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 отсутствия 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 тыс. т в мес., 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. Объем 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 малоэффективно, 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 восстанию 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 подъема по восстанию без опоры на соседние секции.

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 капсулы аппаратного отсека из прочных легких полимеров и металлических ребер жесткости монтируются в 2-3 этажа с помощью замковых соединений; для увеличения раздвижности крепи применяется пневмоподьемник с жесткими стопорными устройствами; для распора крепи применяются легкие пневмоподушки; для обеспечения устойчивости секций крепи применяется опорная база, прижатая к почве пласта гидростойками, по которой секции крепи передвигаются к забою на роликовых опорах с помощью домкрата передвижки; для устранения сползания крепи служат корректирующие устройства, состоящие из раздвижных траверс с гидростойками распора; для придания секциям крепи строго нормального положения роликовые опоры снабжены гидродомкратами двойного действия, которые работают по сигналам датчиков положения. Корпус аппаратного отсека в целях сохранности электронной аппаратуры покрыт слоем пористой резины или полимера. Секции крепи соединены людским ходком. Рабочие отсеки крепи и людской ходок проветриваются свежим воздухом с повышенным давлением, что препятствует проникновению пыли в рабочее пространство лавы. Таким образом, намечается новое направление конструирования крепей для мощных пластов - блочная многоэтажность секций.

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 аппаратный отсек состоит из двух капсул с люком и людским ходком, технологическим люком и окнами для подачи лазерного или ультразвукового устройства на забой, между собой капсулы крепятся замковыми устройствами, а для сообщения имеют лазы.

Под аппаратным отсеком находится блок передвижки и стабилизации, включающий корпус, днище которого имеет утолщение в форме башмака. Непосредственно к корпусу блока передвижки с обеих сторон крепятся роликовые опоры, которые состоят из кронштейна с гидродомкратом нормальной стабилизации и пружинным амортизатором, каретки с роликами, с возможностью перемещения их в пазах спецпрофиля хвостовиков. Над аппаратным отсеком находится блок сводчатой секции с отверстием для воздухопровода. В центре сводчатой секции установлен пневмоподъемник со штопорным устройством, который выполняет функции раздвижности крепи. Наличие гидродомкратов нормальной стабилизации по бокам линейной секции позволяет по сигналам датчика положения компенсировать любое отклонение секции крепи от перпендикулярного к пласту положения. Элемент распора, состоящий из верхняка, ряда гидростоек и пневмоподушки, находящихся в кожухе на опорной плите, смонтированы на штоке пневмоподьемника, что позволяет изменять высоту крепи в зависимости от гипсометрии пласта. Совместная работа гидростоек (небольшой длины) и пневмоподушки необходима в условиях динамического обрушения блочной кровли, когда ломаются гидрозамки и стойки садятся «насухо», обнажая рабочее пространство лавы. Пневмоподушка сохранит контакт верхняка с кровлей и предохранит гидростойки от разрушения.

Завальное ограждение представляет собой ряд пневматических стоек и оградительный щит, причем каждая пневматическая стойка заключена в раздвижной футляр и состоит из полимерной пленочной трубы с ребрами жесткости в виде обручей, тумбы, в которую она складывается при разгрузке или транспортировке, верхняка и башмака. Аналога пневмостойки нет. Опорная база имеет выдвигающиеся в сторону восстания и падения пласта траверсы с домкратами выдвижения и гидростойками распора двойной раздвижности, 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 двух капсул 7, 8 аппаратного отсека с люком и людским ходком 9, технологическим люком 10 и окнами 30 для подачи лазерного или ультразвукового устройства на забой. Между собой капсулы крепятся замковыми устройствами 21, а для сообщения имеют лазы 11. Под аппаратным отсеком находится блок передвижки и стабилизации 12, включающий корпус, днище которого имеет утолщение в форме башмака 17. Непосредственно к корпусу с обеих сторон крепятся роликовые опоры, которые состоят из кронштейна с гидродомкратом 18 нормальной стабилизации и пружинным амортизатором 14, каретки 15 с роликами, с возможностью перемещения их в пазах спецпрофиля хвостовиков 16. Над аппаратным отсеком находится сводчатая секция 5 с отверстием для воздухопровода 6. В центре секции 5 установлен пневмоподъемник 19 со штопорным устройством 20, который выполняет функции раздвижности крепи. Элементами распора являются: верхняк 1, пневмоподушка 2 и ряд гидростоек 3, находящиеся в кожухе 4 на опорной плите. Элемент распора смонтирован на штоке пневматического подъемника 19, что позволяет изменять высоту крепи в зависимости от гипсометрии пласта.

Опорная база состоит из забойной балки 32, внутри которой находятся выдвигающиеся в сторону восстания и падения пласта траверсы 26 с домкратами выдвижения 33, 34 и гидростойками распора 27 двойной раздвижности. На забойной балке смонтированы забойное ограждение 29 и манипулятор 28 для управления органом разрушения угля с помощью струи воды высокого давления. Со стороны завала расположена балка 31, на которой смонтировано завальное ограждение 23, гидростойки 24, выдвижные траверсы 25 с домкратами 33. Гидростойки 24, 27 предназначены только для удержания опорной базы от сползания, поэтому имеют небольшой диаметр, а значит и вес.

Завальное ограждение 23 представляет собой ряд пневматических стоек и оградительный раздвижной щит 41, причем каждая пневматическая стойка заключена в раздвижной футляр 36 и состоит из полимерной пленочной трубы 38 с ребрами жесткости в виде обручей 35, тумбы 37, в которую она складывается при разгрузке или транспортировке, верхняк 39 и башмак 40.

Забойная балка 32 и завальная балка 31 соединены между собой хвостовиками 16 специального профиля, в пазах которого перемещаются ролики подвижной опоры. Линейная секция и опорная база соединены между собой домкратом передвижки 22 и роликовыми опорами 15, 18.

Ход работ

Выемочный цикл начинается с разрушения угля физическим способом: надпочвенный слой разрушается струей воды высокого давления, при этом движением струи гидранта управляет манипулятор 28. Последующие ослабленные врубовой щелью слои угля разрушаются лазерным или ультразвуковым устройствами, которые выдвигаются в сторону забоя из капсул 7, 8 через окна 30. 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 22, давление в пневмостойках завального ограждения 23 понижается. При этом хвостовики 16 свободно скользят под подвижными опорами линейной секции, причем линейная секция несет полную нагрузку боковых пород. Затем гидростойки опорной базы и пневмостойки завального ограждения распираются, а пневмоподушка распора 2 и гидростойки 3 линейной секции разгружаются. При этом амортизаторы 14 приподнимают линейную секцию вместе с башмаком 5, передавая ее вес на подвижные опоры, и линейная секция подтягивается домкратом 22 к забойному ограждению 29, практически переезжая по хвостовикам 16 опорной базы.

В целях исключения потери устойчивости линейной секции крепи и ее наклона в сторону падения на роликовых опорах установлены домкраты 18, которые по сигналам датчиков положения удерживают секции в строго нормальном к пласту положении. На новом месте линейная секция распирается пневмоподушкой 2 и гидростойками 3 в боковые породы. При этом пневмоподъемник 19 по необходимости может изменять высоту крепи путем изменения раздвижности его штока. При принятии оптимального решения раздвижность крепи жестко фиксируется штопорным устройством 20, а пневмоподушки 2 создают начальный распор. При достижении номинального сопротивления срабатывают клапаны податливости пневмоподушки 2 и гидростоек 3, а при полном смятии подушки 2 и израсходовании запаса податливости гидростоек 3 податливость крепи должна осуществляться штопорными устройствами 20, путем проскальзывания штока пневмоподьемника.

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 гидростоек 24, 27 со стороны восстания, выдвижения траверс 26 и распора гидростоек на новом месте. Затем кратковременно разгружается линейная секция и завальное ограждение 23 и домкратами 33, 34 вместе с опорной базой подается по восстанию пласта. После распора линейной секции и завального ограждения 23 на новом месте разгружаются гидростойки 24, 27 по падению пласта и гидродомкратами 33, 34 с траверсами 25, 26 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.

Техническая и экономическая польза от внедрения данного изобретения очевидна: из-за отсутствия работоспособных крепей огромные запасы угля в крутых пластах консервируются. Так, под городом Прокопьевском залегают пласты коксующегося угля мощностью до 30 м.

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.