Обґрунтування раціональних параметрів обладнання механізованого комплексу для кріплення підняттєвих гірничих виробок

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

Обґрунтування раціональних параметрів обладнання механізованого комплексу для кріплення підняттєвих гірничих виробок

05.05.06 - гірничі машини

Кривенко Олексій Юрійович

Кривій Ріг - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Трегубов Віталій Анатолійович,

Криворізький технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри теплоенергетики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сокур Микола Іванович,

Кременчуцький національний університет

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри маркетингу;

кандидат технічних наук, доцент

Нечепуренко Михайло Семенович,

Донбаський державний технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

доцент кафедри гірничої енергомеханіки і обладнання.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На шахтах Криворізького басейну при підземній розробці рудних покладів щорічно проходиться понад 10 тис. м підняттєвих виробок різного призначення. Переміщення цими виробками гірничого персоналу зумовлює необхідність створення умов його безпеки за рахунок зведення кріплень різних конструкцій.

Досвід, накопичений підземними гірничо-видобувними підприємствами, показав, що стосовно підняттєвих виробок використання набризкбетону для зведення кріплень є прогресивним і економічно перспективним напрямом. Однак незважаючи на застосування сучасних високопродуктивних шахтних набризкбетонних машин дотепер процес формування набризкбетонного кріплення в підняттєвих шахтних виробках характеризується низьким рівнем механізації й безпеки ведення гірничих робіт.

Соплові апарати як робочий орган шахтної набризкбетонної машини забезпечують формування шару кріплення на поверхні підняттєвої виробки. Донині на шахтах України соплові апарати з пневматичними або електричними приводами широко не застосовуються через низьку надійність і обмежений строк роботи в умовах підвищеної вологості та концентрації абразивного пилу. Як правило, при кріпленні підняттєвих виробок використовуються традиційні осьові соплові апарати, керування якими здійснюється вручну в обмеженому просторі виробки. Це призводить до низької якості кріплення через нестабільне просторове розташування сопла відносно закріплюваної поверхні, високу трудомісткість і переривчастість технологічного процесу, значні втрати компонентів бетону (до 45 %), а також непродуктивне використання устаткування. Крім того, у процесі виконання робіт гірник постійно перебуває в безпосередній близькості від закріплюваної поверхні в зоні підвищеного пиловиділення й вологості, що несприятливо позначається на умовах його праці та здоров'я.

Однією з причин такого стану є відсутність обладнання для механізації кріплення підняттєвих виробок, що призводить до значних економічних витрат. Розробка нових технічних рішень для вдосконалення процесу нанесення набризкбетону вимагає наукового обґрунтування, заснованого на закономірностях газодинамічних процесів руху бетонно-повітряній суміші.

Отже, встановлення закономірностей газодинамічних процесів у середовищі «стиснене повітря - бетонна суміш» щодо соплових апаратів, які забезпечують розробку нових технічних рішень, спрямованих на вдосконалення шахтних гірничих механізованих комплексів для кріплення підняттєвих виробок набризкбетоном, є актуальним науковим завданням, вирішення якого забезпечує збільшення продуктивності обладнання, зниження втрат бетонної суміші, зменшення собівартості підземного видобутку руди, а також поліпшення умов роботи гірничого персоналу та його безпеки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано відповідно до наукового напряму діяльності Криворізького технічного університету, а також державної науково-технічної програми за пріоритетними напрямами розвитку науки і техніки в частині розробки ресурсозберігаючих технологій нового покоління в гірничо-металургійному комплексі. Дисертація є складовою держбюджетної науково-дослідної роботи № 58-454-03 «Удосконалення проектування і організації проведення виробок у технологічних процесах підземного видобутку маломіцних руд» (№ ДР 0103U7484).

Метою дисертації є обґрунтування раціональних параметрів обладнання механізованого комплексу для кріплення підняттєвих гірничих виробок, що дозволяє забезпечити високу якість кріплення, продуктивність гірничого обладнання та підвищити безпеку ведення робіт.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі основні завдання:

- виконати аналіз способів і засобів механізації набризкбетонування гірничих виробок;

- установити закономірності руху бетонно-повітряного потоку в сопловому апараті набризкбетонної установки механізованого комплексу;

- установити вплив параметрів конструктивних елементів радіально-кругового соплового апарата набризкбетонної машини на процес формування шару кріплення та його якість на поверхні підняттєвої виробки;

- розробити метод розрахунку параметрів соплового апарата набризкбетонної установки;

- розробити технологічні схеми набризкбетонування механізованим комплексом підняттєвих гірничих виробок.

Об'єкт досліджень - процес набризкбетонування підняттєвих гірничих виробок.

Предмет досліджень - радіально-круговий сопловий апарат набризкбетонного механізованого комплексу для кріплення підняттєвих виробок.

Методи досліджень. При виконанні роботи використано методи аналізу та узагальнення інформаційного матеріалу; математичного моделювання гідроаеродинаміки набризкбетонного потоку; планування багатофакторного експерименту для вибору параметрів радіально-кругового сопла; математичної статистики при обробці результатів полігонних і дослідно-промислових досліджень.

Ідея роботи полягає у формуванні радіально-кругового потоку набризкбетону, який забезпечує утворення рівномірного кільцевого шару кріплення на поверхні підняттєвої гірничої виробки.

Наукове положення, що виноситься на захист.

Якісне формування набризкбетонного кріплення в підняттєвих виробках зумовлене параметрами соплового апарату механізованого комплексу, що забезпечує формування радіально-кругового потоку бетонно-повітряної суміші при концентрації твердої фази в повітрі 2-4 %, швидкість якої залежить від радіусу сполучення між вхідним патрубком і направляючими дисками з урахуванням їх зовнішнього радіуса та відстані між ними.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше встановлено, що величина радіуса (R) поворотної ділянки проточного каналу радіально-кругового соплового апарата повинна перевищувати висоту проточного каналу (h) не менше ніж утричі (R ? 3h), що забезпечує рух набризкбетонної суміші без утворення зон застою, які підвищують гідравлічні втрати.

1. Впервые установлено, что величина радиуса (R) возвратной участка проточного канала радиально-кругового соплового аппарата должна превышать высоту проточного канала (h) не менее чем в три раза (R ? 3h), что обеспечивает движение набрызгбетонной смеси без образования зон застоя, повышающие гидравлические потери.

2. Впервые доказано, что скорость исходного бетонно-воздушного потока при формировании слоя крепления на поверхности восстающей выработки радиально-сопловым аппаратом механизированного комплекса изменяется обратно пропорционально к внешнему радиусу опорного и направляющего дисков радиально-кругового соплового аппарата и расстояния между ними.

3. Впервые установлено, что формирование бетонно-воздушного потока с углом раскрытия 12-14° для образования слоя крепления, эффективно взаимодействующий с поверхностью восстающей выработки при потерях компонентов бетонной смеси не более 14-15%, обеспечивается радиально-сопловым аппаратом с высотой выпускного канала 40-60 мм и внешним радиусом дисков 0,25-0,3 м.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректною постановкою завдань досліджень, використанням апробованих методів теоретичних досліджень; обґрунтованим обсягом експериментальних досліджень; достатньою збіжністю теоретичних і експериментальних досліджень (розбіжність експериментальних і теоретичних величин при визначенні параметрів радіально-кругового соплового апарата залежно від режимів набризкбетонування не перевищує 15 % при інтервалі довірчої ймовірності 0,95).

Наукове значення роботи полягає в установленні закономірностей газодинамічних процесів руху бетонно-повітряної суміші та формування сопловим апаратом набризкбетонного механізованого комплексу радіально-кругового потоку й обґрунтуванні його раціональних параметрів для формування шару кріплення на поверхні підняттєвої гірничої виробки.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці: інженерної методики визначення раціональних параметрів соплового апарата механізованого комплексу для кріплення підняттєвих виробок; конструкції радіально-кругового соплового апарата та способу кріплення підняттєвих виробок набризкбетоном; науково обґрунтованих засобів механізації процесу набризкбетонування підняттєвих виробок; технологічних схем механізації кріплення механізованим комплексом підняттєвих виробок, які регламентують порядок розміщення основних і допоміжних засобів механізації, способи переміщення радіально-соплового апарата, а також порядок формування шару набризкбетонного кріплення.

Реалізація результатів роботи. На підставі результатів проведених досліджень розроблено методичні вказівки «Механізація процесу набризкбетонування при кріпленні підняттєвих гірничих виробок», схвалені Державним науково-дослідним гірничорудним інститутом (м. Кривий Ріг) і затверджені ВАТ «Криворізький залізорудний комбінат». Методичні вказівки рекомендовано до використання на шахтах для кріплення підняттєвих гірничих виробок залежно від гірничотехнічних умов ведення гірничих робіт. Використання методичних вказівок дозволяє механізувати процес зведення набризкбетонного кріплення з урахуванням параметрів радіально-кругового соплового апарата набризкбетонного механізованого комплексу.

Упровадження методичних вказівок, заснованих на результатах дисертаційного дослідження, дозволяє одержати розрахунковий економічний ефект у розмірі 52 тис. грн на 1000 м підняттєвих виробок на шахтах ВАТ «Криворізький залізорудний комбінат» за рахунок зниження втрат бетонної суміші та підвищення продуктивності процесу кріплення набризкбетоном підняттєвих гірничих виробок.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні теоретичних досліджень аеродинаміки процесу руху бетонно-повітряного потоку в сопловому апараті набризкбетонної машини, установленні критеріїв моделювання для визначення параметрів соплового апарата, створенні лабораторної установки та промислового зразка соплового апарата, проведенні лабораторних і дослідно-промислових досліджень, визначенні числових значень емпіричних коефіцієнтів, одержанні аналітичних і емпіричних залежностей для визначення конструктивних параметрів соплового апарата.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації та результати досліджень були представлені й одержали схвалення на Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми комплексного освоєння гірничодобувних регіонів» (м. Дніпропетровськ, 2003), на Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 70-річчю ДНДГРІ «Розвиток методів видобутку руд чорних металів і шляхи їхнього подальшого вдосконалення» (м. Кривий Ріг, 2003), на Міжнародній науково-технічній конференції «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості» (м. Кривий Ріг, 2004, 2005, 2008); на Міжнародному семінарі «Тиждень гірника - 2005» (м. Москва, 2005), на VII Міжнародній науково-технічній конференції «Гірнича енергомеханіка і автоматика» (м. Донецьк, 2007), на Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених «Молода академія - 2008» (м. Дніпропетровськ, 2008), на Міжнародній конференції «Проблеми надрокористування» (м. Санкт-Петербург, 2009), на науково-технічних семінарах науково-дослідної частини Криворізького технічного університету.

У 2003 р. за результатами виконання наукової роботи авторові присуджено стипендію Кабінету Міністрів України для молодих вчених.

Публікації. За результатами виконаних досліджень і розробок опубліковано 12 статей, у тому числі 11 - у фахових виданнях України, та отримано два патенти України на винаходи.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, 4 розділів, списку використаних джерел зі 121 джерела, 6 додатків, 38 рисунків, 10 таблиць. Обсяг роботи - 166 сторінок. Обсяг основного тексту - 143 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, ідею та завдання досліджень. Викладено основні наукові результати, винесені на захист. Визначено особистий внесок здобувача в одержаних результатах. Наведено дані щодо реалізації результатів роботи, їхньої апробації та публікацій.

Перший розділ присвячено огляду й аналізу сучасних способів і технічних засобів механізації, призначених для кріплення підземних гірничих виробок набризкбетоном.

Розглянуто світовий і вітчизняний досвід розробки шахтних гірничих машин для кріплення підняттєвих виробок набризкбетоном і перспективи подальшого розвитку нових технічних систем. Проаналізовано конструкції та експлуатаційно-технічні можливості соплових апаратів у складі із шахтною набризкбетонною машиною, призначених для формування шару кріплення на поверхні шахтних виробок у різних гірничотехнічних умовах. На прикладах досвіду та сучасного стану гірничих машин, що забезпечують механізацію кріплення набризкбетоном підняттєвих виробок, обґрунтовано перспективність розробки нових засобів і способів, які реалізують цей технологічний процес.

Наведено огляд і аналіз досліджень технічних засобів механізації кріплення гірничих виробок набризкбетоном, методик розрахунків конструктивних елементів основного та допоміжного гірничого устаткування, а також засобів забезпечення безпеки гірничого персоналу в процесі виконання робіт з підтримки виробок, розроблених В. С. Вороніним, М. М. Вяльцевим, М. В. Гуминським, І. Ю. Заславським, Е. В. Казакевичем, В. М. Мостковим, В. А. Трегубовим та іншими вченими.

Аналіз виконаних досліджень механізації кріплення набризкбетоном гірничих виробок показав, що застосовувані в наш час на гірничо-видобувних підприємствах набризкбетонні машини дозволяють формувати кріплення в підняттєвих виробітках при значній відстані між подавальним агрегатом і сопловим апаратом, яка складає по вертикалі від 30 до 100 м.

Установлено, що на ефективність роботи соплового апарата при кріпленні гірничої виробки набризкбетоном впливають конструктивні параметри соплової частини, просторова орієнтація соплового апарата, спосіб його переміщення відносно закріплюваної поверхні. На якісні показники формованого шару кріплення впливають швидкість частинок наповнювача з в'яжучим, величина втрат компонентів суміші при зіткненні із закріплюваною поверхнею, міцнісні показники сформованого бетонного шару, а також продуктивність набризкбетонної машини.

Соплові апарати для кріплення горизонтальних виробок не дозволяють формувати якісний шар кріплення в підняттєвих виробках через нерегламентоване положення в просторі та неможливість використання засобів механізації.

Відомі конструкції соплових апаратів для кріплення підняттєвих виробок широко на застосовуються через ненадійність і обмежений робочий ресурс, викликаний взаємодією робочого органа з високоабразивними кварцумісними частинками наповнювача різного гранулометричного складу. Застосовувані способи механізації зведення набризкбетонного кріплення, при яких здійснюється обертання робочого органа, приводять до порушення структури факела бетону і, як наслідок, до більших втрат його компонентів, а також нерівномірної товщини формованого шару.

Технологічні схеми механізації кріплення підняттєвих виробок, застосовувані на гірничих підприємствах, розроблено для виробок великого перерізу - стовбурів шахт. Зокрема ці схеми не передбачають застосування засобів механізації для керування сопловим апаратом, тому що роботи ведуться безпосередньо кріпильником з підвісної платформи.

Донині відсутні технологічні схеми та комплексні засоби механізації кріплення набризкбетоном підняттєвих виробок середнього та малого перерізу (діаметром 1,5-2,0 м), у яких ураховувалися б способи розміщення основного та допоміжного устаткування, а також порядок переміщення соплового апарата.

Наприкінці розділу сформульовано завдання теоретичних і експериментальних досліджень.

У другому розділі викладено дослідження газодинамічного процесу руху бетонно-повітряної суміші в проточному каналі соплового апарата, за допомогою якого осьовий потік перетворюється в радіально-круговий, що забезпечує створення оптимальних умов для формування шару кріплення на поверхні виробки. Це дозволяє якісно формувати шар за рахунок надання вихідному потоку напряму, перпендикулярного закріплюваній поверхні.

Вихідними передумовами аналітичних досліджень було прийнято на гірничих підприємствах параметри набризкбетонних машин, а також умови пневмотранспорту бетонно-повітряної суміші. Виходячи з цього прийнято, що продуктивність доставки бетонної суміші складає 4-8 м³/год. при витраті повітря 8-12 м³/хв., об'ємна концентрація твердої фази в повітряному потоці складає 0,008-0,015 м³/м³, набризкбетонні установки працюють при тиску повітря 0,5 МПа, бетон являє собою суміш цементу з крупно- та дрібнофракційним наповнювачем, середній діаметр частинок якого складає 5 мм. Об'ємна концентрація твердої фази в повітрі складає 2-2,5 %.

Вирішення завдання перетворення вектора напряму потоку набризкбетону реалізовано в сопловому апараті для кріплення підняттєвих виробок, за допомогою якого осьовий напрям потоку перетворюється в радіально-круговий, обмежений по вертикалі площинами у вигляді опорного та напрямного дисків.

Беручи до уваги, що стінки, які обмежують рух газу, збігаються з лініями струму, математичне моделювання руху бетонно-повітряного потоку розглядається на окремих ділянках: у сопловому апараті при формуванні радіально-кругового потоку, а також між напрямним і опорним дисками соплового апарата.

Радіально-кругове сопло має розширений проточний канал складної просторової конфігурації. Для зручності подальшого аналізу цей канал подається у вигляді дифузора.

Відомо, що для забезпечення плавного розширення потоку без утворення зон застою необхідним є виконання умови обмеження до бічного кута < 20. Невиконання цієї умови призводить до різкого зростання аеродинамічного опору пристрою.

У проточному каналі радіально-кругового сопла (рис. 1) можна виокремити дві характерні ділянки: поворотну, що плавно змінює рух потоку з вертикального на горизонтальний, і плоскопрямолінійну, яка направляє потік на стінку підняттєвої виробки. Установлено, що для бічного кута конусності дифузора , еквівалентного поворотній ділянці каналу, висота поворотної ділянки каналу сопла на вході становить h = d/2 і є лінійною функцією полярного кута виду

h=d/2(1+ К), (1)

де - полярний кут радіус-вектора; К- коефіцієнт звуження каналу.

На цій основі було одержано такий вираз для еквівалентної вихідної відстані між дисками соплового апарата

, (2)

де R - середній радіус повороту, мм; d - вхідний діаметр сопла, що з'єднує бічну сторону зрізаного конуса з полюсом, рад.

Розрахункове значення бічного кута дифузора подано залежністю

. (3)

Функціональна залежність кута від радіуса R і коефіцієнта Kц згідно з одержаними формулами досліджувалася при інтервалах варіювання параметрів: R = 40...80 мм і К = 0...0,16. Умова К 0,16 обмежує мінімальну висоту каналу на рівні h = 20 мм, що виключає можливість заклинювання частинок набризкбетонної суміші.

Як показали результати виконаного математичного моделювання, кут бічної твірної дифузора нелінійно зростає й досягає максимуму до кінця поворотної ділянки проточного каналу сопла. Зі збільшенням радіуса закруглення R і коефіцієнта звуження Kц значення кута максимально знижується й у межах варіювання параметрів укладається в обмеження 20.

Установлено, що радіус повороту проточного каналу соплового апарата визначається з виразу

, (4)

де б - кут бічної твірної дифузора.

Установлені залежності та виконані розрахунки показують, що рух набризкбетонної суміші без утворення зон застою, які підвищують гідравлічні втрати забезпечується в тому разі, коли радіус (R) поворотної ділянки проточного каналу соплового апарата перевищує висоту проточного каналу (h) не менше, ніж утричі, тобто R ? 3h.

Аналіз результатів розрахунків показує, що зі збільшенням перерізу вихідного каналу сопла швидкість потоку збільшується, причому вплив місцевого опору, пов'язаного з поворотом потоку, зменшує величину швидкості, але незначно. Обробка одержаних результатів дозволяє апроксимувати їх рівнянням

, (5)

де R = R₁/R₂ - відносний радіус; - коефіцієнт місцевого опору; R₁ і R₂ - радіуси внутрішньої та зовнішньої стінок соплового апарата, м.

Розрахунки показують, що зі збільшенням кута повороту швидкість потоку знижується обернено пропорційно косинусу полярного кута, причому вплив місцевого опору, пов'язаного з поворотом потоку, зменшує величину швидкості на незначну величину.

У результаті проведеного математичного моделювання процесів, які протікають у радіально-круговому сопловому апараті, установлено, що швидкість потоку на поворотній ділянці апарата знижується обернено пропорційно до косинуса кута повороту потоку, при цьому його щільність може бути прийнята постійною.

Числовий аналіз виконувався для варійованих розмірів частинок і радіусів закруглення каналу сопла. Розмір частинок вибирався в інтервалі R_н = (0,5...2,5)10-³ м, що відповідає прийнятій для набризкбетону крупності щебеневого наповнювача набризкбетону.

Для зазначених умов (рис. 2) розраховувалися траєкторії частинок з початком біля внутрішньої та кінцем біля зовнішньої стінок каналу. Як показали розрахунки, кут траєкторії польоту частинок до їхнього зіткнення з внутрішньою стінкою поворотного каналу сопла зростає зі зменшенням розмірів частинок і мало залежить від радіуса повороту каналу.

При цьому в результаті моделювання встановлено, що при фіксованих значеннях параметрів швидкості потоку повітря, щільності повітря, щільності щебеневого матеріалу і варійованих значеннях початкової швидкості частинок основна маса набризкбетонного матеріалу має при виході із сопла швидкість, зіставну зі швидкістю повітряного потоку.

Установлені розрахункові залежності дозволяють одержати значення швидкості потоку набризкбетону, виходячи зі щільності бетонно-повітряної суміші та параметрів конструктивних елементів соплового апарата:

- радіус диска сопла

, (6)

де /₀ - відносна щільність повітря; P - тиск повітря в заданому перерізі соплового апарата, Па; V₂ - швидкість бетонно-повітряного потоку, м/с; l₀ - відстань між опорним і напрямним дисками, м; r - відстань від полюса до частинки, м;

- відстань між опорним і напрямним дисками

. (7)

Виконане моделювання залежності швидкості повітряного потоку від відстані між дисками радіально-кругового соплового апарата та їхнього радіуса ілюструється графічною інтерпретацією (рис. 3а, 3б), яка дозволяє визначити вихідні положення, необхідні для проведення експериментальних досліджень.

Аналіз виконаних розрахунків показав, що швидкість вихідного бетонно-повітряного потоку знижується зі збільшенням радіуса дисків радіально-кругового соплового апарата. Це пояснюється взаємодією периферійних частинок потоку набризкбетону з поверхнею напрямного та опорного дисків.

Як і при збільшенні радіуса дисків соплового апарата, швидкість вихідного бетонно-повітряного потоку знижується за рахунок зростання опору їх поверхонь. Швидкість потоку зменшується при збільшенні відстані між дисками. Це пояснюється збільшенням поперечного перерізу потоку й, відповідно, збільшенням площі контакту його взаємодії з атмосферним повітрям на виході із соплового апарату.

На підставі вищевикладеного можна зробити висновок, що наведені розрахункові залежності дозволяють визначити основні конструктивні параметри соплового апарата для кріплення підняттєвих виробок залежно від вихідних умов технологічного процесу.

Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням параметрів радіально-кругового соплового апарата.

Експериментальні дослідження проводилися для перевірки результатів математичного моделювання процесу витікання бетонно-повітряного потоку, для визначення раціональних технологічних режимів набризкбетонування, виходячи з параметрів радіально-кругового соплового апарата, а також особливостей формування ним шару кріплення на поверхні виробки.

Експериментальний стенд (рис. 4) зроблено на базі промислової набризкбетонної машини СБ-67Б-2.

У якості моделі підняттєвої виробки використовуються бетонні півкільця заввишки 1,0 м кожне. При суміщенні півкільця утворюють порожнистий циліндр з внутрішнім перерізом 2,25 м².

Параметри соплового апарата оптимізуються на підставі аналізу й оцінювання одержаних результатів за такими визначальними критеріями: швидкість вихідного потоку; величина втрат компонентів суміші при відскоку від закріплюваної поверхні; кут твірної факела вихідного потоку та переріз ефективної частини вихідного потоку; міцність випробувальних зразків формованого шару кріплення; параметри формованого шару при переміщенні соплового апарата.

Вплив конструктивних параметрів радіально-кругового соплового апарата на швидкість витікання потоку фіксується за допомогою швидкісної кінокамери. Фіксація швидкості потоку набризкбетону здійснюється при розміщенні соплового апарата на фоні щита з нанесеними координатними смугами.

Фіксована швидкість потоку набризкбетону в кожній серії експериментів дозволила встановити залежність швидкості бетонно-повітряного потоку від тиску стисненого повітря в сопловому апараті, залежність швидкості бетонно-повітряного потоку від відстані між площинами дисків соплового апарата, залежність швидкості бетонно-повітряного потоку від радіуса дисків соплового апарата.

Втрати компонентів суміші визначаються при безперервній роботі набризкбетонної установки та стабільному режимі виходу потоку набризкбетону із соплового апарата.

Величина втрат набризкбетону визначається на основі відношення маси матеріалу, що відскочив, до маси хвилинної витрати набризкбетонної машини.

Аналіз одержаних результатів (рис. 5) показує, що середня швидкість потоку при набризкбетонуванні з радіально-кругового соплового апарата зіставна зі швидкістю потоку при використанні традиційного набризкбетонування в горизонтальних гірничих виробках і становить від 15 до 35 м/с.

Зіставлення результатів аналітичних досліджень, а також даних, одержаних при проведенні експериментів з достатнім ступенем вірогідності, показує, що швидкість потоку набризкбетону відповідно до рівняння Бернулі залежить від тиску стисненого повітря в сопловому апараті механізованого комплексу, змінюється обернено пропорційно до радіуса напрямного й опорного дисків, а також до відстані між ними (рис. 6).

Зменшення величини радіуса напрямного та опорного дисків дозволяє одержувати максимальну швидкість потоку за рахунок зменшення опору їх робочих поверхонь.

Зниження швидкості потоку спостерігається при збільшенні відстані між дисками через те, що вихідний потік недостатньо сформований і має невелику концентрацію, особливо це позначається при взаємодії граничних шарів потоку з навколишнім повітрям.

Аналіз одержаних результатів показав корельований взаємозв'язок між тиском повітря в сопловому апараті та втратами компонентів суміші з урахуванням відстані між опорним і напрямним дисками соплового апарата. При цьому швидкість бетонно-повітряного потоку, яка дорівнює 25-30 м/с, дозволяє отримати шар кріплення, адгезія якого до поверхні виробки складає 2,25-2,5 МПа, що є задовільним для набризкбетонного кріплення.

Експериментальне визначення величини втрат компонентів суміші залежно від відстані між дисками соплового апарата (рис. 7а) показує, що в розглянутому діапазоні вони зростають як при мінімальних значеннях цієї величини, так і при максимальних.

Характер залежності втрат компонентів від відстані між дисками не одноманітний. У розглянутому діапазоні вихідних параметрів при відстані між дисками 40-60 мм зазначені залежності близькі до параболічних.

Екстремуми кривих відповідають мінімальним значенням втрат, які складають 14,5-15 %. сопловий виробка повітряний кріплення

Аналіз результатів досліджень роботи соплового апарата показав, що найбільш оптимальним для формування радіально-кругового факелу, яке характеризується максимальною компактністю потоку та мінімальними втратами, є відстань між дисками соплового апарата, що дорівнює близько 50 мм при тиску в сопловому апараті 0,2 МПа. При цих параметрах середня швидкість потоку досягає 28 м/с.

Аналіз залежності втрат компонентів суміші від радіуса твірної дисків соплового апарата (рис. 7б) показує, що при зменшенні тиску повітря в сопловому апараті 0,15 МПа втрати збільшуються й становлять від 17 до 21 %.

Найбільш оптимальним з погляду мінімізації втрат компонентів суміші та раціональних параметрів соплового апарата, є радіус напрямного й опорного дисків, що дорівнює 0,25-0,3 м, при тиску повітря 0,2МПа.

Аналіз параметрів і структури бетонно-повітряного потоку показав, що використовувані в сопловому апараті напрямний та опорний диски, поверхні яких паралельні між собою, дозволяють формувати стійкий потік при різних їх радіусах від 0,25 до 0,3 м при відстані між ними від 40 до 60 мм. При цьому факел потоку набризкбетону характеризується однорідністю структури, а також відсутністю значних турбулентних завихрень на граничних частинах.

При зменшенні радіуса напрямного та опорного дисків менше 0,25 м і збільшенні відстані між ними понад 80 мм спостерігалося збільшення розмірів основи факела і його бічних твірних на 15-20 %. Це збільшення розмірів було частиною неефективної зони факела, утвореної через турбулентні явища, які спостерігалися на периферії потоку.

Експериментально та аналітично встановлено, що формований шар на поверхні закріплюваної виробки залежить від просторового положення радіально кругового соплового апарата та параметрів факела бетонно-повітряної суміші. Фіксація факела бетонно-повітряного потоку при проведенні експериментальних досліджень показала, що кут його розкриття складає 12-14° відносно горизонтальної площини. Одним з важливих критеріїв якості набризкбетонного кріплення є ступінь його зчеплення з породою виробки. Проведені дослідження з визначення сили зчеплення набризкбетона з породою виробки відповідно до гірничотехнічних умов шахти ім. Фрунзе ВАТ «Суха Балка» базувалися на науковій методиці, розробленій інститутами НДІОМШБ і ДНДГРІ.

Отримані результати доводять, що показники зчеплення набризкбетону з поверхнею виробки, безпосередньо залежать від швидкості й напряму потоку набризкбетона. Відповідно до конструкції соплового апарату механізованого комплексу, зчеплення набризкбетону з гірничою породою при швидкості 25-30 м/с варіюється в інтервалі 1,8-2,0 МПа, що є задовільним показником для вказаного виду кріплення (рис. 8). Зниження величини зчеплення при зниженні швидкості потоку пояснюється зменшенням трамбувального ефекту потоку. При збільшенні швидкості потоку більше 30 м/с зростають втрати компонентів набрезкбетону.

Було встановлено, що об'єм формованого шару, який омонолічується, на поверхні виробки при заданій розрахунковій товщині з урахуванням відстані між опорним і напрямним дисками соплового апарата при заданій товщині набризкбетонного кріплення визначається з виразу

, (8)

де l - відстань між дисками радіально-кругового соплового апарата, м; L_н - відстань між бічною твірною дисків соплового апарата і поверхнею виробки, м; б_ф - кут бічної твірної факела набризкбетонного потоку, град; D_выр - діаметр виробки, м; H_сл - розрахункова товщина набризкбетонного шару, м.

На підставі наведеної розрахункової залежності визначається швидкість переміщення соплового апарата по осі закріплюваної виробки, виходячи з продуктивності набризкбетонної установки.

Четвертий розділ присвячено розробці засобів і способів кріплення механізованим комплексом підняттєвих гірничих виробок набризкбетоном з використанням радіально-кругового соплового апарата.

Виходячи з гірничотехнічних умов розробки рудних покладів і вирішення завдання механізації процесу кріплення, підняттєві виробки можуть бути об'єднані в класи.

Для кожного класу, виходячи з умов раціонального і ефективного застосування устаткування, розроблено технологічні схеми кріплення виробок набризкбетоном за допомогою механізованого комплексу (рис. 9).

Технологічна схема кріплення механізованим комплексом підняттєвих виробок набризкбетоном, пройдених з нижчого відкотного горизонту на вищий проміжний доставочний горизонт, передбачає розміщення набризкбетонної машини на нижньому відкотному горизонті за 5-7 м від устя підняттєвої виробки.

На верхньому проміжному горизонті (півповерсі) установлюється підіймальна лебідка та пульт керування нею. Безпосередньо над устям підняттєвої виробки (на покрівлі виробки) закріплюється підвісний блок, призначений для підтримки троса підіймальної лебідки над устям підняттєвої виробки. Трос лебідки пропускається через підвісний блок і закріплюється до соплового апарата з центрувальним пристроєм.

Під дією стисненого повітря суха суміш від набризкбетонної машини по матеріальному трубопроводу надходить до вузла змішування й далі - до соплового апарата, за допомогою якого формується радіально-круговий потік. У процесі формування на поверхні виробки шару заданої товщини сопловий апарат піднімається на тросі за допомогою лебідки. Швидкість переміщення задається з пульта керування й залежить від ширини формованого шару та продуктивності набризкбетонної машини механізованого комплексу.

Як варіант, розроблено технологічну схему, що передбачає кріплення підняттєвих гірничих виробок, які з'єднують відкотні горизонти. На відміну від вищенаведених схем, кріплення підняттєвих виробок здійснюється у два прийоми: при нижньому та верхньому розміщенні набризкбетонної машини. Це зумовлене значною довжиною виробки та видувною здатністю набризкбетонної машини.

При кріпленні підняттєвих виробок, пройдених по лежачому боці покладу, під кутом 65-80⁰, сопловий апарат розташовується на центрувальних полозках, що забезпечують фіксацію соплового апарата відносно осі підняттєвої виробки та постійну відстань до закріплюваної поверхні.

Дослідно-промислові випробування розробленого механізованого комплексу для набризкбетонування підняттєвих виробок виконувалися в умовах шахти ім. Фрунзе ВАТ «Суха Балка».

Як подавальний агрегат застосовувалася промислова набризкбетонна машина ПБМ. Прискорювачі твердіння не застосовувалися, тому розрахункова товщина шару, формованого в один прохід пристрою, не перевищувала 40 мм. При співвідношенні цемент:наповнювач 1:3, і водоцементному співвідношенні 0,35, прийняту товщину шару було сформовано без сповзання із закріплюваної поверхні до початку процесу гідратації цементу. Відповідно до продуктивності набризкбетонної установки швидкість переміщення соплового апарата склала 0,25 м/c.

Відхилення товщини шару від проектного значення не перевищує 7-9 %, що є припустимим для набризкбетонних кріплень, формованих шляхом напірного подання аерованого потоку бетонної суміші.

Одержані результати було реалізовано для розробки дослідно-промислової конструкції радіально-соплового апарата набризкбетонної машини шахтного механізованого комплексу, а також методичних вказівок «Механізація процесу набризкбетонування при кріпленні підняттєвих гірничих виробок». Кріплення підняттєвих виробок із застосуванням радіально-кругового соплового апарата набризкбетонної машини шахтного механізованого комплексу дозволяє підвищити продуктивність процесу кріплення, збільшити швидкість зведення кріплення в підняттєвих гірничих виробках, а також зменшити втрати бетонної суміші.

Розрахункова економічна ефективність при використанні методичних вказівок визначається як різниця витрат на матеріали та заробітну плату при кріпленні підняттєвих гірничих виробок і складає 52 тис. грн. на 1000 м підняттєвих виробок, закріплюваних набризкбетоном за допомогою механізованого комплексу.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій вирішено актуальне наукове завдання: встановлення закономірностей газодинамічних процесів у середовищі «стиснене повітря - бетонна суміш», що дозволило обґрунтувати раціональні параметри обладнання механізованого комплексу для кріплення підняттєвих гірничих виробок для забезпечення збільшення продуктивності обладнання, зниження втрат бетонної суміші, собівартості підземного видобутку руди, а також поліпшення умов роботи гірничого персоналу та його безпеки

Основні наукові та практичні результати, висновки й рекомендації полягають у тому, що:

1. Аналіз відомих засобів і способів механізації кріплення гірничих виробок показав, що для набризкбетонних кріплень, які зводяться в підняттєвих виробках, не вирішено завдання розробки ефективних соплових апаратів, які поєднують якісне формування шару на поверхні виробки і високу надійність експлуатації в умовах підвищеної вологості та взаємодії з абразивним середовищем.

2. Установлено, що газодинамічний процес витікання набризкбетонної суміші в радіально-круговому сопловому апараті без утворення зон застою забезпечується поворотною ділянкою проточного каналу, величина радіуса якого повинна бути не меншою від його трикратної висоти.

3. Установлено, що швидкість вихідного бетонно-повітряного потоку при формуванні шару на поверхні виробки змінюється обернено пропорційно до радіуса опорного й напрямного дисків радіально-кругового соплового апарата та відстані між ними.

4. Експериментально встановлено, що радіально-круговий сопловий апарат при висоті вихідного каналу 40-60 мм і зовнішньому радіусі опорного та напрямного дисків 0,25-0,3 м забезпечує ефективне формування бетонно-повітряного факела, кут розкриття якого складає 12-14°, з утворенням шару кріплення, що ефективно взаємодіє з поверхнею підняттєвої виробки при витратах компонентів бетонної суміші, які не перевищують 14-15 %.

5. Установлено, що характер вихідного потоку набризкбетону змінюється залежно зміни від параметрів конструктивних елементів соплового апарата.

6. Розроблено нову конструкцію соплового апарата для набризкбетонування підняттєвих виробок, що забезпечує перетворення осьового бетонно-повітряного потоку в радіально-круговий. Застосування соплового апарата дозволяє повністю механізувати процес нанесення омонолічуваного шару на поверхню виробки.

7. Установлено, що формування сопловим апаратом радіально-кругового потоку набризкбетону дозволяє мінімізувати втрати компонентів бетонної суміші до 14-15 % при кріпленні підняттєвих виробок діаметром 1,5-2,0 м. При цьому величина зчеплення набризкбетону з гірничими породами поверхні виробки складає 1,8-2,0 МПа.

8. Розроблено технологічні схеми кріплення підняттєвих виробок із застосуванням механізованого комплексу, які дозволяють регламентувати раціональне розміщення основного та допоміжного устаткування, а також порядок виконання робіт.

9. Установлено, що кріплення набризкбетоном підняттєвих виробок механізованим комплексом може бути досягнуте за рахунок керованого переміщення соплового апарата уздовж вісі виробки, що забезпечує перетворення осьового потоку бетонно-повітряної суміші в радіально-круговий, напрям якого перпендикулярний до закріплюваної поверхні.

10. За результатами виконаних досліджень розроблено методичні вказівки «Механізація процесу набризкбетонування при кріпленні підняттєвих гірничих виробок», схвалені Державним науково-дослідним гірничорудним інститутом і затверджені ВАТ «Криворізький залізорудний комбінат». Методичні вказівки рекомендовано до використання на шахтах Криворізького басейну для кріплення набризкбетоном підняттєвих гірничих виробок.

11. Використання соплового апарата для механізованого комплексу зі зведення набризкбетонного кріплення у підняттєвих виробках дозволяє одержати розрахунковий економічний ефект у розмірі 52 тис. грн на 1000 м підняттєвих виробок за рахунок зниження втрат бетонної суміші та підвищення продуктивності обладнання при зведенні високоякісного набризкбетонного кріплення механізованим комплексом.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кривенко А. Ю. Исследование способов контроля качества набрызгбетонной крепи / А. Ю. Кривенко // Разработка рудных месторождений : сб. научн. трудов. - Кривой Рог, 2001. - Вып. 76. - С. 80-84.

2. Кривенко А. Ю. Технологические схемы механизации крепления восстающих выработок набрызгбетоном / А. Ю. Кривенко // Развитие методов добычи руд черных металлов и пути их совершенствования. - Кривой Рог : ГНИГРИ, 2003. - С. 266-270.

3. Кривенко А. Ю. Направления исследований оптимальных параметров оборудования для крепления восстающих выработок набрызгбетоном / А. Ю. Кривенко // Науковий вісник Національного гірничого університету. - Дніпропетровськ : НГУ, 2003. - 9. - С. 91-93.

4. Трегубов В. А., Кривенко А. Ю. Определение потерь компонентов набрызгбетона при креплении восстающих выработок / В. А. Трегубов, А. Ю. Кривенко // Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості. - Кривий Ріг : КТУ, 2004. - Т. 2. - С. 105-109.

5. Пат. 89747 Україна, ПМК Е21D11/00. Спосіб нанесення набризкбетонного покриття у вертикальних гірничих виробках / Кривенко О. Ю. - № 20040705900 ; заявл. 19.07.04 ; опубл. 10.03.10, Бюл. № 5.

6. Пат. 88131 Україна, ПМК Е21D11/00. Пристрій для нанесення набризкбетонного покриття у вертикальних гірничих виробках / Кривенко О. Ю. - № 20040705898 ; заявл. 19.07.04 ; опубл. 25.09.09, Бюл. № 18.

7. Кривенко А. Ю. Аэродинамические особенности движения твердеющей смеси к сопловому аппарату набрызгбетонной машины / А. Ю. Кривенко // Вісник Криворізького технічного університету : зб. наук. праць. - Кривий Ріг, 2004. - Вип. 5. - С. 53-57.

8. Кривенко А. Ю. Новая конструкция устройства для крепления восстающих выработок набрызгбетоном / А. Ю. Кривенко // Разработка рудных месторождений : сб.научн.трудов. - Кривой Рог, 2004. - Вып. 87. - С. 168-170.

9. Кривенко А. Ю. Определение параметров соплового аппарата набрызгбетонной установки для крепления восстающих выработок / В. А. Трегубов, А. Ю. Кривенко // Вісник Криворізького технічного університету : зб. наук. праць. - Кривий Ріг, 2005. - Вип. 10. - С. 114-119.

10. Кривенко А. Ю. Математическое моделирование радиально-кругового потока из соплового аппарата набрызгбеонной машины / А. Ю. Кривенко // Разработка рудных месторождений : сб. научн. трудов. - Кривой Рог, 2005. - Вып. 88. - С. 170-175.

11. Кривенко А. Ю. Моделирование поликомпонентного потока в материальном трубопроводе набрызгбетонной машины / А. Ю. Кривенко // Вісник Криворізького технічного університету : зб. наук. праць. - Кривий Ріг, 2005. - Вып. 6. - С. 174-177.

12. Кривенко А. Ю. Определение основных конструктивно-технологических параметров механизированного крепления восстающих выработок набрызгбетоном / В. А. Трегубов, А. Ю. Кривенко // Вісник Криворізького технічного університету : зб. наук. праць. - Кривий Ріг, 2006. - Вип. 15. - С. 93-96.

13. Кривенко А. Ю. Аэродинамика радиально-кругового сопла для набрызгбетонирования восстающих выработок / В. А. Трегубов, О. В. Замыцкий, А. Ю. Кривенко // Научные работы Донецкого национального технического университета. Серия горно-электромеханическая. Донецк : ДонНТУ, 2007. - Вып. 14 (127). - С. 261-267.

14. Кривенко А. Ю. Закономерности движения набрызгбетонной смеси в поворотной части радиально-кругового сопла / В. А. Трегубов, О. В. Замыцкий, А. Ю. Кривенко // Вісник Криворізького технічного університету. - Кривий Ріг : КТУ, 2008. - Вип. 92. - С. 145-148.

У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належить: [4] - проведення дослідно-промислових експериментів, збирання та аналіз статистичних даних; [9] - теоретичне обґрунтування методики визначення раціональних параметрів радіально-кругового соплового апарата; [12] - збір експериментальних даних і розробка математичної моделі впливу параметрів соплового апарата на швидкість бетонно-повітряного потоку; [13] - планування експериментів, математична обробка результатів і їх аналіз; [14] - постановка завдань досліджень і розробка аеродинамічної моделі соплового апарата.

АННОТАЦІЯ

Кривенко О. Ю. Обґрунтування раціональних параметрів обладнання механізованого комплексу для кріплення підняттєвих гірничих виробок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - гірничі машини. - Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2010.

Дисертація присвячена обґрунтуванню раціональних параметрів обладнання механізованого комплексу для кріплення підняттєвих гірничих виробок.

У роботі дане нове рішення актуальної наукової задачі підвищення ефективності кріплення підняттєвих виробок набризкбетоном шляхом формування радіально-кругового бетонно-повітряного потоку за рахунок установлених закономірностей газодинамічних процесів у середовищі «стиснене повітря - бетонна суміш» стосовно соплових апаратів шахтних гірничих механізованих комплексів. Це дозволяє забезпечити збільшення продуктивності обладнання, зниження втрат бетонної суміші та собівартості підземного видобутку руди, а також поліпшити умови роботи гірничого персоналу та його безпеки. Установлено закономірності газодинамічних процесів руху бетонно-повітряної суміші та формування сопловим апаратом набризкбетонного механізованого комплексу радіально-кругового потоку. Обґрунтовано раціональні параметри обладнання для формування шару кріплення на поверхні підняттєвої гірничої виробки. Обґрунтовано засоби механізації процесу набризкбетонування підняттєвих виробок і технологічні схеми механізації кріплення механізованим комплексом підняттєвих виробок.

Ключові слова: гірниче обладнання, набризкбетонна машина, сопловий апарат, механізований комплекс, механізація кріплення, підняттєва виробка, набризкбетон.

Кривенко А. Ю. Обоснование рациональных параметров оборудования механизированного комплекса для крепления восстающих горных выработок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - горные машины. - Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2010.

Диссертация посвящена вопросам обоснования рациональных параметров оборудования механизированного комплекса для крепления восстающих горных выработок. В работе дано новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности крепления восстающих выработок набрызгбетоном путем формирования радиально-кругового бетонно-воздушного потока за счет установленных закономерностей газодинамических процессов в среде «сжатый воздух - бетонная смесь» применительно к сопловым аппаратам шахтных горных механизированных комплексов. Это позволяет обеспечить увеличение производительности оборудования, снизить потери бетонной смеси и себестоимость подземной добычи руды, а также улучшить условия работы горного персонала и его безопасности.

Сопловые аппараты являются рабочим органом шахтной набрызгбетонной машины и обеспечивают формирование омоноличивающего слоя на поверхности восстающей выработки. Традиционно применяемые осевые сопловые аппараты не позволяют получить качественную крепь в восстающих выработках из-за нестабильного пространственного положения сопла относительно закрепляемой поверхности, высокой трудоемкости и прерывистости технологического процесса, значительных потерь компонентов бетона, достигающих 45 %.

В результате выполненных исследований установлены закономерности газодинамических процессов движения бетонно-воздушной смеси и формирования сопловым аппаратом набрызгбетонного механизированного комплекса радиально-кругового потока, обоснованы его рациональные параметры для формирования слоя крепления на поверхности восстающей горной выработки.

Разработана инженерная методика определения рациональных параметров соплового аппарата механизированного комплекса для крепления восстающих горных выработок; конструкция радиально-кругового соплового аппарата и способ крепления восстающих выработок набрызгбетоном. Научно обоснованы средства механизации процесса набрызгбетонирования восстающих горных выработок; технологические схемы механизации крепления механизированным комплексом восстающих выработок набрызгбетоном, которые регламентируют порядок размещения основных и вспомогательных средств механизации, способы перемещения радиально-соплового аппарата, а также порядок формирования слоя набрызгбетонной крепи.

На основании результатов проведенных исследований разработаны методические указания «Механизация процесса набрызгбетонирования при креплении восстающих горных выработок», использование которых позволяет механизировать процесс возведения набрызгбетонной крепи, определить рациональные параметры радиально-кругового соплового аппарата набрызгбетонного механизированного комплекса, а также порядок механизации технологического процесса в зависимости от горнотехнических условий ведения подземных работ при разработке рудных месторождений полезных ископаемых.

Внедрение методических указаний, основанных на результатах диссертационной работы, позволяет получить расчетный экономический эффект в размере 52 тыс. грн на 1000 м восстающих выработок на шахтах ОАО «Криворожский железорудный комбинат» за счет снижения потерь бетонной смеси и повышения производительности процесса крепления набрызгбетоном восстающих горных выработок.

...