МЕХАНИЗИРОВАННАЯ КРЕПЬ ДЛЯ КРУТЫХ ПЛАСТОВ

Изобретение относится к угольной промышленности, в частности к области механизированного крепления очистных выработок при выемке угля из мощных и средней мощности крутых пластов.

Актуальность изобретения:

«… создание эффективных средств механизации для добычи угля из крутых пластов представляет собой сложнейшую научную и конструкторскую проблему, причем не только в России, но и за рубежом.

До настоящего времени не создано эффективной техники и безопасной технологии для отработки крутых пластов. Поэтому во многих угледобывающих странах такие пласты не отрабатываются, а консервируются.

Проблема создания средств комплексной механизации для отработки крутых пластов остается актуальной для Кузбасса» (из документов Департамента угольной промышленности и энергетики Кузбасса, 2008).

- 21 век - век угольной энергетики, - сказал 14 февраля 2011 по ТВ академик теплоэнергетики РАН Леонтьев А.И. Вот поэтому мы - технари упорно изобретаем средства механизации в условиях разрушенной индустрии, закрытия шахт и отсутствии Министерства угольной промышленности. Мы верим, что разрушителей сменят правители-созидатели.

Мощные крутые пласты традиционно отрабатываются подэтажными штреками - 7,68%, бессекционными эластичными щитами и секционными жесткими щитами - 50-60% добычи.

Для выемки мощных и средней мощности крутых пластов в условиях, где невозможно применение систем разработки с обрушением,- в постоянных целиках - 53%, под застроенной поверхностью и на участках под пожарами применяются системы разработки с закладкой выработанного пространства наклонными слоями [1, 2]. Нагрузка за забой на мощных крутых пластах не превышает 9-11 тысяч тонн в месяц, производительность труда рабочего около 10 т в смену (по добычному участку), потери в недрах составляют 40-45% [3].

Причина низкой эффективности систем заключается в отсутствии средств механизации основных технологических процессов.

Одним из направлений механизации технологических процессов выемки крутых мощных пластов является создание механизированных крепей на основе опыта создания механизированных крепей для крутых пластов средней мощности.

Особенности разработки мощных пластов столбами по простиранию с обрушением кровли следующие. Обьем вынимаемого угля кратно увеличивается. Значит подбучивание основной кровли уменьшается, что приводит к большим зависаниям кровли, бурному динамичному проявлению горного давления и увеличению нагрузок на крепь …

Увеличение высоты крепи и ее металлоемкости приводит к увеличению опрокидывающего момента и склонности крепи к сползанию.

В механизированных крепях, предложенных для разработки крутых пластов средней мощности, нас интересует в первую очередь элементы стабилизации крепи - устройства, препятствующие ее опрокидыванию, а также элементы, разделяющие функции сопротивления и раздвижности крепи.

Известны механизированные крепи (RU 2324820 C1, RU 2372483 С1), включающие базовые и линейные секции, каждая из которых крепится на роликовых опорах, установленных с возможностью перемещения внутри хвостовиков базовой секции. Недостаток: хвостовик склонен заштыбовываться через прорезь в верхней стенке, что препятствует перемещению роликовых опор.

Механизированная крепь (RU 2398969) включает базовые и линейные секции. Отличительным признаком является наличие плоской рамы с роликовыми опорами на амортизаторах, имеющих возможность перемещаться ВНУТРИ хвостовиков базовой секции. Вторым отличительным признаком является использование капсулы в качестве оградительного элемента, сверху которой расположены верхняк с направляющей, пропущенной через свод капсулы, а в дно капсулы распирается цилиндр пневмоподьемника с замком - фиксатором раздвижности, пропущенный через центр рамы, шток которого распирается в башмак, жестко связанный тягами с рамой. Третьим отличительным признаком является использование эластичных пневмоподушек в качестве элемента распора, установленных на капсуле под верхняком. В данной крепи применено разделение функций сопротивления и раздвижности крепи между пневмоподушками и пневмоподьемником, что будет использовано в нашей работе в качестве прототипа.

Принципиально другая компоновка элементов крепи в изобретении (RU 2398970). Крепь включает линейные и базовые секции. Основания передней и задней стенок базовой секции разделены на три телескопически связанные части с возможностью их раздвижки домкратами коррекции, при этом средние их части соединены траверсой, в пазах которой размещены роликовые опоры линейной секции.

Опора секции на одну траверсу недостаточна для стабилизации крепи высотой 5-6 м. Размещение же роликовой опоры в пазах траверсы весьма полезно и будет нами учтено в дальнейшем.

В механизированной крепи (RU 2403391) учтены вышеприведенные недостатки. Крепь включает базовый став и линейные секции. Базовый став разделен на базовые секции, каждая из которых состоит из передней и завальной стенок с гидростойками распора и хвостовиков, соединяющих переднюю и завальную стенки по почве пласта. Каждая линейная секция состоит из гидростойки с верхняком и опорной плитой, которые крепятся на подвижных опорах, прикрепленных к капсуле аппаратного отсека, причем днище капсулы выполнено с утолщением в виде башмака. Подвижная опора состоит из двух облегченных дисков, посаженных через подшипники на ось, между которыми сверху находится прижимная планка с пружинами, передающая усилия на ту же ось опоры через подшипник, находящийся под ней.

Передвижке такой крепи не смогут препятствовать ни пыль, ни мелкие куски породы. Однако для стабилизации крепи на мощных пластах прижимной планки с пружинами будет недостаточно. Отсутствуют и элементы автоматического восстановления нормального положения секций крепи. Нежелательна и длинная тяжелая гидростойка распора, установленная на капсуле, что значительно снизит устойчивость крепи, увеличивая высоту крепи следует, по возможности, снижать металлоемкость крепи.

Корректировка сползания крепи осуществляется с помощью распора домкратов в соседние секции, что мало эффективно, а иногда и неприемлемо.

Известна механизированная крепь для крутых пластов средней мощности и мощных до 5-6 м (RU 2412355), которая состоит из однотипных взаимозаменяемых линейных секций. Первым отличием является отсутствие базовых элементов. Другим отличием является то, что в качестве элементов передвижки и коррекции она имеет со стороны забоя и завала поворотные арки и кронштейны с гидродомкратами передвижки внутри них, которые кинематически связаны с гидростойками распора призабойного и соответственно с гидростойками распора завального ограждения, причем при повороте кронштейнов стойки подаются вверх по восстании пласта, распираются на новом месте и подтягивают к себе все другие элементы крепи. Такая кинематика крепи позволяет ей «шагать» как по простиранию, так и по восстанию пласта.

Этот интересный «шагающий» механизм стабилизации рискованно предлагать для крепей мощных пластов без испытаний в реальных условиях. Однако будущее, по-видимому, за этими «шагающими» и «паукообразными» монстрами - роботоризованными интеллектуальными устройствами.

Мы не должны переносить в новые условия самые «продвинутые» разработки, а должны эволюционно пройти часть уже пройденного пути создания крепей для пластов средней мощности с их конструктивной адаптацией для мощных пластов. Поэтому за прототип принимаем крепи RU 2398969 C1, RU 2403391.

Вопросы монтажа крепи, ее устойчивости, вписываемости в гипсометрию пласта, передвигаемости, поддержания кровли и защиты рабочего пространства лавы от проникновения обрушенных пород применительно для отработки мощных крутых пластов превращаются в большие проблемы.

Принципы для решения этих вопросов могут быть следующие: монтаж крепи из крупных блоков с помощью замковых устройств, разделение функций раздвижности и сопротивления между разными устройствами, каждая секция крепи должна обладать средствами передвижения, восстановления устойчивости и подьема по восстанию без опоры на соседние секции. Желательно, по-возможности, снять горное давление с корпуса аппаратного отсека и максимально облегчить конструкцию крепи.

Цель изобретения - создание устойчивой, работоспособной механизированной крепи для разработки крутых пластов мощностью до 6 м длинными столбами по простиранию с обрушением кровли.

Поставленная цель достигается тем, что элементом раздвижности являются пневматические легкие стойки, объединенные в единое целое выпуклым щитом. Элементом распора служат легкие пневмоподушки, установленные на щите. Капсула аппаратного отсека из прочных легких полимеров находится под щитом и вне горного давления.

Предлагается механизированная крепь для крутых пластов средней мощности и мощных до 5-6 м, состоящая из опорной базы, включающей забойную и завальную балки с ограждениями и стойками распора, связанными между собой хвостовиками из спецпрофиля, и линейных секций, каждая из которых имеет верхняк, башмак, аппаратный отсек, а также элементы распора, передвижки и коррекции, отличающаяся тем, что верхняк линейной секции распирается пневмоподушками, расположенными на выпуклом щите, под которым находятся пневмостойки, опирающиеся на башмак, который является утолщением днища блока передвижки и стабилизации, к корпусу которого с обеих сторон крепятся роликовые опоры, состоящие из кронштейна с гидродомкратом нормальной стабилизации и пружинным амортизатором, каретки с роликами, с возможностью перемещения их в пазах спецпрофиля хвостовиков опорной базы, на блоке передвижки и стабилизации находится капсула аппаратного отсека, внутри которой находится манипулятор с выемочным органом физического разрушения угля (лазер, ультразвук). Каждая пневматическая стойка состоит из полимерной пленочной трубы с ребрами жесткости в виде обручей, раздвижного футляра, верхняка и тумбы, в которую она складывается при разгрузке и транспортировке. При достижении необходимой высоты раздвижность пневмостойки жестко фиксируется замковыми штопорными устройствами, установленными на корпусе футляра.

Опорная база включает забойную и завальную балки с ограждениями и пневмостойками распора, имеет выдвигающиеся в сторону восстания и падения пласта траверсы с домкратами выдвижения, которые позволяют корректировать положение крепи при ее сползании.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен вертикальный разрез секции крепи, на фиг.2 - вид на крепь сбоку с местным разрезом, на фиг.3 - вид на крепь сверху с разрезом.

Линейная секция представляет собой набор блоков и состоит из капсулы аппаратного отсека 1 с людским ходком 2, окнами 3 для подачи лазерного или ультразвукового устройства на забой. Внутри аппаратного отсека находится манипулятор 33 с выемочным органом физического разрушения угля 34.

Под аппаратным отсеком находится блок передвижки и стабилизации 4, включающий корпус, днище которого имеет утолщение в форме башмака 5. Непосредственно к корпусу с обеих сторон крепятся роликовые опоры, которые состоят из кронштейна с гидродомкратом 6 нормальной стабилизации и пружинным амортизатором 7, каретки 8 с роликами, с возможностью перемещения их в пазах спецпрофиля хвостовиков 9.

Элементом распора являются верхняк 10, пневмоподушки 12, выпуклый щит 13 и ряд пневмостоек 14, опирающихся на башмак 5.

Каждая пневматическая стойка состоит из полимерной пленочной трубы 15 с ребрами жесткости в виде обручей 16, раздвижного футляра 17 и тумбы 18, в которую она складывается при разгрузке и транспортировке. Распирается пневмостойка в верхняк и башмак линейной секции или опорной базы. Фиксируется раздвижность футляра 17 замковым штопорным устройством 19.

Опорная база состоит из забойной балки 20, внутри которой находятся выдвигающиеся в сторону восстания и падения пласта траверсы 21 с домкратами выдвижения 22, 23 и пневмостойками распора 24.

Со стороны завала расположена балка 25, на которой смонтированы завальное ограждение 26, пневмостойки 27, выдвижные траверсы 28 с домкратами 29. Завальное ограждение 26 представляет собой органный ряд пневматических стоек 30 и оградительный раздвижной щит 31.

Забойная балка 20 и завальная балка 25 соединены между собой хвостовиками 9 специального профиля, в пазах которого перемещаются ролики подвижной опоры.

Линейная секция и опорная база соединены между собой домкратом передвижки 32 и роликовыми опорами 18.

Ход работ.

Выемочный цикл начинается с разрушения угля физическим способом. Манипулятор 33 подает к забою выемочный орган: лазерное или ультразвуковое устройство через окно 3. Доставка угля по лаве на крутом падении осуществляется самотеком.

По мере выемки угля базовая секция с подпором (если позволяет устойчивость боковых пород) подается на забой домкратом 32, при этом давление в пневмостойках 30 завального ограждения понижается. При этом хвостовики 9 свободно скользят под подвижными опорами линейной секции, причем линейная секция несет полную нагрузку боковых пород. Затем пневмостойки опорной базы и пневмостойки завального ограждения распираются, а пневмоподушки распора 12 и пневмостойки 14 линейной секции разгружаются. При этом амортизаторы 7 приподнимают линейную секцию вместе с башмаком 5, передавая ее вес на подвижные опоры, и линейная секция подтягивается домкратом 32 к забойному ограждению 11, практически переезжая по хвостовикам 9 опорной базы.

В целях исключения потери устойчивости линейной секции крепи и ее наклона в сторону падения на роликовых опорах установлены домкраты 6, которые по сигналам датчиков положения удерживают секции в строго нормальном к пласту положению.

На новом месте линейная секция распирается пневмоподушками 12 и пневмостойками 14 в боковые породы. При этом раздвижность крепи жестко фиксируется штопорным устройством 19, а пневмоподушки 12 создают начальный распор. При достижении номинального сопротивления срабатывают клапаны податливости пневмоподушек 12, а при полном смятии подушек 12 податливость крепи должна осуществляться штопорными устройствами 20, путем проскальзывания стенок футляра 17.

При необходимости коррекции крепи, в результате ее сползания или изменения длины лавы за счет перегибов и колебаний угла падения пласта конструкция крепи позволяет передвигаться секциям по восстанию пласта поочередно, начиная с верхней.

Процесс начинается с кратковременной разгрузки пневмостоек 24, 27 со стороны восстания, выдвижения траверс 21 и распора пневмостоек на новом месте. Затем кратковременно разгружается линейная секция и завальное ограждение 26 и домкратами 22, 23, 29 вместе с опорной базой подается по восстанию пласта. После распора линейной секции и завального ограждения на новом месте разгружаются невмостойки 24, 27 по падению пласта и гидродомкратами 22, 23, 29 с траверсами 21, 28 подтягиваются к опорной базе и вновь распираются.

Аналогичный процесс повторяется со всеми секциями от верха до низа лавы. При изменении длины лавы возможен обратный процесс-опускание секций крепи, начиная с самой нижней. Все процессы в лаве должны быть автоматизированы.

Техническая и экономическая польза от внедрения данного изобретения очевидна: из-за отсутствия работоспособных крепей огромные запасы угля в крутых пластах консервируются.

Источники информации

1. Совершенствование разработки угольных пластов Прокопьевско - Киселевского месторождения Кузбасса. Сборник трудов. Прокопьевск, 1972.

2. Хорин В.Н. Развитие техники для подземной добычи угля, калийных и марганцевых руд. - М.: Недра, 1985, с.148-167.

3. Орлов А.А. и др. Крепление и управление кровлей в комплексно механизированных очистных забоях. - М.: Недра, 1993, с.217-279.

4. К.А.Ардашев, А.А.Перфилов (ВНИМИ). А.М.Долинский (Гипроуглемаш). Результаты испытаний агрегата АК. М., «Горные машины и автоматика», 3, 1972.

5. К.А.Ардашев, В.М.Шик, А.А.Перфилов. Исследование взаимодействия с боковыми породами и управляемости агрегата АК на крутом пласте. Ленинград, Труды ВНИМИ, сб.85, 1972.