НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ
Кіяшко Юрій Іванович
УДК [622.232.8:622.333](043.5)
НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ПРИНЦИПИ СТВОРЕННЯ ВИСОКОПРОДУКТИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
ОЧИСНОЇ ВИЇМКИ ВУГІЛЬНИХ ПЛАСТІВ
05.15. 02 - "Підземна розробка родовищ корисних копалин"
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Дніпропетровськ – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки Національної Академії наук України (ІГТМ НАН України).
Науковий консультант –
Офіційні опоненти :
Провідна організація – Комплексний науково-дослідний і проектно-
конструкторський інститут по проблемах Центрально-
го району Донбасу (ДонНДІ) Міністерства палива
і енергетики України, лабораторія підготовки і
систем розробки, м. Горлівка.
Захист відбудеться "23" листопада 2001 р. о 13 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а,
факс (0562)46-24-26.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІГТМ НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.
Автореферат розісланий " " жовтня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук Перепелиця В.Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Гарантоване забезпечення народного господарства України вугіллям - головна задача його видобувної галузі. Проте, реалії сьогодення полягають в тому, що видобуток вугілля зменшився в порівнянні з 1976 роком більш, ніж у 3 рази, значно - із 32 до 40-42 % збільшилася зольність гірської маси, зросла собівартість її видобутку. Збільшилися видатки "витрати на матеріали", "споживання енергії і палива", "послуги виробничого характеру", "інші витрати". Змінилася структура штату через відтік висококваліфікованих гірників. Незважаючи на те, що рівень видобутку вугілля із пластів середньої потужності підвищується, питомі виробничі витрати збільшились, а продуктивність роботи при відпрацюванні малопотужних пластів навпаки - зменшилась. Сукупність зазначених чинників свідчить про необхідність суттєвого підвищення технічного рівня галузі, у тому числі на базі нових технологій і техніки для шахт.
Суттєвий внесок у вирішення цих задач внесли фахівці Міністерства палива і енергетики України, ДонВУГІ, Національної гірничої академії України, Дондіпровуглемашу, ДонНДІ, Автоматгормашу, Дніпродіпрошахту, ІГТМ НАН України, Дружковського, Горлівського, Ясинуватського, Свердловського, Новокраматорського машинобудівних заводів, інших підприємств. Ними удосконалюється існуюча техніка, у тому числі очисні комбайни, механізоване кріплення, прохідницькі, транспортні, закладальні машини, інші пристрої для механізації вуглевидобутку, застосування яких дозволило покращити показники роботи очисних, підготовчих і транспортних ланок. Але, незважаючи на широке використання серійних та удосконалених машин, у тому числі нових комплексів, основні проблеми вуглевидобутку - низька продуктивність праці, висока зольність гірської маси, а також трудо -, матеріало - і енергомісткості, що формують собівартість її видобутку, не вирішені. Пошук нетрадиційних, відносно недорогих техніки і технологій для суттєвого підвищення ефективності роботи шахт ведеться вже декілька десятків років (бурошнекові машини, скреперо-струги, канатні пилки, машини камерно-стовпової виїмки, гідроімпульсні установки і т.п.). Проте вся ця техніка і технології її застосування не можуть бути використані у очисних технологіях через низьку продуктивність, обмежену область застосування, а також по інших причинах. До того ж, в сучасних умовах з'явилися нові задачі – підвищення рівня продуктивності, зменшення фондомісткості виробництва, підвищення прибутків від роботи шахт, зниження обсягів використання лісових, металевих матеріалів, кабельної і іншої дорогої продукції, інтенсифікація охорони навколишнього середовища та інші. Отже, в сучасних умовах необхідні нові високоефективні технології очисної виїмки вугільних пластів вугілля.
Одним із загальновизнаних шляхів розвитку вуглевидобувних техніки і технологій є синтез техніко-технологічних рішень на базі створення очисних комплексів нового технічного рівня, багатофункціональних машин і систем з ефективним їх використанням в умовах шахт. Таке виробництво характеризується високою безпекою праці, надійністю і продуктивністю, низькою енергомісткістю, меншою щільністю підготовчих виробок, можливістю відробки пластів різної форми, суттєвим зменшенням обсягу монтажно-демонтажних робіт. Для виїмки вугілля у вітчизняних шахтах вищезазначених технологій поки що немає. Тому розробка науково-технічних принципів створення високопродуктивних технологій очисної виїмки вугільних пластів для підвищення рівня видобутку і зниження його собівартості є актуальною науково-прикладної проблемою, що має важливе народногосподарське, соціальне та галузеве значення.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана в межах Державної науково-технічної програми "Створити і впровадити технологію і технічні засоби, що забезпечують екологічно чисті процеси видобутку і переробки корисних копалин за рахунок застосування безвідхідних технологій і утилізації відходів промислових виробництв" відповідно до “Пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки України” та Цільової комплексної програми “Розвиток закладальних робіт при очисній виїмці і проведенні виробок на шахтах Донбасу на період 1983-1990 років і до 2000 року”, затвердженої Мінвуглепромом України від 16.11.83 року і спільною постановою Мінвуглепрому і Дніпропетровського облвиконкому № 28/171 від 25.04.1988 року про заходи для поліпшення охорони природи у Дніпропетровському регіоні.
Ідея роботи полягає у використанні виявлених закономірностей сталого розвитку засобів комплексної механізації для обгрунтування нових виду побудови і порядку роботи очисного обладнання при виїмці вугільних пластів шляхом застосування очисного і прохідницького обладнання нового технічного рівня.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка науково-технічних принципів створення високопродуктивних технологій очисної виїмки вугільних пластів, які дозволяють підвищити надійність і ефективність роботи шахт при застосуванні очисного і прохідницького обладнання нового технічного рівня.
Для досягнення зазначеної мети вирішували такі задачі:
1) установити тенденції і закономірності сталого розвитку засобів комплексної механізації підземного видобутку вугілля і обгрунтувати необхідність застосування обладнання нового технічного рівня для розробки вугільних пластів;
2) оцінити ефективність застосування існуючих комплексів і запропонованих систем машин по чинниках “продуктивність праці”, “надійність”, “термін окупності капвитрат”, “собівартість”, “потужність пласту” і іншим;
3) установити закономірності технологічних і геомеханічних процесів, які протікають у виробках та гірському масиві при інтенсифікації очисної виїмки;
4) розробити науково-технічні принципи створення високопродуктивних технологій для ефективної розробки вугільних пластів та техніко-технологічні вимоги до параметрів очисного обладнання цих технологій;
5) розробити раціональні принципові схеми і визначити параметри обладнання для шахт нового технічного рівня;
6) обгрунтувати економічну доцільність застосування запропонованих високопродуктивних технологій.
Об'єкт досліджень – техніка і технології виїмки вугільних пластів.
Предмет досліджень – технологічні і геомеханічні процеси, які протікають у виробках і гірському масиві при високопродуктивних технологіях виїмки вугільних пластів з застосуванням обладнання нового технічного рівня.
Методи досліджень – аналіз характеристик роботи шахт для визначення тенденцій сталого розвитку технічних засобів і способів вуглевидобутку, моделювання основних процесів вуглевидобутку на ПЕОМ для встановлення закономірностей технологічних і геомеханічних процесів, які протікають у виробках і гірському масиві; інструментальні виміри параметрів основних машин очисних комплексів; шахтні дослідження параметрів технологічних процесів очисної виїмки, у тому числі із закладанням виробленого простору; лабораторні та шахтні дослідження характеристик закладального матеріалу для розробки вдосконалених технологій керування поведінкою гірських порід в очисних вибоях; системний підхід до розробки нових принципів поточної виїмки для реалізації ефективної праце-, матеріало- і енергозберігаючої підземної розробки вугільних пластів.
Наукові положення, які захищаються автором:
1. Коефіцієнт корисної дії технологічних ліній підземного комплексу шахти обернено пропорційний щільності підготовчих виробок, що проводяться, зменшується в гіперболічній залежності при збільшенні технологічної зольності потоку гірської маси і монотонно збільшується при зменшенні кількості послідовно з'єднаних машин у структурі кожної технологічної лінії.
2. Потік вугілля, що надходить із лави, характеризується переривчастістю, інтенсивність якої залежить від виду побудови технологічної системи машин - у комплексно-механізованих лавах переривчастість логарифмічно збільшується з ростом кількості машин у лінії, а у вибої, що обслуговуються гнучкою системою автономних багатофункціональних машин (САБФМ), - гіперболічно зменшується при збільшенні кількості машин у системі і при усередненому коефіцієнті готовності кожної машини 0,95 потік вугілля практично безупинний.
3. Максимально припустима кількість машин у технологічній лінії вуглевидобутку за критерієм “задана продуктивність” визначається відношенням експлуатаційного навантаження на лінію до продуктивності руйнуючої машини, параболично збільшується з ростом коефіцієнта готовності кожної машини в лінії і збільшується в показниковій залежності з ростом продуктивності руйнуючої машини.
4. Коефіцієнт готовності Кг комплексно-механізованого очисного вибою, що визначає його експлуатаційну продуктивність, зменшується в гіперболічній залежності від кількості машин у технологічній лінії, а Кг лав, обладнаних гнучкими САБФМ, навпаки, - монотонно збільшується з ростом числа машин у вибої.
5. Опускання безпосередньої покрівлі в лавах тонких положистих пластів при закладанні виробленого простору блоками знаходиться в логарифмічній залежності від глибини очисних робіт і зменшується в показниковій залежності з ростом питомого опору закладального блоку, який визначається коефіцієнтом зчеплення часток, що його складають.
Наукова новизна одержаних результатів:
1) встановлено, що прагнення до повної механізації основних і допоміжних процесів у технології розробки призводить до значного росту довжини ланцюгів машин і, як слідство, до зменшення структурної надійності, яка визначає продуктивність шахти по чинниках “технологічна перерва”, “наробіток на відмову”, “час відновлення” і іншим;
2) встановлені особливості процесів створення вуглевидобувного устаткування, які полягають у наступному: на базі декількох однофункціональних машин для руйнування, навантаження, транспорту вугілля, породи і керування покрівлею синтезується проект однієї багатофункціональної машини; поєднання одно- і багатофункціональних машин призводить до їхньої "гібридизації" і проектування комплексу машин; поєднання множини однотипних багатофункціональних машин призводить до синтезу гнучких технологічних систем із якісно новими властивостями;
3) вперше встановлені залежності коефіцієнта корисної дії технологічних ліній підземного комплексу шахти від щільності підготовчих виробок на горизонті виїмкового поля, зольності потоку гірської маси, що видається шахтою на земну поверхню, кількості машин і коефіцієнту готовності кожної машини в системі, які дозволяють розвинути теоретичні дослідження в області знаходження оптимальних форм дільниць шахтного поля;
4) виявлено якісне розходження в структурах технологічних циклів очисних комплексів і систем незалежно працюючих машин (САБФМ), яке полягає в тому, що коефіцієнт готовності устаткування (Кг) комплексно-механізованого вибою зменшується, а Кг лав, обладнаних САБФМ, - навпаки, збільшується з ростом кількості машин у системі; облік цієї особливості дозволяє проектувати якісно нові системи очисного обладнання для шахт;
5) вперше встановлені залежності між просадкою безпосередньої покрівлі в лавах тонких положистих пластів, глибиною ведення очисних робіт, питомим опором конструкції закладного масиву, зведеного у виробленому просторі лави, іншими параметрами.
Практичне значення отриманих результатів:
1) розроблені і затверджені на рівні галузі методика комплексного визначення характеристик техніко-економічного стану вугільних шахт та рекомендації по їхньому технічному переозброєнню і розвитку, а також технічні вимоги до конструкції і параметрів комплекту механізованого кріплення для лавних і штрекових зон спряження;
2) розроблена і впроваджена в практику наукових досліджень система моделювання основних процесів вуглевидобутку на ПЕОМ при різноманітних варіантах технологій, що дозволило сформувати принципи раціонального програмування застосування на шахтах різнопланового очисного обладнання і розрахувати ефективність його роботи;
3) розроблені науково-технічні принципи створення високопродуктивних технологій підземного видобутку вугілля, які базуються на використанні високонадійних систем із незалежно діючих елементів при скороченні технологічних ліній за рахунок застосування багатофункціональних машин, запаралелюванні роботи окремих машин в одній лінії, забезпеченні стабільної щільності гірського масиву, що розробляється, виборі оптимальних форм горизонтів виїмкового поля, очисних ділянок і розробці раціональної програми їхнього відпрацювання;
4) дано науково-технічне обгрунтування перспективних технологічних систем розробки вугільних пластів виїмково-закладальними комплексами нового технічного рівня, а також розроблені вихідні дані до створення: на базі АФК автоматизованого фронтального агрегату зі з'ємними закладальними модулями, а на базі К103 – очисного комбайну для валової то розподільної відробки пластів;
5) розроблені технічні вимоги до складу устаткування і параметрів виїмково-закладальних комплексів для шахт Західного Донбасу, а також рекомендації по проведенню виїмково-закладальних робіт в умовах тонких положистих пластів.
Результати дисертаційної роботи та розроблені на їх основі рекомендації по створенню високопродуктивних технологій очисної виїмки вугільних пластів реалізовані у вигляді "Вихідних даних до конструкції і параметрів комплекту механізованого кріплення для лавних і штрекових зон спряження (Дніпропетровськ – Донецьк – Павлоград, 1993), "Методики оцінки техніко-економічного стану вугільних шахт України з пластами потужністю до 2,5 м і кутами падіння до 350 для розробки пропозицій по їхньому технічному переозброєнню (Дніпропетровськ, 2001), "Рекомендацій по технічному переозброєнню і розвитку вугільних шахт України, що розроблюють пласти потужністю до 2,5 м з кутами падіння до 350" (Дніпропетровськ, 2001), "Термінового технологічного регламенту вибору складу обладнання, параметрів і режимів експлуатації технічних засобів для кріплення спряжень лав і штреків опорно-анкерним кріпленням в умовах шахт Західного Донбасу" (Дніпропетровськ, 2001), які затверджені на галузевому рівні, а також "Науково-технічного обгрунтування перспективних технологічних схем розробки вугільних пластів виїмково-закладальними комплексами нового технічного рівня" (Дніпропетровськ – Донецьк, 2000), “Вихідних даних до створення на базі К103 очисного комбайна для валового і розподільного відпрацювання пластів” (Дніпропетровськ-Донецьк-Москва, 1984), “Вихідних вимог до розробки на базі АФК автоматизованого фронтального агрегату зі з'ємними закладальними модулями” (Дніпропетровськ-Донецьк, 1990), “Технічних вимог до складу устаткування і параметрів виїмково-закладальних комплексів для шахт Західного Донбасу” (Дніпропетровськ, 1993); “Методики оцінки ефективності застосування різноманітних варіантів технології комплексно-механізованого видобутку і переробки гірської маси для умов шахт Західного Донбасу” (Дніпропетровськ, 1993), “Технологічних схем застосування виїмково-закладальних комплексів на шахтах Західного Донбасу” (Дніпропетровськ, 1995), “Рекомендацій по проведенню виїмкових і закладальних робіт в умовах тонких положистих пластів” (Дніпропетровськ, 1995). Результати дисертаційної роботи впроваджено в проекти дослідно-промислової відробки 746-біс і 719 лав ДВАТ "Шахта Благодатна" ДХК "Павлоградвугілля" (акт впровадження від 25.12.1999 р.).. Економічний ефект від впровадження розробок складає 1150 тис. грн. в рік (у цінах 1999 року).
Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовано мету, ідею, задачі, вибрано методи досліджень, обгрунтовано науково-технічні принципи, проведено комплекс експериментальних досліджень в лабораторних і шахтних умовах, розроблено систему моделювання основних процесів вуглевидобутку на ПЕОМ. Ним також взято участь у спільних роботах НГА України, ДонВУГІ, Дніпродіпрошахту, ІГТМ НАН України та Дондіпровуглемашу по впровадженню у галузі нових техніки і технологій вуглевидобутку за темою дисертації. Як відповідальних виконавець він прийняв участь у розробці: високопродуктивних технологій вуглевидобутку, методології створення і конструкцій багатофункціональних машин. Основні наукові результати, висновки і рекомендації отримані і сформульовані автором самостійно. Зміст дисертації викладений автором особисто.
Апробація результатів дисертації.
Основні наукові положення роботи і її окремих розділів доповідалися і отримали схвалення на Всесоюзних науково-технічних конференціях “Проблеми розробки потужних положистих і похилих вугільних пластів підземним засобом” (Караганда, 1984 рік), “Створення технологій безлюдної виїмки вугілля з застосуванням засобів роботизації виробничих процесів” (Донецьк, 1986 рік), Всесоюзному науково-технічному семінарі “Принципи створення нових технологій підземного видобутку вугілля” (Новосибірськ, 1983 рік), ХII Всесоюзному науково-технічному семінарі по дослідженню гірського тиску (Алма-Ата, 1990 рік), на наукових конференціях ІГД ім. О.О. Скочинського (Люберці, 1983-1990 роки), науково-технічних радах інститутів ДонВУГІ, Дондіпровуглемаш, Дніпродіпрошахт, ДонНДІ, МакНДІ, у виробничих об'єднаннях по видобутку вугілля “Павлоградвугілля”, “Красноармійськвугілля”, “Добропіллявугілля” (1983-2000 роки), на Міжнародній науково-практичній конференції “ХХI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (Дніпропетровськ, 1998 рік), на науково-практичній конференції “Проблеми проведення і кріплення гірських виробок у Західному Донбасі” (Павлоград, 2000 рік), на міжнародній конференції "Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах" (Славське, 2001 рік).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 55 наукових роботах, із яких 28 - у наукових фахових виданнях, у тому числі монографія, брошура і 2 винаходи. Частина результатів опублікована у вигляді окремих розділів у монографіях і підручнику. З робіт, опублікованих у наукових фахових виданнях, 7 одноосібних.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку літератури з 202 найменувань і 19 додатків. Робота містить 329 сторінок, із них 176 сторінок основного тексту, 48 сторінок малюнків і 35 таблиць, список використаних джерел на 17 сторінках, 36 сторінок додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Результатами аналізу тенденцій та закономірностей сталого розвитку засобів комплексної механізації видобутку вугілля доведено, що з підвищенням продуктивності праці робітників і надійності роботи очисних вибоїв, які оснащені сучасними машинами, збільшується рівень розвитку технології підземного видобутку вугілля. Кількісно цей рівень пропонується оцінювати ресурсо-енергетичним критерієм РЕК, тобто визначати, який економічний ефект може отримати шахта при витратах енергії, рівних 1 кВтг. Країни з високим життєвим рівнем реалізуються значні дотації галузям. Ефект від видобутку вугілля при реалізації 1 кВтг енергії в їхніх шахтах умовно-від'ємний. В Україні до 75 % запасів видобувають в складних та особливо складних гірничо-геологічних умовах, а підтримка вугільної промисловості значно нижче, ніж в розвинених країнах. Ресурсо-енергетичний критерій роботи вітчизняних шахт вище, ніж, наприклад, в Німеччині, але не за рахунок високих техніко-економічних показників, а за рахунок постійного недовиділення грошей на їхній розвиток. Незважаючи на це, шахти, що відпрацьовують пласти в сприятливих і обмежено-сприятливих гірничо-геологічних умовах, незначно знизили видобуток і навіть нарощують її рівень. Це шахти, на яких комплексно-механізований видобуток, механізовані прохідка, транспортування, інші основні процеси. В умовах реструктуризації виробництва саме такі шахти є базою для стабілізації видобутку вугілля у галузі.
Криві, що характеризують зміну основних характеристик роботи шахт, представлені на рис. 1.
Якщо сконцентрувати роботи по видобутку вугілля на одному горизонті і застосувати технологічні машини і обладнання, що дозволять виймати вугільні пласти без попадання великої кількості породи до гірської маси або хоча б видавати вугілля і породу на поверхню роздільно, то до 50 шахт галузі зможуть підвищити продуктивність, якість вугілля, знизити видатки на видобуток, покращити екологічну ситуацію в районах виїмки, переробки і прямого споживання вугілля. Однак чисельність таких шахт на Україні у майбутньому обмежена. Необхідне створення нових поточних технологій для видобутку вугілля на шахтах із складними і особливо складними умовами праці, яких на Україні зараз до 75 %.
При оцінці роботи очисних комплексів встановлені межі їхнього ефективного застосування. Дані рис. 2а свідчать, що при відстані від вибою до зони переміщення людей в межах від 1 до 2 м тільки з допомогою стругів і агрегатів можна ефективно виймати пласти потужністю >0,75 м в умовах нестійких бокових порід (А=0,05) і>0,7 м - при бокових породах середньої стійкості. Виходячи з того, що у комплексів машин відстань від вибою до зони переміщення людей >2,5 м, межі їхнього ефективного застосування по потужності пласту мають складати не менше ніж 0,85 м в умовах нестійких порід. Максимальна продуктивність комплексів машин при охваті В=0,8 м не перевищує 3,5 т/хв по чиннику "швидкість переміщення машиніста". Комбайни з охватом 0,8 м ще менш продуктивні - див. рис. 2б. З існуючих очисних пристроїв найбільш перспективними є фронтальні агрегати, але їхній серійний випуск не налагоджено. Термін окупності капітальних витрат для придбання одного очисного комплексу залежить від його ціни, але визначається видобутком вугілля, його ціною і собівартістю. При загальношахтній собівартості видобутку 60-65 грн/т, рівні видобутку 70-75 тис.т на місяць термін окупності комплексу машин вартістю 4-5 млн. грн складає не менш 12-15 місяців (див. рис. 2в). Структурна надійність підсистеми очисних робіт, що об'єднує на сучасній шахті 3-4 лави (див. рис. 2г), залежить не тільки від кількості машин, що забезпечують роботу однієї лави, але визначається усередненим рівнем імовірності Ро безвідмовної праці кожної з цих машин. На шахті, що має 2-3 діючих комплексно-механізованих вибоїв з 25-30 машинами після капремонту (типова ситуація для вітчизняних підприємств) структурна надійність підсистеми "лави" не перевищує 0,7.
Викладене вище свідчить, що при розробці малопотужних пластів серійні комплекси машин вичерпали техніко-економічні можливості по чинниках "потужність пласта", "швидкість переміщення машиніста комбайну", "швидкість окупності капвитрат", "структурна надійність підсистеми "лави", "прибутковість".
По результатах виконаних у роботі досліджень встановлені закономірності технологічних та геомеханічних процесів при інтенсифікації очисної виїмки, які полягаються у наступному:
високі продуктивність і прибутковість вуглевидобувного підприємства досягаються шляхом безупинного виконання основних процесів вуглевидобутку, для чого окрім комплексів нового технічного рівня доцільне застосування гнучких багатокомбайнових систем;
експлуатаційні витрати на видобуток вугілля мінімізуються за рахунок зменшення насамперед підготовчих виробок у внутрішахтньому просторі, а також шляхом вибору оптимальної форми очисних дільниць, горизонтів поля і його елементів;
ентропія гірського масиву, що руйнується при розробці, мінімізується при закладанні вироблених просторів за рахунок досягнення однакової щільності матеріалу масиву до, під час и після закладання.
Зазначені закономірності свідчать, що поява якісно нових машин можлива у випадку істотної зміни технології, яка може відбуватися на різних напрямках залежно від задач, зумовлених соціально-економічними потребами суспільства.
Для визначення параметрів технологій вуглевидобутку на основі застосування машин сучасного і нового технічного рівня виконано математичне моделювання виробничої діяльності шахти. До основи системи моделювання процесів вуглевидобутку на ПЕОМ покладені залежності, які отримані по результатах аналізу виробничої діяльності шахт і на основі теоретичних досліджень зміни у часі економічних характеристик їхнього функціонування. Частина вихідних даних до розрахунків отримана по результатах шахтних досліджень виїмково-закладальних комплексів. В основу моделі покладені наступні рівняння:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
; (7)
(8)
де - продуктивність шахти; пу – кількість вуглеруйнуючих машин у вибої; - продуктивність вуглеруйнуючої машини; - коефіцієнт готовності j-тої одиниці в технологічній лінії ТЛ обладнання; nл, mе - відповідно, кількість лав і одиниць обладнання у ТЛ; с1 і с2 - відповідно, показники, що характеризують вигляд взаємодії машин - залежний одна від одної і незалежний; Зо (t) - функція, що характеризує рівень капвкладень до виробництва в часі t; - "матеріальні" витрати; - витрати на оплату виконаних робіт і послуг сторонніми організаціями та інші; Те - трудомісткість виконання робіт для забезпечення Q; - відповідно, кількість працюючих на шахті і середні трудовитрати одного з них; Зп - витрати на оплату праці працюючих на шахті; - відповідно, прямі і непрямі виплати по статтям "зарплата", "відрахування", "інші видатки"; Ме - матеріалоємність виробництва, в тому числі сумарні значення її лав -, прохідницьких вибоїв - інших дільниць і служб шахти; Hw – енергоємність видобутку 1 т вугілля в цілому по шахті, що визначається потужністю машин Ni і енергоємність інших споживачів; С (Зт) - повна собівартість видобутку 1 т вугілля на шахті з урахуванням держпідтримки Гд і других Дз видів додаткового фінансування; Э(t) - функція, що характеризує зміну прибутків від діяльності шахти в часі; Ц(Кк) – ціна 1 т вугілля в залежності від його якості.
Для визначення залежностей між параметрами гірського і закладального масивів, останній з яких розташований у виробленому просторі лави, виконано математичне моделювання і розрахунки на ПЕОМ просадок її безпосередньої покрівлі. В основу моделі покладені наступні рівняння:
(9)
де Еп – модуль пружності порід при стисненні зразка, МПа; - момент інерції розрахункового розрізу породи, м4; - просадка покрівлі, м; впз - пересування лави, м; Сз - питомий опір закладального масиву, МН/м2; - інтенсивність навантаження з боку порід покрівлі, МПа/м.
Перетворення рівняння (9) до вигляду:
(10)
і введення (11) дозволяє отримати, що:
. (12)
З рівняння (12) отримуємо, що при
(13)
, (14)
де - згибні напруження у "балці – масиві", МН/м2; l – ширина, Н – висота, м, - екваторіальний момент перерізу "балки-масиву", МН/м2.
Отримані рівняння у комплексі із результатами лабораторних та шахтних досліджень дозволили визначити технічні вимоги до параметрів технологій відробки пластів із застосуванням машин для зведення закладальних масивів.
Основні техніко-технологічні вимоги і науково-технічні принципи створення виїмково-закладальних агрегатів і якісно нових систем багатофункціональних машин розроблені на основі теоретичних, лабораторних і шахтних досліджень процесів вуглевидобутку. Теоретичні дослідження передбачали комп'ютерне моделювання структур технологічних ліній обладнання, а нові структурні схеми шахти стали вихідним матеріалом для розробки перспективних технологічних схем очисної виїмки пластів вугілля. Раціональні технологічні схеми відробки пластів з використанням очисних комплексів нового технічного рівня, виїмково-закладальних агрегатів та систем багатофункціональних машин представлені на рис. 3-6.
Розрахункові характеристики шахт при застосуванні запропонованих технологій очисної виїмки вугільних пластів представлені у табл. 1.
Аналіз цих характеристик свідчить, що коли сучасна шахта має 2 лави, 4 прохідницьких вибою, потужний скіповий, вантажоподаючий підйоми і відповідну інфраструктуру, то вона може з допомогою 1900 чоловік свого промислово-виробничого персоналу видобувати 1,6 млн.т товарного вугілля на рік. Прибутковість роботи шахти при достатньому рівні постачання зумовлена 3-ма основними чинниками: видобутком, його собівартістю і необхідними капітальними вкладеннями, в тому числі загальними витратами на придбання машин і обладнання. Застосування комплексів нового технічного рівня дозволить суттєво підвищити видобуток, покращити всі показники роботи шахти (див. рис. 3, табл. 1). Однак така технологія високопродуктивна при потужності пласта більше 1 м з кутами падіння до 35о.
Застосування ПОЗ - прохідницько-очисних і закладальних комплексів (див. рис. 4, табл. 2) дозволить виймати пласти потужністю <1 м, зменшити кількість машин в лавах і збільшити коефіцієнт готовності на 16 %. При зростанні продуктивності видобутку технологічна зольність потоку гірської маси і чисельність робочих місць можуть бути зменшені відповідно на 40 і 18 %, що дозволить знизити енергомісткість і собівартість видобутку 1 т вугілля, відповідно, на 29 і 16 %. Прибутковість роботи досягається за рахунок зменшення витрат на підтримання гірських виробок і залишення породи від проходки всіх пластових і польових виробок у виробленому просторі. Покращення показників роботи шахти за рахунок змінення технологічних ліній і їхніх параметрів збільшить продуктивність і прибутковість виробництва.
Розрахунки свідчать про можливість значного підвищення ефективності розробки пластів потужністю 0,8-1,0 м, із яких в 1999 році 156 вибоїв видобули тільки-но по 268 т вугілля на добу. Застосування в цих умовах систем багатофункціональних машин (див. рис. 5) дозволить за рахунок забезпечення безперервності їхньої роботи і індивідуалізації виїмки пласту із різноманітними гірничо-геологічними порушеннями, досягнути рівня видобутку до 1,6 млн.т у рік при 3-х діючих лавах.
Застосування систем БФ-машин для відробки лав на пластах потужністю 0,85-1,25 м із кутами падіння 75-900 (див. рис. 6, табл. 1), яких у теперішній час більше 43 одиниць із добовим обсягом видобутку 143 т, дозволить досягнути навантаження на шахту 520 тис. т в рік при 3-х середньодіючих лавах за рахунок циклічно-поточної технології розробки крутих пластів із встановленням закладальних блоків у вироблених просторах. Соціальним чинником ефективності застосування такої технології є можливість механізації робіт на пластах, для розробки яких зараз використовують індивідуальні засоби кріплення лав та руйнування вугілля і лише у деяких випадках – щитові агрегати.
Таблиця 1
Розрахункові характеристики шахт при застосуванні запропонованих
технологій очисної виїмки вугільних пластів
Вид виробництва | Характеристики
Коэф -
фіцієнт
готов-ності | Годовий обсяг видобутку, млн.т | Сумарні | Зольність гірської
маси, % | Продуктивність праці, т/добу
чол. | Энер -
гоєм-
ність
видо-
бутку,
кВтгод/т | Виробнича собівартість видобутку,
грн/т | Ефек -
тивність вироб-ництва, млн.грн./
рік
Вартість обладан-ня,
млн.грн. | Число
працюю-чих,
чол.
1) Шахта, що має в складі 2 комплексно-механізованих лави і відповідну інфраструктуру, |
0,60-0,8 |
1,6 |
21 |
1900 |
36 |
2,25 |
40 |
45-48 |
49,0
в тому числі лава | 0,7 | 10,5 | 70 | 25 | 13,6 | 14
2) Шахта, що має в складі 3 прохідницько-очисних і закладальних комплексу, |
0,75 |
1,1 |
29,8 |
1550 |
23 |
2,0 |
31 |
54-60 |
28,0
в тому числі ПОЗ-дільниця | 0,7 | 7,45 | 50 | 12 | 15,7 | 9
3) Шахта, що має в складі 3 лави, обладнані БФМ:
для пологого падіння, | 0,80 | 1,6 | 20,0 | 1050 | 27 | 4,35 | 36 | 61-67 | 37,0
в тому числі лава | 0,9 | 5,0 | 39 | 13 | 29,3 | 9,5
для крутого падіння, | 0,80 | 0,52 | 6,0 | 750 | 21 | 1,98 | 39,0 | 69-73 | 5,6
в тому числі лава | 0,9 | 1,5 | 14 | 12 | 26,5 | 19,5
Наближення рівня підприємств по видобутку вугілля до екологічно чистого виробництва можливо на базі комплексів типу "шахта - збагачувальний цех". Створення таких комплексів забезпечує найбільш раціональний цикл функціонування вугільної шахти по критеріях "чисте вугілля", "відходи - у шахті", "мінімальні трудо-, матеріало-, енерговитрати", "високі продуктивність праці і видобуток", "максимальна продуктивність", "додаткові робочі місця".
Для перевірки запропонованих технологічних схем застосування комплексів багатофункціональних машин, в шахтних умовах виконані іспити цих машин і досліджені їхні параметри. На шахті "Білицька" ДХК "Добропіллявугілля" при відпрацюванні лави № 2 північної панелі пласту кн8 виконано експериментальні дослідження роботи вдосконаленого зразка фронтального агрегату АФК, а на шахті "Благодатна" ДХК "Павлоградвугілля" у 746-біс і 719 лавах - виїмково-закладальних комплексів. До складу обладнання АФК входили конвеєроструг КСП, механізоване кріплення АФЛК, кріплення спряження ВФКС, комплекс гідроапаратури, приладів автоматизації і допоміжного обладнання.
Випробування і дослідження АФК свідчать про перспективність застосування такого виду комплексів. Продуктивність праці робітників по видобутку складала 45,1 т на місяць, а собівартість на 30 % нижче, ніж в лавах, обладнаних комбайновими комплексами. Разом з цим, породу від проходки штреків і інших джерел при агрегатній технології видають в загальному потоці гірської маси, що значно збільшує його зольність і знижує ефективність всієї технології видобутку вугілля. Тому автором запропоновано доповнити агрегат АФК з'ємними закладальними модулями, що дозволяє використовувати його при відробці пластів із залишенням породи у шахті (див. рис. 4).
Для підвищення якості вугілля, що видобувається, і вирішення других технологічних задач були проведені випробування і дослідження експериментальних зразків виїмково-закладальних комплексів.
В ході досліджень встановлено оптимальний крок закладки, виходячи з максимальної повноти заповнення відпрацьованого простору породою. Окрім цього з допомогою вимірювальних стійок визначені залежності гірського тиску на закладальний масив і його просадки від швидкості посування лави. В лабораторних умовах визначені компресійні властивості проб компонентів закладального масиву. Отримані дані використані при розробці вихідних вимог до проектування нових технологій вуглевидобутку із закладанням.
По результатах виконаних досліджень розроблені науково-технічні принципи створення високопродуктивних технологій очисної виїмки вугільних пластів, основні з яких полягають у наступному.
1. Організація безперервного виконання основних процесів вуглевидобутку у лаві здійснюється шляхом зміни виду побудови і порядку роботи систем очисного обладнання. Для реалізації цього принципу окрім очисних комплексів нового технічного рівня доцільно застосовувати у перспективі гнучкі багатокомбайнові системи однотипних, малогабаритних автономних виїмково-транспортувально-закладальних машин (САБФМ) із індивідуальними двигунами, колесними, гусенічними рушіями і системами дистанційного керування, бо в умовах, де присутність людини неможлива – повинні працювати виключно системи машин.
2. Мінімізація експлуатаційних витрат для видобутку вугілля здійснюється за рахунок зменшення кількості підготовчих виробок, що проводять на горизонтах виїмкового поля і у всьому внутрішньому шахтному просторі шляхом вибору оптимальних форм очисних дільниць, горизонтів шахтного поля і його елементів, виходячи із гнучкості керування, багатоваріантності побудови, зручності перемонтажу та інших властивостей систем нових машин.
3. Мінімізація структурної ентропії гірського масиву, що руйнується при розробці, забезпечується за рахунок досягнення однакового рівня обсягів і інтенсивностей потоків видачі на земну поверхню вугілля і зведення закладального масиву, який складається, наприклад , з пустих порід і добавок, які їх скріплюють. Для реалізації цього принципу в обсяг, який з'являється після виїмки 1 м3 вугілля, пропонується встановити і розклинити між покрівлею і підошвою міцний блок, маса якого дорівнює масі вилученого вугілля.
4. Максимально припустима кількість елементів у технологічній лінії вуглевидобутку за критерієм "задана продуктивність" визначається відношенням експлуатаційного навантаження на лінію до продуктивності руйнуючої машини, параболічно збільшується з ростом коефіцієнта готовності кожної машини в лінії і збільшується в показниковій залежності з ростом продуктивності руйнуючої машини. При застосуванні комплексів нового технічного рівня кількість елементів у лінії не повинна перевищувати 9 одиниць.
5. Рівень екологічної чистоти навколишнього середовища збільшується за рахунок залишення у підземних просторах спроможних до довготривалого існування контейнерів з відходами гірничого або інших виробництв. Оптимальним технічним засобом для розташування контейнерів у виробленому просторі лави є автономний гірничий робот, а його прототипом – транспортувально-закладальна машина.
Розроблені раціональні схеми і визначені параметри обладнання для шахт нового технічного рівня зведені до затверджених на галузевому рівні "Рекомендацій по технічному переозброєнню і розвитку вугільних шахт України, що розроблюють пласти потужністю до 2,5 м з кутами падіння до 350" а також до "Науково-технічного обгрунтування перспективних технологічних схем розробки вугільних пластів виїмково-закладальними комплексами нового технічного рівня".
Результати економіко-математичного моделювання процесів видобутку свідчать, що найкращий варіант технології, заснований на останніх досягненнях в комплексній механізації і частковій автоматизації виїмкових робіт – це використання дегазаційних, очисних комплексів і прохідницького обладнання нового технічного рівня, а також вдосконалених агрегатів АФК в рамках стовпової і комбінованої технологічних схем розробки пластів. Для складних і особливо складних гірничо-геологічних умов раціональною технологією видобутку вугілля є застосування гнучких багатокомбайнових систем виїмково-транспортно-закладальних машин, які дозволять відпрацьовувати пласти із закладанням виробленого простору блоками із породи, або контейнерами з відходами виробництва.
Розрахункова прибутковість виробництва при застосуванні нових очисних комплексів, виїмково-закладальних агрегатів та систем багатофункціональних машин на похилому падінні досягає, відповідно, 49, 28 і 37 млн. грн в рік при собівартості видобутку по шахті 45, 54 і 61 грн/т, а на крутому падінні 5,6 млн. грн у рік при собівартості 69 грн/т.
Обгрунтованість і вірогідність наукових положень і основних висновків забезпечується коректністю прийнятих передумов і вихідних даних, які базуються на фундаментальних положеннях теорії механізмів машин, механіки гірських порід, матеріалах численних лабораторних та шахтних досліджень, а також достатнім обсягом даних, які отримані при іспитах машин у шахтах і статистичній обробці цих даних з довірчою імовірністю не нижче 0,9, задовільним збігом результатів моделювання з даними експериментів (розходження не перевищує 20 %, характеристики знаходяться у межах довірчої імовірності відхилення), позитивними результатами впровадження розробок у виробництво.
ВИСНОВКИ
Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій надані теоретичне узагальнення і нове рішення актуальної науково-прикладної проблеми розробки науково-технічних принципів створення високопродуктивних технологій очисної виїмки вугільних пластів для суттєвого підвищення рівня видобутку і зниження його собівартості, що має важливе народногосподарське, соціальне і галузеве значення.
В процесі виконання роботи отримані наступні підсумкові наукові висновки і практичні результати:
1. Встановлено, що прагнення до повної механізації підземного вуглевидобутку призводить до значного росту довжини машинних ланцюгів і, як слідство, до зменшення структурної надійності, що визначає продуктивність шахти по чинниках “технологічна перерва”, “наробіток на відмову”, “час відновлення” і іншим. Урахування цієї особливості при розробці нових технологій очисної виїмки пластів дозволило розробити проекти систем автономних незалежно працюючих виїмково-транспортно-закладальних машин, створення і впровадження яких у виробництво дозволить підвищити його безпечність, продуктивність і прибутковість.
2. Вперше встановлені залежності коефіцієнта корисної дії технологічних ліній підземного комплексу машин від щільності підготовчих виробіток на горизонті виїмкового поля, зольності потоку гірської маси, що видається шахтою на денну поверхню, і кількості співпідпорядкованих машин у структурі кожної технологічної лінії, які доцільно враховувати при проектуванні нових технологій видобутку і розробці програм розвитку гірських робіт на діючих шахтах.
3. Виявлено якісне розходження в структурах технологічних циклів очисних комплексів і систем незалежно працюючих машин (САБФМ), яка полягає в тому, що коефіцієнт готовності устаткування (Кг) комплексно-механізованого вибою зменшується, а Кг лав, обладнаних САБФМ, - навпаки, збільшується з ростом кількості машин у системі; облік цієї особливості дозволяє проектувати якісно нові системи очисного обладнання для шахт.
4. Встановлені залежності між просадкою безпосередньої покрівлі, глибиною ведення очисних робіт, питомим опором конструкції закладального масиву й іншими параметрами, які використані при обгрунтуванні основних технологічних параметрів запропонованих засобів вуглевидобутку.
5. Обгрунтовані нові науково-технічні принципи створення високопродуктивних технологій очисної виїмки вугільних пластів.
6. Розроблено систему моделювання основних процесів вуглевидобутку на ПЕОМ, яка відрізняється від відомих комплексним урахуванням економічних, технічних і екологічних параметрів при розрахунках ефективності застосування різноманітних варіантів існуючих і запропонованих у дійсній роботі технологій. Розроблено 3_х-модульний програмний продукт, який використано при розрахунках основних параметрів технологій вуглевидобутку, заснованих, у тому числі, на застосуванні багатофункціонального устаткування.
7. Дослідженнями навантажень на закладальний масив з боку покрівлі і компресійних властивостей закладального матеріалу встановлено, що остаточна його усадка досягає 30-50 % від потужності пласту, тобто при існуючих технологіях ведення закладальних робіт незначна просадка земної поверхні в зонах над закладальними
