Повышение безопасности и эффективности отбойки горной массы в шахтах

II. ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY

С.А. Прокопенко

д-р техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ», профессор ЮТИ ТПУ

П.А. Шлапаков

инженер, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ»

УДК 22.232.72

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТБОЙКИ ГОРНОЙ МАССЫ В ШАХТАХ

Приведены результаты исследования степени и характера износа комбайновых резцов в шахтах Воркуты и Кузбасса. Выявлены причины низкого ресурса горно-режущего инструмента и его влияния на безопасность и эффективность разрушения углепородного массива. Предложены решения и мероприятия по совершенствованию конструкции резцов и процесса их эксплуатации в шахтах.

Ключевые слова: ШАХТА, КОМБАЙН, РЕЗЕЦ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, МАССИВ

В настоящее время отбойка горной массы в угольных, соляных, рудных и т.п. шахтах Российской Федерации на 90% и более ведется с применением шахтных комбайнов различных марок и конструкций, оснащенных, главным образом, тангенциально-поворотными резцами. Задачи интенсификации и безопасности проходческих и очистных работ в шахтах выдвигают особые требования к надежности используемых на комбайнах резцов. Однако, опыт эксплуатации комбайнов в шахтах Кузбасса, Воркуты, Донбасса и других угольных бассейнов свидетельствует о наличии ряда проблем организационно-технического характера, определяющих сравнительно низкий эксплуатационный ресурс горно-режущего инструмента.

В шахтах ОАО «Воркутауголь», разрабатывающих Воркутинское месторождение каменного угля, в последнее время широко используются комбайны отечественных и зарубежных производителей, такие как: ГПКС, КП-21, П-110, КПД, КСП 32(33), АМ75, АМ105, Dosco LH-1300A, LH-1400A, ABM20, 12CM30 (Joy) [1]. Добыча угля ведется в сложных горно-геологических условиях на глубинах 800-1200 м, мощность отрабатываемых пластов изменяется в пределах от 0,9

до 3,9 м. Вмещающие угольные пласты породы имеют прочность в диапазоне 30-90 МПа. Подготовительные работы ведутся комбайнами с присечкой породы до 55-75%. Крепость разрушаемых пород выступает ведущим фактором, влияющим на производительность комбайнов и их срок службы. Так, по данным [1], при повышении прочности отрабатываемой породы с 30 до 80 МПа 80%-ный ресурс комбайна до капитального ремонта снижается в среднем с 55-60 тыс. м3 до 10-12 тыс. м3 (рис. 1).

В свою очередь на срок службы резцов влияют такие факторы, как качество их изготовления, крепость пород разрабатываемого массива, квалификация комбайнера, принятый регламент обслуживания исполнительного органа машины. Основным поставщиком резцов для шахтных комбайнов страны выступает ООО «Горный инструмент» (г. Новокузнецк) с изделиями марки РШ. Также в российские шахты происходят поставки отечественных резцов марки ПС (Копейский машзавод), РС (Кузнецкий машзавод) и импортных резцов марок Кennametal, ВЕТЕК, Sandvik... Производители резцов в последнее время обеспечивают высокие качественные характеристики горно-режущего инструмента. Тем

Рисунок 1 - Влияние прочности породы на ресурс проходческого комбайна

не менее, по данным фирмы «Dosco» при переходе комбайна с отбойки угля (асж = 15 МПа) на крепкую породу (асж = 100 МПа) расход резцов возрастает в 100 раз. Ресурс резца снижается с 300 м3 по углю до 3 м3 по песчанику.

Принятый в отечественных шахтах регламент обслуживания рабочего органа проходческого комбайна и замены резцов - при отработке пород слабой и средней крепости (в первую смену (подготовительную)), при отработке пород высокой крепости (в начале каждой рабочей смены) - не всегда позволяет вовремя отслеживать происходящие с резцами изменения.

На рисунке 2 показаны резцы, выданные из воркутинской шахты после эксплуатации. Видно, что резцы использовались больше регламентированного срока (до износа армиров-ки) и их головки имеют чрезмерный износ. Это

означает, что резцы эксплуатировались в затупленном и укороченном состоянии. Результатами такого использования являются повышенный износ резцедержателей, рост нагрузки на узлы комбайна и увеличение скорости выработки ресурса комбайна в целом. Кроме того, затупленные резцы усиливают фрикционное искрение в забое, затирание форсунок, что в условиях шахт опасных по газу и пыли существенно повышает риск возникновения аварии.

Важное влияние на ресурс резцов и комбайна в целом оказывает квалификация комбайнера и его отношение к работе, проявляющиеся при выборе схемы отработки забоя, выполнении операций зарубки, оконтуривания выработки, уборки отбитой горной массы, разбивки негабаритных кусков и твердых включений режущим органом, подчистки почвы выработки. Малый

Рисунок 2 - Чрезмерный износ комбайновых резцов РШ 33-85/17,5

^^^ ^^ научно-технический журнал № 2-2015

2о вестник

опыт машиниста, недобросовестное отношение к своей функции, погоня за планом, отсутствие должной системы стимулирования бережного обращения с резцами (как, например, на угольных разрезах) - все это ведет к повышенному расходу резцов на комбайне.

Исследование характера и степени износа резцов на комбайнах в шахтах Кузбасса представлено в работах [2,3]. Было выявлено, что грибовидная форма твердосплавной вставки обеспечивает более длительный срок использования резца в сравнении с цилиндрической. Установлено, что ускоренный износ стали державки вокруг армировки приводит к выламыванию последней, сокращая ресурс инструмента. Твердосплавные вставки в резцы РШ изготавливаются из вольфрамо-кобальтового сплава и имеют марку ВК 10-КС (ТУ 48-19-367-92), а корпуса резцов выполняются из стали 35ХГСА (ГОСТ 4543-71), прочность которой значительно уступает армировке. Также показано, что существенная часть расхода резцов обусловлена их самопроизвольным выпадением из резцедержателей по причине несовершенства замковых устройств.

Проведенный анализ состояния вопроса безопасности и эффективности горно-режущего инструмента показал необходимость поиска технических и организационных решений для повышения ресурса комбайновых резцов. В числе последних инноваций компании Сандвик, увеличивающих срок службы резцов, можно отметить оребрение головок для облегчения их вращения и равномерности изнашивания [4]. Ребра выполняются по длине головки в количестве 4 штук (рис. 3).

Такую же форму головок для своих резцов освоила и компания Кеннаметал. Резцы типов и83К 3.1 48, UR118 3.5 12^В, AM512FG имеют продольные ребра на головках.

Перспективным является решение фирмы Сандвик по защите зоны крепления наконечника в корпусе путем установки карбидного кольца Т^ресТМ (рис. 4) [4]. Кольцо охватывает переднюю часть головки резца в месте впаивания наконечника и защищает стальной корпус от преждевременного износа, продлевая срок службы твердосплавной вставки.

Аналогичное решение разработала и компания Кеннаметал, предлагающая резцы типов U119HF 80 16 и АМ521НР 74 с защитным кольцом на острие головки.

Существует предложение по выравниванию интенсивностей изнашивания корпуса резца и армировки путем использования в качестве

Рисунок 3 - Резец с оребренной головкой

Рисунок 4 - Резец с защитным кольцом TriSpecTM

научно-технический журнал № 2-2015 ^^^ ^^^

вестник 29

режущего элемента вставки из стойкой стали, например Х12МФ. Испытание нескольких подобных резцов показало их работоспособность и равномерное самозатачивание [2].

На рисунке 5 показаны резцы РГП отечественного производства, головки которых, помимо твердосплавного наконечника, имеют твердосплавные режущие пластины [5]. Такая конструкция резцов обеспечивает им большую режущую поверхность и повышенный срок службы. Резец слева имеет 3 режущие пластины, резец справа оснащен двумя таким пластинами. Эти резцы являются новацией, и сейчас с шахтами ведутся переговоры на предмет организации испытаний.

Изучаются перспективы упрочнения резцов передовыми методами и средствами повышения прочности металлических поверхностей изделий [6-8]. Пробные партии резцов готовятся к испытаниям в шахтных условиях.

В качестве организационных мероприятий, способствующих продлению срока службы шахтных резцов, предлагается создание специальных виртуальных стендов с современным программным обеспечением для подготовки молодых и повышения квалификации возрастных комбайнеров [1]. Требуется уделить внимание

обучению и развитию навыков машинистов комбайнов при выборе рациональной схемы отработки забоя в зависимости от структуры массива, его прочности, угла падения пласта. Важным является овладение операторами режима стабильной подачи исполнительного органа на забой, равномерного его перемещения без лишних динамических нагрузок, удержания оптимальной толщины реза на различных скоростях вращения короны. Освоение передовых приемов выравнивания контуров выработки и дробления негабаритов будут способствовать сохранению рабочих кондиций резцов в течение большего срока службы.

Необходимо пересмотреть регламент обслуживания короны комбайна с сокращением межосмотрового периода. Своевременное обнаружение неисправных резцов требует обследования рабочего органа не только перед началом работы, но и два и более раз в течение рабочей смены в зависимости от крепости разрушаемой породы и производительности комбайна. Введение системы поощрения комбайновых бригад и звеньев за бережное использование горно-режущего инструмента также будет способствовать увеличению ходимости резцов и ресурса самого комбайна.

Рисунок 5 - Резцы РГП с головками, усиленными режущими пластинами

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Габов, В. В. Особенности эксплуатации проходческих комбайнов на шахтах ОАО «Воркутау-голь» / В. В. Габов, Д. А. Задков, Ю. В. Лыков [и др.] // Горное оборудование и электромеханика. - 2008. - №12. - С.2-6.

2. Крестовоздвиженский, П. Д. Некоторые результаты наблюдений за работой очистных комбайнов на шахтах Кузбасса / П. Д. Крестовоздвиженский // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. -№6. - С.120-123.

3. Хорешок, А. А. Влияние условий эксплуатации горных комбайнов на конструкцию их исполнительных органов / А. А. Хорешок, А. М. Цехин, А. Ю. Борисов // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. - №6. - С.2-5.

4. Режущий инструмент для горных пород. Горное делоЛС 100/ Каталог продукции фирмы Санд-вик. - 2008. - 52 с.

5. Прокопенко, С. А. Повышение эффективности комбайновой отбойки угля и вмещающих горных пород в шахтах: учебное пособие / С. А. Прокопенко - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 128 с.

6. Aksenov, V. V. Estimation of torque variation of geohod transmission with hydraulic drive / V. V. Aksenov, M. Y. Blashchuk, M. V. Dubrovsky // Applied Mechanics and Materials. - 2013 - Vol. 379. - p. 11-15

7. Ryabchikov, A. I. Equipment and methods for hybrid technologies of ion beam and plasma surface materials modification / A. I. Ryabchikov, I. B. Stepanov // Surface and Coating Technology. - 2009. - V. 203. № 17/18. - p. 2784-2787.

8. Chinakhov, D. A. Study of thermal cycle and cooling rate of steel 30HGSA single-pass weld joints / D. A. Chinakhov, // Applied Mechanics and Materials. - 2011.-Vol. 52-54. - p. 442-447.

MINE ROCK MASS CUTTING SAFETY AND EFFICIENCY ENCREASE

Prokopenko S.A., Shlapakov P.A.

The results of coal cutting and rock heading machines extent and character of cutter wear at Vorkuta and Kuzbass are shown. Reasons of low service life of mining cutting tools are revealed and it's influence on safety and efficiency of coal and rock breakage is shown. The decisions and measures to improve the cutter design and the process of their operation in mines are suggested

Key words: MINE, HEADING MACHINE, CUTTER, SAFETY, EFFICIENCY, MINE ROCK MASS

Прокопенко Сергей Артурович e-mail: sibgp@mail.ru

Шлапаков Павел Александрович e-mail: shlapak1978@mail.ru