МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТУГАЙ ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ

УДК. 622. 268.13:622.619.519.863

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ

ТЕХНОЛОГІЧНИХ СХЕМ ВУЗЬКОЗАХВАТНОЇ ВИЇМКИ ТОНКИХ ПОЛОГИХ ПЛАСТІВ

Спеціальність: 05.15.02 – Підземна розробка родовищ корисних копалин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничої електромеханіки в Українській інженерно-педагогічній академії Міністерства освіти і науки України (м. Стаханов).

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор,

завідувач кафедри транспортних систем і технологій ШИРІН

Національного гірничого університету Леонід

Міністерства освіти і науки України Никифорович

(м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

професор кафедри підземної розробки КУЗЬМЕНКО

родовищ Національного гірничого університету Олександр

Міністерства освіти і науки України Михайлович

(м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, заступник начальника

Територіального управління Держнаглядохоронпраці СТЕБЛІН

України по Луганській області, Міністерство Віктор

вугільної промисловості України Васильович

(м. Луганськ)

Провідна установа: Донецький національний технічний університет,

Міністерства освіти і науки України, кафедра

підземної розробки корисних копалин.

Захист відбудеться “19 ” травня 2006 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)

З дисертацією млина ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ пр. К.Маркса, 19)

Автореферат розісланий “ 19 ” квітня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д08.080.03,

кандидат технічних наук, доцент В.І. Тимощук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Потенційні можливості засобів комплексної механізації процесів очисної виїмки тонких пологих пластів можуть бути реалізовані у повному обсязі при адекватності проектних показників реальним умовам їх експлуатації. Шахтними дослідженнями встановлено, що при відпрацюванні запасів підготовленого виймального стовпа, через відхилення від проектних рішень збільшуються обсяги виконання кінцевих операцій на 18...20%, шляхи переміщення комбайна й робітників на 20...22%, кількість пересувань забійного конвеєра на 15…20%. У результаті цього на 15...21% зменшується загальне просування лінії очисного вибою й техніко-економічні показники видобутку вугілля.

Однією з причин зниження показників роботи очисних вибоїв є втрата стійкого положення вузькозахватного комбайна відносно конвеєра й вибою. В подібних ситуаціях змінюються положення й форма вибою лави, зменшується корисний (фактичний) захват комбайна на 100…130 мм й відповідно крок пересування обладнання на таку ж величину.

Експериментально доведено, що систематичне зниження нормативного кроку пересування обладнання лави до вибою може бути усунуте шляхом удосконалювання традиційних схем і параметрів вузькозахватної виїмки. Досягається це за рахунок збільшення коефіцієнта використання ширини захвату виконавчого органа комбайна при збереженні кроку пересування секцій механізованого кріплення, або збільшенням площі оголення за рахунок використання комбінованої схеми руйнування вугільного масиву. Однак наявність тільки експериментальних даних не дозволяє в повному обсязі описувати процес адаптації елементів технічної системи до змінного середовища. У цьому зв’язку процес виймання тонких пологих пластів уперше розглядається як взаємодіюча система “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”.

Актуальність комплексних досліджень подібної системи містить практичне використання результатів з обґрунтування параметрів очисної виїмки в реальних умовах розробки тонких пологих пластів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Тема дисертаційної роботи й дослідження відповідають планам НДР й ОКР Міністерства вугільної промисловості України, держбюджетній науково-дослідній роботі № С00190 “Дослідження навантажень, що діють на очисні комбайни із двохшнековими виконавчими органами”, в якій автор був відповідальним виконавцем, а також державній програмі “Українське вугілля”.

Ціль роботи полягає в обґрунтуванні раціональних параметрів технологічних схем вузькозахватної виїмки тонких пологих пластів і підвищенні ефективності руйнування масиву вугілля шляхом використання потенційних можливостей вибійного обладнання лави й закономірностей його взаємодії із реальним середовищем.

Ідея роботи полягає в комплексному врахуванні закономірностей взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” для обґрунтування раціональних параметрів технологічних схем вузькозахватної виїмки тонких пологих пластів.

Для реалізації мети та ідеї в дійсній роботі сформульовані й вирішені наступні задачі досліджень.

1. Дослідити особливості вузькозахватної виїмки тонких пологих пластів і формування привибійного простору у лавах для обґрунтування розрахункової схеми взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”, моделювання та стендових випробувань процесу виїмки вугілля.

2. Установити закономірності взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” при зміні параметрів вибійного обладнання й розробляємого пласта.

3. Обґрунтувати раціональні технологічні схеми комбайнової виїмки тонких пологих (12...17о) пластів й коефіцієнт ефективного використання ширини захвату комбайна.

Об'єкт дослідження – процес взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” при комбайновій виїмці пластів із змінною шириною захвату виконавчих органів.

Предмет досліджень – механізм адаптації елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” при очисній виїмці пологих пластів.

Методи досліджень. Поставлена мета досягається теоретичними й експериментальними дослідженнями закономірностей взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”, математичним моделюванням процесу руйнування вугільного пласта шнековими виконавчими органами, статистичною обробкою результатів стендових і шахтних випробувань рекомендованих схем руйнування пласта, а також методами системного аналізу й експертною оцінкою виробничих задач при вузькозахватній виїмці вугілля механізованими комплексами й комплектами очисного обладнання із різною шириною захвату та компоновкою виконавчих органів комбайна.

Наукові положення, які виносяться на захист:

1. Ефективність вузькозахватної виїмки тонких пологих пластів забезпечується стабільною роботою системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” та характеризується величинами зміни форми вибою й траси става конвеєра при утворенні ущільненої смуги вугілля у нижній кромки пласта за довжиною вибою, параметри якої змінюються прямо пропорційно величині кутового відхилення комбайна на рамі забійного конвеєра від вертикальної вісі й обернено пропорційно відстані від лемеха конвеєра до вибою.

2. Експлуатаційні енерговитрати накопичуються при кожному циклі очисних робіт і знижуються пропорційно збільшенню коефіцієнта використання ширини захвату кв виконавчого органу комбайна. Оптимальні параметри енерговитрат на руйнування вугілля на пластах з кутом падіння б= 12...17о досягаються при співвідношенні ширини захвату комбайна до кроку пересування кріплення кс=1,25±0,05. При цьому до 18% знижується обсяг непродуктивних кінцевих операцій, які обумовлені величинами недосування забійного обладнання при традиційній схемі вузькозахватної виїмки вугілля.

Вірогідність наукових положень, виводів і рекомендацій роботи обґрунтована: коректною постановкою задач на кожному етапі роботи; застосуванням апробованих теоретичних й експериментальних методів досліджень; перевіреними методами обробки результатів досліджень і задовільною для практики збіжністю теоретичних й експериментальних значень параметрів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” (розбіжність теоретичних результатів з даними експерименту не перевищує 15 % при довірчій імовірності 0,95);

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей функціонування системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” при вузькозахватній виїмці тонких пологих (у діапазоні кутів залягання 12...17о) пластів і формуванні навантажень на очисний вибій з урахуванням коефіцієнта використання ширини захвату виконавчих органів комбайна.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

- уперше розроблена математична модель взаємодії системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”, що на відміну від відомих, ураховує: комплексне врахування показників енерговитрат на руйнування вугілля й рух комбайна по ставу конвеєра, що повторює важку гіпсометрію підошви пласта та форму вибою;

- уперше встановлена закономірність формування навантажень у системі “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” і дана оцінка її стійкості при зміні ширини захвату виконавчого органу комбайна та комбінованій схемі виїмки вугільного пласта;

- за результатами шахтних досліджень уперше встановлений коефіцієнт використання ширини захвату виконавчого органу комбайна кв який дозволяє: координувати проектні показники очисної виїмки тонких пластів у межах значень кв = 0,851...0,906; прогнозувати для конкретних умов темпи просування очисних вибоїв і забезпечити зниження експлуатаційних витрат на виконання кінцевих операцій у лаві;

- уперше визначений позитивний ефект перерозподілу навантажень на випереджаючий та відстаючий шнеки вузькозахватного комбайна типу 1К101У у результаті зміни площини оголення й контакту їх з вугільним пластом при комбінованій схемі виїмки вугілля.

Практичне значення отриманих результатів полягає: у розробці технологічних схем комбайнової виїмки тонких пологих пластів з комбінованими виконавчими органами і збільшеною шириною захвату, щодо кроку пересування кріплення; установленні граничних значень коефіцієнта використання ширини захвату виконавчого органа для різних режимів роботи комбайна на пластах з опірністю вугілля різанню Вр,=100…300 кН/м; у розробці технічної документації на дослідні зразки виконавчих органів комбайна 1К101У із збільшеним й комбінованим захватом.

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети й ідеї роботи, формулюванні задач досліджень і наукових положень, розробці програми й методики досліджень, проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, обробці та аналізі отриманих результатів.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися: на науково-теоретичній конференції Новочеркаського державного технічного університету (м. Новочеркаськ, 1997 р., Росія); на Міжнародній науково-практичній конференції “Відродження Донбасу”, ГФ УІПА, Стаханов, 2001 р.; на VI Міжнародної науково-технічної конференції НГУ, Дніпропетровськ, 2004 р.; на XXXYIII науково-практичній конференції науково-педагогічних працівників, учених, аспірантів і співробітників академії, УІПА, Харків, 2005 р.

Реалізація виводів і рекомендацій роботи.

Розроблені: програма та методика стендових досліджень взаємодії системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” при очисній виїмці пласта, методика визначення фактичної ширини захвату комбайна при вузькозахватній виїмці тонких пологих пластів, обґрунтовані конструктивні параметри та випробувані у шахтних умовах дослідні зразки шнеків комбайна 1К101У із збільшеним захватом, впроваджена технологічна схема виїмки вугілля з комбінованим захватом виконавчих органів комбайна 1К101У на шахті ім. С.М. Кірова ДХК “Луганськвугілля”.

Публікації. Основні наукові положення й отримані результати викладені у 8 друкованих роботах; з них 4 у спеціалізованих фахових виданнях і 4 у матеріалах конференцій.

Структура й обсяг дисертації.

Дисертація складається із введення, 5 розділів, висновку, списку літератури з 104 найменувань на 10 сторінках, містить 135 сторінок машинописного тексту, 64 малюнка на 30 сторінках, 31 таблиці на 9 сторінках і додатка на 31 сторінці; загальний обсяг роботи 199 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ присвячений аналізу досліджень з вдосконалення технології очисної виїмки вугілля тонких пологих пластів у різних виробничих ситуаціях на шахтах України та дослідженню світового досвіду ведення очисних робіт.

Необхідно визначити, що найбільш вагомий внесок в удосконалення технології очисної виїмки механізованими комплексами й комплектами очисного обладнання внесли вчені: Адилов К.М., Бурчаков А.С., Гребьонкін С.С., Колоколов О.В., Кузнєцов Г.І., Кузьменко О.М., Сапицький К.Ф., Фрумкін Р.А., Халімендик Ю.М., Ширін Л.Н., Яцьких В.Г. й ін.

Виконані ними дослідження довели, що параметри просування очисного вибою є змінною величиною, яка залежить від багатьох факторів, у тому числі від характеристик пласта, ширини захвату комбайна, траси става конвеєра й енергоозброєння виймальної машини.

За результатами виконаного аналізу встановлено, що більшість теоретичних розробок в області удосконалення технології вузькозахватної виїмки тонких пологих пластів знайшли широке використання у практиці. Однак питання взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” до теперішнього часу виявилися мало дослідженими. Більш того, у вітчизняній й світовій технічній літературі практично не висвітлені підсумки досліджень з встановлення коефіцієнта використання ширини захвату комбайна. Обумовлено це відсутністю можливості й довгим терміном проведення комплексних досліджень (теоретичних, стендових, шахтних) й достатньо важкими умовами їх проведення.

У той же час в процесі шахтних експериментів зареєстровано, що використання технологій виїмки вугілля комбайнами із збільшеною шириною захвату виконавчих органів при збереженні кроку пересування секцій механізованого кріплення дозволило досягти: збільшення фактичної ширини захвату комбайнів; зменшення кількості циклів пересувок конвеєра, кінцевих операцій, а також шляху переміщення комбайна й робітників.

На підставі доведеного можна констатувати, що робота, спрямована на впровадження у виробництво ефективної технології виїмки вугілля механізованими комплексами й комплектами очисного обладнання зі змінною величиною корисного захвату комбайнів при збереженні кроку пересування секцій кріплення, а також застосування комбінованої схеми виїмки пласта є важливою й актуальною.

Для досягнення мети і вирішення поставлених задач дійсною роботою, передбачено виконати комплекс теоретичних, стендових і шахтних досліджень, що дозволяють обґрунтувати напрямок і розробити рекомендації з удосконалення технологічних схем виїмки вугілля механізованими комплексами й комплектами очисного обладнання.

Відповідно до розробленої структурно-логічної схеми досліджень технологія вузькозахватної виїмки тонких пологих пластів розглядається як взаємодіюча система “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”.

Кінцева мета досліджень – досягнення ефективної роботи механізованих очисних комплексів і комплектів обладнання при виїмці тонких пологих пластів шляхом підвищення коефіцієнта використання проектної ширини захвату виконавчих органів комбайна, за рахунок ліквідації недосування забійного конвеєра до вибою.

Під терміном “недосування” конвеєра слід розуміти зменшення нормативного кроку пересування обладнання лави до вибою за технологічними причинами. Новий термін одержав визнання у розробників вдосконаленої технології виймання тонких пологих пластів й використовується у технічній документації.

Другий розділ присвячений теоретичним дослідженням зовнішніх навантажень і стійкості системи “вугільний пласт – комбайн - конвеєр” при очисній виїмці тонких пологих пластів у складних гірничо-геологічних умовах.

Шахтними випробуваннями технології очисної виїмки тонких пластів установлено, що при втраті стійкої роботи системи спостерігаються викривлення става конвеєра й зміни положення комбайна в горизонтальній і вертикальній площинах. При цьому трансформується форма вибою і, як наслідок, практично при кожному циклі виїмки спостерігається недосування забійного обладнання на 100…130 мм.

Для з'ясування причин зменшення нормативного кроку пересування обладнання розроблена структурно-логічна схема досліджень, яка передбачає комплекс теоретичних, стендових й промислових експериментів.

Метою теоретичних досліджень є визначення оптимальних режимів роботи системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” для обгрунтування раціональних параметрів просування очисного вибою і області ефективного застосування технологічних схем вузькозахватної виїмки вугілля при комбінованій схемі виїмки пластів і змінних параметрах ширини захвату виконавчих органів комбайна й кроку пересування кріплення.

У фундаментальних роботах галузевих інститутів ІГС ім. А.А. Скочинського, Діпровуглемаш, ДонВугі, Дондіпровуглемаш, ДонНДІ широко висвітлені питання адаптації забійного обладнання в привибійному просторі лав при складній гіпсометрії підошви пласта і скривленні вибою в горизонтальній площині.

Моделювання й експериментальні дослідження процесу вузькозахватної виїмки при втраті стійкості комбайна у вертикальній площині вперше були проведені у Стахановській філії КГМІ на повнорозмірному стенді з вуглецементним блоком.

У роботах В.Г. Яцьких відзначалося, що саме втрата стійкості комбайна у вертикальній площині є першопричиною скривлення вибою і порушень технології очисної виїмки на тонких пологих пластах.

Для теоретичного обґрунтування стійкості комбайна на рамі конвеєра у вертикальній площині нами була розроблена розрахункова схема, що описує процес взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”.

Взаємодія комбайна із пластом вугілля описана системою диференціальних рівнянь. Розроблена математична модель взаємодії системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”, на відміну від існуючих, враховує: характер зміни опорів руху комбайна по ставу конвеєра при різних швидкостях його переміщення; характеристики пласта й траси конвеєра, що повторює гіпсометрію підошви пласта й форму вибою; особливості стружкоутворювання при зміні режимів роботи виконавчого органа.

Як критерії оцінки процесу взаємодії системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” прийняті: опірність вугілля різанню Вр, ширина захвату виконавчих органів комбайна Вз, потужність пласта Нр, стійка потужність двигуна комбайна Рст, швидкість переміщення комбайна vп.к., кут падіння пласта б, величина недосування конвеєра до вибою hв, кути вигину става конвеєра л й повороту комбайна навколо направляючої г, а також енерговитрати на руйнування вугільного пласта.

Рис. 1. Розрахункова схема для визначення складових величини кроку пересування конвеєра до вибою: г – кут повороту комбайна навколо напрямної конвеєра, град; hв – величина недосування конвеєра до вибою, мм; bк – ширина комбайна, мм; r1 – радіус обертання комбайна щодо направляючої.

Розрахунок максимально припустимих значень швидкості перміщення комбайна vп для заданих гірничо-технічних умов експлуатації виконувався виходячи з умов максимального використання технічних можливостей комбайна і збереження його стійкості на рамі скребкового конвеєра лави.

За результатами моделювання продуктивності Q комбайна залежно від ширини захвату його виконавчого органа Вз встановлені оптимальні значення режимних параметрів очисної виїмки вугілля (насамперед, швидкості vп), що забезпечують стійку роботу системи.

Для реальних умов шахт Східного Донбасу встановлено, що при середніх значеннях потужності двигунів (Nст=80…90 кВт), граничні швидкості подачі комбайна становлять: при Вр=100 кН/м – 4,8 м/хв; при Вр =150 кН/м – 3,6 м/хв; при Вр =200 кН/м – 2,8 м/хв. У сприятливих умовах експлуатації одержані значення швидкості vп можуть бути збільшені, однак, при цьому збільшиться й амплітуда рухів комбайна у вертикальній і горизонтальній площинах щодо вибою. При русі комбайна відносно скривленого ставу кутові відхилення опор від поверхні става (рис. 1) будуть сягати критичних значень г=10...14о, при яких зафіксовані схід комбайна з рами конвеєра, вихід з ладу замкових з'єднань рештаків й інші негативні наслідки.

За результатами стендових випробувань встановлено, що в моменти відхилення опор комбайна від поверхні става конвеєра в зоні сполучення пласта із підошвою починають формуватися уступи не зруйнованого вугілля.

При втраті стійкості комбайна на рамі конвеєра величина уступів не зруйнованого вугілля в нижній частині пласта визначається виразом

(1)

Шляхом моделювання встановлено, що з підвищенням швидкості переміщення комбайна прямо пропорційно збільшується кутове відхилення його корпуса від става конвеєра, зношування різців куткової частини шнека і, як наслідок, зниження продуктивності комбайна.

Стендові випробування альтернативних схем руйнування пласта вугілля дозволили констатувати, що зазначені негативні явища ліквідуються шляхом формування східчастої форми вибою з верхнім уступом, тобто комплектуванням виконавчого органа шнеками різної довжини (рис. 2).

Рис. 2. Технологічна схема комбінованої виїмки пласта комбайном 1К101У зі шнеками різної довжини (верхній – ВЗ.вип=630 мм; нижній – ВЗ.від=800 мм).

У порівнянні з базовим варіантом, коли обидва шнеки мають однакову довжину (0,63 або 0,8 м) сумарний момент виконавчого органа не змінюється. Експериментально доведено, що сумарна площа контакту шнеків з вугільним масивом залишається незмінною, однак, при цьому відбувається сприятливий для трансмісії комбайна перерозподіл навантажень на шнеки: верхній шнек трохи розвантажується, а нижній навантажується додатково. Це обумовлено зміною характеру контактів шнеків із вугільним масивом та коефіцієнтів послаблення пласта.

Вплив такої схеми сполучення шнеків на стійкість комбайна є сприятливим: з однієї сторони точка прикладання рівнодіючих сил різання на виконавчому органі зрушується убік масиву, а з іншої, величина рівнодіючої сил різання, що прагне перекинути комбайн, зменшується. Важливою обставиною є усунення в цьому випадку недосування забійного скребкового конвеєра до вибою, що у реальних умовах сягає 100…130 мм.

Більш того при аналізі режимів роботи комбінованого виконавчого органа (рис. 2) установлено що: навантаження на верхній шнек комбінованого виконавчого органа знизилися на 8…10%, середні значення рівнодіючих сил різання на нижньому шнеку зростають на 20…25%.

Застосування комбінованого виконавчого органа при однаково орієнтованих лопастях з боку корпуса комбайна на 0,13 с випереджає виїмку нижньої частини пласта і таким чином змінює складові реакцій, що діють на комбайн з боку вибою в початковий момент часу.

За результатами моделювання встановлено, що, незважаючи на збільшення навантаження на відстаючому шнеку, максимальні значення сумарного навантаження знижуються на 15…20%. Середнє навантаження на виконавчий орган практично не змінюється. Комбайн зберігає стійке положення щодо площини вибою, підвищуючи при цьому ефект руйнування пласта.

Максимальні значення сумарних навантажень на комбінованому виконавчому органі в порівнянні зі звичайним виконавчим органом у результаті зсуву в часі максимумів навантажень на удовженому й звичайному шнеках знижуються в середньому на 25%. Крім того при комбінованому виконавчому органі відбувається більш рівномірний розподіл навантажень на випереджальний і відстаючий шнеки та на відповідні їм поворотні редуктори.

Питомі енерговитрати на руйнування вугілля при комбінованому захваті нижче на 8…10%, у порівнянні зі шнеками однакової довжини, за рахунок збільшення площі оголення вибою і його східчастої форми.

Третій розділ присвячений встановленню закономірностей взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” при очисній виїмці і перевірці адекватності математичної моделі на повнорозмірному стенді, тобто поводженню системи в умовах близьких до реальних.

Експериментальні дослідження проводилися відповідно до розробленої методики стендових досліджень, що передбачала: обґрунтування й розробку конструкції стенда з вимірювальною й реєструючою апаратурами, для дослідження режимів роботи комбайна в умовах зміни ширини захвату виконавчих органів і кутів нахилу стенда; установлення параметрів енерговитрат і стійкості комбайна на конвеєрі в умовах взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”; аналіз і синтез результатів теоретичних і експериментальних досліджень взаємодії системи.

Методикою передбачалося поетапне проведення досліджень на повнорозмірному стенді з вуглецементним блоком, характеристики якого відбивали фізико-механічні властивості пластів (опірність вугілля різанню, включення породи в пласт й ін.) й гіпсометрію підошви пласта. У процесі експериментів змінювались кут нахилу стенда в межах 5о...15о,. потужність пласта від 0,8 до 1,2 м, а також імітувались нерівності підошви пласта.

Виміри на стенді проводилися тензометричною апаратурою при холостому і робочому ході комбайна. Середня швидкість переміщення комбайна відповідно до методики змінювалася в діапазоні 0,5...2,0 м/хв.

У відповідності з методикою ширина захвату комбайна варіювалася в діапазоні 0,63, 0,8 й 1,0 м, а при комбінованій схемі виїмки пласта - 0,63 м - верхній й 0,8 м - нижній шнеки. Напрямок виїмки блоку комбайном 1К101У був прийнятий знизу нагору у відповідності зі схемою розташування шнеків - випереджальний угорі, що відстає внизу.

За результатами стендових досліджень стійкості системи “вугільний пласт - комбайн - конвеєр” встановлені:

- граничні значення швидкості подачі, що відповідають стійкій потужності електродвигуна при різній ширині захвату й опірності вугілля різанню.

- раціональні режими роботи комбайна і уточнена зазначена вище область його раціонального застосування.

- відхилення розрахункових значень контрольних параметрів від експериментальних не перевищує 15% при довірчій імовірності 0,95. Це підтверджує вірогідність математичної моделі взаємодії елементів системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”.

Четвертий розділ присвячений визначенню причин недосування забійного конвеєра до вибою й способів їх усунення. Поставлена мета й реалізація ідеї досягаються системністю підходу до вирішення проблеми й включає стендові дослідження процесу формування недосування забійного конвеєра до вибою, дослідження трас конвеєрів у лавах, фактичної ширини захвату, форми вибою і параметрів переміщення забійного конвеєра в процесі очисної виїмки тонких пологих пластів шахт ДХК “Первомайськвугілля” й ДХК “Луганськвугілля”.

За циклограмами роботи лав, результатами маркшейдерських вимірів положення забійного обладнання, кількістю знятих смуг і фактичному обсягу видобутого вугілля установлено, що при переміщенні забійного конвеєра слідом за виїмкою систематично відбувається його недосування до вибою. Із цієї причини фактичний захват комбайна виявляється на 15...20% менше наведеного в технічній характеристиці, що призводило не тільки до зниження обсягів видобутку вугілля, але й до порушення паспортів кріплення лав.

Відповідно до методики досліджень у розділі встановлені причини недосування забійного конвеєра до вибою, навантажувальна здатність шнеків комбайна і зусилля пересування забійного конвеєра при скривленні става конвеєра в плані та профілі.

Шахтними дослідженнями виявлено, що параметри недосування конвеєра до вибою залежать від гіпсометрії підошви пласта, прямолінійності лінії вибою і установочного розміру від носка лемеха конвеєра до вибою.

При роботі комплектів обладнання й комплексів фактична ширина захвату комбайна виявилася на 100…130 мм менше проектної.

За результатами стендових і шахтних досліджень отримані регресійні залежності коефіцієнта використання ширини захвата від:

- опірності вугілля різанню

KВ=8,57• 10-8 Вр2+3,705• 10-6 Вр +0,882; (2)

- ширини захвату

KВ=-0,253Вз2+0,516Вз +0,622; (3)

- швидкості переміщення комбайна

KВ=3,898• 10-4v2+5,048• 10-3v +0,867, (4)

- коефіцієнта навантаження

KВ=-0,321KН2+0,239KН +0,819 (5)

Наведені на рис. 3 графіки зазначених залежностей, побудовані методом найменших квадратів показали, що при апроксимації поліномом 2-го ступеня похибка не перевищує 3%.

Рис. 3. Залежності коефіцієнта використання ширини захвату від опірності вугілля різанню (ВР), швидкості подачі (vП), коефіцієнта навантаження (КН) і ширини захвату (ВЗ).

Результати досліджень, отримані в даному розділі, були використні Стахановським РМЗ при виготовленні шнеків із шириною захвату 0,93 й 1,0 м і шахтами ДХК “Луганськвугілля” і “Первомайськвугілля” при впровадженні технології виїмки вугілля очисними механізованими комплексами та комплектами обладнання з комбайнами, що мають збільшену ширину захвату виконавчого органа й комбінований захват в умовах доробки запасів вугілля тонких пологих пластів.

П'ята глава присвячена результатам промислових випробувань технологічних схем виїмки тонких пластів зі змінюваними параметрами захвату комбайна і кроку пересування забійного обладнання відповідно за програмою й методикою.

Програма випробувань експериментальних комплектів і комплексів обладнання зі змінною (0,63...1,0 м) шириною захвату комбайна передбачала поетапне дослідження технології очисної виїмки.

На першому етапі розроблялася проектна документація щодо підготовки комплектів і комплексів очисного обладнання й випробування його на стенді. На другому - підготовка очисного вибою до експлуатації обладнання в шахті, дослідження і оцінка його працездатності при змінних параметрах очисної виїмки.

За період випробувань комплекту очисного обладнання зі збільшеною шириною захвату на шахті “Карбоніт” протягом року було добуто понад 120 тис. тон вугілля, просування очисної лінії вибою склало 396 м. При цьому, у порівнянні зі стандартною схемою виїмки пласта (Вз = 0,8 м) досягнуті наступні переваги:

- з кожної смуги, знятої комбайном, було добуто на 25% вугілля більше при тій же кількості робітників;

- кількість знятих смуг вугілля за час експлуатації лави зменшилася на 25%, а, отже, відповідно зменшилося на стільки ж кількість пересувок забійного конвеєра із супутніми трудомісткими кінцевими операціями, а також кількість пересувок за всією довжиною лави посадочних тумб, переносу гідравлічних стійок і ін.;

- шлях переміщення комбайна й робітників за ним, з виконанням супутніх ручних операцій зменшився на 28%, за рахунок чого значно знизилася фізична стомлюваність робітників, що має особливо велике значення при розробці тонких пластів з їх стиснутим робочим простором;

- зменшена кількість пилу, що витає, в очисному вибої за рахунок зменшення пересувок посадочного кріплення й кількості куткових прорізів в уступі вибою, основного джерела подрібнювання вугілля й пилеутворювання;

- зменшена кількість відмов і зношування всього очисного обладнання за термін відпрацювання виймального стовпа, що пов'язане зі зменшенням кількості проходів комбайна й пересування посадочного кріплення й забійного конвеєра. За рахунок цього був підвищений машинний час роботи комбайна.

Впровадження на шахтах ім. Менжинського ДХК “Первомайськвугілля” й ім. Дзержинського ДХК “Стахановвугілля” комбайнів 1К101У зі збільшеною шириною захвату до 0,93 м, при кроці пересування механізованого кріплення “Донбас” і комплектів обладнання із кріпленням “Супутник” 0,8 м, і комбінованої схеми виїмки пласта к3 на шахті ім. Кірова ДХК “Луганськвугілля” забезпечили проектну ширину захвата комбайна та очікуваний економічний ефект у розмірі 470 тис. грн. на один очисний вибій.

ВИВОДИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій вирішена актуальна наукова задача обґрунтування раціональних параметрів технологічних схем вузькозахватної виїмки тонких пологих пластів, що забезпечує збільшення експлуатаційної продуктивності очисних комплексів і комплектів обладнання.

Основні наукові результати, висновки й рекомендації

1. Уперше розроблена розрахункова схема взаємодії системи “вугільний пласт-комбайн-конвеєр”, що на відміну від відомих, комплексно враховує показники енерговитрат на руйнування вугілля та рух комбайна по ставу конвеєра, що повторює важку гіпсометрію підошви пласта і форму вибою.

2. Уперше встановлені закономірності формування навантажень у системі “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” і дана їх оцінка при зміні ширини захвату виконавчого органа комбайна та комбінованої схеми виїмки вугільного пласта.

3. Уперше за результатами шахтних досліджень встановлений і рекомендований у технічні проекти коефіцієнт використання ширини захвату виконавчого органа комбайна кв який дозволяє: координувати проектні показники очисної виїмки тонких пластів у межах значень кв. = 0,851...0,906; прогнозувати для конкретних умов темпи просування очисних вибоїв і забезпечує зниження експлуатаційних витрат на виконання кінцевих операцій у лаві.

4. У результаті проведених досліджень розроблений спосіб виїмки вугілля очисними комплексами й комплектами обладнання з комбайнами, які мають комбінований захват виконавчих органів. Встановлений позитивний ефект перерозподілу навантажень на шнеки, який забезпечує максимальні значення швидкості подачі, що відповідають стійкої потужності електродвигуна при різній опірності вугілля різанню.

5. Впровадження виконавчих органів зі збільшеною до 0,93 м шириною захвату на комбайнах 1К101У, при роботі в складі комплексу “Донбас” і комплекту обладнання із кріпленням “Супутник” на шахтах ГХК "Первомайськвугілля" забезпечило фактичну ширину захвату 0,8 м і очикуваний економічний ефект в розмірі 470 тис. грн. на один очисний вибій.

6. Розроблені: програма й методика стендових досліджень очисних комбайнів з різною шириною захвату виконавчих органів, методика визначення фактичної ширини захвату комбайна при вузькозахватної виїмці тонких пологих пластів

7. Впроваджена технологічна схема виїмки вугілля з комбінованим захватом виконавчого органа (нижній шнек - 0,8 м; верхній шнек - 0,63 м) на комбайнах 1К101У, які працюють у складі комплекту обладнання із посадочним кріпленням “Супутник” і забійним скребковим конвеєром СП202 на шахті ім. С.М. Кірова.

8. Установлено, що питомі енерговитрати на руйнування вугілля при комбінованій схемі виїмки з удовженим нижнім шнеком нижче на 8 - 10%, у порівнянні зі шнеками однакової довжини, за рахунок збільшення площини оголення й східчастої форми вибою.

Основні положення дисертаційної роботи відображені в публікаціях:

1. С.В.Корнеев, В.В.Тугай. Комбинированный захват шнекового исполнительного органа очистных комбайнов // Очистные и проходческие машины и инструменты. Минвузовский сборник. НПИ. Новочеркасск. - 1988. -С. 13-19.

2. В.П.Романенко, В.Н.Канарёв, Б.А.Корольков, А.Г.Петров, В.В.Тугай. Повышение эксплуатационной стойкости горного инструмента обработкой глубоким холодом // Сборник научных трудов. ДГМИ. - Алчевск. ИПЦ Ладо - 2001. - Выпуск 14. - С. 68-72.

3. Ширин Л.Н., Тугай В.В. Определение параметров ширины захвата комбайна и шага передвижки секций механизированной крепи // Сборник научных трудов НГУ.– Днепропетровск. - Т. 4, №19. – 2004. - С. 235-239.

4. Тугай В.В. Моделирование процесса взаимодействия системы “угольный пласт-комбайн-конвейер” // Науковий вісник Національного гірничого університету. – 2005. - №11. - С. 91-93.

5. В.П. Романенко, П.И. Блудов, М.В. Плетнёв, В.В. Тугай. Стенд и измерительные устройства для экспериментальных исследований очистных комбайнов // Материалы Международной научно-практической конференции. Труды. - Выпуск 2. – Луганск, Книжковий свiт.- 2003. - С. 89-97.

6. М.В. Плетнёв, П.И. Блудов, А.Г. Петров, В.В. Тугай. Определение погрузочной способности шнеков комбайна и усилий передвижки забойного конвейера. // Материалы международной научно-практической конференции. - Выпуск 3, часть 2. - 2004. - С. 93–98.

7. Ширин Л.Н., Тугай В.В. Параметры формирования призабойного пространства при узкозахватной выемке тонких пологих пластов // Тезисы доклада VI Международной научно-технической конференции. Днепропетровск. НГУ. - 2004. - С. 109.

8. Тугай В.В. Обоснование рациональных параметров подвигания очистного забоя при узкозахватной выемке тонких пологих пластов. // Збірник тез доповідей ХХХVIII науково-практичної конференції науково-педагогічних працівників, науковців, аспірантів та співробітників академії. Частина друга. Харків. УІПА. - 2005. - С. 98.

Особистий внесок здобувача в роботи, опубліковані в співавторстві:

[1] - розробка й аналітичне рішення математичної моделі, аналіз результатів; [2] - розробка вимірювальних пристроїв, проведення досліджень; [3] - розрахунок конструктивних параметрів кріплення; [5] - розробка методики, проведення досліджень, аналіз результатів; [6] - розробка методики, проведення досліджень, аналіз результатів.

АНОТАЦІЯ

Тугай В.В. “Обґрунтування параметрів технологічних схем вузькозахватної виїмки тонких пологих пластів”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.02 - “Підземна розробка родовищ корисних копалин”. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена питанням обґрунтування раціональних параметрів технологічних схем вузькозахватної виїмки тонких пологих пластів і підвищенні ефективності руйнування масиву вугілля шляхом використання потенційних можливостей вибійного обладнання лави й закономірностей його взаємодії із реальним середовищем.

Науково обґрунтована й розроблена програма й методика комплексних теоретичних, лабораторних і експериментальних досліджень. Кінцева мета випробувань – досягнення ефективної роботи механізованих очисних комплексів й комплектів обладнання при виїмці тонких пологих пластів шляхом збільшення коефіцієнта використання проектної ширини захвату виконавчих органів комбайна.

Визначено закономірності формування навантажень в системі “вугільний пласт-комбайн-конвеєр” при зміні ширини захвату виконавчого органа комбайна й дана оцінка стійкості цієї системи при комбінованій схемі виїмки вугільного пласта, а також визначений коефіцієнт використання ширини захвату виконавчого органа комбайна, який дозволяє координувати проектні показники очисної виїмки.

Розроблені комплекти обладнання зі збільшеною шириною захвату і комбінованим захватом, впроваджені у виробництво на шахтах ДХК “Луганськвугілля” і “Первомайськвугілля”.

Ключові слова: вузькозахватний видобуток, математична модель, стійкість системі, комбінована схема видобутку, стендові дослідження, фактична ширина захвату, промислові випробування, впровадження

АННОТАЦИЯ

Тугай В.В. “Обоснование параметров технологических схем узкозахватной выемки тонких пологих пластов”. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05. 15. 02 – “Подземная разработка месторождений полезных ископаемых”. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена обоснованию рациональных параметров технологических схем узкозахватной выемки тонких пологих пластов и путей повышения эффективности разрушения массива угля за счет использования потенциальных возможностей забойного оборудования лавы, и закономерностей его взаимодействия с реальной средой.

Шахтными исследованиями установлено, что при отработке запасов подготовленного выемочного столба, из-за несоответствия проектных решений, увеличиваются объёмы выполнения концевых операций на 18…20%, пути перемещения комбайна и рабочих на 20…22%, число передвижек конвейера лавы на 15…20%. В результате на 15…21% уменьшаются общее подвигание линии очистного забоя и технико-экономические показатели добычи угля.

Одной из причин снижения показателей работы очистных забоев является потеря устойчивого положения узкозахватного комбайна относительно конвейера и забоя. В подобных ситуациях изменяются положение и форма забоя лавы, уменьшается полезный (фактический) захват комбайна на 100…130 мм и соответственно шаг передвижки оборудования на эту величину.

Экспериментально доказано, что систематическое снижение нормативного шага передвижки оборудования лавы к забою может быть устранено путём совершенствования традиционных схем и параметров узкозахватной выемки. Достигается это повышением коэффициента использования ширины захвата исполнительного органа комбайна при сохранении шага передвижки секций механизированной крепи или увеличением площади обнажения забоя за счет применения комбинированный схемы разрушения угольного массива.

Для теоретического обоснования устойчивости комбайна на раме скребкового конвейера в вертикальной плоскости нами была разработана расчетная схема, отражающая процесс взаимодействия элементов системы “угольный пласт–комбайн–конвейер”.

Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований на экспериментальном комплекте оборудования в стенде подтвердила правомочность полученных выводов. Сравнительная оценка результатов теоретических и экспериментальных исследований, показала, что отклонения расчётных контрольных параметров от экспериментальных значений скорости перемещения комбайна, потребляемой мощности и реакций в опорах не превышали 15% при доверительной вероятности 0,95.

По результатам шахтных исследований была установлена зависимость величины недодвижки конвейера к забою от характеристик пласта и эксплуатационных параметров оборудования комплекса или комплекта оборудования.

Методами математического моделирования были исследованы изменения параметров нагрузок комбайна 1К101У при комбинированной схеме выемки угля, с опережающим верхним шнеком короче отстающего на 170 мм.

Внедрены технологические схемы выемки угля очистными комплектами оборудования с комбайнами, имеющими увеличенную ширину захвата исполнительных органов до 1,0 м а также с увеличенной шириной захвата 0,93 м при шаге передвижки секций механизированной крепи 0,8 м на шахтах ГХК "Первомайскуголь" и комбинированным захватом на шахте им. С.М. Кирова ГХК "Луганскуголь".

Разработаны программа и методика стендовых исследований очистных комбайнов с различной шириной захвата исполнительных органов, а также методика расчёта рациональных параметров подвигания забоя при узкозахватной выемке.

Ключевые слова: узкозахватная выемка, математическая модель, устойчивость системы, комбинированная схема выемки, стендовые исследования, фактическая ширина захвата, промышленные испытания, внедрение.

THE SUMMARY

Tugay W.W. “ the Substantiation of parameters of technological circuits

narrow-web mining of thin flat layers ”. - the Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.15.02 - “ Underground mining of deposits of minerals ”. National mining university, Dnepropetrovsk, 2006

The dissertation is devoted to a substantiation of rational parameters of technological circuits narrow-cut dredging of thin flat layers and ways of increase of efficiency of destruction of a file of coal due to use of potential opportunities of breakage face, and laws of its interaction with the real environment.

The program, technique complex, theoretical, laboratory and experimental researches is scientifically proved and developed. A ultimate goal of researches - achievement of effective work of the mechanized mining complexes and complete sets of the equipment at dredging thin flat layers by increase of operating ratio of design width of capture of agencies of a combine.

Laws of formation of loadings in system “coal layer - coal-plough machine - conveyor” are established at change of width of capture of an agency of a coal-plough machine and the estimation of stability of this system is given at the combined circuit of dredging of a coal layer. The operating ratio of width of capture of an agency of the combine is determined, allowing to coordinate design parameters of mining coal.

Complete sets of the equipment with the increased, combined capture of a combine are developed and introduced into manufacture on mines SHC "Luganskugol" and "Pervomaiskugol".

Key words: narrow-web mining, mathematical model, stability of the system, the combined circuit of dredging, bench researches, actual width of capture, industrial tests, introduction.

Тугай Володимир Васильович

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТЕХНОЛОГІЧНИХ

СХЕМ ВУЗЬКОЗАХВАТНОЇ ВИЇМКИ ТОНКИХ ПОЛОГИХ ПЛАСТІВ

Спеціальність: 05.15.02 - Підземна розробка родовищ

корисних копалин

(Автореферат)

Підписано до друку 13.04.06. Формат 30Ч42/4

Папір Captain. Ризографія. Умовн. друк. арк. 1,1.

Обліково-видавн. арк. 1,1. Тираж 120 прим. Зам. №

РВК