Обоснование и выбор параметров секций механизированной крепи для усложнённых условий пологих пластов мощностью 1,0-2,5 м тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Титов, Илья Владимирович

• Титов, Илья Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Титов, Илья Владимирович

Введение

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

1.1. Общие сведения и условия эксплуатации очистных комплексов

1.2. Струговые комплексы для маломощных пластов

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

Глава 2. Анализ крепей для маломощных пластов

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

2.2. Современные крепи для маломощных пластов

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

Глава 3. Обоснования выбора и расчёта параметров секций крепей

3.1. Основные параметры секций крепей

3.2. Методика выбора и расчёта параметров секций крепей

3.3. Рекомендации по применению крепей с выбранными параметрами 100 секций

Выводы по 3-ей главе

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

4.1. Взаимодействие секций крепи с забойным конвейером

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

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

Выводы по 4-ой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование и выбор параметров секций механизированной крепи для усложнённых условий пологих пластов мощностью 1,0-2,5 м»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научное значение работы заключается

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Титов, Илья Владимирович

Выводы по 4-ой главе

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

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

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

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

Заключение

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

Выполненные исследования позволили получить следующие результаты и сделать выводы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Титов, Илья Владимирович, 2011 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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