Развитие способов отделения угля от массива добычными машинами

Рассмотрим на примере, что в этом случае будет происходить (рис. 3, а, б). Если во время распора второй секции угол относительно перекоса достигает 6°, то 83 мм будут компенсированы за счет складывания верхних гидропатронов, а остальные 22 мм - за счет перекоса стойки относительно основания (рис. 3, а). Однако возможен и второй вариант расположения секций в профильной плоскости, когда при распоре второй секции (рис. 3, 6) будет уменьшаться зазор /по основаниям.

Очевидно что, такой вариант расположения секций крепи в конечных положениях может приводить к заклиниванию линейных секций при их многократных передвижениях. В этом случае необходимо при распоре секций включить верхние гидропатроны (от передвигаемой секции) на основаниях секций, чтобы компенсировать уменьшение зазора. В профильной плоскости происходит смещение оснований относительно верхняков, что вызывает перекос секций крепи относительно оси.

Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что управление гидропатронами нужно производить в следующем порядке:

Рис. 3. Боковая устойчивость секций крепи со связями скользящего типа

а) при монтаже крепи в лаве необходимо, чтобы все гидропатроны по основаниям и верхнякам имели максимальную раздвижность;

б) во время движения секции нижние гидропатроны по основанию и верхняку секции гидравлически раздвигаются, а верхние связаны со сливом или принудительно складываются;

в) в конечном положении шага секции нижние гидропатроны по основанию от передвигаемой секции гидравлически раздвигаются до максимальной величины, а нижние гидропатроны верхняка остаются запертыми;

г) во время распора секции нижние гидропатроны от передвигаемой секции гидравлически заперты, а верхние - раздвигаются.

Эти исследования показывают, что при проектировании кинематических схем ОМК должно учитываться их пространственное устройство, а основной может быть только одна кинематическая схема комплекса в плоскости пласта.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------

Винников Е.И. - доцент, кандидат технических наук, филиал Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета) «Воркутинский горный институт».

-------------------------------------------- © В.В. Габов, С.Л. Иванов,

Д.А. Задков, А.А. Банников,

2005

УДК 622.236.001.5

В.В. Габов, С.Л. Иванов, Д.А. Задков, А.А.Банников

РАЗВИТИЕ СПОСОБОВ ОТДЕЛЕНИЯ УГЛЯ ОТ МАССИВА ДОБЫЧНЫМИ МАШИНАМИ

Семинар № 16

ш Ж роблемы минимизации затрат на

Л. Л. добычу угля требуемого качества (снижение энергоемкости, зольности, выхода мелких классов, повышение устойчивости технологического процесса) возникли с момента создания первых средств механизации тяжелых ручных работ в очистных забоях шахт. Ни одна из названных проблем не может считаться решенной и сейчас при повсеместном освоении современных высокопроизводительных и высокоэнерговооруженных очистных механизированных комплексов.

Для изыскания новых более прогрессивных технических решений комплексной механизации очистных работ необходим анализ опыта, который был накоплен при создании и развитии выемочных машин. В литературе достаточно хорошо рассмотрен исторический анализ развития выемочной техники с позиций компоновки и их конструкторской проработки, но при этом, недостаточно исследованы особенности развития способов отделения угля от массивов (СОУМ), являющихся основой технологического процесса в очистном забое. Под СОУМ понимается последовательность пространственных перемещений исполнительного органа при разрушении массива (в данном случае резанием) с выполнением необходимых маневровых операций и соответствующие “подвигания” поверхности локального очистного забоя [1]. Резание углей считается наименее энергоемким и наиболее эффективным по сравнению с другими способами и, как следствие, наиболее востребованным на каждом этапе развития выемочных машин.

Для сравнительной оценки совершенства способов могут быть использованы абсолютные и относительные показатели [1], характеризующие уровень интенсивности процесса по производительности, энергопотреблению в целом по забою и в его активной зоне, удельному расходу энергии, качеству угля по гранулометрическому составу, зольности и др. В данном случае будем рассматривать способы только с

позиции удельного расхода энергии (И№), качества угля по гранулометрическому составу ( Т]гр ), ЗОЛЬНОСТИ ( Т]3 ) и устойчивости

процесса в очистном забое при заданной его интенсивности (производительности).

Удельный расход энергии при добычи угля очистными комбайнами может быть определён (рис. 2) по известным отноше-

А В

+ — . Здесь Р

ниям: Вш = ср/гП п---------т —

* /60  0. ки  и к

- мощность потока энергии, потребляемой из сети двигателем, кВт; р - соответствующая осредненная производитель-

ность выемочной машины при непрерывной работе, т/мин; А, В - параметры энергетической характеристики выемочной машины; КИ - коэффициент, зависящий от толщины среза И; К = 60 Вз Н у; Вз - ширина захвата исполнительного органа, м; Н - мощность пласта, м; у - плотность угля в массиве, т/м3.

Для оценки способа по фактору качества угля по гранулометрическому составу или зольности введём следующий показатель:

' Цц

ъ =-н——,

I Ц,

1=1

где ) - индекс учитываемого фактора оценки качества угля; 1 = 1, 2, 3, ..., п -номер фракции по какому-либо из рассматриваемых факторов качества; -

количество угля в наиболее ценной фракции в общем объеме добываемого угля, т; Цк - цена наиболее ценной фракции угля, руб/т; 0|;- количество угля 1-ой фракции по рассматриваемому фактору качества в общем объеме, т; Ц|1 - цена отдельной фракции угля по рассматриваемому фактору качества, руб/т.

Все другие 1-е фракции сравниваются с лучшей фракцией к, которую целесообразно принять в качестве базы для сравнения. При этом 1-^ является относительной оценкой потерь от снижения качества добываемого угля по | фактору качества.

Используя в качестве показателя эф-

фективности процесса очистных работ производительность рабочего очистного забоя во времени профессор Г.И. Ягодкин чётко выделил три этапа развития средств механизации очистных работ и соответствующих технологий: буровзрывной, комбайновой и комплексно-

механизированной [2].

Начало первому этапу было положено применением буровзрывной отбойки с опережающим оформлением во времени вруба. Была сформулирована фронтальная широкозахватная буровзрывная технология в длинных забоях, которая характеризовалась цикличностью, многооперационно-стью, большим объемом ручных работ (погрузка, крепление, управление кровлей, породовыборка, бурение шпуров, зарядка, доставка взрывчатых веществ). Но при этом увеличилась интенсивность работ, нагрузка на забой и шахту.

Зольность добытого угля снижалась породовыборкой непосредственно в забое. Качество угля по гранулометрическому составу и снижение выхода негабаритов формировалось целесообразным расположением шпуров в забое и распределением взрывчатых веществ в шпурах. Понятие удельного расхода энергии на добычу еще не сформировалось. Особенности этой технологии примем за исходные при анализе последующих способов отделения угля от массива при его добыче.

Создание врубовых машин и проведение механическим способом опережающей щели привело к внедрению в практику ведения очистных работ способ «широкозахватный фронтально-фланговый, с буровзрывной технологией обрушения угля на врубовую щель». В результате значительно уменьшился объём буровых работ, снизился расход взрывчатых веществ, увеличились коэффициент использования шпура, величина захвата и нагрузка на забой. Производительность труда возросла в

1,5 раза. Общее качество угля по гранулометрическому составу было хорошее. При погрузке угля на конвейер производилась выборка породы, что снижало зольность, а

расположение в забое отбойных шпуров согласовывалось с трещиноватостью угольного массива, структурой пласта, то есть была возможность (хотя и незначительная) осуществления элементов избирательности для улучшения качества процесса. Однако разрушение массива во врубовой щели фрезерованием с малыми толщинами среза 0,5-1,0 см привело к росту удельного расхода энергии и переизмельче-нию (до 80 % штыба) полезного ископаемого. Устойчивость процесса в целом оставалась на низком уровне из-за многоопераци-онности способа. Этот период характерен отработкой удачных конструкций баровых исполнительных органов, приводов резания и подачи. Была доказана сама возможность эффективного разрушения угля резанием.

Начался длительный новый этап развития способов полностью механического разрушения угольного массива в забое и создания угольных комбайнов, механизирующих три основные операции: зарубку, отбойку и навалку угля на конвейер. Первые комбайны создавались на базе врубовых машин и были модернизацией их исполнительных органов - баров [3, 4].

Повышение степени дробления угля и переход на полностью механический способ отделения угля от массива пытались осуществить увеличением количества щелей, т.е. разделением массива на «блоки» по мощности пласта: сначала двухщелевой способ (рис.1, а), затем трёхщелевой, способ с использованием изогнутых и сложных пересекающихся щелей. Однако достаточного дробления и устойчивого процесса отделения угля от массива в целом достичь не удалось даже при 6-ти ба-ровом исполнительном органе (рис. 1, б). Такие способы и исполнительные органы оказались довольно сложными. Изогнутые щели приводили к защемлениям исполнительных органов при осадке блоков. Машины были много-приводными, повысилась энергоёмкость отбойки, технологическая устойчивость процесса выемки оставалась на низком уровне. Общее качество угля по гранулометрическому составу со-

хранялось хорошим. Качество угля по зольности стало снижаться из-за отсутствия породоотборки при погрузке. Машины, создаваемые до 1950 под этот СОУМ, не получили дальнейшего развития.

Устойчивость процесса удалось несколько повысить только с использованием контурного отделения блока угля от забоя кольцевой щелью (рис.1, в) и разрушением блока до кусков заданного размера (рис. 1, г), что должно было исключить выход негабаритов. Эта идея наиболее удачно была реализована

А.Д. Сукачём, М.В. Горшковым и другими в 1948 г. при создании угольного комбайна «Донбасс» флангового типа, который обеспечивал контурное отделение блоков от массива, разделение последних на целики и целиков на транспортабельные куски штангами, снабжёнными дисками и “клеваками” (рис.1, г).

При этом способ разрушения остался тем же - фрезерование с малыми толщинами среза, что привело к большему пере-измельчению угля в щелях и, как следствие, к высокой энергоёмкости отбойки (до 2-2,5 кВт-ч). Качество угля по гранулометрическому составу несколько снизилось, а по зольности осталось на том же уровне, что и в предыдущем этапе. Массовое внедрение широкозахватных комбайнов, обеспечивающих полное механиче-

ское разрушение угля до транспортабельных кусков, одновременную их погрузку на конвейер и транспортировку, привело к увеличению производительности труда в 2 раза по сравнению с предыдущим периодом. На этом возможности способа были исчерпаны, этап развития широкозахватных комбайнов и соответствующий рост производительности и эффективности очистных работ закончились.

Малая скорость подачи баровых комбайнов, неэффективная и сложная погрузка, трудности с креплением призабойного пространства, явно выраженная цикличность, отсутствие селективности и избирательности, неустойчивость технологического процесса предопределили переход ко второму комбайновому этапу - узкозахватной выемке. Этому способствовало создание неразборных изгибающих конвейеров и механизированных крепей, что существенно снизило объём ручных работ в забое и, особенно на сопряжениях лавы со штреками.

В 1953-1965 гг. происходит быстрое развитие узкозахватных комбайнов с барабанными и шнековыми исполнительными органами, разрушающими уголь резцами по всей поверхности забоя -сплошным фрезерованием снятием стружек серпообразной формы.

Рис. 1. Способы отделения угля от массива выемочными машинами

Преимущественное развитие получили комбайны со шнековыми и барабанными исполнительными органами с горизонтальной осью вращения. Исполнительные

органы этих машин были более просты по конструкции, осуществляли отбойку угля, погрузку его на конвейер и обеспечивали более высокую производительность. Вы-

ход негабаритов резко снизился, устойчивость технологического процесса повысилась. Толщина среза оставалась недостаточной для обеспечения наименьшего удельного расхода энергии на разрушение (рис. 2, зона I [1]). При этом интенсивность фрезерования, а, следовательно, и измельчение угля только возросли. Выход штыба у шнековых комбайнов составляет 35-60 %. Удельный расход энергии вырос. Невозможна селективная выемка и избирательность обработки забоя. Устойчивость технологического процесса очистных работ довольно высокая. В зависимости от горно-геологических условий коэффициент машинного времени достигает значений Км = 0,2...0,6. Однако значения коэффициента работы комбайнов в номинальных режимах работы остается весьма низким.

Попытки снижения удельного расхода энергии и выхода мелких классов угля увеличением толщины среза и отказом от его серпообразной формы не привели к положительным результатам: комбайны крупного скола оказались ненадежными в работе из-за чрезмерной динамики нагрузок, а буровые комбайны (БК-52, БКТ (рис. 1 с), е) не могли составить конкуренцию более простым и надежным шнековым комбайнам. Но было у них одно положительное качество

- меньшая энергоёмкость разрушения из-за постоянной толщины среза и скалывания целичков. В лучших образцах удельный расход энергии уменьшился до 0,2кВт-ч/т, а выход штыба снизился до

12,5 %.

Рис. 2. Зависимость удельного

расхода энергии от толщины среза: кривая 1 - для комбайнов типа ГШ68, РКУ; кривая 2 - для одиночного резца; 3 - огибающая парабола для роторных машин

В настоящее время выемочные комбайны с роторными исполнительными органами, получившими наибольшее распространение, разрушают массив сплошным фрезерованием серпообразными срезами со скоростями резания 2-4 м/с и, как следствие, с большим выходом мелких классов угля и пылеобразованием. Скорость резания практически постоянна, что соответствует структуре самого привода. Усилия резания изменяются в большом диапазоне.

Так если обратиться к рис. 2, область графика в зоне I отражает процесс работы современных роторных добычных комбайнов. Из графика видно, что снижение энергоёмкости возможно увеличением толщины срезов до 80 мм (зона II) и более. Но для современных роторных машин увеличить толщину среза до необходимых 80-100 мм не представляется возможным, т.к. резко возрастает динамика нагрузок в трансмиссии машин, что уменьшает их ресурс. Серповидное сечение среза приводит к изменению удельного расхода энергии в зависимости от угла поворота исполнительного органа (кривая 3, рис. 2) и является одной из причин выделения

мелкодисперсной пыли и перегрева резцов в процессе разрушения массива. Осред-нённое значение Ип за единичный срез представлено точка Кис изменением толщины среза (скорости подачи) - кривой 1. Следовательно, для дальнейшего снижения энергоёмкости необходимо отказаться от серпообразных по форме срезов и увеличить толщину среза до 80 мм и более (зона III, кривая 2 и точка К' рис.2). Дальнейшее снижение энергоемкостью связано с избирательностью обработки забоя по площади сечения локальных забоев и по времени (зона IV, рис. 2).

Обобщая результаты анализа, можно утверждать:

- рассмотренные СОУМ в конечном итоге оказались недостаточно эффективными вследствие малой толщины и нерациональной формы срезов, а также несогласованности направлений срезов к направлениям систем трещиноватостей и слоистости угольных пластов, что обусловило повышенный удельный расход энер-

1. Габов В.В. Способы разрушения угля для создания модульных комплексов // Монография / СПб.:СПГГИ(ТУ), 1999. - 103 с.

2. Ягодкин Г. И. О влиянии механизации очистных работ на производительность труда // Науч. тр./ ИГД им. Скочинского. - 1983. -Вып.223.- С. 75-78.

3. Докукин А.В., Фролов А.Г. Создание и развитие угледобывающих комбайнов. - М.: Недра, 1984. - 160 с.

ГИИ и выход большого объема мелких фракций угля;

- разрушение массива сплошным фрезерованием ограничивает возможность увеличения толщины среза, исключает возможность избирательности обработки забоя и селективности выемки угля, а постоянная скорость резания обусловливает высокую динамику нагрузок;

- невозможность избирательной обработки забоя и селективной выемки угля являются основной причиной повышения зольности и расхода энергии.

Одним из возможных направлений решения этих проблем может быть применение избирательных способов отделения угля от массива, осуществляемых фронтальными комплексами модульного исполнения [5]. Выемочные модули комплексов с гидравлическими объемными приводами обеспечивают толщину среза более 80 мм, квазистатические усилия резания, включая стопорные режимы, при этом скорость резания может изменяться в широких пределах.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Зворыкин А.А. Очерки по истории советской горной техники. - М. -Л.: Изд-во АН СССР, 1950. - 539 с.

5. Габов В.В., Тужиков В.Ф., Задков Д.А. Классификация способов отделения угля от массива выемочными модулями. «Неделя горняка» // Горный информационно-анали-тический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - 2003. - №.6. - С. 147150.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Габов В.В. - доктор технических наук, зав. кафедрой,

Иванов С.Л. - профессор, доктор технических наук,

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет) (СПГГИ (ТУ)).

Задков Д.А., Банников А.А. - инженеры,

филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт».