различное качество рабочих процессов взаимодействия крепей с боковыми породами. Впервые выполнена классификация 47 типов и типоразмеров щитовых крепей отечественного и зарубежного производства по кинематическим признакам. В качестве таковых приняты вид траектории шарнира (В1…В4) и зависимость угла между нормалью к почве и касательной к траектории, характеризующая ее кривизну и наличие (отсутствие) точек перегиба в пределах рабочего диапазона раздвижности. Эти кинематические признаки определяют закономерности формирования сил трения по внешнему контуру секций, характер и уровни внутрисекционных нагрузок при реализации проектных силовых параметров крепи.

На основе разработанных математических моделей исследованы «внешние» и внутрисекционные нагрузки и установлены закономерности их формирования в системах «щитовая крепь ? боковые породы» при различных кинематических параметрах исследуемых крепей. Для крепей с траекторией оси шарнира, имеющей точки перегиба (В3), выявлены значительные скачкообразные изменения сил трения между кровлей и перекрытиями и резкий рост внутрисекционных нагрузок. Для некоторых типов двухстоечных крепей с кинематическим признаком В3 установлены нагрузки в передних рычагах четырехзвенника, превышающие в 2.5 раза номинальное сопротивление двух гидростоек. Повышенные внутрисекционные нагрузки таких крепей обусловливают необходимость увеличения их материалоемкости для обеспечения требуемых запасов прочности. При работе таких крепей, нагруженные горным давлением перекрытия при конвергенции пород смещаются относительно кровли в сторону выработанного пространства, а в кровле формируются напряжения растяжения и происходит ее разрушение.

На базе модельных исследований и анализа опытных данных по условиям и результатам эксплуатации двухстоечных и четырехстоечных щитовых крепей установлено, что в наибольшей степени соответствуют условиям эффективного применения на пластах с неустойчивой непосредственной кровлей четырехстоечные (типа КД90) и двухстоечные (типа КДД) щитовые крепи с кинематикой В1 и рабочим сопротивлением по ГОСТ 28597-90. Не отвечают требованиям эффективного применения в таких условиях двухстоечные щитовые крепи с кинематическими параметрами, определяющими проскальзывание перекрытий относительно кровли в сторону завала.

В работе разработан метод повышения технического уровня щитовых крепей, основанный на оптимизации их параметров и применении четырехзвенных механизмов, формирующих траекторию оси шарнира в виде отрезка наклонной прямой. При этом в рабочем диапазоне раздвижности крепи при конвергенции пород обеспечивается эффективное поддержание кровли за счет формирования направленной на забой горизонтальной составляющей рабочего сопротивления крепи и сил трения между кровлей и перекрытием. Внутрисекционные нагрузки в таких режимах взаимодействия крепи с кровлей существенно снижаются, что позволяет снизить материалоемкость секций на 20-27 % без снижения их сопротивления опусканию кровли.

Ключевые слова: система, боковые породы, щитовые крепи, кинематические параметры, взаимодействие, закономерности, нагрузки, эффективность.

Анотація

Гуляєв К.В. Обгрунтування кінематичних і силових параметрів щитових механізованих кріплень підтримуючо-огороджувального типу для очисних вибоїв. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - “Гірничі машини” - Донецький державний технічний університет, Донецьк, 2001.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей взаємодії з бічними породами щитових кріплень і обґрунтуванню їх кінематичних і силових параметрів для підвищення технічного рівня й ефективності застосування на пластах iз нестiйкою покрівлею.

У роботі показано, що одним iз основних факторів, які обумовлюють ефективність взаємодії кріплення з бічними породами, характер і рівні внутрішньо-секційних навантажень, є вигляд і параметри траєкторії руху осі шарніра, що з'єднує перекриття з огородженням. Ця кінематична ознака і силові параметри визначають основні закономірності формування сил тертя за зовнішнiм контуром секцій кріплення і внутрішньо-секційних навантажень. Встановлено закономірності й особливості формування внутрішньо-секційних навантажень і силової взаємодії з бічними породами секцій кріплення з різними виглядами траєкторії осі шарніра. Для кріплень із траєкторією, що має точки перегину, виявлені небезпечні стрибкоподібні зміни сил у системі «кріплення - бокові породи», що негативно впливають на стійкість покрівлі і надійність кріплення.

Обґрунтовано метод підвищення технічного рівня щитових кріплень і ефективності їхнього застосування в умовах нестiйкої покрівлі.

Ключові слова: система, бокові породи, щитові кріплення, кінематичні параметри, взаємодія, закономірності, навантаження, ефективність.

The summary

шахта щитовий механічний кріплення

Konstantin V. Gulyaev. Grounding of Kinematic and Force Parameters of Shield Powered Supports of Supporting and Protecting Type for Stopes. ? Manuscript.

The dissertation to take the degree of the Candidate of Science on the speciality 05.05.06 ? "Mining Machines" ? Donetsk State Technical University, Donetsk, 2001.

The dissertation is devoted to the establishment of regularities of mutual interaction of the shield supports with wall rocks and giving background of its kinematic and force parameters to increase the technological level and efficiency of its application at the seams with bad roof.

It is shown in the paper that one of the major factors determining efficiency of mutual interaction of the support with wall rocks, character and the levels of inter-sectional loads are the form and parameters of the trajectory of the axis of the hinge connecting canopy to caving shield. This kinematic feature and the force parameters determine the main regularities of formation of friction forces on the external contour of sections of the support and inter-sectional loads. The regularities and features of formation of inter-sectional loads and force interaction of sections of the support with wall rocks and various form of trajectory of the axis of the hinge are established. For the supports with the trajectory having inflections the dangerous spasmodic changes of forces in the system «the support ? wall rocks» negatively influencing on roof stability and reliability of support are discovered.

The method of increasing of the technological level of the shield supports and efficiency of its application under conditions of bad roof is substantiated.

Key words: system, wall rocks, shield supports, kinematic parameters, mutual interaction, regularities, loads, efficiency.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Базою сучасних очисних комплексів для відпрацьовування пологопохилих пластів є щитові механізовані кріплення (ЩМК), конструкція і параметри яких повинні забезпечувати надійну і високопродуктивну роботу всього устаткування комплексу і безпеку праці обслуговуючого персоналу. Особливо актуальною проблемою є створення і широке застосування ЩМК підтримуючо-огороджувального типу (ПОТ), здатних забезпечити зазначені вище вимоги при відпрацьовуванні пологих вугільних пластів із малостійкими і нестійкими породами безпосередньої покрівлі, частка яких на шахтах Донецького басейну складає 70.1 %.

Перспективними типами ЩМК, що відповідають у значній мірі вимогам ефективного відпрацьовування пластів потужністю 0.8 2.5 м з малостійкими покрівлями, є розроблені інститутом Дондіпровуглемаш чотиристоякові (ПО ?[2+2]) кріплення КД90, а також двостоякові (ПО ?[0+2]) кріплення типу КДД. Закордонними фірмами виробляються в основному ЩМК ПО ?[0+2], що поставляються по імпорту на шахти України. Застосування імпортних ЩМК ПО ?[0+2] на шахтах Донецького басейну не завжди характеризується позитивними результатами.

Серед фахівців немає єдиної думки про пріоритетність застосування, достоїнства і недоліки ЩМК із секціями ПО ?[2+2] і ПО ?[0+2], обумовлених особливостями їх конструктивних схем, кінематичних і силових параметрів. У зв'язку з цим виникла об'єктивна необхідність у дослідженні і порівняльній оцінці експлуатаційних властивостей зазначених кріплень. Актуальна задача створення ЩМК ПОТ нового технічного рівня, що відрізняються високою надійністю й ефективністю взаємодії з боковими породами, у тому числі і нестійкими, за рахунок оптимізації їх кінематичних і силових параметрів на стадії проектування.

У технічній літературі до останнього часу були відсутні необхідні дані про кінематичні параметри сучасних ЩМК, їхньому впливі на взаємодію кріплень із боковими породами і на формування внутрішньо-секційних навантажень. Не розроблені методи аналізу і синтезу ЩМК з оптимальними параметрами.

Вищевикладене свідчить про актуальність і важливість для вугільної промисловості України наукової задачі, що полягає в обґрунтуванні кінематичних і силових параметрів ЩМК підтримуючо-огороджувального типу на основі встановлених закономірностей робочих процесів їхньої взаємодії з боковими породами. Вирішення цієї задачі дозволяє підвищити технічний рівень ЩМК, що проектуються, і ефективність їхнього застосування в різних умовах експлуатації, у тому числі і на пластах з нестійкою покрівлею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами ДонДТУ. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукового напрямку кафедри "Гірничі машини" ДонДТУ ? "Розробка теорії робочих процесів і методів підвищення технічного рівня гірничих машин", у рамках аспірантського плану науково-дослідної роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення технічного рівня ЩМК для очисних вибоїв шахт України за рахунок обґрунтування їх кінематичних і силових параметрів на основі встановлених закономірностей робочого процесу взаємодії кріплень з боковими породами. Для досягнення поставленої мети сформульовані і вирішені наступні задачі:

розробити і реалізувати аналітичний метод дослідження кінематичних і силових параметрів ЩМК із механізмами зв'язку на базі шарнірного чотириланковика;

установити кінематичні параметри вітчизняних і закордонних ЩМК, ідентифікувати тип механізмів зв'язку, скласти каталог їхніх кінематичних паспортів і виконати класифікацію кріплень за основними кінематичними ознаками;

розробити адекватні в головному математичні моделі робочих процесів взаємодії з боковими породами ЩМК ПО ?[0+2] і ПО ?[2+2];

установити особливості взаємодії з боковими породами двостоякових і чотиристоякових ЩМК і розкрити закономірності формування внутрішньосекційних навантажень з урахуванням розходжень кінематичних параметрів ЩМК і сил тертя за зовнішнім контуром їхніх секцій;

виконати аналіз досліджених даних за умовами і результатами експлуатації на шахтах Донецького басейну досліджених ЩМК, зробити зіставлення досліджених даних із результатами модельних досліджень;

розробити і реалізувати метод синтезу й оптимізації ЩМК із раціональним сполученням кінематичних і силових параметрів, що забезпечують ефективну взаємодію кріплення з нестійкою покрівлею при знижених внутрішньо-секційних навантаженнях;

виконати техніко-економічну оцінку ЩМК із параметрами, що рекомендуються.

Об'єктом дослідження є робочий процес взаємодії ЩМК ПОТ з боковими породами. Предметом досліджень є закономірності й особливості силової взаємодії з боковими породами щитових механізованих кріплень із різними кінематичними і силовими параметрами.

Ідея роботи полягає в розкритті закономірностей робочих процесів взаємодії з боковими породами ЩМК із різними видами кінематичних паспортів і синтезі кріплень із оптимальними кінематичними і силовими параметрами, що забезпечують формування в зонах контакту перекриття з покрівлею спрямованих на вибій сил тертя і горизонтальної складової опору кріплення для підвищення стійкості покрівлі і зниження внутрішньо-секційних навантажень.

Методи досліджень. Аналіз і синтез ЩМК із чотириланковиковими механізмами зв'язку виконані з використанням методів аналітичної геометрії, теорії технічних систем і синтезу механізмів. Математичні моделі для дослідження взаємодії ЩМК із боковими породами і формування внутрішньо-секційних навантажень розроблені з використанням методів теоретичної механіки. Адекватність розроблених математичних моделей реальним об'єктам оцінювалася шляхом порівняльного аналізу результатів моделювання з дослідними даними, отриманими при експлуатації досліджених кріплень на шахтах Донецького басейну.

Основні наукові положення і результати, що виносяться на захист, і їхня новизна.

Теоретично і досвідом експлуатації щитових механізованих кріплень установлений домінуючий вплив вигляду і параметрів траєкторії руху осі шарніра, що з'єднує огородження з перекриттям, на ефективність взаємодії кріплень з бічними породами і формування внутрішньо-секційних навантажень. При цьому вперше визначена раціональна траєкторія руху шарніра у вигляді відрізка похилої прямої, що забезпечує при конвергенції порід переміщення перекриття кріплення на вибій при постійному співвідношенні горизонтальної і вертикальної компонент переміщень у робочому діапазоні розсувності кріплення.

Математична модель, що описує адекватне формування навантажень у системі “щитове механізоване кріплення - бокові породи” з урахуванням виду і параметрів траєкторії руху осі шарніра, конструктивної схеми секції, сил тертя за її зовнішнім контуром і забезпечуюча визначення і вибір оптимальних кінематичних і силових параметрів щитових механізованих кріплень.

Уперше розроблений метод синтезу (побудови) чотириланкових механізмів, що формують раціональну траєкторію руху осі шарніра в межах робочих діапазонів розсувності кріплення; при цьому забезпечується стабільність напрямку вбік вибою сил тертя між покрівлею і перекриттями кріплення, підвищується стійкість покрівлі і знижуються внутрішньо-секційні навантаження.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи підтверджуються:

коректним застосуванням положень теорії технічних систем, методів аналізу і синтезу, використанням достовірних вихідних даних для встановлення кінематичних характеристик досліджуваних ЩМК із чотириланковиковими механізмами зв'язку;

застосуванням фундаментальних положень теоретичної механіки і перевірених допущень при розробці адекватних у головному математичних моделей для дослідження взаємодії кріплень з боковими породами;

використанням раніше встановлених геомеханічних закономірностей, що характеризують взаємодію механізованих кріплень із гірничим масивом, при аналізі й інтерпретації результатів моделювання;

достатнім ступенем кореляції результатів модельних досліджень із дослідними даними (за робочим опором кріплення, що використовується, за зсувами перекриття за робочий цикл, за вивалоутворенням у призабійному просторі, за відзначеними відмовленнями та ін.), отриманими при експлуатації досліджуваних кріплень у представницьких шахтних умовах.

Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії робочих процесів щитових механізованих кріплень на основі розроблених і реалізованих математичних моделей функціонування кріплень і вперше встановлених закономірностей і особливостей формування внутрішньо-секційних навантажень при взаємодії з боковими породами секцій щитових кріплень із різними кінематичними і силовими параметрами.

Практичне значення отриманих результатів полягає у створенні науково-методичної бази для проектування ЩМК підтримуючо-огороджувального типу з оптимальними кінематичними і силовими параметрами для конкретних гірничо-технічних умов, а також у розробці методу аналізу кінематичних характеристик кріплень, що вводяться в роботу, з метою оцінки ступеня їхньої відповідності обраним умовам експлуатації. Результати дисертаційної роботи дозволяють:

установлювати кінематичні паспорти проектованих і виготовлених кріплень на базі розроблених алгоритмів і програм для дослідження кінематики ЩМК;

використовувати кінематичні паспорти, установлені для 47 типів і типорозмірів ЩМК вітчизняного і закордонного виробництва, як банк даних для проектування ЩМК із чотириланковиковими механізмами зв'язку;

на основі розроблених математичних моделей "ЩМК-БП" оцінювати ефективність робочого процесу взаємодії проектованих кріплень ПО ?[2+2] і ПО ?[0+2] з позицій формування внутрішньо-секційних навантажень і впливу кріплення на бокові породи;

синтезувати для ЩМК ПО ?[2+2] і ПО ?[0+2] чотириланкові механізми зв'язку, що формують раціональну траєкторію вигляду В1, що забезпечує в робочому діапазоні розсувності кріплення ефективну підтримку безпосередньої покрівлі при відносно низьких внутрішньо-секційних навантаженнях;

досліджувати вплив напрямку і значень сил тертя за контуром кріплення на формування внутрішньо-секційних навантажень і встановлювати вихідні дані для розрахунку на міцність силових елементів чотириланковика і металоконструкцій секцій кріплення.

Основні результати наукових досліджень використані:

інститутом Дондіпровуглемаш при розробці нових двостоякових і чотиристоякових щитових кріплень підтримуючо-огороджувального типу для високопродуктивних комплексно-механізованих вибоїв;

Донецьким державним технічним університетом при виконанні науково-дослідних робіт і в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень, наведені в дисертаційній роботі, отримані особисто здобувачем. Автору належать: основні ідеї роботи, розроблені методи аналізу і синтезу ЩМК із чотириланковиковими механізмами зв'язку, систематизація результатів аналізу і класифікація ЩМК за кінематичними ознаками, математичні моделі і програми для дослідження робочих процесів взаємодії кріплень із боковими породами, аналіз і узагальнення результатів модельних досліджень і дослідних даних шахт про роботу ЩМК, розробка висновків і рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи опрелюднено й одержали схвалення на: Міжнароднїй науково-практичнїй конференції "XXI сторіччя ? проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин" у НГА України (м. Дніпропетровськ, 1998); 3-й Міжнароднїй науково-практичнїй конференції "Сучасні шляхи розвитку гірничого устаткування і технологій переробки мінеральної сировини" у НГА України (м. Дніпропетровськ, 1999); науковому симпозіумі "Неделя горняка ? 2000" у МДГУ (м. Москва, 2000); засіданнях кафедри "Гірничі машини" ДонДТУ в 2000 і 2001 рр.

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані в 11-ти наукових працях, у тому числі: 10 ? у спеціальних науково-технічних журналах і збірниках наукових праць і 1 ? у збірнику праць конференції.

Автор вважає своїм обов'язком висловити глибоку подяку науковому керівнику, професору кафедри "Гірничі машини", доктору технічних наук Анатолію Кириловичу Семенченку за цінну допомогу, зроблену при виконанні роботи. Автор також вдячний фахівцям вуглевидобувних підприємств та інституту Дондіпровуглемаш за надану цінну інформацію про умови і результати експлуатації в очисних вибоях щитових механізованих кріплень закордонного і вітчизняного виробництва, співробітникам Міністерства вугільної промисловості України й інституту ДонВУГІ за сприяння в зборі об'єктивної інформації.

2. Основний зміст роботи

Перший розділ дисертації присвячений аналізу стану актуальної задачі обґрунтування кінематичних і силових параметрів ЩМК із чотириланковиковими механізмами зв'язку огородження з основою і перекриттям для підвищення технічного рівня сучасних щитових кріплень.

Проблемі створення нових перспективних МК, підвищенню їхнього технічного рівня і якості на основі наукового обґрунтування технологічних і конструктивних параметрів, присвячені роботи багатьох вчених і конструкторів: Б.О. Александрова, Г.В. Андрєєва, А.І. Архипчика, В.В. Бєляєва, М.Г. Бойко, В.О. Бреннера, В.І. Васильєва, І.Г. Вассермана, Е.С. Віленкіна, О.А. Гайсіновича, В.М. Гетопанова, П.А. Горбатова, В.А. Дейниченка, О.Д. Ігнатьєва, В.М. Каретнікова, Ю.І. Кияшка, В.В. Косарєва, В.І. Клішина, І. Крумнакера, А.Г. Лаптєва, С.В. Мамонтова, Б.К. Мишляєва, О.Л. Непомнящого, Ю.Ф. Пономаренка, В.Л. Попова, В.О. Потапенка, Ю.С. Пушнова, В.М. Рачека, В.Я. Спорихіна, В.І. Степанова, Б.М. Страхова, М.І. Харитонова, В.М. Хоріна, М.І. Яковлева й інших співробітників ІГТМ НАН України, ІГД ім. О.О. Скочинського, ВНДМІ, ІГД СВ РАН, Діпровуглемаша, ПНДВУГІ, Дондіпровуглемаша, ДонВУГІ, КНІУІ, МДГУ, ТулДТУ, КузПІ, ДонДТУ, НГА України. Великий внесок у розробку нових і удосконалювання серійних МК і систем керування внесли фахівці інституту Донавтоматгормаш і машинобудівних заводів: ВАТ Дружківського, ВАТ "Дніпропетровський агрегатний завод", ВАТ Каменського, АТ "Крангормаш" та ін.

Як показав аналіз літературних джерел, питання аналізу і синтезу сучасних щитових механізованих кріплень підтримуючо-огороджувального типу, вплив їх кінематичних і силових параметрів на якість робочих процесів взаємодії з боковими породами вивчені недостатньо.

У другому розділі обґрунтовані допущення заміни просторової системи “ЩМК - бічні породи” плоскими моделями двостоякових і чотиристоякових секцій із шарнірним чотириланковиком; розроблений і реалізований аналітичний метод дослідження кінематичних характеристик і стабільності робочого опору ЩМК із секціями ПО -[0+2] і ПО -[2+2].

Кінематичні характеристики визначалися на базі розрахункових схем і математичної моделі «кінематика ЩМК»:

де - вихідний вектор, компонентами якого є: координати точки М(X_M,Y_M); координати точки О(X_О,Y_О); кутові координати ланок кріплення ц₂, б₂, г_с, ц_Г, г_с1, г_с2; кут передачі ш, кути г_М і г_S, що характеризують відповідно положення дотичної і нормалі до траєкторії точки М; - вектор-функція перетворення вхідного параметра ц₁ (кута повороту ведучої ланки АВ) у вектор ; - вектор параметрів кріплення, компонентами якого є: - вектор конструктивних параметрів чотириланковика (АВ=l₁, ВC=l₂, CD=l₃, AD=l₄, CM=l₅, в₄) і - вектор конструктивних параметрів секції, які впливають на кінематику і враховують вид розрахункової схеми.

Виконані аналіз і систематизація параметрів 47 типів і типорозмірів ЩМК вітчизняного і закордонного виробництва, обґрунтовані класифікаційні ознаки, запропонована класифікація ЩМК за кінематичними ознаками. Останні визначалися для робочого діапазону розсувності кріплення ц_1у ?ц₁ ? ц_1н із межами, що відповідають положенням шарніра в точках М_в і М_н.

Установлено, що структура і конструктивні параметри чотириланкових механізмів сучасних ЩМК задовольняють умови Грасгофа. Це дозволило ідентифікувати їхній тип ? односторонні двокоромислові механізми із шатуном - огородженням. Складено каталог кінематичних паспортів досліджених ЩМК.

Однак співвідношення конструктивних параметрів чотириланковиків досліджених ЩМК відрізняються великою різноманітністю і визначають істотно різні види траєкторії руху осі шарнірного з'єднання перекриття з огородженням, а отже, і різну якість їх робочих процесів.

Вигляд і параметри траєкторії точки М, що лежить на осі шарніра, запропоновано характеризувати кутом г_м між нормаллю до підошви і дотичної до траєкторії точки М. Функція г_м(ц₁) відбиває закон зміни співвідношення між горизонтальним і вертикальним компонентами зсувів шарніра М і перекриття в межах розсувності кріплення. У точках перегину траєкторії г_м(ц_1к) = 0, а сила тертя між покрівлею і перекриттям змінює знак. Отже, ця ознака дозволяє враховувати вплив вигляду траєкторії осі шарніра М на формування навантажень у системі “ЩМК - бокові породи”.

Чотири найбільш характерні вигляди траєкторії, що визначають і вид паспорта кріплення, відрізняються наступними особливостями:

В1 - опускання шарніра М і перекриття в робочому діапазоні розсувності кріплення супроводжується горизонтальним їхнім зсувом щодо покрівлі убік вибою, інтенсивність горизонтальних зсувів убуває в міру наближення до нижньої межі (г_м(ц₁) > 0; ц_1у ? ц₁ ? ц_1н);

В2 ? аналогічний В1, але інтенсивність горизонтальних зсувів убік вибою зростає (г_м(ц₁) > 0; ц_1у ? ц₁ ? ц_1н):

В3 ? у робочому діапазоні розсувності кріплення опускання шарніра М і перекриття супроводжується перемінними за величиною і напрямком горизонтальними зсувами їх щодо покрівлі (г_м(ц₁) >< 0; г_м(ц_1к) = 0);

В4 ? опускання шарніра М і перекриття в робочому діапазоні розсувності супроводжується горизонтальним їхнім зсувом щодо покрівлі убік виробленого простору (г_м(ц₁) < 0; ц_1у ? ц₁ ? ц_1н).

Теоретичними дослідженнями стабільності робочого опору ЩМК опусканню покрівлі установлено. що щитові кріплення ПО -[2+2] з V-подібним розташуванням рядів гідростояків мають високу стабільність цього показника (для КД90 К_с = 0.86 - 0.97). У кріпленнях ПО -[0+2] з нахиленими на вибій гідростояками номінальний опір реалізується тільки при максимальній висоті секції. При мінімальній робочій висоті секції опір кріплення опусканню покрівлі істотно (до 40 %) знижується.

У третьому розділі розроблені і реалізовані математичні моделі функціонування системи “ЩМК - бокові породи” стосовно до задачі - встановити закономірності й особливості формування навантажень при взаємодії з боковими породами кріплень ПО -[0+2] і ПО -[2+2] з різними виглядами траєкторії шарніра М.

Математична модель формування навантажень розроблена відповідно до розрахункових схем:

де - вихідний вектор, компонентами якого є «зовнішні» (R₁, R₂, R₃, R₄, F_п, F_ос, R_к) і внутрішньосекційні (S, T₁, T₂) навантаження;

- вектор-функція перетворення вхідного вектора у вектор ;

- вектор параметрів секцій кріплення, компонентами якого є - вектор силових параметрів секцій;

- вектор конструктивних параметрів секції, які впливають на навантаження і враховують вигляд розрахункової схеми.

Як основний режим робочого циклу ЩМК розглядається режим потенціювання кріпленням роботи гірничого тиску при реалізації її проектних силових параметрів. При дослідженнях на ПЕОМ характеристик робочих процесів уводяться наступні вихідні дані:

? для ЩМК ПО -[0+2];

? силові параметри: P = 2P_c ? сила, що розвивається двома гідростояками, Р_г ? сила, що розвивається кутовими гідродомкратами, Q_о - результуюча навантаження від завалених порід на огородження; P_к - сила на забійному кінці керованої консолі;

? для ЩМК ПО - [2+2]: ? силові параметри P₁ = 2P_с1, Р₂ =2Р_с2, P_к, Q_о;

? конструктивні параметри;

? значення коефіцієнтів тертя в зонах контактів з боковими породами перекриття, основи й огородження відповідно: м_п, м_о, м_ог.

За програмами, алгоритмами яких передбачене дослідження впливу кінематичних і силових параметрів на процес силової взаємодії з породами щитових кріплень ПО -[0+2] і ПО -[2+2], визначалися як функції кінематичних і силових параметрів, а також кута повороту ц₁ заднього важеля АВ (висоти секції), наступні характеристики робочих процесів:

? повний комплект кінематичних характеристик, що утворює кінематичний паспорт кріплення, у тому числі траєкторія осі шарніра М і функція г_м(ц₁);

? внутрішньо-секційні навантаження: S(ц₁) ? у шарнірі М, T₁(ц₁) і T₂(ц₁) ? у передніх і задніх важелях чотириланковика відповідно;

? сила тертя F_п(ц₁) між покрівлею і перекриттям і реакції покрівлі R₁(ц₁) і R₂(ц₁) на перекриття;

? сила тертя F_ос(ц₁) між підошвою і основою і реакції підошви R₃(ц₁) і R₄(ц₁) на основу, а також реакція зв'язку R_к секції кріплення з базою (конвеєром).

Дослідження виконані для ЩМК, за якими зібрані достовірні дослідні дані за умовами і результатами їхньої експлуатації. Ці кріплення ПО -[0+2] (типів М137 і КДД (з кінематичними паспортами В1), Глінік - 055/15 і КМ500 (з кінематичними паспортами В3а), MVPO 2800-09/24 (з кінематичним паспортом В3в) і кріплення ПО -[2+2] типу КД 90 з кінематичним паспортом В3а.

Аналіз отриманих характеристик силової взаємодії з боковими породами ЩМК ПО -[0+2] з різними видами траєкторії шарніра М дозволив обґрунтувати раціональний вигляд траєкторії і зробити висновок про істотні переваги кріплень з кінематичним паспортом В1. Це обумовлено ефективною силовою взаємодією перекриттів таких кріплень з нестійкою покрівлею при г_м(ц₁) > 0 і постійному (у межах розсувності) зсуві їх убік вибою при конвергенції порід. При цьому сили тертя між перекриттями і покрівлею формують у нижніх її шарах зусилля стиску і знижують істотно внутрішньосекційні навантаження. Останні характеризуються безрозмірними коефіцієнтами відносної навантаженості: К_о(S) < К_о(T₂) < К_о(T₁) < 1 (за 1 прийнято сумарний опір усіх гідростояків секції). 3а як приклад наведені графіки навантажень при взаємодії з боковими породами щитового кріплення 2КДД із кінематичним паспортом В1.

При взаємодії з боковими породами кріплень ПО -[0+2] з кінематичним паспортом

В3 у робочих діапазонах їх розсувності при переході через точки перегину на траєкторії осі шарніра відбуваються однократні (для В3а й В3б) і двократні (для В3в) зміни напрямку горизонтального компонента зсуву перекриття щодо покрівлі. Перехід через точки перегину супроводжується стрибкоподібною зміною сил тертя і різким зростанням навантажень у системі “ЩМК-БП”. Приклад наведені графіки навантажень у ЩМК MVPO2800-09/24 з кінематичним паспортом В3в. В областях 1 і 3 діапазона розсувності, де г_м(ц₁) > 0, взаємодія секцій кріплення з бічними породами характеризується тими ж властивостями, що і для кріплень ПО -[0+2] з кінематикою В1. Однак. в області 2 діапазона розсувності, де г_м(ц₁) < 0, перекриття, опускаючись під навантаженням від гірничого тиску, зміщаються щодо покрівлі убік виробленого простору. При цьому в нижніх шарах покрівлі формуються розтяжні зусилля, що сприяє її руйнуванню, а сила S у шарнірі М та інші внутрішньо-секційні навантаження різко зростають: К_о(T₁) > К_о(T₂) > 1. Відзначені недоліки властиві і ЩМК ПО -[0+2] з кінематичним паспортом В4 і характеристикою г_м(ц₁) < 0 для всього діапазону розсувності кріплення.

При взаємодії з бічними породами ЩМК ПО ?[2+2] з кінематичними паспортами В3, у межах робочих діапазонів їх розсувності також відбуваються однократні (для В3а й В3б) і двократні (для В3в) зміни напрямку горизонтального компонента зсуву перекриттів щодо покрівлі, супроводжувані стрибкоподібною зміною сил тертя і внутрішньо-секційних навантажень. Однак, навантаження в ланках чотириланковика значно нижче, ніж у кріпленнях ПО ?[0+2] з таким же кінематичним паспортом і робочим опором. Це пояснюється відносною розвантаженістю шарніра М і чотириланковика в цілому в секціях кріплень з V-подібним розташуванням гідростояків.

Характеристики взаємодії з бічними породами кріплення 2КД90 показують, що для обох областей робочого діапазону розсувності виконується співвідношення безрозмірних коефіцієнтів навантаженості: К_о(S) < К_о(Т₂) < К_о(T₁) < 1.

Відзначені достоїнства ЩМК ПО ?[2+2] у порівнянні з ПО ?[0+2] дозволили зробити висновок про перевагу застосування в умовах Донецького басейну перших, у тому числі і на пластах із нестійкою покрівлею.

У четвертому розділі дисертації обґрунтована і реалізована методика збору й аналізу дослідних даних за умовами і результатами роботи досліджених ЩМК у шахтних умовах. Методика заснована на використанні опублікованих робіт і даних конкретних шахт про категорії бічних порід, зсувах покрівлі і перекриттів у призабійному просторі при експлуатації очисних комплексів, обладнаних кріпленнями ПО ?[0+2] і ПО ?[2+2]. Оцінка якості взаємодії з бічними породами ЩМК виконана із урахуванням їхнього робочого опору опусканню покрівлі, вигляду і параметрів траєкторії руху осі шарніра М.

Виконаний аналіз дослідних даних підтвердив висновки за результатами модельних досліджень:

на пластах з легкою покрівлею (категорій А1?А2 за обрушуваністю і Б2?Б3 за стійкістю) можуть ефективно застосовуватися ЩМК ПО ?[0+2] з кінематичним паспортом В1 і опором за ГОСТ 28597-90. До таких кріплень відносяться 1КДД, 2КДД, а також М137;

ЩМК ПО ?[0+2] з кінематичними паспортами В3 і В4 не забезпечують ефективної взаємодії з безпосередньою покрівлею категорій Б2?Б3 при вийманні пластів, потужність яких обумовлює роботу кріплення в області розсувності, де г_м < 0. Це підтверджується даними про взаємодію з покрівлею кріплення МVРО2800-09/24 з кінематичним паспортом В3в в умовах шахти «Красноармійська-Західна» №1: навантажені гірничим тиском перекриття при опусканні покрівлі зміщуються на завал, розчленовуючи на блоки контактуючу з ними покрівлю, що приводило до значних (до 0,1 м3/м2) вивалів породи. При цьому формуються високі внутрішньо-секційні навантаження, які знижують надійність кріплень із кінематичним паспортом В3. Так, термін служби зазначеного вище кріплення склав тільки 10 місяців і супроводжувався відмовленнями, спостерігалися поломки і секцій кріплення КМ500 на шахті «Трудовська» при роботі в складі комплексу КМК500.

Найбільш ефективне застосування на пластах з безпосередньою покрівлею категорій Б2?Б3 за стійкістю і А1?А2 - за обвалюваністю щитових кріплень ПО ?[2+2] з V-подібним розташуванням стояків із робочим опором за ГОСТ28597-90, у тому числі і ЩМК КД90 (при реалізації області діапазону розсувності, де г_м(ц₁) > 0).

Експлуатаційні якості ЩМК ПО ?[2+2] з кінематичними паспортами В3, у тому числі КД90, можна підвищити шляхом виключення з діапазону розсувності робочої області з г_м(ц₁) < 0.

У п'ятому розділі розроблений і реалізований наближений метод синтезу чотириланковикових механізмів з оптимальними параметрами, що формують кінематичний паспорт В1 для ЩМК із секціями ПО ?[0+2] і ПО ?[2+2], призначених для відпрацьовування полого-похилих пластів потужністю 0.75 ? 2.5 м з нестійкою покрівлею.

Оптимальні параметри синтезованих чотириланковиків (l₁ = l₁ = 2·l₂; l₃ = l₅ = 2,5·l₂; в₄ = 25?) забезпечують при 200 ? l₂ ? 400 мм виконання умови:

 ,

де - поточні значення абсциси точки М;

m - абсциса вертикальної прямої, паралельній осі АY;

Д - припустиме відхилення.

Стосовно до ЩМК ПО ?[2+2] типу 2КД90 виконані синтез і оптимізація її кінематичних і силових параметрів з метою підвищення експлуатаційних якостей (кріплення 2КД90С). У синтезованому кріпленні навантаження S, Т₂ і Т₁ знизилися в середньому відповідно на 6.5; 24.0 і 30 % у порівнянні з аналогічними навантаженнями кріплення 2КД90 за інших рівних умов (найбільше зниження навантажень характерно для нижньої границі діапазону розсувності).

Сумарне значення горизонтальної складової опору кріплення з урахуванням сил тертя складає приблизно 34 % номінальної несучої здатності секції, що повинно виключити вивали породи. Отримані результати свідчать про доцільність подальшого підвищення експлуатаційних властивостей та інших типорозмірів ЩМК типу КД90 шляхом застосування чотириланковиків, що формують раціональну траєкторію осі шарніра М.

Реалізація рекомендацій дисертаційної роботи забезпечить економічний ефект за рахунок двох факторів:

зниження внутрішньо-секційних навантажень на 20-30 % дає можливість зменшити металоємність і вартість кріплення без зниження її несучої здатності;

усунення вивалів породи в робочий простір дозволить збільшити навантаження на КМЗ, продуктивність і безпеку праці.

Висновки

У дисертації подане нове вирішення актуальної наукової задачі, що полягає у встановленні особливостей і закономірностей взаємодії кріплень з боковими породами й у розробці математичної моделі формування навантажень у системі “ЩМК - бокові породи” для обґрунтування раціональних кінематичних і силових параметрів і підвищення технічного рівня сучасних щитових механізованих кріплень.

Використання результатів роботи дозволяє на стадії проектування ЩМК моделювати їхню взаємодію з бічними породами, оцінювати вплив конструктивних параметрів кріплення й інших основних факторів на якість робочих процесів у системі "ЩМК-БП" і синтезувати кріплення ПО ?[0+2] і ПО ?[2+2] з оптимальними кінематичними і силовими параметрами для заданих умов експлуатації.

Основні висновки, наукові і практичні результати роботи:

1. Теоретично встановлено, що на формування внутрішньо-секційних навантажень, сил тертя за зовнішнім контуром секцій і горизонтальної складової опору кріплення, а, отже, і виду напруг у нижніх шарах покрівлі істотний вплив мають конструктивна схема секції, вигляд і параметри траєкторії осі шарніра, що з'єднує огородження з перекриттям, область діапазону розсувності кріплення, що реалізується при конвергенції порід, і значення коефіцієнтів тертя.

2. Вперше ідентифікований тип чотириланковиків сучасних щитових кріплень і встановлено, що вони формують різного вигляду (В1...В4) траєкторії руху осі шарніра, який з'єднує огородження з перекриттям. Обґрунтовані класифікаційні ознаки і виконана класифікація ЩМК ПОТ за виглядом траєкторії і кутом між нормаллю до підошви і дотичної до траєкторії, що характеризують її кривизну, наявність чи відсутність точок перегину в межах розсувності кріплення.

3. Розроблена математична модель формування навантажень у системі “ЩМК - БП”, що враховує особливості конструктивних схем секцій, вигляд і параметри траєкторії руху шарніра і сили тертя за зовнішнім контуром секцій. Модель дозволяє досліджувати і встановлювати оптимальні кінематичні і силові параметри щитових кріплень на стадії проектування.

4. Параметри чотириланковикових механізмів зв'язку огородження з основою і перекриттям сучасних ЩМК обумовлюють різні за напрямком й інтенсивністю зсуву перекриттів щодо покрівлі. Якщо при конвергенції порід перекриття зміщується на вибій, на покрівлю діють стискаючі зусилля й істотно знижуються внутрішньо-секційні навантаження. При проковзуванні перекриттів убік завалу на покрівлю діють розтяжні зусилля й у 2.0-2.5 рази зростають внутрішньо-секційні навантаження. При переході через точки перегину, стрибкоподібно змінюються сили тертя і формуються високі навантаження динамічного характеру, що негативно впливають на надійність кріплення і стійкість покрівлі.

5. У результаті досліджень взаємодії з бічними породами ЩМК ПО ?[0+2] з різними виглядами траєкторій шарніра й аналізу дослідних даних їхньої експлуатації встановлено:

ефективне підтримування нестійкої покрівлі за рахунок формування спрямованих на вибій сил тертя і горизонтальної компоненти опору кріплення, при відносно низьких внутрішньо-секційних навантаженнях, можуть забезпечити ЩМК із кінематичним паспортом В1 і робочим опором за ГОСТ 28597-90 (КДД, М137, DBT-07/15 та ін.). Маса таких кріплень на 20-27 % нижча порівняно з масою аналогічних кріплень із кінематичними паспортами В3 і В4 при однакових значеннях робочого опору;

не відповідають вимогам ефективної взаємодії з нестійкими покрівлями двостоякові ЩМК із кінематичними паспортами В3 і В4. При роботі таких кріплень в області розсувності, де перекриття зміщується на завал, у покрівлі формуються напруги розтягання, що сприяють її руйнуванню, і різко зростають внутрішньо-секційні навантаження. Такі недоліки властиві кріпленням типу КМ500, MVPO2800-09/24, Фазос-073/17 і ряду інших, що пояснює їхню підвищену матеріалоємність і недостатню надійність.

6. Дослідження взаємодії з бічними породами ЩМК ПО ?[2+2] і аналіз дослідних даних експлуатації кріплень КД90 дозволили виявити такі особливості їхніх робочих процесів:

відбувається часткове зрівноважування спрямованих у протилежні сторони горизонтальних складових опорів переднього і заднього рядів гідростояків; це приводить до істотного зниження навантажень у шарнірному з'єднанні перекриття з огородженням і в силових елементах чотириланковикого механізму зв'язку огородження з основою, що пояснює їхню високу надійність при відносно низькій матеріалоємності;

забезпечується раціональний розподіл несучої здатності секції за шириною підтримуваного простору, більш рівномірний розподіл навантажень між основою і підошвою, висока стійкість секцій;

кінематичний паспорт кріплення КД90 (виду В3а) обумовлює різні умови формування навантажень при роботі у верхній і нижній областях діапазону розсувності; на межі областей відбувається стрибкоподібна зміна напрямку сил тертя і внутрішньо-секційних навантажень, однак їхній рівень значно нижчий, ніж у кріпленнях ПО ?[0+2] (з паспортом В3а).

7. Виявлені особливості робочого процесу ЩМК типу КД90 дозволяють зробити висновок про перевагу їхнього широкого застосування в умовах Донецького басейну. Разом із тим, установлена можливість і доведена доцільність підвищення експлуатаційних якостей таких кріплень шляхом застосування в них механізмів зв'язку, що формують раціональну траєкторію руху шарніра, який з'єднує огородження з перекриттям.

8. Уперше розроблені і реалізовані стосовно до кріплення 2КД90С методи синтезу й оптимізації ЩМК ПО ?[2+2] з кінематичними і силовими параметрами, що забезпечують зниження внутрішньо-секційних навантажень і підвищення ефективності застосування кріплення в очисних вибоях із нестійкими покрівлями.

Результати роботи можуть бути використані інститутами Дондіпровуглемаш, Діпровуглемаш, ПНДВУГІ, а також машинобудівними заводами при створенні нових і модернізації щитових кріплень підтримуючо-огороджувального типу, що випускаються серійно.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Гуляев В.Г., Гуляев К.В. Аналитический метод исследования кинематики секций щитовых механизированных крепей // Изв. вузов. Горный журнал. ? 1997. - № 9-10. ? С. 89-95.

Гуляев К.В., Гуляев В.Г. Аналитический метод анализа кинематических и силовых параметров щитовых механизированных крепей // Уголь Украины. ? 1998. - № 5. ? С. 42-44.

Гуляев В.Г., Гуляев К.В. Анализ кинематики секций механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа // Известия Донецкого горного института. ? 1997. - № 1(5). ? С. 30-34.

Гуляев К.В. К вопросу о лемнискатных щитовых крепях очистных комплексов // Известия Донецкого горного института. ? 1998, - № 1(7). ? С. 51-54.

Гуляев В.Г., Гуляев К.В. Результаты исследований кинематических и силовых параметров щитовых механизированных крепей // Вибрации в технике и технологиях, РИО НГА Украины, Днепропетровск. ? 1998, - № 3(7). ?С. 27-29.

Гуляев К.В., Гуляев В.Г., Семенченко А.К. Каталог кинематических паспортов щитовых крепей и их классификация // Науковий вісник НГА України. ? 1999. - № 2. ? С. 63-66.

Гуляев К.В., Гуляев В.Г., Лаптев А.Г. Влияние кинематики щитовых механизированных крепей на взаимодействие их с кровлей // Уголь Украины. ? 1998. - № 8-9. ? С. 47-50.

Гуляев К.В., Семенченко А.К. Кинематические характеристики щитовых крепей и их влияние на формирование внутрисекционных нагрузок // Зб. наук. праць ДонДТУ (серія: гірничо-електромеханічна), випуск 7. Донецьк. ? 1999. ? С. 89-96.

Гуляев К.В. Математическая модель для исследования взаимодействия щитовых крепей с боковыми породами // Зб. наук. праць ДонДТУ (серія: гірничо-електромеханічна), випуск 16. Донецьк. ? 2000. ? С. 92-101.

Гуляев К.В., Семенченко А.К. Синтез механизмов связи щитовых крепей на базе шарнирного четырехзвенника // Изв. вузов. Горный журнал. ? 2000. - № 1. ? С. 57-63.

Гуляев К.В., Семенченко А.К. Исследование и систематизация щитовых крепей по кинематическим параметрам // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ. ? 2000. - № 4. ? С. 123-125.

Размещено на Allbest.ru

...