«МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛОВЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ СТРУГОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ...»

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)»

имени М.И. Платова

На правах рукописи

ТУРУК ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛОВЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ

СТРУГОВЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.05.06 - Горные машины Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор Сысоев Н.И.

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Матвеев В. А.

Новочеркасск – Содержание ведение……… Введение……………………………………………………………………..... Состояние вопроса. Цель и задачи исследования………………………. 1.

1.1 Общая оценка техники и технологии выемки тонких угольных пластов.

Роль, место и особенности струговой выемки..…………………................. 1.2 Анализ существующих механизированных крепей современного технического уровня………………………………………………………….. 1.3 Анализ существующих крепей сопряжения современного технического уровня …………………………………………………………………………. 1.4 Анализ существующих методов расчетов механизированных крепей очистных забоев………………………………………………………………. 1.5 Выводы. Цель и задачи исследований…………………………………......... Разработка методов определения силовых и конструктивных 2.

параметров механизированных крепей при струговой выемке…..…… 2.1 Разработка методов определения фактического сопротивления щитовых механизированных крепей…………………………………....……………… 2.2 Разработка методов определения усилия на конце консоли однорядной щитовой секции крепи и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли..………………………………………………….. 2.3 Исследование взаимодействия оснований однорядных и двухрядных секций механизированных крепей с породами почвы.…………………. 2.4 Методики и алгоритмы расчетов силовых и конструктивных параметров щитовых механизированных крепей…………………………………………. 2.4.1 Алгоритмы расчета равнодействующих сопротивления щитовых механизированных крепей…………………………………………………… 2.4.2 Алгоритмы расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями секций щитовой крепи……………………………….. 2.4.3 Алгоритмы расчета усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия углового гидродомкрата и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли……………. 2.5 Выводы………………………………………………………………………… Исследования нагруженности механизированной крепи в 3.

движущемся очистном забое и способов крепления сопряжений лав с примыкающими выработками……………………………………………. 3.1 Разработка метода и алгоритма прогноза нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое ………………… 3.2 Определение необходимого сопротивления консольной части секции щитовой механизированной крепи…………………………………………. 3.3 Исследование способов крепления сопряжения лав с примыкающими выработками…………………………………………………………………. 3.4 Обоснование технических требований к механизированной крепи сопряжения …………………………………………………………………... 3.5 Выводы………………………………………………………………………… Совершенствование существующих и разработка новых струговых 4.

механизированных комплексов...…………………………………………. 4.1 Разработка механизма передвижки струговой секции механизированной крепи…………………………………………………………………………… 4.2 Выбор конструктивных схем и параметров механизированных крепей сопряжения, предлагаемые их конструкции ………………..……………… 4.3 Обоснование технических и технологических требований к системе автоматизированного управления крепью при струговой выемке….……. 4.4 Разработка рекомендаций по совершенствованию существующих и разработке новых струговых механизированных комплексов……………. 4.5 Оценка повышения эффективности стругового механизированного комплекса за счет снижения технологических перерывов, связанных с передвижкой крепи и креплением кровли…………………………………. 4.6 Разработка технических требований на струговый механизированный комплекс………………………………………………………………………. 4.7 Выводы…………………………….………………………………………….. Внедрение результатов работы……………………………………………. Заключение…………………………………………………………………... Литература…………………………………………………………………… Приложение 1……………………………………………………………….. Приложение 2……………………………………………………………….. Приложение 3……………………………………………………………….. Приложение 4……………………………………………………………….. Приложение 5……………………………………………………………….. Приложение 6……………………………………………………………….. Приложение 7……………………………………………………………….. Приложение 8……………………………………………………………….. Приложение 9……………………………………………………………….. Приложение 10…………………………………………………………......... Приложение 11………………………………………………………………. Приложение 12………………………………………………………………. Актуальность работы. Основной задачей предприятий по добыче угля является повышение рентабельности за счет применения прогрессивной техники и технологии. Особенно актуально это для шахт, отрабатывающих тонкие пласты, которые в Российской Федерации составляют около 60% промышленных запасов угля, являющегося высококачественным энергетическим топливом, а также технологическим сырьем в различных отраслях промышленности.

Отечественный и зарубежный опыт, в особенности в Германии, показывает, что наиболее эффективной при отработке тонких пластов является струговая выемка. Наиболее существенным и значительным преимуществом струговой выемки является высокая сортность добываемого угля и возможность существенного снижения, а, как правило - и полного исключения присечек боковых пород, что ведёт к снижению зольности добываемого угля.

Исследованиям проблем комплексной механизации очистных работ посвящены работы многих ученых – Алейникова А.А., Бреннера В.А., Бурчакова А.С., Бурова Г.Г., Бернацкого В.А., Венера К.-Э., Воскобоева Ф.Н., Гетопанов В.Н., Голода А.Б., Глушко В.Т., Глушихина Ф.П., Давыдянца В.Т., Дмитриева А.П., Докукина А.В., Дубова Е.Д., Зиглина А.А., Игнатьева А.Д., Каткова Г.А., Карленкова А.А., Коровкина Ю.А., Кузнецова Г.Н., Кузнецова С.Т., Кияшко И.А., Лаптева А.Г., Луганцева Б.Б., Матвеева В.А., Мышляева Б.К., Ошерова Б.А., Слепцова А.С., Солода В.И., Солода Г.И., Старичнева В.В., Турова А.П., Хорина В.Н., Хове Х., Шемякина Е.И., Широкова А.П., Ягодкина Г.И., Яковлева Н.И., Ямщикова В.С., Якоби О. и других. Выполненные ими исследования явились основой для разработки как комбайновой, так и струговой техники выемки.

В последние годы были разработаны и прошли шахтные испытания струговые комплексы нового технического уровня, однако производственные показатели их эксплуатации оказались на прежнем уровне, а зачастую были даже ниже ранее достигнутых. Главные причины низкой эффективности эксплуатации новых механизированных комплексов заключаются в больших потерях рабочего времени. К ним следует отнести потери рабочего времени, приводящие к низкому коэффициенту машинного времени выемочных машин в самих очистных забоях из-за низкого уровня адаптивности механизированных крепей к изменениям свойств вмещающих пород, а также высокую трудоемкость крепления сопряжений лав с примыкающими выработками.

Практика применения механизированных комплексов в сложных горногеологических условиях показал, что недостаточное внимание уделялось взаимодействию крепи как с кровлей, так и с почвой в экстремальных ситуациях, и не учитывались особенности струговой выемки.

Если породы кровли склонны к вывалам, то в струговых лавах эффективно поддерживать кровлю над вынимаемой полосой угля значительно труднее, чем в комбайновых лавах. Причина заключается в том, что принцип работы струговой установки обуславливает запаздывание крепления одновременно по всей длине очистного забоя.

К конструкции механизированной крепи стругового комплекса предъявляются дополнительные требования в части системы агрегатирования (механизма передвижки), конструкции основания, консольной части перекрытия.

Поэтому необходим более тонкий подход к проектированию механизированных крепей струговых комплексов. Без решения вопросов разработки методов расчета силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов дальнейшее развитие струговой выемки невозможно.

Поэтому повышение технической производительности стругового механизированного комплекса на основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных и силовых параметров взаимодействия механизированной крепи и крепи сопряжения с вмещающими породами и выемочной машиной в движущемся очистном забое является актуальной научной проблемой.

Цель работы. Разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов с учетом закономерностей их взаимодействия с вмещающими породами и струговой установкой.

производительности стругового механизированного комплекса достигается на основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных параметров механизированной крепи и ее силового взаимодействия с вмещающими породами и струговой установкой в движущемся очистном забое.

Научные задачи. В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие основные задачи:

- разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей при струговой технологии выемки;

механизированной крепи в движущемся очистном забое;

- обоснование технических требований и конструкций механизмов передвижки однорядных и двухрядных щитовых секций механизированной крепи;

- обоснование технических требований конструкции механизированной крепи сопряжения при струговой технологии выемки;

- разработка рекомендаций по совершенствованию существующих струговых механизированных комплексов и созданию новых на основе комплексного учета взаимодействия механизированной крепи и крепи сопряжения с вмещающими породами и струговой установкой.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ технико-экономических показателей работы очистных забоев и результатов промышленных испытаний механизированных комплексов; статистические методы обработки производственной информации;

натурное исследование функций механизированных крепей и крепей сопряжения при струговой технологии выемки; аналитическое исследование системы крепь – кровля – почва методами теоретической механики и механики горных пород;

математическое моделирование.

Защищаемые научные положения:

механизированного комплекса достигается на основе сокращения затрат времени на непроизводительные операции, связанные с выводом секций крепи из нештатного состояния путем увязки конструктивных параметров механизированной крепи с силовыми параметрами взаимодействия элементов крепи с вмещающими породами и струговой установкой в движущемся очистном забое.

2. Фактическое сопротивление секции крепи зависит не только от сопротивления гидростоек, но и от сил трения, возникающих в их опорах и шарнирах. Учет этих сил объясняет превышение сопротивления однорядной щитовой секции крепи от 12 до 20%, установленное соответствующими стендовыми испытаниями секции крепи в сравнении с результатами расчетов по методике, регламентированной действующим руководящим техническим материалом РТМ.24.007.01.

3. Предельное усилие на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи может быть повышено до 30%, обеспечивая при этом ее устойчивость, за счет применения углового гидродомкрата и выбора рациональных координат установки его опор относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.

4. Выбор типа крепи и параметров основания по критерию давления на почву пласта и при определении рабочего сопротивления секции крепи с учетом вдавливания ее в почву следует производить не по среднему значению как предусматривает ГОСТ Р52152-2003, а по контактному давлению на конце забойной части основания с учетом реальной эпюры распределения напряжений, что исключает возможность проявления потери устойчивости секции крепи.

5. Определения необходимого сопротивления крепи достигается применением усовершенствованной модели прогноза нагруженности на основе уточненной физической картины процесса расслоения кровли пласта при его непрерывной выемке. Расчетные значения данного параметра при этом повышаются до 40 % в сравнении с результатами расчетов по применяемой в настоящее время методике, основанной на рассмотрении статических силовых схем.

6. Необходимое усилие на конце консоли перекрытия струговой секции механизированной крепи для поддержания кровли в призабойной части наиболее точно определяется расчетом с применением сводообразной, а не блочной (как принято) схемы нагружения перекрытия.

Научная новизна работы.

1. Разработаны метод и алгоритм определения фактического сопротивления секции щитовой механизированной крепи с учетом дополнительных сил торможения гидравлических стоек, обусловленных наличием сил трения, возникающих в шарнирах и опорах стоек, что обеспечивает повышение сопротивления однорядной щитовой секции крепи от 12 до 20 %.

Впервые разработан метод расчета рациональных координат расположения опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением, обеспечивающих максимальную величину усилий на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи, надежное поддержание кровли в бесстоечном пространстве при струговой выемке и сохраняющих устойчивость секции.

3. Разработаны методы и алгоритмы расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций механизированных крепей, впервые учитывающие эпюру распределения контактных напряжений и позволяющие устанавливать критерии потери устойчивости секции крепи.

4. Впервые с учетом значительной вариации параметров, характеризующих геомеханические процессы в кровле движущегося очистного забоя, разработаны математическая модель и алгоритм более точного прогноза нагружености механизированной крепи.

5. Впервые предложено величину усилия на конце управляемой консоли перекрытия секции механизированной крепи стругового комплекса определять в зависимости от действия веса обрушенных пород кровли при сводообразной схеме нарушения, как адекватно описывающей наиболее тяжелые условия работы крепи, и принимать ее в качестве расчетной. В сравнении с аналогичной величиной, регламентируемой ГОСТ Р52151 для пластов мощностью до 2 м, рассчитанная таким образом величина усилия на конце управляемой консоли перекрытия почти в два раза выше.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: анализом фактических технико-экономических показателей работы очистных забоев с новой техникой и представительного объема хронометражных наблюдений; применением методов теоретической механики, механики горных пород и расчета балок и плит на упругом основании;

инженерно-техническими проработками и решениями, а также положительными результатами их реализации в опытных образцах механизированных крепей.

Практическое значение работы заключается в разработке:

Методик расчета фактического сопротивления и усилий в рычагах заднего ограждения щитовых механизированных крепей с однорядным и двухрядным расположением стоек.

Методик расчета усилий консольной части однорядной щитовой секции крепи.

Методик расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций.

Механизмов передвижки однорядной щитовой секции крепи с основанием катамаранного типа и двухрядной щитовой секции крепи со сплошным жестким основанием.

Крепи сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования.

Методики прогноза нагружености механизированной крепи в движущемся очистном забое.

Технических заданий на усовершенствованный струговый механизированный комплекс и крепь сопряжения для работы в выработках, сохраняемых для повторного использования.

Реализация работы. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда».

Основные положения и результаты диссертационной работы использованы ОАО «ШахтНИУИ» при разработке технических требований на комплекс очистной механизированный струговый МКС с участием автора.

По разработанным методикам определены оптимальные параметры секции крепи КС и крепи механизированной 2КТК в части управляемой консоли перекрытия, расположения углового гидродомкрата и основания.

Головной образец секции крепи КС изготовленный ООО «Шахтинский завод горного оборудования» прошел стендовые испытания. На прошедшей в г.

Кемерово Международной выставке-ярмарке «Экспо-Уголь 2003» крепь механизированная струговая КС удостоена Диплома II степени.

Изготовленный опытный образец крепи механизированной 2КТК прошел приемочные испытания в составе комплекса 2МКС216 в условиях ОАО «ШУ «Обуховская» и рекомендован к серийному производству.

На прошедшей в июне 2005 г. в г. Новокузнецке кузбасской ярмарке «Уголь России и Майнинг 2005» крепь механизированная 2КТК удостоена Диплома.

Разработано и утверждено ОАО «ШахтНИУИ» техническое задание на усовершенствованный струговый механизированный комплекс.

конструкторскими организациями и профильными заводами угольного механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность первому научному консультанту докт. техн. наук, профессору, заслуженному деят. науки РФ В.А. Матвееву, коллективу кафедры «Технология и комплексы горных, строительных и металлургических производств», коллективу кафедры «Строительство и техносферная безопасность» Шахтинского института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, коллективу СКБ ЗАО «Ростовгормаш», а также сотрудникам ШахтНИУИ генеральному директору докт. техн. наук Луганцеву Б.Б., канд. техн. наук Ошерову Б.А., канд. техн. наук Файнбурду Л.И., канд. техн.

наук Беликову В.В. за оказанную поддержку и ценные указания методического и научного характера на различных этапах исследований.

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 1.1. Общая оценка техники и технологии выемки тонких антрацитовых пластов. Роль, место и особенности струговой выемки.

Одной из основных задач угледобывающих шахт Российской Федерации является повышение их экономической эффективности за счет интенсивного внедрения новых прогрессивных технологий и техники подземной добычи угля.

Особенно остро этот вопрос стоит для шахт, имеющих значительные подготовленные запасы или отрабатывающих особо ценные угли на тонких пластах.

Так, в Кузнецком бассейне более 30% промышленных запасов наиболее ценных коксующихся углей находятся на тонких пластах, из них к настоящему времени более 40 млн. тонн подготовленных запасов. На шахтах Российского Донбасса доля промышленных запасов антрацитов на тонких пластах составляет более 75%.

Основными составляющими повышения экономической эффективности выемки тонких пластов являются:

- улучшение качества добываемых углей за счет увеличения сортности и исключения присечек боковых пород;

- снижение доли затрат на подготовительные работы и концевые операции;

- обеспечение нагрузки на лаву более 3000 т/сутки.

Наиболее распространенная в настоящее время комбайновая технология ведения очистных работ зачастую ставит забои на тонких пластах в разряд недостаточно эффективных из-за низких нагрузок [1, 2].

Наглядным свидетельством этого являются показатели работы очистных забоев ряда шахт Российского Донбасса. Так на шахтах ОАО «Гуковуголь» в 2007г.г. эксплуатировались комбайновые комплексы в составе комбайна KGS245 и крепи 3КД90Т с нагрузкой 1544 т (шахта «Алмахная»), комбайна МВ320Е и крепи КМР с нагрузкой 1108 т (ОАО «ШУ «Обуховская»), комбайна УКД250 и крепи 1КД80 с нагрузкой 849 т (шахта «Замчаловская), комбайна МВ280Е и крепи 2КД90Т с нагрузкой 1124 т (шахта «Дальняя).

Известно, что основными техническими и экономическими преимуществами струговой выемки в сравнении с комбайновой являются:

- возможность повышения концентрации горных работ, достижение высоких темпов подвигания линии очистного забоя и получения за счет этого высоких нагрузок на забой;

- повышение качества добываемого угля за счет увеличения сортности и снижения зольности;

- более высокая ремонтнопригодность за счет вынесения приводов в прилегающие горные выработки;

- более высокая безопасность при отработке пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

Несмотря на доказанную на практике высокую эффективность, в последние десятилетия струговая выемка на шахтах Российской Федерации применяется в ограниченном объеме. Основными причинами такого положения являются:

- прекращение добычи угля на шахтах Российского Донбасса с наибольшим объемом струговой выемки;

- недостаточная информированность работников угольных шахт и проектных организаций о преимуществах и недостатках струговой выемки, об условиях применения струговых комплексов, технических характеристиках современных струговых механизированных комплексов;

- отсутствие механизированных крепей, наиболее полно отвечающих струговой выемки;

- прекращение серийного выпуска струговых комплексов российскими заводами [3].

В 1973 году бригада дважды Героя Социалистического Труда М.П. Чиха имела наивысшие показатели в угольной промышленности страны по объему добываемого угля, добыв за 31 рабочий день 237203 т антрацита из одной лавы, оборудованной струговым комплексом 1МКС. Максимальная добыча за сутки составила 8135 т [4,5].

В последние годы нагрузки на струговые комплексы при выемки пластов мощностью 0,85-1,5 м изменялись в пределах от 1000 до 2200 т/сут и при прочих равных условиях превосходили нагрузки на комбайновых комплексах [3].

Так в период с декабря 2006 года по январь 2008 года на шахте «Северная»

ОАО «Воркутауголь» в лаве №312-з эксплуатировался струговый механизированный комплекс КМС-ДБТ в составе механизированной крепи Ostzoj 065/14 (Чехия), оснащенный системой автоматизированного управления крепью РМС-R фирмы ДБТ (Германия) и струговой установкой типа GH 5.7N/9-38ve фирмы ДБТ [6].

Средняя нагрузка на лаву по угольной пачке при мощности пласта 0,9 м составила около 1000 т/сут, при этом наилучшие показатели были достигнуты в октябре 2007 г. – средняя нагрузка составила 1258 т/сут. За весь период эксплуатации с нагрузкой более 1500 т/сут лава работала 17 дней, из них 3 дня с нагрузкой более 2000 т/сут.

Практически с самого начала эксплуатации стругового комплекса КМСДБТ выемка угля велась с присечкой пород кровли, при этом фактически вынимаемая мощность пласта изменялась от 1,05 до 1,25м.

В 1996 г. на шахтах ОАО «Ростовуголь», ОАО «Обуховская» и ОАО механизированные комплексы 1МКД90СО, 1МКД90СН, «Дон-Фалия» и КМ137СХБ [7].

горнотехническим условиям эксплуатации, так и по достигнутым результатам, явились приемочные испытания струговых комплексов 1МКД90СО со струговой установкой СО90У, проводившиеся на шахте «Майская» ОАО «Ростовуголь», и 1МКД90СН со струговой установкой СН96, проводившиеся на шахте ОАО «Обуховская».

Испытания комплекса 1МКД90СО на шахте «Майская» проводились в лаве №1017 с декабря 1995 г. по октябрь 1996 г. Лава длиной 192 м отрабатывала пласт i21 мощностью 1,17 м с сопротивляемостью угля резанию 190 кН/м и со сложными горно-геологическими условиями. В центральной части выемочного столба была встречена зона утонений, раздувов и мелких внутрипластовых размывов угольного пласта. В пределах этой зоны мощность угольного пласта изменялась от 0,2-0,4 м до 1,7-1,8 м. При этом прохождение утонений производилось с применением БВР [8]. За период испытаний добыто 172118 тонн угля, при этом среднесуточная нагрузка на лаву, при работе без крупных горно-геологических нарушений пласта, составляла 1342-1450 т/сутки при среднем коэффициенте машинного времени 0,15 и простоях на подземном транспорте 21,1% времени. Максимальная суточная нагрузка составила т/сутки [1, 9, 10, 11].

Испытания комплекса 1МКД90СН на шахте ОАО «Обуховская»

проводились в лаве №3008 с марта по декабрь 1996 года. Лава отрабатывала пласт k2 мощностью 0,9-1,4 м с сопротивляемостью угля резанию 220- кН/м и с неблагоприятными горно-геологическими условиями. Особенно осложняли работу струга, и прохождение секций крепи повсеместно встречающиеся мелкоамплитудные взбросы угольного пласта мощностью 0,1-0,2м, образующие «пороги» в почве через 3-7 м по падению пласта. За период испытаний добыто 187738 тонн угля, при этом среднесуточная нагрузка на лаву при работе без существенных горно-геологических нарушений пласта составила 1230т/сутки при среднем коэффициенте машинного времени 0,1 и простоях на подземном транспорте 29,2% и по организационным причинам (отсутствие доставки людей) 20,6% времени. Максимальная суточная нагрузка составила т/сутки.

Удельный вес добычи угля с применением струговой выемки в Германии в 1990 году достигал 67%, в Чехии – 23%, в СССР – 5,3% [3].

По укрупненной оценке на действующих шахтах Российской Федерации рекомендуемая область применения струговой выемки угля включает шахтопласта с промышленными запасами 665 млн. т. [3].

Это составляет примерно 30% запасов углей на пологих угольных пластах, залегающих в основных бассейнах Российской Федерации. Основной объем запасов, пригодных к струговой технологии выемки угольных пластов находится в Кузбассе и составляет 364,4 млн. т. (или 54,8% от общего объема запасов). На долю Российского Донбасса приходится 221,2 млн.т. (33,3%).

Кроме этого на шахтах Кузбасского, Воркутинского бассейнов и района Восточного Донбасса многие из пластов мощностью 0,85-2,0 м не вскрыты горными работами или плохо разведаны и горно-геологические условия залегания которых практически не изучены.

В настоящее время наиболее широкое применение струговая вемка получила на шахтах Украины.

Так в 2011 году в соответствии с программой развития струговой техники на шахтах Украины в работе находилось 15 очистных забоев с использованием струговой технологии выемки [12].

На шахтах Министерства энергетики и угольной промышленности работало 7 очистных забоев, из них 3 очистных забоя были оснащены механизированными крепями (МК98 и МКД80).

На предприятиях негосударственной формы собственности работало очистных забоев. Используемое очистное оборудование было представлено украинской (УСТ2М, 1СН99) и зарубежной техникой (RHH42, GH800). В трех очистных забоях применялась механизированная крепь фирмы ДБТ. В таблице 1. представлены показатели работы лав, оборудованных механизированной крепью фирмы ДВТ и струговыми установками RHH42 и GH800 [12].

Основное отличие струговой выемки от комбайновой выемки заключается в способе отделения угля от массива. В настоящее время на шахтах применяются в основном узкозахватные комбайны со шнековым исполнительным органом, траектория движения резцов которого сочетает комбинацию вращательного и прямолинейного движения. В результате резцы шнека отделяют от угольного массива серповидную стружку толщиной от 0 до 0,05-0,10 м [4].

Таблица 1.1 - Показатели работы лав, оборудованных механизированной крепью фирмы ДВТ и струговыми установками RHH42 и GH800.

«Покровское»

При использовании струговой выемки ширина захвата и толщина стружки совпадают. Стружка снимается по напластованию угольного пласта. При этом толщина стружки колеблется в узких пределах. При узкозахватной комбайновой выемке исполнительный орган производит отделение угля на глубину захвата, величина которой больше глубины зоны отжима. Поэтому большая часть резцов шнеков работает в неотжатой зоне пласта с высокими значениями сопротивляемости его резанию.

При струговой выемке исполнительный орган снимает стружку в наиболее отжатой части пласта и поэтому процесс выемки угля по сравнению с комбайновым менее энергоемок.

Практика показала, что при т струговой выемке благодаря малому захвату и более равномерному смещению кровли и пласта заметно снижается вероятность проявления горных ударов и выбросов угля и газа в очистных забоях. Это является существенным преимуществом при отработке пластов с обильным газовыделением и опасных по внезапным выбросам угля и газа [3].

На маломощных пластах скорость подачи комбайна и следовательно производительность ограничена:

- погрузкой отбиваемого угля на конвейер через частично перекрытое корпусом приводного редуктора погрузочное окно;

- пропуском угля в зазор между корпусом комбайна и днищем рештака.

При струговой выемке производительность струга определяется только толщиной стружки и производительностью конвейера.

Наиболее существенным и значительным преимуществом струговой выемки является высокая сортность добываемого угля и возможность существенного снижения, и, как правило и полного исключения присечек боковых пород, что ведет к снижению зольности добываемого угля.

Проведенные в Российском Донбассе исследования [3] показали, что выход крупно-средних сортов антрацита при струговой выемке по сравнению с комбайновой повышается на 20%.

При этом установлено, что замена комбайна стругом даже при отсутствии мероприятий по предотвращению переизмельчения угля на транспортной цепочке, позволяет повысить оптовую цену 1т угля на 4-5%, что в масштабах шахты, а тем более, акционерного общества, дает существенный экономический эффект [13].

Кроме этого отечественный и зарубежный опыт, в особенности в Германии, показывает, что наиболее эффективной при отработке тонких пластов в диапазоне изменения их мощности от 0,85 до 1,5м является струговая выемка [14, 15, 16, 17].

Кроме того, она имеет значительные резервы в увеличении производительности очистного забоя за счет повышения коэффициента машинного времени.

Основными техническими и экономическими преимуществами струговой выемки перед комбайновой являются:

- низкая энергоемкость выемки;

- более высокие нагрузки на очистной забой, в частности, рекордные нагрузки на лаву при мощности пластов до 1,0 м свыше 8000 т/сутки; 1,2 м – 16000 т/ сутки, а 1,3-1,4 м до 21000 т/сутки, что значительно выше, чем рекорды комбайновой выемки [3];

- повышение на 4-5% цены отгружаемого угля за счет снижения его зольности и повышения содержания крупно-средних сортов;

- облегченное техническое обслуживание и более высокая безопасность работ в показателях, отнесенных к 1000 т добытого угля;

- значительное снижение вероятности возникновения газодинамических явлений на выбросоопасных и удароопасных пластах.

Разработке струговых механизированных комплексов способствовали исследования специалистов Шахтинского научно-исследовательского и проектноконструкторского угольного института (ОАО «ШахтНИУИ»), института горного дела им. А.А. Скочинского, Гипроуглемаша, Донгипроуглемаша, Московского государственного горного университета, фирм ДВТ (Германия), Острой (Чехия), Глиник (Польша).

механизированных комплексов внесли О.Б. Батин, А.Б. Голод, А.В. Докукин, В.Т.

Давыдянц, А.Д. Игнатьев, А.А. Карленков, В.В. Косарев, Г.А. Катков, Б.Б.

Луганцев, А.Г. Лаптев, В.А. Матвеев, Б.К. Мышляев, Б.А. Ошеров, Э.Д.

Подольский, А.С. Слепцов, В.В. Старичнев, В.Н. Хорин и другие.

В 1971 г. Шахтинский научно-исследовательский и проектноконструкторский угольный институт (ШахтНИУИ) стал головным в угольной отрасли по созданию струговой техники для выемки тонких угольных пластов. За истекший период институтом было создано три поколения струговых установок и комплексов.

Несмотря на то, что по своему конструктивному исполнению все струговые установки состоят из одних и тех же основных узлов и элементов, их конструктивные схемы имеют принципиальные различия. К таким различиям, в частности относятся расположение тягового органа по отношению к конвейеру струговой установки и конструкция исполнительного органа, что в конечном счёте и обуславливает деление струговых установок по типам [3].

Существует три основные типа струговых установок: отрывные, скользящие и комбинированные.

Характерные особенности струговых установок отрывного типа «Райсхакенхобель», различных модификаций СО заключаются в том, что тяговый орган располагается со стороны выработанного пространства, а исполнительный орган снабжен опорной плитой, движущейся по почве пласта.

Такая конструкция позволяет производить выемку угля в весьма тонких и тонких пластах обеспечивает удобство и безопасность работ по обслуживанию тягового органа. К недостаткам таких конструкций относятся отжатие рештачного става при проходе струга, несколько ограниченная область применения отрывных Усилие на конце управляемой консоли:

В результате выполненных в работе [31] расчетов параметров управляемой консоли однорядной щитовой секции крепи КС по РТМ с участием автора установлено, что длина управляемой консоли должна быть 1,2 м. При этом усилие на конце консоли должно составлять не менее 100 кН.

В однорядной поддерживающе-оградительной щитовой секции крепи усилие на конце консоли перекрытия зависит не только от усилия углового гидродомкрата, но и направления его приложения, т.е. координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением. При этом усилие на конце консоли перекрытия от усилия углового гидродомкрата должно быть взаимосвязано с усилием, обусловленным весом секции. В противном случае при несоответствии силовых и конструктивных параметров расположения углового гидродомкрата усилию на конце консоли перекрытия приведет к потере продольной устойчивости однорядной секции щитовой крепи.

В настоящее время для однорядных щитовых секций крепи не существует методики расчета сопротивления консоли (усилия на конце консоли) учитывающей направление приложения усилия углового гидродомкрата.

Поэтому необходимость проведения исследований и разработки методики расчета усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия углового гидродомкрата не вызывает сомнений.

1.5 Выводы. Цель и задачи исследований.

1. Наиболее эффективной при отработке тонких пластов мощностью от 0,85 до 1,5 м является струговая выемка. Наиболее существенным и значительным преимуществом струговой выемки является высокая сортность добываемого угля и возможность существенного снижения, а, как правило - и полного исключения присечек боковых пород, что ведёт к снижению зольности добываемого угля. Кроме того, она имеет значительные резервы в увеличении производительности очистного забоя за счет повышения коэффициента машинного времени.

механизированных комплексов в СССР, в период наивысшего развития их применения, когда для струговой выемки приспосабливались крепи, разработанные для комбайновой технологии, в которых не учитывались все особенности их взаимодействия со струговым оборудованием показал, что для эффективного их использования необходимо создание специализированной струговой механизированной крепи. Однако снижение интереса к струговой выемке замедлело процесс создания такой крепи.

кинематическим связям струговой установки и крепи (системе агрегатирования) отвечает механизм передвижки секции крепи с упругими направляющими элементами (штангами), обеспечивающими направленное передвижение крепи и удержание струговой установки от сползания в пределах упругих деформаций штанг.

4. Существующие механизированные крепи сопряжений не соответствуют в полном объеме струговой технологии выемки. Кроме закрепления рабочего пространства в местах сопряжений очистного забоя со штреками механизированная крепь сопряжения должна обеспечивать расположение и передвижку привода струговой установки, регулировку ее по высоте бермы и отслеживать лаву по углам ее падения и разворота, а также удерживать струговую установку от сползания по углу падения пласта.

5. Определение необходимого сопротивления крепи для кровель угольных пластов Восточного Донбасса сводится к рассмотрению статических силовых схем, характерных для конкретных типов кровель и не учитываются геомеханические процессы в кровле очистного забоя, характеризующиеся значительной динамикой, при которой нагрузка на крепь меняется с каждым циклом выемки угля.

6. Известные методы расчета сопротивления секции крепиучитывают лишь силу трения перекрытия о породы кровли и не учитывают силы трения, возникающие в шарнирах четырехзвенника, соединения заднего ограждения с перекрытием и опорах стоек. В РТМ 24.007.01 отсутствует схема взаимодействия перекрытия и основания с боковыми породами и расчетная схема однорядной щитовой секции механизированной крепи.

7. Регламентируемые ГОСТ Р52152-2003 значения давлений, создаваемых секциями крепи, на почву пласта являются средними и не могут быть применены в качестве критерия выбора секций крепи по этому фактору.

Математическая модель Ю.П. Золотарева не учитывает усилий, действующих со стороны рычагов четырехзвенника заднего ограждения, которые приложены к завальной части основания.

8. Для однорядных щитовых секций крепи не существует методики расчета сопротивления консоли (усилия на конце консоли) учитывающей направление приложения усилия углового гидродомкрата, т.е.

координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением. Поэтому необходимость проведения исследований и разработки методики расчета усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия углового гидродомкрата не вызывает сомнений.

Учитывая сказанное, целью настоящей работы является разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей струговых комплексов с учетом закономерностей их взаимодействия с вмещающими породами и струговой установкой.

производительности стругового механизированного комплекса достигается на основе комплексного учета взаимосвязи конструктивных параметров механизированной крепи и ее силового взаимодействия с вмещающими породами и струговой установкой в движущемся очистном забое.

определяющих качество механизированной крепи.

Научные задачи. В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие основные задачи:

- разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей при струговой технологии выемки;

механизированной крепи в движущемся очистном забое;

- обоснование технических требований и конструкций механизмов передвижки однорядных и двухрядных щитовых секций механизированной крепи;

- обоснование технических требований конструкции механизированной крепи сопряжения при струговой технологии выемки;

- разработка рекомендаций по совершенствованию существующих струговых механизированных комплексов и созданию новых на основе сопряжения с вмещающими породами и струговой установкой.

Рисунок 1. 2. Разработка методов определения силовых и конструктивных параметров механизированных крепей при струговой выемке 2.1 Разработка методов определения фактического сопротивления щитовых механизированных крепей.

В настоящее время остро стоит вопрос повышения адаптивности механизированных крепей к горно-геологическим условиям их эксплуатации. С механизированными комплексами в нормальных условиях лавы имеют высокие нагрузки и могут обеспечить рентабельность разработки угольных месторождений, но в сложных условиях (неустойчивая и весьма неустойчивая кровля, слабая почва, геологические нарушения) их производительность резко (в несколько раз) падает.

Из опыта эксплуатации общепризнанными значениями сопротивления крепи, которые необходимы для пластов мощностью 0,7 –1,5 м с трудноуправляемыми кровлями являются 500 – 830 кН/м (2000 – 3320 кН/м), а со среднеуправляемыми кровлями – 350 – 530 кН/м2 (1400 –2100 кН/м).

При этом опыт конструирования крепей показал, что создание однорядных щитовых механизированных крепей с минимальной конструктивной высотой 600 – 630 мм и уровнем рабочего сопротивления свыше 700 кН/м является весьма проблематичным [7].

Определенный интерес представляет опыт эксплуатации механизированных крепей ДФК5 и 2КТК в условиях пласта К2 ОАО «ШУ «Обуховская» [59].

Непосредственная кровля пласта k2 представлена песчанистыми сланцами крепостью f = 7-9, мощностью 6,02…16,5 м средней устойчивости. Шаг посадки колеблется от 5…7 м до 30…35 м.

Основная кровля представлена песчанистыми и глинистыми сланцами мощностью 3-10 м, шаг посадки от 20 до 40 м.

Почва пласта - песчанистый сланец крепостью f = 8-10, к пучению не склонна. Прочность породы почвы на вдавливание 3-3,5 МПа.

Вынимаемая мощность пласта k2 – 1,1-1,25 м.

Согласно методике, изложенной в «Руководстве по управлению горным давлением на выемочных участках шахт Восточного Донбасса» для выемки пласта k2 сопротивление крепи для управления кровлей должно быть не менее 1620 кН/м и соответственно сопротивление крепи не менее 426 кН/м2 [32].

При отработке пласта k2 были использованы поддерживающеоградительные (щитовые) механизированные крепи ДФК5 и 2КТК, работающие в комплексе с комбайнами по незаряженной схеме передвижки секции.

Механизированная крепь ДФК5 однорядная, а 2КТК – двухрядная с расстоянием между рядами стоек равным 950 мм.

Основные параметры секций механизированных крепей ДФК5 и 2КТК:

Сопротивление крепи для управления кровлей, кН/м 1910 Основные параметры секций механизированных крепей ДФК5 и 2КТК определены по рекомендациям ГОСТ Р52152-2003. Так сопротивления крепей для управления кровлей вычислены по формуле [53]:

Рс – сопротивление секции, кН;

F – площадь кровли, поддерживаемая секцией в исходном положении, м2;

В – размерный коэффициент, принимаемый на основании опыта эксплуатации равным 3,5-4,0 м.

Для крепи ДФК5 размерный коэффициент принят В = 3,5 м, а для 2КТК – В = 4,0 м, так как длина поддерживаемой части перекрытия секции крепи ДФК5 на 0,75 м короче поддерживаемой части перекрытия секции крепи 2КТК.

По результатам эксплуатации механизированных крепей ДФК5 и 2КТК установлено:

1. Механизированная крепь ДФК5 обеспечивала надежное поддержание кровли и сохранение очистного забоя в рабочем и безопасном состоянии.

2. Не смотря на то, что у крепи 2КТК сопротивление крепи для управления кровлей (2115 кН/м) выше чем у ДФК5 (1910 кН/м) наблюдалось частое срабатывание предохранительных клапанов гидроблоков стоек 2КТК, что приводило к:

- посадке секций крепи «нажестко», особенно на участках лавы, где вынимаемая мощность пласта находилась на минимальном пределе;

- ускоренному выходу из строя предохранительных клапанов гидроблоков стоек.

В результате анализа установлено, что причиной частого срабатывания предохранительных клапанов гидроблоков стоек крепи 2КТК явилось не соответствие сопротивления крепи для управления кровлей горно-геологическим условиям залегания пласта k2.

сопротивление крепи на 1 м длины лавы или сопротивление крепи для управления кровлей вычислялось по формуле [60]:

где: t – шаг установки секций крепи, м;

Р0 – несущая способность при рабочем сопротивлении последнего от забоя ряда стоек секции крепи или последнего и предыдущего рядов стоек, если расстояние между ними не более 0,6 м, кН.

В секции крепи 2КТК расстояние между рядами стоек составляет 950 мм.

Следовательно сопротивление крепи для управления кровлей должно быть рассчитано исходя из несущей способности при рабочем сопротивлении последнего от забоя ряда стоек секции крепи, т.е. Py должно составлять 1057, кН/м, что значительно меньше требуемого 1620 кН/м.

взаимодействие крепи с породами кровли и почвы пласта, существенно осложняющим их нормальную эксплуатацию в определенных горногеологических условиях.

Анализ примеров практики применения механизированных комплексов показал, что недостаточное внимание уделялось взаимодействию крепи с трудноуправляемой кровлей и не учитывались особенности разных технологий выемки, в частности струговой.

При комбайновой технологии выемки наиболее рациональной является заряженная последовательная схема передвижки секций крепи, при которой передвижение секций крепи осуществляется вслед за исполнительным органом комбайна [61].

Основными преимуществами данной схемы передвижки являются полное немедленное закрепление обнажений кровли вслед за проходом комбайна и ускорение технологического цикла в очистном забое. Недостаток - относительно увеличенная по сравнению с незаряженной схемой длина консоли перекрытия секции крепи.

При струговой технологии выемки в основном применяется незаряженная последовательная паевая схема передвижки секций крепи, когда передвижение секций начинается последовательно внутри каждого пая после выемки струговой установкой полосы угля шириной, равной шагу передвижки секций.

Преимуществом данной схемы передвижки является относительно уменьшенная длина консоли перекрытия секции крепи и лучшее поддержание бесстоечного призабойного пространства в исходном положении. Недостаток – наличие значительного незакрепленного пространства в зоне передвижения секций крепи.

Если же породы кровли склонны к вывалам, то в струговых лавах эффективно поддерживать кровлю над вынимаемой полосой угля значительно труднее, чем в комбайновых лавах. Причина заключается в том, что принцип работы струговой установки обуславливает запаздывание крепления.

Поэтому к конструкции и параметрам перекрытия секции струговой механизированной крепи предъявляются повышенные требования по обеспечению поддержания бесстоечного призабойного пространства по всей длине очистного забоя.

Для эффективной работы стругового механизированного комплекса рабочее сопротивление крепи и особенно консольной части перекрытия секций крепи должны соответствовать определенному типу кровли. При этом должно обеспечиваться надежное поддержание кровли в бесстоечном призабойном пространстве и оптимальный для струговой выемки отжим угля.

Слишком высокое рабочее сопротивление может настолько уменьшить отжим угля, что это повлияет на эффективность работы исполнительного органа (струга).

Для выбора оптимального варианта механизированной крепи кроме надежного прогноза проявления горного давления в подготовленном к выемке столбе необходимо иметь достоверные данные рабочего сопротивления ряда секций крепи.

Согласно действующего ГОСТ Р 52152-2003 (Крепи механизированные для лав) сопротивление секции следует определять на испытательных стендах или других, обеспечивающих достоверное нагружение секции внешними силами через тензоопоры.

предварительно выполнить расчет ее сопротивления.

На рисунке 2.1 представлена схема для определения сопротивления однорядной щитовой секции механизированной крепи.

Рисунок 2.1 – Расчетная схема нагружения однорядной щитовой секции Уравнения для определения равнодействующей сопротивления однорядной щитовой секции механизированной крепи имеют вид [7]:

Подставим в уравнение X1 значение R |X из уравнения X2, а в уравнение Y1 значение R |Y из уравнения Y2 система уравнений (2.3) примет вид:

где: R – равнодействующая сопротивления, кН;

- координата приложения равнодействующей сопротивления R, м;

2Т1 – усилие в двух передних рычагах заднего ограждения, кН;

2Т2 – усилие в двух задних рычагах заднего ограждения, кН;

2 Р1 2 P - сопротивление двух стоек секции крепи, кН;

здесь: Dn – диаметр поршня стойки, м;

Р – давление настройки предохранительного клапана стоечного гидроблока, МПа;

Р2 Р| - сопротивление углового гидродомкрата, кН;

здесь: d n – диаметр поршня углового гидродомкрата, м;

dшт – диаметр штока углового гидродомкрата, м;

Р| - давление настройки предохранительного клапана гидроблока штоковой полости углового гидродомкрата, МПа;

FT f R - сила трения, кН;

здесь: f = (0,15 - 0,4) – коэффициент трения стали о породы кровли в зависимости от влажности пород;

l2 – расстояние от опор стоек до шарнира С, соединяющего перекрытие с задним ограждением, м;

l4 и h2, l7 и h4 – координаты приложения сопротивления Р2 углового гидродомкрата, м;

l5 – расстояние от шарнира переднего рычага до шарнира, соединяющего заднее ограждение с перекрытием, м;

l6 – расстояние между шарнирами переднего и заднего рычагов, м;

h1 – координата шарнира, соединяющего оси стоек с перекрытием относительно поверхности перекрытия, м;

h3 – координата шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением относительно поверхности перекрытия, м;

– угол наклона заднего ограждения, град;

1, 2, 5, 3 и 4 – углы наклона стоек, углового гидродомкрата, переднего и заднего рычагов соответственно, град.

Из приведенных выше уравнений 2.4 определяются равнодействующая сопротивления R и координата ее приложения.

двухрядной щитовой секции механизированной крепи.

двухрядной щитовой секции механизированной крепи имеет вид [7, 62]:

Рисунок 2.2 – Расчетная схема нагружения двухрядной щитовой секции Подставим в уравнение X1 значение R |X из уравнения X2, а в уравнение Y1 значение R |Y из уравнения Y2 система уравнений (2.5) примет вид:

где: l3 – расстояние между первым и вторым рядами стоек, м;

l4 – расстояние от опор второго ряда стоек до шарнира С, соединяющего перекрытие с задним ограждением, м;

l5 и l6 – расстояние от шарниров переднего и заднего рычагов соответственно до шарнира, соединяющего заднее ограждение с перекрытием, м;

h1 и h2 – координаты шарниров переднего и заднего рядов стоек соответственно, соединяющих оси стоек с перекрытием относительно поверхности перекрытия, м;

1 и 2 – углы наклона стоек первого и второго рядов соответственно, град;

3 и 4 – углы наклона переднего и заднего рычагов ограждения соответственно, град.

Из приведенных выше уравнений 2.6 определяются равнодействующая сопротивления R и координата ее приложения.

В представленных методиках учитывалась лишь сила трения перекрытия о породы кровли и не учитывались силы трения, возникающие в шарнирах четырехзвенника заднего ограждения с перекрытием, шарнирах углового гидродомкрата и опорах стоек [63, 64, 65].

На рисунке 2.3 представлена схема определения момента сил трения в шарнирном соединении [66].

Рисунок 2.3 – Схема для определения момента сил трения Смещение реакции Rn = -Т вызывается возникающим моментом сил трения.

где: - смещение реакции Rn;

f – коэффициент трения;

R – радиус оси шарнира.

Смещение является плечом пары сил 2Т и Rn = -2Т, которая дает момент трения Мтр, действующий против движущего момента [66].

На рисунке 2.4 представлена схема моментов сил трения однорядной щитовой секции крепи.

Рисунок 2.4 – Схема моментов сил трения однорядной щитовой Сумма моментов сил трения однорядной щитовой секции крепи:

где: М тр.1 2Р1 f r1 – момент сил трения штоков стоек в опорах перекрытия;

здесь: f – коэффициент трения стали по стали в зависимости от обработки поверхностей трения;

r1 – радиус сферы штока стойки;

М тр.2 2Р1 f r2 – момент сил трения цилиндров в опорах основания;

здесь: r2 – радиус сферы цилиндра стойки;

М тр.3 Р 2 f r3 – момент сил трения в шарнире углового гидродомкрата;

здесь: r3 – радиус оси шарнира углового гидродомкрата;

М тр.4 2Т1 f r4 – момент сил трения в шарнире переднего рычага;

здесь: r4 – радиус оси шарнира переднего рычага;

М тр.5 2Т 2 f r5 – момент сил трения в шарнире заднего рычага;

здесь: r5 – радиус оси шарнира заднего рычага;

М тр.6 f r6 R 2 R 2 – момент сил трения в шарнире соединяющем заднее ограждение с перекрытием;

здесь: r6 – радиус оси шарнира, соединяющей заднее ограждение с перекрытием.

Таким образом можно определить сопротивление секции крепи от моментов сил трения в шарнирных соединениях и опорах стоек:

Следовательно общее сопротивление однорядной щитовой секции крепи определится по формуле:

В качестве примера выполнен расчет однорядной щитовой секции крепи КМР, производства ЗАО «Ростовгормаш». На рисунке 2.5 представлена зависимость превышения рабочего сопротивления секции крепи с учетом сил трения в шарнирах и опорах стоек от высоты секции крепи КМР.

Кроме этого, результаты стендовых испытаний однорядной щитовой секции крепи КМР испытательной лабораторией ОАО «ШахтНИУИ» показали, что полученные при испытании значения сопротивления секции крепи 4950 кН, для высоты секции крепи Н = 950 мм, значительно превышают полученные расчетным путем без учета сил трения в шарнирах и опорах стоек – 4280 кН. В процентном отношении превышение составляет 15,6% [67].

Результаты стендовых испытаний однорядной щитовой секции крепи КС показали, что полученные при испытании значения сопротивления секции крепи 3900 кН, для высоты секции крепи Н = 1325 мм, значительно превышают полученные расчетным путем без учета сил трения в шарнирах и опорах стоек – 3225 кН. В процентном отношении превышение составляет 17,3% [68].

Рисунок 2.5 – Зависимость превышения рабочего сопротивления с учетом сил трения в шарнирах и опорах стоек от высоты секции крепи КМР.

Исходя из этого можно сделать вывод, что при определении сопротивления секции щитовой крепи необходимо учитывать силы трения, возникающие в шарнирах и опорах стоек.

Разработанный метод определения сопротивления секций крепи с учетом сил трения в шарнирах и опорах стоек позволяет впервые определить фактическое сопротивление для конкретных горно-геологических условий, обеспечивая при этом оптимальный для струговой выемки отжим угля.

2.2. Разработка методов определения усилия на конце консоли однорядной щитовой секции крепи и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли.

В однорядной поддерживающе-оградительной щитовой секции крепи усилие на конце консоли перекрытия зависит не только от усилия углового ограждением. При этом усилие на конце консоли перекрытия от усилия углового гидродомкрата должно быть взаимосвязано с усилием, обусловленным весом секции. Несоответствие усилия на конце консоли усилию от веса секции приведет к потере ее продольной устойчивости.

В настоящее время для однорядных щитовых секций крепи не существует метода расчета сопротивления консоли (усилия на конце консоли) учитывающей направление приложения усилия углового гидродомкрата, т.е. координаты опор углового гидродомкрата, относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.

Поэтому необходимость проведения исследований и разработки метода расчета усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия углового гидродомкрата не вызывает сомнений.

Уравнения для определения усилия Р0Y на конце управляемой консоли перекрытия:

однорядной щитовой секции крепи от координат опор углового гидродомкрата, относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением представлена на рисунке 2.6 [7].

Подставив в уравнение X1 значение R |X из уравнения X2, а в уравнение Y1 значение R |Y из уравнения Y2 система уравнений 2.11 примет вид:

где: Р0y - усилие на конце консоли, кН;

R- реакция опор стоек, кН;

2Т1- усилие в передних рычагах заднего ограждения, кН;

2Т2 - усилие в задних рычагах заднего ограждения, кН;

Р2 - усилие углового гидродомкрата, кН;

G1 расположенными на нем элементами гидрооборудования секции, кН;

- сила тяжести заднего ограждения с выдвижными щитами и рычагами, кН;

l1 - общая длина консоли перекрытия, м;

l2 - расстояние от опор стоек до шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением, м;

l3 - расстояние от шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением до точки приложения силы тяжести G1, м;

Рисунок 2.6 – Расчетная схема для определения усилия на конце консоли перекрытия однорядной щитовой секции крепи от координат опор углового гидродомкрата, относительно оси, l6 - расстояние от шарнира переднего рычага до шарнира, соединяющего заднее ограждение с перекрытием, м;

l7 - расстояние между шарнирами переднего и заднего рычагов, м;

l4 и h2, l8 и h4 - координаты приложения усилия углового гидродомкрата соответственно к перекрытию и заднему ограждению, м;

h3 - координата шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением относительно поверхности перекрытия, м;

l9 и h5 - координата приложения силы тяжести G2 относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением, м;

h1 - координата шарнира, соединяющего оси стоек с перекрытием относительно поверхности перекрытия, м;

h3 - координата шарнира, соединяющего перекрытие с задним ограждением относительно поверхности перекрытия, м;

- угол наклона заднего ограждения, град;

1, 2, 5, 3 и 4- углы наклона стоек, углового гидродомкрата, переднего и заднего рычагов соответственно, град.

Уравнения для определения усилия Р0К на конце жесткой части консоли перекрытия при наличии управляемой консоли:

где: Р0К - усилие на конце жесткой части консоли перекрытия, кН;

R - реакция опор стоек, кН;

l5- длина жесткой части перекрытия, м.

Из приведенных систем уравнений 2.12 и 2.13 находим Р0Y, P0К, R, R1, 2T1 и 2Т2.

Критериями оптимальных усилий на концах консоли Р0Y и жесткой части консоли Р0К перекрытия однорядной щитовой секции крепи являются два условия:

Первое условие:

обеспечивающее устойчивость секции крепи в направлении её передвижения, соответственно усилий P0K и P0G.

Усилия Р0G и P0G определяются из уравнений моментов относительно точки А – кромки забойной части основания (рисунок 2.7):

где: G- вес секции, кН;

l2, l3, и l4 - координаты приложения усилий соответственно P0G, G и P0G относительно точки А – кромки забойной части основания.

корректировка координат l4, l8 приложения и величины усилия Р2 углового гидродомкрата.

Второе условие:

где: P0 y - усилие консоли в точке приложения силы тяжести свежеобнаженной кровли, кН (рисунок 2.8 и 2.9).

свежеобнаженной кровли при наклоне жесткой части перекрытия определяются исходя из расчетных схем представленных на рисунках 2.8 и 2.9.

Рисунок 2.7 – Расчетная схема устойчивости однорядной щитовой секции Уравнения для определения усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли при наклоне жесткой части перекрытия на забой (рисунок 2.8):

Рисунок 2.8 – Расчетная схема нагружения однорядной щитовой секции крепи при подхватывании свежеобнаженного участка кровли управляемой консолью (наклон жесткой части Уравнения для определения усилия подхватывании свежеобнаженного участка кровли управляемой консолью (наклон жесткой части консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли при наклоне жесткой части перекрытия на завал на максимальной высоте секции (рисунок 2.9):

Вместе с тем, представленные уравнения 2.21 и 2.22 позволяют не только свежеобнаженной кровли, но и установить влияние угла наклона 2 жесткой части перекрытия на усилие консоли от направления приложения усилия углового гидродомкрата.

Разработанный метод расчета усилия на конце консоли однорядной щитовой секции крепи впервые обеспечил возможность повышения этого параметра путем выбора рациональных координат опор углового гидродомкрата, обеспечивающего надежное поддержание кровли в бесстоечном призабойном пространстве при струговой выемке.

двухрядных секций механизированных крепей с породами почвы.

При установке на слабую почву секции крепи вдавливаются в нее. При этом сопротивление крепи снижается.

Рабочее сопротивление секции крепи при вдавливании ее в почву ( Р |С ) определяется по формуле [32]:

здесь: t – шаг расстановки секций крепи, м;

К = 0,67 – коэффициент, учитывающий неравномерность контактных напряжений под основанием секции крепи;

вд - величина сопротивления почвы вдавливанию, МПа;

пласта, МПа;

Здесь: Sосн – площадь основания секции крепи, м2;

В работах [32, 69] представлены способы и устройства для определения соответствующих устройств, по данным ВНИМИ, предел прочности почвы на вдавливание на момент обнажения может быть приближенно вычислен по зависимости:

где: сж - предел прочности пород почвы на сжатие, МПа.

Со временем сопротивление почвы вдавливанию снижается. При этом сопротивление почвы вдавливанию в любой момент времени ( ti ) определяется по формуле:

где: k – коэффициент интенсивности снижения сопротивления почвы со временем.

Расчет можно производить с использованием данных, представленных в работе [32].

При распоре секций крепи всегда имеет место смятие контактного слоя штыба и неровностей профиля почвы, а также локальное внедрение оснований по причинам наличия крена секций и неудовлетворительной эпюры давлений на почву под основаниями секций по их длине и ширине.

В работах [34, 35] установлено, что при распоре секций крепи носки оснований жесткой конструкции оказывают высокое давление на почву пласта и вдавливаются в нее.

Следовательно, ориентация в формуле 2.23 на среднее удельное давление основания секции крепи на почву пласта к не соответствует его реальному значению.

Поэтому, для определения фактических значений давления оснований секций крепи на почву требуется проведение исследования взаимодействия оснований секций крепи с породами почвы пласта.

При анализе взаимодействия оснований механизированных крепей с почвой пласта Ю. А. Коровкин в работе [35] справедливо отмечает, что приводимые в ряде источников и руководящих материалов оценочные показатели прочности почв в большей своей части ошибочны (например, вд > 2МПа – почвы прочные, вд < 2 МПа – почвы слабые). К числу факторов, определяющих ошибочность такой ситуации, автор относит изменчивость устойчивости и прочности почв по ширине призабойного пространства, особо отмечая тот факт, что «оценка свойств почвы в области опор крепи весьма затруднительна». В работе под прочностью почвы понимается сопротивляемость почв вдавливанию в локальных зонах очистного забоя.

Автором предложен комплексный метод оценки сопротивляемости почв вдавливанию непосредственно в забое лавы. Он включает в себя два этапа:

первый – непосредственная оценка сопротивляемости почвы вдавливанию в локальных зонах очистного забоя с помощью специального вдавливаемого в почву штампа, второй – расчетная оценка сопротивляемости почвы вдавливанию по ширине призабойного пространства.

По такой методике можно рассчитать весьма близкие к реальным значения предела прочности почвы на вдавливание при конкретном классе устойчивости и на заданном расстоянии от забоя.

Автор предложил разделить почвы пластов на четыре категории:

II – среднепрочные (2,5 < вд < 4,5 МПа);

III – слабые (1,5< вд < 2,5 МПа);

IV – весьма слабые ( вд < 1 – 1,5 МПа).

Разработанная в работе [13] математическая модель предусматривает расчеты контактных давлений, передаваемых на почву основаниями секций щитового типа, только от вертикальных составляющих усилий гидростоек без учета усилий, действующих со стороны рычагов четырехзвенника заднего ограждения, которые приложены к завальной части основания.

Расчетами установлено, что усилия в рычагах составляют 20 – 50 % от усилия гидростоек. Поэтому они существенно влияют на величину и распределение реальных значений контактных давлений по длине основания щитовой секции крепи и должны быть учтены при определении технических характеристик щитовой механизированной крепи [31].

Следует отметить, что в действующем государственном стандарте, устанавливающем основные параметры и общие технические требования к механизированным крепям [53], регламентируется лишь среднее давление на почву пласта – до 2,0 МПа для слабых пород и свыше 2,0 МПа – для прочных пород почвы.

Однако как показывает практика, ориентация на средние давления не соответствует реальным условиям работы механизированных крепей, и стандарт в этом плане нуждается в серьёзной корректировке.

В настоящее время эффективное применение механизированных крепей в условиях со слабыми почвами возможно лишь при оснащении секции специальными устройствами (рисунок 2.10).

Приподъём основания осуществляется гидропатроном, опирающимся на балку механизма передвижки секции крепи, соединенной с забойным конвейером [70, 71].

При этом создается дополнительное неконтролируемое сопротивление выдвижке балки механизма передвижки секции крепи, осуществляющей подачу конвейера струговой установки на забой.

Для эффективной работы струговой установки балка механизма передвижки секции крепи должна свободно выдвигаться низким давлением, обеспечивая подачу конвейера струговой установки на забой, строго определенным для каждых условий усилием.

Кроме этого гидропатроны устройства приподъема основания, опирающиеся на балку, значительно снижают эффективность управления струговой установкой в вертикальной плоскости пласта за счет ограничения величины подъёма балки относительно почвы пласта.

Рисунок 2.10 – Конструктивная схема однорядной секции крепи с устройством приподъема основания для работы на слабых почвах.

Следовательно, применение устройства приподъёма основания в струговых механизированных крепях не рекомендуется. Таким образом, можно сделать вывод, что актуальной среди проблем эксплуатации механизированной крепи является взаимодействие основания секции с почвой пласта.

Анализ конструктивных схем однорядных и двухрядных секций механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа показал, что их основания можно разделить на две группы:

а) основания, состоящие из двух балок;

б) основания, состоящие из одной балки, так называемой плиты.

Как правило, гидравлические стойки на основаниях, состоящих из двух балок и рычаги шарнирной системы, располагаются вдоль балки по ее оси, а на основаниях, состоящих из одной балки – вдоль балки симметрично оси.

Практика эксплуатации струговых механизированных крепей, как в РФ, так и за рубежом показала, что наибольшее распространение получили однорядные секции с основаниями состоящими из двух балок и двухрядные секции, основания которых состоят из одной балки (плиты).

Исходя из этого в работе рассматриваются взаимодействия оснований однорядной секции крепи, состоящей из двух балок и двухрядной – из одной балки.

Основания секций механизированных крепей, расположенные на непосредственной почве пласта, рассматриваются как балки или плиты лежащие на упругом основании.

Каждая из балок двухбалочного основания представляет собой упругий брус, деформирующийся по длине от действия сосредоточенных нагрузок стойки и двух рычагов, приложенных к ее продольной оси.

Основание, состоящее из одной балки, рассматривается как плита, нагруженная несколькими силами, приложенными вдоль балки симметрично оси.

Непосредственная почва пласта рассматривается как однородная упругая среда, характеризуемая модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Такой подход принят по результатам исследований взаимодействия секций механизированных крепей с боковыми породами, проведенными в нашей стране [31] и в ФРГ [34].

Роль основания (балки) секции механизированной крепи заключается в распределении на почву сосредоточенных сил, передающихся стойками и рычагами заднего ограждения при распоре секции и проявлении активного горного давления.

При этом для определения контактных давлений на почву основаниями секций крепи, используется плоская задача теории упругости, т.е. плоская деформация [13].

Балка основания секции крепи рассматривается как тонкий упругий брус.

При этом не учитывается сила трения между балкой и почвой.

В.А. Флорин и Б.Н. Жемочкин в своих исследованиях показали, что влияние трения между основанием балки и грунтом (почвой) мало отражается на распределении напряжений по подошве балки.

Следует заметить, что весовая составляющая силы тяжести секции крепи в несколько десятков раз меньше суммы усилий, действующих на основание секции, поэтому ею можно пренебречь.

Расчетная схема для определения контактных давлений, передаваемых на почву пласта каждой балкой основания однорядной щитовой секции крепи представлена на рисунке 2.11 [72].

Рисунок 2.11 – Расчетная схема для определения контактных давлений на почву пласта, передаваемых балкой основания однорядной щитовой секции крепи.

Здесь: Р1 – усилие стойки, кН;

Т1 и Т2 – усилия переднего и заднего рычагов соответственно, кН;

1 - угол между осью стойки и перпендикуляром к балке основания, град;

2 и 3 - углы между осями переднего и заднего рычагов и перпендикуляром к балке основания соответственно, град;

l1, l2, l3 – расстояние от забойной кромки основания к точке приложения Р1, Т1 и Т соответственно, м;

L – длина балки основания, м.

Усилия переднего Т1 и заднего Т2 рычагов определяются из системы уравнений 2.4.

Реакция почвы пласта на балку основания в теории упругости принимается в виде [72, 73]:

здесь: x – расстояние точки, в которой определяется значение Рх до забойного конца балки основания;

а0, а1, а2, а3 – параметры, значения которых зависят от жесткости балки нагрузки, характеристик деформации почвы пласта.

Следует отметить, что реакция почвы пласта определяется на единицу ширины балки основания.

Так как на балку действуют только сосредоточенные силы, то показатели а0, а1, а2 и а3 определяются по следующим уравнениям:

- показатель гибкости, зависящий от модуля Юнга Е для материала балки 0, длины L, ширины b и момента инерции сечения балки основания Jпопереч., рассчитывается по формуле:

Значения 0 и Е0 принимаются по справочной литературе или определяются экспериментальным путем [74, 75].

Значения вспомогательных членов N и В1 определяются по формулам [74,75]:

где: W – вспомогательный член определяется по формуле:

Двусторонний прерыватель Герсеванова – функция, которая для всех значений аргумента, заключающихся между некоторыми двумя его значениями, равна единицы, а вне этих пределов равна нулю, т.е. двусторонний прерыватель равен разности двух односторонних прерывателей. Односторонним прерывателем [76] претерпевает разрыв, а именно: при всех значениях аргумента, меньших указанного, она равна нулю, при всех значениях аргумента, больших этого, она равна единице и при значении аргумента, равном указанному, функция равна половине.

Следовательно, если усилие Р приложено в левой части балки основания, т.е. 3 < 0,5, то Г 0 3 =1; если усилие Р приложено посередине балки основания, т.е. 3 = 0,5, то Г 0 3 0,5 и если усилие Р приложено в правой части балки Так как формулы 2.30 и 2.31 получены для балки шириной, равной одному метру, то при расчете необходимо учесть действительную ширину балки основания.

Таким образом, зная усилие стойки, переднего и заднего рычагов и параметры секции, определяем по представленным формулам 2.27 – 2. контактные давления на почву пласта, передаваемые балкой основания однорядной щитовой секции механизированной крепи.

Расчет контактных давлений на почву пласта основанием двухрядной щитовой секции механизированной крепи, состоящим из одной балки (плиты), целесообразно производить методом преобразования систем приложенных сил [73].

Суть этого способа заключается в преобразовании исходной системы пространственно расположенных сил, направленных под углом к основанию секции крепи, в эквивалентную систему нескольких сил, расположенных по продольной оси основания, и двух сосредоточенных моментов, изгибающих поперечную ось основания секции крепи. Такое преобразование не внесет существенных погрешностей в результаты расчета.

Расчетная схема для определения контактных давлений на почву пласта основанием двухрядной щитовой секции крепи, состоящей из одной балки, представлена на рисунке 2.12 [77].

Рисунок 2.12 – Расчетная схема для определения контактных давлений на почву пласта, передаваемых основанием двухрядной Пользуясь теоремами о переносе пар сил, расположенных в параллельных плоскостях, и сложении пар сил, преобразуем схему, представленную на рисунке 2.12, в эквивалентную ей схему с четырьмя силами и двумя изгибающими моментами, изгибающими поперечную ось основания секции крепи (см. рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 – Преобразованная схема для определения контактных давлений, на почву пласта, передаваемых основанием двухрядной щитовой секции передаваемые на почву пласта основанием, нагруженным четырьмя сосредоточенными силами 2 Р1в, 2 Р1в, 2Т 1в, 2Т 2в вдоль продольной оси и двумя сосредоточенными изгибающими моментами вдоль поперечной оси М 9 и М 10 и, пользуясь принципом независимых сил и моментов, сложить их значения в соответствующих точках основания секции крепи.

Усилия переднего Т1 и заднего Т2 рычагов определяются из системы уравнений 2.4 [52].

формулам 2.26 – 2.31.

Следует отметить, что в формулах 2. Значения вспомогательных членов N и В1 определяются по формулам:

где: W – вспомогательный член определяется по формуле:

здесь: Г 0 31 … - двусторонний прерыватель Герсеванова Величину контактных давлений от сосредоточенных изгибающих моментов определяем по формуле [73]:

Показатель гибкости:

Показатель В:

где: Г 0,5L - двусторонний прерыватель Герсеванова;

Таким образом, будут определены контактные давления основания секции крепи на почву как по его длине так и по ширине. Фактические значения будут изгибающих моментов.

2.4. Методики и алгоритмы расчетов силовых и конструктивных параметров щитовых механизированных крепей.

2.4.1 Алгоритмы расчета равнодействующих сопротивления щитовых механизированных крепей.

По представленным выше уравнениям 2.4 составим алгоритм расчета равнодействующей сопротивления R, усилий 2Т1 в двух передних и 2Т2 в двух задних рычагах заднего ограждения однорядной щитовой секции крепи [78].

Исходные данные для расчета равнодействующей сопротивления и усилий в рычагах разделяются на:

- геометрические: l2, l4, l5, l6, l7, h1, h2, h3, h4, 1 = Fi1, 1 = Psi1, 2 = Psi2, 3 = - силовые: 2Р1, Р2 и f.

Далее приведены формулы для расчета параметров R, a, 2Т1 и 2Т2:

Уравнения 2.4 примут вид:

равнодействующей сопротивления R и усилий 2Т1 и 2Т2 в рычагах заднего ограждения.

По представленным выше уравнениям 2.6 составим алгоритм расчета равнодействующей сопротивления R, усилий 2Т1 в двух передних и 2Т2 в двух задних рычагах заднего ограждения двухрядной щитовой секции крепи [79].

Исходные данные для расчета равнодействующей сопротивления и усилий в рычагах разделяются на:

- геометрические: l3, l4, l5, l6, h1, h2, h3, 1 = Fi1, 1 = Psi1, 2 = Psi2, 3 = Psi3, Далее приведены формулы для расчета параметров R, a, 2Т1 и 2Т2:

l2, l4, l5, l6, l7, h1, h2, h3, Fi1, Fi2, Psi1, Psi2, Psi3, Psi4, Psi5, 2P1, P2, f.

сопротивления и усилий в рычагах заднего ограждения однорядной щитовой равнодействующей сопротивления и усилий в рычагах заднего ограждения.

l2, l4, l5, l6, l7, h1, h2, h3, Fi1, Psi1, Psi2, Psi3, Psi4, Psi5, 2P1, P2, f.

сопротивления и усилий в рычагах заднего ограждения Уравнения 2.6 примут вид:

2.4.2 Алгоритмы расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями секций щитовой крепи.

Составим алгоритм расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основанием состоящим из двух балок однорядной щитовой секции крепи.

Расчетная схема, для определения контактных давлений, передаваемых на почву пласта каждой балкой основания однорядной щитовой секции крепи представлена на рисунке 2.11 [7].

Исходные данные для расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта балкой основания разделяются на:

- геометрические: l1, l2, l3, L, x1, x2, x3,…,xi, b, 1 = Psi1, 2 = Psi2, 3 = Psi3,, - силовые: Р1, Т1, Т2, 0, Е, Е0.

Далее приведены формулы для расчета реакции почвы пласта на балку основания PX1,...,X i :

Двусторонний прерыватель Герсеванова:

x1,…,I изменяется от 0 до L.

передаваемых на почву пласта каждой балкой основания однорядной щитовой секции крепи.

На рисунке 2.17 представлены графики контактных давлений на почву пласта балки основания однорядных щитовых секций крепи КМПС, М137С и специализированной струговой секции механизированной крепи КС [31].

l1, l2, l3, L, x1, x2, x3,…,xi, b, Psi1, Psi2, Psi3,, Jпопереч, 0, Е, Е0, P1,Т1, Т2.

17( PX1,...,X i ) Рисунок 2.16 – Блок-схема расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта каждой балкой основания однорядной щитовой секции крепи.

Анализ графиков показывает, что контактные давления на концах забойной и завальной частях основания весьма существенно зависят от соотношения их размеров. Так, при отношении длины забойной части основания к длине завальной части меньше единицы < 1 (КМПС и М137С) контактные давления на конце забойной части основания составляют соответственно 3, МПа и 2,85 МПа, а на завальной – 1,5 МПа и 1,9 МПа. При отношении > (КС) контактные давления на конце забойной части основания составляют 2,26 МПа, а на завальной 2,64 МПа. Из этого следует важный вывод о том, что секции крепи КС способны работать на пластах с более слабыми почвами, чем секции крепи М137С и КМПС, кроме этого вдавленная при распоре секция крепи КС способна выезжать из почвы при ее передвижке.

Рисунок 2.17 – Графики контактных давлений, передаваемых на почву пласта балками основания однорядных щитовых секций крепи КС, КМПС, М137С в показывает, что выбор типа крепи по критерию удельное давление на почву пласта следует производить не по среднему значению, как предусматривает ГОСТ Р52152-2003, а по контактному давлению на конце забойной части основания.

Кроме этого, при определении рабочего сопротивления секции крепи при передаваемыми основаниями секций механизированных крепей на почву пласта.

Расчеты показывают, что специализированная струговая однорядная секция механизированной крепи КС имеет меньшие удельные давления на почву пласта на конце забойной части основания, чем на завальной [31].

Составим алгоритм расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта основанием состоящим из одной балки двухрядной щитовой секции крепи.

Расчетная схема, для определения контактных давлений, передаваемых на почву пласта основанием двухрядной щитовой секции крепи представлена на рисунках 2.12 и 2.13.

Исходные данные для расчета контактных давлений, передаваемых на почву пласта балкой основания разделяются на:

- геометрические: l1, l2, l3, l4, L, b, b1, b2, x1, x2, x3,…,xi, 1 = Psi1, 2 = Psi2, = Psi3, 3 = Psi4,, Jпопереч, Jпрод.;

- силовые: 2Р1, 2Р1, 2Т1, 2Т2, 0, Е, Е0.

Формулы для расчета реакции почвы пласта на балку основания от сосредоточенных сил 2 Р1в, 2 Р1в, 2Т 1в, 2Т 2в.

Двусторонний прерыватель Герсеванова:

x1,…,I изменяется от 0 до L.

Формулы для расчета реакции почвы пласта на балку основания от сосредоточенных изгибающих моментов М9 и М10.

Двусторонний прерыватель Герсеванова:

Результирующие контактные давления, передаваемые на почву пласта основанием секции крепи:

передаваемых на почву пласта основанием, состоящим из одной балки двухрядной щитовой секции крепи.

В качестве примера приводится расчет контактных давлений, передаваемых основанием двухрядной секции щитовой крепи КД90ТС.

На рисунке 2.19 представлен график контактных давлений на почву пласта, передаваемых основанием двухрядной секции щитовой крепи КД90ТС.

l1, l2, l3, l4, L, x1, x2, x3,…,i, b, b1, b2, Psi1, Psi2, Psi3, Psi4,, Jпопереч, Jпрод, 0, Е, Е0, 2P1, Рисунок 2.18 – Блок-схема расчета контактных давлений, передаваемых Из представленных на рисунке 2.19 графиков следует, что контактные давления на конце забойной части основания при ее длине, равной 500 мм, составляют 10,5 МПа, а при длине 850 мм – 8,0 МПа, что соответствует очень прочным породам почвы. При этом конец завальной части основания отрывается от почвы.

В реальных условиях завальная часть основания не будет передавать контактные давления на почву, т.е. они будут равны нулю, а давление на забойной кромке основания будет несколько ниже расчетного значения [31].

Следовательно, эффективная работа двухрядных секций крепи КД90ТС в условиях почв с удельным сопротивлением менее 8 МПа возможна лишь при оснащении оснований устройствами, обеспечивающими выезд вдавленных в почву секций при их передвижке.

Рисунок 2.19 – Графики контактных давлений Рх, передаваемых на почву пласта основанием двухрядной щитовой секции крепи КД90ТС, в зависимости от 2.4.3 Алгоритмы расчета усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия углового гидродомкрата и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли.

По представленным выше уравнениям 2.12 составим алгоритм расчета усилия на конце консоли перекрытия от направления приложения усилия относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.

Исходные данные для расчета усилия на конце консоли разделяются на:

- геометрические: l1, l2, l3, l4, l6, l7, l8, l9, h1, h2, h3, h4, h5, = Fi, 1 = Psi1, 2 = - силовые: P2, G1 и G2.

Далее приведены формулы для расчета параметров P0y, R, 2Т1 и 2Т2:

Уравнения 2.12 примут вид:

На рисунке 2.20 представлена блок-схема алгоритма расчета усилия на конце консоли перекрытия от координат опор углового гидродомкрата.

В качестве примера выполнен расчет и определена зависимость усилия на конце консоли перекрытия от координат опор углового гидродомкрата однорядной щитовой секции крепи КС стругового механизированного комплекса МКС, разработанного ОАО «ШахтНИУИ» с участием автора [31].

Графическое выражение зависимости величины усилия на конце консоли перекрытия от координат опор углового гидродомкрата для ряда значений высот секции механизированной крепи КС представлено на рисунке 2.21.

Из представленной на рисунке 2.21 зависимости определены оптимальные параметры расположения опор углового гидродомкрата секции крепи КС ), при h2 и h4 = const, обеспечивающие максимальную величину усилия на конце консоли перекрытия (Роy = 125 кН).

l1, l2, l3, l4, l6, l7, l8, l9, h1, h2, h3, h4, h5, Fi, Psi1, Psi2, Psi3, Psi4, Psi5, P2, G1,G2.

Рисунок 2.20 – Блок-схема алгоритма расчета усилия на конце консоли перекрытия от координат опор углового гидродомкрата.

Рисунок 2.21 - Зависимость усилия на конце консоли перекрытия от координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним Установим характер изменения усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли однорядной щитовой секции крепи от угла наклона жесткой части перекрытия на забой и направления приложения усилия углового гидродомкрата, т.е. координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.

По представленным выше уравнениям 2.21 составим алгоритм расчета усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли.

Исходные данные для расчета усилия консоли разделяются на:

- геометрические: l1, l2, l3, l4, l5, l6, l7, l8, l9, l10, lк, h1, h2, h3, h4, h5, h6, 1 = Fi1, - силовые: P2, G1 и G2.

Далее приведены формулы для расчета параметров P0 y, R, 2Т1 и 2Т2:

Уравнения 2.21 примут вид:

На рисунке 2.22 представлена блок-схема алгоритма расчета усилия консоли перекрытия в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли.

На рисунке 2.23 представлены графики выражения зависимостей усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли при максимальном угле наклона 15 жесткой части перекрытия на забой и высоты ограждением:

Максимальный угол наклона 15 жесткой части перекрытия секции крепи на забой принят по рекомендациям специалистов DВТ (Германия) [80].

l1, l2, l3, l4, l5, l6, l7, l8, l9, l10, h1, h2, h3, h4, h5, h6, Fi1, Fi2, Psi1, Psi2, Psi3, Psi4, Рисунок 2.22 – Блок-схема алгоритма расчета усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли при Рисунок 2.23 - Зависимости усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли при угле наклона 15 жесткой части перекрытия на забой и высоты секции крепи КС для координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним Из полученных зависимостей следует, что усилие консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли уменьшается с уменьшением высоты секции крепи и зависит от координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением, т. е. зависит от направления приложения усилия углового гидродомкрата.

Установим характер изменения усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли однорядной секции щитовой крепи от угла наклона жесткой части перекрытия на завал на максимальной высоте секции крепи и координат опор углового гидродомкрата.

По представленным выше уравнениям 2.22 составим алгоритм расчета усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли.

Исходные данные для расчета усилия консоли разделяются на:

- геометрические: l1, l2, l3, l4, l5, l6, l7, l8, l9, l10, lк, h1, h2, h3, h4, h5, h6, 1 = Fi1, - силовые: P2, G1 и G2.

Далее приведены формулы для расчета параметров P0 y, R, 2Т1 и 2Т2:

Уравнения 2.22 примут вид:

При этом 2T1, 2Т2, R и P0 y определяются по представленным выше формулам 2.93 – 2.96 соответственно.

Блок-схема алгоритма расчета усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли при наклоне жесткой части перекрытия представлена на рисунке 2.22.

На рисунке 2.24 представлено графическое выражение зависимости усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли при максимальном угле наклона 15 жесткой части перекрытия на завал и максимальной высоты секции крепи КС от ряда значений координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением.

Рисунок 3.24 – Зависимость усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли при угле наклона 15 жесткой части перекрытия на завал и максимальной высоте секции крепи КС от Таким образом, по представленным выше зависимостям можно заключить, что усилие как на конце консоли, так и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли в значительной степени зависит от координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением однорядной щитовой секции крепи, т. е. от направления приложения усилия углового гидродомкрата.

В результате проведенных исследований впервые разработаны алгоритмы расчетов усилий на конце консоли перекрытий и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли в зависимости от координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением для однорядной щитовой секции крепи.

2.5 Выводы 1. Возможность применения двухрядной щитовой механизированной крепи с расстоянием между рядами стоек более 0,6 м по фактору ее сопротивления для управления кровлей необходимо устанавливать по величине несущей способности последнего от забоя ряда стоек секции крепи в соответствии с отмененным ГОСТ 15852, а не по действующему ГОСТ Р52152-2003.

2. Расчет фактического сопротивления секции крепи по методике, регламентированной действующим руководящим техническим материалом РТМ.24.007.01., следует дополнить учетом сил трения, возникающих в опорах гидростоек и шарнирах, что обеспечит повышение расчетного уровня сопротивления секции крепи от 12 до 20% и, как следствие, позволит выбрать ее рациональные конструктивные параметры.

3. На стадии проектирования однорядных щитовых секций крепи по разработанной методике следует устанавливать рациональные координаты опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением, что обеспечивает повышение усилия на конце консоли перекрытия до 30% по фактору устойчивости секции крепи.

4. Проведенными исследованиями установлен характер изменения усилия консоли в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли от угла наклона жесткой части перекрытия однорядной щитовой секции крепи. Усилие консоли при угле наклона 15 жесткой части перекрытия на забой в 3 – 4 раза больше усилия консоли при таком же наклоне жесткой части перекрытия на завал.

5. Разработаны методики и алгоритмы расчетов равнодействующих сопротивления и усилий в рычагах заднего ограждения однорядной и двухрядной щитовых секций крепи, усилий на конце консоли и в точке приложения силы тяжести участка свежеобнаженной кровли однорядной щитовой секции крепи в зависимости от координат опор углового гидродомкрата относительно оси, соединяющей перекрытие с задним ограждением и угла наклона жесткой части перекрытия.

6. Доказано, что контактные давления на концах забойной и завальной частей основания однорядной щитовой секции крепи, состоящего из двух балок существенно зависят от соотношения их размеров. Так, при меньшей длине забойной части основания в сравнении с завальной (крепи КМПС и М137С) контактные давления на концах забойной части основания составляют соответственно 3,41 МПа и 2,85 МПа, а на завальной – 1,5 МПа и 1,9 МПа. На основании полученных зависимостей разработана конструкция основания струговой крепи КС с более равномерным распределением контактных давлений по длине забойной части основания. Контактные давления на конце забойной части этого основания составляют 2,26 МПа, а на конце завальной 2,64 МПа.

7. Установлено, что контактные давления на конце забойной части основания двухрядной щитовой секции крепи, состоящего из одной балки, в несколько раз превышают контактные давления на конце завальной части основания, что при слабой почве приводит к внедрению в нее конца основания. Поэтому применение двухрядной секции крепи, основание которой состоит из одной балки в условиях слабых почв не целесообразно.

8. Выбор типа крепи по давлению на почву пласта следует производить не по среднему значению, как предусматривает ГОСТ Р52152-2003, а по контактному давлению на конце забойной части основания. Это нужно также учитывать при определении рабочего сопротивления секции крепи и исключения потери ее устойчивости. Расчет контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями однорядных и двухрядных щитовых секций механизированной крепи следует осуществлять по разработанному методу, впервые учитывающему эпюру распределения контактных напряжений и позволяющему устанавливать критерии потери устойчивости секции крепи и на стадии проектирования создавать рациональные конструкции основания по этому фактору.

3. Исследования нагруженности механизированной крепи в движущемся очистном забое и способов крепления сопряжений механизированной крепи в движущемся очистном забое.

Для выбора оптимального варианта механизированной крепи в условиях производства необходим надежный прогноз нагруженности механизированной крепи в подготовленном к выемке столбе. Такой прогноз возможен лишь на основе корректно сформулированной и разработанной теоретической базы, адекватно отражающей физическую картину геомеханических процессов. К сожалению до последнего времени теоретические работы, посвященные геомеханическим процессам в очистных забоях также как и в подготовительных выработках, в основном сводились к рассмотрению статических силовых схем, характерных для различных этапов горных работ. Между тем геомеханические процессы в кровле очистного забоя характеризуются значительной динамикой, и в проявлениях горного давления основную роль играет динамическая составляющая: изменения смещений пород и нагрузок на крепь происходят с каждым циклом выемки угля. Традиционный подход к решению геомеханических задач для подготовительных выработок, в которых состояние массива в конечном счете стабилизируется во времени, не отражает масштабов геомеханических процессов и незатухающей их динамики в очистном забое [81, 82, 83].

Для создания теоретической базы геомеханических процессов в кровле пласта в движущемся очистном забое предлагается новая концепция применительно к способу управления кровлей полным обрушением [69, 84, 85, 86, 87].