Обоснование и выбор силовых и конструктивных параметров одностоечной секции механизированной крепи для крутых пластов средней мощности

Перспективным планом развития народного хозяйства страны предусматривается довести добычу угля по Кузнецкому бассейну к 1985 г. до 200−212 млн. т, в том числе угля для коксования до 86−92 млн. т и увеличить производительность труда на 17−18 $ за счет комплексной механизации очистных работ. В перспективе к 1995;2000 г. планируется довести добычу по баэсейну до 500 млн. т, из них около 300 млн. т угля для коксования.

Особое внимание при этом уделяется разработке крутых (свыше 35°) пластов средней мощности (1,8 — 3,5 м), содержащих в основном ценные коксующиеся угли. Если в настоящее время в общем объеме добычи угля подземным способом доля пластов с углами падения более 35° составляет около 15% (52−54 млн.т.), то в 1985 г. в Кузбассе планируется добывать только из крутых пластов средней мощности около 18,5 млн. т [i].

Исследованиями КузНИУИ и ВНИМИ установлено, что в крутых пластах средней мощности Кузбасса сосредоточено 78 млн. т угля пригодных для отработки комплексами с механизированными крепями. Однако комплексную механизацию имеют только около 8%> забоев. Основные системы разработки — длинные столбы по цростиранию с обрушением кровли на деревянную органную крепь и столбы по падению с применением щитовых перекрытий различных конструкций—характеризуются высокой трудоемкостью работ и низкими технико-экономическими показателями в сравнении с аналогичными показателями цри разработке пластов пологого падения (производительность труда в 1,5 -1,8 раза ниже, а себестоимость угля в 1,5−2 раза выше). Применение агрегата I АЩМ не дает значительного экономического эффекта из-за частых перемонтажей, обусловленных малой (100—110 м) высотой этажа.

Наиболее перспективным и экономически целесообразным направлением при совершенствовании технологии отработки крутых пластов является создание механизированных крепей, работающих по простиранию [2,3]. Из существующих в СССР механизированных крепей такого типа применению в специфических условиях залегания угольных пластов в Кузбассе более всего соответствует агрегат АК-3 и комплекс типа КПК. Однако на пластах с мелкоамплитудными нарушениями и твердыми включениями применение агрегата АК-3 затруднено.

Недостаточная изученность сложных и специфических процессов взаимодействия системы «крепь-породы», большое разнообразие горно-геологических условий и недостаточность учета этих условий в существующих методах расчета в значительной мере объясняют различие силовых и конструктивных параметров существующих механизированных крепей. Поэтому исследования, посвященные созданию и совершенствованию механизированной крепи для отработки крутых пластов средней мощности Кузнецкого бассейна, являются актуальными как в научном, так и в практическом плане.

Цель работы — выбор кинематической схемы и обоснование силовых и конструктивных параметров одностоечной секции механизированной крепи оградительно-поддерживающего типа,^предназначенной для отработки пластов средней мощности столбами по простиранию, на базе изучения и анализа ее деформационно-силового и контактного взаимодействия с боковыми и обрушенными породами. уДалее в работе, для краткости, именуемой механизированной щитовой крепью, что соответствует последним тенденциям уточнения горной терминологии.

Идея работы заключается в выявлении особенностей взаимодействия механизированной крепи с боковыми и обрушенными породами и в принятии основных характеристик взаимодействия в качестве отправных параметров при компоновке кинематики и модернизации секции крепи.

Задачи исследований:

— обоснование рациональной кинематической схемы механизированной крепи для крутых пластов Кузнецкого бассейна;

— установление качественных и количественных характеристик нагрузок на перекрытие и завальное ограждение секции крепи цри ее взаимодействии с боковыми и обрушенными породами;

— выявление процессов взаимодействия перекрытия и ограждения с боковыми и обрушенными породами при реальных схемах наг-ружения и определение зависимостей реакций в элементах направляющего механизма от вынимаемой мощности, схем нагружения ограждения и «точечного» контакта перекрытия с кровлей пласта;

— определение рациональных силовых и геометрических параметров одностоечной секции с шестизвенным направляющим механизмом.

Методика исследований цредусматривала детальное изучение характера взаимодействия секций крепи с боковыми и обрушенными породами, условий формирования и величин внешних нагрузок на перекрытия и ограждения секций, а также способов реализации полученных данных в конкретных расчетных схемах и приемах компоновки кинематики секции крепи и ее конструктивного совершенствования. В соответствии с этим выполнялись:

— шахтные исследования характера разрушения кровли над крепью и в зонах сопряжений забоя со штреками, сдвижения кровли, движения обрушенных пород за крепью, реакций гидроопор и их просадок, нагрузок на перекрытия и ограждения секций крепи;

— лабораторные и стендовые исследования на натурных образцах силовых и кинематических характеристик в звеньях и связях секций крепи при различных схемах нагружения и контактирования с боковыми породами;

— теоретические исследования характеристик контактного взаимодействия с боковыми и обрушенными породами, схем компоновки кинематики секций и ее деформационно-силовых параметров.

Теоретические исследования и обработка экспериментальных данных методами математической статистики цроведены с помощью ЭВЦМ. Оценка эффективности разработанных рекомендаций и технологических решений выполнена на основе технико-экономического анализа.

Научные положения, защищаемые автором:

— максимальные значения реакций в элементах шестизвенного направляющего механизма и опор секции крепи зависят от расположения точек контактирования перекрытия с кровлей и могут превосходить величины реакции цри полном контакте в несколько раз, например, в крепи типа КПК в 2,5−15 раз ;

— при примерном равенстве длин основной плиты перекрытия и его активного (консольного) козырька рациональным распределением их рабочего сопротивления соответственно является 70% и 30% всей несущей способности секции при расположении гидроопоры с соотношением плеч основной плиты 6:5 в направлении завала ;

— цри разных схемах нагружения ограждения обрушенными породами в элементах ограждения возникают реакции, максимальные значения которых в крепи типа КПК изменяются от 1,6 величины удельного давления обрушенных пород при сжатии до 3,6 этого значения при растяжении соответствующих элементов;

— кинематическая схема секции одностоечной щитовой крепи с направляющим шестизвенным механизмом обеспечивает параллельность перемещения перекрытия боковым породам при изменении высоты секции, жесткость и продольную устойчивость секции относительно основания при слабой кровле и передачу двигательного усилия от основания к перекрытию без расклинивания секции цри передвижении с подпором кровли, уменьшение реакций в кинематических парах секции и возможность использования пространства между звеньями механизма для прохода людей;

— способ определения основных геометрических, конструктивных и силовых параметров секции крепи, основанный на методе проекций, позволяет свести расчеты секций одностоечных щитовых крепей к однотипным блок-схемам, дает наглядность и простоту анализа.

Достоверность научных положений подтверждается:

— обоснованным объемом экспериментальных исследований в лабораторных и шахтных условиях с использованием современных средств измерений ;

— сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований в пределах 85−90%;

— успешными лабораторными и шахтными (на шахтах «Краснока-менская», «Зенковская», им. Дзержинского п/о «Прокопьевскуголь») испытаниями крепей типа КПК по мере их создания и совершенствования в 1970;1980 гг. в пяти лавах при отработке пластов мощностью 1,8 — 2,4 м с углом падения до 72°.

Научная новизна работы заключается:

— в экспериментальном установлении количественных и качественных характеристик нагрузок на перекрытие и ограждение одностоечной секции крепи при ее взаимодействии с боковыми и обрушенными породами на крутых пластах средней мощности столбами по простиранию;

— в разработке нового способа силового расчета, теоретическом определении и экспериментальном подтверждении зависимостей реакций в звеньях и связях секции крепи от вынимаемой мощности и различных схем нагружения при ее взаимодействии с боковыми и обрушенными породами;

— в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении правильности выбора силовых и конструктивных параметров одностоечнойсекции крепи для крутых пластов средней мощности столбами по простиранию.

Личный вклад автора в получении научных результатов состоит:

— в выявлении механизма взаимодействия механизированной щитовой крепи с боковыми и обрушенными породами;

— в установлении качественных и количественных характеристик нагрузок на перекрытие и завальное ограждение секции крепи при ее взаимодействии с боковыми и обрушенными породами;

— в разработке силового расчета и определении зависимостей реакций в элементах направляющего механизма секции крепи от вынимаемой мощности, различных схем нагружения и «точечного» контакта перекрытия с кровлей пласта;

— в обосновании рациональных силовых и геометрических параметров секции крепи КПК-I и КПК-1М.

Практическая ценность работы:

— полученные автором уточненные максимальные значения нагрузок и характер их распределения на крепь позволяют принять их за основу для расчета механизированных крепей для крутых пластов.

Кузбасса мощностью до 2,5 м и, в частности, крепей, перекрытия которых состоят из основной плиты и активного козырька;

— выявленные схемы нагружения ограждения, определенные значения нагрузок и установленный характер их распределения на ограждения позволяют принять их за основу для расчета крепей для крутых пластов средней мощности;

— установленные значения реакций в звеньях и связях шести-звенного направляющего механизма от вынимаемой мощности пласта при разных схемах взаимодействия секции с боковыми и обрушенными породами позволяют принять их для расчета прочности звеньев секций механизированных крепей;

— обоснованная кинематическая схема одностоечной секции агрегатной механизированной щитовой крепи для крутых пластов средней мощности и определенные ее рациональные геометрические и силовые параметры позволили осуществить модернизацию крепи КПК-1М.

Реализация работы. Результаты исследований и щахтных испытаний использованы для обоснования рациональной кинематической схемы агрегатной механизированной щитовой крепи при разработке ТЭТ на комплекс оборудования для выемки угля столбами по простиранию на пластах мощностью 1,8−3,5 м с углами падения более 35° и ТЗ на первый типоразмер этого комплекса на мощность 1,8−2,4 м. ТЗ утверждено Минуглепромом СССР. Рекомендации автора по совершенствованию секции крепи нашли применение при разработке рабочих чертежей на установочную партию комплекса КПК-1 и опытный образец модернизированного комплекса КПК-1М,.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные положения рассматривались, обсуждались и получили одобрение научно-технического совета института КузНИУИ (г.Прокопьевск 1982 г., 1983 г.), XXI регионального научно-координационного совещания «Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами» (г.Новосибирск, 1980 г.), Ш Всесоюзного семинара «Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами» (г.Новосибирск, 1982 г.), НТС отдела разработки крутых пластов средней мощности КузНИУИ (г.Прокопьевск, 1982 г.), семинаров отделения комплексной механизации выемки крутых пластов ИГД им. А.А.Ско-чинского (Москва, 1981 г.) и Института горного дела СО АН СССР (г.Новосибирск, 1983 г., 1984 г.).

Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 13 статей в научных изданиях. Результаты исследований изложены в 7 научных отчетах, ТЭТ на комплекс оборудования для выемки угля столбами по простиранию на пластах мощностью 1,8−3,5 м с углами падения более 35°, ТЗ на первый типоразмер этого комплекса на мощность 1,8 — 2,4 м и протоколах приемочных испытаний.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и содержит 126 страниц машинописного текста, 46 рисунков, II таблиц, список литературы из 108 наименований и 3 приложения.

Выводы.

1. При примерном равенстве длин основной плиты перекрытия и его активного козырька рациональным распределением их рабочего сопротивления соответственно является 70 и 30% всей несущей способности секции при расположении гидроопоры с соотношением плеч основной плиты 6:5 в направлении завала.

2. В местах нарушений вывалы пород кровли образуются в 75% случаев над тыльной частью перекрытия за стойкой, в 17% в передней части перекрытия перед стойкой и в 8% - над козырьком. Полный контакт перекрытия с кровлей является весьма редким, частным случаем контактирования, при котором реакции в элементах крепи минимальны. «Точечный» контакт забойной или завальной основных частей перекрытия на равных расстояниях от места установки гидростойки обуславливает реакции в элементах перекрытия равные по величине и обратные по направлению.

3. Величины реакций, возникающих в элементах оградительного щита секции от действия обрушенных пород зависят от вынимаемой мощности пласта и схем нагружения. Максимальные значения реакций в элементах ограждения секции крепи К1Ж-1 изменяются от 1,6 величины удельного давления обрушенных пород при сжатии (при т =1,75 м) до 3,6 этого значения при растяжении (при /77 =2,5 м) соответствующих элементов.

4. Критериями оценки технического уровня секций являются автоматическое сохранение постоянного зазора между перекрытием и линией забоя во всем диапазоне раздвижности секции, параллельность перемещения перекрытия основанию и контактирование его с кровлей пласта, необходимый наклон завального ограждения и оптимальное распределение усилий в элементах шестизвенного механизма.

5. Способ определения основных геометрических, конструктивных и силовых параметров секции крепи, основанный на методе проекций, позволяет свести расчеты секций одностоечных щитовых крепей к однотипным блок-схемам, дает наглядность и простоту анализа.

6. Основным параметром шестизвенного направляющего механизма, влияющим на трактории перемещения перекрытия цри изменении высоты секции, является длина нижнего щита. Увеличение ее в крепи КПК-1М в 1,2 раза привело к уменьшению вертикального и горизонтального перемещения перекрытия соответственно в 1,7 и 2 раза, что уменьшило реакции в элементах направляющего механизма в 2 раза.

7. Начальный распор должен задаваться с учетом конкретных горно-геологических условий, при этом его величина для крепей крутого падения средней мощности должна соответствовать 0,5−0,8 величины рабочего сопротивления. Постоянство получения этой величины по всем секциям наиболее полно реализуется автоматически с помощью известных регулирующих устройств.

8. Компоновка кинематики и модернизация секции крепи КПК-IM, обеспечивают экономический эффект в сумме 140 тыс. руб. в год на I комплект крепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи — выбор кинематической схемы и обоснование силовых и конструктивных параметров одностоечной секции механизированной крепи для отработки крутых пластов средней мощности столбами по простиранию, на базе изучения и анализа ее деформационно—силового и контактного взаимодействия с боковыми и обрушенными породами.

Выполненные в работе исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Создание и совершенствование механизированных крепей нового технического уровня, обеспечивающих высокоэффективную и безопасную выемку крутых пластов средней мощности Кузбасса, возможно путем исследования деформационно-силовых и кинематических характеристик системы «крепь-породы» и определения на этой основе рациональных конструктивных и силовых параметров механизированных крепей. Решение данной научной задачи охватывает исследования кинематической схемы крепи, характера разрушения кровли, движения обрушенных пород за крепью, механизма взаимодействия крепи с боковыми и обрушенными породами, величин и характера внешних нагрузок на перекрытие и ограждение, формирования и зависимостей реакций в элементах секции от величин внешних нагрузок, мощности пласта, схем нагружения, кинематических характеристик секции крепи.

2. Рациональность обоснованной и разработанной кинематической схемы одностоечной секции для крутых пластов средней мощности заключается в том, что в ее основу впервые заложен шестизвенный направляющий механизм, обеспечивающий параллельность перемещения перекрытия боковым породам и автоматическое сохранение постоянного зазора между перекрытием и линией забоя при изменении высоты секции, жесткость и продольную устойчивость секции относительно основания при слабой кровле и передачу двигательного усилия от основания к перекрытию без расклинивания секции при передвижении с подпором кровли, необходимый наклон завального ограждения, уменьшение реакций в звеньях и связях шестизвенника по сравнению с четырехзвенным механизмом и возможность использования пространства между звеньями механизма для прохода людей.

3. Неравномерность нагрузок на поддерживающие и оградительные элементы крепей крутого падения мощностью 1,75−2,5 м по простиранию обусловлена расположением секций по длине лавы, цри этом максимальные нагрузки отмечены в верхней трети лавы.

Установлены величины нагрузок на перекрытие: нагрузки на всю р поддерживаемую площадь перекрытия не превышают 170−200 кН/м, р, а нагрузки на основную плиту — 250−300 кН/м. Начальный распор является достаточным в пределах 0,5−0,8 рабочего сопротивления основной плиты перекрытия. Максимальные нагрузки на ограждения р секций не превышают 100 кН/м, коэффициент динамичности нагружения — 2,4.

4. Контактирование перекрытий с кровлей пласта наблюдалось по трем схемам, при этом в местах нарушений вывалы пород кровли в 75% случаев образовывались над тыльной частью перекрытия за стойкой, в 17% - в передней части перекрытия перед стойкой и в 8% - над козырьком, что вызывало «точечный» контакт. При этом установлена зависимость реакций в элементах направляющего механизма от вынимаемой мощности пласта при фиксированном значении координаты точки контакта и от расположения точек контактирования по длине перекрытия. Установлено, что при точечных контактах реакции возрастают в несколько раз, например, в крепи типа КПК они могут превосходить в 2,5−15 раз величины реакций при полном контакте, что требует соответствующей прочности элементов секции.

5. Условием рационального качественного распределения сопротивления по перекрытию является состояние, когда 70% всей несущей способности гидростойки приходятся на основную плиту, 30% - на активный козырек, причем около 2% - на его забойную кромку. Такому условию соответствует примерное равенство длин основной плиты и козырька при расположении гидроопоры с соотношением плеч основной плиты 6:5 в направлении завала и поджим козырька к кровле гидродомкратом с усилием 0,6 Рст, что увеличивает на 44% вероятность его контактирования с кровлей по сравнению с пружинным подпором, а площадь контактирования — на 23%.

6. Нагружение завального ограждения рассмотрено по семи схемам. Величины реакций, возникающих в элементах ограждения секции от действия обрушенных пород зависят от вынимаемой мощности пласта и расположения секций по длине лавы. В крепи типа КПК реакции изменяются в диапазоне от 1,6 величины удельного давления обрушенных пород при сжатии (при гтг = 1,75 м) до 3,6 этого значения при растяжении (при т = 2,5 м) соответствующих элементов.

7. Реакции в элементах секции зависят от ее кинематических характеристик, при этом основным параметром шестизвенного направляющего механизма, влияющим на траектории перемещения перекрытия при изменении высоты секции, является длина нижнего щита. Увеличение в 1,2 раза ее в крепи КПК-1М привело к уменьшению в 1,7 и 2 раза вертикального и горизонтального перемещения перекрытия соответственно, что уменьшило в 2 раза реакции в звеньях и связях направляющего механизма от изменения мощности пласта цри взаимодействии секции с боковыми и обрушенными породами.

8. Результаты исследований использованы цри разработке технико-экономических требований на комплекс оборудования для выемки угля столбами по простиранию на пластах мощностью 1,83,5 м с углами падения более 35° и технического задания на первый типоразмер этого комплекса на мощность 1,8−2,4 м. ТЗ утверждено Минуглепромом СССР. Рекомендации по совершенствованию секции крепи нашли применение при разработке рабочих чертежей на установочную партию комплекса КЛК-1 и опытный образец модернизированного комплекса КЛК-1М.

9. Разработанные рекомендации и технологические решения, позволившие осуществить компоновку кинематики и модернизацию секции крепи КПК-IM, обеспечивают экономический эффект в сумме 140 тыс. руб. в год на I комплект крепи.