МЕХАНИЗИРОВАННАЯ КРЕПЬ ДЛЯ КРУТЫХ ПЛАСТОВ
POWERED ROOF SUPPORT FOR STEEP PITCHED BEDS

Изобретение относится к угольной промышленности, в частности к области механизированного крепления очистных выработок при выемке угля из тонких и средней мощности крутых пластов.
Известны очистные комплексы типа КМ87, КМ88, КМТ, ОКП, КМ 103, включающие секции крепи, направляющие секционные балки, соединяющие став конвейера с секциями крепи, БАЗУ комплекса в виде конвейерного става и выемочного органа. (1. Хорин В.Н. Развитие техники для подземной добычи угля, калийных и марганцевых руд. - М.: Недра, 1985, с.148-167). Эти мощные высокопроизводительные комплексы с устойчивыми механизированными крепями работают при углах падения пласта до 10-15 градусов.
С применением дополнительных устройств (комплексы КМ87ДН, ОКП-70) область применения подобных комплексов может быть расширена по углу падения до 35 градусов.
Известны современные унифицированные комплексы нового технического уровня типа КМ137, КМ138, КМ142, КМ143, КМ144, рассчитанные на пологие угольные пласты с углом падения до 35 градусов (2. Орлов А.А. и др. Крепление и управление кровлей в комплексно механизированных очистных забоях. - М.: Недра, 1993, с.217-279).
Все указанные комплексы невозможно применять на наклонных и крутых пластах с углом залегания свыше 35 градусов и при безлюдной выемке угля.
На крутом падении крепь склонна к сползанию и опрокидыванию в сторону падения.
Поиски механизма стабилизации крепи ведутся в различных направлениях.
Известен комплекс Долинского МКД с механизированной крепью (3. Патент № RU 2276729 C1, E21D 23/00 от 04.10.2004, Бюл. № 14, 20.05.2006).
Комплекс для наклонных и крутых пластов КДК, включающий став комплекса, очистной комбайн, систему управления и секции крепи, каждая из которых содержит перекрытие с козырьком, имеющим возможность поворачиваться в сторону забоя на 180 градусов, ограждение, стойки и основание, связанное со ставом двигательным домкратом и секционной направляющей, отличающийся тем, что основание секции крепи выполнено единым для секции и снабжено вертикальным кронштейном и проушинами, расположенным в плоскости симметрии основания, секционная направляющая состоит из двух шарнирно соединенных балок с тремя взаимно параллельными шарнирами, пальцы которых расположены параллельно поверхности почвы и поверхности забоя, причем передняя балка соединена передним шарниром со ставом, средним шарниром с задней балкой, задняя балка другим концом соединена посредством третьего шарнира - с вертикальным кронштейном основания, а двигательный домкрат секции крепи соединен одним концом со средним шарниром балок, а другим концом соединен с проушинами основания.
После отбойки полосы угля по всей длине лавы производится дистанционно частичная разгрузка стоек, уборка козырьков и выдвижка с подпором одной трети рассредоточенных по длине лавы секций крепи с последующим их распором. При разгрузке и выдвижке одной трети секций каждая секция крепи удерживается на крутом падении направляющими балками, обеспечивающими кинематическое и силовое направление перемещения секций только в плоскости, перпендикулярной оси става. При этом опрокидной момент от секции крепи передается на став в виде изгибающего момента в вертикальной плоскости.
После выдвижки и распора трех групп секций крепи производится дистанционно подача става на забой. При этом сползание става по падению пласта исключается теми же направляющими балками, и движение става направлено только по простиранию пласта перпендикулярно линии забоя.
Недостатки крепи комплекса КДК следующие.Система стабилизации секций в плоскости, перпендикулярной плоскости става, двумя направляющими балками с вертикальным кронштейном по башмаку и со стабилизирующим домкратом по верхняку устраняет или уменьшает стремление к наклону секций на забой или от забоя, но мало припятстует развороту, наклону и сползанию в сторону падения пласта.
Сползанию, перекосам и опрокидыванию способствует неприжатость базовой балки к почве пласта, особенно при обводненности почвы (естественная или при орошение), вибрации выемочного органа при слабых боковых породах (купола над верхняками и зарывание башмака в почву пласта).
Известна крепь (4. Патент SU 1254166 A1, E21D 23/00, 30.08.86. Бюл. № 32), в которой, не полагаясь на возможность базовой балки удерживать крепь от сползания, вводятся вспомогательные секции с гидродомкратами подачи, установленные между основными секция с возможностью взаимодействия их оснований с опорными кронштейнами оснований основных секций.
В данной конструкции базовая балка потеряла смысл быть базой и является просто направляющей балкой, свободно лежащей на почве пласта.
Известна механизированная пневматическая крепь для поддержания кровли в лавах пологих и крутых угольных пластов без постоянного присутствия людей в очистном забое (5. Патент RU 2267611 C2, 10.01.2006. Бюл. № 01). Использование ее возможно в условиях как средней устойчивости пород, так и в неустойчивых породах. Сущность: крепь включает забойный и завальный ряды четных и нечетных секций; секции снабжены поддонами с пневмобаллонами, установленными между забойными и завальными внутренними и наружными базовыми балками. Балки опираются на удерживающее устройство через каретки и жестко связаны с ними. Передвижчики механизма передвижки пневмобаллонов связаны с гибкими тяговыми органами. Поддоны с нечетными пневмобаллонами жестко прикреплены к внешней и внутренней забойным базовым балкам. Поддоны с четными пневмобаллонами жестко прикреплены к внутренней и внешней завальным базовым балкам. Передвижчики выполнены в виде изогнутых рессор. О недостатках этой крепи можно судить только при ее работе в реальных условиях, особенно в местах геологических нарушений, перегибах и сужений пласта.
Интересна крепь для поддержания очистного забоя мощного крутонаклонного угольного пласта (6. Патент RU 2235208, E21D 23/00, 27.08.2004, Бюл. № 24), отличающаяся тем, что устойчивость крепи и исключение ее сползания достигается путем установки опорной балки в предварительно пробуренные скважины. Это более надежный способ удержания крепи на крутом падении, чем полагаться на базовую балку, свободно лежащую на почве пласта. Секция крепи содержит основание, горизонтально ориентированные опорные балки коробчатого сечения, гидродомкраты передвижки, гидравлические стойки, телескопическое перекрытие, ограждение. Во внутреннем пространстве каждой опорной балки установлен буровой инструмент, связанный с вращателем и гидродомкратом подачи. Опорные балки нормально ориентированы к гидравлическим стойкам и связаны с ними в их средней части с возможностью перемещения в направлении оси опорной балки и ограниченного перемещения в направлении оси стойки.
Все выше приведенные механизированные крепи по разным причинам в той или другой степени склонны к сползанию и перекосам в сторону падения пласта. Главным недостатком их является отсутствия механизма восстановления секций в нормальное к пласту состояние после их перекосов или наклонов и невозможность компенсации сползания за счет перемещения секций по восстанию пласта.
В качестве прототипа принята крепь агрегата АК-3 А.М.Долинского, единственного работоспособного и хорошо исследованного механизма, использованного на шахтах Кузбасса в 70-е годы (7. 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 и устойчивость секций; наличие домкратов передвижения у почвы и кровли пласта в каждой секции крепи, обеспечивающих надежное передвижение става и секций, а также управляемость агрегата по пласту; наличие коротких жестких верхняков, шарнирно соединенных с криволинейной ограждающей спинкой и обеспечивающих при последовательной передвижке секций снизу вверх хорошую защиту рабочего пространства от обрушения кровли и проникновения обрушенных пород; наличие передней стенки, являющейся опорой и направляющей фронтального выемочно доставочного органа, обеспечивающей защиту рабочего пространства от отбитого угля. Агрегат АК проходил испытания на шахте «Чертинская - Южная» и «Краснокаменская» в Кузбассе. Агрегат зарекомендовал себя отлично. С помощью АК выдано на-гора 2595 тонн в сутки - это мировой рекорд добычи из крутых пластов! Агрегат запущен в серию на Киселевском машиностроительном заводе. В 1980 году право на изготовление агрегата приобрела одна из западногерманских фирм.
Агрегат был хорош для своего времени. Этот агрегат громоздкий и недостаточно управляем по понятиям нашего времени и тем более неприемлем в перспективе без существенной модернизации.
Его недостатки:
1. Для движения агрегата без сползания его нижний конец должен опережать верхний при угле разворота забоя 2-2.5. градуса. (8. 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). Фактически же угол поворота линии забоя изменялся в пределах ±5-6 град, в результате чего агрегат сползал по падению на 0.9-1.0 м, а с учетом уклона штрека общее сползание составило около 1.9 м. Отставание забоя по вентиляционному штреку и сползание крепи приводили к аварийному состоянию кровли верхнего сопряжения лавы со штреком. Разворот жесткой базовой балки агрегата с помощью домкратов передвижения путем отключения одних при подаче давления в другие мало эффективен, длителен и трудоемок.
2. Неудовлетворительная управляемость агрегата в пределах пласта определяется жесткой пространственной связью базового става агрегата на всю его длину, в результате чего стрела прогиба агрегата как в плоскости пласта, так и в плоскости падения не превышает 0.5 м, т.е. агрегат является практически прямолинейным. Поэтому в условиях раработки пласта с переменным углом падения наблюдается присечка породы до 0.9-1.0 м или оставляется пачка угля до 1.2-1.3 м. И это при том, что путем изменения высоты выемочного органа, а также передвижения агрегата только нижними или верхними домкратами удавалось оперативно поднимать или опускать агрегат относительно боковых пород на 35-50 мм за цикл (что делать тоже хлопотно).
Институтами ВНИМИ и Гипроуглемашем предлагалось улучшить управляемость агрегата относительно кровли и почвы пласта путем разделения става на группы по 4-5 секций с активным принудительным поворотом их относительно друг друга на угол до ±3 град (9. К.А.Ардашев, В.Ф.Крылов и др. Совершенствование управления горным давлением при разработке наклонных и крутых пластов. М.:, Недра, 1978).
Однако неприжатость шарнирного 40-метрового става на наклонном и крутом падении приведет к увеличению сползания и собирания в «гармошку» става, чему будут способствовать стягивающие усилия мощного выемочного органа.
3. 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 (10. 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 инерции 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 болеечем на 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 действительно наблюдалось высыпание предохранительной пачки угля и внедрение башмаков гидростоек в слабую, склонную к вспучиванию почву пласта. Такие секции при передвижке деформировались.
4. Для удержания гидростойки от заваливания при разгрузке верхний гидродомкрат передвижки расположен в проеме(окне) гидростойки, что приводило к искривлению штока гидродомкрата и потере работоспособности. Предложение установить в секции два верхних домкрата является нецелеобразным, т.к. гидростойка будет ложится на домкрат, расположенный ниже по падению, который по-прежнему будет подвержен изгибу штока.
5. В целях уменьшения просыпания угля и породы в межсекционные зазоры ВНИМИ предлагает рассмотреть вопрос активного управления прижатия боковых щитков ограждения.
Таким образом, на основании длительных и всесторонних исследований взаимодействия крепи АК-3 с боковыми породами на крутых пластах, анализа проявленных недостатков можно сделать выводы, что в перспективе базовый элемент должен быть достаточно гибким, чтобы крепь хорошо вписывалась в пласт и при этом имела возможность компенсировать обязательные при этом сползания, секции крепи должны восстанавливаться в нормальное к пласту положение после отклонений, а основания секций не должны зарываться в почву пласта при их передвижке.
Задачей изобретения является повышение устойчивости и вписываемости крепи в пласт крутого падения, а также устранение некоторых указанных выше недостатков с учетом рекомендаций ВНИМИ и ГИПРОУГЛЕМАШа.
Указанная задача решается с сохранением конструктивных особенностей крепи АК-3. Для этого базовый стан, имеющий переднюю и заднюю стенки, соединенные хвостовиками, разделен посекционно, при этом передние и задние стенки получили гидростойки распора, а на хвостовиках установлены гидродомкраты коррекции (подачи секции по восстанию пласта), объединив тем самым базовые элементы стабилизации в базовые секции, внутри которых находятся линейные секции, отличающиеся тем, что гидростойка распора, имеющая верхняк и башмак, пропущена через центр жесткой плоской рамы, которая опирается через гидроамортизаторы (рессоры) на роликовые опоры, установленные с возможностью перемещения внутри хвостовиков базовой секции для фиксации линейной секции в строго нормальном к пласту положении при ее разгрузке и передвижке, при этом башмак, соединенный тягами с рамой, тоже приподнимается на амортизаторах после снятия нагрузки с гидростойки распора.
На фиг.1 представлен вертикальный разрез секции крепи, на фиг.2 - вид на секцию крепи сбоку и вертикальный разрез секции базового става, на фиг.3 - горизонтальная проекция крепи и секции базового става.
Гидростойка распора секции крепи 1 с верхняком 2 и стаканом 3 пропущена через жесткую рамную конструкцию 4 с роликовыми опорами 5 и гидроамортизаторами (рессорами) 6. Роликовые опоры перемещаются ВНУТРИ хвостовиков базовой секции 7.
Башмак крепи 8 крепится тягами 9 на тех же роликовых опорах с гидроамотизаторами (рессорами), что позволяет при распоре гидростойки распираться в почву пласта, а при ее разгрузке и передвижке крепи - отрываться от почвы и облегчать передвижку крепи гидродомкратами 10, 11.
Базовый стан разделен на секции, каждая из которых представлена передней стенкой 12 с гидростойками распора 13 и гидродомкратами коррекции секции по восстанию-падению пласта 14, завальной стенкой 15 с аналогичными гидростойками 13 и гидродомкратами коррекции 16. Завальная и передняя стенки базовой секции соединены хвостовиками 7, внутри которых перемещаются роликовые опоры, что обеспечивает строго нормальное к пласту положение линейной секции при ее разгрузке и передвижке.
Предлагаемая крепь может работать с обычным угольным комбайном или стругом при его движении по телескопическим направляющим, закрепленным на передней стенке базовых секций. Доставка угля по лаве на крутом падении осуществляется самотеком. Поэтому абсолютная прямолинейность забоя и жесткость базового става не требуются. Общий строй секций вдоль забоя может осуществляться автоматически по датчикам или лазерному лучу.
Передвижку базовой секции на забой можно осуществлять по мере выемки угля домкратами 11 (при струге) с созданием подпора в гидростойках 13 или же после выемки полоски угля и разгрузке гидростоек 13 (при комбайне).
После полной передвижки базовых секций эти гидростойки 13 распираются на полную мощность, а гидростойка крепи 2 разгружается. Гидроамортизаторы (рессоры) приподнимают башмак 8 от почвы пласта и секция крепи на роликовых опорах 5, находящихся внутри хвостовиков базовой секции 7, гидродомкратами 10, 11 подтягивается к забою. При этом неровности почвы, ее склонность к вспучиванию не мешают передвижке крепи.
Не мешают и любые перегибы пласта и его волнистость. Каждая линейная секция, объединенная с базовой секцией в единое целое, вписываются в трассу, проложенную выемочным органом, индивидуально.
Периодически для компенсации сползания на миг разгружаются все гидростойки самой верхней линейной секции (при возможном сохранении подпора гидростоек базовой секции) и гидродомкратами коррекции 14, 16, которые опираются на распертую нижележащую секцию, самая верхняя секция крепи подается вверх по восстанию на нужную величину и секция крепи вновь распирается на полную мощность.
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.
Данная крепь может быть применена для разработки угольных пластов тонких и средней мощности. При наличии конвейера предлагаемая крепь может быть использована на наклонном падении.
Предлагаемая крепь позволяет сделать очередной шаг в решении проблем разработки угольных пластов крутого падения механизированным способом.
Источники информации
1. Хорин В.Н. Развитие техники для подземной добычи угля, калийных и марганцевых руд. М.: Недра, 1985, с.148-167.
2. Орлов А.А. и др. Крепление и управление кровлей в комплексно механизированных очистных забоях. - М.: Недра, 1993, с.217-279.
3. Патент RU 2276729 C1, E21D 23/00 от 04.10.2004, Бюл. № 14, 20.05.2006.
4. Патент SU 1254166 A1, E21D 23/00, 30.08.86. Бюл. № 32.
5. Патент RU 2267611 С2, 10.01.2006. Бюл. № 01.
6. Патент RU 2235208, E21D 23/00, 27.08.2004, Бюл. № 24.
7. К.А.Ардашев, А.А.Перфилов (ВНИМИ), А.М.Долинский (Гипроуглемаш). Результаты испытаний агрегата АК. М.: «Горные машины и автоматика», 3, 1972.
8. 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.
9. К.А.Ардашев, В.Ф.Крылов и др. Совершенствование управления горным давлением при разработке наклонных и крутых пластов. М.: Недра, 1978.
10. А.А.Перфилов. Особенности взаимодействия механизированной крепи с предохранительной угольной пачкой. Кемерово, Труды КузПИ, сб.43, 1980.