автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование режимов взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами и параметров очистных работ на угольных пластах средней мощности

РГ5 ил

, о " "1 13S'

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

На правах рукописи

ШУНДУЛИДИ Иван Александрович

УДК 622.232.8

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ С БОКОВЫМИ ПОРОДАМИ И ПАРАМЕТРОВ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном горно университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. МИХЕЕВ О. В.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, -проф. НИКИШИЧЕВ Б. Г., канд. техн. наук, с. и. с. СЕМЕНОВ С. Б.

■Ведущее предприятие — ПО «Кузнецкуголь».

Защита диссертации состоится » ^"7Т994 г

в . час. на заседании специализированного совет; К-053Л2.02 в Московском государственном торном уннверси тете по адресу: 117935, Москва, ВЧ9, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук, с. и. с. КОРОЛЕВА В. Н.

ОВЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Переход страны к' рыночной экономике поставил угледобывающие предприятия отрасли в сложное положение, когда необходимым условием деятельности каждой шахты должны стать рентабельность и получение устойчивой прибыли. Серьёзные проблемы встали перед предприятиями, ранее находившимися на госдотации.

Одно из главных направлений выхода ив создавшегося кризиса - техническое перевооружение производства и обеспечение роста нагрузки на комплексно-механизированный очистной забой. В 1993 г. нагрузка на комплексно-механизированный забой (КМЗ) на шахтах СНГ практически не увеличилась и составляла 650 т/сут, что в 1,5-2,7 раза ниже, чем в Великобритании и Германии.

Механизированными комплексами повышенного . уровня в 1393 г. было добыто 109 млн.т угля или 38,57. всей области применения КМЗ. Практика показала, однако, что средняя фактическая производительность механизированных комплексов нового технического уровня не превышает -50-70Х расчетной, в то время как его стоимость в 1,7-3 разаНщше заменяемой техники. Невозможность достижения расчетных нагрузок объясняется влиянием целого ряда причин, в том числе и той, что при выборе оборудования допускались просчеты, в результате чего высокопроизводительные машины использовались в условиях, не позволяющих реализовать их технические возможности. Во многих случаях это происходило из-за неполного учета режимов взаимодействия.механизированных крепей с боковыми породами.

Для условий Южного Кузбасса, где в настоящее время около SO". подземной добычи осуществляется с использованием именно ' механизированных комплексов повышенного технического уровня, задача по обоснованию режимов взаимодействия Механизированных крепей с боковыми породами и параметров очистных работ на •/ГОЛ1.НЫХ пластах средней мощности является актуальной.

Цель работа - установление закономерностей взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами для совершенствования технологии механизированного крепления лав на угольных пластах срёдкел мощности, обеспечизайгцнх большую эффективность ,v их разработки.

Идея работн заключается в обеспечении оптимального режима взаимодействия линейных секций механизированных крепей с боковыми породами путем изменения компоновки кинематических связей и силовых параметров средств крепления.

Иаучннв положения, разработанные лично автором, и новизна:

- установлен характер обрушений и размеры породных блоков по длине выемочного столба и очистного забоя, оснащенного крепями оградительно-поддерживающего (1УКП) и поддерливавде-огра-дительного (КМ133) типов;

- режимы взаимодействия линейных секций механизированных крепей находятся в зависимости от кинематики компоновки их и положения в пространстве в процессе отработки выемочного столба;

- силовые параметры секции механизированных крепей определяются структурно-диалогическими характеристиками пород, глубиной введения горных работ, схемой увязки поддерживающих и

■ оградительных элементов секций крепей;

- объективной характеристикой качества защиты призабойно-го пространства от динамики обрушения труднообрушаемых кровель' в выработанном пространстве является линейное сопротивление режущего ряда стоек секций крепи комплекса;

- надежность функционирования комплексно-механизированного очистного забоя определяется спецификой характера взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами при обес-пече:лш их рациональных силовых параметров.

Достоверность научит положений, выводов и рекомендаций обоснована:

практическим подтверждением повышения эффективности работы очистных забоев на пластах с труднообрушаешми кровлями, при применении крепей с предложенными параметрами;

удовлетворительной сходимостью расчетных и фактических силовых характеристик механизированных крепей при их работе в очистных забоях с труднообрушаемыми кровлями (10-15Х).

Научное аначеннв работы заключается в установлении закономерностей взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами, позволяющих осуществлять необходимую их кинематическую схему и силовые параметры.

Практическое значение заключается в разработке рекоменда-- 2 -

щш по обосновании силовых параметров, обеспечивающих повышение надежности функционирования комплексно-механизированного очистного забоя в условиях с трудиообрушземыми кровлями.

Реализация виеоеоз н рекомендация работа:

- разработанные в диссертации требования к силовым параметрам механизированных крепей вошли составной частью в техническое задание на создание механизированного комплекса ЭКМ138И, утвержденное главнш инженером Гипроуглемаша;

- рекомендации по рациональной технологии крепления очистного забоя, оснащенного комплексом ЗКМ138Й, использованы при разработке проекта отработки лавы 3-10-11 на шахте "Рас-падская".

Апробация работа. Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на заседаниях научно-технического совета АО шахты "Распадская" и на заседании кафедры "Технология, механизация и организация подземной разработки угля" МГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано б статей.

Объеи работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 146 страницах машинописного текста, включая'8 таблиц, 11 рисунков, список литературы из 91 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЯАНКЕ РАБОТЫ

Исследованиями взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами в очистных выработках занимаются многие научно-исследовательские, проектно-конструкторские и учебные институты страны. Работы, направленные на обоснование выбора механизированного крепления лав, выполнены ИГД им.А.А.Ско-чинского, ВНИМИ, Гипроуглемашем, ДонУГИ, Донгипроуглемашем, ПНИУИ, КузНИУИ,.МГГУ, ЛГИ, ДЛИ, КГМИ и др. Значительный вклад в изучение закономерностей проявления горного давления в очистных выработках внесли Архангельский A.C., Борисов A.A., Бурчаков A.C., Дубов Е.Д., Давидянц В.Т., Зиглин Л.А., Кузнецов Г.Н., Крашкин И.С., Клорикьян С.Х., Савенко Ю.Ф., Трумва-чев В.Ф., Черняк И.Л., Корин В.Н., Ягодкин Р.И. и др.

Применительно к условиям Южного Кузбасса Междуреченским филиалом КузНИУИ была выполнена серия исследований. Среди этих

- 3 -

исследований следует отметить работы С.И.Калинина,, Г.Н.Боброва, а также работы специалистов бывшего ПО "Шкузбассуголь" Ю.Н.Малышева, В.И.Магдыча, А.Ф.Лютенко, К.М.Дурнина. Среди научных работ по проблемам эффективности подземной комплексно-механизированной добычи угля в Южном Кузбассе следует отметить работы В.И.Караульникова; А.И.Набокова, В.М.Абрамова.

Шахтные экспериментальные наблюдения проводились на пласте 11 блока 4, расположенном в юго-западной части Томусинского геолого-экономического района Кузбасса, на шахте "Распадская" при испытаниях комплексов 1УКП, КМ138 и КМ138Д.

Пласт 11 в пределах выемочных столбов 4-11-7, 4-11-15 и 4-11-19 имеет сложное строение и состоит из трех угольных пачек, разделенных двумя прослойками алевролитов суммарной мощность® 0,08 м. Общая мощность пласта 2,45 и. Угол падения 6-8°. Коэффициент крепости f по шкале проф.М.М.Протодьяконова составляет: угля - 1,0, прослойков алевролита - 2,0-3,0. Сопротивляемость угля резанию 1,0-1,5 кН/м, породных прослойков 2,0-2,75 кН/ы. Гипсометрия пласта полаганолнттая.

Непосредственно над пластом залегают устойчивые, слаботрещиноватые разнозернистые. песчаники местами о прослоями гравелитов, коэффициент крепооги которых составляет 8-10, допустимая площадь обнажения равняется 15 мг не более 2 часов.

Почва пласта мощность» 4,0-7,0 м - алевролит крупнозернистый, который местами замещен устойчивым мелкозернистым песчаником с сопротивляемостью на вдавливание 160-200 кгс/см2.

'По обрушаемости кровля пласта может быть отнесена: в интервалах 0-100 и и 1060 - 1640 м от монтажной камеры - средней и легкой обрушаемости (I тип по классификации б.ВУГИ), в интервале 100-1060 и - труднообрушаемая (от II до III типа по классификации б.ВУГИ).

С целью установления основных закономерностей взаимодействия' секций крепей 1УКП,. М138 и,М138Д с боковыми породами исследования формирования и распределения нагрузок на перекрытие и давления в гидростойках крепей в зависимости от технологических процессов, установления величины шага обрушения непосредственной и основной кровли и их влияния на нагруженность элементов крепей решались следующие задачи:

- оценка характера обрушения основной и непосредственной кровли на основании наблюдений за появлением заколов, парамет-

•рами блоков, местами их образования, пагом обрушения и смещением кровли;

- установление наиболее характерных схем взаимодействия секций крепей 1УКП и М133 с блоками;

- исследование силовых параметров крепей 1УКП и М138;

- исследование формирования нагрузок в гидростойках механизированных крепей;

- исследование распределения и формирования нагрузок в гидростойках крепей по длине лавы;

- оценка параметров, характеризующих качество крепления привабойного пространства различными типами крепей.

Методикой шахтных исследований предусматривалось выполнение следующих видов работ:

1. Подробное изучение горно-геологических и горнотехнических условий.

2. Наблюдение за состоянием, устойчивостью и сдвижением боковых пород в призабойном пространстве, характером деформаций и обрушением пород за крепью и проникновением их в приза-бсйное пространство со стороны выработанного пространства и в зазоры между перекрытиями. Наблюдения за состоянием кровли и характером ее обрушения производились визуально с использованием простейших измерительных инструментов.

3. Измерения относительных сближений боковых пород на различных расстояниях от забоя. Измерения производились между СУ51-2. Для получения подробных данных податливости крепей и смещений боковых пород во времени использовались самопишущие приборы типов СПШ-67 и СП.

4. Измерение фактического сопротивления гидроопор от начального распора до предельного сопротивления в каждом цикле. Измерение нагрузок (сопротивления) на гидроопоры производилось . с помощью показывающих манометров.

5. Для наблюдений за взаимодействием перекрытий крепи с кровлей пласта и обрушенными породами использовался прибор ЩЦКС-3,-

6. Длительность передвижки секций крепи определялась хро-нометражными наблюдениями с помощью секундомеров.

Оценка взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами производилась по критериям, разработанным ИГД им.А.А.Скочинского на основе проектных данных и результатов

- 5 -

испытаний.

■Экспериментальные исследования силового взаимодействия механизированной крепи 1УКП с боковыми породами проводились в лаве 4-11-7 пласта 11 блока 4 шахты "Распадская".

Наибольшие зависания кровли наблюдались на сопряжении лавы 4-11-7 с конвейерным штреком, доходящие до 21 м при среднем значении 10 м. В средней же части лавы максимальная величина зависаний пород кровли составляла 10 м при средней 3,6 м. При этом обрушение кровли происходило в основном над оградительной частью крепи и реже за крепью. Обрушение кровли на нижнем сопряжении в районе 15-20 м секций происходило, как правило, за крепью и лишь иногда над крепью. В этом случае кровля обруша-лась на большой площади в виде отдельной плиты мощностью 22,5 м, в результате возникали динамические нагрузки на ограждающую часть механизированной крепи.

Размеры блоков обрушения изменялись в широких пределах как по длине, так и в направлении движения лавы. По простиранию их величина изменялась от 1 до 10 м при среднем значении 3,5 м, по длине лавы максимальная величина блоков достигала 17-20 м. Средняя частота заколов кровли"впереди козырька крепи составила 0,416 на 10 м подвигаяия лавы. Величина смещений при заколах достигала 50 см при среднем эначении 19,9 мы.

Характерным для взаимодействия крепи 1УКП с труднообруша-емыми кровлями, когда в непосредственной кровле валегают песчаники, является:

•- зависание пород кровли и ее крупноблочное обрушение с периодическим образованием заколов впереди забоя или козырьков крепи;

- наличие срывов блоков и образование динамических нагрузок на оградительную часть крепи;

- систематическое нарушение нормального контактирования всей- или части перекрытия с крупным блоком вследствие потери ■высоты во время передвижки и недостаточного предварительного распора поднятия этого блока.

Начальный распор задавался в пределах 100-620 кН, при среднем значении 480 кН, что составило 797. от расчетного.

Экспериментально полученные значения силовых параметров - 6 -

крепи 1УКП представлены в табл.1.

Таблица 1.

Значения основных параметров крепи 1УКП

N п/п Наименование параметров Зона

I II III

1 Реакция стоек крепи в конце цикла, кН: минимальная максимальная средняя 100 1450 57,2 100 1310 48,4 100 1790 76,0

г Суммарные нагрузки на секции крепи, кН: по средним значениям по максимальным 1090-1210 2330-2840 980-1280 2320-2860 1340-1580 2640-3280

3 Нагрузки на стойки крепи, X: средние максимальные 40,5 1020 34,3 130 53,9 116

Первая зона характеризует работу крепи под кровлей II класса по классификации КуэНИУИ. Глубина разработки изменялась от 80 до 100 м, а обрушение при этом производилось без зависаний непосредственной кровли в основном мелкими блоками. Вторая гона - взаимодействие крепи с песчаниками, относящимися к III-IY классам по классификации КуэНИУИ при глубине разработки 40-50 м. Третья зона - работа крепи под песчаниками, относящимися к кровлям Y-YI клзссов по классификации КуэНИУИ. Глубина разработки в этой зоне изменялась от 120 до 150 м.

Из анализа табл.1 следует, что несмотря на невысокую в среднем загруженность (34-54Х от фактической несущей способности в отдельные моменты, совпадающие с осадками основной кровли при шаге обрушения 12-50 м) нагрузки превышали расчетные на отдельные гидростойки на 30%, а в целом на секции на 167.. ...

Просадки гидростоек за цикл изменялись от 0 до 40 мм при среднем значении 3,8 мм. Были отмечены просадки гидростоек, достигающие 250 км, что явилось причиной посадки "нажестко" 17 секций крепи.

На основании анализа результатов исследований установлено, Что врк увеличении глубины разработки до 300-500 м крепь

- 7 -

1УКП с рабочим сопротивлением 630 кН/м2 не обеспечивает надежного "поддержания призабойного пространства. Рабочее сопротивление крепи для условий шахты "Распадская" при отработке пластов мощностью до 2,5 м с труднообрушаемыми кровлями должно составлять на менее 950-1000 кН/м2.

Максимальная величина нёдодвижки козырька крепи до забоя достигала до 140 см при среднем значении 59,9 см, что превышало расчетную на 34,9 см. Зазор между козырьками соседних, секций изменялся от 0 до 29 см при среднем значении 15 см.

Оценивая в целом взаимодействие крепи 1УКП с Соковыми породами, следует отметить, что конструкция не обеспечивала надежного крепления призабойного пространства.

Шахтные экспериментальные исследования силового взаимодействия механизированной крепи КМ138 с боковыми породами проводились в лавах 4-11-15 и 4-11-19 пласта 11 блока 4 шахты "Распадская". В лаве 4-11-15 при резких осадках зафиксировано повышение реакции крепи выше рабочего сопротивления на 557..

В целом за период исследований величина начального распора изменялась от О до 1064 кН на стойку или от 50 до 590 кН/м2 поддерживаемой площади кровли. Средняя величина начального распора стойки составила 615 кН (360 кН/м2) шш 41£ от рабочего сопротивления. При влиянии осадок основной кровли (песчаника) интенсивный рост сопротивления стоек крепи наблюдался в течение всего выемочного цикла.- Наиболее интенсивно сопротивление крепи возрастало в конце цикла. Рабочее сопротивление стог..: в среднем использовалось на 51,7£, изменяясь от 27,5 до 125%. Частота выхода стоек на рабочее сопротивление от общего количества циклов нагружения отоек не. превышала 4Податливость стоек изменялась в пределах от 0 до 76 мм. Ширина незакрепленного пространства составила 421 мм.

_ Оценивая в целом взаимодействие крепи с кровлей следует отменить, что заколы кровли вцереди козырьков и забоев имели место, однако посадок секций "накестко" не наблюдалось.

Экспериментальные исследования комплекса КМ138Д с очистным комбайном с автоматизированной системой управления фирмы "Даути" проводились в лаве 4-11-19. Передвижка крепи в основном проводилась в дистанционном автоматизированном режиме. Тумблерный режим применялся при додвижках крепи в местах, где требовалось присутствие оператора. Скорость крепления при дис-

- 8 -

танционно-авгомзгивированном управлении составила 7,3 и/мин, при тумблерном - 2,9 м/мин. Зазоры между козырьками изменялись от 20 до 470 мм (в среднем 239 мм). Недодвижка козырьков до забоя в среднем составила 95 мм, изменяясь от 40 до 250 мм, т.е. не превышала проектной величины.

Сравнивая величину начального распора, полученного при ручной передвижке крепи КМ138, можно сказать, что начальный распор в среднем увеличился в 1,45 раза, что составило SS.4Z от номинального сопротивления и положительно сказалось на взаимодействии крепи с боковыми породами. Сопротивление гидростоек крепи в конце цикла достигало 1615 кН на одну стойку. Сопротивление крепи на один метр длины лавы изменялось от 1000 до 4127 кН/м при среднем 2860 кН/м. Податливость гидростоек крепи изменялась от О до 29,4 мм за цикл и в среднем составила 8,2 мм.

Увеличение начального распора улучшило взаимодействие крепи с кровлей. Заколы впереди ковыръков с незначительными смещениями появлялись эпизодически. Автоматический режим передвижения секций без подпора, с пассивным подпором и с активным подпором кровли обеспечил повышение скорости крепления соответственно в 2,2, 2 и 1,8 раза по сравнению с передвижением секций в тумблерном режиме.

На основании вышеизложенного была произведена сравнительная оценка взаимодействия крепей 1УКП и М138 с труднообрушае-мыми кровлями. Наблюдения проводили При отработке участков, когда непосредственно над пластом залегали песчаники мощностью 30-34 м, склонные к зависанию, и крупноблочному обрушению, крепостью по шкале проф.М.М.Протодьяконова 8-10. Глубина отработки составила 150-210 м. Анализ схем взаимодействия крепей показал, что для обеих исследуемых крепей характерным являются . большие зависания пород кровли за крепью, доходящие до 15 м, периодические заколы впереди козырьков со смещением, возможность линейного контактирования перекрытий с блоками с динамическими нагрузками от блоков на секции крепи. Шаги обрушения и величина зависания пород кровли за крепью для обеих крепей одинакова. Однако максимальные величины смещения блоков по заколам для крепи 1УКП в 2 раза выше (1УКП - до 0,7 м, М138 - до 0,36' м). Крепь 1УКП (до Б секций одновременно) периодически зажимало "нажестко" с периодичностью посадок в среднем через

- 9 -

75 м подвигания забоя. Посадок "нажестко" крепи КМ138 не наблюдалось .

Таблица 2.

Силовые характеристики крепей 1УКП и МХ38

Наименование параметра Проектные значения Фактические средние значения

1УКП М138 Кратность 1УКП М138 Кратность

Начальный распор: на 1 м2, кН/м2 на 1 м по длине лавы, кН/м 400 1613 До 600 До 3200 1,5 3,3 270 501 360 1460 1,3 2,9

Сопротивление крепи: на-1 м2, кН/мг на 1 м по длине лавы, кН/м 1000 1613 В70 4000 0,87 2,5 500 807 452 2040 0,9 2,5

Сравнение проектных характеристик крепей показывает, что несмотря на то,что рабочее сопротивление секции крепи 1УКП на 1 мг больше сопротивления крепи М138 в 1,5 раза, "нажестко" зажимало именно их. Следовательно, показатель сопротивления крепи на 1 мг для труднообрушаемых кровель не является основным при выборе крепи для конкретных условий. Этот показатель зависит от площади поддерживающей части секции, которая у крепей оградительно-поддерживающего типа в силу причин конструктив! "je особенностей гораздо меньше, чей у крепи поддерживающего типа.

При обрушении пород кровли вслед за крепью характеристика "сопротивление крепи на 1 м2" правомерна, а для труднообрушаемых кровель ее недостаточно. Действительно, при больших зависаниях кровли за крепью и образовании крупных монолитных блоков .не столь существенно, какая сила будет приложена на 1 uz поддерживаемой площади. Важно, чтобы равнодействующая этой силы была достаточна для уравновешивания образующихся блоков. Если же сравнить рабочие сопротивления секций анализируемых крепей на 1 м длины лавы, то получается обратная картина - рабочее сопротивление крепи М138 превышает сопротивление крепи 1УКП. Фактически полученные данные при испытаниях крепей 1УКП и M13S такт подтверждают изложенное выше.

Реакции начального распора по средним значениям на 1 м - 10 -

длины блока у крепи М138 в 2,9 раза, а реакции в конце цикла в 2,5 раза выше,' чем у крепи 1УКП. Этим и объясняется т ;т факт, что секции М138 не были посажены "нажестко", что происходило с секциями 1УКП в среднем через 75 м подвигания забоя. Таким образом, для сравнительной оценки крепей оградительно-поддерживающего и поддерживающего типов, работающих в условиях трудно-обрушаемых кровель, необходимо наличие характеристики "рабочее сопротивление на 1 м длины забоя" по поддерживающей части, которая наиболее полно отражает силовое взаимодействие секции с крупными блоками. ""

Экспериментально установлено, что механизированная крепь М138 эффективнее, чем крепь 1УКП, взаимодействует с крупными блоками (тяжелыми кровлями), так как создает большую реакцию отпора на 1 м длины лавы.

Таким образом, наиболее полно отражает процесс взаимодействия крепи с кровлей при отработке пластов с тяжелыми кровлями показатель крепи "рабочее сопротивление крепи нз 1 м длины забоя". Этот показатель не зависит от величины поддерживаемой площади секции и поэтому может быть принят для сравнения крепей оградительно-поддерживающего и поддерживающего типов.

На основании произведенной сравнительной оценки взаимодействия крепей 1УКП и М138 с труднообрушаемыми кровлями можно отметить следующее.'

Механизированная крепь 1УКП не обеспечивает надежное контактирование козырька с кровлей, надежное крепление призабой-ного пространства (ширина незакрепленной полосы по средним значениям 0,559 м) и надежную защиту от просыпания пород в межсекционные зазоры. Фактическая средняя величина незакрепленной полосы кровли превышает расчетную на 34,9 см. Средняя погруженность секций крепи 1УКП составила 34-54% от фактической несущей способности. При осадках основной кровли нагрузки превышали расчетные ("на отдельных гидростойках до 30%, на секцию в целом на 16%). Среднестатистический коэффициент неравномерности нагружения стоек крепи составил около 0,6. Имелись случаи зажатия секций крепи 1УКП "нажестко".

Механизированная крепь М138 исключила большие смещения по закалам впереди крепи и над перекрытием, но не ликвидировала их полностью. Рабочее сопротивление стоек в среднем использо-

- 11 -

вадось на 51,77., изменялось от 27,5 до 125%. Частота выхода стоек на рабочее сопротивление не превышала 4% от общего цикла нагружении. Неравномерность нагружения стоек между передним и задним рядами доходила до 9, в среднем составляя 1,8, а между стойками заднего ряда соответственно 3 и 1. Заколы кровли впереди козырьков имели место, однако посадок стоек "нажестко" не наблюдалось. Имели место резкие осадки кровли, в отдельных случаях приводящие к поломкам силовых элементов крепи. Вывалов кровли в приэабойное пространство не наблюдалось.

Крепь М138 имеет меньшее сопротивление по сравнению с 1УКП. В то же время крепь 1УКП сажало "нажестко", а с М138 таких случаев не было. Крепь М138 успешнее, чем 1УКП, взаимодействует с крупными блоками, так как создает большую реакцию отпора на 1 м длины при предварительном распоре в 2,9 раза, а при смещении кровли в 2,5 раза.

На основании результатов, полученных при шахтных исследованиях механизированных комплексов 1УКП, КМ138 и КМ138Д 'на пласте 11 блока 4 шахты "Распадская", и анализа работы аналогичных механизированных комплексов в.сложных горно-геологических условиях на шахтах им.В.И.Ленина, им.Шевякова, "Капитальная" при участии автора были разработаны исходные требования к Техническому заданию для изготовления индивидуального образца очистнрго комбайнового комплекса 3KM138J5. Малаховским экспериментальным заводом изготовлен опытный образец комплекса.

. Стендовые испытания секций механизированной крепи ЗКМ138И производились на стенде СТ18 Малаховского экспериментального завода. Секция крепи испьггывадась по двум схемам нагружения:

- испытание перекрытия и основания одновременно;

- испытание управляемой консоли.

По первой схеме нагружения нагрузочные опоры размещались на перекрытии и под основанием. После предварительной опрес-совки секция нагружалась ступенями, приблизительно по 10 МПа, которая выдерживалась по манометру, подключенному в поршневые полости гидростоек секции. При этом-фиксировались остаточные деформации на перекрытии и основаниях.

По второй схеме нагружения испытаниям подвергалась управляемая консоль механизированной крепи с помощью четырех двадцатипятитонных домкратов.

При этом испытания консоли также разделялись на два эта- 12 -

па:

- на 1 этапе испытаний консоль нагружалась до давления брабатывания предохранительного клапана блока гидропатронов;

- на 2 этапе испытаний предохранительный клапан в блоке гидропатронов был заменен на заглушку и нагрузка на консоль увеличилась до достижения давления в полости гидропатронов консоли 60 МПа (60 0000 кН/м2).

В процессе нагружения консоли фиксировались: давление в гидропатронах, давление в стойках,секции, упругая и остаточная деформация консоли при заданных усилиях гидроцилиндров стенда.

Согласно представленной методике на первом этапе стендовых испытаний исследовались секции механизированной крепи 2М138И.

По результатам испытаний перекрытия и основания секций крепи по 1 схеме нагружения получены зависимости (см.рис.1). Максимальная пластическая деформация левого основания крепи при нагрузке на секцию 50 МПа (50 000 кН/м2) ^ оставила 12,4 мм, правого основания - 10,8 мм, перекрытия - 3,2 мм. При этом нагрузка на секцию фиксировалась по манометру, установленному в поршневой полости гидростоек секций.

По результатам испытаний управляемой консоли механизированной крепи по схеме 2 получены зависимости (см.рио.2). После очередной ступени нагружения до 45 МПа (45 ООО кН/м2) остаточная деформация оснований в среднем составила 7,0 мм.

Испытания секций М138И проведены согласно требованиям документации, а параметры секции соответствуют технической характеристике.

Анализ результатов прочностных испытаний секций на стенде СТ18 показал, что перекрытие обеспечивает перегрузку в 1,25 и вше по отношению к номинальной, а прочность оснований обеспечивает номинальную нагрузку. Наиболее напряженная зона у оснований отмечена в области гнезд передних гддросгоек секций.

Испытания управляемой консоли показали, что прочность консоли обеспечивает 1,5-кратную перегрузку. Остаточных деформаций после испытаний не наблюдалось.

По результатам испытаний можно сделать вывод, что перекрытие и управляемая консоль секции имеют 1,5-кратный запас прочности, а основания имеют остаточные деформации до 4,5 мм

- 13 -

Скекг. нагруженил I Ле:ц.?ание лорш^ыгл;: и основания

при номинальной натрувке на секции крепи.

8 подавляющем большинстве случаев смещения кровли являются интегральным показателем проявления горного давления. Поэтому задача обоснования параметров силового взаимодействия механизированной крепи с породами кровли сводится к определению величины смещения пород кровли в лаве в результате ведения горных работ.

Производственные наблюдения показывают, что состояние кровли в призабойном пространстве не только оказывает основное влияние на ее дальнейшее расслоение, но и в значительной мере влияет на силовые параметры крепи, определяет безопасность и эффективность ведения очистных работ.

Одна из важнейших функций крепи очистного забоя состоит в поддержании и сохранении непосредственной кровли. Для этого необходимо уменьшить ее расслоение и предотвратить образование вывалов в призабойное пространство. Другими словами, требуется управлять смещениями кровли, ограничивать их так, чтобы наслоения непосредственной кровли оставались не разь-ленными.

Сопротивление современных крепей механизированных комплексов не в состоянии противодействовать смещениям пород основной кровли, поэтому предлагается выбирать силовые параметры крепи с учетом удержания от расслоения пород непосредственной кровли.

Согласно шахтным наблюдениям при определении рациональной величины сопротивления механизированной крепи должна быть принята критическая величина смещения непосредственной кровли не более 50 мм.

Установлено, что мощность отслоившихся пород кровли в наибольшей степени влияет на величину сопротивления крепи. Увеличение мощности отслоившихся пород кровли (возможнее в результате выполнения различных технологических процессов) по линии очистного забоя о 10 до 20 м приводит к увеличению рационального сопротивления с 700 до 1490 кН/м2.

На оеновании приведенных аналитических и экспериментальных исследований установлено, что при назначении режимов работы механизированных крепей необходимо учитывать конкретную горно-геологическую обстановку, в частности, параметры основной и непосредственной кровель. Объясняется это тем, что в условиях труднообрушаемых пород, представленных неустойчивой не- 15 -

посредственной и труднообрушаемой основной кровлей, как показали приведенные исследования, величина безопасного смещения кровли в очистном забое, при котором геомеханическая обстановка не усложняет выполнение производственных процессов, не должна превышать 50 ым. При работе крепи в режиме нарастающего сопротивления величина посадки штоков гидростоек составляет 12-20 мм аа время выполнения выемочного цикла, а в режиме постоянного сопротивления - до 120 мм, при этом резко возрастает плоишь вывалов, "ложная" кровля опускается, что приводит к более интенсивному расслоению вышележащ« пород кровли.

Рааработаны требования к технической характеристике механизированной крепи ЗМ1Э8И:

1. Удельное номинальное сопротивление на 1 м2 поддерживаемой площади кровли - 1000 кН/м2.

2. Коэффициент гидравлической раздвижности - 2,0.

3. Коэффициент начального распора - 0,7.

4. Сопротивление на консоли - 100кН/м.

5. Сопротивление секции - 6300 кН.

6. Максимальное расстояние от забоя до передней кромки перекрытия - не более 300 мм.

7. Раздвижность секций - 1,25-2,5 м.

8. Скорость крепления - 4,5 м2/мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной для угольной промышленности задачи совершенствования технологии механизированного крепления очистного забоя при отработке пластов с труднообрушаемыми кровлями, позволяющее повысить эффективность добычи угля

1. Тяжелые кровли, характерные для условий Распадского угольного месторождения, обуславливают динамические проявления горного давления. Неудовлетворительное взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами является причиной снижения технико-экономических показателей работы комплексно-механизированных очистных забоев. Так средняя фактическая производительность механизированного комплекса не превышает 50-701 расчетной, а коэффициент машинного времени очистного оборудования составляет в среднем по отрасли всего 0,265.

- 16 -

2. Установлен характер обрушения и размеры породных блоков по длине выемочного столба и очистного забоя. Разм-ры блоков обрушения изменялись по простиранию от1 до 10 м при среднем значении 3,5 м, а по длине лавы максимальная длина блоков достигала 17-20 м. '

3. Установлены четыре характерные схемы взаимодействия крепи с боковыми породами. Наиболее неблагоприятной является схема при вависании пород кровли на длине 10-12 м с последующим образованием закола впереди лавы. Показано, что более благоприятные условия взаимодействия крепи с породами кровли обеспечиваются в забоях с крепью М138 по сравнению с 1УКП. Максимальные смещения породных блоков по заколам для крепи 1УКП составляют 0,7 и, а для крепи М138 - 0,36 м.

4. Экспериментально сбоснованы силовые параметры секций механизированных крепей 1УКП и КМ138 для различных структур-но~диалогических характеристик пород и глубин ведения горных работ. Средняя нагрузка на секции крепи 1УКП изменялась от 109 (I зона) до 158 (II зона) при максимальной - 3tS кН, что превышало на 16% расчетные значения. Среднестатистический коэффициент неравномерности нарушения стоек крепи составил 0,6.

5. Исследования силовых взаимодействий крепи М138 показали, что рабочее сопротивление крепа используется на 51,7%. Реакции стоек не превышали номинальных значений и составляли в ОрсДНбМ 775 КН ПО ПврёДНеМу и 844 кК по заднему ряду ГйДрОСТО-ек. Среднестатистический коэффициент неравномерности нагруже-ния передних îj задних гидростоек составил 1,8. При оснащении забоя крепью КМ138Д es сопротивление изменялось от 1000 до 4127 кН/м при среднем 2860 кН/м, а средняя податливость гидростоек составила 8 мм.

6. Установлена линейная зависимость между величиной расслаивающегося массива пород кровли и рациональным сопротивлением крепи. Увеличение мощности отслоившихся пород кроали по линии очистного забоя с 10 до 20 м приводит к увеличению сопротивления с. 700 до 1490 кН/м2.

7. Для условий труднообрушаемых кровель при сравнительной оценке механизированных крепей должен использоваться показатель "рабочее сопротивление на 1 м длины лавы". Показано, что крепь М138 по сравнению о крепью 1УКП обеспечивает более благоприятные условия взаимодействия с породами кровли.

- 17 -

8. На, основанип хронометраых наблюдений определены показатели надежности работы комплекса КМ138Д, которые превышают аналогичные показатели серийных образцов. Так наработка на отказ у КМ138Д превышает этот показатель в 20 раз по сравнению с КМТ и в 10 раз по сравнению с крепью "Глиннк". Автоматический режим передвижки секций обеспечил повышение скорости крепления в 2,2 раза по сравнению с тумблерным режимом.

9. Скорректирована методика расчета смещений пород кровли с учетом экспериментально полученных- характеристик взаимодействия крепи с боковыми породами.

10. На основе шахтных экспериментальных исследований разработаны требования к основным параметрам крепи, которые вошли составной частью в ТЗ на комплекс КМ138ДИ. Рекомендации по совершенствованию технологии крепления очистных забоев учтены при разработке проекта отработки лавы 3-10-11 шахты "Распадс-кая".

11. Расчетный экономический эффект от внедрения предложенных рекомендаций составил около 2 млрд.- рублей.

Ооиошшв положения диссертации опубликованы , в аледуоднх работах

1. Еундулиди H.A. Методика и методы исследований функционирования шахты. - В сб. ¡Проблемы экологически чистой автоматизированной шахты глубокого заложения. - М.: МГИ, 1991 -С.60-62.

2. Вундулядк H.A. Влияние горно-геологических и горнотехнологических факторов на технико-экономические показатели. - В сб.:Региональная подготовка угольных месторождений к эффективной и безопасной разработке. - М.: МГИ, 1991. - С.49-52.

3. Оундулхдм H.A. Выбор оптимальных параметров выемочного участка. - В сб.:Региональная подготовка угольных месторождений к эффективной и безопасной разработке. - М.: МГИ, 1991. -С.96-98.

4. Вундулидн H.A. Стендовые испытания секций механизированной крепи ЗКМ138И /Деп. в Горном информационно-аналитическом бюллетене N 9-12. М.: МГГУ, 1994.

5. Иундулиди н.А. Сравнительная оценка силового вааимо-

- 18 - '

действия крепей 1У1Ж и М138 с труднообрушаемымл кровлями /Деп. в Горном информационно-аналитическом бюллетене N 9-12. М.: МГГУ, 1994.

6. Иундулидн И. А. Шахтные испытания КМ138Д с автоматизированной системой управления фирмы "Даути" /Деп. в Горном информационно-аналитическом бшлетне N 9-12. М.: МГГУ, 1094.

Подписано в печать

Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз.

Формат 60x90/16 Заказ N ЛЛ5

Типография МГГУ. Ленинский проспект 6