МЕХАНИЗИРОВАННАЯ КРЕПЬ ДЛЯ КРУТЫХ ПЛАСТОВ
POWERED SUPPORT FOR STEEP BEDS

Изобретение относится к угольной промышленности, в частности к области механизированного крепления очистных выработок при выемке угля из тонких и средней мощности крутых пластов.
На 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 обрушанеия. 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 того, 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, вычесленная 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. Извество, 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 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 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 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 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, пневмоподущек 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. Данная крепь принята нами за прототип.
ЦЕЛЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ является создания механизированной крепи, секции которой способны самостоятельно преодолевать геологические нарушения и высвобождаться из под куполов обрушенных пород. 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 ситуацих.
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. На забойной и завальных ограждениях устанавливаются пневмовибраторы (или какие другие), способствующие освобождению крепи от обрушенных пород. Расчет вибрационного разрушения объектов довольно сложен, включающий в себя теорию бифуркаций дифференциальных уравнений (11, Постон Т., Стюарт И. Теория катастроф и ее применения. - Мир, 1980) и (12, Арнольд В.И. Особенности в вариационном исчислении, - Мир, 1972). Обратимся к опыту работы агрегата АК-3 [2].
Известно, что деформации боковых пород и высыпание предохранительной пачки угля и внедрение башмаков гидростоек в слабую, склонную к вспучиванию почву пласта наблюдались при вибрации выемочного органа в диапазоне частот 1.75-3.25 Гц. Нежелательные вибрации в том случае, они могут помочь в нашем случае освободиться от обрушенных пород, лежащих на верхняке в зоне куполения, если рабочая частота пневмовибраторов будет в указанном выше диапазоне.
Особо важным свойством крепи должно быть передвигаемость секций в местах куполения и геологических нарушений. По почве технические решения найдены (см. выше), а в зоне куполения никакой раздвижности крепи будет недостаточно. Остановка лавы и выкладывание «костров» над верхняками, - дорогостоящее занятие. Предлагается роботизировать крепь: по сторонам капсулы аппаратного отсека смонтировать по два почвенных и по два кровельных манипулятора, являющихся «руками» и «ногами» роботаризированной системы. Манипуляторы могут распираться как в днище так и в борта купола после скачивания породы с верхняков пневмовибраторами.
Прочная капсула 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.
Затраты на изделие значительны, но безаварийность при высокой скорости подвигания забоя восполнят вложения.
Предложенная крепь, каждая секция которой включает верхняк, пневмоподушки, элемент передвижки, капсулу аппаратого отсека, башмак, забойное и завальное ограждение, отличающаяся тем, что в качестве элемента передвижки служат манипуляторы, которые расположены по два у почвы и по два у кровли с обоих боков капсулы аппаратного отсека и способные совершать шагающие движения с переносом секции под вновь обнаженную кровлю вслед за подвиганием забоя.
Вторым отличием является то, что забойное и завальное ограждения представляют собой консоли верхняка, кинематически жестко с ним связанные и имеющие вибрационные устройства.
На фиг.1 - вид на секцию крепи сбоку, на фиг.2 - вид на секцию сверху с разрезом.
Где:
1 - верхняк, 2 - пневмоподушки, 3 - пневмовибратор призабойного консольного ограждения, 4 - призабойное консольное ограждение, 5 - поворотное окно, 6 - капсула аппаратного отсека, 7 - башмак, 8 - почвенные манипуляторы, 9 - кровельные манипуляторы, 10 - завальное консольное ограждение, 11 - пневмовибратор завального консольного ограждения, 12 - оградительный кожух пневмоподушек, 13 - бортовой компьютер, 14 - лазарная или ультразвуковая установка.
Ход работ простой. Нарезают монтажную печь, монтируют роботоризованный добычной комплекс, включают выемочный орган-лазарные или ультразвуковые установки и процесс пошел. Производится разрушение угля, уборка его самотеком и следом за забоем постоянно ползут секции крепи, опираясь на манипуляторы. При попадании секции под купол обрушенных пород, сжатый воздух импульсно подается в пневмоподушки с последующей их разгрузкой и тем раскачивая верхняк. Одновременно пневмовибраторы приводят в колебательное движение консольные ограждения и тем скачивают обрушенные куски породы с верхняка.
Манипуляторы, опираясь в дно и боковые поверхности купола переносят капсулу аппаратного отсека под вновь обнаженную кровлю пласта. Забой останавливается для ревизии лавы, диагностики оборудования или аварийной ситуации. По необходимости в лаву на лебедке спускается капсула с людьми. - 21 век - ВЕК УГОЛЬНОЙ ЭНЕРГЕНИКИ, - сказал 14 февраля 2011 по ТВ академик теплоэнергетики РАН Леонтьев А.И. Вот поэтому мы - технари упорно изобретаем средства механизации в условиях разрушенной индустрии, закрытии шахт и отсутствии Министерства угольной промышленности. Мы верим, что разрушителей сменят правители - созидатели. Жаль, что «в ту пору прекрасную…»
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. Постон Т., Стюарт И. Теория катастроф и ее применения. - Мир, 1980.
12. Арнольд В.И. Особенности в вариационном исчислении. - Мир, 1972.