Обоснование параметров и создание средств защиты гидростоек механизированных крепей от резких осадок кровли

Актуальность работы. Значительная часть угольных пластов Кузбасса характеризуется наличием в кровле труднообрушаемых пород. В настоящее время из общего объема промышленных запасов угля около 50% приходится на долю таких пластов. Отработка данных пластов осуществляется системами с полным обрушением кровли, с использованием отечественных механизированных комплексов.

Выемка пластов сопровождается крупноблочным обрушением кровли с резкими осадками пород, что вызывает появление нагрузок на крепь динамического характера и приводит к поломкам элементов крепи и простоям очистного забоя. Чаще всего деформируются непосредственно гидростойки, основания и перекрытия секций крепи. Нагрузка на очистной забой на участках с труднообрушаемой кровлей снижается на 40% и более по сравнению с нагрузкой в нормальных условиях.

В целях снижения вредного влияния резких осадок кровли на эффективность применения механизированных крепей научно-исследовательские работы ведутся по следующим основным направлениям: совершенствуются способы и средства разупрочнения кровлиповышаются величины начального распора и рабочего сопротивления крепей, разрабатываются эффективные способы и средства обеспечения податливости гидростоек крепи при номинальном сопротивлении в момент резких осадок кровли.

Применяется и искусственное разупрочнение кровли- «торпедирование», гидрообработка и их сочетание, что снижает интенсивность обрушения кровли и аварийность крепи, однако способы являются трудоемкими, дорогостоящими и опасным.

Существующее направление по созданию крепей с высокими силовыми параметрами следует считать одним из основных в повышении эффективности отработки пластов с труднообрушаемыми кровлями. Однако создание крепей с.

9 О рабочим сопротивлением до 1300 кН/м и начальным распором до 580 кН/м 6 не исключает появления резких обрушений пород кровли, деформацию элементов крепи при динамических нагрузках и требуют создания средств защиты механизированных крепей от резких осадок кровли. Обеспечение податливости гидростоек крепи в моменты резких осадок кровли предлагается обеспечивать различными способами:

— применением аккумуляторов в сочетании с предохранительными клапанами, а также амортизирующих проставок, установкой разрушаемых предохранительных элементов и других устройствприменением предохранительных клапанов высокого расхода. В настоящее время развитие средств защиты крепей пошло по пути обеспечения возможности просадки гидростоек с большой скоростью за счет выброса части рабочей жидкости из стойки в течение действия резкой осадки кровли.

Силовые параметры механизированных крепей возросли в 5−6 раз, пропускная способность предохранительных клапанов в 7−10 раз. Соответственно увеличилась прочность металлоконструкций крепей. Однако при резких осадках труднообрушаемых пород продолжаются поломки элементов крепи и аварийные простои забоев. Поэтому создание болыперасходных и быстродействующих клапанных устройств гидростоек, обеспечивающих защиту механизированных крепей от предельных нагрузок возникающих при резких осадках кровли является актуальной задачей.

Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ ОАО «КузНИУИ»: 592 565 000 «Повысить надежность работы гидроэлементов механизированной крепи при отработке пластов с труднообру-шаемой кровлей» .

592 592 000 «Разработать технические и технологические предложения по эффективной и безопасной технологии отработки пластов, склонных к горным ударам на шахтах Южного Кузбасса" — № 125−97 «Изготовить и провести стендовые и шахтные испытания предохранительного устройства гидростоек от резких осадок кровли». 7.

Цель работы — обосновать параметры и разработать предохранительное устройство для защиты гидростоек механизированных крепей от резких осадок кровли.

Идея работы заключается в установлении количественных характеристик резких осадок труднообрушаемых пород кровли для обоснования параметров предохранительного устройства защиты гидростоек механизированных крепей от резких осадок.

Задачи исследований:

— определить количественные характеристики резких осадок труднообрушаемых пород кровли;

— установить закономерность разрушения труднообрушаемых пород, механизм возникновения резких осадок кровли;

— определить особенности взаимодействия механизированных крепей с труднообрушаемыми породами кровли при различных типах предохранительных клапанов;

— разработать технические требования к предохранительному устройству для защиты гидростоек от резких осадок кровли и обосновать его параметры;

— оценить работоспособность и подтвердить обоснованность параметров предохранительного устройства.

Методы исследований. Применяется комплекс методов, включающий :

— теоретические исследования процессов разрушения пород кровли с использованием основных положений теории хрупкого разрушения;

— лабораторные и стендовые исследования режимов работы предохранительных устройств и серийных клапанов;

— шахтные исследования параметров и характера обрушения подрабатываемых труднообрушаемых пород, взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами;

— аналитические методы описания и раскрытия взаимосвязей параметров физических процессов разрушения пород и формирования резких осадок кровли;

§.

— математические методы обработки результатов наблюдений с использованием основ теории вероятностей и математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту.

— механизм формирования резких осадок кровли определяется склонностью пород к хрупкому разрушению, высокой концентрацией напряжений в максимуме зоны опорного давления и скачкообразным развитием трещины давления в зоне опорного давления;

— появление резких осадок кровли рассматривается как поток случайных событий, описываемый распределением Пуассона с параметром распределения, представляющим собой число резких осадок, приходящихся на 1 м² отработанной площади пласта;

— параметры предохранительного устройства определяются характеристиками резких осадок, из которых основными являются скорость проявления осадки и величина резкой осадки;

— относительный условный проход предохранительного устройства, представляющий собой отношение условного прохода к диаметру поршня гидростойки характеризует защитные качества предохранительного устройства.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается:

— представительными объемами шахтных и лабораторных испытанийотклонение результатов шахтных и лабораторных исследований не превышает 20%- положительными результатами испытаний предохранительных устройств.

Научная новизна работы:

— установлен критерий оценки условий возникновения хрупкого разрушения пород кровли, в качестве которого используется коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, установлены условия, при которых фактический коэффициент интенсивности превышает его критическое значение:

— установлена зависимость степени деформации элементов механизированной крепи при резких осадках кровли от сопротивления крепи- 9.

— установлен закон распределения частоты появления резких осадок кровли и разработан метод прогноза появления резких осадок кровли;

— определены характеристики резких осадок кровли, которые использованы для обоснования параметров средств защиты гидростоек крепей от резких осадок кровли;

— обоснован принцип защиты гидроэлементов механизированной крепи от резких осадок кровли, разработано устройство защиты гидростоек от резких осадок кровли.

Личный вклад автора заключается: в установлении последовательности процесса разрушения трудно-обрушаемых пород кровли на основе положений теории хрупкого разрушенияв установлении зависимости между вероятностью появления резких осадок кровли, способных деформировать. крепь и сопротивлением крепив определении периодичности обрушении труднообрушаемых пород кровли и прогнозировании появления резких осадок кровли. в научном обосновании принципа действия и параметров средств защиты гидростоек от резких осадок кровли;

Практическая ценность работы:

— определены горно-геологические условия, при которых наиболее вероятны резкие осадки кровли;

— определена область эффективного действия серийных предохранительных клапанов при резких осадках кровли;

— разработано предохранительное устройство, обеспечивающее защиту гидростоек механизированных крепей от резких осадок кровли.

Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации разработанные автором, вошли составной частью в нормативно-методические документы:

— «Методические указания по выбору схем и параметров камуфлетного взрывания зарядов при снижении удароопасности пластов» (ОАО «КузНИУИ»);

— «Методические указания по выбору механизированных комплексов для отработки угольных пластов, опасных по горным ударам». (ОАО «КузНИУИ»);

— «Техническое задание на предохранительное устройство ПУ-02−60, (ЗАО шахта «Распадская», ОАО «КузНИУИ»).

Разработанные мероприятия по снижению резких осадок кровли и защите механизированных крепей внедрены на шахтах «Распадская», «Усинская» и ряде других.

Расчетный экономический эффект от внедрения предохранительных устройств в ценах 1990 г составляет около 2700 тыс. руб. на один очистной забой.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались на техническом совете АО УК «Кузнецкуголь» (г. Новокузнецк 1990;1998 гг), на технических советах шахты «Распадская», «Усинская» (1999;2000 гг), на ученом совете ОАО «КузНИУИ» (г. Прокопьевск, 1990;1999 гг), на семинарах КузГТУ (г.Кемерово 1998, 1999, 2000 гг), на IV Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г. Новокузнецк. 1999 г).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка литературы из 80 наименований, изложена на 215 страницах, включая 20 таблиц, 62 рисунка.

4. Результаты исследования параметров резких осадок кровли, параметров гидростоек и предохранительных клапанов явились базой для разработки технических требований к предохранительным устройствам защиты гидростоек от резких осадок кровли. Наиболее важные из них состоят в следующем:

— устройство должно быть болыперасходным и быстродействующим: расход не менее 2500−3000 л/мин, время задержки при открывании 0,7−1 мс, время открывания не более 3,2 мс, время закрытия не более 10 мс, давление настройки на срабатывание в пределах 40−60 МПа, давление закрывания не менее 10% от давления открывания, диаметр условного прохода не мене 30 мм;

— из большого числа технических предложений по защите гидростоек от резких осадок кровли, использующие различные принципы действия, выбраны два наиболее перспективных направления: первое использует для создания средств защиты инерционные принципы действия, второе развивается на основе совершенствования существующих конструкций предохранительных клапанов. Установлено, что предохранительные устройства, использующие инерционный принцип действия позволяют достичь необходимого быстродействия, исключают «забросы» давления в поршневой полости стойки, обеспечивают расход жидкости до 5000 л/мин и более. Однако им присущи следующие недостатки: большая масса, сложность и трудоемкость настройки на нужное давление срабатывания, длительное время закрывания и опасность посадки стоек «нажестко» при срабатывании.

5. Более перспективным является предохранительное устройство, разработанное на основе совершенствования существующих предохранительных клапанов, которое использует принцип сочетания в единой схеме основного рабочего клапана и вспомогательного управляющего клапана. Применение малогабаритного управляющего клапана обеспечивает быстродействие устройства, а золотникового рабочего — большой расход.

Испытания экспериментальных образцов предохранительных устройств на динамическом стенде подтвердили их работоспособность, возможность защиты гидростоек от резких осадок.

Установлено, что устройство исключает «забросы» давления в поршневой полости при резких осадках, превышающие давление срабатывания более чем на 20%. Расход жидкости через устройство при давлении в поршневой полости 30−40 МПа составляет 2250−3000 л/мин, время задержки при срабатывании не превышает 1−1,2 мс, время открывания 3,5 мс, время закрывания 5,4мс. Устройство исключает посадку стоек при срабатывании «нажестко» .

Предохранительное устройство защищено авторским свидетельством на изобретение, на устройство имеется патент РФ, [77].

Применение предохранительных устройств для защиты гидростоек механизированных крепей типа 20КП-70, 4М-130 дает годовой экономический эффект по одному очистному забою 2700 тыс. руб. при сроке окупаемости устройств 8 месяцев [68].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе даны решения актуальной научной задачи по защите гидростоек механизированных крепей от резких осадок кровли, реализация которых повышает эффективность и безопасность отработки угольных пластов с труднообрушаемой кровлей и вносит существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса на угольных шахтах.

Основные научные и практические результаты выполненной работы заключаются в следующем.

1. Установлены закономерности разрушения труднообрушаемых пород кровли и механизм возникновения резких осадок кровли:

— резкие осадки кровли являются случайными величинами, их появление.

— представляет собой простейший Пуассоновский поток. Установлено, что интенсивность потока зависит от мощности пласта и составляет 0,02.

2 2 осадки/м при вынимаемой мощности 3−4,5 м и 0,012 осадки/м при мощности 1,7−2,5 мрезкие осадки возникают в периоды хрупкого разрушения пород и образования заколов в кровлепри проскальзывании, срыве, или развороте сформировавшихся при разрушении пород кровли крупных блоков;

— установлена целесообразность использования для описания процесса хрупкого разрушения силового критерия Ирвина, представляющего собой коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины. Получена математическая зависимость силового критерия Ирвина от шага обрушения, мощности и прочности пород, позволяющая определять фактические значения коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины при отработке пластов. л л л.

ОА.

В лабораторных условиях для характерных пород Южного Кузбасса установлены значения коэффициента интенсивности напряжений, которые рекомендуется принимать как критические;

— энергия, реализуемая гидростойками крепи при смещении блоков, определяется просадкой стойки и величиной ударной нагрузки. Для расчета ударной нагрузки получено математическое выражение, в котором в качестве входных величин используются параметры блока, скорость смещения блока, угол смещения, коэффициент трения пород с крепью и длительность смещения. Устойчивая работа гидростоек обеспечивается при условии, когда потенциальная динамическая энергоемкость стойки превышает энергию, реализуемую стойкой при резкой осадке. Потенциальная динамическая энергоемкость стойки определяется ее рабочим сопротивлением, допустимым «забросом» давления в поршневой полости стойки и коэффициентом жесткости стойки;

2. Для оценки резких осадок кровли установлены следующие характеристики: скорость осадки, величина осадки, длительность осадки.

Максимальная величина резких осадок при отработке пластов мощностью от 1,7 до 5 м достигает 250−300 мм. Опасность для механизированных крепей представляют осадки величиной 50 мм и более.

Скорость резких осадок достигает 670 мм/с. Опасные ситуации возникают при скоростях осадок 140−200 мм/с, которые являются предельными для основных типов отечественных серийных гидростоек.

Время действия резких осадок изменяется от 0,05 до 2,2 с.

Установлено, что большей длительности соответствуют большие по величине резкие осадки. Опасными являются осадки, время действия которых более 0,1с. С наибольшей вероятностью появляются осадки длительностью 0,4с. л л л из.

3. Оценка защитных возможностей серийных предохранительных клапанов при отработке пластов с труднообрушаемой кровлей механизированными комплексами позволила установить следующее:

— всем типам стоечных предохранительных клапанов свойственна значительная инерционность при срабатывании и низкая пропускная способность, в результате чего ими не обеспечивается защита гидростоек крепей от резках осадок;

— установлены предельные параметры предохранительных клапанов, определяемые их номинальным давлением открывания, пропускной способностью, скоростью истечения жидкости и инерционностью;

— при динамических нагрузках гидростоек, когда «забросы» давления в поршневой полости превышают 30−40 МПа, расход жидкости через клапан возрастает в 8−15 раз относительно номинального, а соответственно и скорость истечения жидкости, достигая значений 140−200 м/с. Высокая скорость истечения жидкости через клапан является главной причиной их разрушения, а большая длительность задержки клапана до срабатывания — основной причиной «забросов» давления в поршневой полости гидростоек;

— установлено, что предельная скорость просадки штока гидростойки зависит от расхода клапана и внутреннего диаметра цилиндра гидростойки.

При расходе клапана 40−320 л/мин и давлении настройки клапана на срабатывание 30−40 МПа, предельная скорость просадки штока гидростойки серийных механизированных крепейх составляет 90−240 мм/с;

— режим работы гидростойки при динамическом нагружении зависит от соотношения диаметра условного прохода предохранительного клапана и диаметра цилиндра (поршня) гидростойки. Установлено, что наиболее благоприятный режим создается, когда диаметр условного прохода клапана принимается равным (0,09−0,1) от диаметра цилиндра гидростойки.