МЕХАНИЗИРОВАННАЯ КРЕПЬ ДЛЯ НАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ

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

На НАКЛОННОМ и крутом падении боковые породы слабые, с частыми геологическими нарушениями, непосредственная кровля зачастую ложная, а почва склонная к вспучиванию. Проблема мощных пластов заключается в больших колебаниях мощности пласта, причем никакой раздвижности крепи не хватает для ее вписывания в гипсометрию пласта - при увеличении мощности пласта над вехняками остается значительная пачка угля, а при резком утонении пласта возможны заклинивания секций крепи. При заклинивании необходимо сохранить высокотехнологичный, а значит дорогой выемочный орган физического разрушения угля. Этой проблеме посвящено предлагаемое изобретение.

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 движущиеся 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 части лавы 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 передвижки 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 С1, 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 С1, RU 2357083 С1), и обладающие 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 С1, RU 2398969 С1). 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 С1, RU 2411362 С1, RU 2411363 С1) 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 С1). Для «мягкого» контакта можно использовать верхняк, который состоит из множества траков, соединенных шарнирно между собой и распирающихся пучком стержней из рессорной стали (8, RU 2419722 С1). Предлагается и совсем экзотический механизм передвижки крепи (9, RU 2423611 С1), состоящий из домкратов, шестерней и колес.

Интересна механизированная крепь (10, RU 2434138 С1), 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 С1), 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 излишняя металлоемкость крепи - для крепи наклонного падения нет необходимости в распоре манипуляторов в кровлю пласта при разгрузки секции и ее передвижки.

ЦЕЛЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ является повышение приспособляемости крепи к большим изменениям гипсометрии мощных наклонных пластов. Крепь должна иметь особенности: иметь большую раздвижку, «мягко» контактировать с боковыми породами, «выживать» при резком утонении пласта и зажимах крепи, 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 и обладать свехподатливостью 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. Однако в местах пережима пласта пневмостойка просто может «не раскрыться» и нагрузка от горного давления пород ляжет на капсулу аппаратного отсека, а значит, и выемочный орган будет под угрозой раздавливания. Предлагается пневмостойку расположить на опорной податливой арке, состоящей из шарнирно соединенных секторов, подпружиненных пластинчатыми пружинами, и мягко опирающейся на башмак через пневматические амортизаторы.

В качестве механизма передвижки предлагается использовать два манипулятора, опирающихся на почву пласта, причем для улучшения скольжения башмака по почве пласта, заштыбованой углем и мелкой породой, можно использовать ультразвуковые вибраторы [12]. Сигналы от ультразвукового генератора через волновод поступают под днище башмака, обеспечивая текучесть сыпучей массы, облегчая передвижку секций крепи манипуляторами.

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 раздвижной кареткой.

Все процессы роботоризованной системы и выемочного органа управляются бортовым компьютером. Капсула аппаратного отсека имеет технологические окна для диагностики аппаратуры и изъятия ее для ремонта.

Предлагаемая механизированная крепь для НАКЛОННЫХ мощных пластов, содержащая секции, каждая из которых включает верхняк, башмак, пневмостойку и завальное ограждение, а также капсулу аппаратного отсека и механизм передвижки, отличающаяся тем, что пневмостойка расположена на опорной податливой арке, состоящей из шарнирно соединенных секторов, подпружиненных пластинчатыми пружинами, и мягко опирающейся на башмак через пневматические амортизаторы.

Вторым отличием является то, что механизм передвижки состоит из 2-х манипуляторов, опирающихся на почву пласта и ультразвукового генератора с волноводом, обеспечивающим плавное скольжение башмака по почве пласта при передвижке крепи.

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

где:

1 - верхняк, 2 - пневмостойка, 3 - ребра жесткости (обручи), 4 - плита, 5 - опорная податливая арка, 6 - пластинчатая пружина, 7 - капсула аппаратного отсека, 8 - окно, 9 - аппарат физического разрушения угля, 10 - ультразвуковой генератор, 11 - волновод, 12 - раздвижная каретка, 13 - стойка, 14 - манипулятор, 15 - пневмоамортизатор, 16 - завальное ограждение, 17 - башмак, 18 - подставка.

ХОД РАБОТ

Нарезают монтажную печь, монтируют роботоризованный добычной комплекс, включают выемочный орган - лазерные или ультразвуковые установки, и процесс пошел, при этом раздвигаются окна 8 и выемочный орган - аппарат физического разрушения угля 9 подается на забой. Производится разрушение угля, уборка его самотеком, и следом за забоем постоянно ползут, опираясь на манипуляторы 14, секции крепи. При попадании секции под купол обрушенных пород, сжатый воздух импульсно подается в пневмостойки 2 с последующей их разгрузкой, тем самым раскачивая верхняк.

При больших утонениях пласта и возможности зажима секций, когда пневмостойка выключается из работы, то функцию поддержания и податливости крепи временно выполняет арка 5. Необходимую реакцию крепи осуществляют подпружиненные сектора арки, которые за счет проворота обеспечивают и необходимую податливость крепи. Динамическое воздействие блочной кровли смягчается пневматическими амортизаторами 15.

«XXI век - ВЕК УГОЛЬНОЙ ЭНЕРГЕНИКИ, - сказал 14 февраля 2011 г. 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».

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 С1, E21D 23/00 от 04.10.2004, Бюл. №14, 20.05.2006.

4. Патенты RU 2324820 С1, RU 2357083 С1.

5. Патенты RU 2372283 С1, RU 2398969 С1.

6. Патенты RU 2413846 С1, RU2 411362 С1, RU 2411363 С1.

7. Патент RU 2412355 С1.

8. RU 2419722 С1.

9. RU 2423611 С1.

10. RU 2434138 С1.

11. RU 2495249 С1.

12. http://www.soring.ru/technology/ultra/more_kiiots/