Результат интеллектуальной деятельности: МЕХАНИЗИРОВАННАЯ КРЕПЬ ДЛЯ НАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ

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

На наклонном и крутом падении боковые породы слабые, с частыми геологическими нарушениями, непосредственная кровля зачастую ложная, а почва склонная к вспучиванию.

Опыт эксплуатации агрегата АК-3 А.М. Долинского на крутом падении показал следующее. (1, К.А. Ардашев, А.А. Перфилов, А.М. Долинский и др. Результаты испытаний агрегата АК. М.: Горные машины и автоматика, №3, 1972).

Агрегат сконструирован Гипроуглемашем для пологих, а его модернизированный вариант АК - для наклонных и крутых пластов средней мощности столбами по простиранию. Основными отличиями агрегата являются: наличие прочного жесткого става, обеспечивающего прямолинейность агрегата и возможность управления его движением путем поворотов става относительно элементов залегания пласта; наличие конструктивной связи последовательно передвигаемых секций крепи с передним и задним поясами базового става, обеспечивающей небольшие величины сползания агрегата по падению при его передвижке.

Оставление пачки угля у кровли толщиной до 0.3-0.4 м было предусмотрено проектом отработки участка в связи с наличием в кровле слоя очень слабых неустойчивых пород.

К тому же прямолинейность агрегата при волнистом залегании пласта приводит тоже к оставлению пачки угля в кровле или почве пласта. Было замечено, что на отдельных участках лавы угольная пачка систематически разрушалась, что приводило к раздвижке гидростоек, находящихся под распором, уменьшению их сопротивления, а над секциями образовывалась куполообразная зона обрушения. Также в этих местах наблюдался активный отжим угля из забоя, вызванный недостаточной сопротивляемостью крепи (2, А.А. Перфилов. Особенности взаимодействия механизированной крепи с предохранительной угольной пачкой. Кемерово, Труды КузПИ, сб.43, 1980).

Разрушение предохранительной пачки угля не может происходить только под действием статической нагрузки. При максимально достигнутом сопротивлении крепи, равном 45 тс на гидростойку, усадка угольной пачки составляла 0.6 мм. Расчеты и наблюдения подтвердили предположение, что разрушение угольной пачки происходило в результате вибраций, передающихся от выемочного органа через жесткую базовую балку на крепь. Источником возмущающей силы являются движующиеся каретки струга и сила энерции неуравновешенных частей приводов. Кроме этого, особенности кинематики цепной передачи выемочного органа обуславливают колебания линейной скорости цепи и момента на валу звездочки вследствие периодического изменения радиуса приложения окружного усилия.

Собственная частота колебаний гидростойки (секции) под распором, вычисленная по формуле Бусенеску, изменяется от 4.8 гц в начале цикла до 1.7 гц при полной нагрузке крепи. При этом частота на валу двигателя равна 150 гц, а частота на валу звездочки при скорости резания 1.09 м/сек равна 2.5 гц. Известно, что в области, близкой к резонансу, когда частота собственных колебаний опоры отличается от частоты вынужденных колебаний не более 30%, появляются неупругие деформации горных пород. В данном случае собственные колебания секции крепи могут резонировать с колебаниями, обусловленными кинематикой цепной передачи выемочного органа, возникающими на валу звездочки в диапазоне 1.75-3.25 гц, что соответствует сопротивлению крепи 30 тс и выше, вплоть до номинала. Такое давление гидростойки создавалось лишь в 10-15 м от вентиляционного штрека. В средней лаве оно не превышало 17 тс/секц, а в 0-10 м от конвейерного штрека вновь возрастала до 25 тс/секц. То есть неупругие деформации боковых пород могли возникнуть лишь в верхней 1/3 части лавы, где и действительно наблюдалось высыпание предохранительной пачки угля и внедрение башмаков гидростоек в слабую, склонную к вспучиванию почву пласта. Такие секции при передвижке деформировались, а при невозможности передвижке оставлялись в выработанном пространстве. Наличие жесткого базового става по всей длине лавы способствовало тому, что некоторые секции, «привязанные» к нему домкратами передвижки в разгруженном состоянии, перетаскивались через зоны куполения.

Более перспективные крепи по-разному приспосабливаются к слабым боковым породам крутых пластов.

Известен комплекс Долинского МКД с механизированной крепью (3, патент RU 2276729 C1, E21D 23/00 от 04.10.2004, Бюл. №14, 20.05.2006), включающий секции крепи, каждая из которых содержит перекрытие с козырьком, имеющим возможность поворачиваться в сторону забоя на 180 градусов и подхватывать вновь обнаженную кровлю вслед за проходом выемочного органа.

Дальнейшее развитие конструкции крепей проходит по пути разделения жесткого базового става на базовые секции, кинематически связанные с линейными секциями, передвигающимися на катковых опорах по хвостовикам базовых секций (4, патенты RU 2324820 c1, RU 2357083 c1) и обладающими собственными средствами передвижки и стабилизации. При этом решаются все вопросы преодоления любых нарушений почвы и ее пучения. Важным является отказ от механического способа разрушения угля и применение физических способов разрушения угля (5, патенты RU 2372283 c1, RU 2398969 c1). Этим устраняется разрушение боковых пород под действием вибрации выемочного органа и нет необходимости оставлять предохранительную угольную пачку. Однако остается проблема преодоления зон куполения и геологических нарушений - воспользоваться базовым ставом или опереться на соседние секции теперь невозможно. В дальнейшем происходит улучшение конструкции средств передвижки, капсулы аппаратного отсека и отказ от базовых секций в пользу развития у линейных секций собственных средств передвижки и стабилизации и средств «мягкого» воздействия верхняка крепи на кровлю пласта (6, патенты RU 2413846 c1, RU 2411362 c1, RU 2411363 c1) путем применения пневмосильфонов, пневмоподушек и раздвижных рам, компенсирующих высоту куполения.

В условиях слабых боковых пород невозможно достичь высокого сопротивления крепи, поэтому можно применить в качестве элемента распора резиновые пневмостойки, армированные металлической сеткой и обручами, что позволяет существенно увеличить раздвижность крепи, не утяжеляя ее конструкции (7, патент RU 2412355 c1). Для «мягкого» контакта можно использовать верхняк, который состоит из множества траков, соединенных шарнирно между собой и распирающихся паучком стержней из рессорной стали (8, RU 2419722 c1). Предлагается и совсем экзотический механизм передвижки крепи (9, RU 2423611 c1), состоящий из домкратов, шестерней и колес.

Интересна механизированная крепь (10, RU 2434138 c1), отличающаяся тем, что роль механизма подачи исполнительного органа физического разрушения угля по площади забоя выполняет робот-манипулятор с механической рукой и захватом, установленным на платформе спереди капсулы аппаратного отсека. Другой особенностью этой крепи является то, что механизм стабилизации и коррекции, расположенный по обеим сторонам капсулы аппаратного отсека, состоит из опорных щитов и пневмоподушек, распирающихся в боковые поверхности капсул соседних секций.

Известна механизированная крепь (11, RU 2495249 C1), каждая секция которой включает верхняк, пневмоподушки, элемент передвижки, капсулу аппаратного отсека, башмак, забойное и завальное ограждения. При этом в качестве элемента передвижки служат манипуляторы, расположенные по два у почвы и по два у кровли выработки с обоих боков капсулы аппаратного отсека и выполненные с возможностью совершать шагающие движения для переноса секции крепи к забою. Данная крепь принята нами за прототип.

Ее недостатком можно считать излишнюю металлоемкость крепи - для крепи наклонного падения нет необходимости в распоре манипуляторов в кровлю пласта при разгрузке секции и ее передвижке.

ЦЕЛЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ является дальнейшее повышение работоспособности крепи на наклонном падении за счет облегчения конструкции, повышения устойчивости и снижения энергозатрат при передвижке крепи.

Крепь должна иметь особенности: «мягко» контактировать с боковыми породами, корпус крепи должен быть прочным, чтобы выдерживать вес обрушенных пород при куполении, иметь механизм передвижки, обеспечивающий «выползание» секций из-под завала и быть способной развивать большое сопротивление в аварийных ситуациях.

Этим требованиям удовлетворяют пневмоподушки в качестве распорных элементов, при этом распор должен быть регулируемым, а при куполении подача воздуха должна быть импульсивной для встряски обрушенных пород.

Прочная капсула аппаратного отсека, покрытая резиновой или полимерной оболочкой с выемочным органом физического разрушения угля (лазер или ультразвуковая установка), не тяжела и может быть переносима с легкостью манипуляторами через любые завалы породы.

Все процессы роботоризованной системы и выемочного органа управляются бортовым компьютером. Капсула аппаратного отсека имеет технологические окна для диагностики аппаратуры и изъятия ее для ремонта. Предложенная крепь, каждая секция которой включает верхняк, пневмоподушки, элемент передвижки, капсулу аппаратного отсека, башмак, забойное и завальное ограждение, отличается тем, что в качестве элемента передвижки служат два манипулятора, расположенные с обоих боков капсулы аппаратного отсека и которые своими захватами распираются в почву пласта, а также в центре башмака имеется выдвижной цилиндр с полусферической опорой на конце и пневмоподушкой внутри него, которые дают возможность совершать прыгающие движения с переносом секции под вновь обнаженную кровлю вслед за подвиганием забоя.

Вторым отличием является то, что между завальным ограждением и капсулой аппаратного отсека находятся пневмоподушки, служащие для амортизации ударов обрушенных пород на крепь. Опираясь на завальные породы, можно способствовать передвижке крепи в местах геологических нарушений.

На фиг.1 - вид на секцию крепи сбоку, на фиг.2 - вид на секцию сверху с разрезом.

Где:

1 - верхняк, 2 - пневмоподушки распора с ребрами жесткости в виде обручей 3, 4 - капсула аппаратного отсека, 5 - раздвижное окно аппаратного отсека, 6 - забойное ограждение, 7 - башмак, 8 - выдвижной цилиндр с полусферической опорой 9 и пневмоподушкой 10, 11 - манипулятор с захватом 12, 13 - завальное ограждение с амортизационными подушками 14, 15 - бортовой компьютер, 16 - лазерная или ультразвуковая установка.

Большинство элементов крепи могут быть выполнены из полимеров (с минимальным содержанием фенола). Сверхлегкая крепь при решении вопроса передвижки конвейера может быть использована на пологом падении, а при повышении устойчивости крепи к опрокидыванию эта крепь может быть использована на крутом падении.

Ход работ

Нарезают монтажную печь, монтируют роботоризованный добычной комплекс, включают выемочный орган - лазарные или ультразвуковые установки и процесс пошел, при этом раздвигаются окна 5 и выемочный орган 16 подается на забой.

Производится разрушение угля, уборка его самотеком и следом за забоем постоянно ползут или вернее прыгают секции крепи, опираясь на манипуляторы 11 и полусферическую опору 9. При попадании секции под купол обрушенных пород сжатый воздух импульсно подается в пневмоподушки 2 с последующей их разгрузкой и тем самым раскачивая верхняк.

При сильной засоренности башмака углем и породой (а это на наклонной падении происходит всегда) секцию можно сдвинуть, раздувая пневмоподушки 14 и отталкиваясь завальным ограждением от обрушенных пород.

Источники информации

1. К.А. Ардашев, А.А. Перфилов, А.М. Долинский и др. Результаты испытаний агрегата АК. М.: Горные машины и автоматика, №3, 1972.

2. А.А. Перфилов. Особенности взаимодействия механизированной крепи с предохранительной угольной пачкой. Кемерово, Труды КузПИ, сб.43, 1980.

3. Патент RU 2276729 C1, E21D 23/00 от 04.10.2004, Бюл. №14, 20.05.2006.

4. Патенты RU 2324820 c1, RU 2357083 c1.

5. Патенты RU 2372283 c1, RU 2398969 c1.

6. Патенты RU 2413846 c1, RU 2411362 c1, RU 2411363 c1.

7. Патент RU 2412355 c1.

8. RU 2419722 c1.

9. RU 2423611 c1.

10. RU 2434138 c1.

11. RU 2495249 C1.