МЕХАНИЗИРОВАННАЯ КРЕПЬ ДЛЯ КРУТЫХ ПЛАСТОВ
POWERED ROOF SUPPORT FOR STEEP SEAMS

Изобретение относится к угольной промышленности, в частности к области механизированного крепления очистных выработок при выемке угля из мощных и средней мощности крутых пластов, в условиях подвижной блочной кровли, с динамическим проявлением горного давления.
На крутом падении в условиях перепуска пород с верхнего отработанного ранее горизонта и подбучивания кровли пласта на ¾ части лавы предположительно не должно быть высоких нагрузок на крепь. Естественно, что ученые ВНИМИ рекомендовали снижать несущую способность крепи до 30 т на секцию. Однако при испытаниях крепей АК-3 и КПК наблюдались частые раздутия гидростоек, что позволило ученым КузНИУИ сделать выводы о повышении несущей способности крепи до 60 т на секцию [6, 7]. Особенностью обрушения такой кровли является большая подвижность блоков и образование арочных структур в выработанном пространстве с передачей веса обрушенных пород на крепь, что приводило к гидроударам и раздутию гидростоек. По нашему мнению, необходимо повышать не сопротивление крепи, а приспособляемость крепи к динамическим проявлениям горного давления за счет «обрезания» консоли зависших за крепью пород, облегчения крепи за счет улучшения конструкции и применения полимеров, а также замены гидростоек пневматическими элементами распора.
Актуальность изобретения:
«…создание эффективных средств механизации для добычи угля из крутых пластов представляет собой сложнейшую научную и конструкторскую проблему, причем не только в России, но и за рубежом.
До настоящего времени не создано эффективной техники и безопасной технологии для отработки крутых пластов. Поэтому во многих угледобывающих странах такие пласты не отрабатываются, а консервируются. Проблема создания средств комплексной механизации для отработки крутых пластов остается актуальной и для Кузбасса» (из документов Департамента угольной промышленности и энергетики Кузбасса, 2008). - 21 век - ВЕК УГОЛЬНОЙ ЭНЕРГЕНИКИ, - сказал 14 февраля 2011 по ТВ академик теплоэнергетики РАН Леонтьев А.И. Последние исследования ученых показывают, что в залежах угля имеется значительное содержание золота и иных ценных для промышленности металлов. Вот поэтому мы - технари упорно изобретаем средства механизации в условиях разрушенной индустрии, закрытия шахт и отсутствия Министерства угольной промышленности. Мы верим, что разрушителей сменят правители-созидатели.
Мощные крутые пласты традиционно отрабатываются подэтажными штреками - 7,68%, бессекционными эластичными щитами и секционными жесткими щитами - 50-60% добычи.
Для выемки мощных и средней мощности крутых пластов в условиях, где невозможно применение систем разработки с обрушением, - в постоянных целиках - 53%, под застроенной поверхностью и на участках под пожарами применяются системы разработки с закладкой выработанного пространства наклонными слоями [1, 2]. Нагрузка за забой на мощных крутых пластах не превышает 9-11 тыс. т в мес, производительность труда рабочего около 10 т в смену (по добычному участку), потери в недрах составляют 40-45% [3].
Причина низкой эффективности систем заключается в отсутствии средств механизации основных технологических процессов.
Одним из направлений механизации технологических процессов выемки крутых мощных пластов является создание механизированных крепей на основе опыта создания механизированных крепей для крутых пластов средней мощности.
Особенности разработки мощных пластов столбами по простиранию с обрушением кровли следующие. Объем вынимаемого угля кратно увеличивается. Значит, подбучивание основной кровли уменьшается, что приводит к большим зависаниям кровли, бурному динамичному проявлению горного давления и увеличению нагрузок на крепь…
Увеличение высоты крепи и ее металлоемкости приводит к увеличению опрокидывающего момента и склонности крепи к сползанию.
Известна механизированная крепь для крутых пластов [4], включающая базовый став, разделенный на базовые секции, каждая из которых состоит из передней и завальной стенок с пневмостойками распора и хвостовиков, соединяющих переднюю и завальную стенки по почве пласта, и линейные секции, каждая из которых состоит из верхняка, башмака, элемента распора в виде ряда пневмостоек, оградительного элемента в виде капсулы аппаратного отсека, элемента раздвижности в виде пневмоподъемника с замком-фиксатором, плоской рамы с роликовыми опорами на амортизаторах, имеющих возможность перемещаться внутри хвостовиков базовой секции, отличающаяся тем, что элемент распора состоит из многокамерной пневмоподушки, вставленной в вогнутую полость верхняка и выполняющей роль гибкого шарника, и расположенной под ним системы однокамерных пневмоподушек, разделенной жесткими тонкими дисками на ярусы, несущая способность которых возрастает, в направлении от верхняка к основанию секции крепи.
Такая крепь устойчива, хорошо приспособлена к динамическим проявлениям горного давления, однако наличие жесткого верхняка не улучшает контакта крепи с блочной кровлей и не уменьшает зависания консолей и блочных структур над крепью.
Аналогичными свойствами обладает и крепь [5], включающая базовые и линейные секции. Отличительными особенностями крепи являются:
1. Подвижная опора состоит из двух облегченных дисков, посаженных через подшипники на ось, между которыми сверху находится прижимная планка с пружинами, передающая их усилия на ту же ось опоры через подшипник, находящийся под ней.
2. Между капсулой и опорной плитой линейной секции находится раздвижной колпак с гидравлическим штопорным устройством, внутри которого находится амортизационная подушка, служащая одновременно и элементом раздвижности линейной секции.
3. На завальной стенке установлен органный ряд легких гидростоек распора, что способствует «обрезанию» зависших пород на границе призабойного пространства лавы.
Преимущества той или другой конструкции могут быть выявлены лишь при их эксплуатации. А недостатки одинаковы - наличие жесткого верхняка, весьма громоздкая базовая секция с раздвижными траверсами и использование гидростоек, что утяжеляет крепь и ухудшает ее устойчивость. В данной крепи сделана попытка устранения зависания пород над крепью путем пробивки органного ряда гидростоек. Эта идея полезна, и изобретение [5] является наиболее приемлемым в качестве прототипа.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ - создание устойчивой и работоспособной механизированной крепи, наиболее приспособленной для разработки крутых пластов мощностью до 6 м длинными столбами по простиранию с блочным обрушением кровли.
Поставленная цель достигается тем, что завальное ограждение базовой секции выполнено в виде раздвижного пневматического ножа, наиболее эффективного для « обрезания» консолей и блочных структур зависших над крепью; предлагается над верхняком линейной секции проложить толстый слой эластичного полиуретана или синтетического каучука, что должно улучшить контакт крепи со ступенчатой блочной структурой кровли; применение тонкой прочной пленки с ребрами жесткости в виде полимерных обручей в качестве пневматической стойки из углепластиков, позволяет обеспечить необходимую для мощных пластов раздвижность крепи и значительно облегчить крепь в целом. В качестве механизма передвижки крепи предлагается использовать манипулятор с захватами, который размещается на основании базовой секции. После выемки полосы угля и разгрузки линейной секции манипулятор переносит линейную секцию к забою и устанавливает в строго перпендикулярном положении к почве пласта и с необходимым смещением по восстанию. После распора линейной секции манипулятор подтягивает разгруженную базовую секцию. Также манипулятор используется для производства монтажных и демонтажных работ в лаве. Большинство элементов крепи должны быть выполнены из полимеров, а силовые гидравлические элементы заменены на пневматические. В этом резерв облегчения крепи и повышения ее устойчивости.
Выемка угля осуществляется аппаратом физического разрушения. Управляющая электроника ограждена от виброударных воздействий покрытием корпуса капсулы слоем пористой резины или полимером.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен вертикальный разрез секции крепи, на фиг.2 - вид на завальное ограждение с разрезом, на фиг.3 - вид на крепь сверху с разрезом.
Крепь состоит из базовых и линейных секций, а также механизма их передвижки. Крепь включает:
эластичный слой полимера 1, покрывающий верхняк 2;
пневматическую стойку распора, корпус которой из прочной полимерной пленки 3 с ребрами жесткости в виде полимерных обручей 4;
капсулу аппаратного отсека 5 с открывающимся окном 6, необходимую для работы выемочного органа физического разрушения угля 7 и для ремонта;
башмак 8, представляющий собой утолщенное днище капсулы 5;
уровень почвы пласта условно показан линией 9;
пневматический раздвижной нож 10 с рядом пневмоподушек 11, размещенных внутри него;
манипулятор 12 с захватами 13, установленный на основании базовой секции 14.
Предлагаемая механизированная крепь имеет следующие отличительные особенности.
Во-первых, завальное ограждение базовой секции выполнено в виде пневматического раздвижного ножа с рядом пневмоподушек в качестве элемента распора.
Во-вторых, линейная секция имеет в качестве элемента распора пневмостойку, представляющую собой рукав полимерной пленки, армированный полимерными обручами, которая опирается на капсулу аппаратного отсека, при этом верхняк линейной секции покрыт эластичным полимерным слоем.
В-третьих, механизм передвижки представляет собой манипулятор с захватами, установленный на основании базовой секции, который переносит линейную секцию вслед за подвиганием забоя и следом подтягивает базовую.
Ход работ
Выемочный цикл начинается с разрушения угля физическим способом типа лазера, ультразвука или струи воды высокого давления. Аппаратура управления выемочным органом расположена в капсуле 5. Доставка угля по лаве на крутом падении осуществляется самотеком. Вероятно, что полоска разрушенного угля будет составлять не более 15-20 см, выемочный цикл будет короткий, что не позволит иметь высокие нагрузки на крепь, но потребует высокие скорости подвигания забоя.
При передвижке крепи разгружается пневмостойка 3, линейная секция манипулятором 12 переносится к забою и распирается. Затем манипулятор, опираясь захватами 13 на распертую линейную секцию, подтягивает базовую секцию, при этом пневматический нож разгружается.
Коррекция крепи по восстанию пласта и по углу установки линейной секции легко осуществляется манипулятором. Все монтажные и демонтажные работы в лаве осуществляются с помощью того же манипулятора.
Техническая и экономическая польза от внедрения данного изобретения очевидна: из-за отсутствия работоспособных крепей огромные запасы угля в крутых пластах консервируются. Наступят времена, когда уголек спасет человечество.
Источники информации
1. Совершенствование разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса. Сборник трудов. Прокопьевск, 1972.
2. Хорин В.Н. Развитие техники для подземной добычи угля, калийных и марганцевых руд. М.: Недра, 1985, с.148-167).
3. Орлов А.А. и др. Крепление и управление кровлей в комплексно механизированных очистных забоях. - М.: Недра, 1993, с.217-279.
4. Патент RU 2447288C1. E21D 23/00, Бюл. №10, 2012.
5. Патент RU 2461714C1. E21D 23/00, Бюл. №26, 2012.
6. К.А. Ардашев, А.А. Перфилов (ВНИМИ), А.М. Долинский (Гипроуглемаш). Результаты испытаний агрегата АК. М., «Горные машины и автоматика», 3, 1972.
7. 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.