автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор параметров секций механизированной крепи для усложнённых условий пологих пластов мощностью 1,0-2,5 м

На правах рукописи

Титов Илья Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СЕКЦИЙ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ ДЛЯ УСЛОЖНЁННЫХ УСЛОВИЙ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ МОЩНОСТЬЮ 1,0-2,5 м

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Москва 2011

4859159

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Национальный научный центр горного производства - ИГД им. A.A. Скочин-ского» (ФГУП ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского)

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Доктор технических наук Мышляев Борис Константинович

Доктор технических наук, профессор Пастоев Игорь Леонидович

Кандидат технических наук Юрицын Виталий Алексеевич

ОАО Проектно-конструкторский институт угольного машиностроения «Гипроуглемаш» (Москва)

Защита состоится «<ЗР» 2011 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.137.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им. B.C. Черномырдина» в аудитории по адресу: 129278, Москва ул. Павла Корчагина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им B.C. Черномырдина» Автореферат разослан « £-8» г.

Ученый секретарь диссертационного сове кандидат технических i доцент Артемьев Николай Александрович

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Из комплексно-механизированных забоев (КМЗ) на полого-наклонных до 35° (далее пологих) пластах мощностью 1,0-2,5 м (далее маломощных пластах) в РФ в последние годы добывалось 35-37% угля от общего объёма подземной добычи и к 2020 г. ожидается увеличение добычи до 45% или до 50 млн. т угля в год.

Применительно к шахтам РФ нижний предел вынимаемой мощности пластов рассматриваемого диапазона определён реальной возможностью создания высокопроизводительной техники для выемки тонких пластов, что подтверждается работами Гипроуглемаша, ПНИУИ и других разработчиков.

Верхний предел условно ограничен требованиями безопасности к механизированным крепям по применению на их секциях оградительных щитов, снижающих опасность ведения очистных работ в условиях отжима угля из забоя на пластах мощностью более 2,5 м.

К усложнённым горно-геологическим условиям эксплуатации отнесены пласты с вынимаемой мощностью менее 1,5-1,6 м, с углами падения 12°- 35°, с неустойчивой непосредственной и ложной кровлями, со слабыми непосредственными почвами, со значительными геологическими нарушениями.

Количество шахтопластов, не имеющих осложняющих факторов в РФ, ожидается не более 10% (для сравнения в 1995 г - 5.5%), а имеющих два и более осложняющих факторов - до 70%.

Среднее ожидаемое снижение нагрузки на забой по всем КМЗ с усложнёнными условиями может составить до 2 раз, а производительности труда - до 3 раз.

В работе введено понятие «кинематическая модель секции крепи» для проведения компьютерного анализа взаимодействия секций с боковыми породами пласта и последующего перехода от кинематических, силовых, прочностных и ресурсных стендовых испытаний к компьютерным исследованиям.

Механизированная крепь положительные качества обеспечивает совместно с забойным конвейером - базой для агрегатирования, и выемочной машиной.

Работа, направленная на обоснование и выбор параметров секций крепей для усложнённых условий эксплуатации, актуальна.

Цель работы: обоснование и выбор конструктивных и силовых параметров секций механизированных крепей для усложнённых условий эксплуатации на пологих маломощных пластах, что позволит обеспечить эффективную работу крепи без снижения проектных показателей очистного комплекса.

Идея работы: выбор и расчёт параметров секций крепи выполняется с использованием компьютерного моделирования взаимодействия крепи с боковыми породами пласта.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

- метод графо-аналитического определения параметра сопротивления крепи в зависимости от тяжести кровли, вынимаемой мощности и технологии выемки пласта;

- зависимость обоснованного выбора параметров сопротивления секции крепи, его распределения по ширине поддержания кровли, давления секции на почву пласта и его распределения от кинематической модели секции и интервала положения результирующей горного давления;

- зависимость координат интервала положения результирующей горного давления, воспринимаемого секцией, от тяжести и ширины поддержания кровли.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием апробированных методов математической статистики; совпадением теоретических обоснований и рекомендаций с экспериментальными и шахтными данными; удовлетворительной сходимостью расчётных показателей с фактическими с расхождением, не превышающим ± 6%.

Методы исследования. В работе использован комплексный, подход к решению проблем оценки конструктивных и эксплуатационных качеств секций крепи и их параметров, включающий теоретические исследования с использованием ЭВМ, анализ и научные обобщения опыта создания и эксплуатации отечественных и импортных крепей, методы математической статистики для обработки теоретических, экспериментальных и шахтных данных и экспертных оценок.

Научное значение работы заключается

- в определении обоснованного выбора параметров сопротивления крепи для конкретных условий эксплуатации с обеспечением работоспособности секции во всем диапазоне раздвкжности в зависимости от тяжести кровли, вынимаемой мощности и технологии выемки пласта;

- в обосновании выбора и расчёта параметров сопротивления секций крепи, его распределения по ширине поддержания кровли, в определении среднего и максимального давления секции на почву пласта в заданных условиях эксплуатации в зависимости от кинематических моделей секции и интервала положения результирующей горного давления;

- в определении координат интервала положения результирующей горного давления в зависимости от тяжести и ширины поддержания кровли.

Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по структурным схемам секций крепи и методики выбора и расчёта конструктивных и силовых параметров секций крепи для усложнённых условий эксплуатации на пологих маломощных пластах, обеспечивающих эффективную работу крепи и очистного комплекса без снижения проектных показавтелей.

Реализация результатов работы. Результаты проведения исследований докладывались на Ученом совете ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского в 2008 г, как часть работы «Создание высокопроизводительных базовых очистных комплексов и машин» и были одобрены; рекомендации работы использованы Московским филиалом Юрмаша при разработке в 2011 г технического предложения по крепи для тонких пластов ШУ «Карагайлинское» (Кузбасс), где принята рекомендуемая в работе структурная схема секции - двухмодульная, двухрядная, трёхзвенная с шагом установки 2 м, с основными параметрами, рекомендуемы-

ми в диссертации, и в нормативной документации, где показано, что совместная работа крепи с двумя комбайнами и цельнопередвижным конвейером по сравнению с однокомбайновой выемкой и волновой передвижкой конвейера позволяет повысить нагрузку на забой в 1,45-1,95 раза, а производительность труда - в 2,2-2,5 раза, и отказаться от погрузочных щитов на комбайнах, что снизит энергоёмкость выемки пласта на 20-25%, повысит сортность угля и безопасность ведения очистных работ.

Апробация диссертации. Результаты диссертационной работы рассматривались на семинарах «Горные машины и оборудование» при проведении научных симпозиумов «Неделя горняка» в Московском государственном горном университете в 2007,2008,2009,2010 и 2011 годах.

Публикации. По результатам исследований и анализа, выполненных в диссертации, опубликовано 9 работ, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения; содержит 36 рисунков, 20 таблиц и список использованной литературы из 54 наименований.

Основное содержание работы

Огромный вклад в решение проблем создания комплексной механизации подземной добычи угля внесли A.B. Топчиев, A.B. Докукин, С.Х Клорикьян, В.И. Солод, Л.И. Кантович, И.С. Крашкин, В.Г. Мерзляков, В.В. Некрасов, В.В. Старичнев, C.B. Козлов, В.А. Потапенко, Ю.Л. Худин и другие.

Созданию и совершенствованию механизированных крепей и комплексов посвящены разработки и исследования: A.B. Брайцева, Г.Г. Бурова, A.M. Бала-бышко, И.Х. Гогия, M .Я. Гольдштейна, И.Г. Ищука, И.И. Мохначука, Р.П. Журавлева, Е.К. Заикина, С.И. Калинина, Г.А. Каткова, В.И. Клишина, Ю.Д. Красникова, М.С. Коробова, В.Т. Пархомчука, И.Л. Пастоева, A.B. Ремезова и других.

Особую роль в развитии работ по крепям сыграли специалисты под руководством A.A. Орлова в составе С.Г. Баранова, Ю.В. Громова, С.Т. Кузнецова, Е.Д. Дубова, Н.И. Макарова, C.B. Мамонтова, Б.К. Мышляева, В.Л. Попова, Л.И. Федорова, Н.И. Яковлева, разработавшие научные основы взаимодействия механизированных крепей с породным массивом и обеспечившие их внедрения в практику управления кровлей в шахтах, отмеченные в 1989 г. Госпремией СССР в области науки и техники.

Рассматриваемый диапазон мощности пластов - это сочетание двух групп пластов, отличающихся по подходу к решению проблем их отработки.

Пласты мощностью 1,0-1,6 м - сложные для комплексной механизации выемки угля, тяжелые для ведения работ обслуживающим персоналом и наименее эффективные по результатам работ; з США не отрабатываются.

Пласты мощностью 1,7-2,5 м - благоприятные для механизации выемки угля с обеспечением высокого эффекта и безопасности работ.

На шахтах США нагрузка на забой в данных условиях составляет 13-15 тыс. т/сут. при производительности труда по участку до 360-380 т/вых. практически при отсутствии осложняющих факторов.

К 2020 г. в РФ ожидается увеличение количества разрабатываемых шах-топластов мощностью 1,0-1,6 м с запасами более 570 млн. т.

Из-за отсутствия в РФ современной очистной техники в 2008-2009 годах на тонких пластах добыто всего несколько млн. т угля.

К 2020 г. прогнозируется распределение забоев в диапазоне до 6,0 м (Таблице 1), из них более 100 забоев на маломощных пластах.

Таблица 1.

Вынимаемая мощность пласта, м Число забоев

в Кузбассе в других регионах всего в РФ

1,0-1,6 2 31 33

1,3-2,0 20 13 33

1,6-2,5 12 18 30

2,0-3,5 19 19 38

3,0-6,0 27 4 31

Анализ современного состояния горно-геологических условий на шахтах РФ показывает следующее:

По вынимаемой мощности пластов в Кузбассе из 63 пологих шахто-пластов только один имеет мощность 0,9-1,5; к 2020 г. ожидается увеличение до 4 шахтопластов; в Воркутинском месторождении из 4-х шахтопластов два: Четвертый имеет мощность 1,4-1,7 м и Пятый — 1,0 м; в Восточном Донбассе 75% промышленных запасов на пластах мощностью 0,9-1,2 м при средней мощности 1,26 м.

По углам падения пластов - в РФ до 30% шахтопластов имеют углы падения 13-30°, в том числе в Кузбассе: от 13° до 18°-16% и от 19° до 23°-10%.

По устойчивости непосредственной кровли - в РФ, до 35% шахтопластов с неустойчивыми кровлями, в том числе в Кузбассе - 32%.

По прочности непосредственной почвы - в РФ 35% шахтопластов имеют слабые почвы, в том числе в Кузбассе - 33%, из них 9% одновременно имеют слабые почвы и неустойчивые кровли.

Ложная кровля площадью более 25% и мощностью 0,1-0,3 м встречаются при разработке 50% шахтопластов в Кузбассе, 90% - в Печорском бассейне и около 100% в Восточном Донбассе; в сочетании с неустойчивыми кровлями практически около 75% шахтопластов Кузбасса могут быть отнесены к условиям с неустойчивой кровлей.

Геологические нарушения шахтопластов часто непредсказуемы, поэтому их следует отнести к наиболее сложным для отработки.

Результаты анализа влияния осложняющих факторов на производительность комплексов представлены на Рис. 1.

д- а 61

1,8

2,5 2,3

2,0

1,5

-при трёх факторах - при двух факторах

или слабой почве, " или нарушении пласта

-при одном факторе

на тонких пластах _ или при повышенных углах падения пластов

Рис.1. Влияние осложняющих факторов на производительность комплексов.

Выполнен анализ струговой и комбайновой технологий выемки угля для определения направлений применения намечаемых к разработке новых крепей с использованием для оценки энергоёмкости выемки пластов.

В 90-е годы на шахтах Германии и США для отработки тонких пластов с устойчивыми непосредственными кровлями, прочными почвами, спокойной гипсометрией пласта и невысокой крепостью угля успешно применялись струговые комплексы. Основной недостаток струговых комплексов - проблема крепления забоя даже в условиях устойчивых кровель, которая снижала КМВ стругов на 25-35% по сразнению с комбайнами.

В Таблице 2 приведены показатели работ струговых и комбайновых комплексов в ФРГ в 1991 г.

Таблица 2.

Наименования показателя Выемка угля

Струговая Комбайновая

Число КМЗ 67 67

Средняя вынимаемая мощность пласта 114 188

Доля в общем объёме добычи, % 43,5 56.5

Коэффициент машинного времени, % 37,5 52,5

Средняя энергоёмкость выемки, кВт-ч/т 0,2-0,25 0,5-0,6

Средняя нагрузка на забой по товару, т/сут. 1656 2154

Средняя производительность труда по товару, т/вых. 27,6 30,9

В Германии в 2009 г. работало пять струговых комплексов. В США в 1992 г. работало 88 комбайновых и 5 струговых лав, а в 2001 г. только одна струговая установка «Гляйтхобель» ОН9-38 с приводами 200/400 кВт; при выемке пласта мощностью 1,4 м максимальная нагрузка в течение недели составила 18.860 т/сут. с энергоёмкостью выемки 0,25 кВт-ч/т за счёт благоприятных условий. После 2001 г. сведения о работе этой струговой установки отсутствуют.

Фирма ДБТ для расширения области применения струговой выемки в условиях с крепким углем, слабыми почвами, неустойчивыми кровлями и неспокойной гипсометрией пласта разработала струговые установки с мощностью приводов 2x270 кВт (GH9-34), 2x400 кВт (GH9-38) и 2x800 кВт (GH42) и комплексы на их базе с фронтально передвигаемым конвейером и механизированной крепью с секциями, снабженными выдвижными верхняками, для крепления кровли вслед за снятием каждой стружки угля.

Положительные качества этих комплексов - прямолинейность става конвейера, обеспечивающая чёткое расположение секции крепи, что является основой для создания автоматизированного комплекса и технологии выемки угля без постоянного присутствия людей в очистном забое во время его работы.

В усложненных условиях эксплуатации результаты работы современных струговых комплексов по нагрузке на забой были на уровне комбайновых, а по энергоемкости более высокие - от 0,53 до 0,8 кВт-ч/т, в первую очередь, из-за неудовлетворительного крепления струговых лав и выемки рядового угля со значительным содержанием породы.

Учитывая ограниченные объёмы применения струговой выемки в РФ, целесообразно использовать импортные установки с приводами 200-400 кВт, положительно зарекомендовавшие себя в США; механизированная крепь - целесообразна отечественная, обеспечивающая надежное крепление лавы.

Разработанный с нашим участием на основе выполненного анализа ГОСТ Р 53649-2009 на очистные комбайны рекомендует для пластов мощностью 0,81,3 м выемку двумя одношнековыми комбайнами с зеркальным расположением шнеков совместно с цельнопередвижным конвейером (Рис.2), из которых один комбайн - у вентиляционного штрека, работает в качестве нишенарезной машины на участке лавы длиной 20-25 м; выемку пластов мощностью более 1,3 м рекомендуется проводить двумя одношнековыми комбайнами, отрабатывающими поочерёдно свою половину лавы.

Показано, что работа крепи в комплексе с двумя комбайнам и цельнопередвижным конвейером по сравнению с однокомбайновой выемкой и волновой передвижкой конвейера позволяет повысить нагрузку на забой в 1,45-1,95 раза, а производительность труда - в 2,2-2,5 раза.

При работе комбайнов без погрузочных щитов, разрушенный уголь грузится на конвейер при его передвижении на забой. Это позволяет в условиях шахт РФ снизить энергоёмкость выемки до 0,4-0,45 кВт'Ч/т, т.е. в 1,3-1,6 раза по сравнению со струговой выемкой, или на 20-25% по сравнению с однокомбайновой выемкой и волновой передвижкой конвейера.

При двухкомбайновой выемке пластов мощностью более 1,3 м (Рис 2, разрез А-А) применена крепь с выдвижными верхняками на перекрытиях (Рис.3).

Крепь в исходном положении подтянута к конвейеру и крепление приза-бойной полосы вслед за проходом комбайна осуществляется с помощью выдвижных упругих или управляемых верхняков, обеспечивающих усилие поддержания кровли на передней консоли верхняка не менее 70 кН.

Это схема крепи компактна и обеспечивает опережающую передвижку нечётных и чётных секций до прохода комбайна, повышающую эффективность крепления и управления кровлей в сложных условиях по устойчивости кровли и по тяжести проявления горного давления, высокие скорости крепления и позволяет снизить сопротивление крепи на 10% по сравнению с исполнением без выдвижных верхняков.

Предлагается в развитие работ по выдвижным верхнякам выемку пласта с неустойчивыми и ложными кровлями производить под охранной пачкой угля, на которую опирается скалывающий верхняк, обеспечивая полную по ширине поддержания затяжку кровли. После прохода комбайна пачка скалывается.

® , .

—ч

г~п

ООИ1Ч»_ИМЯ» шмоне»««

3

ЕР

I I

1 —гол Г

Г 1 1 . 1

1-1 Г-г

0

из

Т~—I

Рис. 2. Двухкомбайновая выемка пологих пластов мощностью 0,8-1,3 м (поз. 1,2,4) и более 1,3 м (поз. 1,3,4).

Рис. 3. Схема комплекса с крепью с выдвижными верхняками на перекрытиях.

Выполнен анализ поддерживающее-оградительных крепей для маломощных пластов, в том числе типа 1МК, М137, М138, М147, М151и других для определения секций крепи, в наибольшей степени соответствующих рассматриваемым условиям эксплуатации.

Анализ, в том числе компьютерный, более двадцати типоразмеров и исполнений секций рассмотренных крепей показал, что ни одна из них не может быть использована в усложнённых условиях эксплуатации без значительных изменений и доработок.

По результатам анализа сформулированы рекомендации по структурным схемам секций с использованием положительных качеств секций рассмотренных крепей.

Рекомендуются блочномодульные секции, состоящие из двух или трёх двухстоечных, двухрядных, трёхзвенных модулей с шагом установки 1 м,

которые должны обеспечивать:

- оптимальное взаимодействие секций крепи с боковыми породами пласта;

- боковую и продольную устойчивость в заданных условиях по углу падения пласта и при слабых почвах;

- зазор между перекрытием и забоем не более 200 мм;

- среднее давление секции на почву пласта не более 2 МПа, а максимальное на передней кромке основания - не более 4 МПа;

- передвижение секций с активным подпором не менее 10 кН/м2 и возможностью приподъёма передней части основания;

- компактность и мобильность для монтажа и демонтажа крепи с минимальными затратами;

при традиционной технологии выемки для маломощных пластов - модули с резервированием двух проходов (Рис.4а);

для пластов средней мощности - модули с резервированием одного прохода и вторым проходом между рядами стоек (Рис.4б);

при технологии выемки пласта с разделением крепления и управления кровлей - модули с одним проходом и перекрытиями с выдвижными верхняками (Рис.4в);

при технологии выемки пласта под охранной пачкой угля - модули с одним проходом и перекрытиями со скалывающими верхняками (Рис.4г), которые позволяют работу комплекса с полной затяжкой по ширине поддержания кровли с коэффициентом крепления не менее 0,95.

Анализ показал, что по сравнению с секциями с шагом установки 1,5 м двухмодульная секция обеспечивает: повышение скорости крепления на 30-

35%; снижение затрат на спуск в шахту, транспортировку по шахте и монтаж секции не менее, чем в 2 раза; за счёт меньшей гидронасыщеныости секции на 30-35% снижение стоимости изготовления на 20-25% и затрат на техобслуживание.

Номенклатура основных параметров секций современных крепей значительна и рассмотрена в ГОСТ Р 52152-2003 на крепи (руководитель разработки Б.К. Мышляев). Опыт эксплуатации крепей в последние годы показал целесообразность уточнения ряда и дополнения параметров, повышающих их работоспособность. Эти параметры рассмотрены ниже.

Выполненный анализ крепей позволил разработать методику выбора и расчёта параметров секций для рассматриваемых условий эксплуатации с учётом рекомендаций ГОСТ Р на крепи по определению конструктивных высот секций крепи и типоразмеров.

иоо , , 1200 .

а)

в)

Рис.4. Рекомендуемые структурные схемы секций.

Основные положения методики по предлагаемым параметрам приведены ниже на примере крепи для тяжёлых кровель.

Сопротивление крепи. ГОСТ Р 52152-2003 рекомендует сопротивление крепи Ркр, кН/м2, с шириной поддержания кровли 4,0-4,5 м определять из равенств:

для лёгких кровель - Р^ = 350+80(тв-1); для средних кровель - Ркр = 1,5[350+80(тв-1)]; для тяжелых кровель -Ркр = 2,0[350+80(тв-1)], где тв - максимально вынимаемая мощность пласта, м;

На основе этих рекомендаций разработан метод графо-аналитического определения параметров сопротивления крепи для пологих пластов мощностью 1,0-6,0 м, который позволяет обоснованно принять величину сопротивления в зависимости от тяжести кровли и вынимаемой мощности пласта и оперативно оценить сопротивление крепей других фирм (Рис.5). В качестве примера приведены крепи фирм Фазас, Глиник, ДБТ, «Кран», Юрмаш.

Анализ крепей Юрмаша показывает, что сопротивление крепи «Юрмаш-14/28-1300» завышено в 1,45 раза, крепи «Юрмаш-11/23» - 1,34 раза, крепи «Юрмаш-Тагор 16/32» в 1,2 раза. Это приводит к увеличению массы крепи, её первоначальной стоимости и затрат на эксплуатацию крепи, включая затраты

Рис. 5. Метод графо-аналитического определения параметра сопротивление крепей для пологих пластов мощностью 1,0-6,0 м.

Таблица 3.

Показатели Повышение сопротивления крепи, %

на 10 на 20 на 40

Увеличение металлоёмкости крепи, %, на 6-7 10-12 20-22

Повышение стоимости изготовления, %, на 4-5 7-8 12-15

Повышение ежегодных затрат на монтаж-демонтаж, %, на 8-10 12-15 25-28

В работе рекомендуются технологии с разделением крепления и управления кровлей с уменьшением ширины поддержания кровли в исходном положении крепи до 4,0 м, что позволяет снизить сопротивление крепи в соответствии с результатами эксплуатации крепей КД70 на 10%.

На основе выполненных исследований разработаны расчётные зависимости сопротивления крепи Р^: для лёгких кровель

Р^ 0,9 [350+80 (тв-1)] (1)

для средних кровель

Ркр= 1,35 [350+80 (т„-1)] (2)

для тяжелых кровель

Р,р= 1,8 [350+80 (т„-1)] (3)

Предлагаемые секции для тонких пластов имеют ширину поддержания кровли более 4,5 м.

Исследование влияния ширины поддержания кровли на сопротивление крепи (крепи М100/6, 2МК97, 2М87СК) показывает, что оно повышается практически пропорционально квадрату соотношения увеличенной ширины к исходной.

Сопротивление крепи Ркр при ширине поддержания 4,5-4,8 м предлагается определять из равенств: для лёгких кровель

Ркр= 1,1 [350+80 (тв-1)] (4)

для средних кровель

Р^ 1,65 [350+80 (тв-1)] (5)

для тяжелых кровель

Ркр = 2,2 [350+80 (тв-1)] (6)

На основании этих данных разработан метод графо-аналитического определения параметра сопротивление крепи, представленный на Рис. 6, который позволяет обоснованно принять величину сопротивления крепи с учётом конкретных условий эксплуатации в зависимости от тяжести кровли, вынимаемой мощности и технологии выемки пласта.

Определение сопротивления крепи представлено в Таблице 4.

Таблица 4.

Наименование показателя Секции крепи

для маломощных .пластов для пластов средней мощности для технологий с разделением крепления и управления кровлей и выемки пласта под охранной пачкой

Типоразмер секции крепи I II II I | II

Ширина поддержания кровли, м 4,82 4,86 4,4 4.0

Сопротивление крепи, кН/м2 860 1000 940 730 850

Сопротивление модуля, кН 4100 4860 4100 2900 3400

Кровли д£пше средние

3 В)

300 500 700 900 1100

Сопротивление крепи, кН/м2 Рис. 6. Метод графо-аналитического определения параметра сопротивление крепей для пластов мощностью 0,8-3,0 м.

1 " ■ ■ сопротивление крепи по ГОСТ Р 52152-2003;

____сопротивление крепи при разделении процессов крепления,

управления кровлей и выемки пласта; сопротивление крепи при ширине поддержания кровли 4,5-4,8 м.

Сопротивление модуля предложено определять из расчётной зависимо-

сти:

PM = PKp-B0-tM, кН

(7)

где 1:м - шаг установки модуля секции, м.

Результаты расчетов приведены в Таблице 4, из которой следует, что наиболее целесообразны секции с выдвижными и скалывающими верхняками на перекрытиях, обеспечивающие снижение сопротивления модуля в 1,4-1,43 раза.

Координаты интервала положения результирующей горного давления, воспринимаемого модулем.

При промышленных испытаниях поддерживающих крепей с двухстоеч-ными секциями (типа М87, МК97, МТ и других) при объеме испытаний 300 м подвигания лавы на нескольких секциях в разных местах устанавливались самопишущие манометры на каждой стойке. Они фиксировали начальное и рабочее давление жидкости при 300-500 циклах передвижения секции и не менее, чем при 60 циклах в нерабочие смены.

Результаты шахтных исследований в условиях лёгких и тяжелых кровель, показывают, что координаты положения равнодействующей сопротивления секции крепи «!0» - результирующей горного давления «х», зависят от ширины поддержания «Во» и тяжести кровли.

Применительно к лёгким кровлям в общем случае положение «1о» соответствует интервал}' 0,64В0<1о<0,79В0; 80% зафиксированных положений равнодействующей соответствует интервалу 0,67Во<1о<0,76Во; наиболее плотное расположение равнодействующей подчиняется нормальному закону распреде-

ния для лёгких кровель.

В Таблице 5 дано обоснование положения равнодействующей сопротив-

ления секции крепи и результирующей горного давления. _Таблица 5. _

Кровли по проявлению горного давления Интервал положения равнодействующей сопротивления крепи Расчетное положение результирующей горного давления

Предельный 80% случаев

Легкие 0,64Во^1о50,79Во 0,67Во21о<0,76Во х = 0,715Во

Средние 0,66В,< 1о20,79Вс 0,68Вс£ 1о<0,77Во х = 0,725 Во

Тяжелые | О,67В02 !050,79В0 0,7В0^ 1о<0,78В0 х = 0,74 Вс

Анализ распределения сопротивления секции (модуля) и давления ка почву пласта показывает, что Гипроуглемаш при разработке крепей, в том числе с однорядными секциями типа М137 и М147, использовал рекомендации по положению результирующей горного давления без учёта интервала её положения.

На кинематической модели секции М137.(Рис. 8а) видно, что около 50% интервала положения результирующей расположено впереди ряда стоек, влияя на снижение усилий для поддержания призабойной полосы кровли, вызывая её разрушение в этой зоне и повышение давления секции на переднюю часть основания.

Секции крепи с таким распределением сопротивления целесообразны только для работы на пластах с устойчивой кровлей.

На кинематической модели секции ЗМ138 (Рис. 86) расчётная результирующая «Я» и интервал результирующей расположен между рядами стоек, обеспечивая эффективную работу крепей в назначенных условиях.

Анализ кинематической модели секции крепи МКЮ.2У.0,55/1,3 показывает, что интервал положения результирующей горного давления расположен впереди ряда стоек (Рис. 9а), что недопустимо, так как приведёт к разрушению кровли по всей ширине пространства лавы, а при слабой почве - к потере секциями продольной устойчивости.

' Х2= 3400 ■

Рис.8. Кинематические модели секций: а) 1М137, б) ЗМ138

Условные обозначения к кинематическим моделям:

К - результирующая горного давления - равнодействующая сопротивления крепи;

хьх2 - расстояние от забоя соответственно до нижнего и верхнего пределов п интервале положения результирующей горного давления; 1Ь ¡2 - расстояние от забоя соответственно до ряда стоек однорядной или двухрядной секции;

Рь Рг — усилие, развиваемое стойками;

рг? = 0 - трение между перекрытием и кровлей пласта.

Анализ кинематических моделей однорядных секций ДМ (Донгипроуг-лемаш) и Глиник 06/15 показывает, что они имеют подобный недостаток взаимодействия с кровлей пласта.

Анализ кинематических моделей двухрядных секций импортных крепей для маломощных пластов показывает, что в крегш типа МУР03200Х (Рис. 96) результирующая горного давления расположена над передним рядом стоек, а в крепях типа КД90Т - в зоне переднего ряда стоек.

Эти секции могут оптимально взаимодействовать с боковыми породами пласта только в случае, если сопротивление переднего ряда стоек достаточно по условиям применения.

Среднее давление модуля (секции) на почву пласта. Анализ взаимодействия с почвой пласта секций крепей Глиник 06/15, ДМ, 1КД90Т, МУР03200Х, МКЮ.2У.29 и МК1 - разработана Московским филиалом Юр-маша, показывает что все крепи, кроме МК1, контактируют неудовлетворительно с почвой пласта, что приводит к потере продольной устойчивости секций на слабых почвах.

В крепи МК1 основания секций контактируют по всей длине и при равнодействующей сопротивления, равной 6080 кН, максимальное давление ка почву составляет 4 МПа при среднем давлении 2 МПа.

На Рис. 10 представлена рекомендуемая нами двухмодульная условно базовая секция МКБ 0,75-1,5. Секция МКБ 1,2-2,5 отличается конструктивной высотой, сопротивлением и массой секции.

Рис. 10. Двухмодульная секция МКБ 0,75-1,5.

На Рис. 11 приведены кинематические модели секций МКБ с распределением сопротивления крепи по ширине поддержания кровли и определением давления секции на почву пласта, а их анализ при координатах хь х, и Хг приведен в Таблице 6.

Секции МКБ 0,75-1,5 и МКБ 1,25-2,5/2 (Рис.12) оптимальны по взаимодействию с боковыми породами пласта с неустойчивыми кровлями и слабыми почвами, и могут эксплуатироваться без дополнительных средств.

х,}

X)

х2)

ъ

1 1 i | I j j 1 j'ц lili 11

1! i ! Í j ! 11 i 1 ! i и 1 i i j líü

Н! i и i j i ; ¡ lili 1111 и

Рис. И. Кинематическая модель секций крепи МКБ 0,75-1,5 и МКБ 1,2-2,5. Х2 = 3430

Рис.12. Кинематическая модель секции крепи МКБ 1,25-2,5/2 с проходами перед стойками и между стоек.

Таблица 6. Рекомендуемые параметры секций МКБ 0,75-1,5, МКБ 1,2-2,5 и МКБ 1,25-2,5/2 _

Показатели Обозначение Секции крепи

МКБ 0,75- МКБ 1,2-2,5 МКБ 1,25-

1,5 2,5/2

Результирующая горного давления, воспринимаемая моду- R, кН 4100 4860 4100

лем

Ширина поддержания кровли Во,м 4,82 4,86 4,4

Расстояние от забоя до ряда ll,MM 3055 3040 2600

стоек Ь, мм 4255 4240 3800

Координаты положения результирующей X], мм х, мм Х2, мм 3374 3567 3760 3405 3600 3795 3080 3225 3430

Длина основания модуля 1, м 2,8 2,8 2,8

Ширина основания модуля Ь, м 0.7 0,7 0,7

Среднее давление на почву пласта Рср, МПа 2,0 2,5 2,0

Максимальное давление на

почву пласта при координатах Prnax, МПа 2,90/2,5/2,2 3,5/2,9/2,6 3,0/2,4/1,8

Х1.Х.Х2

Секции МКБ 1,2-2,5 имеют повышенное давление на почву пласта и не рекомендуются для условий со слабыми почвами.

Основными исполнениями для усложнённых условий следует считать секции с выдвижными верхняхами МКБ /В (Рис. 13) и со скалывающими верх-няками МКБ /С (Рис. 14).

Рис. 13. Кинематическая модель секции МКБ /В с выдвижными верхняками.

Скалывающие верхняки на перекрытиях применяют на отечественных и зарубежных крепях (крепи М142, 2УКП, фирмы «Глиник» и т.д.). Однако до последнего времени неизвестно их применения для полного закрепления забоя по ширине поддержания кровли.

При выемке пласта с ложными кровлями предлагается использовать скалывающие верхняки для полного закрепления кровли и вынимать пласт с оставлением охранной пачки угля мощностью 0,2-0,3 м. После прохода выемочной машины оставленная пачка угля скалывается перед передвижением секций крепи.

Расчёты показывают, что при скалывании пачки угля мощностью до 0,3 м усилия составляют 120-150 кН/м.

Скалывающие верхняки целесообразны при комбайновой и струговой выемке. К настоящему времени это единственный способ эффективной комбинированной струговой выемкн пласта с неустойчивыми или ложными кровлями, за счёт сочетания неполной выемки пласта стругом и скалывания верхняками оставленной пачки угля.

Ансшиз давления предлагаемых секций крепи на почву пласта показывает отсутствие значительных величин на передней кромке оснований секций при положении координат XI и Хг между рядами стоек Ь и 12 с приближением координаты х к зависимости

х = 0,5 (1, +12), мм (11)

При наличии заглубления в почву пласта можно обеспечить приподъём передней части основания за счет опоры скалывающего верхняка на забой при передвижении секции.

Показатели Обозначение Секции крепи

МКБ 1,0-1,8/В МКБ 0,75-1,5/С МКБ 1,25-2,5/В МКБ 1,25-2,5/С

Результирующая горного давления, воспринимаемая модулем II, кН 2900 3400

Ширина поддержания кровли Во, м 4,0 4,0

Расстояние от забоя до рада стоек 1ь мм Ь, мм 2300 3500 2300 3500

Координаты положения результирующей Х|, мм X, мм Х2, ММ 2800 2960 3120 2800 2960 3120

Длина основания модуля 1,м 2,6 2,6

Ширина основания модуля Ь, м 0,7 0,7

Среднее давление на почву пласта Рс„, МПа 1,6 1,9

Максимальное давление на почву пласта при при координатах X], х,хг Рви,МПа 2,3/1,7/1,3 2,7/2,0/1,57

Усилие при передвижении секции с активным подпором.

Расчеты показывают, что для обеспечения передвижения секции с активным подпором до 10 МПа необходимо усилие Рп.с, не менее трёхкратной величины массы секции.

Металлоёмкость секций (Таблица 8).

Металлоёмкость секции МКБ 0,75-1,5 ожидается ка уровне металлоёмкости секции 1М137, равной 5,0 т/м, при сопротивлении в 2 раза более высоком.

Металлоёмкость секции МКБ 1,25-2,5/2 ожидается на 15% ниже металлоёмкости секции ЗМ1Э8 третьего типоразмера, равной 8 т/м, при равном сопротивлении.

Металлоёмкость секций МКБ/В и МКБ/С при близких конструктивной высоте и сопротивлении ниже известных для рассматриваемых условий.

Транспортные габариты модулей (Таблица 8).

Секции, состоящие из модулей, имеют преимущества перед всеми известными крепями для маломощных пластов по фактору спуска крепи в шахту, её транспортировки и монтажа-демонтажа.

Таблица 8.

Показатели Секции крепи

МКБ 0,75-1,5 МКБ1,25-2,5/2 МКБ 1,0-1,8/В МКБ 0,75-1,5/С МКБ 1,25-2,5/В МКБ 1,25-2,5/С

Металлоёмкость секций, т/м 5,0 7,0 6,0/5,5 7,0/7,5

Транспортные габариты модулей, м высота ширина длина 0,75 0,95 5,20 1,25 0,95 4,9 1,0 0,95 4,4 1,25 0,95 4,5

Результаты выполненных исследований позволили сформулировать рекомендации по структурным схемам секций крепи из-за отсутствия для рассматриваемых условий секций крепи, которые можно было использовать без значительных изменений и доработок.

Предлагаются блочномодульные секции, состоящие из двух или трёх двухстоечных, двухрядных, трёхзвенных модулей с шагом установки каждого 1 м с обеспечением боковой устойчивости на пластах с углом падения до 35°, продольной устойчивости с углом наклона пласта до ±10°, передвигаемых с активным подпором не менее 10 кН/м2, с зазором между перекрытиями и забоем не более 200 мм; в двухмодульных секциях по сравнению с секциями с шагом установки 1,5 м скорость крепления забоя выше в 1,3-1,35 раза, гидронасыщенность секции ниже на 30-35%, затраты на монтаж-демонтаж крепи ниже не менее, чем в 2 раза.

Структурные схемы разработаны применительно к традиционной технологии выемки - 2 схемы к технологии выемки с разделением крепления и управления кровлей - схема с выдвижными верхняками на перекрытиях, и технологии выемки под охранной пачкой угля - схема со скалывающими верхняками.

Заключение

В диссертационной работе на основе проведенных исследований опыта создания и промышленной эксплуатации механизированных крепей дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в обосновании выбора и расчёта параметров секций крепи, что позволит повысить эффективность её работы в усложнённых условиях на пологих пластах мощностью 1,0-2,5 м.

Выполненные исследования позволили получить следующие результаты и сделать выводы:

1. К 2020 г намечается работа более 100 КМЗ на маломощных пластах, из которых только 10% ожидаются с благоприятными условиями эксплуатации; в среднем по всем КМЗ, которые будут работать в усложненных условиях с существующим крепями, ожидается снижение нагрузки на забой - до 2 раз, а производительности труда - до 3 раз.

2. Разработана методика выбора и расчёта предлагаемых параметров секций крепи, что позволит обеспечить эффективную работу крепи без снижения проектных показателей очистного комплекса.

3. Разработан метод графо-аналитического определения основного параметра - сопротивление крепи, в зависимости от тяжести кровли, вынимаемой мощности и технологии выемки пласта, что позволит обеспечить работоспособность секций крепи в заданных условиях эксплуатации.

4. Установлена зависимость параметров сопротивление секции ( модуля) крепи, его распределения по ширине поддержания кровли, среднего и максимального давления секции (модуля) крепи на почву пласта от кинематической модели секции и положения интервала результирующей горного давления, что позволит обеспечить эксплуатацию крепи в усложнённых условиях по боковым породам пласта.

5. Разработаны рекомендации по определению координат интервала положения результирующей горного давления в зависимости от тяжести кровли и ширины её поддержания, что позволит обеспечить эффективную работу секций крепи в задзнных условиях эксплуатации.

6. Применение секций с выдвижными или скалывающими верхняками предпочтительно. По сравнению с секциями для традиционной выемки пласта их сопротивление ниже на 40-43%, а среднее и максимальное давление на почву пласта ниже на 15-20%.

7. Наиболее целесообразно применение секций со скалывающими верхняками, которые обеспечивают полную затяжку кровли при ширине поддержания 4 м, коэффициенте закрепления - не менее 0,95, усилии скалывания охранной пачки угля до 150кН/м, сопротивлении крепи для тяжёлой кровли 1-го типоразмера - 730 кН/м2, И-го - 850 кН/м2, сопротивлении модуля соответственно - 2900 кН и 3400 кН; среднем давлении на почву пласта - 1,6 МПа и 1,9 МПа, максимальном давлении 2,3 МПа и 2,7 МПа; ожидаемой металлоёмкости - 5,5 т/м и 7,5 т/м.

8. Секции крепи со скалывающими верхняками универсальны по применению и могут работать во всех усложнённых условиях эксплуатации при вы-

емке пластов мощностью 1,0-1,5 м струговыми установками, а мощностью 1,32,5 м - очистными комбайнами.

9. Показано, что совместная работа крепи с цельнопередвижным конвейером и двумя комбайнами создает четкую единую конструктивную базу для высокопроизводительной технологии выемки пласта и позволит по сравнению с однокомбайновой выемкой с волновой передвижкой конвейера при равной энерговооруженности повысить нагрузку на забой в 1,45-1,95 раза и производительность труда в 2,2-2,5 раза, отказаться от погрузочных щитов на комбайнах, обеспечивая зачистку призабойной части лавы от разрушенного угля лемехами-подборщиками забойного конвейера при его фронтальной передвижке на новую ленту выемки угля, что снизит энергоёмкость выемки пласта на 20-25%, повысит сортность угля и безопасность ведения работ в лаве.

10. Данные предложения использованы в нормативной документации и Московским филиалом Юрмаша при разработке в 2011 г технического предложения по крепи для тонких пластов Ш.У. «Карагайлинское» (Кузбасс), где принята рекомендуемая в работе структурная схема секции - двухмодульная, двухрядная, трёхзвенная, с шагом установки 2 м, с основными параметрами, разработанными в диссертации.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Мышляев Б.К., Титов И.В. Очистная техника для шахт Кузбасса. Заметки с выставки. «Горное оборудование и электромеханика». 2006. №11, с.27-32.

2. Мышляев Б.К., Титов C.B., Титов И.В. Производство современной очистной техники - основа развития подземной добычи угля в РФ. «Уголь». 2007. №1,

3. Мышляев Б.К., Титов C.B., Титов И.В. О направлениях развития очистной техники для шахт РФ. «Научные сообщения ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочин-ского» №333/2007, с 82-96.

4. Мышляев Б.К., Титов И.В. Технология и техника нового поколения для выемки пологих пластов мощностью 1,0-6,0 м. «Научные сообщения ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского» №334/2008, с. 22-31.

5. Мышляев Б.К., Титов И.В. Технико-экономическйй анализ современных механизированных крепей. «Горное оборудование и электромеханика». 2008. №12, с. 20-25.

6. Титов И.В. О направлениях создания крепей нового - 4-го поколения для пологих пластов мощностью 1,0-2,5 м. «Горное оборудование и электромеханика». 2010. №8, с. 2-7.

7. Мышляев Б.К., Титов И.В. Струг или комбайн - для выемки тонких пластов. «Уголь». 2011. №7, с 24-26.

8. Титов И.В. О механизированной крепи для пологих пластов мощностью 1,0.. .2,5 м. «Горное оборудование и электромеханика». 2011. №7, с. 2-5.

9. Комбайны очистные. Общие технические требования. Методы испытаний. ГОСТ Р 53649-2009. Руководитель работы Мышляев Б.К., ответственный исполнитель Титов И.В.

с. 11-15.

КОПИ-ЦЕНТР св. 7:07:10429 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д.36 тел.: 8-499-185-7954,8-906-787-7086

Введение

Глава 1. Состояние комплексной механизации очистных работ на поло- 8 гих маломощных пластах

1.1. Общие сведения и условия эксплуатации очистных комплексов

1.2. Струговые комплексы для маломощных пластов

1.3. Комбайновые очистные комплексы 29 Выводы по 1 -й главе

Глава 2. Анализ крепей для маломощных пластов

2.1. Основные технические требования к секциям крепей для услож- 43 нённых условий эксплуатации.

2.2. Современные крепи для маломощных пластов

2.3. Рекомендуемые структурные схемы секций крепи 66 Выводы по 2-ой главе

Глава 3. Обоснования выбора и расчёта параметров секций крепей

3.1. Основные параметры секций крепей

3.2. Методика выбора и расчёта параметров секций крепей

3.3. Рекомендации по применению крепей с выбранными параметрами 100 секций

Выводы по 3-ей главе

Глава 4. Анализ взаимодействия секций крепи с основным оборудова- 106 нием очистного забоя

4.1. Взаимодействие секций крепи с забойным конвейером

4.2. Взаимодействие секций крепи с очистным комбайном и струговой 114 установкой

4.3. Результаты работы очистных комплексов с выбранными парамет- 116 рами секций крепей

Выводы по 4-ой главе

Актуальность работы. Из комплексно-механизированных забоев (КМЗ) на полого-наклонных до 35° (далее пологих) пластах мощностью 1,02,5 м (далее маломощных пластах) в РФ в последние годы добывалось 3537% угля от общего объёма подземной добычи и к 2020 г. ожидается увеличение добычи до 45% или до 50 млн. т угля в год.

Применительно к шахтам РФ нижний предел вынимаемой мощности пластов рассматриваемого диапазона определён реальной возможностью создания высокопроизводительной техники для выемки тонких пластов, что подтверждается работами Гипроуглемаша, ПНИУИ и других разработчиков.

Верхний предел условно ограничен требованиями безопасности к механизированным крепям по применению на их секциях оградительных щитов, снижающих опасность ведения очистных работ в условиях отжима угля из забоя на пластах мощностью более 2,5 м.

К усложнённым горно-геологическим условиям эксплуатации отнесены пласты с вынимаемой мощностью менее 1,5-1,6 м, с углами падения 12°-35°, с неустойчивой непосредственной и ложной кровлями, со слабыми непосредственными почвами, со значительными геологическими нарушениями.

Количество шахтопластов, не имеющих осложняющих факторов в РФ, ожидается не более 10% (для сравнения в 1995 г — 5,5%), а имеющих два и более осложняющих факторов - до 70%.

Среднее ожидаемое снижение нагрузки на забой по всем КМЗ с усложнёнными условиями может составить до 2 раз, а производительности труда — до 3 раз.

В работе введено понятие «кинематическая модель секции крепи» для проведения компьютерного анализа взаимодействия секций с боковыми породами пласта и последующего перехода от кинематических, силовых, прочностных и ресурсных стендовых испытаний к компьютерным исследованиям.

Механизированная крепь обеспечивает положительные качества совместно с забойным конвейером — базой для агрегатирования, и выемочной машиной.

Работа, направленная на обоснование и выбор параметров секций крепей для усложнённых условий эксплуатации, актуальна.

Цель работы: обоснование и выбор конструктивных и силовых параметров секций механизированных крепей для: усложнённых условий; эксплуатации на пологих маломощных пластах, что позволит обеспечить эффективную работу крепи без снижения проектных показателей очистного комплекса:

Идея работы: выбор и расчёт параметров секций крепи выполняется с использованием компьютерного моделирования взаимодействия крепи с боковыми породами пласта.

• Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна: : \

- метод графо-аналитического определения' параметра, сопротивления: крепи-в зависимости от, тяжести кровли, вынимаемой мощности и технологии выемки пласта;

- зависимость обоснованного выбора параметров сопротивления сект ции креии, его распределения по ширине поддержания кровли, давления секции на почву пласта и его распределение от кинематической модели секции и интервала положения результирующей горного давления;

- зависимость координат интервала положения результирующей горного удавления, воспринимаемого секцией, от тяжести и ширины поддержания кровли.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием апробированных методов математической статистики; совпадением теоретических обоснований и рекомендаций с экспериментальными и шахтными данными; удовлетворительной сходимостью расчётных показателей с фактическими с расхождением, не превышающим ± 6%. .

Методы исследования. В работе использован комплексный подход к решению проблем оценки конструктивных и эксплуатационных качеств секций крепи и их параметров, включающий теоретические исследования с использованием ЭВМ, анализ и научные обобщения опыта создания и эксплуатации отечественных и импортных крепей, методы математической статистики для обработки теоретических, экспериментальных и шахтных данных и экспертных оценок.

Научное значение работы заключается

- в определении обоснованного выбора параметров сопротивления крепи для конкретных условий эксплуатации с обеспечением работоспособности секции во всем диапазоне раздвижности в зависимости от тяжести кровли, вынимаемой мощности и технологии выемки пласта;

- в обосновании выбора и расчёта параметров сопротивления секций крепи, его распределения по ширине поддержания кровли, в определении среднего и максимального давления секции на почву пласта в заданных условиях эксплуатации в зависимости от кинематических моделей секции и интервала положения результирующей горного давления;

- в определении координат интервала положения результирующей горного давления в зависимости от тяжести и ширины поддержания кровли.

Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по структурным схемам секций крепи и методики выбора и расчёта конструктивных и силовых параметров секций крепи для усложнённых условий эксплуатации на пологих маломощных пластах, обеспечивающих эффективную работу крепи и очистного комплекса без снижения проектных показателей.

Реализация результатов работы. Результаты проведения исследований докладывались на Ученом совете ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского в 2008 г, как часть работы «Создание высокопроизводительных базовых очистных комплексов и машин» и были одобрены; рекомендации работы использованы Московским филиалом Юрмаша при разработке в 2011 г технического предложения по крепи для тонких пластов ШУ «Карагайлинское» (Кузбасс), где принята рекомендуемая в работе структурная схема секции — двухмодульная, двухрядная, трёхзвенная с шагом установки 2 м, с основными параметрами, разработанными в диссертации, а также использованы в нормативной документации на очистные комбайны, где показано, что совместная работа крепи с двумя комбайнами и цельнопередвижным конвейером по сравнению с однокомбайновой выемкой и волновой передвижкой конвейера позволяет повысить нагрузку на забой в 1,45-1,95 раза, а производительность труда - в 2,2-2,5 раза, и отказаться от погрузочных щитов на комбайнах, что снизит энергоёмкость выемки пласта на 20-25% и повысит сортность угля и безопасность ведения очистных работ.

Апробация диссертации. Результаты диссертационной работы рассматривались на семинарах «Горные машины и оборудование» при проведении научных симпозиумов «Неделя горняка» в Московском государственном горном университете в 2007, 2008, 2009, 2010 и 2011 годах.

Публикации. По результатам исследований и анализа, выполненных в диссертации, опубликовано 9 работ, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. I

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения; содержит 36 рисунков, 20 таблиц и список использованной литературы из 54 наименований.

Выводы по 4-ой главе

1. Анализ взаимодействия крепей с секциями для усложнённых условий эксплуатации совместно с цельнопередвижным забойным конвейером и одним двухшнековым комбайном показывает, что решена основная цель данной работы — обеспечение работы очистного комплекса без снижения проектных показателей.

2. При совместной работе с цельнопередвижным конвейером и двумя одношнековыми комбайнами могут быть устойчиво обеспечены результаты, превосходящие до 1,5-2 раз по нагрузке на забой и до 2,2-2,5 раз по производительности труда очистных комплексов, работающих в благоприятных условиях.

3. Весьма перспективным направлением может явиться применение крепей с секциями со скалывающими верхняками применительно к усложнённым условиям для пластов мощностью 1,0-1,5 м совместно со струговыми установками с выемкой пласта под охранной пачкой угля.

По нашему мнению, сегодня это единственное направление работ, которое может возродить добычу антрацита в Восточном Донбассе РФ.

Заключение

В диссертационной работе на основе проведенных исследований опыта создания и промышленной эксплуатации механизированных крепей дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в обосновании выбора и расчёта параметров секций крепи, что позволит повысить эффективность её работы в усложнённых условиях на пологих пластах мощностью 1,0-2,5 м.

Выполненные исследования позволили получить следующие результаты и сделать выводы:

1. К 2020 г. намечается работа более 100 КМЗ на маломощных пластах, из которых только 10% ожидаются с благоприятными условиями^ эксплуатации; в среднем по всем КМЗ, которые будут работать в усложненных условиях с существующими крепями, ожидается снижение нагрузки на забой — до 2 раз, а производительности труда — до 3 раз.

2. Разработана методика выбора и расчёта предлагаемых параметров секций крепи, что позволит обеспечить эффективную работу крепибез снижения проектных показателей очистного комплекса.

3. Разработан метод графо-аналитического-определения* основного параметра - сопротивление крепи, в зависимости от тяжести кровли, вынимаемой^, мощности и технологии выемки пласта, что позволит обеспечить работоспособность секций крепи в заданных условиях эксплуатации.

4. Установлена зависимость параметров сопротивление секции ( модуля) крепи, его распределения по ширине поддержания кровли, среднего и максимального давления секции (модуля) крепи на почву пласта от кинематической модели секции и положения* интервала результирующей горного давления, что позволит обеспечить эксплуатацию крепи в усложнённых условиях по боковым породам пласта.

5. Разработаны рекомендации по определению координат интервала положения результирующей горного давления в зависимости от тяжести кровли и ширины её поддержания, что позволит обеспечить эффективную работу секций крепи в заданных условиях эксплуатации.

6. Применение секций с выдвижными или скалывающими верхняками предпочтительно. По сравнению с секциями для традиционной выемки пласта их сопротивление ниже на 40-43%, а среднее и максимальное давление на почву пласта ниже на 15-20%.

7. Наиболее целесообразно применение секций со скалывающими верхняками, которые обеспечивают полную затяжку кровли при ширине поддержания 4 м, коэффициенте закрепления^- не менее 0,95, усилии скалывания охранной пачки угля до 150кН/м, сопротивлении крепи для тяжёлой кровли 1-го типоразмера - 730 кН/м2,11-го - 850 кН/м2, сопротивлении модуля соответственно- 2900 кН и 3400 кН; среднем давлении на почву пласта — 1,6 МПа и 1,9 МПа, максимальном давлении 2,3 МПа и 2,7 МПа; ожидаемой металлоёмкости - 5,5 т/м и 7,5 т/м.

8. Секции крепи со скалывающими верхняками универсальны по применению и могут работать во всех усложнённых условиях эксплуатации при выемке пластов.мощностью 1,0-1,5 м струговыми установками, а мощностью* 1,3-2,5 м - очистными комбайнами.

9. Показано, что совместнаяфабота- крепи с цельнопередвижным конвейером и двумя* комбайнами создает четкую единую конструктивную базу для высокопроизводительной технологии выемки пласта и позволит по сравнению с однокомбайновой выемкой с волновой передвижкой конвейера при равной энерговооруженности повысить нагрузку на забой в 1,45-1,95 раза и производительность труда в 2,2-2,5 раза, отказаться от погрузочных щитов на комбайнах, обеспечивая зачистку призабойной части лавы от разрушенного угля лемехами-подборщиками забойного конвейера при его фронтальной передвижке на новую ленту выемки угля, что снизит энергоёмкость выемки пласта на 20-25%, повысит сортность, угля и безопасность ведения работ в лаве.

10. Данные предложения использованы в нормативной документации и Московским филиалом Юрмаша при разработке в 2011 г технического предложения по крепи для тонких пластов Ш.У. «Карагайлинское» (Кузбасс), где принята рекомендуемая в работе структурная схема секции — двухмодульная, двухрядная, трёхзвенная, с шагом установки 2 м, с основными параметрами, разработанными в диссертации.

1. Мохначук И.И., Мышляев Б.К., Балабышко A.M. Энергетическая безопасность России — стратегический национальный проект страны // Уголь, 2006, июль, с. 29-33.

2. Козлов C.B. Развитие производства современного оборудования для угольной промышленности Российской Федерации // Горные машины и электромеханика, 2000, №1, с. 2-4.

3. Рудь A.M. Состояние аварийности, травматизма и профессиональной заболеваемости на предприятиях угольной промышленности // Уголь, 1990, июнь с. 3-4.

4. Мохначух И.И., Мышляев Б.К. О безопасности и эффективности работ при подземной добыче угля на шахтах РФ // Уголь, 2008, Апрель, с. 2730;

5. Рейнлендер П., Нинхаус К., Исследования и разработки для высокопроизводительных очистных забоев в международной горной промышленности // Глюкауф, 2006, май №1(2), с. 44-49.

6. Угледобывающая техника института «Гипроуглемаш» и её создатели. Под общей редакцией В.В. Старичнева и В.З. Шабловского. Москва: ООО «Дизайн-бюро Альянс - А». 2005. 128 с.

7. Клорикьян С.Х. О резервах производительности очистного комплекса с двумя комбайнами // Уголь, 1978, №10, с. 55-58.

8. Мышляев Б.К. О направлениях развития техники и технологии очистных работ на шахтах РФ // Уголь, 1999, апрель, с. 39-43.

9. Мышляев Б.К., Титов C.B., Титов И.В. О направлениях развития очистной техники для шахт РФ. «Научные сообщения ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского». №333/2007, с. 82-96.

10. Мышляев Б.К. Оценка эффективности очистного оборудования. Информационный сборник. Выпуск 5. ЦНИИЭуголь. 1990., с. 18-23.

11. П.Петров H.A., Мышляев Б.К. О влиянии механизированной крепи на эффективность работы очистного комплекса /ГУголь, 1991, с. 44-47.

12. Титов C.B., Мышляев Б.К. О критериях качества и конкурентоспособности очистного оборудования // Горные машины и автоматика, 2005, №1, с. 25-30.

13. Орлов A.A., Баранов- С.Г., Мышляев Б.К. Крепление и управление кровлей в комплексно-механизированных очистных забоях. М.: «Недра». 1993.

14. Штенмас К. X. Техническое оснащение и достигнутая производительность 430-метровой лавы // Глюкауф, 2000, сентябрь №2 (3), с. 7-14.

15. Лебеденко А.Л., Болтенков В.В. Шахта «Заря» работает устойчиво // Уголь Украины, Май. 1995, с. 24-27.16. «BUCYRUS» Автоматизированные струговые системы (реклама)- // Уголь, 2008, Май, с. 50.

16. Баукман Ш., Соболев В.В. Струговая установка и очистной комбайн // Уголь. 2009, август, с. 20-22.

17. Титов C.B. Оценка эффективности и конкурентоспособности очистного оборудования // Уголь. 2005, сентябрь, с. 58-61.

18. Мышляев Б.К., Титов И.В. Струг или комбайн для выемки тонких пластов //Уголь, 2011, №7, с. 24-26.

19. Пашедаг У. Автоматизированная техника струговой выемки надежная и высокопроизводительная техника выемки угля, в том числе в сложных горно-геологических условиях // Глюкауф. 2001, декабрь №2 -(4), с. 14-19.

20. Фосс Х-В., Юнкер М., Битер М. Первый практический опыт применения струговой установки с повышенной- мощностью привода на пластах твердого угля // Глюкауф. 2004, декабрь №4, с. 6-15.

21. Новая струговая установка на шахте №50 в США // Интернешнл Май-нинг. 2001, сентябрь-октябрь.

22. Лаврик F.B; Дюпин А.Ю., Ногих С.Р., Дурнин М.К. Результаты шахтного эксперимента при применении технологии струговой выемки в глубоких шахтах Кузбасса // Уголь, 2006, май, с. 26-28.

23. Оганесян G.A. Авария в Филиале Шахта «Тайжина» ОАО ОУК «Юж-кузбассуголь» хронология, причины; выводы //Уголь, 2004. июнь, с. 25-28.

24. Крепь 1М147. Проспект ОАО «Гипрогуглемащ». 2000.

25. Комплекс 1КМ147. Проспект ОАО «Гироуглемаш». 2000.

26. Отчет о проведении приемочных стендовых испытаний экспериментальных секций крепи Ml 51.00.00.000. Гипроуглемаш. 1999 г. (Архив

27. Протокол стендовых испытаний секций крепи М151.00,00.000. Гипроуглемаш. 1999 г. (Архив ОАО ОМТ).

28. Отчёт о НИР «Разработать технические требования к ТЗ на очистной механизированный комплекс КМ151 (заключительный). ИГД им. А.А; Скочинского. 1999 г. (Архив ОАО ОМТ).

29. Мышляев Б.К., Титов И.В! Технико-экономический анализ современных механизированных крепей // Горное оборудование и электромеханика, 2008. №12, с. 20-25.

30. Мохначук И.И., Титов C.B. Качество очистного оборудования основа безопасности и эффективности работы комплексно-механизированного; забоя // Уголь, 2006. Октябрь, с. 7-10.127

31. Мышляев Б.К. Титов С.В., Титов И.В: Производство?современношочи-стной техники — основа развития подземной добычи угля в РФ // Уголь, 2007. № Г, с. 11-15 .

32. Мышляев Б:К., Титов: И.В. Технология и техника нового поколения для выемки пологих пластов мощностью 1,0-6,0 м. «Научные сообщения НШ£ГП-ИВД А. А; Скочинского» №334/2008; е., 22-31.

33. Мышляев Б.К. Перспективные направления создания очистной технит ки.//Горныйокурнал, 2003: №3; с.,60г66.

34. Титов?(В.В., Мышляев5Б;К. Об эксплуатационных свойствах соврёмент ных механизированных крепей.для пологих пластов средней мощности и мощных //Горные машиньг и автоматика» 2004f №5, с: 1'5-201

35. ГОСТ Р 52152-2003. Крепи механизированные для лав. Основные параметры. Общие технические требования. Методы испытаний. Госстандарт России. Москва. Руководитель разработки Мышляев Б.К.

36. Ерохин А.И. Исследование управляемости и устойчивости^ механизированных крепей комплекса МКС// Уголь,- 1990. №9, с. 48-50. ,

37. Хорин В.Н. Расчёт и конструирование механизированных крепей. -М!: «Недра»; 1988L

38. Косарев В.В., ВассермашИФ., Андреев; F;BV Косарев ;ИШ! Разработка: методики исследования: и выбора параметров' двухстоечной крепи ДМ. для тонких пластов //Горное оборудование, и электромеханика, №1. 2005. с. 40-44.

39. Мышляев B.KJ, Быков G.Bi, Хайман А.Р. Распределение сопротивления: между рядами стоек: механизированных крепей //Уголь, 1979. №10, с.42.45. .

40. Мышляев Б.К! О проблемах безопасности ведения* работ на шахтах Российской Федерации. // «Уголь». 2004. №2, с. 33-36.

41. Якоби О. Практика управления горным: давлением. М.: «Недра». 1987.

42. Мышляев Б.К. О работе очистных комплексов^«Джой>> на шахтах Кузбасса. // Уголь, 2003, август, с. 59-63.

43. Никитин С.Г., Бернацкий В.А., Акулин А.В. Результаты промышленных испытаний и эксплуатации комплекса 2КМ144Н // Уголь — 1997. — Декабрь. с. 26-27.

44. Мохначук И.И. Создание высокопроизводительной очистной технологии повышенной безопасности для пологих пластов мощностью 1-7 м // Уголь, Апрель. 2011, с.30-34.

45. Комбайны очистные. Общие технические требования. Методы испытаний. ГОСТ Р 53649-2009.

46. Титов C.B., Мышляев Б.К. Исследование эксплуатационных свойств современных очистных комбайнов механизированных комплексов // Горные машины и автоматика, №12. 2003, с. 11-17.

47. Мохначук И.И. Охрана труда и промышленная безопасность в угольной промышленности России // Уголь, 2003, август, с. 35-38.

48. МакШэннон. Будущее за радиальными шнеками без щитов ограждения // Коул Интернешнл, 2006. Март, с. 24-28.

49. Титов C.B., Мышляев Б.К. Эксплуатационные характеристики забойных скребковых конвейеров механизированных комплексов // Горные машины и автоматика, №7. 2003, с. 2-5.

50. Середенко М.И., Белов В.П. и др. Исследование взаимодействия механизированной крепи М127 с боковыми породами пологих и полого-наклонных пластов Кузбасса. Сборник научных трудов КУЗНУИ. Прокопьевск. 1973.

51. Иванушкин В.И., Орлов В.М., Левашов В.М: Результаты шахтных испытаний комплекса КМ100/6. // Горные машины и автоматика, 1967. №9, с. 85-90.