автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров механизированной крепи с системой управления выпуском угля на мощных наклонных пластах Вьетнама

На правах рукописи

Нго Куок Чунг

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ВЫПУСКОМ УГЛЯ НА МОЩНЫХ НАКЛОННЫХ ПЛАСТАХ ВЬЕТНАМА

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 МДП ¿011

Москва 2014

005549516

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» на кафедре «Горные машины и оборудование».

Научный руководитель:

Грабский Александр Адольфович, кандидат технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Захаров Юрий Никитович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)/ кафедра «Техника и технология нефтегазового производства», профессор;

Чеботарев Павел Николаевич, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»/кафедра «Городского строительства и архитектуры», ассистент.

Ведущая организация: ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод», г. Тула.

Защита диссертации состоится «4» июля 2014 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, д. 90, ауд. 220, 6-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872) 35-81-81.

Автореферат разослан

2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Копылов Андрей Борисович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. По планам развития народного хозяйства Вьетнама до 2020 года предусмотрено довести добычу угля до 75 млн т в год, в том числе около 80 % подземным способом. Это возможно только за счет увеличения производительности труда с применением новых технологий и средств механизации.

Государственным балансом запасов углей Вьетнама учитывают только запасы углей Куангниньского угольного бассейна до 10,5 млрд тонн. В большинстве случае из них около 67 % запасов угля залегают в пластал мощностью более 3,5 м с углом падения от 18 до 35°, что само по себе является трудными условиями добычи угля

Применение традиционных технологических схем разработки мощных наклонных пластов и средств механизации с буровзрывным способом добычи не соответствуют в должной мере современным требованиям повышения безопасности и производительности добычи угля в лаве. Поэтому необходимо создание новых конструктивных решений в обосновании новых средств механизации при разработке мощных угольных пластов безвзрывным способом. Поскольку применяемые в настоящее время во Вьетнаме способы разработки мощных наклонных угольных пластов с использованием механизированных комплексов с выпуском угля из под-кровельной толщи буровзрывным способом на забойный конвейер имеют невысокую производительность. Объясняется это сложными горно-геологическими условиями при разработке Куангнинского угольного месторождения буровзрывным способом, когда после каждого шага передвижки механизированной крепи производят буровзрывные работы для разрушения подкровельной пачки угля, которую в процессе работы обрушают из подкровельного слоя угля на почву пласта, расположенного ниже высоты расположения выпускного окна секции механизированной крепи. Это приводит к большой потере в процессе выпуска угля (до 43 %) что мешает передвижению лавы и тем самым снижает производительность добычи Кроме того, механизированная крепь работает в сложных наклонных условиях, что вызывает снижение площади потока угля проходящего через выпускное окно механизированной крепи. Для исключения выше указанных недостатков целесообразно оснастить механизированную крепь системой управления выпуска угля обеспечивающую заданную производительность выпуска угля не зависимо от угла наклона пласта и пространственного расположения секций механизированной крепи относительно забоя при безвзрывном способе добычи угля. Это позволит увеличить количество циклов передвижки секций крепи за смену и тем самым позволит увеличить производительность очистного комплекса.

Однако такое техническое решение невозможно без обоснования параметров механизированной крепи с системой управления выпуском угля на мощных наклонных пластах, позволяющей повысить выпуск угля через выпускное окно и увеличить количество передвижек механизированных крепей за один рабочий цикл, и тем самым увеличить производительность механизированного комплекса, что является важной и актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей выпуска угля из подкровельной толщи разрабатываемого угольного пласта для обоснования конструктивных параметров и технологических элементов секций механизированной крепи, связанных с системой управления выпуском угля, повышения эффективности и полноты извлечения запасов выемочных участков угольных шахт.

Идея работы заключается в том, что рациональные конструктивные параметры и технологические элементы секций механизированной крепи, связанные с системой управления выпуском угля, повышение эффективности и полноты извлечения запасов выемочных участков угольных шахт основываются на использовании эффекта разрыхления угля, выпускаемого через секцию механизированной крепи.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- повышение в 1,6 раза производительности очистного комплекса при отработке мощных наклонных пластов обеспечивается выбором рациональных параметров системы выпуска угля секции крепи безвзрывного способа;

- пропускная способность выпускного окна механизированной крепи зависит от угла наклона питательного желоба, угла подъема перекрытия плиты выпускного окна и рабочего хода гидроцилиндра управления;

- производительность системы выпуска угля зависит от углов наклона пласта при движении крепи по падению, восстанию, простиранию и диагональному направлению.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью постановки задач исследований; корректным использованием апробированных методов исследования процесса выпуска сыпучих материалов; достаточным объемом лабораторных исследований взаимодействия механизированных крепей с выпускаемой подкровельной толщей угля, а также шахтных исследований при отработке запасов пласта 6 шахты Наммау в бассейне Куангнинь; сопоставлением аналитических результатов исследований с натурными наблюдениями и совпадением на 86-90 %.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимостей изменения ширины потока угля и высоты выпускного окна от длины перекрытия плиты выпускного окна, позволяющих определять оптимальные параметры устройства регулируемого перекрыли выпускного окна и их влияние на производительность, а также влияния угла падения пласта и площади выпускного окна на производительность выпуска угля при эксплуатации в различных технологических схемах; разработана принципиально новая конструкция механизированной крепи с системой управления выпуска угля, что выражается в подаче заявки на патент № 2014102105 от 23.1.2014 г. «Секция механизированной крепи».

Научное значение работы заключается в установлении влияния горногеологических, конструктивных технологических факторов, площади сечения

и ширины зоны потока угля на управляемость процессом выпуска угля из подкровельнои толщи мощного пласта на забойный конвейер очистного ме-

Г=ГОГО К°ТеКСа даЯ °боснова™я Рациональных параметров секции механизированной крепи. н

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по оооснованию параметров секций механизированных'крепей Гри о^або™ мощных наклонных пластов Вьетнама с целью повышения эффектныюсГи б «опасности ведения очистных работ, а также повышения в 1 6 раза по™ извлечения запасов угля и расширения возможное™ применения механик рованной крепи в различных горно-геологических условиях ттп__ЛИЗаЦНЯ Работы- Результаты исследований были использованы при проектировании и разработке запасов пластов 6а, 7 в шахте Наммау Вь^Г

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-

™Тной'ШО Ш2 ТГ Ш(тПУт ГОРНОЙ НауКИ И теХН™ Ш11) (г. Ханой 2010-2012 г.); на угольных шахтах Вангзань, Наммау в бассейне Куангнинь-Вьетнам (г. Куаншинь, 2007-2012 г.); на кафедре <<?0р1ше машины и оборудование» МГГУ (г. Москва, 2009-2013 г.); ШеделГгорнякаГв Московском государственном горном университете (г. Москв^ГгШ г V

™:^аР0ДНЫе ЭК0Л°'™е горные конференций студенты и молоды^ науки» в Московском государственном горном университете (г. Москва, 2013

"Г™11™- П° ТСМе ™ссеР™">т опубликовано 5 научных работ, в том ГГ Г™ В журналах' рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ По результатам работы и в соавторстве подана заявки на 1 патент РФ на изобретение

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения 5 глав заключения, содержит 137 страниц основного текста, в том чиате'снискок "Г" ЛИТеРа1УРЫ Ю 85 аний, 23 таблицы, 74 рисунков и

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Аналитический обзор средств механизации и технологий при разработке мощных, пологих и наклонных угольных пластов, а также плановьк решений показал, что на шахтах Вьетнама, России и во многих странах разработаны и проведены опытно-промышленные испытания вариантов технологий выемки угля с выпуском подкровельной толщи угля.

Результаты анализов горно-геологических и горнотехнических условий Куангнинского угольного бассейна показали, что составная часть запасов пластов с мощностью более 3,5 м составляет - 67,27 %, в том числе наклонных угольных пластов мощностью более 4,5м -47,99 %, при этом около 90 % запасов залегают в пластах с углом падения от 18 до 35°.

В большинстве случаев на шахтах Вьетнама используется ручной труд при разработке мощных наклонных угольных пластов. Уровень механизации при до-

быче угля ограничен, в основном применяют буровзрывной.способ отбойки угля с последующей ручной погрузкой на скребковый конвейер. На практике во Вьетнамепри добьгаг угля из шшлов мощною более 3,5 м суглом^е™ядо 35° использование механизированных комплексов составляет не более 4,6 /о (за период 2007-2012 гг .находится в пределах 200-550 т/смену).

На основании выполненного анализа при разработке мощных пологих и наклонных пластов с исследованием механизированных крепей с выпуском угля из подкровельной толщи угля на завальный конвейер, выявлено, что невозможно избежать больших потерь и повышенная зольность угля.

Над решением подобных задач работали такие признанные У™ Жетесов С.С., Калинин С.И., Шундулиди ИЛ., Габов ВВ., Браицев А.В Тол™ СЛ., Мозер С.П., Брагин В.Е., Грицко Г.И., Гапанович Л.Н., Егоров Шв!°Бернацкий Б.А., Балабышко A.M., Гринько Н.К., Громов Ю.В., Коваль^ А Б Клишин В.И., Брагин Б.Е., Егоров П.В., Зайденварг В.Е Мыпшяев BJC., КозовойГ И Фрянов В.Н., Малышев Ю.Н., Савченко П.Ф., Худин ЮЛ Фо-юш Ю.С^ Кубши.шбек уул^ Бакьгг, а также зарубежные Doan Van Kien, Phung

Manh Dac, Nguyen Anh Tuan и др.

Таким образом, для обоснования параметров механизированной крепи с системой управления выпуска угля на мощных наклонных пластах Вьетнама, обеспечивающих повышение производительности и снижение потерь угля при р^личньк схемах забоя в горно-геологических условиях Вьетнама были

поставлены и решены следующие задачи:

- разработать рекомендации методики проведения лабораторные и шахтные исследования для оценки технологических возможностей механизированной крепи с выпуском угля из подкровельной толщи через выпускное окно на забойный конвейер; ____

- установить зависимости влияния на производительность выпуска от параметров выпускного окна в механизированной крепи с выпуском угля из

подкровельной толщи;

- установить зависимости влияния параметров системы управления выпуска угля в механизированной крепи на производительность выпуска угля;

- установить зависимости влияния угла наклона пласта на площадь сечения потока угля через выпускное окно при отработке мощных пластов с применением механизированной крепи с выпуском угля;

- выполнить аналитические исследования параметров системы управления выпуска и разработка рекомендаций применения механизированной комплекса отработки мощных наклонных пластов с выпуском угля подкро-

вельнои толщи. ^^ эффективноста применения и параметров механизированной крепи с выпуском угля из подкровельной толщи в диссертационном So» £ли проведены лабораторные исследования на стендах масштаба 1-15 для изучения взаимодействия сыпучего материала. _ ^

' Исследование процесса выпуска угля через люк крепи на забойный кон-

вейер были проведены с использованием механизированной крепи оградительно-поддерживающего типа, например, УШААЬТА-2.0/3.15 производства Вьетнама. Опыты исследований показали, что в процессе выпуска образуется зона потока угля в виде конуса с углом наклона от 75 до 80°.

На основании результатов исследований в лаборатории с помощью стенда (стенд 1 а) определена зависимость производительности выпуска угля от ширины зоны потока и высоты расположения выпускного окна относительно желоба механизированной крепи (рисунок I).

Рисунок 1 - Зависимость производительности выпуска угля от ширины зоны потока и высоты выпускного окна

Экспериментальные исследования показали, что при максимальном открытии выпускного окна, равного 800 мм, наблюдаются максимальные потери угля. График показывает, что чем больше высота выпускного окна, тем больше производительность выпуска угля и ширина зоны потока угля.

Результат шахтных испытаний комплекса VINAALTA на шахте Наммау при отработке пласта 6 показали, что потеря угля при выпуске составляет от 35 до 43 %.

Из анализа результатов лабораторных и шахтных исследований, а также результатов исследования Шундулиди И.А., Клишин В.И., Кубаныпбек уулу Бакыт получено выражение производительности выпуска угля в зависимости от параметров системы управления выпуска угля:

Q = f(v,J) = f{n, A, L, N, H, h. S, 1, а, Д ср) (1)

где Q - производительность выпуска угля; v - скорость движения питательного желоба, в лабораторной работе были определены в зависимости от параметров n - количества хода питательного желоба; А - длины хода питательного желоба;

/ - сечение потока угля через выпускное отверстие на питательном желобе, зависят параметры;

Ь - местоположение питательного желоба относительного выпускного окна, N - ширина зоны потока; Н - высота выпускного окна;

Ь{ - толщина выпускного слоя угля на питательном желобе; а - угол наклонного пласта угля;

\|/ - угол наклона ограждения механизированной крепи; Р - угол наклона питательного желоба; Ф - угол подъема перекрытия выпускного окна; / - длина перекрытия выпускного окна; 8 -ход гидроцилиндра.

Проведены исследования влияния параметров механизированной крепи на процесс выпуска угля. Для оценки и определения параметров конструктивной крепи был приведен опыты по выпуску угля на моделях из эквивалентных материалов.

На основании лабораторных результатов на стенде 16 определено влияние параметров выпускного окна в зависимости от местоположения питательного желоба. Извлечения угля (} определяет из следующего выражения:

Каждая 1, ] -тая часть подкровельной слоя угля С), и часть разделенных прослоями алевролита и углистого аргиллита где ] = 1,..., А. Для полного извлечения угля, необходимо совершить и ходов питателя.

Исследование показало, что увеличение местоположения питательного желоба относительного выпускного окна приводит к увеличению ширины зоны потока и полноты извлечения угля. Установлена зависимость количества хода питательного желоба от его длины хода (рисунок 2). Результаты показали, что увеличение длины хода приводит к уменьшению его количества хода.

Далее в работе били проведены опыты определения влияния перекрытия выпускного окна на показатели извлечения угля. На основании полученных результатов построен график зависимости толщины выпускного слоя угля на питательном желобе от угла подъема перекрытия (рисунок 3). Результаты в графике показывают, что если угол подъема перекрытия плиты выпускного окна изменяется от 60 до 110°, то величина толщины выпускного слоя угля на питательном желобе Ь4 составляется 350 510 мм.

Д

(2)

Рисунок 2 - Зависимости количества хода питательного желоба от его длины хода

600 500 400 300 200 100 о

<р, град.

0 20 40 60 80 100 120

Рисунок 3 - Изменение толщины выпускного слоя угля на питательном

желобе

Далее в работе было нужно оценить изменения угла наклона питательного желоба на процесс выпуска угля. С помощью натурных исследований построены графики зависимости изменений производительности и ширин зоны потока от угла наклона питательного желоба (рисунки 4а, 46).

Результаты на графиках показывают, что с увеличением угла наклона р увеличиваются производительность питателя <3 (рисунок 4а), ширина зоны потока N и толщина выпускного слоя угля на питательном желобе Ь, (рисунок 46).

т, мм

А к. . ; ▲ к >

ь = ).1714ф2 30.9ф + 1745.4 1

= 0.9992

Дальнейшие опыты для исследования процесса выпуска подкровельной толщи угля после передвижка механизированной крепи на ширину зону потока в диапазоне 1,5^-2 м, т.е. равной 2^3 шагам выпуска угля, показали правильность принятого решения. Образовавшийся угол наклона породы до выпуска угля и после выпуска с забойной стороны составлял 80-^85°.

Рисунок 4а - Зависимость Рисунок 46 - Зависимость ширины

производительности при разных углях зоны потока и толщины выпускного слоя

наклона питательного угля при разных углях наклона питательного

желоба

В результате лабораторных исследований получены зависимости и рациональные параметры устройства выпускного окна в механизированной крепи. Выпускное окно секции механизированной крепи выполнено с условием поступление самообрушающегося угля под действием горного давления на питатель потоком, ширина которого равна ширине, вынимаемой на забойный конвейер. Длина выпускного окна, равная 2 м, выбрана с использованием расстояния от торца забойной ограждающей части механизированной крепи до торца завальной задней ограждающей части механизированной крепи, а ширина выпускного окна, равная 0,75 м, выбрана с максимальным использованием ширины секции при обеспечении прочности задней ограждающей части механизированной крепи. Кроме того, управляемая производительность и площадной выпуск угля на каждой секции крепи зависят от регулируемого перекрытия плиты выпускного окна.

Для определения рациональных параметров перекрытия плиты выпускного окна по методике, изложенной в работе, необходимо определить значения момента сопротивления повороту ведомого звена выпускного окна в крайних положениях при полностью втянутом и выдвинутом штоке гидроцилиндра. Исходные данные расчета шарнирного механизма с приводом от гидроцилиндра следующие: Мя, Мк— момент сопротивления повороту перекрытия ОБ в начальном и конечном положениях соответственно; <р0 — необходимый угол поворота ведомого звена (окно); рн - номинальное давление в гидросистеме.

Предлагаемая методика позволяет для каждого нормализованного значения диаметра поршня В и штока с/ гидроцилиндра рассчитать требуемое (ми-

нимально допустимое) значение хода поршня S и координат опора pul длину перекрытия выпускного окна к базовому и ведомому звеньям. Ход поршня гидроцилиндра записан в следующем виде:

- S = K2+^Kl+2S0Kx , (3)

3 sm ср0 3 3 sin <р0

гн и rK - значения плеча усилия гидроцшшвдра определены по выражениям.

Расстояние между шарнирами гидроцилиндра при втянутом и выдвинутом штоке определено по формуле:

SH=S0+S ; SK=SH+S . (4)

Угол (рк между осями базового и ведомого звеньев при втянутом штоке гидроцилиндра определен по формуле:

tgcpH = - . (5)

iv о v

rH ¿H

Формулы для расчёта расстояния опоры, длины перекрытия выпускного окна к базовому и ведомому звеньям определены по следующим выражениями:

0,5- ■Кк

COS<P¡¡ — COS{фн +(Ро)

р=\-1-г^—т ;, (6)

кк

I 7 N2 COS® и -cosffflu +(Pci) Sir

где Кк=К-ЯК2-1 ; К =-—К Н ; N = .

N -1 SH

Определение высота выпускного окна и ширины потока угля в следующем виде:

H = (L-ll)-sme ; (7)

N = (L-ll) cos0 + H tgy ; (8)

где Н - высота выпускного окна, мм; N - ширина потока угля, мм; L - длина выпускного окна, L=2000 мм;

9- угол выпускного окна в зависимости от высоты крепи Нк. При Нк = 2,4-5-3,1 м, то 0 = 45°- 53° и при Нк = 2,6 м то 9 = 50°;

у- угол наклона породы до выпуска угля и после выпуска с забойной стороны составлял 80+85°, соответствие у = 10°-^5°.

На основании полученных исходных данных построены зависимости изменения ширины потока угля и высоты выпускного окна от длины перекрытия плиты выпускного окна (рисунок 5).

I, р, £ мм N. Н, мм

-#-/ -*-р N -ж-Н

Рисунок 5 - Зависимости изменения ширины потока угля и высоты выпускного

окна

Полученные в результате расчета оптимизированных вариантов гидромеханизма с диаметром поршня гидроцилиндра Б = 60 160 мм являются равноценными по силовым характеристикам. Различие полученных механизмов состоит в том, что при меньшем диаметре гидроцилиндра требуются большие значения р, //И меньше N. Н, а при большом величины Б, р, I малы и больше Ы, Н. Этот результат позволяет рекомендовать установление параметров перекрытия плиты выпускного окна с гидроцилиндром Б=110 мм, длиной перекрытая //=1,12 м, координатами крепления р = 0,415 м и ходом гидроцилиндра 5 = 0,33 м, закрывающее и выпускное окно выполнены в виде соединённых плит/2 = 0,8 м и гидроцилиндр соответствует размеру выпускного окна.

Ход гидроцилиндра регулируемого перекрытия может быть определен по следующей формуле:

АБ = ^р2 -2-р-1х • сое (р+ $>„)-¿о , мм. (7)

Величина угла поворота гидроцилиндра <р менялась от 10°-н60°.Толщина выпускного слоя угля на питательном желобе описана в следующем виде:

И, = ът.(в-3+р)-^+(1х +/2)2-2-1х •(/, +/2)-сов(б0-^) ,(8)

где I; - длина перекрытая выпускного окна, мм; 12 - длина соединённых плит, мм; б - угол выпускного окна крепи, 9 = 50°; § - угол между ограждением крепи и перекрытием при втянутом штоке гидроцилиндра; р - угол наклона питательного желоба менялся в следующих пределах равных 5^-20°.

Анализ результатов в формулах (9), (10) показывает, что зависимость толщины выпускного слоя угля на питательном желобе от угла подъема перекрытия плиты выпускного окна, рабочего хода гидроцилиндра управления и угла наклона питательного желоба (рисунок 6).

Оценка результатов графика показывает, что при изменении угла наклона питательного желоба с 10° до 20°, величина толщины выпускного слоя угля на питательном желобе менялась в пределах 400 - 800 мм в зависимости от угла подъема перекрытия плиты выпускного окна (ход гидроцилиндра).

Одним из многих параметров механизированной крепи с выпуском угля на мощных наклонных пластах является площади сечения потока угля на уровне выпускного окна. Поэтому в работе обоснованы схемы работы крепи на пологих и наклонных пластах, характеризующиеся движением крепи соответственно по падению и по восстанию, по простиранию и по диагональному положению.

0 10 20 30 40 50 60 7(?'град--»-ходД8,мм -"-к,р=20о Ы, ¡5=15° Цр=10° -*-Ы,р=5°

Рисунок 6 - Зависимость толщины выпускного слоя угля на питательном желобе от угла подъема перекрытия плиты выпускного окна ср, рабочего хода гидроцилиндра управления А8 и угла наклона питательного желоба р

На основе расчета параметров механизированной крепи при отработке мощных наклонных пластов построена зависимость площади сечения зоны потока угля Р и ширины зоны потока N от угла наклона пласта а по падению и восстанию.

Анализ полученных результатов показывает, что при угле наклона пласта по падению 0 - 20°, площадь сечения потока угля равна от 1,27 м2 до 1,7 м2 и ширина зоны потока равна от 1,42 до 1,82 м, а при угле наклона пласта по восстанию 0 -10° площадь сечения потока угля равна 1,27 до 1 м2 и ширина зоны потока равна от 1,42 до 1,15 м при отработке мощных пластов по падению приводит к увеличению площади сечения зоны потока и уменьшению площади сечения зоны потока по восстанию.

Из анализа следует, что чем больше угол наклона, тем меньше площади сечения зоны потока угля. Когда угол наклона пласта по простиранию 0-25° площадь сечения потока угля составит от 1,17 до 1,27 м2 и ширина зоны потока рав-

на 1,42 м при разработке наклонных мощных пластов по простиранию.

При использовании комбинированной схемы работы для отработки наклонных пластов по падению и простиранию приводят к увеличению площади зоны потока угля. Расчет площади потока угля с углом диагонального положения линии очистного забоя ю= 35°, обеспечивает угол наклона устойчивости забоя угольного пласта не боле 20°.

Результаты показывают, что площадь сечения зоны потока угля равны от 1,0 до 1,61м2 и ширина зоны потока равная от 1,1 до 1,81м при отработке мощных наклонных угольных пластов до 35° по диагональному положению приводит к росту площади сечения зоны потока и производительности выпуска угля, обеспечивающих эксплуатацию в различных схемах забоя и горно-геологических условиях.

Исследования закономерностей процессов разрушения угля и выпуска его из разрабатываемой части пласта позволили предложить конструкцию механизированной крепи с выпуском угля на забойный конвейер для выемки мощных наклонных пластов (рисунок 7), которая позволит увеличить производительность ведения очистных работ в лаве в 1,6 раза.

2000

Рисунок 7 - Модель экспериментальной механизированной крепи с системой управления выпуском угля подкровельной толщи на забойный конвейер

На основание результатов, проведенных экспериментальных исследований аналитическое выражение по определению производительности выпуска угля:

=60-к-/-у-у , т/час. (9)

где к - коэффициент площади полноты выпускного слоя на питательном же-

лобе зависит от угла наклона пласта. Из результатов анализа и экспериментальных исследований площади зоны потока угля для условия пласта 6а, 7 шахты Наммау - Куангнинь: к = 1 при ^ > / = Ь ■ ^ ; /- площадь сечения потока угля на питательном желобе, м2; Р - площадь сечения зоны потока угля через выпускное окно, м2; Ь - ширина питательного желоба, Ь = 0,75 м;

- толщина выпускного слоя угля на питательном желобе, Ь, = 0,4+0,8 м; / = Ъ-\ =0,75-0,5 = 0,375 ,м2; у - плотность угля в пласте, у = 1,65 т/м3;

у - скорость движения питательного желоба. V = Км - АН , м/мин. Км - коэффициент насосного использования, Км = 0,8; А - ход питателя, А = 0,2 м;

I - время хода гидроцилиндра выпуска угля, мин.

Из расчета времени выемки и производительности лавы можно определить количество циклов за одну смену равным 2 цикла, что позволяет сделать шаг выпуска угля равном 2 шагам передвижки механизированной крепи, и обеспечить самообрушение угля и тем самым исключить время на буровзрывные работы подкровельной пачки, что позволит увеличить производительность угля механизированного комплекса в лаве в 1,6 раза (суточная добыча - 3152 т; подвигание в сутки - 3,2 м; добычи в месяц - 78 тыс. 800 т; по-двигание в месяц - 80 м; годовая добыча - 803 тыс. 760 тонн; подвигание в год - 816 м).

Заключение

Таким образом, в результате экспериментальных и теоретических исследований установлены закономерности выпуска угля из подкровельной толщи разрабатываемого угольного пласта, позволяющие обосновать конструктивные параметры и технологические элементы секций механизированной крепи, связанные с системой управления выпуском угля, а также повысить эффективность и полноту извлечения запасов выемочных участков угольных шахт, что вносит значительный вклад в освоение угольного бассейна Куангнинь СРВ.'

Основные научные результаты, выводы и рекомендации, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. На основе анализа мирового опыта установлено, что при существующих механизированных крепях с расположением выпускного окна (вблизи от забоя) при выпуске угля на забойный конвейер происходит обрушение подкровельной пачки угля на почву пласта в выработанное пространство из-за несоответствия размера и месторасположения выпускного окна механизированной крепи, что приводит к значительным (до 43 %) потерям угля.

2. По результатам выполненных на стенде в лабораторных условиях и

экспериментальных выпусков угля на шахте, установлены зависимости производительности выпуска угля от ширины зоны потока, высоты выпускного окна и местоположения питательного желоба, позволяющие определить размеры выпускного окна для требуемой производительность выпуска угля в каждой секции механизированной крепи.

3. Установлены зависимости производительности выпуска угля механизированной крепи через выпускное окно от параметров системы управления, таких как циклическое прямо возвратное движение скорости питательного желоба, а также площади сечения потока угля на питательном желобе механизированной крепи, что позволит выбрать режим одновременного выпуска угля через секцию крепи и рассчитать соответственно производительность забойного конвейера для увязки с его техническими и технологическими возможностями.

4. Установлены зависимости изменения ширины потока угля и высоты выпускного окна от длины перекрытия плиты выпускного окна, что позволяет рекомендовать целесообразный параметр диаметра гидроцилиндра для работы в этих степенных конструктивно условиях равный 110мм, с длиной ведущего перекрытия /=1,125м, и с координатой крепления и ходом гвдроциливдра 5 =0,33м равной в такой конструкции предусмотрено закрывающее выпускное окно выполненное в виде соединённых плит с гидроцилиндром имеющим ход равный длине соответствующей размеру выпускного окна.

5. Установлены зависимости изменения величины толщины выпускного слоя угля на питательном желобе от угла наклона питательного желоба и от угла подъема перекрытия плиты выпускного окна рабочего хода гидроцилиндра управления до 330мм, что позволяет увеличить производительность выпуска угля через выпускное окно крепи 1,6 раза.

6. Установлено, что зависимости изменения площади сечения потока угля и ширины зоны потока угля от угла наклона пласта при движении крепи по падению, восстанию, простиранию, диагональному положению, что позволит определить ширину зоны потока угля в диапазоне 1,1 -2м, т.е. равном 2-3 шагам передвижки механизированной крепи при эксплуатации в различных технологических схемах, а также применением технологической схемы для отработки мощного наклонного угольного пласта с диагональным положением очистного забоя обеспечивает повышение эффективности и уровня механизации производства, полноты извлечения, и безопасности запасов полезного ископаемого.

7. В периоде работы предложено техническое решение, новизна которого подтверждается заявкой на патент РФ № 2014102105 от 23.1.2014г.

8. Результаты диссертационной работы были рассмотрены на ученом совете института Ханойским Институтом Горной Науки и Технологии (ХИГНиТ) и приняты к использованию при проектировании механизированной крепи с системой выпуска угля через выпускное окно, для отработки пластов 6а, 7 на шахте Наммау бассейна Куангнинь Вьетнама. Применение экспериментальной механизированной крепи позволит снизить потери угля до 25 %.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах автора:

1 Нго Куок Чунг. Анализ результатов стендовых и шахтных исследовании технических возможностей механизированной крепи с выпуском угля из подкровельнои

толщи // Уголь. 2013. №12. С. 91 - 93.

2 Нго Куок Чунг, Грабский А. А. Определение кинематических параметров устройства регулируемого перекрытая выпускного окна в механизированной^крепи[ с выпуском угля//Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. №12. U1JO-

141.

3 Нго Куок Чунг. Исследование работы механизированной крепи с выпуском угля на мощных наклонных пластах в подземных месторождениях Куангтнь-Вьетшш, оснащённой устройством, исключающим ее скольжение // Научный вестник МИ У.

2013. № 10(43). С. 64-71.

4 Нго Куок Чунг. Исследование влияния угла падения пласта на процесс выпуска угля при отработке мощных наклонных пластов с применением механизированной крепи с выпуском угля // Научный вестник МГГУ. 2013. № 10 (43). С. 72 - 80.

5 Nguyen Anh Tuan, Ngo Quoc Tnrng, Grabsky A. A. Study on the improvement of the top - caving hydraulic supports applied to the inclined thickness coal seams at Quang Ninh underground coal mines // Mining technology bulletin. HaNoi. 2013. - №8. P. 01 - 06.

Изд. лиц. ЛР №020300 от 12.09.97. Подписано в печать 28.04.2014 г. Формат бумаги 60х84 у16. Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ 111 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92. Отпечатано в издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 95.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

На правах рукописи

0420И59233

Нго Куок Чунг

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ВЫПУСКОМ УГЛЯ НА МОЩНЫХ НАКЛОННЫХ ПЛАСТАХ ВЬЕТНАМА

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д-р техн. наук, профессор Грабский Александр Адольфович

Москва 2014

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. Состояние изученности проблемы угледобычи Вьетнама........................................................................................... 9

1.1. Современное состояние и перспективы развития угольной промышленности Вьетнама............................................................... 9

1.2. Обзор горно-геологических и горнотехнических условий при разработке мощных угольных пластов в бассейне Куангнинь................. 11

1.3. Краткий анализ средств механизации очистных работ при разработке мощных угольных пластов в бассейне Куангнинь..................... 16

1.4. Обзор и критический анализ зарубежного опыта отработки мощных пологих и наклонных угольных пластов..................................... 24

1.4.1. Краткий анализ механизированных комплексов с выпуском угля

при разработке мощных пологих и наклонных угольных пластов............. 24

1.4.2. Опыт исследования параметров механизированных крепей с выпуском угля из подкровельной толщи в мире......................................... 31

Выводы.................................................................................... 33

ГЛАВА 2. Методика исследования определения параметров механизированной крепи с выпуском угля подкровельной толщи.......................................................................................... 35

2.1. Анализ опыта применения основных закономерностей при выпуске сыпучих материалов.............................................................. 35

2.2. Методика исследования определения эффективности применения и параметров механизированной крепи с выпуском угля на забойный конвейер............................................................................ 38

2.2.1. Методика лабораторных исследования определения технических возможностей механизированной крепи с выпуском угля на забойный конвейер............................................................................................ 38

2.2.2. Методика проведения шахтных исследований технических возможностей механизированной крепи с выпуском угля на забойный конвейер............................................................................................ 40

2.3. Методика лабораторных исследований параметров выпускного окна

угля в механизированной крепи на забойный конвейер.................. 42

Выводы.................................................................................... 43

ГЛАВА 3. Исследование определения параметров выпуска угля в механизированной крепи с выпуском угля подкровельной толщи на забойный конвейер................................................................... 44

3.1. Лабораторные и шахтные исследования определения технического возможностей механизированной крепи с выпуском угля на забойный конвейер....................................................................... 44

3.2. Лабораторные исследования параметров выпускного окна угля и устройства регулируемого ее перекрытия в механизированной крепи

на забойный конвейер............................................................ 52

3.2.1. Исследование влияния параметров выпускного окна в зависимости от местоположения питательного желоба механизированной крепи с выпуском угля................................................................................... 54

3.2.2. Исследование влияния угла наклона ограждения механизированной крепа на процесса выпуска угля............................................................. 56

3.2.3. Определение производительности и потерь на процессе выпуска угля в зависимости от высоты выпускного окна................................... 58

3.2.4. Исследование влияния перекрытия выпускного окна и поверхности питательного желоба на показатели извлечения.................................. 62

3.2.5. Исследование влияния угла наклона питательного желоба и прогресса выпуска угля при передвижке механизированной крепи на показатели извлечения.............................................................................. 64

Выводы.................................................................................... 69

ГЛАВА 4. Аналитические исследования и совершенствование параметров технических средств механизированной крепи с выпуском угля................................................................................. 70

4.1. Аналитические исследования параметров системы управления выпуска угля в механизированной крепи....................................... 70

4.1.1. Обоснование основных параметров системы управления выпуска угля в механизированной крепи............................................................ 70

4.1.2. Обоснование зависимости изменения ширины потока угля и высоты выпускного окна от параметров устройства регулируемого перекрытия выпускного окна угля в механизированной крепи и их влияния на производительность выпуска............................................................................... 71

4.2. Аналитические исследования влияния угла падения пласта на процесс выпуска угля при отработке мощных пластов с применением механизированной крепи с выпуском угля.................................. 79

4.3. Установление надежности функции дополнительной устойчивости механизированной крепи с выпуском угля при разработке мощных наклонных пластов............................................................... 89

4.4. Усовершенствованная механизированная крепь с выпуском угля подкровельной толщи............................................................. 95

Выводы.................................................................................... 104

ГЛАВА 5. Рекомендации к проекту отработки пластов 6а, 7 шахты Наммау в бассейне Куангнинь.................................................... 107

5.1. Общая горно-геологическая характеристика месторождения........... 107

5.2. Выбор пласта выемочного участка шахты................................... 108

5.3. Определение промышленных запасов в лаве................................ 109

5.4. Основные принципы очистных механизированных комплексов........... 110

5.5. Расчет производительности лавного очистного комплекса.............. 111

Выводы.................................................................................... 126

Заключение............................................................................. 127

Литература.............................................................................. 129

Приложение............................................................................. 138

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. По планам развития народного хозяйства Вьетнама до 2020 года предусмотрено довести добычу угля до 75 млн т в год, в том числе около 80 % подземным способом. Это возможно только за счет увеличения производительности труда с применением новых технологий и средств механизации.

Государственным балансом запасов углей Вьетнама учитывают только запасы углей Куангниньского угольного бассейна до 10,5 млрд тонн. В большинстве случае из них около 67 % запасов угля залегают в пластах мощностью более 3,5 м с углом падения от 18 до 35°, что само по себе является трудными условиями добычи угля

Применение традиционных технологических схем разработки мощных наклонных пластов и средств механизации с буровзрывным способом добычи не соответствуют в должной мере современным требованиям повышения безопасности и производительности добычи угля в лаве. Поэтому необходимо создание новых конструктивных решений в обосновании новых средств механизации при разработке мощных угольных пластов безвзрывным способом. Поскольку применяемые в настоящее время во Вьетнаме способы разработки мощных наклонных угольных пластов с использованием механизированных комплексов с выпуском угля из подкровельной толщи буровзрывным способом на забойный конвейер имеют невысокую производительность. Объясняется это сложными горно-геологическими условиями при разработке Куангнинского угольного месторождения буровзрывным способом, когда после каждого шага передвижки механизированной крепи производят буровзрывные работы для разрушения подкровельной пачки угля, которую в процессе работы обрушают из подкровельного слоя угля на почву пласта, расположенного ниже высоты расположения выпускного окна секции механизированной крепи. Это приводит к большой потере в процессе выпуска угля (до 43 %), что мешает передвижению лавы и тем самым снижает производительность добычи. Кроме того, механизированная крепь работает в сложных наклонных условиях, что вызывает снижение площади потока угля проходящего через выпускное окно механизированной крепи. Для исключения выше ука-

занных недостатков целесообразно оснастить механизированную крепь системой управления выпуска угля, обеспечивающую заданную производительность выпуска угля не зависимо от угла наклона пласта и пространственного расположения секций механизированной крепи относительно забоя при безвзрывном способе добычи угля. Это позволит увеличить количество циклов передвижки секций крепи за смену и тем самым позволит увеличить производительность очистного комплекса.

Однако такое техническое решение невозможно без обоснования параметров механизированной крепи с системой управления выпуском угля на мощных наклонных пластах, позволяющей повысить выпуск угля через выпускное окно и увеличить количество передвижек механизированных крепей за один рабочий цикл, и тем самым увеличить производительность механизированного комплекса, что является важной и актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей выпуска угля из подкровельной толщи разрабатываемого угольного пласта для обоснования конструктивных параметров и технологических элементов секций механизированной крепи, связанных с системой управления выпуском угля, повышения эффективности и полноты извлечения запасов выемочных участков угольных шахт.

Идея работы заключается в том, что рациональные конструктивные параметры и технологические элементы секций механизированной крепи, связанные с системой управления выпуском угля, повышение эффективности и полноты извлечения запасов выемочных участков угольных шахт основываются на использовании эффекта разрыхления угля, выпускаемого через секцию механизированной крепи.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- повышение в 1,6 раза производительности очистного комплекса при отработке мощных наклонных пластов обеспечивается выбором рациональных параметров системы выпуска угля секции крепи безвзрывного способа;

- пропускная способность выпускного окна механизированной крепи зависит от угла наклона питательного желоба, угла подъема перекрытия плиты выпускного окна и рабочего хода гидроцилиндра управления;

- производительность системы выпуска угля зависит от углов наклона пласта при движении крепи по падению, восстанию, простиранию и диагональному направлению.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью постановки задач исследований; корректным использованием апробированных методов исследования процесса выпуска сыпучих материалов; достаточным объемом лабораторных исследований взаимодействия механизированных крепей с выпускаемой подкровельной толщей угля, а также шахтных исследований при отработке запасов пласта 6 шахты Нам-мау в бассейне Куангнинь; сопоставлением аналитических результатов исследований с натурными наблюдениями и совпадением на 86-90 %.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимостей изменения ширины потока угля и высоты выпускного окна от длины перекрытия плиты выпускного окна, позволяющих определять оптимальные параметры устройства регулируемого перекрытия выпускного окна и их влияние на производительность, а также влияния угла падения пласта и площади выпускного окна на производительность выпуска угля при эксплуатации в различных технологических схемах; разработана принципиально новая конструкция механизированной крепи с системой управления выпуска угля, что выражается в подаче заявки на патент № 2014102105 от 23.1.2014г. «Секция механизированной крепи».

Научное значение работы заключается в установлении влияния горногеологических, конструктивных технологических факторов, площади сечения и ширины зоны потока угля на управляемость процессом выпуска угля из подкровельной толщи мощного пласта на забойный конвейер очистного механизированного комплекса для обоснования рациональных параметров секции механизированной крепи.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по обоснованию параметров секций механизированных крепей при отработке мощных наклонных пластов Вьетнама с целью повышения эффективности и безопасности ведения очистных работ, а также повышения в 1,6 раза полноты извле-

чения запасов угля и расширения возможности применения механизированной крепи в различных горно-геологических условиях.

Реализация работы. Результаты исследований были использованы при проектировании и разработке запасов пластов 6а, 7 в шахте Наммау Вьетнама.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно-технических советах Ханойского института горной науки и технологии (ХИГНиТ) (г. Ханой, 2010-2012 г.); на угольных шахтах Вангзань, Наммау в бассейне Ку-ангнинь-Вьетнам (г. Куангнинь, 2007-2012 г.); на кафедре «Горные машины и оборудование» МГГУ (г. Москва, 2009-2013 г.); «Неделя горняка» в Московском государственном горном университете (г. Москва, 2013, 2014 г.); на «Международные экологические горные конференций студенты и молодые науки» в Московском государственном горном университете (г. Москва, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. По результатам работы и в соавторстве подана заявки на 1 патент РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 139 страниц основного текста, в том числе спискок использованной литературы из 85 наименований, 23 таблицы, 74 рисунков и 2 приложения.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ УГЛЕДОБЫЧИ

ВЬЕТНАМА

1.1. Современное состояние и перспективы развития угольной

промышленности Вьетнама

Горнодобывающая промышленность СРВ поставляет народному хозяйству страны руду черных и цветных металлов, строительные и отделочные материалы, топливо и удобрения, а также другие необходимые минералы.

Уголь используется для производства электроэнергии, металлургии, производства цемента и строительных материалов, в других отраслях промышленности, быту, а также является предметом экспорта.

Значительные темпы развития народного хозяйства страны, повышения благосостояния народа предопределяют повышенный рост потребления топлива.

С момента получения независимости угольная промышленность Вьетнама развивает собственную эффективную горную промышленность. За последние годы происходили обновления и расширения старой производственной базы: строительство новых шахт, заводов, развитие инфраструктуры для увеличения эффективности производства.

До 1997 г. объем добычи угля достигал 4млн тонн, а в 2007 г. национальная угольная корпорация «Винакомин» добыла 43,6 млн тонн. Сохранение высоких темпов развития угольной отрасли и стабильное снабжение углем бурно развивающегося народного хозяйства страны - это сохранение высоких темпов роста - около 6 % в год [56]. На рисунке 1.1 показана добыча угля в СРВ за 2004-2009 гг. (по способам добычи), млн т.

40

39.41

Ш

21 00

24 48

I

43.59

42 46 42 26

26.75

16.31

Ж

24 83 17.17

23.68 18.20

24 66 23 28

2005 2006 2007 2008 2009 2010 ГОД

□ Производительность всей угольной промышленности (млн тонн) и Производительность окрышй разработки (млн.тонн) о Производительность подземной разработки (млн тонн)

Рисунок 1.1 - Добыча угля в СРВ за период 2004-2009 гг.

По перспективному плану развития угольной промышленности, годовую добычу угля в стране предусматривается довести до 75 млн.тонн в 2020г., в том числе 80% подземным способом. На рисунок 1.2 приведен реальный и перспективный план развития угольной промышленности Вьетнама, на котором четко прослеживается тенденция добычи угля подземным способом.

100.000

90.000

80.000

70.000

X

X

о £ 60.000

о

о 50.000

л С 40.000

В

> 30.000

20.000

10.000

ы Открытая разработка и Подземная разработка

Рисунок 1.2 - Перспективный план развития угольной промышленности СРВ

В связи с высокими темпами развития народного хозяйства республики

Вьетнам за последние десятилетия (рост ВВП в год составляет 6-7 %) потребность в угле постоянно растет. Угольная промышленность обеспечивает углем для коксования бурно развивающуюся металлургическую промышленность, а также отмечается высокий спрос на энергетические угли со стороны Вьетнамских предприятий энергетики и жилищно-коммунального хозяйства, что позволило угольным компаниям Винакомин значительно нарастить объем добычи угля [16, 53, 54].

В угольной промышленности СРВ при подземной добыче угля необходимо дальнейшее внедрение современной комплексной механизации очистных работ и передовой технологии. Внедрение передовых научных решений для механизации сложных горно-геологических условий, с целью пов�