автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование эффективных параметров эксплуатации механизированных крепей на шахтах многолетней мерзлоты

По

- а пли да м

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СШРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЯ Институт горного дела

На правах' рукописи

СЛЕПЦОВ Виктор Павлович

УДК 622.272:(622.3+622.285):551.345

ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕ,1 НА ШАХТАХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТI

Специальность: 05.05.06 - Горше машины

05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Авторёуерат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1993

Работа выполнена в Институте горного дела Севера СО РАН

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ЛОСЬ Игорь Николаевич

Ведущая организация - Производственное объединение

"Якутуголь".

Защита диссертации состоится " 25 " марта' 1993а. в 13 часов н заседании специализированного совета Д.003.17.01 при Институте горного дела СО РАН (630091, г. Новосибирск, Красный проспект,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горног дела СО РАН.

Автореферат разослан " 17 " февраля 1993г.

Учёшй секретарь Специализированного сове1

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

АЛЕКСАНДРОВ Борис Алексеевич кандидат технических наук,

старший научный сотрудник 1ШШИН Владимир Иванович

докт.техн.наук, проф.

ОЩМ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Специфические условия подземной разработки угольных месторождений Якутии и Магаданской области связаны с мёрзлым состоянием горных пород, отрицательным температурным режимом очистных забоев. Механизированные комплексы, разработанные для основных угледобывающих бассейнов страны, в условиях Северо-Востока при эксплуатации оказываются недостаточно эффективными и безопасными. Это связано с тем, что гидросистемы комплексов работают на водно-масляной эмульсии, а это приводит к замерзанию рабочей жидкости и к высокой пожарной опасности - при применении минеральных масел.

Решение вопросов повышения эффективности и безопасности эксплуатации механизированных комплексов на угольных шахтах области многолетней мерзлоты без изменения их конструктивных элементов является актуальной задачей. Актуальность диссертационной работы подтверждается также её связью с планами НИР МГДС СО РАН, выполняемой в рамках теш 3.2.1.6 (2.2), регистр. 3 0187.0096050, раздел: "Разработать стратегии проектирования угольных шахт Севера на основе применения открыто-подземной технологии и совершенствования средств комплексной механизации", в соответствии с постановлением РАН СССР и постановлением ГКНТ СССР, № 56, в котором автор был ответственным исполнителем.■

Цель работы - повышение эффективности эксплуатации механизированных крепей при подземной добыче угля в зоне многолетней мерзлоты и отрицательной температуры шахтного воздуха без конструктивных изменений крепи и создания положительного теплового режима в очистном забое.

Идея работы - достижение поставленной цели обеспечивается за счёт применения в механизированных крепях на шахтах в области многолетней мерзлоты новой морозо-огнестойкой рабочей жидкости.

Задачи исследований:

- исследование воздействия морозостойкой смеси на конструктивные элементы механизированной крепи в лабораторных условиях;

- исследование рабочего сопротивления, податливости гидростоек, скорости операций, выполняемых гидромеханизмами крепи в натурных

условиях при работе на различных рабочих жидкостях;

- исследование температурно-вязкостной характеристики рабочей жидкости в зависимости от условий эксплуатации крепи;

- разработка методики определения рациональной концентрации компонентов в рабочей"жидкости^

Методы исследований. В работе использован научный анализ литературных и фондовых материалов, обобщение существующего опыта, лабораторные и натурные эксперимент, технико-экономический анализ. •

Основные научные результат», защищаемые автором.

- с-увеличением концентрации труднозамерзающего компонента, отзывающая способность морозостойкой смеси в интервале температур от 0 до - 12°С улучшается, снижая износ образца пропорционально увеличению процентного содержания труднозамерзающего компонента;

- с изменением кинематической вязкости рабочей жидкости от 3 до 153 мм^/с рабочее сопротивление гидростоек крепи увеличивается до 40 %, а величина податливости уменьшается в 1,5 раза;

- рациональное содержание труднозамерзающего компонента в рабочей жидкости в интервале температур от 0 до - 8°С выбирается в зависимости от температуры и скорости воздушной струи в лаве (с учётом фактора комфортности для горнорабочих очистного забоя).

Достоверность положений. выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечивается достаточным объёмом лаборатерных и экспериментальных (шахтных) исследований на стадиях опытно-промышленной проверки, межведомственных испытаний, высоким коэффициентом корреляции результатов лабораторных исследований (коэффициент корреляции 0,97).

Научная новизна заключается: в докозательстве возможности применения механизированных крепей на шахтах в области многолетней мерзлоты без конструктивных изменений крепи и создания положительного теплового режима в забое, на базе применения разработанной моро-зо-огнесгойкой рабочей жидкости, для чего:

- установлены закономерности влияния труднозамерзающего компонента на смазывающую .способность рабочей жидкости;

- определены в производственных условиях зависимости рабочих

параметров механизированной крепи от вязкости рабочего тела;

- обоснован выбор рациональной концентрации компонентов, в составе новой жидкости.

Личный вклад автора состоит:

- в разработке методики и программы исследований;

- в проведении лабораторных и шахтных исследований, анализе полученных результатов;

- в разработке и внедрении качественно новой жидкости для гидросистем механизированных крепей;

- в разработке методики для определения рационального ресурсосберегающего состава рабочей жидкости, обеспечивающей эффективный режим работы очистных комплексов;

- разработке и внедрении практических рекомендаций по повышению эффективности очистных комплексов на угольных шахтах ПО "Якут-уголь" и "Северовостокуголь".

Практическая ценность;

- обосновано повышение производительности очистного механизированного комплекса без изменения конструкции крепи или создания положительного теплового режима в забое, за счёт применения новой рабочей жидкости в гидросистеме, определены её рабочие параметры;

- разработана и внедрена в производство новая морозо-огнестой-кая рабочая жидкость, обеспечивающая безопасную и эффективную работу механизированных крепей при отрицательной температуре воздушной среды и горных пород.

Реализация работы в промышленность.

Разработана "Инструкция по применению пожаробезопасной, незамерзающей рабочей жидкости в гидросистемах механизированных крепей для шахт Северо-Востока СССР" -(ПО Якугуголь, ПО Северовостокуголь, 1989 г.), которая с 1990 г. используется при разработке проектов горных предприятий институтом "ДальвостНШпроект",

Основные результаты работа использованы в следующих документах: "Технико-экономическое обоснование строительства шахты "Денисовская" ПО Лкутуголь" (Сибгипрошахт, 1989 г.); "Рекомендации по технологии очистных и подготовительных работ для шахты "Денисовская"' (для ПО Лкутуголь, 1989 г.); "Рекомендации по определению парамет-

ров охранных целиков при открыто-подземном способе разработки участка "Локучакитский" Чульманского угольного месторождения" (для СМ Я-СССР, 1990 г.); "Рекомендации по техническому перевооружению Не-рюнгринской обогатительной фабрики: перевод гидросистемы технологического оборудования на рабочую жидкость "МОР32-Як" (ПО Якутуголь, для Нерюнгринской обогатительной фибрики, 1991 г.).

Внедрение результатов исследований на прошшленных предприятиях Якутии позволило получить фактический экономический эффект в сумме 294 тыс.рублей (в ценах 1989 г.).

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы, а также отдельные её положения докладывались и получили положительную оценку на 71 и УП Всесоюзных семинарах "Взаимодействие механизи-. рованных крепей .с боковыми породами" в г. Новосибирске (1988, 1991 гг.); на Всесоюзном- семинаре "Проблемы разработки ресурсосберегающих технологий отработки месторождений Севера" в г, Якутске (1989 г.); на секциях и учёных Советах ИЩС СО РАН (1987-1990 гг.); на научно-технических Советах ПО Якутуголь и Северовостокуголь.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе "Инструкция..." для угледобывающей отрасли, получен патент на изобретение.

Объём и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и содержит всего 213 страниц машинописного текста, включая 19 рисунков, 32 таблицы и 20 страниц приложений с подтверждающими документами о внедрении автором результатов исследований в производство.

Автор выражает глубокую признательность своецу научному руководителю к.т.н. Лооь И.Н. за научные консультации при проведении исследований и помощь в подготовке диссертационной работы, д.т.н., проф.|Слепцову А.ЁД» к.т.н. Довиденко Г.П. за содействие и методическую помощь на всех этапах работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРШИЕ РАБОТЫ ■

Вопросами внедрения и эксплуатации очистных механизированных комплексов и их основной базовой части механизированных крепей на шахтах Северо-Востока занимаются исследователи: Бакаклн В.П., Вику-лов ГЛ.А., Громов Ю.В», Гительмахер Д.Г., Демидов В.В., Ефремов А.П., Ёлшин В.К., Ельчанинов Е.А., Игнатьев A.II., Ипьницкий С.П., Киржнер Ф.М., Лось И.'Н., Нуждин И.И,, Розенбаум М.А., Стеценко В.П., Скуба В.Н., |Слепцов А.Е.|, Украинский А.И. и другие учёные.

' Опыт эксплуатации механизированных крепей в условиях отрицательных температур воздушной среды и горных пород показал, что при применении в гидросистеме крепей водно-масляной эмульсии происходят замораживание гидросистемы, что,приводило к авариям очистных комплексов на шахтах "Кайеркан", "КаЙеркан-Новая", "Сангарская", "Анадырская". Поиски альтернативной рабочей жидкости привели к применению в гидросистемах крепей минерального масла. Эксплуатация механизированных крепей с применением в гидросистеме масла показала следующее: •

- на шахте "Анадырская" при отработке угольного пласта комплексом КМ81Э при температуре шахтного воздуха минус 1,5 ... минус 2,5°С вследствие повышения вязкости масла из-за его охлаждения уменьшилась скорость истечения его через разгрузочный клапан, при этом время опускания стойки увеличилось с 8-10 сек. до 1,5-2,0 глин. В качестве рабочей жидкости в гидросистеме крепи применялось индустриальное масло И -20. Дальнейшие исследования показали, что после эксплуатации крепи в течение полугода практически на всех стойках предохранительные клапаны были повреждены; ■

- в процессе эксплуатации крепи полностью исправные стойки после их распора самопроизвольно опускались и выходили из-под нагрузки. Это явление вызывало потерю контакта секций крепи с кровлей, их падение и этим создавало аварийную ситуацию в очистном забое.. Данное явление связывают с большим коэффициентом температурного расширения, который имеет минеральное масло.

Практика показала, что применение данерального масла в гидросистеме механизированной крепи резко снижает работоспособность крепи (в результате потери контакта перекрытия секции с кровлей), увеличивает технологические перерывы (на разогревание масла) и уменьшает производительность очистного комплекса (увеличение технологи-;

ческих перерывов и времени на передвижку крепи). Кроме того, применение масла вызывает повышенную пожарную опасность в шахте (температура вспышки масла И-12А 165°С, а температура воспламенения воздушно-масляной аэрозоли 125°С), является отступлением от требований Правил безопасности.

Таким образом, установлено, что на шахтах с отрицательной температурой воздуха и горных пород для обеспечения высокоэффективной работы очистных комплексов при применении в гидросистеме в качестве рабочей жидкости водно-масляных эмульсий и минеральных масел требуется проведение мероприятий, связанных с дополнительными затратами для создания положительного теплового режима в-очистном забое (затраты на подогрев воздуха с учётом амортизационных отчислений составляют 0,22-0,24 руб/г, в ценах 1989 г.) или направленных на изменение конструкции секций крепи и на уменьшение пожарной опасности в шахте. Положительный тепловой режим вызывает растепление пород, окружающих горную выработку. В результате возрастающего ореола протаивания порода теряют устойчивость, начинают осыпаться бока и кровля, происходят вывалы кусков порода значительных размеров в выработку. Для борьбы с последствиями растепления пород необходима затяжка боков и кровли выработки, что требует от предприятия дополнительных финансовых и материальных затрат (затраты на перекрепление выработок деревянной крепью, составляют 0,42-0,5 руб/т).

Основной целью проведённых автором исследований было изыскание нетрадиционных решений, обеспечивающих высокую эффективность механизированных крепей при эксплуатации их в условиях отрицательной температуры шахтного воздуха и горных пород без конструктивных изменений крепи и проведения дорогостоящих мероприятий по созданию положительного 'температурного режима в забое.

Исследование температурно-вязкостной характеристики новой рабочей жидкости с различной концентрацией труднозамерзающего компонента в широком диапазоне температур, от плюс 6 до минус 30°С, изучение температурного режима очистного забоя, работоспособности и управляемости механизированной крепи 2Ш1Э на шахте "Дяебарики-Хая" ПО Якутуголь при использовании в её гидросистеме морозо-огнестойкой рабочей жидкости позволило разработать комплекс мероприятий, включающий создание рабочей жидкости "МОРК-Як" и методику определения рациональной концентрации .труднозамерзающего компонента в жидкости в зависимости от температуры и скорости воздушной струи в очистном за-

бое. Данный комплекс мероприятий защищен патентом СССР & 1613636 и носит название "Способ обеспечения режима работы в лавах, оснащённых механизированными комплексами".

Действие методики лежит в области эффективных пара1.1етров (0°... минус 8°С) эксплуатации механизированных крепей, определяемых ПБ и результата!® исследований Дядышна Ю.Д., исключающих растепление горных пород вокруг выработок и обеспечивающих тепловые условия в очистном забое для горнорабочих по фактору комфортности.

Концентрацию труднозамерзаклцего компонента в рабочей жидкости определяют по формуле

П &12 - 3 -V , % , (I)

где V - скорость воздуха в очистном забое, м/с;

П - концентрация труднозамерзающего компонента в рабочей жидкости мор;:-лк, % ,

Связь между процентной концентрацией труднозамерзающего компонента и температурой замерзания рабочей кидкости (рис. I) шражает-ся зависимостью следующего вида;

Т3 = - 2 • П/З , °С , (2)

где Тд - температура замерзания МОРЗл-Лк, коэффициент корреляции данной зависимости равен 0,97 .

Условия формул (Г) и (2) предусматривают по скорости воздуха в очистном забое определение необходимой минимальной температур! окружающего воздуха, которая не нарушит комфортные и безопасные условия труда.

Зависимость температуры замерзания МОРХ-Як от концентрации труднозамерзающего компонента

Тз/С

Рис, I

Например, скорость воздушной струи У = 0,. тогда формула (I) будет'иметь вид:

П Ы2 - з. О , % ,

(3)

или . ■ П = 12 %. (4)

МОРд-Як с 12 %-во& концентрацией этиленгликоля замерзает при минус 8°С (см. рис. I). Эта температура является предельно допустимой .температурой для очистных забоев шахт и только при скорости V = 4, тогда формула (I) будет иметь вид:

П ^ 12 - 3 ' 4 , % , (5)

или П = 0 %. (6)

Минимальное содержание труднозамерзающего компонента в рабочей жидкости равно 0% (водно-масляная эмульсия, а эксплуатация механизированной крепи на водно-масляной эмульсии возможна только при положительном температурном режиме в очистном забое). Значит, при скорости воздуха в очистном забое У - 4 м/с температура воздуха должна быть шше 0°С.*

Исследования работоспособности и управляемости крепи при базовом состоянии (в гидросистеме минеральное масло И-12А) и при применении МОРН-Як проводились на уровне межведомственных приёмочных испытаний (1989 - 1990 гг.) на шахте "Джебарики-Хая" ПО Якутуголь. Температурный режим очистных забоев шахты приведён на рис. 2.

Изменение температуры воздуха по длине лаш «С

6.0 4.0 2.0 О -2.0 -4,0 -6,0 --в,О

1 - температура воздуха в лаве Л 2 в декабре 1987 г.

2 - температура воздуха в лаве И 3 в марте 1989 г.

3 - температура воздуха в лаве л 3 в январе 1990 г.

Рис. 2

—№-г- 60—120 140 160 Ци •0,»Г ^ -0.67

Для оценки работоспособности механизированной крепи при эксплуатации её на различных рабочих жидкостях исследовались два ос- • новных параметра: сопротивление и податливость гидростоек, характеризующие несущую способность крепи. Исследования проводились при эксплуатации в лаве очистного комплекса 2КМ313, в состав которого входит механизированная крепь 2М81Э в количестве 160 секций.

Оценка работоспособности осуществлялась с учётом регламентированного перерыва на выходные дни - 48 часов, как наиболее тяжёлого режима эксплуатации комплекса, выбранного с целью получения основных его технических параметров при максимальном развитии горного давления в лаве,- Результаты исследования работоспособности крепи 2М81Э при эксплуатации её на различных рабочих жидкостях приведены в таблице•I.

Таблица I

Единица Рабочая жидкость Разница

измере- !------.-----! в %

ния , Масло И-12Ц юр1[_Як ,

Показатели

Рабочее сопротивление

гидростоек кН 482 663 38

Податливость гидростоек: мм

передняя стойка 61,8 36,6 59

задняя стойка 69,8 39,9 57

Разница в податливости передних и задних

стоек, дЛ .-дм 8,0 3,3 59

Анализ результатов исследования показывает, что- при эксплуатации крепи на МОРЛ-Як параметры работоспособности её гораздо выше, чем при базовом режиме, когда в гидросистеме в качестве рабочей жидкости использовалось минеральное масло.'

Управляемость механизированной крепи 2М81Э изучалась проведением хронометражных наблюдений. Для этой цели были выбрани наиболее характерные гидромеханизмы: гидродомкраты передвижки лавного скребкового конвейера и гидростойки секций крепи. Определялось время, необходимое для передвижки каждой отдельной секции в различных частях очистного забоя. Результаты исследований приведены в табл. 2.

Производительность очистного комбайна, рассчитанная по скорости крепления лавы при работе механизированной крепи на МОРП-Лк, возросла в 1,2 - 2,0 раза относительно базового режима.

Кроме того, были исследованы технологические свойства МОРЛ-Як: смазочная способность, совместимость с материалами, покрытиями и резино-техняческими изделиями, применяемыми в гидросистеме механизированных крепей.

На применение ШРН-Як в замкнутом объёме забоя шахты получены положительные заключения и разрешения специализированных организаций: "0 степени токсичности" Минздравов Якутской-Саха ССР (г. Якутск) и РСФСР (г. Москва); "0 степени пожарной безопасности" Всесоюзного научно-исследовательского института горноспасательного дела (г. Донецк); "О степени электризации" Государственного Макеевского ордена Октябрьской революция научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности (г. Макеевка Донецкой области); "О применении МОРН-Як для гидросистем" Всесоюзного научно-производственного объединения по горноспасательному делу "Респиратор" (г. Донецк).

Таблица 2

Показатели ! Единица измерения Рабочая жидкость ¡Масло И-12А! МОРЛ-Як Разница , в %

Скорость распора гидростоики мм/с 41,1 61,7 50

Скорость снятия распора гидростойки . , . мм/с 26,4 49,8 88

Продолжительность выдвижения штока гидродомкрата с 4,6 3,5 24

Продолжительность втягивания штока гидродомкрата с 6,0 4,2 30

Продолжительность передвижки секции крепи с 55,4 45,7 18

ЗА1ШШНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных автором исследований получено новое решение актуальной научно-технической задачи

по повышению эффективности эксплуатации очистных механизированных комплексов в условиях шахт угольных месторождений Якутии, Магаданской области, Норильска.

Основные научные я практические результаты диссертационной работы:

1. Шахтными исследованиями установлено следующее:

- при кинематической вязкости ?'Л (масло И-12А) 138-153 мм^/с рабочее сопротивление гидростойки равно 482 кН, величина податливости гидростоек крепи составляет 65,8 мм, скорость крепления лавы крепью 21Л81Э составляет 1,8 м/мин;

- при кинематической вязкости РЛ (МОРЛ-Лк) 3-12 мм2/с рабочее сопротивление гидростойки равно 663 кН, величина податливости гидростоек крепи составляет 38,2 мм, скорость крепления лаш составляет 1,5 м/мин.

2. Вывлено, что меньшая вязкость РЖ способствует более равномерному распределению давления пород кровли на переднюю я заднюю стойки крепи 2М81Э.

3. Лабораторным! исследованиями установлено, что новая рабочая жидкость совместима с материалами, покрытиями и резино-техническими изделиями, применяемыми в гидросистеме механизированной крепи, соответствует всем требованиям, предъявляемым к рабочим жидкостям, и мо-: жет применяться в качестве рабочей жидкости в гидросистеме механизированных крепей.

4. Применение новой рабочей жидкости, содержание труднозамерза-ющего компонента в которой выбирается в зависимости от скорости и температуры воздуха в забое, обеспечивает эффективную эксплуатацию механизированных крепей в очистных забоях шахт области многолетней мерзлоты с учётом комфортных условий труда горнорабочих.

5. Практическое применение результатов исследований на шахте "Джебарики-Хая" позволило на 38% увеличить сопротивление крепи 2М81Э, на 58$ уменьшилась величина податливости секций крепи, на 59% уменьшилась разница в податливости передней и задней гидростоек, секций, на 50% увеличилась скорость распора и на 88 % увеличилась скорость снятия распора гидростоек секций крепи, на 21% уменьшилось время передвижки лавного скребкового конвейера, на 18% уменьшилось время, затрачиваемое на передвижку секций крепи 2РЛ31Э.

6. Улучшились параметры процесса выемки угля, сократились не-регламентированные технологические перерывы, в 1,2-2,0 раза увеличи-

лась производительность очистного комплекса. Это подтверждается результатами шахтных исследований, стабильностью и надёжностью эксплуатации на шахте "Джебарики-Хая" двух очистных комплексов 2КМ81Э в течение 22 тыс.часов.

7. Внедрение разработанных практических рекомендаций по повышению эффективности механизированных крепей в условиях шахт Северо-Востока России без изменения конструкции крепи и создания положительного теплового режима в очистном забое за счёт использования в гидросистемах морозо-огнестойкой рабочей жидкости позволило получить на шахте "Джебарики-Хая" ПО Якутуголь за 1989 - 1990 гг. фактический экономический эффект в размере 294 тас.рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Слепцов В.П., Лось И.Н., Розенбаум М.А. Работоспособность механизированных крепей при использовании пожароопасной незамерзающей рабочей жидкости //Колыма. - 1989. - № 8. - С. 22-24.

2. Слепцов В.П., Лось И.Н., Розенбаум М.А. и др. Исследование технологических свойств пожароопасной незамерзающей жидкости для гидросистем механизированные крепей //ФТПРПИ. - 1990. - 15 6. - С. 106-109.

3. A.C. I6I3636 СССР Е 21 23/26. Способ обеспечения режима работы в лавах, оснащённых механизированными комплексами / Слепцов В.П., Лось И.Н., Галкин А.Ф., Розенбаум М.А. - Опубл. 15.12.90. Бюдл. № 46.

4. Слепцов В.П., Лось H.H., Розенбаум H.A., Киржнер Ф.М. Применение новой рабочей жидкости для гидросистем механизированных крепей области многолетней мерзлоты // Ресурсосберегающие технологии при подземной отработке полезных ископаемых Севера. - Якутск: ЯНЦ СО АН СССР, 1990. - С. 75-78.

_5. Слепцов В.П., Лось И.Н., Розенбаум М.А., Агафонова М.И. и др. Инструкция по применению пожаробезопасной незамерзающей рабочей жидкости в гидросистемах механизированных крепей для шахт Северо-Востока СССР / ИЩС СО АН СССР. - Якутск, 1991. - 54 С.

6. Лось И.Н., Шчев М.И., Ефремов А.П., Слепцов В.П., Огнев С.М., Шков А.Н. Направления повышения эффективности угольной промышленности Северо-Востока // Колыма. - 199I. - & 10. - с. 19-20.