МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Барташевський Станіслав Євгенович

УДК 622.268.13:622.619:519.863

ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОВЕДЕННЯ ПІДГОТОВЧИХ ВИРОБОК БУРОПІДРИВНИМ СПОСОБОМ НА БАЗІ ОПТИМІЗАЦІЇ ПАРАМЕТРІВ ВЗАЄМОДІЇ ВАНТАЖНО–ТРАНСПОРТНОГО ОБЛАДНАННЯ

Спеціальність 05.15.02 – Підземна розробка родовищ

корисних копалин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2003

Робота виконана на кафедрі рудникового транспорту в Національному гірничому університеті (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор,

завідувач кафедри рудникового транспорту ШИРІН

Національного гірничого університету Леонід

Міністерства освіти і науки України Никифорович

(м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

професор кафедри підземної розробки КОЛОКОЛОВ

родовищ Національного гірничого університету Олег

Міністерства освіти і науки України Васильович

(м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, директор

ВАТ ДонДІпрошахт СОЛДАТОВ

Міністерства палива та енергетики України Володимир

(м. Донецьк) Іванович

Провідна установа: Комплексний науково-дослідний і проектно-конструкторский інститут з проблем Центрального Донбасу (ДонНДІ) Міністерства палива та енергетики України, відділення технології

Захист відбудеться “_19_” _вересня_ 2003 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.080.03 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ пр. К. Маркса, 19)

Автореферат розісланий “_16_” _серпня_2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д08.080.03,

кандидат технічних наук, доцент В. І. Тимощук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Перспективним напрямом удосконалення технології проведення підготовчих виробок є розробка технологічних схем, що дозволяють максимально поєднувати основні операції прохідницького циклу з використанням багатоцільової прохідницької машини зі змінними виконавчими модулями.

Досягнуті сьогодні темпи посування лав (130...150 м/міс) при стовпових системах розробки зумовлюють необхідність застосування надійної прохідницької техніки для проведення виробок темпами 160...200 м/міс. При комбайновому проведенні виробок такі темпи є нормативними, а при буропідривному способі з використанням традиційної техніки і схем організації праці – недосяжними.

У значно гіршому стані перебувають шахти, що відпрацьовують запаси вугілля з використанням суцільних систем розробки, при яких поєднуються у часі і просторі очисні і підготовчі роботи. В подібних умовах працюють переважно шахти Центрального і Східного Донбасу, де більшість підготовчих виробок проводяться буропідривним способом з локомотивною відкаткою вантажів. Традиційно застосовуване тут прохідницьке устаткування, значний обсяг обмінно-транспортних операцій і циклічна організація робіт вичерпали можливість свого вдосконалення і потребують докорінних змін.

При буропідривному способі проведення виробок для вирішення цієї проблеми необхідно здійснити технічне переоснащення підготовчих вибоїв та перейти до малоопераційних технологічних схем з циклічно-потоковою організацією робіт. Цього можна досягти за рахунок скорочення непродуктивних операцій при виконанні процесів навантаження гірської маси в транспортні засоби і зниження сумарних витрат часу для обміну навантажених транспортних посудин на порожні.

Пріоритет вантажно-транспортних операцій обумовлений, перш за все, тим, що вони складають у середньому близько 40 % часу при проведенні виробок буропідривним способом.

У зарубіжній практиці при проведенні виробок буропідривним способом широко застосовуються багатофункціональні навантажувальні машини на гусеничному ходу з бічним розвантаженням ковша. Вільно маневруючи у привибійному просторі, вони здатні здійснювати завантаження як одиночних вагонеток, так і нерозчеплених їх потягів, що дозволяє перейти до циклічно-потокової технології ведення вантажно-транспортних робіт.

Слід відзначити, що навантажувальні машини з бічним розвантаженням ковша розробляються також в Україні. Результати випробувань експериментальних зразків (МНК-3У, МНК-2У, МНПК, МНКТ) підтвердили їх високі технічні характеристики, однак техніко-економічні показники роботи підготовчих вибоїв, в яких вони випробувались, виявилися нижчими за прогнозовані.

Основною причиною низьких показників їх роботи стало застосування застарілих форм організації праці та відсутність відповідного методичного забезпечення з раціонального використання їх у часі на основних та допоміжних операціях.

Виявлено, що резервами зниження непродуктивних працевтрат і високої питомої ваги простоїв у сумарній тривалості робіт прохідницького циклу є малодосліджені процеси взаємодії навантажувального і транспортного устаткування при локомотивній відкатці гірської маси у привибійній зоні проводжуваної виробки. Тому обґрунтування і розробка нових технологічних схем та методів організації проведення підготовчих виробок на базі вдосконалення вантажно-транспортних операцій підтверджує важливість наукового напряму та актуальність його для вугільної промисловості України.

Зв’язок теми дисертації з науковими програмами і планами досліджень. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до плану досліджень, що проводились кафедрою рудникового транспорту НГУ в межах договору № 010535 “Удосконалення транспортно-технологічних схем шахт ВО “Красноармійськвугілля” на базі оптимізації параметрів транспортних установок” від 02.01.95 р., а також становить складову держбюджетної науково-дослідної роботи № В319511000М “Обґрунтування параметрів, пропозиції з удосконалення машин і комплексів для проведення виробок, транспортування та переробки корисних копалин вугільних шахт”, що виконувалась за програмою Мінвуглепрому України “Програма розвитку гірничого машинобудування України”.

Мета роботи – обґрунтування і методичне забезпечення вибору раціональних параметрів циклічно-потокової технології проведення підготовчих виробок на базі вдосконалення схем взаємодії навантажувального та транспортного устаткування.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей взаємодії навантажувального і транспортного устаткування для обґрунтування та методичного забезпечення вибору раціональних параметрів циклічно-потокової технології проведення гірничих виробок.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані основні завдання дослідження:

1. Дослідити процес взаємодії навантажувальних машин типа МНК зі штабелем відбитої гірської маси, опорною поверхнею пересування і транспортною системою дільничої виробки.

2. Установити фактори, що є найбільш впливовими на продуктивність навантажувальних машин типу МНК для умов проведення горизонтальних виробок.

3. Установити діапазон технічних характеристик навантажувальних машин типу МНК, що забезпечують їх максимальну продуктивність при проведенні підготовчих виробок на вугільних шахтах України.

4. Установити залежність тривалості процесу завантаження гірської маси машинами типу МНК від прийнятих параметрів їх взаємодії з засобами локомотивного транспорту.

5. Установити залежність тривалості процесу навантаження гірської маси машинами типу МНК від куту нахилу і напрямку проведення виробок при застосуванні конвейерного транспорту.

6. Обґрунтувати доцільність залучення навантажувальної машини типу МНК для механізації зведення постійного кріплення.

7. Розробити методику обгрунтування параметрів і схем організації вантажно-транспортних робіт при проведенні гірничих виробок буропідривним способом з застосуванням навантажувальних машин типа МНК.

Об’єкт дослідження – процес управління у часі і просторі організаційно-технологічним механізмом взаємодії устаткування при проведенні підготовчих виробок.

Предмет дослідження – параметри взаємодії навантажувального і транспортного устаткування у привибійному просторі підготовчої виробки, що проводиться буропідривним способом.

Методи досліджень:

Для вирішення поставлених завдань використаний комплексний метод дослідження, що містить обробку і узагальнення літературних джерел, проведення аналітичних та експериментальних досліджень. Дослідження взаємодії навантажувальної машини багатофункціонального призначення зі штабелем відбитої гірської маси і транспортною системою дільничної виробки базувалося на застосуванні методів математичного моделювання і функціонального аналізу. Визначення оптимізаційної області силових характеристик машини і параметрів обмінно-транспортних операцій здійснювалося методом крутого сходження Бокса-Уілсона. При визначенні ступеня впливу технічних характеристик вантажно-транспортного устаткування та організації обмінно-транспортних операцій на часовий функціонал процесу навантаження гірської маси застосувалося поопераційне моделювання з використанням стандартного програмного забезпечення на ЕОМ. Програма експериментальних досліджень узагальнювала результати моделювання заводських і шахтних випробувань.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Максимальна експлуатаційна продуктивність навантажувальних машин багатофункціонального призначення при локомотивній відкатці забезпечується встановленням їх раціональних параметрів (у діапазоні маса – 6...12 т, швидкість пересування – 0,3...1,8 м/с, місткість ковша – 0,5...1,0 м3) і досягається раціональною організацією обмінно-транспортних операцій, тривалість яких обернено пропорційна фронту бічного навантаження породи у партії нерозчеплених вагонеток.

2. Область ефективного застосування навантажувальних машин типу МНК визначається мінімальною тривалістю процесу навантаження гірської маси і характеризується точкою перетину двох функцій, що відбивають зміну тривалості робочого циклу навантажувальної машини при трансформації шляху її пробігу в діапазоні 5...35 м і зниження втрат часу на обмінно-транспортні операції при формуванні фронту навантаження гірської маси у партії з 3...5 нерозчеплених вагонеток.

3. Розроблені технологічні схеми проведення підготовчих виробок буропідривним способом і графіків організації робіт, що базуються на використанні навантажувальних машин багатофункціонального призначення для виконання суміжних з основним процесом операцій, дають змогу, на відміну від однофункціональних, на 25...35 % знизити трудомісткість робіт зі зведення кріплення, настилання рейкових колій і з доставки матеріалів.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи досягнута: коректною постановкою завдання на кожному етапі роботи; використанням апробованих методів розв’язання диференційних рівнянь, що описують взаємодію навантажувальної машини зі штабелем відбитої гірської маси, ґрунтом гірничої виробки і засобами привибійного транспорту; проведенням хронометражних спостережень з використанням стандартної апаратури, а також застосуванням перевірених методів обробки результатів і прийнятною (15%) збіжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей зміни часового функціонала з урахуванням параметрів переміщення багатофункціональної машини при навантаженні гірської маси у партії нерозчеплених вагонеток та організації робіт у процесі їх обміну в привибійній зоні.

Наукова новизна роботи полягає у тому, що:

- вперше розроблена модель, що дає змогу встановити взаємозвязок між параметрами навантажувальної машини, характеристиками процесу навантаження і транспортування гірничої маси;

- вперше встановлена експоненціальна залежність технічної продуктивності навантажувальної машини багатофункціонального призначення від параметрів обмінно-транспортних операцій при локомотивній відкатці вантажів;

- запропоновані та науково обґрунтовані параметри організації робіт, що дозволяють підвищити темпи проведення підготовчих виробок шляхом оптимізації продуктивності навантажувальних машин типу МНК, розширення їх функцій і зниження трудомісткості допоміжних операцій.

Практичне значення роботи полягає в розробці науково обґрунтованої методики вибору оптимальних параметрів навантажувальної машини з бічним розвантаженням ковша та алгоритму їх розрахунку, враховуючих вплив фізико-механічних властивостей гірської маси, конструктивні параметри навантажувальної машини та умови її експлуатації, а також у розробці затвердженої ДонНДІ “Методики обґрунтування параметрів і схем організації вантажно-транспортних робіт при проведенні гірничих виробок буропідривним способом із застосуванням навантажувальних машин типу МНК”.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети та ідеї роботи, формулюванні завдань дослідження і наукових положень, виборі методів дослідження, проведенні розрахунково-теоретичного моделювання та експериментальних досліджень, обробці, аналізі та обґрунтуванні отриманих результатів. Здобувачем зроблені висновки і розроблені методичні рекомендації з вибору раціональних параметрів організації обмінно-транспортних операцій.

Апробація роботи. Основні положення роботи в цілому та її окремі частини розглядались на міжнародних конференціях: “Сучасні шляхи розвитку гірничого устаткування і технології переробки мінеральної сировини”, Дніпропетровськ, 24–25 жовтня 1996 р.; “Сучасні шляхи розвитку гірничого устаткування і технології переробки мінеральної сировини”, Дніпропетровськ, 23–24 жовтня 1997 р.; “Сучасні проблеми транспорту в гірничому виробництві”, Дніпропетровськ, 30–31 жовтня 1997 р.; “Сучасні шляхи розвитку гірничого устаткування і технології переробки мінеральної сировини”, Дніпропетровськ, 26 жовтня 2001 р.; науково-практичній конференції “Проблеми транспорту в гірничому виробництві”, Дніпропетровськ, 24–25 жовтня 2002 р.

Робота доповідалась: на засіданні вченої ради ДонНДІ, технічній раді ВО “Красноармійськвугілля”, технічній раді ВО “Новогорловський машинобудівний завод”, а також на міжкафедральному семінарі і на розширеному засіданні кафедри рудникового транспорту НГУ.

Реалізація висновків та рекомендацій роботи. Розроблені “Методика обґрунтування параметрів і схем організації вантажно-транспортних робіт при проведенні гірничих виробок буропідривним способом із застосуванням навантажувальних машин типу МНК” і “Вихідні вимоги та методика обґрунтування параметрів і схем організації вантажно-транспортних робіт при проведенні гірничих виробок буропідривним способом із застосуванням навантажувальних машин типу МНК” затверджені на засіданні технічної ради і ДонНДІ та передані ВО “Новогорловський машинобудівний завод”.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 12 наукових працях, з яких 3 написані без співавторів, з них: 1 монографія; 1 навчальний посібник; 7 статей у фахових виданнях; 3 у збірнику доповідей конференції.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертація містить вступ, 4 розділи і висновок, 19 рисунків, 8 таблиць, 156 сторінок машинописного тексту, список літературних джерел із 150 найменувань.

Основний зміст роботи

Перший розділ присвячений аналізу виробничих ситуацій, що склалися в підготовчих вибоях вугільних шахт України, та дослідженню зарубіжного досвіду проведення підготовчих виробок буропідривним способом.

Значний внесок в удосконалення технології ведення гірничопідготовчих робіт зробили: І.В. Ляшенко, В.М. Зотов, Е.Е. Нільва, М.А. Малевич, Я.Б. Кальницький, Ю.О. Дмитрак, І.С. Гранкін, І.А. Сушко, І.А. Рудь, А.Г. Гузєєв, А.Г. Гудзь, А.К. Пономаренко, А.А. Кузьмін, Ю.З. Заславский та ін. На сьогоднішній день при проведенні виробок, у породах з коефіцієнтом міцності f 8 за шкалою М.М. Протодяконова роботи проводяться за традиційною циклічною технологією, при якій питома вага непродуктивних ручних операцій досягає 55 % в сумарній трудомісткості робіт прохідницького циклу. Одним з найбільш трудомістких процесів циклу вважається процес навантаження гірської маси у транспортні засоби. Крім цього, найбільша питома вага в загальній трудомісткості процесу навантаження гірської маси (до 50 %) припадає на простої робітників і устаткування, повязані з обмінно-транспортними операціями (обмін одиночних вагонеток). Це обумовлено тим, що до 95 % технологічних схем буропідривного проведення виробок базується на використанні навантажувальних машин типу ВПН, здійснюючих навантаження гірської маси “через себе” (“over head”) в одиночні вагонетки.

Слід відзначити, що традиційні технологічні схеми, обґрунтовані галузевими інститутами ІГД ім. Скочинського, ЦНДІвугілля, ДонУГІ, ІГТМ НАН України, ДніпроДІпрошахт для прогресивного у 60-70 роках минулого віку устаткування, характеризуються послідовним виконанням операцій і передбачають механізацію, як правило, одного основного процесу прохідницького циклу (буріння шпурів, кріплення привибійного простору тощо). Виходячи з цих позицій, ціла низка авторів розглядали організацію робіт в підготовчих вибоях з погляду оптимізації кількості прохідників, оскільки технологія робіт передбачала значні обсяги немеханізованих операцій, тривалість яких залежала від кількості робітників, задіяних при їх виконанні.

Проведений нами аналіз виявив, що процес прибирання гірської маси та її навантаження у транспортні засоби є одним з найбільш недосконалих. Встановлено, що через низький технічний рівень навантажувальних машин окремі операції даного процесу містять цілу низку ритмічно повторюваних простоїв і непродуктивних операцій. Втрати часу через недосконалості вантажно-транспортних операцій поряд з простоями та перервами, регламентованими веденням підривних робіт, є найтривалішими у циклі прохідницьких робіт.

Слід відзначити, що, розпочинаючи з 80-х років у зарубіжній, а з 90-х – у вітчизняній практиці при проведенні виробок буропідривним способом активно впроваджуються навантажувальні машини нового технічного рівня з бічним розвантаженням ковша. Результати аналізу досвіду експлуатації експериментальних зразків універсальних вантажно-транспортних машин з бічним розвантаженням ковша вітчизняного виробництва виявили, що їх технічні характеристики відповідають кращим зарубіжним аналогам. Разом з тим техніко-економічні показники їх роботи виявилися у 1,5...1,7 рази нижчими очікуваних. Зумовлено це тим, що перспективні зразки прохідницького устаткування випробувалися в комплексі з традиційно застосовуваним устаткуванням і циклічною організацією вантажно-транспортних робіт. Саме це призвело до того, що високі технічні характеристики устаткування виявилися нереалізованими на практиці. У звязку з цим виникла потреба в науковому обґрунтуванні нових технологічних схем, а також у розробці методичних рекомендацій і відповідної нормативної бази для проектування раціональної організації робіт при проведенні виробок із застосуванням більш досконалого устаткування.

Для досягнення мети і вирішення завдань, поставлених у даній роботі, сформовані програма і методика досліджень, на підставі яких виконаний комплекс лабораторних, аналітичних та експериментальних досліджень. Кінцева їх мета – розробка методики вибору раціональних параметрів організації гірничопідготовчих робіт на базі вдосконалення схем взаємодії навантажувального і транспортного устаткування.

Другий розділ присвячений вибору та обґрунтуванню базової моделі організації циклічно-потокової технології навантаження і транспортування гірської маси.

Для порівняльної оцінки ефективності схем з різними засобами механізації і варіантами організації робіт виконаний аналіз трудомісткості окремих процесів та операцій прохідницького циклу з урахуванням втрат робочого часу з причин організаційного характеру. Проведений аналіз показав, що ефективність роботи підготовчих вибоїв визначається не лише технічним удосконаленням застосовуваного прохідницького устаткування, але і організацією його взаємодії із засобами привибійного транспорту, і ступенем участі у суміжних виробничих процесах.

Значний внесок у вирішення питань удосконалення технологічних схем проведення виробок буропідривним способом зробили видатні вчені Я.Б. Кальницький, Х.І. Абрамсон, І.Д. Насонов, Е.Е. Нільва, Н.І. Цейтин, В.М. Зотов, П.І. Бібін, В.І. Ігнатьев, А.Г. Сурков, Л.Б. Горбик, А.А. Гершфельд, П.Б. Бибін, В.А. Страшко, С.А. Полуянський, Л.Н. Ширин, О.В. Колоколов, В.І. Солдатов, В.І. Саллі, А.М. Шашенко. На підставі аналізу великих хронометражних спостережень Я.Б. Кальницький, І.В. Ляшенко, А.Г. Сурков, Л.Б. Горбик, А.А. Гершфельд, В.І. Голомозін, Н.А. Посаженова встановлювали вплив окремих факторів на собівартість проведення виробок. При цьому вплив такого суттєвого чинника, як організація обмінно-транспортних операцій, на трудомісткість і собівартість вантажно-транспортних робіт не розглядалась з причин обмежених функцій традиційно застосовуваних вантажно-транспортних машин. За основний критерій оптимальності вони використовували критерій мінімуму наведених витрат, а за додатковий – темпи проведення підготовчих виробок.

Зазначені критерії нерідко суперечили один одному, оскільки з ростом темпів проведення виробок неухильно зростали наведені витрати. Слід відзначити, що на підставі цих критеріїв у 60 – 70-х роках були сформовані раціональні для розробленого на той час устаткування технологічні схеми проведення виробок буропідривним способом. Однак організація робіт при цьому мала явно виражений циклічний характер.

Перехід до технологічних схем з циклічно-потоковою організацією робіт, що базуються на застосуванні універсальних навантажувальних машин, вимагає розробки відповідної нормативної документації. Обумовлено це тим, що нормативи, закладені у галузевих методиках, розроблялись для технологічних схем з циклічною організацією вантажно-транспортних робіт і непридатні для створюваних універсальних навантажувальних машин, що перебувають ще на стадії освоєння виробництва. У зв’язку з цим на етапі підготовки нормативної бази нами використані методи математичного моделювання процесу та операцій навантаження гірничої маси в транспортні засоби.

Стосовно до машин типу МНК розроблена математична модель взаємодії навантажувальної машини зі штабелем відбитої гірничої маси і транспортним устаткуванням у привибійній зоні, що враховує не лише технічні характеристики машини, але й параметри виробки, що проводиться. Ступінь суміщення операцій виражається коефіцієнтом суміщення (КС), величина якого визначається як відношення тривалості робочого циклу навантаження при суміщенні операцій (tЦС) до тривалості циклу навантаження при послідовному виконанні операцій (tЦП).

Тривалість робочого циклу ковшових навантажувальних машин періодичної дії (tЦП) являє собою сумарні витрати часу на послідовне виконання таких операцій: tО – сумарний час для перемикання рукояток, с; t1 – час розбігу машини від вагонетки до штабеля, с; t2 – час проникання ковша у штабель гірської маси, с; t3 – час зачерпування ковшем гірської маси, с; t4 – час від’їзду машини з навантаженим ковшем до вагонетки, с; t5 – час підйому ковша на розвантаження, с; t6 – час розвантаження ковша, с; t7 – час опускання ковша та приведення машини у вихідну позицію, с.

Тривалість робочого циклу машини типу МНК при суміщенні операцій навантаження гірської маси може бути записана таким чином:

, | (1)

де n – кількість водночас виконуваних операцій; ti – тривалість сумісних у часі операцій, с.

Результати шахтних випробувань ефективності процесу навантаження гірської маси машинами МНК показали, що сумарні витрати часу на виконання технологічних операцій (t1 + t7) повинні відповідати такій умові: t1+ t7 t0 + t2 + t3 + t4 + t5 + t6 , яка досягається, якщо силові і конструктивні параметри навантажувальної машини відповідають умовам експлуатації. У зв’язку з цим для отримання аналітичної залежності технологічних параметрів (t1 + t7) від різних гірничотехнічних чинників треба було розглянути взаємодію навантажувальної машини з опорною поверхнею пересування. При розв’язанні цієї задачі було прийнято, що коефіцієнти тертя котіння fK для всіх коліс (гусеничного ланцюга) однакові і машина рухається по прямолінійній ділянці шляху.

Система диференціальних рівнянь руху машини буде мати вигляд:

, |

(2)

де m - маса машини, т; Jк - зведений до осі приводу сумарний момент інерції коліс, частин редуктора, що обертаються, і двигуна; = S - шлях пересування машини, м; - кут повертання колеса, град.; Мдв – момент ведучих коліс; Fс – активна пара сил, прикладена до коліс машини, Н; Rk – радіус колеса, м; Pвн – сила опору при прониканні в штабель гірської маси, Н; G – вага навантажувальної машини, Н; - величина тертя котіння.

У роботі розглядалися два етапи руху навантажувальної машини:

- перший – розбіг машини до встановленої швидкості;

- другий – рух машини від початку проникнення ковша у штабель гірської маси до повної її зупинки.

В остаточному вигляді розв’язання системи рівнянь (2) зводилося до встановлення поточного часу t одного робочого циклу навантажувальної машини

, |

(3)

де А, В, В1, С, С1 – коефіцієнти, що характеризують силові параметри машини.

Таким чином, одержана аналітична залежність для визначення складових тривалості робочого циклу навантажувальної машини з бічним розвантаженням ковша дозволяє, з одного боку, врахувати конструктивні і технічні параметри машини, з другого – физико-механічні властивості гірських порід, що підлягають навантаженню, шлях пробігу машини та інші умови її експлуатації.

У кожному конкретному випадку вони дають змогу за допомогою розрахунку визначити раціональне сполучення параметрів машини, при яких забезпечується її найбільша продуктивність. До таких параметрів належать: маса машини, місткість ковша, швидкість пересування машини, коефіцієнт зчеплення рушія з опорною поверхнею пересування, шлях пробігу навантажувальної машини від точки завантаження до точки розвантаження ковша.

Для більш детальної оцінки впливу організаційних факторів була побудована оптимізаційна модель, в основу якої покладена методика крутого сходження (метод Бокса – Уілсона).

В оптимізаційній моделі, так само як і в аналітичній, розглядався комплексний вплив пяти різнорідних факторів, які визначають процес навантаження гірської маси в транспортні засоби, а саме: х1 – зчіпна маса машини, т; х2 – місткість ковша, м3; х3 – швидкість машини, м/с; х4 – коефіцієнт зчеплення; х5 – шлях пробігу навантажувальної машини, м.

Кількість можливих комбінацій на двох рівнях при 5-ти перемінних дорівнювало 32 (повна матриця). При цьому враховувався вплив факторів x1x2, x1x3, x1x4, x1x5, x1x2x3, x1x3x4, x1x4x5, x1x2x3x4, x1x3x4x5, x1x2x3x4x5 (загальна кількість розміщень Anm).

Оцінка значущості коефіцієнтів, здійснена за критерієм Стьюдента, показала, що у результаті рандомізації рівняння регресії можна зобразити так:

, | (4)

де – тривалість робочого циклу навантажувальної машини, с.

Перевірка однорідності дисперсії здійснювалася за критерієм Кохрена. За результатами виконаних розрахунків було встановлено, що коефіцієнт Фішера для кількості ступенів вільності f1 = 28 , f2 = 2 і q = 0.05 за розрахунками (Fроз ) дорівнював 2,31, а табличний (Fтаб ) – 3,34. Це доводить адекватність коефіцієнтів рівняння регресії результатам проведених експериментів (Fроз Fтаб ).

Для визначення оптимальних режимів (мінімізації часового функціонала) використовувався метод “рідж-аналізу”, обчислення характеристик якого виконувалося за параметрами Хорля. У результаті розвязання статистичної моделі одержане рівняння, що описує двоплощинний гіперболоїд, проекція якого на площину f(xy) і визначила область оптимізації за параметрами x2 – що характеризує місткість ковша навантажувальної машини, та x5, що характеризує шлях пробігу навантажувальної машини від точки завантаження до точки розвантаження ковша.

, | (5)

де B – незалежна перемінна, що характеризує зміну x2 та x5 ; b11, b33, b13 – матричні коефіцієнти.

Результати математичного моделювання і розвязання оптимізаційної задачі дозволили встановити, що найбільш універсальним критерієм, за допомогою якого можна оцінити ефективність технічних та організаційних вирішень і прийнятих при формуванні малоопераційних технологічних схем навантаження гірської маси, є часовий функціонал.

З метою встановлення ступеня впливу факторів на часовий функціонал розроблена статистична модель процесу прибирання гірської маси та її навантаження у транспортні засоби. Дана модель враховує вплив геотехнічних факторів і прийнятої організації обмінно-транспортних операцій на тривалість робочого циклу навантажувальної машини і на часовий функціонал процесу навантаження гірської маси в цілому.

До геотехнічних факторів віднесені технічні характеристики навантажувальної машини, засоби привибійного транспорту і параметри виробки, а до організаційних – технологічно неминучі простої та перерви.

Тривалість процесу навантаження гірської маси визначається як сума чистого часу роботи навантажувальної машини з урахуванням зміни довжини її пробігу (рис.1) і тривалості технологічно неминучих простоїв та перерв у її роботі. До них відносять: підгін – відгін навантажувальної машини на період ведення підривних робіт; простої машини під час обмінно-транспортних операцій; роботи зі зведення тимчасового запобіжного кріплення і дроблення негабаритів.

, | (6)

де Тн – тривалість процесу навантаження гірської маси, год; Тчн – чистий час роботи навантажувальної машини, хв; То – витрати часу на підгін – відгін навантажувальної машини, хв; Тоб – простої машини у період обмінно-транспортних операцій, хв; Ттк – тривалість робіт зі зведення тимчасового кріплення, хв; Тн – простої машини під час робіт з подрібнення негабаритів, хв; Ко – галузевий нормативний коефіцієнт, що враховує витрати часу на відпочинок прохідників.

Для оцінки ступеня впливу окремих факторів на тривалість вантажно-транспортних операцій був проведений багатофакторний експеримент. Він дозволив встановити коло факторів, які найбільше впливають на основний оціночний критерій – часовий функціонал процесу навантажувальної гірської маси. Результати дослідження показали, що на часовий функціонал процесу навантаження гірничої маси найбільше впливає зміна організації обмінно-транспортних операцій.

Зі збільшенням довжини партії вагонеток, що водночас подаються під навантаження, скорочується тривалість простоїв у період обмінно-транспортних операцій, однак зі збільшенням довжини фронту навантаження гірської маси зростає тривалість робочого циклу машин типу МНК. Аналіз впливу прийнятої організації обмінно-транспортних операцій на часовий функціонал процесу навантаження гірничої маси дозволили встановити область його мінімізації (рис.2).

Тривалість процесу навантаження гірської маси при застосуванні машин з бічним розвантаженням ковша лінійно повязана з довжиною шляху пробігу машини, досягаючи її оптимальних значень у діапазоні від 5 до 35 м, та забезпечується раціональною довжиною фронту навантаження, величина якого змінюється у межах двох – пяти вагонеток залежно від параметрів навантажувального і транспортного устаткування.

Третій розділ присвячений дослідженню тривалості процесів та операцій прохідницького циклу при використанні універсальних навантажувальних машин. Для оцінки адекватності математичних моделей та їх коректування проведений комплекс експериментальних досліджень. Відповідно до програми та методики випробувань малоопераційних транспортно-технологічних схем проведення виробок буропідривним способом виконані заводські і шахтні хронометражні спостереження за роботою навантажувальних машин типу МНК. Обробка результатів цих спостережень дозволила встановити середню тривалість виконання окремих процесів та операцій прохідницького циклу, оцінити ступінь впливу різних геотехнічних факторів на часовий функціонал процесу навантаження гірської маси і виявити найбільш значущі з них. Експериментальна перевірка результатів статистичного моделювання підтвердила, що на основний оціночний критерій найбільш впливає прийнята організація обмінно-транспортних операцій. Адекватність статистичної моделі підтверджується збіжністю розрахункових та експериментальних показників тривалості процесів навантаження і транспортування гірської маси. На підставі аналізу прийнятої організації робіт встановлена трудомісткість виконання окремих процесів та операцій прохідницького циклу. При цьому підтверджена можливість циклічно-потокової організації вантажно-транспортних робіт і паралельного їх виконання з іншими роботами прохідницького циклу. Визначена економія працевитрат на зведення постійного кріплення при використанні ковша машини типу МНК як кріпленнявстановника і механізованого полка.

Четвертий розділ присвячений обґрунтуванню раціональних параметрів технологічних схем та організації робіт у підготовчих вибоях. За результатами математичного моделювання встановлені оптимальні параметри обмінно-транспортних операцій (кількість вагонеток, які одночасно подаються під завантаження і шлях пробігу навантажувальної машини) та розроблені рекомендації щодо застосування банка даних, сформованого для проектування циклічно-потокової організації вантажно-транспортних робіт. Застосування цієї методики дозволяє знизити трудомісткість робіт на 25...35 % і підвищити темпи проведення підготовчих виробок в 1,3...1,4 рази за рахунок раціональної організації взаємодії вантажного і транспортного устаткування.

За результатами експериментальних досліджень розроблений та обґрунтований типовий графік ціклічно-потокової організації гірничопідготовчих робіт при застосуванні навантажувальних машин багатофункціонального призначення. Графік містить мінімум технологічно необхідних операцій та забезпечує паралельне виконання основних процесів і допоміжних операцій прохідницького циклу.

Проведена порівняльна оцінка технологічних схем, що застосовувались, з урахуванням: рівня механізації основних процесів і допоміжних операцій прохідницького циклу, кількості виконуваних вручну операцій та їх трудомісткості, можливості паралельного виконання робіт. За результатами оцінки підтверджена ефективність малоопераційних технологічних схем з циклічно-потоковою організацією вантажно-транспортних робіт, що базуються на застосуванні машин типу НПН.

Висновок

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова задача з теоретичного обґрунтування і методичного забезпечення циклічно-потокової технології проведення підготовчих виробок на базі встановлених закономірностей зміни часового функціоналу, що описує вантажно-транспортні роботи.

Найбільш значущими науковими і практичними результатами досліджень слід вважати наступні:

1. Встановлено, що резервами зниження непродуктивних працевитрат і високої питомої ваги втрат робочого часу в сумарній тривалості робіт прохідницького циклу є малодосліджені процеси взаємодії вантажного і транспортного устаткування при локомотивній відкатці вантажів у привибійний зоні проводжуваної виробки.

2. На підставі теоретичних досліджень вперше розроблена математична модель взаємодії навантажувальної машини типу МНК зі штабелем відбитої гірської маси, опорною поверхнею пересування та транспортним обладнанням. Моделювання можливих варіантів процесу навантаження гірської маси дозволяє враховувати взаємозвязок технологічних параметрів навантажувальних машин типу МНК з параметрами організації вантажно-транспортних робіт.

3. Для інтерпретації спільного впливу геотехнічних факторів за основний оціночний критерій прийнятий часовий функціонал робочого циклу навантажувальної машини. Стосовно до навантажувальних машин типу МНК вперше встановлено, що на часовий функціонал процесу навантаження найбільше впливають: місткість ковша навантажувальної машини, швидкість її пересування і шлях пробігу від штабеля до місця розвантаження ковша.

4. При проведенні підготовчих виробок буропідривним способом із застосуванням навантажувальних машин типу МНК вперше запропонований метод статистичного моделювання процесів і операцій. Експериментальна перевірка статистичного моделювання підтвердила, що на основний оціночний критерій найбільш впливають організаційні фактори, а саме прийнята організація обмінно-транспортних операцій.

5. Для різних типорозмірів навантажувальних машин типу МНК і транспортних посудин обґрунтовані раціональні параметри організації обмінно-транспортних операцій, що забезпечують мінімізацію тривалості вантажно-транспортних робіт.

6. Обґрунтована базова модель організації обмінно-транспортних операцій у складі малоопераційних технологічних схем, яка дозволяє забезпечити мінімальну трудомісткість робіт прохідницького циклу і підвищення темпів проведення підготовчих виробок за рахунок скорочення простоїв і виконуваних вручну непродуктивних операцій.

7. Встановлена залежність тривалості процесу навантаження гірської маси машинами типу МНК від куту нахилу та напрямок проведення підготовчих виробок при застосуванні конвейерного транспорту.

8. Виконана порівняльна оцінка застосовуваних технологічних схем, що дає можливість урахувати: рівень механізації основних процесів прохідницького циклу, кількість виконаних вручну операцій та їх трудомісткість, паралельне використання робіт. Підтверджена ефективність малоопераційних технологічних схем з циклічно-потоковою організацією вантажно-транспортних робіт у порівнянні з традиційними, що базуються на застосуванні машин типу НПН.

9. Розроблена, затверджена ДонНДІ і передана ВО “Новогорловський машинобудівний завод” “Методика обґрунтування параметрів і схем організації вантажно-транспортних робіт при проведенні гірничих виробок буропідривним способом із застосуванням навантажувальних машин типу МНК”, що дозволяє мінімізувати тривалість і трудомісткість процесу навантаження гірської маси, а також формувати раціональні графіки організації гірничопідготовчих робіт.

Основні результати опубліковані у наступних наукових роботах:

1. Ширин Л.Н., Барташевский С.Е., Мельничук В.Ю. Оптимизация схем взаимодействия погрузочного и транспортного оборудования и совершенствование технологии горно-подготовительных работ // Научно-прикладные проблемы разработки крутых и крутонаклонных угольных пластов Донбасса: Монография. - Донецк: Регион,1999. - С.370-379.

2. Ширин Л.Н., Барташевский С.Е. Состояние и перспективы развития технологии и средств проведения подготовительных выработок на горнодобывающих предприятиях Украины // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1997. - № 1 - 2. - С.5-7.

3. Ширин Л.Н., Барташевский С.Е. Перспективы применения самоходного оборудования многофункционального назначения при проведении выработок буровзрывным способом // Вибрации в технике и технологиях. - 1998. - № 3 (7). - С.19-20.

4. Барташевский С.Е. Разработка методики оценки влияния горногеологических и горно-технических факторов на технико-экономические результаты работы погрузочного оборудования // Вибрации в технике и технологиях. - 1998. - № 4 (8). - С.82-83.

5. Барташевский С.Е. Установление прогнозных технико-экономических показателей работы подготовительных забоев, работающих по буровзрывной технологии // Вибрации в технике и технологиях. - 1998. - № 5 (9). - С.65-66.

6. Ширин Л.Н., Барташевский С.Е. Исследование трудоемкости погрузочно-транспортных работ при буровзрывном проведении выработок // Науковий Вісник Национальної Гірничої Академії України. - 1998. - № 2. - С.19-21.

7. Страшко В.А., Ширин Л.Н., Шумриков В.В., Барташевский С.Е. Математическая модель продолжительности рабочего цикла погрузочной машины // Вибрации в технике и технологиях. - 2001. - № 31 (9). - С.46-49.

8. Ширин Л.Н., Барташевский С.Е., Шумриков В.В. Использование математических моделей для разработки нормативной базы на производство и применение погрузочных машин типа МПК // Науковий Вісник Национальної Гірничої Академії України. - 2003. - № 2. - С.62-63.

9. Ширин Л.Н., Ширин А.Л., Барташевский С.Е. Системы транспорта подготовительных участков // Проведение и эксплуатация горизонтальных горных выработок на шахтах с крутым и наклонным залеганием угольных пластов: Учебное пособие. - Донецк: Регион, 2001. - С.361-408.

10. Ширин Л.Н., Тарасов В.И., Барташевский С.Е. Обоснование параметров буро-погрузочно-транспортных машин для проведения выработок буровзрывным способом // Современные пути развития горного оборудования и технологий переработки минерального сырья: Сб. тез. докл. международ. конф.: Днепропетровск: ГГА Украины, 1996. - С.44.

11. Барташевский С.Е. Перспективы применения самоходного оборудования для комплексной механизации проведения выработок буровзрывным способом // Современные пути развития горного оборудования и технологий переработки минерального сырья: сб. тез. докл. международ. конф.: Днепропетровск: ГГА Украины, 1997. - С.20-21.

12. Ширин Л.Н., Барташевкий С.Е., Шумриков В.В. Оценка эффективности статистической и аналитической моделей оптимизации параметров погрузочного и транспортного оборудования // Проблемы транспорта в горном производстве: сб. тез. докл. науч.-практ. конф.: Днепропетровск: ГГА Украины, 2002. – С.14-16.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві.

У роботах 2, 3, 10 автором розглянутий стан та обґрунтовані перспективи розвитку технології і засобів проведення підготовчих виробок буропідривним способом. У 6, 8, 12 синтезована та досліджена модель процесу навантаження гірської маси у транспортні засоби, що характеризує взаємодію універсальної навантажувальної машини з відбитою гірською масою та транспортним обладнанням. У роботі 1 оцінений вплив гірничо-геологічних, гірничотехнічних та організаційних факторів на трудомісткість навантаження гірської маси машинами багатофункціонального призначення. У 9 встановлена залежність продуктивності механізованого навантаження від терміну паузи на обмін вагонеток різної місткості. У роботі 7 розглянутий вплив організації взаємодії навантажувального та транспортного обладнання на тривалість робочого циклу гусеничних машин з боковим розвантаженням ковша.

Анотація

Барташевський С.Є. “Вдосконалення технології проведення підготовчих виробок буропідривним способом на базі оптимізації параметрів взаємодії вантажно-транспортного обладнання” – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 – “Підземна розробка родовищ корисних копалин”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2003 р.

Дисертація присвячена питанням обґрунтування і розробки методичного забезпечення організації циклічно-потокової технології проведення гірничих виробок на базі вдосконалення схем взаємодії навантажувального і транспортного устаткування. Науково обґрунтовані програма і алгоритм розрахунку оптимальних параметрів навантажувальної машини з бічним розвантаженням ковша, що враховують взаємний вплив геотехнічних умов проведення виробки, та конструктивні параметри машини у процесі її експлуатації, а також розроблена “Методика обґрунтування параметрів і схем організації вантажно-транспортних робіт при проведенні гірничих виробок буропідривним способом із застосуванням навантажувальних машин типу МНК”. Розроблені методичні рекомендації, затверджені галузевим інститутом ДонНДІ та передані ВО “Новогорловський машинобудівний завод”.

Ключові слова: буропідривний спосіб, часовий функціонал, конструктивні параметри, організація робіт, вантажно-транспортне обладнання, циклічно-потокова технологія.

Аннотация

Барташевский С.Е. “Совершенствование технологии проведения подготовительных выработок буровзрывным способом на базе оптимизации параметров взаимодействия погрузочно-транспортного оборудования”. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 – “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2003 г.

Диссертация посвящена обоснованию и разработке методического обеспечения организации циклично-поточной технологии проведения горных выработок на базе совершенствования схем взаимодействия погрузочного и транспортного оборудования.

Переход к циклично-поточной технологии проведения подготовительных выработок буровзрывным способом возможен за счет сокращения продолжительности работ по погрузке горной массы и возведению крепи. Основным резервом снижения трудоемкости и продолжительности процесса погрузки горной массы являются малоисследованные процессы взаимодействия погрузочных машин многофункционального назначения со средствами локомотивного транспорта в призабойной зоне проводимой выработки. Поскольку погрузочные машины типа МПК находятся еще на стадии опытно-промышленной эксплуатации, применение традиционных методик для создания нормативной базы на их использование невозможно. В связи с этим обоснована расчетная схема и разработана математическая модель, учитывающие, в отличие от существующих, не только взаимодействие погрузочной машины со штабелем отбитой горной массы и почвой выработки, но и со средствами призабойного транспорта. В качестве основного оценочного критерия при этом принят временной функционал рабочего цикла погрузочной машины.

Проведенный многофакторный эксперимент (по плану 2к) позволил установить факторы, оказывающие наибольшее влияние на временной функционал. К ним относятся емкость ковша и путь пробега погрузочной машины. Установлена также область рационального изменения технических параметров машин типа МПК. Для более детальной оценки влияния технологических параметров на временной функционал процесса погрузки горной массы впервые предложен метод статистического моделирования. По