автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Геомеханические и технологические основы создания нового уровня крепей очистных забоев тонких пологих пластов

С л

- О Г ' ГЛИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ДОНЕЩШЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АНТИПОВ Игорь Владиславович

геомеха нические и технологические основы создания нового уровня крепей очистных забоев тонких пологих пластов

05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ДОНЕЦК - 1906

Днсерациснная работа является рукописью.

Работа выполнена ъ Донецком государственной техническом университете.

Научный консультант: Заслуженный деятель науки Украины, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, с.н.с.

Сапицкнн К.Ф.

Колоколов О.В. Ильюшенко В.Г. Жуков В.Е.

Ведущая организация:

Донецкий научно-исследовательский угольный институт (Донугн).

Защита состоится " $ "^О^З/ОДу?-* 1<Ш г. б час. на заседании специализированного совета Д 06.04.02 в Донецком государственном техническом'университете по адресу: г. Донецк, ул. Артема, 58.

С диссертацией можно ознакомиться п библиотеке Донецкого государственного технического университета.

Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

.И.Черняев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Работы. Интенсивная эксплуатация угольных месторождений с благоприятными горно-геологнческими условиями привела к истощению запасов в пластах средней мощности, а также пластов, в кровле которых залегают породи средней устойчивости и устойчивые. На шахтах Украины в тонких пластах сосредоточено около 83% балансовых запасов угля, причем, около 45% шахтопластов имеют неустойчивые и малоустойчивые кровли.

Основным средством обеспечения высоких технико-экономических показателей добычи угля являются комплексы оборудования с механизированными крепями. До середины 70-х годов, когда комплексы работали в основном на пластах мощностью более 1,0 м с устойчивыми породами кровли, наблюдался рост нагрузки на кошшексно-мсханизировакные забои и производительности труда рабочих. В тот период средняя нагрузка на механизированные комплексы и производительность труда достигли наивысших показателей - 839 т/сут. и 12,9 т/выход. Однако к 1975 году целесообразный объем применения механизированных комплексов с гид-рофшлфовэшшмн крепями первого поколения ("Донбасс", М87, МК97) был исчерпай.

В начале 80-х годов были разработаны геа механические и технологические основы нового уровня крепей очистных забоев, что обеспечило создание механизированных крепей второго поколения - 1МК103, "Донбасс-80", М137 и др. Новые крепи позволили расширить область применения комплексов на пласты мощностью 0,75 м с малоустойчивыми породами кровли. С внедрением механизированных комплексов 1 КМ 103, КД80, КМ137 и др. наблюдалась некоторая стабилизация показателей. Но уже в 1992 году 248 комплексов, что составляет 42% общего количества комплексно-механизированных забоев, работали с присечкой вмещающих пород на пластах мощностью 0.6...0,7 м, а около 45% комплексов - в условиях неустойчивых кровель, то есть за пределами области применения механизированных крепей второго поколения. Это приве.-о к снижению средней нагрузки до 471 т/сут., производительности труда - до 5,91 т/выход; около 80 комплек ов ежегодно работают с нагрузкой менее 300 т/сут.

Таким образом, объективно возникла потребность в крепях, позволяющих расширить область применения механизированных комплексов на пласты мощностью 0,6 м с неустойчивыми породами кровли и обеспечить выемку угля без постоянного присутствия

людей & забое. Для этого необходимо разработать геомеханические и технологические основы создания крепей нового уровня - изучить особенности взаимодействия крепей с неустойчивыми кровлями и разработать новые принципы сохранения сплошности пород, обосновать требования к крепям и разработать методы расчета их параметров.

Связь темы диссертации с планом основных работ университета. В течение последних десятилетий одним из главных научных направлений горного профиля Донецкого государственного технического университета является изыскание путей повышения эффективности отработки тонких угольных пластов. С 1992 года по заказу Министерства угольной промышленности Украины разрабатывается нетрадиционная крепь для очистных забоев тонких пологих пластов с неустойчивыми кровлями (№ госрегистрации теми иЛ01000692Р). В проведанных исследованиях автор принимал непосредственное участие в качестве научного руководителя.

Цельно раСатц является создание геомеханических и технологических оснсз нового уровня крепей очистных забоев для обеспечения эффективной отработки тонких угольных пластов с неустойчивыми породами кровли.

Идея работы заключается в использовании особенностей взаимодействия крепи с неустойчивыми породами и изменении ее силовых параметров для предотвращения разрушений непосредственной кровли в призабойном пространстве лавы.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе ьспользован системный подход к решению поставленных задач с применением следующих методов: анализ и обобщение опыта отработки тонких пластов, комплексные наблюдения в очистных забоях шахт Донецкого угольного бассейна, моделирование технологических процессов с помощью метода группового учета аргументов, моделирование геомеханических процессов в горном массиве с помощью метода конечных элементов, лабораторные и стендовые испытания новых типов крепей.

Научные положения, выносимые на защиту, и их; цовизна.

1. Установлены особенности формирования надежности ком-гшексно-механизированных технологий очистных работ по факторам затрат времени на выполнение штатных и нештатных производственных операций, заключающиеся в том, что наибольшее отрицательное влияние на технологическую надежность очистных забоев оказывает процесс крепления и управления кровлей при

применении крепей со ступенчатой пояятлнзостыо н высокой инертностыо при передвижке.

2. Экспериментально а шахтных условиях раскрыто явление топтания кровли в статическом положении крепи, заключающееся в периодическом нзгружешш и рззгрузке боковых пород вследствие ступенчатой податливости гкдрофицировзнкок крепи, что приводит к разрушению неустойчивы;: пород на контакте с перекрытием крепи и их обрушению в прнзабойное пространство лавы.

3. Для условии неустойчивых пород кроалн очистного забоя обоснован новый подход к сохранению естественной сплошности пород tía контакте с перекрытием крепи, заключающийся в поддержании системы "крепь-породнын массив" в состоянии равновесия при применении крепи бесступенчатой податливости.

4. Разработан экспериментально-аналитический метод определения рациональных силовых параметров новых крепей бесступенчатой податливости, учитывающий горногеологнческне условия залегания пластов. Метод доведен до численной реализации и позволяет рассчитывать рациональное сопротивление и режимы работы крепи в зависимости .от физико-механических характеристик вмещающих пород. „

5. Впервые установлены и* теоретически обоснованы рациональные силовые-параметры и режимы взаимодействия крепи бесступенчатой податливости с неустойчивыми породами кровли.

Выносимые на защиту научные положения составляют геоме-хаиические и технологические основы создания нового уровня крепей очистных забоев тонких пологих пластов с неустойчивыми гсрозлпми.

Обоснованность и достоверность научных положений, выполов и рекомендаций доказана:

- теоретическими исследованиями изученных закономерностей поведения пород кровли о призабойном пространстве очистного забоя, базирующимися на корректном применении методов моделироззния и на основе апробированных допущений и аргументаций, приведенных в работе;

- экспериментальными исследованиями процессов сдвижения и разрушения вмещающих угольный пласт пород с применением современной аппаратуры и методики, а таюке статистической обработки данных по десяти очистным забоям с варьированием параметров технологии выемки угля, полученных на основе научного планирования шахтных экспериментов и установления необходи-

мого объема информации.

Научное знзченнс работы заключается в раскрытии особенностей протекания геоыгханических процессов в слабых породах непосредственной кровли при взаимодействии с кргпью очистного забоя. Эти особенности являются научной основой для установления рациональных силовик параметров крепей и режимов взаимодействия с неустойчивыми породами.

Обоснован новый подход к сохранению сплошности неустойчива пород, предусматривающий поддержание равновесия системы "крепь-породный массив" при применении крепей бесступенчатой податливости.

Выявленный характер влияния технологических процессов с очистном забое на интенсивность проявлений горного. давления дополняет круг представлений 6 природе геомеханических процессов в породном массиве при выемке тонких, пологих пластов.

Разработанные методы моделирования технологических операции в очистных забоях и геомеханических процессов в горном массиве позволяют определять рациональные параметры крепей и проектировать технологические схемы очистных работ на тонких пологих пластах с неустойчивыми кровлями.

Практическое значение работы заключается в разработке технологии крепления и управления кровлей очистных забоев тонких пологих пластов в условиях слабых пород е использованием крепи нового уровня, обеспечивающей расширение области применения комплексно-механизированных технологий очистных работ на пласты с неустойчивыми кровлями.

Установлены рациональные силовые параметры крепи бес ступенчатой податливости с учтом особенностей взаимодействия с неустойчивыми породами непосредственной кровли.

Разработана принципиально новая крепь для использования в комплексно-механизированных технологиях очистных работ на тонких пологих пластах с неустойчивыми и малоустойчивыми кровлями. Новизна разработанной крепи подтверждается авторским свидетельством на изобретение.

Реализация выводов ц рекомендаций работы.

Техническое задание на распорно-леремещаемую крепь для тонких пологих пластов с неустойчивыми кровлями согласовано с Донуги и Донгипроуглемашем, утверждено Министерством угольной промышленности Украины.

Науччые и практические результаты работы используются в

учебном процессе при подготовке горных инженеров.

Дпробппия работы. Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников" (Москва, 1990); Республиканской научно-методической конференции "Научно-техническое творчество: методологические и социально-экономические проблемы" (Донецк, 1990); Всесоюзной научно-технической конференции "Система "человек-машина-среда" в горном деле. Настоящее и будущее" (Москва, 1990); Всесоюзной научно-технической конференции "Оптимизация горных работ и фрагменты САПР" (Новосибирск, 1991); X Всесоюзной научной конференции вузов СССР "Физические процессы горного производства" (Москва, 1991); Научно-технической конференции ДПИ по завершенным НИР (Донецк, 1991); Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в угольной промышленности "Системный подход в горной деле. Проблемы, теория, методы." (Москва, 1991); II школе-семинаре молодых ученых "Теория и практика комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и обогащения минерального сырья" (Алма-Ата, 1992); XIV научно-методической конференции "Компьютерные технологии обучения и управления вузом" (Донецк, 1993); VI Sympozum "Wybrane problemy eksploatacjí zíoz na duzych glebokosctach" (Gliwice, 1994), Internationa! Scientific Conference on the occasion of 50ш anniver-sary of moving the Technical University from Pribram to Ostrava (Ostrava, 1995).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 33 научных работ; ключевые положения диссертации предстзвлены в 19 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глаз и заключения, содержит 37 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 207 наименований и 3 приложения. Общий объем работы 200 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблемы эффективной отработки тонких угольных пластоз с неустойчивыми и малоустойчивыми породами кровли находятся в центре внимания горной науки. Несмотря на это, комплексно-механизированные технологии, базирующиеся на применении гкд,-рофицнрованных крепей, практически не развиваются. Длительный опыт отработки тонких пластов с неустойчивыми кровлями механизированными комплексами свидетельствует об исчерпании возможностей традиционных гидрофицированных крепей.

Очевидно, что поиск перспективных технических решении должен ориентироваться не только на модернизацию существующих гидрофицированных крепей, но и на создание принципиально новых нетрадиционных средств крепления очистных забоев.

Весомый вклад в разработку и совершенствование механизированных крепей внесли работы Араунера Г.-Б., Вильсона А.Г., Га Hepa У., Гейера В.В., Голубевз Г.Н., Дубэза Е.Д., Кияшко H.A., Клингрэффа Г., Корозккна Ю.А., Кунделя X., Крумнакера И., Лу-боятского В., Ретца Б.-В., Савенко Ю.Ф., Спраулза М., Хана Л., Хе.чмса В., Хоркна В.Н., и др.

Одной из наиболее важных задач стоящих перед разработчиками новой горной техники является обеспечение высокой надежности очистных работ.

Исследованию различных аспектов проблемы повышения надежности посвящены работы Бурчакова A.C., Воробьева Б.М., Ге-топанова В.Н., Гуляева В.Г., Ильюшенко В.Г., Каримаиа O.A., Ми-роишикова С.И., Паланга Г.Я., Рахутина Г.С., Рачека В.М., Салит С.Я., Сапицкого КФ., Солода В.И., Топчиева A.B., Ярембаша И.Ф. и других ученых.

Проблемы надежности механизированных крепей должны решаться в комплексе с другими задачами и, в первую очередь, с вопросам;: горной геомеханикк.

Весомый вклад ц теоретические и практические исследования геомеханических процессов в породном массиве внесли фундаментальные работы Алексеева А.Д., Бондареико Ю.В., Булата А.Ф., Давидянца В.Т., Дубова Е.Д., Жукова В.Е., Зборщика М.П., Зорина А.Н., Зубова В.П., Ирресбергера Г., Кияшко И.А., Клишнна Н.К., Колоколоаа О.В., Комиссарова С.Н., Кошелева КВ., Мухина Е.П., Назимко В.В., Орлова A.A., Полякова М.В., Хервига Г., Черняка И.Л., Заерлннга Г., Якоби О. и других ученых.

Однако существующие представления о формировании на-

дежности комплексно-механизированных технологий очистных работ, особенностях взаимодействия крепн со слабыми вмещающими породами не обеспечивзют в полной мере решение проблемы эффективной отработки тонких угольных пластов с неустойчивыми породами непосредственной кровли.

Первая глава работы посвящена анализу современных тенденций развития техники, технологий н научных концепций отработки тонких пологих угольных пластов.

Ежегодно в мире добывается около 4 млрд. т угля. Основными угледобывающими странами являются США, Китай, Россия. Украина, Германия, Великобритания, Австралия, Польша, Словакия, Чехия, Канада, Индия и др. Около 70% мировой добычи угля приходится на подземный способ, а более 60% угля добывается на шахтах длинными очистными забоями.

Основным средством обеспечения высоких технико-экономн-чсстх показателей работы очистных забоев являются комплексы оборудования с гидрофшщрованкымн крепями. Разработчиками механизированных крепей являются институты Донуги и Донги-проуглемаш (Украина), ИГД им. А.А.Скочннского и Гипроуглемаш (Россия), фирмы Hemscheidt, Westfalia Lünen, Klockner (Германия). Gullick Dobson (Великобритания), Glinik (Польша) и др. Для отработки пластов мощностью менее 1,0 м выпускаются механиз"ро-взнные крепи 14 типов, которые по конструктивным особенностям делятся на следующие группы: поддержнвагоще-огради-тельные 2-х стоечные щитовые крепн - Ml37 (Россия), WS 1.7 (Westfalia Lünen), KG 240-6/17, G 300-5/15 (Hemscheidt). HO 48-1.35 (Klockner), 055/15 OzK (Glinik); поддерживающе-оградительные 4-x стоечные щитовые крепи - "Донбзсс-80Н (Украина), 4/200, 4/300, 4/340 (Gullick Dobson). 086/16 OzK (Glinik): поддерживающая 4-х стоечная щитовая крепь - 1МК103 (Россия); комплектная 4-х стоечная крепь: МК98 (Россия); поддерживающая 6-ти стоечная-щитовая крепь - Ac:i5acc-2M (Украина, снята с производства в связи с заменой крепью "Донбасс-80"). Донуги совместно с Док-гипроуглемашем разрабатывается типоразмерный ряд механизированных комплексов МКД-SO путем усовершенствования крепи "Донбасс-80", Однако разработка принципиально новjx механизированных крепей для маломощных пластов не ведется.

Анализ технологий ведения очистных работ, базирующихся на использовании комплексов с гидрофицированными механизированными крепями, показал, что для них характерны многоопераци-

онность и значительная продолжительность процессов крепления н управления кровлей, недостаточная надежность средств крепления для выполнения операций без постоянного присутствия людей в забое, неудовлетворительная работа в условиях неустойчивых пород кровли.

Вопросы исследования надежности механизированных комплексов решаются без учета взаимосвязи с геомеханическими процессами в породном массиве. Отсутствие эффективных методов математического моделирования технологической надежности и производительности комплексов в конкретных условий их эксплуатации не позволяет объективно оценить степень влияния производственных процессов н операций на формирование технологической надежности и производительности комплексно-механизированных очистных забоев.

Натурные наблюдения в действующих лавах выполняются, как правило, только с целью уточнения отдельных параметров крепей и не предусматривают комплексное исследование геомеханнче-ских процессо:. в породном массиве, фактических режимов работы механизированной крепи и технологических операций в очистном забое. Из-за отсутствия эффективных методов математического моделирования геомеханических процессов в породном массиве не представляется возможным обосновать рациональные силовые параметры к режимы взаимодействия крепей с массивом пород при отработке тонких пологих пластса с неустойчивыми кровлями.

Для создания геомеханических и технологических основ нового уровне крепей очистных забоев, адаптивных к слабым породам, особое значение имеет выработка общей концепции крепления неустойчивой кровли, которая заключается в разработке и использовании новых принципов сохранения естественной устойчивости слабых пород путем предотвращения динамических процессов в системе "крепь-породный массив", обоснованного выбора силовых параметров крепи, исключении обнаженных пролетов кровли за счет повышения быстродействия крепи, сокращения количества операций в процессе крепления и управления кровлей, обеспечения ведения очистных работ без постоянного присутствия людей в забое.

На основании выполненного анализа научных концепций и современных тенденций развития технологий отработки тонких пластов сформулирована цель работы и поставлены следующие изэимоевпззнные задачи:

1. Экспериментально в натурных условиях установить характер и взаимосвязь геомеханических процессов в породном массиве при отработке тонких пластов с технологическими операциями в очистном забое, фактическими параметрами и режимами работы крепей.

2. Создать теоретические основы моделирования технологических процессов очистных работ и изучить закономерности формирования надежности комплексно-механизированных технологий.

3. Разработать геомеханическую модель, алгоритм моделирования взаимодействия элементов системы "крепь-породный массив" н установить силовые параметры крепей с учетом сохранения сплошности неустойчивых пород.

4. Обосновать новые принципы предотвращения расслоения слабых пород и разработать методы расчета параметров и режимов работы крепи в условиях неустойчивых кровель.

5. Разработать требования к крепям, адаптивным к неустойчивым породам, выполнить стендовые испытания экспериментального образца и разработать техническое задание на крепь нового уровня для тонких пластов с неустойчивыми кровлями.

Учитывая широкий диапазон и сложность поставленных задач, в качестве методологической основы для их решения применяется системный подход. Система "очистные работы" рассма-пн-вается как совокупность взаимосвязанных технологических операций в лаве и геомеханических процессов в горном массиве.

Во второй главе приведены результаты комплексных исследований технологических операций в очистных забоях и геомеханических процессов в породном массиве при отработке тонких пологих угольных пластов.

Область применения механизированных гидравлических крепей ограничивается пластами мощностью более 0,75 м. На пластах меньшей мощности комплексно-механизированные забои работают с присечкой вмещающих, пород. Такие условия работы являются не характерными для механизированных крепей.

Очевидно, что исследования в нехарактерных для механизированных комплексов условиях должны носить комплексный характер, то есть изучению подлежит весь комплекс аонросов, касающихся технологических процессов в очистном забое, гсомехэ-нических процессов в породном массиве и фактических режимов работы механизированной крепи.

Для обеспечения методологической базы Донецким государ-

ственным техническим университетом совместно с Донецким научно-исследовательским угольным институтом разработана "Методика комплексных исследований на шахтах Донецкого угольного бассейна".

Для проведения инструментальных замеров, хроно-04 метражных и визуальных наблюдений в лаве оборудуется замерная станция (рис. 1). На стойках механизированной крепи устанавливаются манометры МП-3, показания которых фиксируются визуально с интервалами 30 мин., а во время прохода комбайна и передвижки секций крепи с районе замерной станции через каждые 2 минуты.

На замерной станции выполняются также наблюдения за конвергенцией вмещающих пород. Для этого в кровле и почве пласта устанавливаются контурные реперы с шагом 0,8

их расположение. Рис. 1 Схема размещения оборудования на замерной станции

Условные обозначения: I -.верхняя секция крепи; Н - нижняя секция крепи; © - номера манометров МП-3 и их расположение на секциях;

номера измерительных стоек -

СУИ-2 с индикаторами ИЧТ и м, соответствующим величине

подвигаиня забоя лавы за один цикл. Конвергенция пород- измеряется стойками СУИ-2 и индикаторами часового типа ИЧТ-0,01 одновременно в трех точках по ширине призабойного пространства. Конвергенция пород в вы-. рабошшом пространстве измеряется дистанционно с помощью реостатных стоек СР н прибора ИИД-3. Расстояние от груди забоя до точки первого контакта перекрытия с кровлей фиксируется на-, 'каждом цикле передвижки крепи. Состояние пород кровли - заколы, трещины, вывалы и т.д., а также величина устойчивых обнажений в выработанном пространстве фиксируется с помощью фотоаппарата.

Первая замерная станция оборудуется в 10 м от сопряжения лавы с транспортным штреком и наблюдения проводятся в течение в,.. 12 рабочих смен. Затек станция перемещается вверх по лаве

/

через 20 м и в каждом месте дислокации станция запоры выполняются 6.. 12 смен.

Хронометрируется также продолжительность выполнения штатных и нештатных операций в очистном забое. При этом фиксируется время выемки угля комбайном, концевых операций, технологических перерывов, а также причины отказов и время их устранения.

По каждой смене строятся планограммы работ, совмещенные по времени с графиками конвергенции вмещающих пород, фактическими рабочими характеристиками гидравлических стоек и механизированной крепи.

Для исследования были отобраны очистные забои с наиболее представительными для Донбасса горно-геологическими условиями залегания тонких пологих пластов: неустойчивыми (Бг - по классификации Донут) и малоустойчивыми (Б3) породами, непосредственной кровли, легкообрушаемой (А1) и среднеобрушаемон (Ао) основной кровлей, устойчивой (п3) и малоустойчивой (П2) почвой. Около 45% комплексно-механизированных очистных забое» а Донбассе работают в этих условиях. Исследования проводились в лавах с наиболее распространенными вариантами комплектации оборудования механизированных комплексов КМ 103, КД80, КМК97М, ШЛ137 и 2МКДМ. Наблюдения велись непрерывно г? течение 30...60 суток в каждой лазе. Минимально необходимая продолжительность наблюдений определялась с помощью' методов теории инженерного эксперимента индивидуально для каждого очистного забоя.

Например, в 3-й южной лаве пласта к8 шахты имени Г.Димитрова объединения "Красноармейскуголь" работает механизированный комплекс КМК97М з состав которого входят два комбайна 1К101У, механизированная крепь МК98 и скребковый конвейер СП202. Геологическая мощность пласта в пределах выемочного участка изменяется от 0,66 до 0,8 м, составляя в среднем 0,7 м, угол падения пласта - 11...13°. Непосредственная кровля пласта представлена песчаным сланцем мощностью 1,5...2,5 м. отнесенным по классификации Дснуги к категории Б3 (малоустойчивый). В основной кровле залегает песчаник мощностью до 6 м, отнесенный к категории Аг (средней обрушаемссти). В почве пласта - пе< -чаный сланец крепостью 4 (по шкале проф. М.М.Протодъяконопа) - устойчивый (П3). Система разработки - столбовая, по простиранию. Выемка угля производится с присечкой кровли на 0,4 м и ви-

нимаемая мощность пласта, при этом, составляет 1,1 м. Наблюдения проводились непрерывно в течение 57 суток (228 смей), при этом было выполнено 126 очистных циклов, а подвигание забоя лавы составило 101 м. В процессе наблюдений было зафиксировано четыре посадки основной кровли.

Аналогичные наблюдения были проведены в 20-й западной лаве пласта с13 шахты "Южно-Донбасская № Г ПО "Донецкуголь" (1МК103, К103М, СП202В1), 1-й северной лаве пласта т3 шахты Тор :як" ПО "Селидовуголь" (1МК103, 1К101У, СП202), 3-й восточной лаве пласта II шахты "Комиссаровская" ПО "Луганскуголь" (Донбасс-80, КА80, СПЦ162), 8-й лазе западного блока пласта Ц шахты "Винницкая" ПО "Шахтерскуголь" (МК98, К103М, СП202В1), 12-й лаве пласта ^ шахты "Заря" ПО "Торезантрацит" (М137, К103М, СП202В1), в лаве № 532 пласта п8в шахты 10-я Великомостовская ПО "Укрзападуголь" (М137, К103М, СП202В1), в лаве№ 27 пласта 1з шахты им. Свердлова ПО "Свердловуголь" (Донбасс-2М, 1X101 У, СП202), в лаве № 816 пласта с8" шахты "Западно-Донбасская" ПО "Павлоградуголь" (Донбасс-2М, МК67, СП202).

Анализ результатов наблюдений показал, что выемка угля, крепление забоя и передвижка конвейера занимают от 16% (Донбасс-2М, МК67, СП202В1) до 43% (М137, К103М, СП202) общего времени. Концевые операции - 10...20% общих затрат времени. Среди внутрилавных простоев наибольшую продолжительность времени занимают неполадки крепи - от 16% (Донбасс-80) до 23% (Донбасс-2М). Простои по вине конвейера составляют от 7% (СП202) до 15% (СП202В1) и комбайна - от 5% (1К101У) до 8% (МК67). Среднее значение коэффициента готовности изменялось от 0,51 (Донбасс-2М, МК67, СП202) до 0,67 (М137, К103М, СП202В1), а среднесуточная нагрузка составила от 110 до 157 т.

Таким образом, предварительный анализ результатов хрономегражных наблюдений показал, что в комплексе оборудования "крепь-комбайн-конвейер" наименее надежным элементом является механизированная крепь. Инертностью механизированных крепей обусловлены значительные затраты времени при выполнении процессов крепления и управления кровлей, что способствует появлению длительных обнажений пород а призабойном пространстве и повышает вероятность вывалов.

В результате натурных наблюдений геомеханических процессов в породном массиве и фактических рабочих характеристик ме-

хатштровашшх крепей установлено, что рабочее сопротивление крепел составляет в среднем около 85% номинальных параметров, что свидетельствует о но полном использовании силовых ресурсов механизированных крепей в условиях легкообрушаемых и средне-обрушаемых пород. Расстояние от консолей перекрытия до груди забоя изменяется от 0,3 до 0,7 м, составляя п среднем 0,5 м, что в 1,6 раза превышает допустимую величину (рис. 1) и повышает вероятность потери устойчивости незакрепленных пролетов кровли.

Условные обозначения:

ЛзвД. -виемка угля комбайном;——-передвижка концевых п—п . зачистка почвы; голосок конвейера;'

—х— - передвижка секций не- о-*- - место дислокации за-

ханизированиой крепи; мерной станции;

| •' - передвижка става кон- ^ - передвижка секций с вейера; замерной станцией.

Рис. 2 Планограмма р„С-г в лапе, графики конвергенции пород (Ь), фактические рабочие характеристики гидравлических стоек (11) и механизированной крепи (Р)

Результаты наблюдений по одной из наиболее характерных смен представлены на рис. 2. Графики абсолютной конвергенции (Ь) и фактические рабочие характеристики крепи (И, Р), совмещенные с планограммон работ, наглядно демонстрируют взаимосвязь между интенсивностью геомеханических процессов в породном массиве и технологическими операциями, (выемка угля и крепление) в очистном забое. Наиболее интенсивная конвергенция

15

вмещающих пород происходит после прохода комбайна в средней части приэабойиого пространства (стойка № 1) на расстоянии 1,2... 1,6 м от груди забоя лавы. При этом в непосредственной кровле возникают растягивающие напряжения, которые приводят К раскрытию трещин, расслоению пород и вывалообразованиям в призабойном пространстве.

Значительное влияние на устойчивость кровли оказывает ре* жим работы крепи - изменение'во времени сопротивления и высоты с.кций. Понятие "постоянное сопротивление" для определений фактического режима работы механизированных крепей весьма условно, так как амплитуда изменения сопротивления стоек во времени существенна и составляет до 80 кН и более (рис. 2), в зависимости от типа гидравлических стоек, состояния предохранительных клапанов, качества рабочей жидкости и т.д. Разновременное срабатывание предохранительных клапанов приводит к перепадам сопротивления между секциями крепи до 60 кН/м2 и более (рис. 2), что, весьма неблагоприятно сказывается на состоянии слабых пород, непосредственно контактирующих с перекрытием крепи. Этим объясняются вывалы породы в призабойном пространстве в период длительных остановок лаз, когда передвижка крепи, не производится, но имеет место статическое "топтание кровли":' То есть, система "крепь-породный массив" не приходит в состояние равновесия даже при отсутствии внешних воздействий, каким является перемещение крепи. В процессе передвижки крепи наблюдается динамическое "топтание кровли", обусловленное снятием распора при перемещении секций механизированной крепи к забою, которое также отрицательно воздействует на нижний слой пород кровли.

Для неустойчивых пород необходимы крепи бесступенчатой податливости, сопротивление которых изменяется в зависимости от конвергенции вмещающих пород с сохранением равновесия системы "крепь-породный массив". Крепь должна иметь высокое быстродействие при передвижке для сокращения времени существования обнаженных пролетов кровли. Надежность крепи должна быть достаточной для дистанционного выполнения процессов крепления и управления кровлей без присутствия людей в очистном забое.

В третьей главе изложены теоретические основы и результаты математического моделирования технологической надежности и производительности производственных процессов очистных работ. ,

Производственный процесс, как объект исследования представляет собой систему, включающую следующие элементы: операции, действия, движения и т.д. Параметры функционирования такой системы определяются значениями временных факторов -продолжительностью выполнения штатных (предусмотренных технологическим паспортом) и нештатных операций (устранение отказов). Математическая модель системы предстазляст ссоой функциональную зависимость параметра от множества влияющих фак-.оров. Для оценки надежности технологии наиболее приемлем коэффициент готовности (кг), являющийся комплексным показателем, отражающим свойства безотказности и ремонтопригодности. Для оценки производительности технологии принят наиболее распространенный показатель нагрузки на очистной забой (А, т/см.).

На первом этапе исследований выполняется структуризация затрат времени на выполнение процессов и операций очистного цикла. Ведение очистных работ с применением механизированных комплексов предусматривает выполнение последовательных (несовмещенных во времени) процессов и операций, которые делятся на три группы:

- выемка угля комбайном (механизированная зачистка /г.лк при односторонней схеме работы комбайна), крепление забоя и передвижка конвейера;

- концевые операции (передвижка головок конвейера, профилактический осмотр оборудования и др.);

- прочие затраты времени (прием-сдача смены, буровзрывные работы и др.).

Особую категорию операций составляют нештатные - обусловленные необходимостью устранения отказов. Продолжительность выполнения нештатных операций определяется временем простоев по внутрилавным причинам. Вторую группу простоев составляют остановки по причинам, зависящим от общешахтного и участкового транспорта, из-за перебоев в снабжении электроэнергией и др.

Гнутрилавные простои, в зависимости от вызывающих их причин, делятся на следующие группы:

- непроизводительные затраты времени в процессе выемки угля;

- непроизводительные затраты времени в процессе транспортирования угля к подготовительной выработке;

- непроизводительные затраты времени в процессе крепления

и управления кровлей;

- непроизводительные затраты времени при выполнении кон-цевих операций, проведения противовыбросных мероприятий, буровзрывных работ, упрочнения пород и др.

Структура затрат времени выполнения процессов и операций в комплексно-механизированном очистном забое представлена в таблице 1.

Таблица 1

Структура затрат временя на выполнение производственных __операций в очистном забое_

Работоспособное состояние очистного забоя (штатные процессы и операции) Выемка, зачистка и транспортирование угля, крепление и управление кровлей 11

Концевые операции 12

Прочие процессы и операции к

Неработоспособное состояние очистного забоя, или простои по внутри -явным причинам в технологическом процессе (нещтатные операции) Выемка угля (комбайн) и

Транспортирование угля (конвейер)

Крепление и управление кровлей (механизированная крепь)

Прочие внутрилавные простои t7

Простои по внелавным причинам Общешахтный транспорт

Энергоснабжение ь>

Прочие внелавные простои 4ц»

Как и любая технология, комплексно-механизированная выемка угля характеризуется определенной цикличностью выполнения процессов и операций во времени. Выемка угля комбайном осуществляется одновременно с передвижкой секций механизированной крепи и става конвейера. Исключение составляют технологии, предусматривающие одностороннюю схему работы комбайна, или фронтальную передвижку конвейера. В этом случае процессы не совмещаются во времени. Концевые операции предусматривают передвижку головок конвейера, профилактический осмотр и мелкий ремонт комбайна и др. К прочим производственным затратам времени относятся концевые операции, буровзрывные работы, мероприятия но дегазации, упрочнению пород и др.

Рассмотрение технологии очистных работ, как взаимосвязанной системы (совокупности) приемов и способов добычи угля позволяет формализовать зависимости надежности и производительности коя апексио-механизированных технологий от продолжитель-

ностг производственных процессов и операций. Математические модели системы "очистные работы" позволяют установить закономерности формирования надежности и производительности для различных вариантов компоновки механизированны., комплексов.

Сравнительный анализ методов математического моделирования многомерных объектов показал, что для формирования математических моделей надежности и производительности комплексно-механизированных технологий очистных работ наиболее приемлем метод группового учета аргументов, позволяющий получать наиболее точные и устойчивые модели при решении многофактор-них задач в условиях дефицита информации и высокой зашумленности результатов шахтных экспериментов.

С помощью разработанного алгоритма получены математические модели комплексно-механизиропанкых технологий с наиболее распространенными вариантами комплектации оборудования в представительных для Донецкого угольного, бассейна горногеологических условиях.

Так, для механизированного комплекса КМК97М с компоновкой оборудования - МК98, 1К101У, СП202 - получены следующие математические модели (условные обозначения факторов при:.едены в табл. 1):

кг=0,75-1,21-10-8-122Ч4Ч6+3,89-10сЧ12-1,58-1^Ч2-1)69-10^-^, (1) А=164+15-10-3-112-223-КИ-152+1Д-4г615-10-2Чб. . (2)

Модели (1) и (2) имеют следующие ограничения, обусловленные принятыми величинами доверительной вероятности 0,9 и максимальной относительной ошибки 0,1:

30<1!<248, 26<12<76, 19<14<49, 0<15<62, 0<16< 123. (3) . Аналогичные зависимости получены для всех вариантов компоновки механизированных комплексов. Анализ установленных зависимостей показал, "то наиболее производительными и надежными . в эксплуатации являются механизированные комплексы: КМ137 с компоновкой оборудования М137, КА80, СПЦ162 и КД80-Донбалс-80, КА80, СПЦ162. Наименьшую надежность имеет комплекс 2МКДМ с компоновкой оборудования: Донбасс ом, 1К101У, СП202.

Наибольшее отрицательное влияние на надежность и производительность комплексно-механизированных технологий оказывает процесс крепления и управления кровлей: влияние фактора ^ существенно превалирует над остальными факторами. Наиболее заметно влияние этого фактора в технологии выемки угля с меха-

19

низнрованными крепями 1МК103 и Донбасс-2М.

Процесс выемки угля оказывает меньше влияния на производительность и надежность комплексно-механизированных технологий, чем крепление и управление кровлей: влияние фактора меньше, чем 16. Однако, в комплексах с использованием комбайнов 1К101У и К103М отрицательное влияние процесса выемки угля существенно снижает надежность и производительность технологии в целом.

Процесс транспортирования угля, выполняемый с использованием конвейеров СП202 отрицательно сказывается на формирование надежности и производительности комплексно-механизированных технологий, что подтверждается отрицательным влиянием фактора на параметры А и кг.

Надежность технологических процессов преимущественно обуславливается надежностью используемых средств. Поэтому в системе "комбайк-конвойер-крепь" наименее надежным элементом является механизированная крепь. Она оказывает наибольшее отрицательное воздействие на формирование технологической надежности механизированных комплексов со всеми вариантами компоновок оборудования.

Основными факторами, определяющими эффективность функционирования крепи очистных забоев является характер и режим ее взаимодействия с кровлей, а также силовые параметры, которые обуславливаются геомеханическими процессами в породном массиве.

Четвертая глава посвящена обоснованию силовых параметров крепей в условиях неустойчивых пород кровли. Эта задача решалась путем моделирования геомеханических процессов в горном массиве с варьированием физико-механических характеристик вмещающих пород.

Сравнительный анализ методов моделирования геомеханиче-еккх процессов показал, что для имитирования взаимодействия призабойной крепи с породным массивом наиболее приемлем метод конечных элементов, как менее трудоемкий по сравнению с моделированием на эквивалентных материалах и более точный, так как исключается применение масштабных коэффициентов и имитируются реальные условия натуры. Этот метод не требует значительных материальных затрат, как поляризационно-оптический, и позволяет учитывать большее количество физико-механических характеристик пород, чем другие методы. Недостатком алгоритма ме-

тола конечных элементов являются громоздкие многократно повторяющиеся вычисления матриц жесткости элементов. Поэтому количество элементов в решаемых задачах ограничивается возможностями (быстродействием и объемом памяти) используемых компьютеров.

Для решения задачи обоснования силовых параметров крепи разработан новый алгоритм моделирования геомеханических процессов в горном массиве, который реализован комплексом прикладных программ для персональных компьютеров. В отличие от известных алгоритмов, в разработанных программах используется впервые полученное аналитическое решение задачи формирования матриц жесткости элементов, что значительно повышает быстродействие вычислений и не требует значительного объема памяти компьютера. Наибольший эффект от использования нового алгоритма достигается при решении сложных задач имитирования геомеханических процессов на значительной площади горного массива, а также при решении задач моделирования взаимодействия крепи с неустойчивыми породами кровли, когда возникает необходимость сгущения сети элементов в местах высоких градиентов напряжений.

Для моделирования взаимодействия крепи с горным массивом разработана геомеханическая модель, представляющая собой.вертикальный разрез от земной поверхности до глубины 1000 м. Размеры модели приняты априори при условии неизменности геостатических напряжений на границах. Общее количество элементов в расчетной схеме 2600, узлов - 1607 (рис. 3)..

Физико-механические характеристики моделируемого массива пород (табл. 2) соответствуют показателям неустойчивых (Б2, классификация Донуги) и малоустойчивых кровель (Бз), а также легкообрушаемых (А^ и среднеобрушаемых (А2).

Для оценки состояния горного массива (упругая деформация, или разрушение) в области деформзцяй'сжатия используется критерий Кулона-Мора; деформации растяжения оцениваются величиной предела прочности пород при растяжении.

На первом этапе решения задачи проверяется условие равновесия модели. Расчеты выполняются для массива не подверженного влиянию горных работ и модель при этом должна сохранять геостатическое равновесие. Распределение напряжений в любом произвольном вертикальном сеченик в точности повторяет картину распределения внешних сил на границах модели.

04 65 190 260 201

310Н1,

ЕКНга 310

О 10 20 300 310 320 330 1000 1010 Х.М

Рнс. 3 Конечно-элементная расчетная схемя к определению напряжений в породном массиве

Таблица 2

Комплекс исходных данных для определения напряжений в массиве .

. №№ элементов Физико-механические характеристики Категория пород (классификация Донугн)

р, кг/м3 С, Па' Л® Е. Па V о„, Па

1-300 2500 10106 22 20000 0,32 2-10® По обрушаемостн: А, а2 По устойчивости: б2 б3 По устойчивости:

301-600 Основная кровля

2400 2600 1510е 20-106 35 40 25000 30000 0,33 0,31 3-Ю8 4-10«

601-1200 Непосредственная кровля

2600 2800 5-108 7-108 2о 30 10000 15000 0,29 0,26 1-Ю6 1,5-10®

1201-2000 Угольный пласт

1300 3.4-106 37 4600 0,3 0,6-10®

2001-2900 Почва

2700 13-106 35 22000 0,34 2,6-Ю6

На втором этапе моделируется проведение разрезной печи, наличие которой вызывает незначительные смещения пород и пе-

рораспределеиий напряжений. В последующих этапах моделируется выемка угля путем увеличения пролета кровли в выработанном пространстве на величину подвиганип забоя лавы. Расчеты выполняются до тех пор, пока не будет зафиксировано разрушение элементов, имитирующих основную кровлю, то есть, пока не произойдет первичное обрушение. Если первичная посадка произошла на к-ом этапе расчетов, то предыдущее к-1 решение принимается в качестве исходного для вычленения в модели участка меньших размеров, а полученные напряжения являются граничными условиями для исследуемой области (рис. 4).,

о»

\ / \/ V к/

/\/М/Ч/\|/Ч Л

01,гЧМ1 -

ул

~ О„

Ьь. - »окч разрушения пород Оу,п - осегкв напряжения в узхлх

■ ■- исследуемая область массива П- номера узлов

а)]

X X

г)

>щфах

мТм Мм

"ШШМГ

Рис. 4 Вычленение в расчетной схеме исследуемой области и порядок приложений внешних сил

В исследуемой области моделируется призабойная крепь путем приложения противодействующих сил к узлам; элементов, имитирующих породы кровли в призабойном пространстве.

Таким образом, было сформировано четыре модели взаимодействия крепи с непосредственной кровлей для следующих сочетаний горногеологическнх условий залегания пласта:

- первая модель: А1Б2;

- вторая модель: А2Бг;

- третья модель: А1Б3;

- четвертая модель: А2Бз.

В общем случае возможны три варианта эпюры распределения напряжений при взаимодействии призабоинон крепи с кровлей

23

(рис. 5). Первый вариант (рис. 5 а) характерен для крепей кустового типа, к которым относится механизированная крепь "Донбасс-2М". Наиболее распространенным является второй вариант эпюры (рис. 5 б). Такое распределение реакции вдоль перекрытия характерно для механизированных крепей "Донбасс-80", 1МК103, М137, МК98, а также для крепей KG240-6/17 и G300-5/15 фирмы Hemscheidt, WS 1.7 -Westfalia Lünen, H 0,'8-1,35 - Иоскпег, 4/200, 4/300 и 4/340 - Gullick Dobson, 066/l6-0zli -Glinik и др. Третий вариант эпюры (рис. 5 в) не реализуется гидравлическими механизиро-Рис.5 Варианты эпюры ванными крепями в силу их конструктивных взаимодействия крепи особенностей, однако такая эпюра представля-с породным массивом ет интерес для создания принципиально новых средств крепления.

Расчеты показали, что при одинаковом удельном сопротивлении разрушение пород непосредственной кровли наступает раньше, при ступенчатом распределении напряжений, чем при бесступенчатом. Причем, превышение предела прочности пород происходит в трех, двух, или в одной точке по ширине призабойного пространства в зависимости от количества ступеней в эпюре напряжений. Для комплексно-механизированых технологий очистных работ наибольшую опасность представляют разрушения кровли непосредственно над призабойным пространством, из-за которых ' возникают вывалы породы в лаве. Нарушение сплошности пород на границе выработанного и призабойного пространства не оказывает влияния на технологические процессы в лаве. Очевидно, что бесступенчатое распределение напряжений на контакте перекрытия крепи с непосредственной кровлей благоприятствует сохранению призабойного пространства лавы в работоспособном состоянии. Такое распределение внешних сил на нижней границе исследуемой области использовалось при моделировании взаимодействия приза-бойной крепи с непосредственной кровлей.

Призабойная крепь имитировалась путем приложения внешних сил на нижней границе моделей. Сопротивление крепи (R), при этом, изменялось от 200 до 400 кН/м2.

Расчеты показали, что при сопротивлении крепи 200кН/м2 и ниже в непосредственной кровле возникают растягивающие де-

формации, которые превышают пределы прочности пород и вызывают разрушение непосредственной кровли на полную мощность (рис. б). Частичное нарушение сплошности наблюдается при сопротивлении крепи 250 кН/м2 в условиях малоустойчивых пород (Е>з). Аналогичные по характеру разрушения происходят при сопротивлении крепи 350 хН/м2 в условиях неустойчивых кровель (Б2). При сопротивлении крепи 400 кН/м2 и ьыше в непосредственной кровле возникают сжимающие напряжения, под действием которых породы непосредственной кровли разрушаются на полную мощность. ~

R.

кН/и2

Категория пород обрушаем ость Ai

Категория пород: обращаемость Л2

УСТОЙЧИВОСТЬ EÍ2 устойчиоооть Бз

yoToCiMimocTb Б2

устойчивость о}

¡ 200

250

300

350

•100

-

- участки массива с упругими деформациями пород;

Гчх - участки массива с деформациями разрушения парод.

Рис. б Результаты моделирования взаимодействия крепи с кровлей

Очевидно, что как завышенное, так и заниженное сопротивление крепи неблагоприятно сказывается на устойчивости непосредственной кровли. Оптимальные силовые параметры крепи с учетом горно-геологических условий залегания пластов характеризуются следующими значениями:

- для пластов с неустойчивыми породами кровли 250...300 кН/м2;"

- для пластов со среднеустойчивымк породами кровли ' 300...350 кН/м2.

Крепи очистных забоев, предназначенные для неустойчивых кровель должны работать в режиме рациональных силовых пара-

25

метров, соответствующих гориогеологическим условиям залегания пласта. В существующих гидрофкцированных крепях не предусматривается изменение силовых параметров для установления рациональных режимов взаимодействия с неустойчивыми породами. Поэтому крепи, адаптивные к-неустойчивым кровлям, должны иметь принципиально новую конструкцию и базироваться на новых принципах взаимодействия с горным массивом.

Пятая гла^а посвящена разработке и реализации технологических решений нового уровня крепей очистных забоев для пластов с неустойчивыми породами кровли.

Результаты натурных наблюдений а действующих очистных забоях, моделирование технологических процессов и имитирование взаимодействия призабойной крепи с горным массивом, показали, что неудовлетворительная работа механизированных крепей а условиях неустойчивых пород непосредственной кровли, обуславливается следующими причинами.

Ступенчатая податливость призабойной крепи в период между циклами ее передвижки вызывает энергетический дисбаланс системы "крепь-породный массив". При этом периодически возникает избыток энергии, который расходуется на разрушение пород, непосредственно контактирующих с перекрытием крепи. Т.е. имеет место эффект статического "топтания кровли". Наряду с этим наблюдается 'динамическое "топтание кровли", обусловленное разгрузкой крепи при передвижке.

Завышенное сопротивление крепи (более 350 кН/м2) приводит к раздавливанию нижних слоев кровли и вывалам породы в ' призабойном пространстве лавы. Однако, и заниженное сопротивление крепи (менее 250 кН/м2) приводит к расслоению нижних слоев кровли, нарушению их сплошности, разрушению и вывалам породы & лаве. Сопротивление крепи должно регулироваться в зависимости от физико-механических характеристшшк вмещающих пород, т.е соответствовать .'орногеологическим условиям залегания пласта.

Очевидно, что крепи очистных забоев, предназначенные для отработки пластов с неустойчивыми кровлями, должны отвечать следующим требованиям:

- бесступенчатая податливость крепи, обеспечивающая равновесие системы "крепь-породный массив", для исключения неблагоприятного действия эффекта статического "топтания кровли";

- перемещение крепи без потери контакта с кровлей для

уменьшения неблагоприятного действия эффекта динамического "топтания кровли"; . .

- высокое быстродействие механизма передвижки и малоопе-рацнонное выполнение процесса крепления, для обеспечения безостановочной работы выемочного механизма и исключения длительных во времени и значительных по площади обнажений кровли;

- надежность выполнения процесса крепления достаточная для обеспечения технологии выемки угля без постоянного присутствия людей в забое.

Реализация этих требований позволит создавать крепи очистных забоев нового уровня - сохраняющих равновесие системы "крепь-породный массив" и не допускающих расслоения и разрушения слабых пород непосредственной кровли, имеющих оптимальные для конкретных условий эксплуатации силовые параметры, отличающихся высоким быстродействием механизма передвижки и исключающих длительные и значительные по площади обнажения пород, обеспечивающих дистанционное выполнение процессов крепления и управления кровлей, обладающих достаточной надежностью для реализации технологии ведения очистных работ без постоянного присутствия людей в'лаве.

Одним из вариантов такой крепи является распорно-перемещаемая модульная крепь. Секция крепи (рис. 7) состоит из

перекрытия 1 и основания 2. Между перекрытием и основанием находится распорный модуль .:3, связанный с ними подвижно. Модуль состоит из верхней и нижней станин, между которыми располагаются упругие элементы 4. Механизм передвижки распорно-перемещаемого модуля состоит из наклонные по-

Рнс. 7. Устройство секции распорно-перемещаемой крепн

верхностей 5, выполненных в верхней и нижней станинах, рычагов 6, каждый из которых закреплен одним концом к перекрытию и основанию при помощи шарниров 7. На рычагах закреплены подшипники 8, контактирующие с наклонными поверхностями.

Принцип действия механизма передвижки состоит в следующем (рис. 8). К свободным концам рычагов прикладываются усилия Р. Одновременно рычаги, посредством подшипников, воздействуют на наклонные поверхности с усилием Р. Причем, вертикгльнис составляющие Рсовр направлены на сжатие распорных элементов (-РсозрЧ/Ш, а горизонтальные Рэшр - в сторону забоя лавы. Передвижке крепи препятствую*» силы трения о кровлю и почву (Т), обусловленные распором упругих элементов (Т-Ш. По мере возрастания усилий Р увеличиваются вертикальные составляющие Рсоэр, сжимающие распорные элементы и тем. самым снижающие сопротивление движению Т (-Р-1/Т). Одновременно возрастают горизонтальные составляющие Рсо$р, стремящиеся передвинуть секцию к забою. В тот момент, когда движущие усилия Рз'тр превысят силы сопротивления движению Т, т.е. Рвтр&Т, секция без потери контакта с кровлей и почвой перемещается в сторону забоя лавы.

Основными параметрами распорно-перемещаемой модульной крепи являются: сопротивление обусловленное давлением сжатого воздуха в пневмобаллг яах, сила Р, прикладываемая к рычагам для перемещения модуля, а также параметры, представляющие интерес для конструктора - угол, создаваемый наклонной плоскостью (р) и соотношение длин свободной и закрепленной частей рычага (Ц и Ьо). Между этими величинами установлена функциональная зависимость:

Р = К.^р/а+Ц/Ьг), (4)

где, Р - внешние усилия, прикладываемые к рычагам, кН; й - сопротивление крепи, кН; р - коэффициент трения металла о породу

передвияеки крепи

(^=0,15...0,4); р - угол между наклонной поверхностью и горизонта лы гай плоскостью; Ц+Ьг - длина рычага, г.:.

Практический интерес представляют фактические рабочие характеристики крепи и режимы ее взаимодействия с породным массивом (рис. 9) - начальный распор (1*1), рабочее сопротивление Шо), остаточный подпор при передвижке (йз), сопротивление на границе призабойно-го пространства (0), упругая податливость (Ь), а также данами-Рис. 9 Рабочиа характеристики и режимы ка изменения пара-взаимодействия распорно-перемещаемой метров крепи в про-крепи с кровлей цессе нагруження.

Реальные рабочие параметры новой крепи установлены по результатам стендовых испытаний.

Для проведения стеновых испытаний и установления рабочих параметров крепи была изготовлена секция, з натуральную величину. Вес крепи в сборе - 300 кг, а ее габаритные размеры по перекрытию: длина - 2100 мм, ширина - 560 мм, минимальная конструктивная высота - 500 мм. Испытания проводились на стенде, имитирующем участок лавы на пологом пласте мощностью от 0,6 до 1,0 м. В процессе стендовых экспериментов крепь испытывала нагрузку до 1СОО кН. При этом, с помощью манометров фиксировались давление воздуха в пневмобаллонах (р, атм.),- величина нагрузки (Р, кН) и упругая податливость крепи (ДЪ, мм).

В процессе испытаний была достигнута устойчивая работа секции крепи в диапазоне изменения сопротивления поддерживающей части от 250 до 350 кН/м2 и сопротивления на границе призабойного пространства от 4С0 до 600 кН/м. Работа секции крепи показала высокое быстродействие механизма ее передвижки и возможность перемещения с подпором 75...90 кН/м2. В резуль-

тате стендовых экспериментов установлены рабочие параметры крепи (табл. 3).

Таблица 3

Рабочие параметры распорно-перемещаемой крепи

Категория пород, А> Удельное сопротивление, кН/м2 Сопротивление крепи на границе призабоЗного пространства, кН/м

ГШП 1?1 гпах 1*2 остаточное Из пнп (31 шш <2г

а1 250 300 75 370 450

а2 300 350 90 450 620

Установленные параметры крепи создают базу для разработки новых технологических решений и схем отработки тонких пологих пластов комплексами оборудования с крепью нового уровня.

Рис. 10 Принципиальная технологическая схема выемки угля струговой установкой в комплексе с распорно-перемещаемой крепью

При применении распорно-перемещаемой крепи в комплексе со струговыми установками (рис. 10) секции 1 располагаются вплотную друг к другу, обеспечивая полное перекрытие кровли над рабочим пространством лавы. Исполнительный орган 6 струговой установки приводится в действие вынесенной системой подачи 2 и перемещается вдоль става скребкового конвейера 3. По мере продвижения струга снимается полоска угля толщиной 50...70 мм.

30

Вслед за проходом струга по направляющим перемещаются горизонтальные клиновые передвшхчнкн 8,. которые создают горизонтальные усилия для перемещения перекрытия 9 и основания 10 к забою. При этом основание прижимает став конвейера к забою, а остроугольная консоль перекрытия срезает оставшуюся после прохода струга пачку угля. За горизонтальными передвижниками па направляющим перемещаются вертикальные клиновые пере-двиухчики 11, которые создают вертикальные усилия на свободных концах рычагов для перемещения распорного модуля 12 к забою.

Таким образом, операции выемки угля, оформления забоя, передвижки кенг-эйера, крепления я управления кровлей совмещены бо времени и выполняются дистанционно.

Возможность совмещения основных операций очистного цикла и дистанционного управления ими позволяет вести очистные работы по технологии стругозой выемки в комплексе с распорно-перемещаемой крепью без постоянного присутствия люден в забое. Распорно-перемещаемой крепью реализуются новые принципы взаимодействия пркзпбойней крепи с горным массивом, заключающиеся в установлении энергетического баланса системы "крепь-породный массив" для сохранения устойчивости пород непосредственной кровли. Сокращение количества операций в процессе крепления н управления кровлей, высокое быстродействие крепи при переданное ликвидирует длительные во времени и значительные по площади обнажения неустойчивых пород. Возможность перемещения крепи без потери контакта к кровлей исключает вредное влияние "топтания кровли" при. передвижке. Этими отличительными особенностями крепей нового уровня обеспечивается расширение области применения комплексно-механизированных технологий на пласты с неустойчивыми кровлями. Горногеологические и горнотехнические условия применения крепей нового уровня представлены з таблице 4.

В таблице 5 представлены сравнительные технические характеристики кргпей, применяемых в комплексно-механизированных технологиях отработки тонких пологих пластов, и распорно-перемещаемой модульной крепи, которая реализует новый уровень крепей очистных забое».

Преимущества новой крепи по сравнению с существующими крепями обуславливается следующим:

- крепь реализует принцип бесступенчатой податливости при взаимодействии с породным массивом и система "крепь-породный

массив" сохраняет равновесие, этим исключается вредный эффект статического "топтания" кровли и обеспечивается возможность отработки пластов с неустойчивыми породами кроен;

Таблица 4

Горногеологические и горнотехнические условия применения распорно-перемещаемой крепи

Условия применения Показатели

Диапазон вынимаемой мощности пластов, м 0,65... 1,0

Угол падения пласта, град в пределах: при выемке по .простиранию при выемке при выемке по восстанию 0...12 0...10

Характеристика пород по классификации До-нУГИ: непосредственной кровли по устойчивости основной кровли по обрушаемости б2б3 А1А2

Система разработки столбовая и ком-бикированая

Способ управления кровлей полное обрушение

Таблица 5

Технические характеристики существующих механизированных крепей для тонких пластов и крепи РПМ

Показатели Донбаес-2м МК98 1МК103 Доноасс-80 М137 РПМ

Вынимаемая мощность пласта, м 0,951,20 0,751,25 0,710,95 0,851,10 0,801,40 0,651,0

Категории пород: -по обрушаемости -по устойчивости А^г б4б5 А1А2 б4б5 А1А2А3 636465 а{а2 636465 А^ 6465 А1А2 б2б3

Сопротивление крепи, кН/м2 380 315-325 500 480 350-450 250-350

Ширина приза бойкого пространства, м 3,7 3,8 4,7 5,1 5,5 2,1

Масса секции, кг 2900 2300 3300 6100 7500 300-500

- высокое быстродействие механизма передвижки крепи не сдерживает работу выемочного механизма и ликвидирует обнажения неустойчивых пород кровли в призабойном пространстве;

- отсутствием дорогостоящей гидроаппаратуры обуславливаются малые затраты на изготовление крепи, следовательно, бо-

лее низкая себестоимость угля по сравнению с традпц::с::г технология: ш.

Очевидно, что крепи нового уровня кме:эт широкую перспективу применения а сложных гориогеологипескнх условиях, когда угольные пласш нкзгот малую мощность н неустойчивые СМ2-щающиз породы. Так, ежегодный объем применения механизированных комплексов с крепями косого уровня составляет в Донецком бассейне около 80 очистных забоев, которые а настоящее время из-га несоответствия горно-геологнчесхнх условий залегания пластов техническим характеристикам механизированных крепей работают с нагрузкой ь:енее 300 т/сут. В перспективе возможна замена механизированных крепей ?М1С!03, ДонСасс-СО, МХС'З, отрабатывающих топкие пласты с присечкон бохопи;-: пород, крепяглн пегого уровня. При этом потребность в новых крепях составит около 250 лавокомплектов ежегодно.

Дальнейшее развитие крепей нового уровня предполагает со-есршенствопание их конструкций, с целью регулирования шага передвижки для прлмгиеная з комплексах с зыемочиимн механизмами, имеющими различную ширину захвата исполнительного органа.

3 Л К Л Ю Ч Е Н И Б

В диссертационной рзботе дано теоретическое обобщение и решение научной проблемы, заключающейся я раскрытии особенностей взаимодействия крепи с неустойчивыми породами и разработке экспериментально-аналитического, метода определения рациональных силовых параметров при создании нового уровня крепей очистных забоев, обеспечивающих повышение эффективности процесса крепления неустойчивой кровли в .комплексно-механизированных технологиях выемки тонких пологих пластов.

Основные научные вызоды и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлены особенности протекания геомеханических процессов в слабых породах непосредственной кровли при взаимодействии с крепями очистного забоя, заключающиеся в расслоении и деформировании пород с последующим обрушением з призабой-ное пространство вследствие статического "топтания" крепей со ступенчатой податливостью. Разновременное срабатывание предохранительных клапаноз и ступенчатая податливость крепи вызы-

вает значительные по величине - до 60 кН/м2 - перепады удельного сопротивления крепи в призабойном пространстве, а амплитуда изменения рабочего сопротивления достигает 80 кН и более в зависимости от типа гидравлических стоек, состояния предохранительных клапанов, качества рабочей жидкости и др. Система "крепь-породный массив" не приходит в состояние равновесия даже при отсутствии внешних воздействий, каким является перемещение крепи. В процессе передвижки крепи возникает динамическое "топтание" кровли, обусловленное снятием распора при перемещении секций крепи к забою, что также отрицательно воздействует на нижний слой слабых пород.

2. Разработан новый принцип предотвращения разрушений пород на контакте с перекрытием крепи путем сохранения равновесия системы "крепь-породный массив" при применении крепей бесступенчатой податливости. Сопротивление крепи должно увеличиваться в соответствии с величиной конвергенции пород в призабойном пространстве лавы, а накапливаемая крепыо потенциальная энергия переходить в кинетическую в период перемещения секции к забою, способствуя повышению скорости передвижки крепи. •

3. Развита теория конечно-кусочной аппроксимации непрерывных функций для имитирования процессов сдвижения пород над призабойным пространством лавы при различных типах крепей по факторам их взаимодействия с горным мг:снвом. Разработана геомеханическая модель горного массива, включающего угольный пласт со слабыми породами непосредственной кровли, и алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния пород, отличающийся от известных алгоритмов метода конечных элементов использованием полученного впервые аналитического решения формирования матриц жесткости элементов, и поэтапным переходом от общего решения задачи к частному, при этом результаты расчетов на каждом этапе явля лггея исходными данными для последующих этапов моделирования. Новый алгоритм реализован комплексом прикладных программ для персональных компьютеров, позволяющих имитировать значительные по площади участки горного массива, подверженного влиянию очистных работ.

Впервые установлены и обоснованы рациональные силовые параметры крепей очистных забоев со слабыми породами непосредственной кровли. Для условий легкообрушаемого (категория А^ и среднеобрушаемого (Аг) массива пород установлено, что при

ноустойчизой непосредственной хрозле (Бо) сопротивление крепи должной находиться в пределах от 2Е0 до 300 tili/2; при мало-устсичизой (П3) кровле - от 250 до 350 кН/м2. Если сопрапгаля-кие крепи выходит за установленные пределы, то в непосредственной крепла возникают деформации, приводящие к разрушению пород н обрушению в пркзабойноз пространство.

4. Разработай числошю-экспернмантзлышИ метод моделирования производственных процессов в очистных забоях, базирующийся на основных положениях теории группового учета аргументов при зосстановлонии многофакторных зависимостей, селекции исходных данных с использованием теории планирования экспериментов и математической статистики. Алгоритм реализован пакетом прикладных программ для персональных компьютеров, позволяющих по результатам краткосрочных хронометражних наблюдений в очистных забоях формировать математические модели надежности производственных процессов и производительности оборудования механизированных комплексов, имеющие высокую точность в поле исходных данных и при экстраполяции.

Впервые установлены закономерности формирования надеж. иостн комплексно-механизированных технологий очистных работ в наиболее представительных для Донецкого угольного бассейна горногеологических условиях залегания пластов. Наибольшее деструктивное воздействие на формирование технологической надежности и производительность очистных забоев оказывает процесс крепления и управления кровлей. Это обусловлено высокой - инертностью гндрофицировзшшх крепей. при передвижке, что сдерживает продвижение выемочного механизма н способствует появлению незакрепленных пролетор кровли в призабонном пространстве. Технологии крепления неустойчивых кровель должны базироваться на применении крепей с высоким быстродействием при передвижке, исключающим обнажения пород.

5. Сформулированы и обоснованы требования к крепям очистных забоев тонких пологих пластов с неустойчивыми кровлями:

- бесступенчатая податливость крепи, обеспечивающая равновесие в системе "крепь-породный массив", для исключения неблагоприятного воздействия "топтания кровли" в статическом положении крепи;

- перемещение крепи без потери контакта с кровлей для уменьшения неблагоприятного воздействия на сплошность пород динамического "топтания кровли";

- высокое быстродействие механизма передвижки к малоопе-рацнонное выполнение процессов крепления и управления кровлей, обеспечивающее безостановочную работу выемочного механизма и исключающее длительные во времени и значительные по площади обнажения кровли;

- надежность выполнения процессов крепления и управления кровлей достаточная для обеспечения технологии выемки угля без постоянного присутствия людей в забое.

Реализация этих требований позволяет создавать крепи очистных забоев нового уровня, сохраняющие равновесие в системы "крепь-породны.й массив" и не допускающие расслоение и разрушение пород непосредственной кровли, имеющие рациональные для конкретных условий эксплуатации силовые параметры, отличающиеся высоким быстродействием механизма передвижки и исключающие длительные и значительные по площади обнажения пород, обеспечивающие дистанционное выполнение процесса крепления и надежность, достаточную для реализации технологии ведения очистных работ без- постоянного присутствия людей в лаве.

6. Разработана принципиально новая крепь для использования в комплексно-механизированных технологиях очистных работ на тонких пластах с неустойчивыми кровлями. Крепь реализует принцип бесступенчатой податливости; ее сопротивление зависит от величины конвергенции вмещающих пород, а система "крепь-породный массив" находится в равновесии, г:го способствует сохранению устойчивости кровли в призабойном пространстве. Предложена технологическая схема ведения очистных работ на тонких пологих пластах комплексом оборудования с крепыо нового уровня. По новой технологии операции выемки угля, оформления забоя, передвижки конвейера, крепления, и управления кровлей совмещены во времени и выполняются дистанционно, что позволяет вести очистные работы без присутствия людей в забое. Обоснована область применения и рабочие параметры крепи нового уровня. При выемке угольных пластов мощностью до 1,0 м с углом падения до 12° в условиях неустойчивых и малоустойчивых пород непосредственной кровли удельное сопротивление крепи изменяется от 250 до 300 кН/ ы2 при легкообрушаемой основной кровле; 300...350 кН/м2 - при среднеобрушаемой. Силовые параметры крепи находятся в пределах рациональных значений сопротивления крепей для условий неустойчивых к малоустойчивых пород кровли.

Ежегодный объем применения механизированных комплексов

с крепями нового уровня составляет около 60 очистных забоев Донецкого угольного бассейна. В перспективе потребность в нозых крепях составит около 250 лавокомплекгоз ежегодно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1.Антяяез II.В. Шахтные наблюдения конвергенции и диверея-цни вмещающих пород на весьма тонких пластах/"Техника и технология горного пронззодстаа"//Сб. науч. тр. ИГТМ А!! Украины.- Днепропетровск, 1550.- С. 18 - 19.

2. Антилоп Н.В. Определение допустимых обнажении кровли э прнгзбойноы' пространств«? лав//Известия вузов. Горный журнал.-1991.- Гг 3.- С. 36 - 39.

3.Аытппаз И.В. Оптимизация продолжительности процессов очистных работ//Разраб. месторождения полез, ископаемых: Респ. межвед. науч.-техн. сб.- 1991.- Вып. 90,- С. 23 - 28.

4. Аитгшоэ И.В. Системный подход и его применение в горном деле//Сб. дохл, науч.-мотодич. конф. "Методологические проблемы каукн и техники в условиях ускорения социально-экономического развития".- Донецк, 1588,- С. 113- 114.

5.А:шшоз И.В. Структурный анализ затрзт времени выполнения процессов очистного цикла//Сб. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов угольной промышленности "Системный подход в горном деле. Проблемы, теория, методы".- М, 1991.- С. 28 - 31.

6. Антипов Н.В. Новые принципы крепления лав без присутствия людей//Сб. докл. Всесоюзной науч.-технич. конф. "Система "человек-

•■ машина-среда" в горном деле.Настоящее н будущее".-М.,1990.-С. 110-113.

7. Антнпад И.В. Малооперационная технология отработки весьма тонких пластоа//Сб. дсхл. II семинара в Алма-Ате, 23-27 сентября 1991 г. "Теория и практика комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и обогащения минерального сырья",- М., 1992.- С. 22- 24.

8. Антккоо Н.В. Квазидискретная модель нижнего слоя пород кровли//Сб. докл. X Всесоюзной научной конф. вузов СССР "Физические процессы горного производства".- М., 1991.; С. 46-47..

9. Актинов И.В. Геомеханическая модель прнзабойной части породного массива//Сб. тез. докл. науч.-технич. конф. по завершенным НИР, ч. 1,- Донецк: ДПИ, 1991,- С. 26 - 27.

10. Антиггоз И.В., Корнеев М.В. Моделирование надежности технологических процессов методом группового учета аргументов//Сб. докл. Всесоюзной науч.-технич. конф. "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников".- М., 1990.- С. 202 - 204.

П.Ашгнпов И.В., Ловгжньш С.Ф. Шахтные исследования особенностей взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами/ /Известия вузов. Горный журнал.- 1994.- 3,- С. 45 - 50.

12. Сапицкнй К.Ф., Аитипоз II.B. Современный уровень и перспективы развития механизированных крепей для тонких плас-тов//Известия вузов. Горный журнал,- 1994.- Na 7.- С. 20 - 26.

13. Сапицкнй К.Ф., Airninoa II.B. VI Международный симпозиум в Устронь-Заводже (ПНР) "Некоторые проблемы эксплуатации шахт на больших глубинах"//Уголь Украины.- 1995.- Ш 1.- С.39 - 40.

14-Ярембаы И.Ф., Аитипов И. В. Математическая теория катастроф как методологическое средство моделирования в горном деле/ /Сб. докл. Респ. науч.-методич. конф.. "Научно-техническое творчество: методологические и социально-экономические проблемы".- Донецк, 1990,- С. 31- 33. '

15. Бондарешш Ю.Б., Аптипсв К.В. Имитирование состояний массива горных пород методом конечных элементов//"Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации • высокопроизводительных подземных рудников",- М., 1930.- С. 110 - 111.

16. Боидарсико Ю.Б., Аитипов И.В., Тслмчко В.И. Допустимые обнажения кровли при выемке тонких'пологих пластов//Уголь.- 1991,-№5,-С. 15- 17. • • .

17. Antipov I.V., Jarcmbash I.F. The peculiarities of interaction between powered support and immediate roof in the very thin seams.-International Scientific. Conference on the occasion of 50th anniversary of moving the Technical University from Pribram to Osirava.- P. 74 - 80.

18. Sapicki K.F., Antipov I.V. The present state and the prospects of the development of mechanised wall lining constructions for small seam thickness.- VI Sympozjum "Wybrane probtemy eksploatacji zloz na duzych glebokosciach".- Gliwice, 1994.-P. 95-110.

19-A.c. Ws> 1566043, МКИ E21D 23/10 23/14. Секция механизированной крепи.

Соискатель: И.ВАнтипоз

АНОТАЩЯ

Антипов I.B. Геомехаш'чш та технолопчш осиови створения нового р!вня кршленпь очнсннх вибоТв тонких пологих пласт!в.

Дисерташя на здобуття вченого ступенл доктора техш'чних наук за спещальшстю 05.15.02 - "ГПдземна розробка родов и ш, корисних копалин", Донецышй Державин» техн'ннин ун1верситег, Донсцьк, 1996.

Днсертацшпа робота прнсвячеиа проблем*! вЬр^бки тонких пологих вуплышх пластт в умовах нест!иких пор'щ без носе редньоТ покр!вл1. Виерше експернменталмю в шахтнпх умовах розкрито явище топтания покр'тл! в статичному положешп кртленнл. Встановлено законом1рност! деформуваннп слабких пор1д на контакт! перекрнття прнвкбшного кр'шлепня з покр!влею, а також розроблено нов! принцнпн запоб!ганнп розривних деформацш нестЫких пор!д у привибшному простору лавн. Встановлено та теоретично обгрунтовано рацноналын снлов'| параметрн та режимн взаемодп кртлелнь безступшчастоТ лшатливост'| з пес'шкими породами nonpiBJii очисного вибою. Розроблено технологию кр'шлепня очнсних аибоТв, яка базуеться па застосуваши кртленнь нового pinna та забеспечуе п'щзшденип ефективносп в'щробки топкпх пологих пластш з пестШкнмн покртлямн.

Ключов1 слова: вупльшш пласт, прничий масив, неспика покр1влп, мехашзоване кршлення, технолопя очнсних po6ir, гсомехашчгп процеси.

SUMMARY

Antipov I.V. Geomechanical and technological grounds of Hie new level supports creation in (he longwall faces of the thin scams.

Dissertation is in order to search the Doctor of Technical Sciences degree on speciality 05.15.02 - "Underground mining of useful mineral deposits", the Donetsk State Technical University, Donetsk, 1996.

The dissertation is devoted to the problem of mining of thin flat coal seams under unstable immediate roof conditions. For the first time experimentally under mining conditions the phenomenon of periodic exert an upward forca on immediate roof in stationary state o{ hydraulic support is opened. The regulations of weak rocks deformation on the'contact of the powered support canopy with the immediate roof are established and the new principles of unstable rock fractural deformations preventing in face area arc designed. Rational force parameters and regimes of interaction between unstepwise yielding powered support and unstable rock of longwall are adjusted and theoretically validated. Support setting technology of longwall is worked out. И is used the powered supports of tho new level, ensuring. the effective mining of thin flat coal seams under unstable immediate roof conditions.