Обоснование параметров технологии очистных работ на тонких пластах с использованием механизированных щитовых крепей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, кандидат технических наук Голод, Вадим Аркадьевич

• Голод, Вадим Аркадьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Голод, Вадим Аркадьевич

Введение.

1. Состояние вопроса, цель, задачи и методы исследований

1.1. Анализ производственного опыта, тенденций и направлений совершенствования технологий очистных работ на шахтах Восточного Донбасса.

1.2. Оценка степени изученности вопроса исследований

1.3. Цель, задачи и методы исследований.

Выводы.

2. Исследование эксплуатационных характеристик комплексно-механизированной технологии очистных работ на тонких пластах.

2.1. Общие положения оценки эксплуатационной надежности функционирования комплексно-механизированных очистных забоев

2.2. Исследование влияния комплекса факторов на уровень эксплуатационной надежности.

Выводы.

3. Теоретические исследования комплексно-механизированной техш нологии очистных работ на тонких пластах.

Ф 3.1. Разработка расчетной схемы нагружения линейных секций механизированных щитовых крепей для тонких пластов.

3.2. Теоретические аспекты обоснования конструктивной податливости механизированных крепей щитового типа.

3.3. Теоретическое обоснование режимов силового взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами.

Выводы.

4. Рекомендации по практической реализации и технико-экономическая оценка результатов исследований.

4.1. Разработка рекомендаций по совершенствованию механизированных крепей для эффективной отработки запасов тонких угольных пластов.

4.2. Разработка предложений по повышению эффективности функционирования очистных механизированных комбайновых комплексов при отработке запасов выемочных столбов по восстанию пластов.

4.3. Оценка целесообразности комплексно-механизированной отработки запасов тонких пластов без присечки боковых пород.

4.4. Разработка рекомендаций по повышению технического уровня и эффективности очистных работ на тонких угольных пластах.

4.5. Оценка эффективности технологических схем очистных работ на тонких пологих пластах.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров технологии очистных работ на тонких пластах с использованием механизированных щитовых крепей»

Одним из положительных результатов реформирования угольной отрасли российской части Донбасса является резкое сокращение числа очистных забоев, связанных, прежде всего, с ликвидацией особо убыточных и нерентабельных шахт. Более того, при сокращении числа угледобывающих предприятий с 47 (1990 г.) до 20 (2000 г.) и среднедействующего количества лав со 165,1 до 34,5 (соответственно на 57 и 79 %) нагрузка на лаву по остающимся в эксплуатации шахтам возросла в среднем по региону на 58 %.

В то же время анализ показывает, что основной прирост добычи имеет место на шахтах, разрабатывающих пласты средней мощности ("Алмазная", им. 50 лет Октября ОАО "Гуковуголь", "Садкинская" ООО "Компания "Ростовуголь" и др.). Что касается шахт, разрабатывающих тонкие пласты, то специфика горно-геологических условий залегания последних и ограниченное призабойное пространство очистных забоев не позволили получить сколько-нибудь заметных приростов в добыче из очистных забоев.

Это обстоятельство и предопределило тенденции и направления повышения технического уровня очистных работ на тонких пластах, что всегда было сопряжено со значительными трудностями из-за отсутствия работоспособных аналогов технических решений в отечественной и мировой практике.

Анализ же опыта технического перевооружения в области комплексной механизации угледобычи на тонких пластах свидетельствует о том, что ни на одном этапе не удалось достичь заметного роста показателей эффективности работы очистных забоев. Во многом это связано с тем, что конструктивная, силовая и кинематическая системы применяемых механизированных крепей не учитывают в должной мере специфику проявлений геомеханических процессов в осложненных условий отработки запасов тонких пластов, что затрудняет формирование прогрессивных тех-» нологических схем очистных работ и не обеспечивает возможности выхода на высокий уровень использования ресурсного потенциала комплексов оборудования.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно утверждать об актуальности научных исследований, направленных на обоснование технических и технологических решений по повышению эксплуатационной производительности очистных забоев, оборудованных комплексами на базе щитовых механизированных крепей.

Целыо диссертации является установление закономерностей силового взаимодействия линейных секций механизированных щитовых крепей с боковыми породами и изменения надежности их эксплуатации для обоснования рациональных параметров интенсивной технологии очистных работ, обеспечивающих эффективную отработку запасов тонких антрацитовых пластов.

Основная идея работы заключается в системном подходе к обеспечению адаптивности функциональных элементов очистного механизированного комплекса при осложнении горно-геологических условий отработки запасов тонких антрацитовых пластов посредством реализации адресно-ориентированных изменений силовых режимов взаимодействия линейных секций крепи с боковыми породами и параметров технологии выполнения рабочих процессов в лаве.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Адаптация механизированных крепей высокого технического уровня к осложнениям условий отработки тонких пологих антрацитовых пластов, обеспечивается за счет обоснованного изменения ширины поддерживаемого рабочего пространства, шага установки секций крепи, пространственной ориентации опорных элементов и шарнирного четырех-звенника.

2. Силовые параметры механизированной крепи для тонких пологих антрацитовых пластов должны определяться по условию эффективного поддержания толщи пород непосредственной кровли в режиме начального распора, а в режиме рабочего сопротивления при запасе конструктивной податливости гидравлических стоек, превышающем величину прогиба не-разрушаемой кровли.

3. Снижение величины опускания непосредственной кровли по линии ее обрушения в выработанном пространстве (за посадочным рядом стоек) может быть обеспечено при переходе на однорядные секции механизированных крепей щитового типа, позволяющие уменьшить пролет поддерживаемого рабочего пространства лавы.

4. При отработке запасов тонких антрацитовых пластов технологическая схема очистных работ с зачисткой почвы лавы имеет более высокий ранг предпочтения по сравнению со схемой, ориентированной на чел-ноковую работу комбайна по критерию минимума затрат времени на выполнение концевых операций.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- достаточным объемом геолого-маркшейдерской и статистической информации о работе комплексно-механизированных очистных забоев шахт Восточного Донбасса (184 очистных забоев 12 шахт);

- проведением экспериментальных исследований эксплуатационной надежностью комплексно-механизированных очистных забоев по апробированным методикам с использованием современного инструментария;

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований механизма силового взаимодействия секций механизированной крепи щитового типа с данными практики отработки запасов тонких пологих пластов;

- положительным опытом внедрения рекомендаций автора по совершенствованию технологической схемы выемки угля на шахтах "Октябрьская" (лава № 131) и "Западная" (лава № 210) ООО "Компания "Ростовуголь".

Значение работы. Научное значение работы состоит в установлении закономерностей силового взаимодействия механизированных крепей щитового типа с боковыми породами и надежности их эксплуатации, которые могут быть использованы при обосновании крепей параметров технологий и режимов ведения очистных работ на тонких пологих угольных пластах.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций: по конструктивному совершенствованию механизированных крепей для отработки запасов тонких пологих антрацитовых пластов; по повышению эффективности применения технологических схем очистных работ на тонких пластах с использованием механизированных комбайновых комплексов; по экономическому стимулированию отработки запасов тонких пластов без присечки боковых пород.

Реализация работы. Предложенная система мультипликации начального распора секций механизированной крепи принята ШахтНИУИ при создании нового механизированного стругового комплекса МКС2.

Технологическая схема выемки угля комбайном с зачисткой почвы в разных направлениях в зависимости от состояния концевого участка лавы внедрена при разработке паспортов выемочных участков шахт "Октябрьская" (лава № 131) и "Западная" (лава № 210).

По предложенной автором методике для всех очистных забоев шахт ООО "Компания "Ростовуголь" установлены минимальные значения вынимаемой мощности пластов, обеспечившие снижение зольности угля и повышение уровня эффективности функционирования горных предприятий.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований докладывались и получили одобрение на заседаниях Президиума Южно-Российского отделения Академии горных наук (Шахты, 2003), заседаниях технического совета ООО "Компания "Ростовуголь" (Шахты, 2002-2003), научно-технических конференциях Шахтинского института Южно-Российского технического университета (Новочеркасского политехнического института) (Шахты, 2002-2003), научном семинаре кафедры "Подземная разработка пластовых месторождений" Московского государственного горного университета (Москва, 2004).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных работ.

Автор диссертации выражает глубокую благодарность за ценные методические рекомендации при выполнении исследований проф., д.т.н. Матвееву В.А., проф., д.т.н. Посыльному И.Д., проф., к.т.н. Мелькову А.Д. и доц., к.т.н. Феоктистову В.М., а также к.т.н. Шляферу JI.IO., горн. инж. Леонову A.A. и Кузнецову А.И. - за большую помощь при проведении экспериментов в производственных условиях и внедрении их результатов на шахтах Восточного Донбасса.

Заключение диссертации по теме «Геотехнология(подземная, открытая и строительная)», Голод, Вадим Аркадьевич

ВЫВОДЫ

1. Определяющим условием надежной работы очистных механизированных комплексов является функционирование секций крепей с параметрами, обеспечивающими устойчивое поддержание кровли в призабой-ном пространстве за счет равномерного распределения передаваемых ими усилий по длине и ширине поддерживаемого участка кровли 1 в" движущемся очистном забое.

Главным фактором, влияющим на состояние кровли является создание усилий в гидравлических стойках крепи номинального рабочего сопротивления в течение всего периода выполнения выемочного цикла, а также уменьшение площади обнажения кровли при разгрузке секций при ее передвижке, улучшении кинематических связей между основанием и перекрытием, отказ от применения оградительных частей большой площади.

2. После передвижки секций крепей (всех типов) около 90 % стоек в режиме податливого опускания не выходят на уровень рабочего сопротивления в течение времени выполнения работ по выемке угля, уменьшая подпор нижних слоев непосредственной кровли с образованием вывалов и заколов пород в поддерживаемом пространстве. |

3. Гарантированное поддержание высокого сопротивления секций крепи и равномерное распределение его по длине и площади поддерживаемого пространства предлагается обеспечивать за счет оснащения секций автономными устройствами мультипликации давления начального распора вплоть до рабочего сопротивления силовых гидравлических стоек. Стоимость лавокомплекта таких устройств (длина очистного забоя 200 м) по данным расчетов завода-изготовителя (Каменский машзавод) не превышает 1 % стоимости всей крепи.

Система мультипликации начального распора по предложенному автором варианту принята ООО ШахтНИУИ при создании нового стругового механизированного комплекса МКС2, одобрена и принята для дальнейшей реализации Каменским машзаводом.

4. Обеспечение эффективной работы механизированного комплекса I при отработке выемочных столбов по восстанию с углами падения пластов 10° и более связано с необходимостью выравнивания рештачного става базового конвейера, предусматривающего горизонтальное его расположение, что требует создание специальных механических и гидравлических систем, которые предложены и апробированы автором в шахтных условиях (ш. "Октябрьская"). Диагональное расположение линии очистного фронта работ не позволяет уменьшить угол падения пласта и только осложняет технологию угледобычи по хорошо известным причинам (разворот секций крепи, уход комплекса вверх по лаве, осложнение работ на концевых участках и т.д.). !

5. Предложен и разработан новый метод планирования;и нормирования труда по площади очистной выемки, а не по объему добытой горной массы, что позволяет стимулировать ведение очистных работ в условиях тонких пластов без присечек боковых пород. При этом резко улучшается качество добываемого антрацита по сортности и зольности, снижаются энергоемкость процесса угледобычи, нагрузки на комбайн, увеличивается скорость подачи, а следовательно, и его производительность, значительно повышаются надежность и долговечность (срок службы шнеков увеличивается в 3-5 раз) выемочной и транспортной техники.

6. Разработана и внедрена в производство методика расчета минимальной мощности пласта, при которой возможны работа механизированного комплекса без присечек боковых пород, объективная оценка выбора типа и типоразмера комплекса, а также экономическая целесообразность и I технико-технологические условия его применения.

7. Разработаны рекомендации по совершенствованию технического уровня механизированного комплекса в целом и его комплектующих по выемочной машине, базовому конвейеру, механизированной Ьрепи, предусматривающие перспективные конструктивные, силовые и режимные параметры машин. Сформулированы направления проведения научноI исследовательских и конструкторских работ по созданию новых комбайнов с высокой производительностью, энерговооруженностью, надежно ! стью и долговечностью, а также механизированных крепей с рекомендуемыми рабочими параметрами по конструктивным и силовым характеристикам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изучены научно обоснованные технические и технологические разработки по повышению эффективности технологии очистных работ на тонких угольных пластах с использованием щитовых механизированных крепей, имеющие существенное значение для угольной промышленности России. |

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем: |

1. Анализ отечественного опыта на всех этапах создания и внедрения очистных механизированных комплексов показал, что положительная динамика эффективности их применения наблюдается в основном при отработке запасов средней мощности и мощных угольных пластов. В то же время комплексы даже третьего поколения эксплуатирующиеся на тонких (менее 1,2-1,3 м) пластах, не обеспечили ожидаемый рост нагрузок на очистные забои и производительности труда.

2. В результате исследований установлено, что "невыход" механизированных комплексов для отработки запасов тонких угольных пластов, в частности 1МКД90, на уровень заложенных в них заводских технических характеристик во многом обусловлено неучетом специфики отработки за! пасов тонких пластов и отсутствием научно обоснованной взаимоувязки технологическими параметрами функциональных элементов комплексов.

3. На основании результатов экспериментальных исследований в очистных забоях шахт Восточного Донбасса выявлены изменения механизма силового взаимодействия секций крепи и ее состояния в призабой-ном пространстве лавы в зависимости от усилий начального распора секций, их жесткого размера и величины податливости гидростоек. Установлено, что 90 % линейных секций крепи не достигает номинального рабочего сопротивления в течение всего выемочного цикла даже в условиях тяжелых кровель (шахта "Юбилейная").

4. Тяжелые щитовые агрегатированные крепи с оградительной частью не рекомендуется применять при отработке запасов тонких угольных пластов из-за большой ширины поддерживаемого пространства и невозможностью конструктивного исполнения работоспособной системы связи I четырехзвенника с элементом ограждения под необходимым!углом (> 14°) с перекрытием в сложенном состоянии. Оградительная часть;секции крепи длиной около 1,5 м выполняет в таком положении функции основного перекрытия, что приводит к значительному нагружению всей секции.

5. Предложена методика оценки работоспособности механизированной крепи на основе изучения состояния нижних слоев кровли пласта по I интенсивности сдвижений пород на поддерживаемом пространстве, наличию вывалов и заколов, величине податливости силовых элементов секций и соответствия ее величине опускания кровли по посадочному ряду гидростоек во время выполнения выемочного цикла, а также способности крепи воспринимать нагрузки со стороны кровли в режимах снятия давления, пеI редвижки и распора секции.

6. На основании теоретических исследований доказано, что посадка секций крепи "нажестко" практически не является следствием недостаточности ее сопротивления при любых классах кровли по устойчивости и управляемости, а наличие такого рода негативных случаев связано с необоснованностью выбора типоразмеров крепи по действующим инструктивным документам, требующим своего пересмотра.

7. Разработана методика обоснования конструктивной податливости I секций механизированных крепей щитового типа. Показано,: что основная кровля "задает" значения величины опускания непосредственной кровли и ее контактный профиль, который не является плоским. |

8. Осуществлено теоретическое обоснование режимов рациональноI го силового взаимодействия секций механизированной крепи с боковыми породами. Обоснованы и реализованы рекомендации по использованию эффективных регуляторов режимов надежного и безопасного функционирования системы "крепь-боковые породы" в течение всего цикла работ в очистном забое.

9. Разработаны предложения по повышению эффективности функционирования очистных механизированных комплексов при отработке запасов тонких пластов по восстанию. Выполнена оценка целесообразности комплексно-механизированной отработки запасов тонких угольных пластов без присечки боковых пород.

10. Разработаны рекомендации по повышению эффективности очиI стных работ на тонких угольных пластах и осуществлена ее оценка применительно к условиям антрацитовых шахт Восточного Донбасса.