автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Методы определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов

На правах рукописи

Турук Юрий Владимирович

Методы определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов

05.05.06 - Горные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новочеркасск 2014

005551795

005551795

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор Сысоев Николай Иванович доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ_

Матвеев Валентин Александрович

Линник Юрий Николаевич

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Государственный университет управления», начальник центра обеспечения научных исследований Рахутин Максим Григорьевич

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», профессор кафедры горные машины и оборудование

Юигмейстер Дмитрий Алексеевич

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», профессор кафедры машиностроения. Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Тульский государственный университет».

Защита диссертации состоится «03» июля 2014г. в 9.00 на заседании диссертационного совета Д 212.304.04, созданного на базе «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 149. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ЮРГПУ(НПИ) НИр://ту^прьШ.ш/тс1ех.рЬг)?1с1=2397. Автореферат разослан /Ф. _

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.С. Исаков

/

Официальные оппоненты:

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Основной задачей предприятий по добыче угля является повышение рентабельности за счет применения прогрессивной техники и технологии. Особенно актуально это для шахт, отрабатывающих тонкие пласты, которые в Российской Федерации составляют около 60% промышленных запасов угля, являющегося высококачественным энергетическим топливом, а также технологическим сырьем в различных отраслях промышленности.

Отечественный и зарубежный опыт, в особенности в Германии, показывает, что наиболее эффективной при отработке тонких пластов является струговая выемка. Наиболее существенным и значительным преимуществом струговой выемки является высокая сортность добываемого угля и возможность существенного снижения, а, как правило - и полного исключения присечек боковых пород, что ведёт к снижению зольности добываемого угля.

Исследованиям проблем комплексной механизации очистных работ посвящены работы многих ученых - Алейникова A.A., Бреннера В.А., Бурчакова

A.C., Бурова Г.Г., Бернацкого В.А., Венера К.-Э., Воскобоева Ф.Н., Гетопанов В.Н., Голода А.Б., Глушко В.Т., Глушихина Ф.П., Давыдянца В.Т., Дмитриева А.П., Докукина A.B., Дубова Е.Д., Зиглина A.A., Игнатьева А.Д., Каткова Г.А., Карленкова A.A., Коровкина Ю.А., Кузнецова Г.Н., Кузнецова С.Т., Кияшко И.А., Лаптева А.Г., Луганцева Б.Б., Матвеева В.А., Мышляева Б.К., Ошерова Б.А., Слепцова A.C., Солода В.И., Солода Г.И., Старичнева В.В., Турова А.П., Хорина

B.Н., Хове X., Шемякина Е.И., Широкова А.П., Ягодкина Г.И., Яковлева Н.И., Ямщикова B.C., Якоби О. и других. Выполненные ими исследования явились основой для разработки как комбайновой, так и струговой техники выемки.

В последние годы были разработаны и прошли шахтные испытания струговые комплексы нового технического уровня, однако производственные показатели их эксплуатации оказались на прежнем уровне, а зачастую были даже ниже ранее достигнутых. Главные причины низкой эффективности эксплуатации новых механизированных комплексов заключаются в больших потерях рабочего времени. К ним следует отнести потери рабочего времени, приводящие к низкому коэффициенту машинного времени выемочных машин в самих очистных забоях из-за низкого уровня адаптивности механизированных крепей к изменениям свойств вмещающих пород, а также высокую трудоемкость крепления сопряжений лав с примыкающими выработками.

Практика применения механизированных комплексов в сложных горногеологических условиях показал, что недостаточное внимание уделялось взаимодействию крепи как с кровлей, так и с почвой в экстремальных ситуациях, и не учитывались особенности струговой выемки.

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

К конструкции механизированной крепи стругового комплекса предъявляются

дополнительные требования в части системы агрегатирования (механизма передвижки), конструкции основания, консольной части перекрытия. Поэтому необходим более тонкий подход к проектированию механизированных крепей струговых комплексов. Без решения вопросов разработки методов расчета силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов дальнейшее развитие струговой выемки невозможно.

Поэтому повышение технической производительности стругового механизированного комплекса на основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных и силовых параметров взаимодействия механизированной крепи и крепи сопряжения с вмещающими породами и выемочной машиной в движущемся очистном забое является актуальной научной проблемой.

Цель работы. Разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов с учетом закономерностей их взаимодействия с вмещающими породами и струговой установкой.

Идея работы заключается в том, что повышение технической производительности стругового механизированного комплекса достигается на основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных параметров механизированной крепи и ее силового взаимодействия с вмещающими породами и струговой установкой в движущемся очистном забое.

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

- разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей при струговой технологии выемки;

- разработка метода и алгоритма прогноза нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое;

- обоснование технических требований и конструкций механизмов передвижки однорядных и двухрядных щитовых секций механизированной крепи;

- обоснование технических требований конструкции механизированной крепи сопряжения при струговой технологии выемки;

- разработка рекомендаций по совершенствованию существующих струговых механизированных комплексов и созданию новых на основе комплексного учета взаимодействия механизированной крепи и крепи сопряжения с вмещающими породами и струговой установкой.

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

Защищаемые научные положения:

1. Повышение технической производительности стругового механизированного комплекса достигается на основе сокращения затрат времени на

непроизводительные операции, связанные с выводом секций крепи из нештатного состояния путем увязки конструктивных параметров механизированной крепи с силовыми параметрами взаимодействия элементов крепи с вмещающими породами и струговой установкой в движущемся очистном забое.

2. Фактическое сопротивление секции крепи зависит не только от сопротивления гидростоек, но и от сил трения, возникающих в их опорах и шарнирах. Учет этих сил объясняет превышение сопротивления однорядной щитовой секции крепи от 12 до 20%, установленное соответствующими стендовыми испытаниями секции крепи в сравнении с результатами расчетов по методике, регламентированной действующим руководящим техническим материалом РТМ.24.007.01.

3. Предельное усилие на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи может быть повышено до 30%, обеспечивая при этом ее устойчивость, за счет применения углового гидродомкрата и выбора рациональных координат установки его опор относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.

4. Выбор типа крепи и параметров основания по критерию давления на почву пласта и при определении рабочего сопротивления секции крепи с учетом вдавливания ее в почву следует производить не по среднему значению как предусматривает ГОСТ Р52152-2003, а по контактному давлению на конце забойной части основания с учетом реальной эпюры распределения напряжений, что исключает возможность проявления потери устойчивости секции крепи.

5. Определения необходимого сопротивления крепи достигается применением усовершенствованной модели прогноза нагруженности на основе уточненной физической картины процесса расслоения кровли пласта при его непрерывной выемке. Расчетные значения данного параметра при этом повышаются до 40 % в сравнении с результатами расчетов по применяемой в настоящее время методике, основанной на рассмотрении статических силовых схем.

6. Необходимое усилие на конце консоли перекрытия струговой секции механизированной крепи для поддержания кровли в призабойной части наиболее точно определяется расчетом с применением сводообразной, а не блочной (как принято) схемы нагружения перекрытия.

Научная новизна работы.

1. Разработаны метод и алгоритм определения фактического сопротивления секции щитовой механизированной крепи с учетом дополнительных сил торможения гидравлических стоек, обусловленных наличием сил трения, возникающих в шарнирах и опорах стоек, что обеспечивает повышение сопротивления однорядной щитовой секции крепи от 12 до 20 %.

2. Впервые разработан метод расчета рациональных координат расположения опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением, обеспечивающих максимальную величину усилий на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи, надежное поддержание кровли в бесстоечном пространстве при струговой выемке и сохраняющих устойчивость секции.

3. Разработаны методы и алгоритмы расчета контактных давлений,

передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций механизированных крепей, впервые учитывающие эпюру распределения контактных напряжений и позволяющие устанавливать критерии потери устойчивости секции крепи.

4. Впервые с учетом значительной вариации параметров, характеризующих геомеханические процессы в кровле движущегося очистного забоя, разработаны математическая модель и алгоритм более точного прогноза нагружености механизированной крепи.

5. Впервые предложено величину усилия на конце управляемой консоли перекрытия секции механизированной крепи стругового комплекса определять в зависимости от действия веса обрушенных пород кровли при сводообразной схеме нарушения, как адекватно описывающей наиболее тяжелые условия работы крепи, и принимать ее в качестве расчетной. В сравнении с аналогичной величиной, регламентируемой ГОСТ Р52151 для пластов мощностью до 2 м, рассчитанная таким образом величина усилия на конце управляемой консоли перекрытия почти в два раза выше.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: анализом фактических технико-экономических показателей работы очистных забоев с новой техникой и представительного объема хронометражных наблюдений; применением методов теоретической механики, механики горных пород и расчета балок и плит на упругом основании; инженерно-техническими проработками и решениями, а также положительными результатами их реализации в опытных образцах механизированных крепей.

Практическое значение работы заключается в разработке:

1. Методик расчета фактического сопротивления и усилий в рычагах заднего ограждения щитовых механизированных крепей с однорядным и двухрядным расположением стоек.

2. Методик расчета усилий консольной части однорядной щитовой секции крепи.

3. Методик расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций.

4. Механизмов передвижки однорядной щитовой секции крепи с основанием катамаранного типа и двухрядной щитовой секции крепи со сплошным жестким основанием.

5. Крепи сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования.

6. Методики прогноза нагружености механизированной крепи в движущемся очистном забое.

7. Технических заданий на усовершенствованный струговый механизированный комплекс и крепь сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования.

Реализация работы. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда».

Основные положения и результаты диссертационной работы использованы ОАО «ШахтНИУИ» при разработке технических требований на комплекс очистной механизированный струговый МКС с участием автора.

По разработанным методикам определены оптимальные параметры секции крепи КС и крепи механизированной 2КТК в части управляемой консоли перекрытия, расположения углового гидродомкрата и основания.

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

Изготовленный опытный образец крепи механизированной 2КТК прошел приемочные испытания в составе комплекса 2МКС216 в условиях ОАО «ШУ «Обуховская» и рекомендован к серийному производству.

На прошедшей в июне 2005 г. в г. Новокузнецке кузбасской ярмарке «Уголь России и Майнинг 2005» крепь механизированная 2КТК удостоена Диплома.

Разработано и утверждено ОАО «ШахтНИУИ» техническое задание на усовершенствованный струговый механизированный комплекс.

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

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (2005-2013 г.г.); на Всероссийской конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования». Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ) - 2011; на президиуме ЮРО АГН РФ (2012 г.), на ученом совете ОАО «ШахтНИУИ» (2013 г.); на научно-практических конференциях Шахтинского института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова (2005-2013 г.г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 46 печатных работах, в том числе 11 статей в изданиях включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, включенных ВАК России в список изданий рекомендованных для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата и доктора наук, 3 патента на полезную модель, 3 монографии.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 123 наименований, изложена на 250 страницах машинописного текста и приложений на 73 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, подтверждающей необходимость разработки методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов, сформулированы цель, задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту, показана их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе дана оценка техники выемки тонких пластов угля,

выполнен анализ механизированных крепей и крепей сопряжения современного технического уровня, а также анализ существующих методов расчета механизированных крепей очистных забоев.

Одной из основных задач угледобывающих шахт Российской Федерации является повышение их экономической эффективности за счет интенсивного внедрения новых прогрессивных технологий и техники подземной добычи угля.

Основными составляющими повышения экономической эффективности выемки тонких пластов являются: улучшение качества добываемых углей за счет увеличения сортности и исключения присечек боковых пород; снижение доли затрат на подготовительные работы и концевые операции; обеспечение нагрузки на лаву более 3000 т/сутки.

Наиболее распространенная в настоящее время комбайновая технология ведения очистных работ зачастую ставит забои на тонких пластах в разряд недостаточно эффективных из-за низких нагрузок.

Наглядным свидетельством этого являются показатели работы очистных забоев ряда шахт Российского Донбасса. Так на шахтах ОАО «Гуковуголь» в 2007-2009 г.г. эксплуатировались комбайновые комплексы в составе комбайна КХ38245 и крепи ЗКД90Т с нагрузкой 1544 т/сут. (шахта «Алмазная»), комбайна МВ320Е и крепи КМР с нагрузкой 1108 т/сут. (ОАО «ШУ «Обуховская»), комбайна УКД250 и крепи 1КД80 с нагрузкой 849 т/сут. (шахта «Замчаловская), комбайна МВ280Е и крепи 2КД90Т с нагрузкой 1124 т/сут (шахта «Дальняя).

Известно, что основными техническими и экономическими преимуществами струговой технологии ведения очистных работ в сравнении с комбайновой являютя: возможность повышения концентрации горных работ, достижение высоких темпов подвигания линии очистного забоя и получения за счет этого высоких нагрузок на забой; повышение качества добываемого угля за счет увеличения сортности и снижения зольности; более высокий уровень безопасности при отработке пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

По укрупненной оценке на действующих шахтах Российской Федерации рекомендуемая область применения технологии струговой выемки угля включает 42 шахтопласта с промышленными запасами 665 млн. т.

Это составляет примерно 30% запасов углей на пологих угольных пластах, залегающих в основных бассейнах Российской Федерации. Основной объем запасов, пригодных к струговой технологии выемки угольных пластов находится в Кузбассе и составляет 364,4 млн. т. (или 54,8% от общего объема запасов). На долю Российского Донбасса приходится 221,2 млн.т. (33,3%).

Одним из главных сдерживающих факторов внедрения и эффективного использования струговых механизированных комплексов агрегатированного типа являлся недостаточный учет специфики струговой технологии выемки при создании струговой механизированной крепи. В струговом механизированном комплексе система агрегатирования (механизм передвижки) механизированной крепи с конвейером струговой установки является специфической, так как обеспечивает постоянное прижатие конвейера к забою при строгании и периодическую передвижку крепи.

При этом конструкция основания секции крепи должна обеспечивать максимальное снижение контактных давлений на почву пласта и работу системы агрегатирования в условиях слабых почв и порогов. Кроме того, наличие значительного незакрепленного пространства в зоне передвижки секций крепи в струговых очистных забоях предъявляет дополнительные требования к силовым и конструктивным параметрам консольной части перекрытия механизированной крепи.

В последние годы при создании механизированных комплексов для очистных забоев определилась тенденция к переходу на секции крепи с однорядным расположением стоек. При этом создание крепи с однорядным расположением стоек привело к увеличению расстояния от забоя до равнодействующей сопротивления крепи, что негативно сказывается на поддержании первичных обнажений кровли.

Дальнейшее повышение производительности труда в очистных забоях сдерживается рядом трудоемких операций на концевых участках лав.

К особенно трудоемким относятся работы, связанные с обеспечением закрепления рабочего пространства в местах сопряжений очистного забоя со штреками, в частности, в зоне расположения и передвижки приводных головок забойного конвейера и поддержания штрековой крепи.

При этом трудоемкость концевых операций остается довольно высокой и составляет 15 - 30% общей трудоемкости работ в комплексно-механизированных забоях.

Выполненный анализ показывает, что существующие механизированные крепи сопряжений не соответствуют в полном объеме струговой выемке.

Известные методы расчета равнодействующей сопротивления секции крепи учитывают лишь силу трения перекрытия о породы кровли и не учитывают силы трения, возникающие в шарнирах четырехзвенника заднего ограждения с перекрытием и опорах стоек. В действующей в отрасли нормативно-технической документации (РТМ 24.007.01) отсутствует схема взаимодействия перекрытия и основания с боковыми породами и расчетная схема однорядной щитовой секции механизированной крепи.

В однорядной поддерживающе-оградительной щитовой секции крепи усилие на конце консоли перекрытия зависит не только от усилия углового гидродомкрата, но и направления его приложения, т.е. расположения опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением. При этом несоответствие усилия на конце консоли усилию от веса секции приведет к потере ее устойчивости.

В настоящее время для однорядных щитовых секций крепи не существует методики расчета сопротивления консоли (усилия на конце консоли) учитывающей направление приложения усилия углового гидродомкрата.

Поэтому необходимость проведения исследований и разработки методики расчета усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия углового гидродомкрата не вызывает сомнений.

Сопротивление механизированной крепи очистного забоя является одной из важнейших характеристик, так как оно в значительной мере определяет состояние кровель в очистных забоях, а следовательно, безопасность и эффективность

очистных работ.

Определение необходимого сопротивления крепи для четырех типов кровель угольных пластов, выделенных в «Руководстве по управлению горным давлением на выемочных участках шахт Восточного Донбасса» сводится к рассмотрению статических силовых схем, характерных для конкретных типов кровель.

В работах О. Якоби, Ю.А. Коровкина представлены схемы взаимодействия перекрытий и оснований с боковыми породами и расчетные схемы ряда секций механизированных крепей, по которым определяются равнодействующая сопротивления, а в РТМ 24.007.01 кроме этого реакция оснований на почву пласта.

Регламентируемые ГОСТ Р52152-2003 значения давлений, создаваемых секциями крепи, на почву пласта являются средними и не могут быть применены в качестве критерия выбора секций крепи по этому фактору. Математическая модель Ю.П. Золотарева не учитывает усилий, действующих со стороны рычагов четырехзвенника заднего ограждения, которые приложены к завальной части основания и составляют 20 - 50 % от усилия гидростоек.

РТМ 12.44.056-85 «Методы расчета распределения сопротивления механизированных крепей по ширине рабочего пространства» предусматривает сопоставление результатов расчета распределения сопротивления механизированных крепей на стадии их проектирования с регламентированными требованиями к сопротивлению и корректировку параметров перекрытий. При этом отсутствует определение ожидаемых нагрузок как на конце консоли перекрытия, так и на секцию в целом.

Вторая глава посвящена исследованиям и разработке методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов, а именно: фактического сопротивления для конкретных горногеологических условий; усилия на конце консоли однорядной щитовой секции крепи; контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями секций крепи.

Разработанный метод определения сопротивления секций крепи с учетом сил трения в шарнирах и опорах стоек позволяет впервые определить фактическое сопротивление для конкретных горно-геологических условий, обеспечивая при этом оптимальный для струговой выемки отжим угля.

Уравнения для определения равнодействующей сопротивления однорядной щитовой секции механизированной крепи (рисунок 1) имеют вид:

2Х = -2Р| -siny, +2Т, - sinУз + 2Т2 -siny4 + Fx =0;

SY = 2P, - cosy, +2Т, -cosy3 + 2T2 -cosy4 - R = 0;

Ет(С)слева = 2P1 ' b ' C0SYl " 2P1 ' (h3 -h,)siny, + ?2 • 14 • COSy2 +

+ P2 -(h2 -h3)-siny2 + FT • h3 -R • a = 0;

2т(С)справа = 2T1 ' ^ ' С0Б(ф- Уз)+ 2T2 • (l5 + 16)- COs(q> - y4)-

-P2 -h4 -sin(ys -ip)-P2 -17 -cos(y5 -ф)=0. где: R - равнодействующая сопротивления, кН; a - координата приложения равнодействующей сопротивления R, м; 2Pi и Р2 - сопротивление соответственно

двух стоек секции крепи и углового гидродомкрата, кН; 2ТЬ 2Т2 - усилие соответственно в двух передних и в двух задних рычагах заднего ограждения, кН; Ер = • Я - сила трения, кН;

здесь: Г = (0,15 - 0,4) - коэффициент трения стали о породы кровли в зависимости от влажности пород;

12, 14, 15, 16, 17, Ь|, Ь2, Из, Ь4, ф, уь у2, уз, у4, у5 - геометрические параметры секции крепи, м и град, соответственно.

Рисунок 1 — Расчетная схема нагружения однорядной щитовой секции механизированной крепи.

В представленной методике учитывалась лишь сила трения перекрытия о породы кровли и не учитывались силы трения, возникающие в шарнирах четырехзвенника, соединения заднего ограждения с перекрытием, углового гидродомкрата и опорах стоек.

Сумма моментов сил трения однорядной щитовой секции крепи (рисунок 2): м = м фЛ + М.ф, + 2Мф, + 2М„ + 2М 1р5 + (2)

где: Мтр|, Мтр2, Мтр3, Мтр4, М^, М^ - моменты сил трения соответственно штоков стоек в опорах перекрытия, цилиндров стоек в опорах основания, в шарнирах углового гидродомкрата, в шарнирах рычагов заднего ограждения и в шарнире, соединяющем заднее ограждение с перекрытием.

Рисунок 2 - Схема моментов сил трения однорядной щитовой

секции крепи.

Сопротивление секции крепи от моментов сил трения в шарнирных соединениях и опорах стоек:

Я^-^.Н (3)

а

Следовательно общее сопротивление однорядной щитовой секции крепи определится по формуле:

= К + = К + (4)

а

В качестве примера выполнен расчет однорядной щитовой секции крепи КМР, производства ЗАО «Ростовгормаш». На рисунке 3 представлена зависимость превышения фактического сопротивления секции крепи с учетом сил трения в шарнирах и опорах стоек от высоты секции крепи КМР.

Н, мм

80!) 1000 1.100 14.10

Рисунок 3 — Зависимость превышения фактического сопротивления с учетом сил трения в шарнирах и опорах стоек от высоты секции крепи КМР.

Результаты проведенных стендовых испытаний однорядной щитовой секции крепи КМР испытательной лабораторией ОАО «ШахтНИУИ» показали, что полученные при испытании значения сопротивления секции крепи 4950 кН, значительно превышают полученные расчетным путем без учета сил трения в шарнирах и опорах стоек - 4280 кН. В процентном отношении превышение составляет 15,6%.

Результаты стендовых испытаний однорядной щитовой секции крепи КС показали, что полученные при испытании значения сопротивления секции крепи 3900 кН. значительно превышают полученные расчетным путем без учета сил трения в шарнирах и опорах стоек - 3225 кН. В процентном отношении превышение составляет 17,3%.

Разработанный метод расчета усилия на конце консоли однорядной щитовой секции крепи впервые обеспечил возможность повышения этого параметра путем выбора рациональных координат опор углового гидродомкрата, обеспечивающего надежное поддержание кровли в бесстоечном призабойном пространстве при струговой выемке.

Уравнения для определения усилия Р0у на конце консоли (рисунок 4):

1х = 2Т, -51пуз +2Т2-Б1пу4 — К-51пу, =0;

2у = 2Т, -со5у3+2Т2-со5у4-Р0у ч-Л-сову,-в,-02 =0

2тАслева=Р2'|4-СО8у2+Р2-(Ь2-Ьз)-51пу2-Р0у-(11+12)+Р-12-СО5У1-

-И-(Ь3 -Ь|)-5ту, -в, -13 =0;

ХтАсправа=2Тг1б-соз(ф-Уз)+2Т2-(16 + 17)-со5(ф-у4)+Р2-18-со<у5-ф)+

+ Р2 • Ь4 -5т(у5 -ф)-02 -19 -С05ф+02 -¡15 -зшф = 0;

перекрытия однорядной щитовой секции крепи от координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.

где: Р0у- усилие на конце управляемой консоли, кН; R- реакция опор стоек, кН; G,-сила тяжести перекрытия в сборе с консолью, выдвижными щитами и, расположенными на нем элементами гидрооборудования секции, кН; G2 - сила тяжести заднего ограждения с выдвижными щитами и рычагами, кН; 1ь b, Ь, Ц, 1б, b> Is, Ь, hi, h2, h3, h4, h5,ep, Y), y2, y5, y3, y4, y5- геометрические параметры секции крепи, м и град, соответственно.

Из представленной на рисунке 5 зависимости определены оптимальные параметры расположения опор углового гидродомкрата секции крепи КС , 1, 400мм ,

( — =- ), при п2 и h4 = const, ооеспечивающие максимальную величину

600мм

Н. мм

Рисунок 5 - Зависимость усилия на конце консоли перекрытия от координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей

перекрытие с задним ограждением ( —) и высоты секции крепи КС.

На повышение технической производительности стругового комплекса существенное влияние оказывает взаимодействие оснований секций крепи с породами почвы, при котором носки оснований не должны внедряться в почву, а при передвижке не происходило их «запахивание»

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

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

В работе рассматриваются взаимодействия оснований однорядной секции крепи, состоящей из двух балок и двухрядной - из одной плиты. Основания секций механизированных крепей, расположенные на непосредственной почве пласта, рассматриваются как балки или плиты лежащие на упругом основании. Каждая из балок двухбалочного основания представляет собой упругий брус, деформирующийся по длине от действия сосредоточенных нагрузок стойки и двух рычагов, приложенных к ее продольной оси. Основание, состоящее из одной балки, рассматривается как плита, нагруженная несколькими силами, приложенными вдоль балки симметрично оси. Непосредственная почва пласта рассматривается как однородная упругая среда, характеризуемая модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Такой подход принят по результатам исследований взаимодействия секций механизированных крепей с боковыми породами, проведенными в нашей стране и в ФРГ.

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

где: х - расстояние точки, в которой определяется значение Рх до забойного конца балки основания; Ь - длина балки основания, м; ао, Э|, аг, а3 — параметры, значения которых зависят от жесткости балки основания, ее длины, модуля деформации балки основания, характера нагрузки, характеристик деформации почвы пласта.

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

Из полученных зависимостей (рисунок 6) следует, что контактные давления на концах забойной и завальной частях основания весьма существенно зависят от соотношения их размеров. Так, при отношении длины забойной части основания к длине завальной части меньше единицы Ью6/Ьзав < 1 (КМПС и М137С) контактные давления на конце забойной части основания составляют соответственно 3,41 МПа и 2,85 МПа, а на завальной - 1,5 МПа и 1,9 МПа. При отношении Ьмб/Ьзав > 1

(КС) контактные давления на конце забойной части основания составляют 2,26 МПа, а на завальной 2,64 МПа.

3,5 3,0

2,0 1,0

,ру

ч Ч _1_

Л..ЧЧЧ

—---------- X Л

1 - секции крепи КС - 1заб/1згв = 1170/975 мм; 2 - секции крепи КМПС - 130б/1зав — 1000/1420 мм; 3 - секции крепи М137С - 1за5/1зав = 980/1240 мм;

Рисунок 6 - Графики контактных давлений, передаваемых на почву пласта балками основания однорядных щитовых секций крепи КС, КМПС, М137С в зависимости

от длины основания.

Расчет контактных давлений на почву пласта основанием двухрядной щитовой секции механизированной крепи (рисунок 7), состоящим из одной балки (плиты), целесообразно производить методом преобразования систем приложенных сил. Суть этого способа заключается в преобразовании исходной системы пространственно расположенных сил, направленных под углом к основанию секции крепи, в эквивалентную систему нескольких сил, расположенных по продольной оси основания, и двух сосредоточенных моментов, изгибающих поперечную ось основания секции крепи (рисунок 8). Фактические значения контактных давлений определяются суммой контактных давлений от сосредоточенных сил и изгибающих моментов в соответствующих точках основания.

Рисунок 7 - Расчетная схема для определения контактных давлений на почву пласта, передаваемых основанием двухрядной щитовой секции крепи.

Рисунок 8 - Преобразованная схема для определения контактных давлений, передаваемых на почву основанием двухрядной щитовой секции крепи.

Из полученных в результате исследований зависимостей (рисунок 9) следует, что контактные давления на конце забойной части основания двухрядной щитовой секции крепи КД 90ТС, состоящего из одной балки значительно (в несколько раз) превышают контактные давления на конце завальной части основания. Поэтому применение двухрядной секции крепи, основание которой состоит из одной балки в условиях слабых почв не целесообразно.

i Рх_МТТа

\ 1 чЧ 2 X L

0.2 0,4 0,6 0,8 ^

1 - длина забойной части основания 500 мм;

2 - длина забойной части основания 850 мм.

Рисунок 9 - Графики контактных давлений Рх, передаваемых на почву пласта основанием двухрядной щитовой секции крепи КД90ТС, в зависимости от длины

основания.

Выполненные исследования позволили установить, что выбор типа крепи по давлению на почву пласта следует производить не по среднему значению, как предусматривает ГОСТ Р52152-2003, а по контактному давлению на конце забойной части основания, это же нужно учитывать и при определении рабочего сопротивления секции крепи при вдавливании ее в почву.

Третья глава посвящена исследованиям нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое и способов крепления сопряжений лав с примыкающими выработками.

Геомеханические процессы в кровле очистного забоя характеризуются значительной динамикой и в проявлениях горного давления основную роль играет динамическая составляющая: изменения смещений пород и нагрузок на крепь происходят с каждым циклом выемки угля.

Полные опускания кровли в пределах призабойного пространства слагаются из опусканий за счет сжатия угольного пласта в области опорного давления и опусканий в пределах призабойного пространства, которые определяются кинематикой и режимами передачи нагрузок на крепь обрушающимися слоями активной толщи кровли

U = U +U , (7)

к д

где: U - общее опускание кровли на границе призабойного пространства; UK -опускание кровли от сжатия пласта в области опорного давления (континуальная составляющая); ид - опускание кровли от нагружения ее нижних слоев и крепи силами веса активной толщи кровли (динамическая составляющая).

Континуальная составляющая смещений кровли U„ может быть приближенно определена исходя из линейной схемы их возрастания в сторону выработанного пространства от точки начала изгиба нижнего слоя: m у • Н • к • (а + Ь)

U =—-Ü--(8)

К а-Е

пр

где: щ - мощность пласта, м; у - объемный вес пород, кН/м3; Н - глубина работ, м; к„ - коэффициент концентрации напряжений в зоне опорного давления; а -расстояние от забоя до точки начала интенсивных опусканий кровли в массиве, м; b - ширина призабойного пространства, м; Е„р - модуль пропорциональности деформаций пласта в зоне отжима, кПа.

Коэффициент концентраций напряжений к„ по наблюдениям в натурных условиях и на моделях изменяется в пределах от 1,5 до 5 и зависит в основном от длины зависающих консолей пород кровли, т.е. от фазы циклов их обрушений.

Расстояние от забоя до точки начала интенсивных смещений кровли в массиве по данным наблюдений колеблется в пределах от 1 до 4 мощностей пласта и сильно зависит от его деформационных свойств. В связи со сказанным выше эти величины определяются по формулам:

к =5-3.5 — а р

-Р . max rnm

пр

-1.2-10

2.27-1(Г

m,

(9)

и Р„

где: Р, - сопротивление крепи на момент ¡-го цикла выемки, кПа; Ргг минимально и максимально наблюдаемые величины сопротивления крепи в очистном забое, обусловленные кинематикой и силовым взаимодействием блоков кровли, кПа.

Вторая составляющая смещений кровли в призабойном пространстве формируется в результате процессов обломов и обрушения всех слоев активной толщи кровли (рисунок 10).

Рисунок 10 - Схема взаимодействия блоков слоистой кровли и механизированной крепи в движущемся очистном забое.

Слои пород, которые разбиваются на блоки длиной менее ширины призабойного пространства, передают нагрузку на крепь или нижележащие слои от собственного веса полностью.

Нагрузка, передающаяся на крепь непосредственно от нижних слоев, определяется по формуле:

„'

РН=2>Ь„ (10)

1=1

где: п1 - номер последнего слоя (снизу вверх) с короткоблочным обрушением; И„ у, - мощность и объемный вес пород ¡-го слоя, м и кН/м\

При выходе линии излома блока основной кровли к границе выработанного пространства на крепь будет передаваться половина нагрузки

от блока у (й - вес блока).

Зависимость моментных нагрузок на крепь от величины ограниченного опускания кровли на границе призабойного пространства при обрушении очередного блока основной кровли определяется формулой

где: Ь - ширина призабойного пространства, м; Ь| - длина обрушившегося блока, м; уд - допускаемое (виртуальное) опускание кровли на границе призабойного пространства; у! - максимально возможное опускание блока кровли в створе границы призабойного пространства; п' - номер последнего слоя, полностью передающего свой вес на крепь (с короткоблочным разрушением); п" - номер последнего слоя, передающего моментную нагрузку от блоков на крепь.

Используя рассмотренные выражения в качестве основы для построения математической модели этих процессов, получаем возможность формирования зависимостей необходимого сопротивления крепи от смещения кровли на границе призабойного пространства по завершении каждого цикла выемки пласта Р = 1Г(1)) . При этом сопротивление крепи должно включать как моментную нагрузку от обрушения длинных блоков так и непосредственную нагрузку от нижних слоев кровли, разрушающихся на короткие блоки:

Р = Р„ + Р„. (12)

На рисунке 11 представлен фрагмент реализации программы прогноза нагрузки на крепь в очистном забое в конкретных условиях отработки угольного пласта т8' на шахте «Садкинская» в очистном забое, оборудованном механизированным комплексом с крепью ЗКД90, имеющей средний уровень номинального сопротивления 470 кН/м2.

Для получения исходных данных для реализации математической модели был использован метод геоакустических спектральных исследований, в котором в качестве информационных параметров используются аплитудно-частотные характеристики спектра акустического сигнала. Измерения проводились аппаратурно-измерительным комплексом акустической резонансной

дефектоскопии, представляющим собой сочетание шахтного регистрирующего прибора, лабораторного анализатора спектра и методики интерпретации.

чащргч т «г&ь

¡5 47 ¿J 4Р 50 51 52 55 Si 55 56 57 ulK/tfi

A

---V-10%

- - V-30% ---V40%

Рисунок 11 - Фрагмент реализации программы прогноза нагрузки на крепь в очистном забое.

Исходные данные для реализации математической модели нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое при отработке угольного пласта т8' на шахте «Садкинская» получены сотрудниками ОАО «Ростовуголь» с участием автора.

Как видно из рисунка 11 нагрузки на крепь и опускание кровли меняются от цикла к циклу выемки в широком диапазоне (разница достигает 80%). Такой более точный прогноз проявлений горного давления в очистном забое в конкретных условиях отработки угольного пласта дает возможность существенно (до 40%) повысить точность определения необходимого сопротивления крепи.

Существующая методика расчета усилия на конце управляемой консоли перекрытия не учитывает реальных значений усилия при переходе секциями крепи зон геологических нарушений. Обоснована необходимость принятия в качестве критерия определения необходимого усилия на конце управляемой консоли нагрузки на консоль от обрушенных пород при двух схемах нарушения кровли -блочной и сводообразной. Последняя имитирует наиболее тяжелые условия работы крепи и может быть рекомендована в качестве универсальной.

В структурах слабых или тонкослоистых пород в непосредственной кровле образуются вывалы сводчатой формы, нагрузки на крепь от которых рассчитываются по теории сводообразования, предложенной М.М. Протодьяконовым. Жесткими опорами для свода естественного равновесия можно считать конец жесткой части перекрытия крепи с одной стороны и угольный массив забоя - с другой (рисунок 12).

Нагрузка на управляемую консоль от обрушенных пород определяется по формуле:

„ 4 (d/2)2 ,, ....

Р = — • У„ -—-t, кН; (13)

3 f

где: t - шаг расстановки секций крепи, м; у0 - удельный вес пород кровли, кН/м ; f = tgp - коэффициент внутреннего трения для слабых нарушенных сланцев в

зонах геологических нарушений, у которых угол внутреннего трения р «20 - 25°.

Расчетами, проведенными в настоящей работе установлено, что при сводчатой форме вывалов, длине управляемой консоли 1, = 1,2 м и ширине захвата или шаге передвижки секций 1шз= 0,7м общий вес пород внутри свода составляет 135 - 172 кН.

Поскольку центр тяжести этой нагрузки смещен от конца консоли в сторону жесткой части перекрытия, а в методиках расчета усилий по РТМ и характеристиках крепи фигурирует нагрузка на конец консоли, то в пересчете на этот параметр по уравнению моментов развиваемое усилие на конце консоли должно находиться в пределах от 124 до 158 кН, что значительно превышает значения, регламентированные ГОСТ Р52152-2003 (75 кН).

Из всего многообразия режимов взаимодействия секций механизированной крепи с кровлей в очистных забоях наиболее полно проявляющими преимущества современных типов крепи являются случаи, когда в кровле залегают структуры пород, склонные к разрушению в виде крутонаклонных блоков в пределах призабойного пространства (рисунок 13).

Рисунок 13 - Блочная схема определения нагрузки на консоль.

Рисунок 12 - Сводчатая схема определения нагрузки на консоль.

Условие равновесия сил можно записать в форме равенства суммы их моментов нулю. В качестве точки, вокруг которой создаются моменты сил, целесообразно принять верхнюю дальнюю от забоя точку О, поскольку в этой точке обеспечивается наиболее жесткая опора блока из-за тенденции вышележащих пород кровли к смещениям вниз в призабойном пространстве. Силой, стремящейся повернуть блок против часовой стрелки является вес блока в.

Силами, препятствующими этому повороту являются сила прижатия конца консоли Рк и сила внутреннего трения Т по плоскости возможного разлома.

р =_уЬ'Ь[Ь-1В(90-Р) + Ь]____(14)

" 2[ И^(90-Р) + Ь-с1 + Ь-со5Р^р-5тР ] где: Ь - ширина блока в направлении движения забоя, м; Ь - высота яруса кровли, в котором образуются блоки, м; (3 - угол наклона плоскостей разлома блоков, град.; р — угол внутреннего трения пород кровли, град.; у - объемный вес пород блоков. кН/м3.

Расчетами, проведенными в настоящей работе установлено, что усилие на конце консоли должно быть в пределах 40-134 кН на одну секцию в диапазоне высоты яруса расчленения кровли на блоки от 1 до 4 м.

В соответствии с ранее действующим ГОСТ 15852-82 удельное сопротивление крепи на 1 м длины лавы или сопротивление крепи для управления кровлей вычислялось по формуле:

РУ=Р(Л (15)

где: I - шаг установки секций крепи, м; Р0 - несущая способность при рабочем сопротивлении последнего от забоя ряда стоек секции крепи или последнего и предыдущего рядов стоек, если расстояние между ними не более 0,6 м, кН.

Интерес представляет опыт эксплуатации механизированной крепи 2КТК в условиях пласта К: ОАО «ШУ «Обуховская». В соответствии с ГОСТ Р52152 сопротивление крепи для управления кровлей составляло 2115 кН/м, что значительно выше требуемого 1620 кН/м в указанных условиях. Однако наблюдалось частое срабатывание и выход из строя предохранительных клапанов гидростоек и посадка секций крепи «нажестко». В секции крепи 2КТК расстояние между рядами стоек составляет 950 мм. Следовательно в соответствии с ранее действующим ГОСТ 15852-82 сопротивление крепи для управления кровлей должно быть рассчитано исходя из несущей способности при рабочем сопротивлении последнего от забоя ряда стоек секции крепи, т.е. Ру должно составлять 1057,3 кН/м, что значительно меньше требуемого 1620 кН/м.

Известно, что трудоемкость концевых операций составляет 15 - 30% общей трудоемкости работ в комплексно-механизированных забоях. К особенно трудоемким относятся работы, связанные с обеспечением закрепления рабочего пространства в местах сопряжений очистного забоя со штреками, в частности, в зоне расположения и передвижки приводных станций забойного конвейера и поддержания штрековой крепи. Снижение трудоемкости крепления сопряжения лавы с прилегающей выработкой следует вести в направлении сокращения количества выполняемых операций и их продолжительности путем совершенствования способов крепления и упрощения крепи сопряжения.

Поэтому задача механизации работ по креплению рабочего пространства в местах сопряжений очистного забоя со штреками является одной из важнейших для комплексно-механизированных очистных забоев.

К сопряжению лавы с вентиляционной выработкой предъявляются меньшие требования, чем к сопряжению с транспортной. Как правило, эти требования выражаются в обеспечении достаточного сечения для прохода воздуха и соблюдении минимальных зазоров для передвижения людей. К сопряжению с транспортным штреком требования значительно жестче. Необходимо соблюдение регламентированных зазоров между крепью и установленным на сопряжении оборудованием; обеспечение достаточного сечения для проветривания очистного забоя; выполнение работ по подхватыванию верхняков крепи штрека в зоне створа лавы при снятии боковых стоек; если выработка сохраняется, то для ее повторного использования в качестве вентиляционной для следующего выемочного столба, должны выполняться необходимые мероприятия по возведению охранного сооружения. Сопряжение лавы с транспортной выработкой характеризуется

высокой концентрацией работ, загромождением пространства оборудованием, что ухудшает безопасность работ и увеличивает число несчастных случаев на сопряжении.

Установлено, что для струговой выемки наиболее перспективными являются комплектные поддерживающие крепи сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования и поддерживающе-оградительные для погашаемых выработок.

Обоснованы и разработаны технические требования к крепи сопряжения.

Четвертая глава посвящена разработке рекомендаций по совершенствованию существующих и разработке новых струговых комплексов в части силовых и конструктивных параметров, механизмов передвижки струговых секций, крепи сопряжения, дана оценка эффективности стругового комплекса за счет снижения технологических перерывов.

Одним из основных факторов повышения производительности стругового комплекса является коэффициент машинного времени, на повышение которого существенное влияние оказывает трудоемкость концевых операций и силовая и кинематическая связь секций крепи с конвейером струговой установки.

К системам связей секций механизированной крепи с конвейером струговой установки предъявляются сложные и противоречивые требования. С одной стороны, необходимо максимально снизить силовое воздействие секции на конвейер и обеспечить возможность некоторого смещения его относительно секций крепи, а с другой - должно быть обеспечено конкретное усилие подачи исполнительного органа для разрушения угля.

Исходя из этого для обеспечения надежности функционирования системы агрегатирования необходимо обеспечить податливость соединения механизма передвижки секции крепи и забойного конвейера в плоскости пласта. В то же время для удержания конвейерного става от сползания, а также для перераспределения межрештачных зазоров, указанное соединение должно обеспечивать заданное усилие удержания со стабилизирующим эффектом.

Анализ результатов исследований показывает, что для большинства существующих типов крепей присущи схождение или расхождение секций при их передвижке, сползание крепи и как следствие искривление ее «фронта» и положения конвейерного става.

Поэтому система агрегатирования секции крепи с конвейером должна предусматривать ориентирующие механизмы, обеспечивающие установку секции крепи в конце передвижки в заданное положение, по отношению к конвейеру. Практика эксплуатации струговых механизированных комплексов показывает, что требования, предъявляемые к силовым и кинематическим связям струговой установки и крепи наиболее полно обеспечивает механизм передвижки секции крепи с упругими направляющими элементами (штангами).

По результатам исследования силовых и кинематических связей секций крепи с конвейером струговой установки разработаны механизмы передвижки однорядной щитовой секции крепи с основанием катамаранного типа и двухрядной щитовой секции крепи со сплошным основанием (патенты РФ на полезную модель ГШ 114724 МПК Е2Ш 23/08 и 1Ш 132491 МПК Е2Ш 23/08), представленные на

рисунках 14 и 15.

Рисунок 14 - Устройство для передвижки Рисунок 15 - Устройство для передвижки

однорядной щитовой секции двухрядной щитовой секции

механизированной крепи и перемещения механизированной крепи и перемещения

забойного конвейера струговой забойного конвейера струговой

установки. установки.

Представленное на рисунке 14 устройство обеспечивает секции крепи преодоление «порогов» в почве пласта более 200 мм, что значительно повышает эффективность работы стругового механизированного комплекса в сложных горногеологических условиях.

Представленные устройства обеспечивают удержание конвейера от сползания по падению пласта, направленное передвижение секции крепи и ее фиксирование в конечном положении, что значительно повышает надежность и эффективность работы стругового механизированного комплекса.

Обоснованы конструктивная схема, основные параметры и разработаны техническое задание и конструкция механизированной крепи сопряжения КС для работы в выработках сохраняемых для повторного использования. Получен патент РФ на полезную модель Яи 123065 МПК Е2Ш 11/00 (рисунок 16).

1 - секция основная; 2 - секция вспомогательная; 3 - балка секции вспомогательной; 4 - пенал; 5 - верхняк; 6 - стойка; 7 - опора подвижная; 8 - опора неподвижная; 9 - рама поворотная; 10 - турель; 11 - балка; 12 - стойка подъема балки; 13 - проставха; 14 - механизм передвижки; 15 - гндродомкрат передвижки

Рисунок 16 - Крепь сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования.

Представленная крепь сопряжения, соответствует техническим требованиям к механизированным крепям сопряжения при струговой технологии выемки, в частности обеспечивается регулировка приводной головки забойного конвейера по высоте бермы, отслеживание лавы по углам ее падения ± 25° и разворота ±10°.

По результатам выполненных исследований даны рекомендации по совершенствованию существующих струговых механизированных комплексов в части механизированных крепей и крепления сопряжения лав с прилегающими выработками, разработаны технические требования на струговый механизированный комплекс.

Одной из основных причин низкой эффективности работы отечественных струговых механизированных комплексов является большая потеря рабочего времени в самих очистных забоях, связанная с процессом управления кровлей.

Выполнен расчет среднесменной производительности очистного забоя лавы №201 шахты «Октябрьская-Южная», оборудованного струговым механизированным комплексом «Дон-Фалия» фирмы ДВТ.

Установлено, что увеличение сменной производительности за счет снижения технологического перерыва, связанного с передвижкой секций крепи составит 9,6%.

В пятой главе приводятся внедрения результатов работы.

Заключение

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение и заключающейся в повышении технической производительности стругового механизированного комплекса на основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных и силовых параметров взаимодействия механизированной крепи и крепи сопряжения с вмещающими породами и выемочной машиной в движущемся очистном забое.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Расчет фактического сопротивления секции крепи по методике, регламентированной действующим руководящим техническим материалом РТМ.24.007.01., следует дополнить учетом сил трения, возникающих в опорах гидростоек и шарнирах, что обеспечит повышение расчетного уровня сопротивления секции крепи от 12 до 20% и, как следствие, позволит выбрать ее рациональные конструктивные параметры.

2. На стадии проектирования однорядных щитовых секций крепи по разработанной методике следует устанавливать рациональные координаты опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением, что обеспечивает повышение усилия на конце консоли перекрытия до 30% по фактору устойчивости секции крепи.

3. Доказано, что контактные давления на концах забойной и завальной частей основания однорядной щитовой секции крепи, состоящего из двух балок существенно зависят от соотношения их размеров. Так, при меньшей длине забойной части основания в сравнении с завальной (крепи КМПС и М137С)

контактные давления на концах забойной части основания составляют соответственно 3,41 МПа и 2,85 МПа, а на завальной - 1,5 МПа и 1,9 МПа. На основании полученных зависимостей разработана конструкция основания струговой крепи КС с более равномерным распределением контактных давлений по длине забойной части основания. Контактные давления на конце забойной части этого основания составляют 2,26 МПа, а на конце завальной 2,64 МПа.

4. Контактные давления на конце забойной части основания двухрядной щитовой секции крепи, состоящего из одной балки, в несколько раз превышают контактные давления на конце завальной части основания, что при слабой почве приводит к внедрению в нее конца основания. Поэтому применение двухрядной секции крепи, основание которой состоит из одной балки в условиях слабых почв не целесообразно.

5. Выбор типа крепи по давлению на почву пласта следует производить не по среднему значению, как предусматривает ГОСТ Р52152-2003, а по контактному давлению на конце забойной части основания. Это нужно также учитывать при определении рабочего сопротивления секции крепи и исключения потери ее устойчивости. Расчет контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций механизированной крепи следует осуществлять по разработанному методу, впервые учитывающему эпюру распределения контактных напряжений и позволяющему устанавливать критерии потери устойчивости секции крепи и на стадии проектирования создавать рациональные конструкции основания по этому фактору.

6. Определение необходимого уровня сопротивления крепи при выемке угольных пластов следует осуществлять по методике, основанной на использовании усовершенствованной математической модели нагруженности крепи с учетом процесса расслоения кровли пласта при его непрерывной выемке. Расчетные значения данного параметра при этом повышаются до 40 % в сравнении с результатами расчетов по применяемой в настоящее время методике, основанной на рассмотрении статических силовых схем.

7. Определение необходимого усилия на конце управляемой консоли секции крепи стругового комплекса следует осуществлять при сводообразной схеме нарушения кровли, как адекватно описывающей наиболее тяжелые условия работы крепи. В сравнении с аналогичной величиной, регламентируемой ГОСТ Р52152-2003 для пластов мощностью до 2 м, рассчитанная таким образом величина усилия на конце управляемой консоли перекрытия почти в два раза выше.

8. Возможность применения двухрядной щитовой механизированной крепи с расстоянием между рядами стоек более 0,6 м по фактору ее сопротивления для управления кровлей необходимо устанавливать по величине несущей способности последнего от забоя ряда стоек секции крепи в соответствии с отмененным ГОСТ 15852, а не по действующему ГОСТ Р52152-2003.

9. В механизмах передвижки однорядной и двухрядной щитовых секциях крепи струговых комплексов следует применять упругие элементы (штанги) и вращающиеся цилиндрические тяги (патенты автора на полезные модели Яи 114724 МПК Е2Ш 23/08 и Яи 132491 МПК Е2Ш), обеспечивающие взаимодействие механизированной крепи с выемочной машиной в движущемся очистном забое,

удержание конвейера от сползания, направленное передвижение секции и ее фиксирование в конечном положении, преодоление порогов в почве пласта более 200 мм и позволяющие повысить техническую производительность стругового механизированного комплекса.

10. На основании выполненных исследований способов крепления сопряжений лав с примыкающими выработками, конструкций и параметров крепей сопряжений разработаны техническое задание и конструкция механизированной крепи сопряжения для работы в выработках сохраняемых для повторного использования (патент РФ на полезную модель 1Ш 123065 МПК Е2Ш 11/00 с участием автора). Разработанная крепь, взаимодействуя со струговой установкой, обеспечивает регулировку приводной головки забойного конвейера по высоте бермы, отслеживание лавы по углам ее падения ± 25° и разворота ±10°, при этом повышается надежность, безопасность и эффективность работы стругового механизированного комплекса.

11. Совокупность разработанных методов и алгоритмов определения сопротивления секций крепи, рациональных координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением в зависимости от усилий на конце консоли, расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями секций крепи, механизмов передвижки секций крепи и крепи сопряжения обеспечит создание стругового комплекса с повышенной технической производительностью.

12. Усилие на конце консоли перекрытия, определенное с учетом рациональных координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением и контактные давления на конце забойной части основания, соответствующие реальной эпюре распределения напряжений исключают возможность потери устойчивости секции крепи, снижают технологический перерыв, связанный с их передвижкой и увеличивают сменную производительность на 9,6 %.

13. Разработано и утверждено ОАО «ШахтНИУИ» техническое задание на усовершенствованный струговый механизированный комплекс 2МКС125М. Результаты исследований использованы при разработке технических требований и параметров крепи механизированной 2КС125М.

14. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «ШахтНИУИ» при создании крепи механизированной струговой КС и 2КТК. Головной образец секции крепи изготовлен ООО «Шахтинский завод горного оборудования», а лавокомплект крепи 2КТК - ЗАО «Ростовгормаш». В соответствии с протоколом приемочных испытаний крепь механизированная 2КТК рекомендована к серийному производству. На прошедшей в г. Кемерово Международной выставке-ярмарке «Экспо-Уголь 2003» крепь механизированная струговая КС удостоена Диплома II степени, а крепь механизированная 2КТК удостоена Диплома на прошедшей в июне 2005 г. в г. Новокузнецке кузбасской ярмарке «Уголь России и Майнинг 2005».

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК России:

1. Геомеханическое обоснование необходимого сопротивления консольной части секции крепи очистного забоя / ВА. Матвеев, Ю.В. Турук // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2005. - №2. - С. 188-191.

2. Особенности взаимодействия щитовых механизированных крепей с однорядным расположением стоек с вмещающими породами / В.А. Матвеев, Ю.В. Турук // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - № 6. - С. 198200.

3. Определение сопротивления щитовых механизированных крепей с учетом сил трения / Ю.В. Турук // Горный информационно-аналитический бюллетень -2006,- №11.-С. 198-204.

4. Влияние производственных процессов на состояние кровли в очистном забое / Н.В. Титов, Ю.В. Турук, С.Д. Васильев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 4. - С. 215-219.

5. Анализ взаимодействия консолей механизированных крепей с породами кровли в очистных забоях / В.А. Матвеев, Ю.В. Турук // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2011. - №4. - С. 28-32.

6. Крепь сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования / Ю.В. Турук // Горный информационно-аналитический бюллетень -2012. -№4.-С. 19-22.

7. Опыт эксплуатации механизированных крепей ДФК5 и 2КТК в условиях пласта К2 ОАО «ШУ «Обуховская» / Ю.В. Турук, O.E. Калюжин // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2012. - №4. - С. 22-24.

8. Обоснование применения упругих элементов в конструкции механизма передвижки щитовой струговой секции механизированной крепи с основанием катамаранного типа / Сысоев Н.И., Турук Ю.В. // Современные проблемы науки и образования. - 2013. -№ 6; URL: http://vvwvv.science-education.ru/n3-l 1303

9. Обоснование применения в механизме передвижки струговой секции крепи со сплошным основанием штанговых толкателей / Сысоев Н.И., Колесниченко И.Е., Турук Ю.В. // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 1; URL: http://vvww.science-education.rU/l 15-11651

10. Обоснование структуры и основных конструктивных параметров крепи сопряжения струговых очистных забоев с примыкающими выработками / Сысоев Н.И., Турук Ю.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки. - 2014. - №1. - С. 100 -104.

11. Метод определения контактных давлений на почву пласта, передаваемых сплошным основанием двухрядной щитовой секции крепи / Турук Ю.В. // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 1; URL: http://www.science-education.rU/l 15-12040.

Патенты:

12. Патент RU 114724 МПК E21D 23/08. Устройство для передвижки секции механизированной крепи и перемещения забойного конвейера струговой установки / Ю.В. Турук // - № 114724, Заявл. 08.11.2011 г., опубл. 10.04.2012 г., бюл. № 10.

13. Патент RU 123065 МПК E21D 11/00. Крепь сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования / Ю.В. Турук, К.Г. Черниченко // - № 123065, Заявл. 23.03.2012 г., опубл. 20.12.2012 г., бюл. № 35.

14. Патент RU 132491 МПК E21D 23/08. Устройство для передвижки секции механизированной крепи и перемещения забойного конвейера струговой установки / Ю.В. Турук// - № 132491, Заявл. 08.02.2013 г., опубл. 20.09.2013 г., бюл. № 26.

Монографии:

15. Пути повышения эффективности разработки тонких и средней мощности пологих антрацитовых пластов / Н. В. Титов, А. А. Привалов, Ю. В. Турук. - Ростов н/Д : Рост. гос. ун-т, 2006. - 195 с.

16. Угольная промышленность Дона: страницы истории / Н.В. Титов, В.М. Феоктистов, Турук Ю.В. и др. // П. Каменоломни, ООО «Полиграфический комплекс ЭСМА-ПРИНТ», 2011. - 225 с.

17. Шахты и обогатительные фабрики Восточного Донбасса / Н.В. Титов, В.М. Феоктистов, Турук Ю.В. и др. // П. Каменоломни, ООО «Полиграфический комплекс ЭСМА-ПРИНТ», 2012. - 91 с.

Статьи в других изданиях:

18. Анализ эффективности технологии выемки тонких пластов угля / В.А. Матвеев, Ю.В. Турук // Состояние и перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. :в 2 ч. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). -Новочеркасск. 2001. - С. 38-41.

19. Пути повышения эффективности очистных работ при использовании механизированных комплексов нового технического уровня в условиях Российского Донбасса / В.А. Матвеев, Ю.В. Турук // Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса : сб. науч. тр. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2003. - С. 5-10.

20. Алгоритм расчета сопротивления двухрядной щитовой секции механизированной крепи // Б.Б. Луганцев, Ю.В. Турук // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2004. -Прил. №7. - С. 31-34.

21. Исследование взаимодействия основания однорядной щитовой секции крепи с породами почвы / Ю.В. Турук // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2004. - Прил. №7. - С. 95-98.

22. Особенности взаимодействия призабойных консолей секций механизированных крепей с породами кровли в очистном забое / В.А. Матвеев, Ю.В. Турук // Совершенствование технологии, механизации и организации строительства и эксплуатации горнодобывающих предприятий и пути повышения качества подготовки специалистов : сб. науч. ст. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2004. - С. 179-182.

23. Алгоритм расчета сопротивления однорядной щитовой секции механизированной крепи / Ю.В. Турук, A.B. Черкесов // Совершенствование технологии, механизации и организации строительства и эксплуатации горнодобывающих предприятий и пути повышения качества подготовки специалистов: сб. науч. ст. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. - С. 187-190.

24. Определение расчетных нагрузок на консольную часть механизированной крепи очистного забоя со струговой выемкой угля / Ю.В. Турук // Исследования в области инженерно-технических процессов : сб. науч. ст. студентов, аспирантов и молодых ученых. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2004,- С. 237-241.

25. Совершенствование техники и технологии управления кровлей в струговых очистных забоях / В.А. Матвеев, Ю.В. Турук И Научно-технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства : сб. науч. тр. [по материалам 53-й регион, науч.-практ. конф. по науч. направлению "Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда", г. Шахты, апр. 2004 г.] / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск : УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2004. - С. 12-17.

26. Определение сопротивления механизированной крепи щитового типа с учетом сил трения / Ю.В. Турук, К.В. Сибилев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2005. - Спец. вып. Техника и технологии угольных предприятий. -2005.- С. 15-17.

27. Однорядные и двухрядные щитовые механизированные крепи для отработки тонких угольных пластов с трудноуправляемыми кровлями / Ю.В. Турук, К.В. Сибилев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2005. - Спецвып. - С. 15-14.

28. Об эффективности применения электрогидравлической системы управления механизированными комплексами в очистном забое / Ю.В. Турук, P.C. Слюняев, Д.В. Манчуков // Научно-технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства : сб. науч. тр. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск : Набла, 2005. - С. 62-66.

29. К вопросу применения электрогидравлических систем управления механизированными крепями в очистных забоях / Ю.В. Турук // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2006. -Прил. №9 - С 135-138.

30. Перспективы бурошнекового способа выемки угля на шахтах Российского Донбасса / Н.В. Титов, В.И. Кочергин, Ю.В. Турук, В.А. Курнаков // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2006. - Прил. №9 - С. 56-59.

31. Исследование силового нагружения однорядной механизированной крепи щитового типа с учетом траектории движения перекрытия / Ю.В. Турук, A.A. Аверкин, В.Л. Склепчук // Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства : сб. науч. тр. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск : УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2006. - С. 94-99.

32. К вопросу об экономической эффективности работы комплекса безлюдной выемки «Вектор» / Н.В. Титов, В.И. Кочергин, Ю.В. Турук // Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства : сб. науч. тр. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. унта (НПИ). - Новочеркасск : УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2006. - С. 41-44.

33. К вопросу о выборе механизированной крепи очистного забоя в условиях шахты «Дальняя» ОАО «Гуковуголь» / Н.В. Титов, Ю.В. Турук, Д.В. Манчуков //

Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства : сб. науч. тр. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск : УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2006. - С. 8993.

34. Исследование влияния основных производственных процессов на характер взаимодействия крепи с кровлей в очистном забое / Н.В. Титов, Ю.В. Турук // Перспективы развития Восточного Донбасса : сб. науч. тр. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2007. -Ч. 1.С. 77-84.

35. К вопросу повышения эффективности струговой выемки тонких пластов угля / Ю.В. Турук // Перспективы развития Восточного Донбасса : сб. науч. тр. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск : УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2008. - Ч. 1. - С. 47-50.

36. Новый подход к решению проблемы прогнозирования геомеханических процессов в кровле очистного забоя / В.А. Матвеев, Ю.В. Турук // Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса : материалы Междунар. науч.-практ. семинара, г. Новочеркасск, 1-2 окт. 2009 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 145-155.

37. Исследование влияния ширины захвата выемочного комбайна на эффективность поддержания кровли в призабойном пространстве лавы / Н.В. Титов, Ю.В. Турук // Перспективы развития Восточного Донбасса : сб. науч. тр. по материалам 58-й регион, науч.-практ. конф. / Юж.Рос. гос. техн. ун-т (НПИ); Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2009. - Ч. 1. -С. 295-299.

38. Исследование способов крепления сопряжения лав с примыкающими выработками / Ю.В. Турук, К.Г. Черниченко // Перспективы развития Восточного Донбасса : сб. науч. тр. / Шахт, ин-т (фил.) Юж.-Рос. гос. техн. ун-та (НПИ). -Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2010. - Ч. 1. - С. 27-32.

39. К вопросу обеспечения устойчивости свежеобнаженной полосы кровли угольного пласта в очистном забое / В.А. Матвеев, Ю.В. Турук // Перспективы развития восточного Донбасса. Часть 1: с.б. науч. тр. по материалам 60 - й Всероссийской науч. - практ. конференции "Перспективы развития восточного Донбасса" / Шахтинский ин-т. (филлиал) ЮРГТУ(НПИ), 2011. - С. 15-24.

40. Совершенствование крепей сопряжений лав с примыкающими выработками / Ю.В. Турук, К.Г. Черниченко, О.С. Стоколясова // Перспективы развития восточного Донбасса. Часть 1: с.б. науч. тр. по материалам 60-й Всероссийской науч. - практ. конференции "Перспективы развития восточного Донбасса" / Шахтинский ин-т. (филлиал) ЮРГТУ(НПИ), 2011. - С. 24-30.

41. Исследование и выбор системы агрегатирования механизированной крепи и струговой установки / Ю.В. Турук // Перспективы развития восточного Донбасса. Часть 2: с.б. науч. тр. по материалам 60-й Всероссийской науч. - практ. конференции "Перспективы развития восточного Донбасса" / Шахтинский ин-т. (филлиал) ЮРГТУ(НПИ), 2011. - С. 12-17.

42. Влияние сил трения в шарнирах щитовой секции крепи на величину ее рабочего сопротивления / Ю.В. Турук // Перспективы развития восточного

Донбасса. Часть 2: сб. науч. тр. по материалам 60-й Всероссийской науч. - практ. конференции "Перспективы развития восточного Донбасса" / Шахтинский ин-т. (филлиал) ЮРГТУ(НПИ), 2011. - С. 12-17.

43. Устройство для передвижки секции механизированной крепи / Ю.В. Турук // Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования: сборник тезисов и статей Всероссийской конференции, г. Новочеркасск, 26-28 октября 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск: ЛИК, 2011- С. 240-243.

44. Анализ хронометражных наблюдений на концевых участках очистного забоя / Ю.В. Турук, B.C. Самофалов, К.Г. Черниченко // Перспективы развития восточного Донбасса: сб. науч. тр. по материалам 61-й Всерос. науч. - практ. конф., апрель 2012, г. Шахты / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2012. - С. 52-56.

45. К вопросу обеспечения безопасности горных работ на концевых участках очистного забоя / Ю.В. Турук, К.Г. Черниченко // Перспективы развития восточного Донбасса: материалы IV-й Междунар. и 62 Всерос. науч.-практ. конф., апрель 2013, г. Шахты / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2013. - С. 209-212.

46. Анализ основных направлений совершенствования средств выемки тонких угольных пластов / Ю.В. Турук, A.B. Кириленко // Перспективы развития восточного Донбасса: материалы IV-й Междунар. и 62 Всерос. науч.-практ. конф., апрель 2013, г. Шахты / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2013. - С. 42-45.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах. В изданиях, рекомендованных ВАК: [1] - расчет критерия необходимого сопротивления консоли щитовой механизированной крепи; [2] - обоснование направления оптимизации конструкций механизированных крепей с однорядным расположением стоек; [4] - разработка рекомендаций по применению щитовых механизированных крепей; [5] - разработка метода расчета усилия на конце консоли щитовой механизированной крепи; [7] - анализ данных, полученных при проведении испытаний и разработка рекомендаций по определению необходимого сопротивления щитовой крепи; [8] - конструкция механизма передвижки однорядной щитовой секции крепи; [9] - конструкция механизма передвижки двухрядной щитовой секции крепи; [10] - конструкция механизированной крепи сопряжения. В патентах [13] - конструкция механизированной крепи сопряжения. В монографиях: [15] - обоснование работоспособности механизированных комплексов в условиях тонких антрацитовых пластов, разработка рекомендаций по повышению эффективности и безопасности отработки антрацитовых пластов; [16] - описание по единой методике действующих и прекративших эксплуатацию угледобывающих предприятий Восточного Донбасса; [17] - представление сведений об основных угольных шахтах и обогатительных фабриках Восточного Донбасса. Научные публикации в других изданиях: [18, 19, 22, 25, 27, 30, 32, 38, 46] - анализ данных, полученных при проведении испытаний; [20, 23, 26, 33, 36] - разработка метода и алгоритма расчета; [28] - обоснование технических требований к электрогидравлической системе управления механизированным комплексом; [31, 34, 37] -

получение функциональных зависимостей и анализ полученных результатов; [39] обоснование критерия и разработка метода расчета необходимого усилия на конц консоли перекрытия щитовой механизированной крепи; [40, 45] - конструкц крепи сопряжения, предназначенной для работы в выработках, сохраняемых д повторного использования; [44, 45] - анализ хронометражных наблюдений н сопряжениях лав с примыкающими выработками.

Подписано в печать 31.03.2014г. Формат 60X90/16 _Объем 2 пл. Тираж 130 экз._

Ц/Т «Грунт-Арт» (ИП Ковалинская В.Е.), .346500, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко, 153 «б», т. (8636)23-65-78

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)»

имени М.И. Платова

ТУРУК ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛОВЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ СТРУГОВЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты: доктор технических наук, профессор Сысоев Н.И.

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

Матвеев В. А.

Новочеркасск - 2014

Содержание

Введение................................................................................... 5

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования............................ 13

1.1 Общая оценка техники и технологии выемки тонких угольных пластов. Роль, место и особенности струговой выемки........................................ 13

1.2 Анализ существующих механизированных крепей современного технического уровня.................................................................... 38

1.3 Анализ существующих крепей сопряжения современного технического уровня..................................................................................... 47

1.4 Анализ существующих методов расчетов механизированных крепей очистных забоев......................................................................... 57

1.5 Выводы. Цель и задачи исследований................................................ 67

2. Разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей при струговой выемке........... 72

2.1 Разработка методов определения фактического сопротивления щитовых механизированных крепей............................................................. 72

2.2 Разработка методов определения усилия на конце консоли однорядной щитовой секции крепи и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли............................................................. 85

2.3 Исследование взаимодействия оснований однорядных и двухрядных секций механизированных крепей с породами почвы....................... 94

2.4 Методики и алгоритмы расчетов силовых и конструктивных параметров щитовых механизированных крепей................................................. 107

2.4.1 Алгоритмы расчета равнодействующих сопротивления щитовых механизированных крепей............................................................ 107

2.4.2 Алгоритмы расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями секций щитовой крепи...................................... 111

2.4.3 Алгоритмы расчета усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия углового гидродомкрата и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли................ 122

2.5 Выводы.................................................................................... 132

3. Исследования нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое и способов крепления сопряжений лав с примыкающими выработками.................................................... 135

3.1 Разработка метода и алгоритма прогноза нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое..................... 135

3.2 Определение необходимого сопротивления консольной части секции щитовой механизированной крепи................................................. 149

3.3 Исследование способов крепления сопряжения лав с примыкающими выработками............................................................................ 161

3.4 Обоснование технических требований к механизированной крепи сопряжения.............................................................................. 175

3.5 Выводы.................................................................................... 177

4. Совершенствование существующих и разработка новых струговых механизированных комплексов.................................................... 179

4.1 Разработка механизма передвижки струговой секции механизированной крепи....................................................................................... 179

4.2 Выбор конструктивных схем и параметров механизированных крепей сопряжения, предлагаемые их конструкции...................................... 183

4.3 Обоснование технических и технологических требований к системе автоматизированного управления крепью при струговой выемке........... 190

4.4 Разработка рекомендаций по совершенствованию существующих и разработке новых струговых механизированных комплексов................ 203

4.5 Оценка повышения эффективности стругового механизированного комплекса за счет снижения технологических перерывов, связанных с передвижкой крепи и креплением кровли........................................ 210

4.6 Разработка технических требований на струговый механизированный комплекс.................................................................................. 219

4.7 Выводы.................................................................................... 225

5. Внедрение результатов работы.................................................... 228

Заключение............................................................................................................................................................232

Литература............................................................................................................................................................236

Приложение 1....................................................................................................................................................250

Приложение 2....................................................................................................................................................251

Приложение 3....................................................................................................................................................256

Приложение 4....................................................................................................................................................257

Приложение 5....................................................................................................................................................288

Приложение 6....................................................................................................................................................289

Приложение 7....................................................................................................................................................290

Приложение 8....................................................................................................................................................292

Приложение 9....................................................................................................................................................294

Приложение 10......................................................................................................................................................302

Приложение 11..................................................................................................................................................304

Приложение 12..................................................................................................................................................321

Введение

Актуальность работы. Основной задачей предприятий по добыче угля является повышение рентабельности за счет применения прогрессивной техники и технологии. Особенно актуально это для шахт, отрабатывающих тонкие пласты, которые в Российской Федерации составляют около 60% промышленных запасов угля, являющегося высококачественным энергетическим топливом, а также технологическим сырьем в различных отраслях промышленности.

Отечественный и зарубежный опыт, в особенности в Германии, показывает, что наиболее эффективной при отработке тонких пластов является струговая выемка. Наиболее существенным и значительным преимуществом струговой выемки является высокая сортность добываемого угля и возможность существенного снижения, а, как правило - и полного исключения присечек боковых пород, что ведёт к снижению зольности добываемого угля.

Исследованиям проблем комплексной механизации очистных работ посвящены работы многих ученых - Алейникова A.A., Бреннера В.А., Бурчакова

A.C., Бурова Г.Г., Бернацкого В.А., Венера К.-Э., Воскобоева Ф.Н., Гетопанов

B.Н., Голода А.Б., Глушко В.Т., Глушихина Ф.П., Давыдянца В.Т., Дмитриева

A.П., Докукина A.B., Дубова Е.Д., Зиглина A.A., Игнатьева А.Д., Каткова Г.А., Карленкова A.A., Коровкина Ю.А., Кузнецова Г.Н., Кузнецова С.Т., Кияшко И.А., Лаптева А.Г., Луганцева Б.Б., Матвеева В.А., Мышляева Б.К., Ошерова Б.А., Слепцова A.C., Солода В.И., Солода Г.И., Старичнева В.В., Турова А.П., Хорина

B.Н., Хове X., Шемякина Е.И., Широкова А.П., Ягодкина Г.И., Яковлева Н.И., Ямщикова B.C., Якоби О. и других. Выполненные ими исследования явились основой для разработки как комбайновой, так и струговой техники выемки.

В последние годы были разработаны и прошли шахтные испытания струговые комплексы нового технического уровня, однако производственные показатели их эксплуатации оказались на прежнем уровне, а зачастую были даже ниже ранее достигнутых. Главные причины низкой эффективности эксплуатации новых механизированных комплексов заключаются в больших потерях рабочего

времени. К ним следует отнести потери рабочего времени, приводящие к низкому коэффициенту машинного времени выемочных машин в самих очистных забоях из-за низкого уровня адаптивности механизированных крепей к изменениям свойств вмещающих пород, а также высокую трудоемкость крепления сопряжений лав с примыкающими выработками.

Практика применения механизированных комплексов в сложных горногеологических условиях показал, что недостаточное внимание уделялось взаимодействию крепи как с кровлей, так и с почвой в экстремальных ситуациях, и не учитывались особенности струговой выемки.

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

К конструкции механизированной крепи стругового комплекса предъявляются дополнительные требования в части системы агрегатирования (механизма передвижки), конструкции основания, консольной части перекрытия. Поэтому необходим более тонкий подход к проектированию механизированных крепей струговых комплексов. Без решения вопросов разработки методов расчета силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов дальнейшее развитие струговой выемки невозможно.

Поэтому повышение технической производительности стругового механизированного комплекса на основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных и силовых параметров взаимодействия механизированной крепи и крепи сопряжения с вмещающими породами и выемочной машиной в движущемся очистном забое является актуальной научной проблемой.

Цель работы. Разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов с учетом закономерностей их взаимодействия с вмещающими породами и струговой установкой.

Идея работы заключается в том, что повышение технической производительности стругового механизированного комплекса достигается на основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных параметров механизированной крепи и ее силового взаимодействия с вмещающими породами ,и струговой установкой в движущемся очистном забое.

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

- разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей при струговой технологии выемки;

- разработка метода и алгоритма прогноза нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое;

- обоснование технических требований и конструкций механизмов передвижки однорядных и двухрядных щитовых секций механизированной крепи;

- обоснование технических требований конструкции механизированной крепи сопряжения при струговой технологии выемки;

- разработка рекомендаций по совершенствованию существующих струговых механизированных комплексов и созданию новых на основе комплексного учета взаимодействия механизированной крепи и крепи сопряжения с вмещающими породами и струговой установкой.

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

Защищаемые научные положения:

1. Повышение технической производительности стругового

механизированного комплекса достигается на основе сокращения затрат времени на непроизводительные операции, связанные с выводом секций крепи из нештатного состояния путем увязки конструктивных параметров механизированной крепи с силовыми параметрами взаимодействия элементов крепи с вмещающими породами и струговой установкой в движущемся очистном забое.

2. Фактическое сопротивление секции крепи зависит не только от сопротивления гидростоек, но и от сил трения, возникающих в их опорах и шарнирах. Учет этих сил объясняет превышение сопротивления однорядной щитовой секции крепи от 12 до 20%, установленное соответствующими стендовыми испытаниями секции крепи в сравнении с результатами расчетов по методике, регламентированной действующим руководящим техническим материалом РТМ.24.007.01.

3. Предельное усилие на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи может быть повышено до 30%, обеспечивая при этом ее устойчивость, за счет применения углового гидродомкрата и выбора рациональных координат установки его опор относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.

4. Выбор типа крепи и параметров основания по критерию давления на почву пласта и при определении рабочего сопротивления секции крепи с учетом вдавливания ее в почву следует производить не по среднему значению как предусматривает ГОСТ Р52152-2003, а по контактному давлению на конце забойной части основания с учетом реальной эпюры распределения напряжений, что исключает возможность проявления потери устойчивости секции крепи.

5. Определения необходимого сопротивления крепи достигается применением усовершенствованной модели прогноза нагруженности на основе уточненной физической картины процесса расслоения кровли пласта при его непрерывной выемке. Расчетные значения данного параметра при этом повышаются до 40 % в сравнении с результатами расчетов по применяемой в

настоящее время методике, основанной на рассмотрении статических силовых схем.

6. Необходимое усилие на конце консоли перекрытия струговой секции механизированной крепи для поддержания кровли в призабойной части наиболее точно определяется расчетом с применением сводообразной, а не блочной (как принято) схемы нагружения перекрытия.

Научная новизна работы.

1. Разработаны метод и алгоритм определения фактического сопротивления секции щитовой механизированной крепи с учетом дополнительных сил торможения гидравлических стоек, обусловленных наличием сил трения, возникающих в шарнирах и опорах стоек, что обеспечивает повышение сопротивления однорядной щитовой секции крепи от 12 до 20 %.

2. Впервые разработан метод расчета рациональных координат расположения опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением, обеспечивающих максимальную величину усилий на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи, надежное поддержание кровли в бесстоечном пространстве при струговой выемке и сохраняющих устойчивость секции.

3. Разработаны методы и алгоритмы расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций механизированных крепей, впервые учитывающие эпюру распределения контактных напряжений и позволяющие устанавливать критерии потери устойчивости секции крепи.

4. Впервые с учетом значительной вариации параметров, характеризующих геомеханические процессы в кровле движущегося очистного забоя, разработаны математическая модель и алгоритм более точного прогноза нагружености механизированной крепи.

5. Впервые предложено величину усилия на конце управляемой консоли перекрытия секции механизированной крепи стругового комплекса определять в зависимости от действия веса обрушенных пород кровли при сводообразной

схеме нарушения, как адекватно описывающей наиболее тяжелые условия работы крепи, и принимать ее в качестве расчетной. В сравнении с аналогичной величиной, регламентируемой ГОСТ Р52151 для пластов мощностью до 2 м, рассчитанная таким образом величина усилия на конце управляемой консоли перекрытия почти в два раза выше.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверяедаются: анализом фактических технико-экономических

показателей работы очистных забоев с новой техникой и представительного

>

объема хронометражных наблюдений; применением методов теоретической механики, механики горных пород и расчета балок и плит на упругом основании; инженерно-техническими проработками и решениями, а также положительными результатами их реализации в опытных образцах механизированных крепей.

Практическое значение работы заключается в разработке:

1. Методик расчета фактического сопротивления и усилий в рычагах заднего ограждения щитовых механизированных крепей с однорядным и двухрядным расположением стоек.

2. Методик расчета усилий консольной части однорядной щитовой секции крепи.

3. Методик расчета контактных