автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение надежности механизированных крепей, обеспечивающих эффективную работу на слабых почвах

РГ5 ОД

" Баранов Андрей Павлович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕЙЕЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЭФФЕКТИВНУЮ • РАБОТУ НА СЛАБЫХ ПОЧВАХ

Специальность 05.05.06. - Горные машины

На правах рукописи

Автореферат диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула - 1995

■ . f Работа выполнена в Тульском государственном университете^

Научный руководитель Докт. техн. наук, проф. Харитонов Н.И.

Официальные оппоненты

докт. техн. наук, проф. Степанов D.M. канд. техн. наук Крюков A.C.

Ведущее предприятие - А.О. "Тулауголь"

Защита диссертации состоится ^ 1995 г. ц /У часов из заседание диссертационного совета К 063.47.04 при Тульском го-суларственном университете по адресу: 300600, г.Тула, пр.Ленина, 02; учебный корпус 9, аудитория 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского го-сулярстреипого университета, ...

/О

Автореферат разослан "„_ _ 1995 г.

Ученый секретарь

диссертационного ' '' ^ ^^

совета, канд. техн наук/ т*ъ ^^¿ШЛ.Пискунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. С ухудшением горно-геологических ус-. ювий в угольных бассейнах, особенно при отработке угольных пластов :о слабыми, почвами, наблюдается постоянное снижение эффективности применения серийных механизированных крепей.

Крепи теряют устойчивость, ухудшается режим их нагруженил, зызывающий поломки и деформации элементов металлоконструкции с разрушением сварных Швов. Эю увеличивает объем непроизводительных ручных работ, связанный с правкой секций, заменой и ремонтом разрушенных элементов,

Прозедэнный анализ в ЦЭММах А.О. Тулауголь показал, что 70% вышедших из строп крепей имеют значительные деформации элементов с разрушением сварных швов. А наблюдения за работой крепей в лавах Сафоновского месторождения, проведенные в течение 9 месцев, показали, что в течение отработки выемочного столба длиной 500 м до 30% траверс 4-х звенного механизма разрушаются и до 10% оснований получают большие остаточные Деформации.

Поэтому дальнейшее изучение взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами, в условиях слабых почв, участвующих в формировании проявления горного давления на крепь, актуально, и связано как с прочностью, так и с устойчивостью конструкций. В связи с этим способствование формированию проявления горного давления на крепь является важнейшей задачей, решение которой связано с дальнейшим совершенствованием существующих механизированных крепей и созданием новых.

Настоящая работа подготовлена автором на основе обобщения рэ-зультатов исследований, выполненных им в соответствии с научными исследованиями ТулГТУ:

- по хозяйственному договору между ТулГТУ к ИГД им. А.А.Скочинского №86-4]8 "Разработать методы построения режимов кагружения и критерия устойчивости секций механизированных крепек" (номер государственной регистрации 01Б60077432).

- по госбюджетной теме №58-91 "Исследование работы и прогнозирования кадежностй механизированных крепей для пологих пластов" 'номер государственной регистрации 01910040422).

Целью работы является повышение надежности механизированных крепей, обеспечивающих эффективную работу на слабых почвах введением гидравлических податливых элементов, формирующих проявление горного давления. •

Идея работы заключается в обеспечении надежности механизированных крепей установкой гидравлических податливых элементов, способствующих формированию проявления горного давления на несущие элементы крепей в условиях слабых почв!

Метод исследований - комплексный, включающий аналитические исследования, базирующиеся на механике горных пород, на методах теории упругости и пластичности, производственные испытания опитной партии механизированных крепей с применением для обработки экспериментальных данных методов математической статистики. Научные положения, выносимые на защиту. Установлена закономерности потери устойчивости и режима иа-гружения механизированной крепи с учетом разрушения угольного пласта впереди очистного забоя, и его взаимовлияние с крепью в процессе выемки угля и передвижки секции в условиях слабых почв.

Разработана методика расчета элементов четырех ценного механизма механизированных крепей с учетом взаиыодействг?" основания секции со слабой почвой-

Установлена зависимость ресурса секций о'т характера распределения и уровня контактных давлений по опорной поверхности основания секции, позволяющая прогнозировать срок службы крепц.

Установлено рлияние податливых элементов, введений» в конструкцию, на кинематику и режим нагруженип. »

Достоверность научных цолбжзций, выводов и рекомендаций,' содержащихся в диссертации, подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не превышает 20%), достаточным объемом экспериментальных данных, применением современных средств измерений ц методов исследований.

Научное значение диссертационной работы состоит р разработке механизма потери устойчивости и режима погружения механизированной крепи в'прочессе подвигання очистного забой, в условиях слабых почв.

Практическое значение работы:

- усовершенствована методика прочностного расчета элементов секций, позволяющая повысить надежность крепи;

- разработана, изготовлена и испытана конструкция секции крепи, с введенными гидравлическими поца^-ливыми элементами, автоматически формирующими проявление горного давления, позволяющей повысить устойчивость и надежность крепи.

Реализация работы. Основные результаты использованы при' проектировании и создании опытной партии экспериментальных образцов секций крепч ЮКГ1Д.

Годовой экономический эффект от внедрения одного комплекса с механизированными крепями ЮКПД в ценах 1989 года составляет 119730 руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной оабо-ты докладывались на VI Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" ИГД СО \Н СССР (г.Новосибирск, 1983 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного технического университета (г.Тула, 1986-1995 г.г.), ьа заседании кафедры Торице машины и комплексы" (г.Тула, 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных ра бот и получено 2 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения,' пяги разделов, заключения, списка использованной литературы из 90 наименований и содержит 122 страницы машинописного текста, 34 рисунка, 5 ггблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проведенный анализ работы механизированных крепей в сложных горно-геологических условиях при наличии слабых почв свидетельствует о недостаточной эффективности их применения. Снижение эксплуатационных качеств крепи связано с потерей устойчивости секций, ухудшением режима их нагружения, вызывающий поломки и деформации элементов металлоконструкции, отсутствием удовлетворительных конструктивных решений по повышению надежности секинй крепи при работе га слабой почве.

Исследованию взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами, устойччвостн и надежности крепей и созданию новых конструкций посвящены работы Александрова Б.А., Ардашева К.А., Бур-чсковя A.C. Глазоэ? Д.Д., Грицаюка Б.И., Дубенского Г.Г., Заикина Е К., Закутского И.А. Казьмина В.М., Каретникова В.Н.,- Картозия Б.А., Коршунова A.B., Крашккна И.С., Кузнецова С.Т., Мамонтсва C.B., Мосжухинг A.B., Мышллзва Б.К., Орлова A.A., Полежаева В.П., Попова В.Л.. Потагенко В.А , Савенко Ю.Ф., Сальникова В.Г., Степанова В.М., Суровского В.М., Фролова Б.А., Харитонова Н.И., Цыплакова Б.В., Яковлевой О.В. и дру'их.

Анализ этих работ показал, что дальнейшее исследование взаимо-дрйствия механизированных крепей с боковыми породами в сложных горно-геологических условиях особенно при наличии слабых почв, влияния их на характер погружения и устойчивость является важным направлением связано с решением задач по дальнейшему совершенствованию существующих механизированных крепей и созданию новых, способствующих формированию проявления горного давления.

И;ходя из этого, ь диссертационной работе были поставлены и решались следующие задачи.

1. Разработать зависимости и исследовать влияние слабой почвы на потерю устойчивости и режим нагружения механизированных крепей.

2. Усовершенствовать существующие методы прочностного расчета элементов секций с учетом особенностей их нагружения в лавах со слабыми почвами. ■ • .

3. Разработать метод определения ресурса основания механизированной крепи по условию предельной деформации.

4. Разработать конструктивные решения, направленные на совершенствование крепей, повышение их надежности и приспособляемости к проявлениям горного давления.

Опыт эксплуатации механизированных крепей показывает, что на" С1абых почвах устойчивость секций и режим их нагружения зависит не только от физико-механических свойств пород почвы, но и от характера пооявления горного давления в очистном забое. С. целью выявления проявления горного давления на потерю з'стойчивос.ти и режим нагружения механизированных крепе-'i разработана модель взаимодействия системы ~ "крепь - угольный пласт - боковы? породы" в процессе подвнгания очистного зи боя.

Согласно этой модели, нарущенне равновесия системы происходит в результате обнажения почвы в процессе выемки угли и передвижки секций. Указанное обнажение при наличии слабой почвы связано с разрушением угольного пласта впереди очистного забоя образованием и развитием магистральной трещины. В дальнейшее блок угли, отделившийся от пласта, внедряется в слабую почву, уподобляясь жесткому штампу.

Выпирание почвы из-под отделившегося блока вызывает наруше ние нормальной работы как конвейера, так и механизированной кропи, меняя эпюру отпора почвы под основанием секции. Прд этом напряжение отпора почвы внедрению основания может возрастать в 1.Е-2 раза.

По мере подвигания забоя размер отделившегося блока угля и его влияние уменьшается, вследствие чего происходит более интенсивное внедрение основания секции э почву за счет уменьшения ^тг.ора, еызы-вающее потерю устойчивости крепи, изменение точки приложения вектора горного давления с соответствующим изменением силовых факторов в элементах конструкции. Для описания процесса динамического нагружения крепи (рис.1), Связанного с периодическим срабатыванием предохранительного клапана гидроопор, используется уравнение баланса, полученного из равенства работ от изменения массы- пород, за счет дополнительного обнажения кровли у груди забоя и сопротивления крепи:

• Щ-ИнЬ + гУ&чЬ&^Ъ (1)

а ж

Для описания характеру динамического нагружения на уровне срабатывания клапанов, гидростоек получено выражение изменения давления на крепь

дг = ^Ьт^яш-соз— 2 Л

(Л'шах-^)2 .

(2)

где Л^тах, - максимальное и минимальное значения реакции

гидроопоры к началу и к концу срабатывания клапана; Nm - среднее значение реакции гидроопоры;

о3

Л - общая податливость секции за единичный цикл работы предохранительного («лапана; . .

у - плотность обрушающихся пород кровли;

V - объем смещающихся пород непосредственной кровли;

V - скорость опускания кровли;

. х ' величина перемещения кровли;

/ - время нагружения.

Рис.1. Участок диаграммы давления в гидростойке крепи за единичный цикл работы предохранительного клапана

Расчетная нагрузка на крепь с учетом динамики кровли очистного забоя находится по выражению

^ном •

(3)

где Л'ЛДИ - номинальное сопротивление гидростойки;

/¡Г? = 1 + а - коэффициент, отражающий характер динамики кровли в процессе срабатывания предохранительного клапана;

где а ~ ~~ - параметр, характеризующий нарастание давления,

вызванное увеличением массы, отнесенной к первоначальной массе горных пород кровли, и является удельной величиной увеличения массы, а следовательно и давления на крепь в единицу времени;

г - коэффициент асснметрии цикла нагружения.

Проявление динамики кровли имеет место и при нагрузках на секцию ниже ее номинального сопротивления. Это связано с процес сом передвижения смежных секций и прохождением выемочного комбайна. Протекающие при этом процессы взаимодействия основания с почвой нарушают устойчивость секций, изменяют параметр их нагружения, вызывают дополнительную просадку и характеризуются коэффициентом, который находится как соотношение величин глубины вдавливания штампа при статическом и динами' е<:ком нагру-жениях.

, 0 процессе потери устойчивости происходит разворот основания секции как в плоскости пласта, так и.вокруг собственных центральных осей. Это вызывает в траверсах четырехзвенного механизма деформации и разрыв сварных швов. С целью уточнения существующих методов расчета предложены расчетные схемы с перекосными усиликми как в плоскости траверсы, так и из нее, вызывающие деформации изгиба, сдвига и кручения. Поскольку перемычки траверс в основном, замкнутого сечения, в уточненных расчетных схемах необходимо учитывать напряжения от стесненного изгиба, часто превышающие напряжения от свободного изгиба на 20-25%. Характер разрушений траверс четырехзвенного механизма хорошо согласуется С предлагаемыми расчетными схемами.

Характерной особенностью механизированных крепей, работающих на сабых почвах, является наиболее высокая нагружен-ность их оснований. Поэтому для определения ресурса на стадии проектирования проведен анализ напряженно-деформированного состояния в условиях знакопостоянного малоциклового нагружения. Исчерпание несущей способности, по условию нормальной эксплуатации крепи, ограничивается величиной прогиба носка основания, равной 60 мм. Основание секции представляется расчетными схемами в виде балок коробчатого профиля:

• консольной балки, с защемлением на границе опоры кронштейна, нагруженной распределенной нагрузкой;

- двухопорйой, нагруженной давлением гидростойки и усилиями рычагов четырехзвенного механизма.

Получено выражение дли определения прогиба носка основания:

/¿?т.шх - -~[р -(* + хт)2МтщпМу+ + »}*> +

, (4)

+Л(£+хт)2 - г2) -^(Ь - )21 ■ /(ЛГ)

Где /(#)= ^Ка- функция долговечности для циклических упроч- I дс-1

няющихся и разупрочняющнхся материалов; р - модуль упругости материала, МПа;

1 - момент инерций сечения, мм*;

Ь - длина забойной части основания, мм;

Хт - граница упругой и пластической областей, в поясах балки, мм; •

Мг - момент, соответствующий появлению в поясах сечения

балки остаточной деформации, Н -Мм; • Л - параметр упрочнения материала;

Р ■

г - """ . - коэффициент асимметрии цикла; "та*

Утт, Ртах - соответственно минимальная и максимальная нагрузки цикла, Н;

Л - расстояние между верхними и нижними поясами сече-

ния балки, мм;

а,$Т,А - параметры циклического деформирования материала;

-3Lxf - коэффициент наг;- v|

>уженности забойной части основания для расчетной схемы с определенной нагрузкой;

де q - максимальная величина погонной нагрузки;

и),л - доли максимальной нагрузкн, приходящейся на прямоугольный и треугольный участки эпюры (m=n+¡);

[ли

9 = if[(L-a)-xr]2-i/í|(L-a)3-3(/--a)xr + 2>:rJ - коэффициент iar.-

(уженнрсти забойной части основания при двухопорном нагруже-ии, '

де Р - реакция отпора почвы;

(L-a) - точка приложения равнодействующей реакции отпора.

С целью формирования более благоприятных условий нагру-<ения секции крепи, путем увеличения степени ее приспособляемо» ти была разработана и изготовлена опытная партия гидравлических раверс. Конструкция секции механизированной крепи ЮКН-Д с идротраверсами (рис.2), установленными вместо передних рычагов етырехзвенного механизма, защищена авторским свидетельством.

. Гидротраверсы были изготовлены в виде жестких поперечин, с имметрично закрепленными на них податливыми элементами, кото-ые представляют собой гидропатроны прямого и обратного дейст-ия. В зависимости от направления относительного сдвижения пород ровли и почвы, податливые элементы гидротрэверсы испытывают астягивающие или сжимающие усилия, г конструкция гидрочатро-ов выполнена таким образом, что в поршневой полости возникают

сжимающие усилил, вызивзющие увеличение давления рабочей жидкости в подпоршиевом пространстве. При превышении номинального давления, происходит срабатывание предохранительного клапана гидротраверсы и сброшенная жидкость оказывается в трубопроводе под давлением. Если это давление превышает номинальное давление в гидрогтонче, то происходит срабатыванйе предохранительного клапана стзечногс гидроблока. Возвращение податливых элементов траьерсы в нгчаяьнсе положение происходит в процессе передвижки и в процессе создания начального распора.

Рис.2. Гидравлическая схема секции механизированной крепи ЮКПД

Изменение длины гидропатронов траверсы в процессе работы секции происходит автоматически, создавая благоприятные условия проявления горного давления на несущие элементы крепи.

Проведен анализ влияния податливых траверс на силовой режим нагруження элементов секции крепи.

Шахтные испытания . крепей с гидротраьерсами ноаой конструкции проводились в составе выемочного комплекса ОКП-1 в ламах 1-3 Западная, шахта Мв2 и 115 Южная шахта №7 в условиях Сафоновского месторождения А.О. "Тулауголь", которое характеризуется мощными слоями глины, залегающими в кровле, и полусухарнок глины в почве, которая из-за постоянного притока воды в лаву име ет низкую несущую способность. За время работы комплекса в течение 9 месяцев было пройдено 500 м выемрчиого столба. В обеих лапах экспериментальные секции устанавливались со стороны выемочных штреков, т.е. находились в зонах повышенногр горного давления.

В процессе работы исследовались факторы, оказывающие влияние на потерю устойчивости, режим иагружения ч передвижения секций а процессе выемкй- Оценивалась эффективность работы механизированных,крепей с податливыми элементами.

Усилия в стойках и гидротраверсах измерялись самопишущими манометрами (М-66А), углы наклона элементов секции крепей измерялись угломером с точностью измерений ±10', несущая способность почвы с помощью плотномера ДорНИИ, просадки оснований и угольного Пласта с помощью нивелира. • .

Испытания подтвердили эффективность разработанной конструкции, податливой гидротрарерсы и ее положительное влияние на повышение устойчивости и режим нагружения секции в процессе выемки угля я передвижки.

. Исследованиями установлено интенсивное смещение вмещающих рород, сопровождающееся внедрением угольного пласта и крепи в слабую почву, причем максимальное смещение пласта происходит периочи-чески через 3-1 м. и сопровождается интенсивным отжимом угля и максимальным нагружением крепи. Результаты испытания подтверждают влияние отделившегося блока угольного пласта на устойчивость и режим нагружения секций в процессе работы.

,. В результате замеров по вдавливанию оснований в поч^у и углов наклона экспериментальных секций установлено, Что последние в сравнении с серийными, находящимися в аналогичных условиях, имели просадки и углы наклона на 2Q-30% меньше.

Контроль состояния элементов крепей в лаве и тщательное обследование их з период демонтажа показал, что после отработки одного выемочного столба в основаниях серийных крепей возникли остаточные прогибы больше 50 мм в среднем у 10%, а у 30% крепей были разрушены передние траворсы.

Появления остаточных деформаций в несущих элементах экспериментальных крепей отмечено не -Зыло.

Годовой гкономический эффект от внедрения одного комплекса с механизированными крепями с податливыми гидротраверсами по ценам 1989' г. составляет 119730 руб. Реальный экономический эффект составил 13095 руб.

. ЗАКЛЮЧЕНИИ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи по выявлению дополнительных факторов, позволяющее болпе полно оцепить работоспособность механизированных крепей в лавах со слабыми поччами. Разработана конструкция податливого гидравлического устройства, формирующего проявление горного давления, более благоприятно^ го для работы механизированных крепей.

Основные научные и практические результаты исследований за-клю-юны в следующем:

1. Проведен анализ взаимодействия основания секций с почвой забоя с учетом взаимодействия работы угольною пласта, дополнительного сдавливания основания секции в почву, вызванною передвижкой крепей и прохождением выемочного комбайна.

2. Нз основании всестороннего анализа взаимодействия основания секции со слабой почвой забоя предложена более совершенная расчетная схема 4-х звенного механизма.

3. Установлена зависимость ресурса секции от характера распределения и уровня контактных давлении по опорной поверхности основания.

4. Разработана, изготовлена и испытана в шахтных условиях по- . датлииая гидротраверса 4-х звенного механизма, способствующая фор-, мировачию проявления горного давления на механизированную крепь.

5. Экономический эффект от внедрения одного комплекса с. меха-г.изироаанними элементами с податливыми гидротраверсами по ценам 19'39 г. составит 110730 руб. в год. Реальный Экономический эффект от

внедрения разработанных и успешно испытанных механизированных крепей с податливыми гидротраверсамн на шахтах №2 и №7 шахтоуправления "Сафоновское" составляет 13095 руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Сальников В.Г., Баранов А.П. Учет технологических зазоров и жесткости элементов четырехзвенника в системе автоматизированного проектирования секций крепи // ГиС.ше технологии, роботизация и САПР горных работ: Сб.ст. / ТулПИ. -Тула, -1987. -С.71-76.

2. Сергеев Й.В., Бараноз А-П. Применение статистического моделирования для определения вероятностных характеристик результирующей горного давления для поддерживающей части механизированной крепи / ТулПЙ. -Тула, 1983. -II с, -Дел. в ИНИИТЭИТяжмаш №286 -ТМ88.

3. Сергеев И.В., Баранов А.П. Выбор численных значений расчетных параметроо по заданному уровню надежности/ ТулПИ. -Тула,

1988. -4 с. -Деп. в ЦНКЙТЭИТяжмаш №287 -ТМ88.

4. Бзраноо А.П., Сергеев И.В. Определение коэффициента сочетания при нормальном законе ¡распределения нагрузок/ ТулПИ. -Тула, 1939. -в с. -Деп. в ЦНИИТЭИТяжмаш. 21.0289 №324 -ТМ89.

б. Сальников В.Г., Варанов А.П. Расширение области применения механизированных кргпей за счет демпфирующих элементов / / Механизация горных работ на угольных шахтах: Сб.ст. / ТулПИ. -Тула. -

1989. -С.95-1СО.

6. Харитонов Н.И., Мишунина Г.Е., Баранов А.П. Особенности взаимодействия механизированных крепей со слабыми боковыми породами в условиях Подмосковного бассейна / / Вопр. горн, давления: Сб.тр: ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1989. - С.129-132.

' 7. Сергеев И.В., Баранов А.П., Мишунина Г.Е. Оптимизация параметров щитовых механизированных крепей по критерию металлоемкости // Вопр. гОрн. давления-. Сб.тр. /ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1989. - С.71-74. '

>

8. Харитонов НИ., Мишунин Н И-, Баранов АП. К обоснованию коэффициента запаса секции механизированных крепей / ТулПИ, 1990

- 13 с. - Деп. в ЦНИИТЭИТяжмащ №145-TM9Q. "

В. Харитонов Н И , Мишунин НИ, Баранов А.П. Дополнительное давление на механизированную крепь, вызванное, передвижением секций / ТулПИ, - Тула, 1990. - 9 с. - Деп. в ЦНИИТЭИТяжмаш №|46-ТМ90.

10. Сальников В Г, Баранов А Г1. Секция щитовой крепи со ветра енным демпфером // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластор: Сб.ст. / ТулПИ. - Туда, }990. - С.71-76.

11. А.с. 1643733 СССР Е 21 D 23/04, 23/12. Секция механизированной крепи / ВГ-Сальников, Ар.Горбэчев, В.И.Елознн, А-П.Баранов (СССР) - №4674454/04. ЗаярЛ- 4:04.69. Опурл. 23.Q4.91.

- Бюл. №16. - 117с.

12. Ах.у1723335 СССР Е 21 D 23/04. Секция щитовой'механизированной кр^и / ВГ.Садьникой,- В.^.Ануфрие8, Á.rj.Espüips.. Л.Г.Собина (СССР). - №4788413. За^. Щ (¿.90. Опу<Ц, ЗОХ».91 -Бюл. №12. - |(Юс.

.л***;

Подписано н печати 1й«10.95,Форыа2.буыаги 1/J6,

Буиага innorpt $ 2,0$а8т,печ,Уол.печ.л.О,9.Уч,-иад4л.О,6. Тирак 100 ака? ' Заказ й 726.

Издано в Тульской государственной униваоихегв. Тула.ул.Нолдинц,J5I, " OsnesatsHO на рокпринте в 1ГУ.

<