Теоретическое обоснование и определение параметров машины для щелевой разгрузки массива

Актуальность работы. С ростом глубины разработки угольных шахт увеличивается горное давление и вместе с ним возрастает актуальность проблем, связанных с управлением состоянием массива пород вокруг выработок. Эффективность горных работ в значительной степени зависит от состояния подземных горных выработок, поддержание которых в безопасном эксплуатационном состоянии требует выполнения трудоемких и дорогостоящих работ.

Горнотехнические факторы в значительной степени влияют на механизм и интенсивность проявлений горного давления и газовыделения. Изменяя технологию или технологические параметры ведения горных работ, можно управлять геомеханическими процессами: изменением напряжений, деформаций, смещений и разрушений в горных породах, примыкающих к подготовительным и очистным выработкам.

Повышение устойчивости выработок может быть достигнуто путем рационального их расположения, выбора способов охраны и поддержания выработок, обеспечивающих минимальные затраты на их ремонт, и применения мероприятий по повышению прочности пород и снижению напряжений. Методы повышения устойчивости выработок разнообразны и диктуются большим диапазоном горногеологических и горнотехнических условий.

Важность правильного выбора, совершенствование способов и средств активного управления горным давлением в приконтурном массиве с целью повышения устойчивости выработки в сложных горно-геологических условиях обусловлена рядом причин, характеризующихся все более ощутимыми экономическими последствиями, а также катастрофическими событиями, сопровождающимися нередко человеческими жертвами.

Выбор рационального способа или сочетания способов управления горным давлением выполняется на базе прогноза устойчивости пород в горных выработках. Характерной особенностью горных пород Кузбасса является то, что в исследованных массивах более 60% пород относятся к породам средней и выше средней прочности. Высокие упругие свойства подавляющего большинства углевме5 щающих пород бассейна указывают на довольно большую ударо-опасность в условиях предельного напряженного состояния. С переходом на нижние горизонты следует ожидать значительное повышение удароопасности, особенно при проведении выработок в зоне влияния очистных работ.

Одним из направлений обеспечения устойчивости горных выработок и снижения опасных динамических проявлений горного давления является использование локальных способов управления при отработке призабойной части угольного и породного массива, приводящих к снижению уровня напряжений за счет щелевой разгрузки массива. Существующие локальные способы разгрузки массива из подготовительных и очистных выработок и мероприятия для их реализации имеющимися средствами требуют больших затрат времени и не совмещены с процессами проходки (выемки). Вопросы устойчивости выработок, проводимых в сложных условиях, не решенные на стадии проектирования и проведения, приводят к значительным затратам по их поддержанию в безопасном эксплуатационном состоянии в последующем.

В этой связи представляются актуальными исследования, направленные на разработку специального оборудования по образованию в приконтурном массиве разгрузочных щелей большой длины и высоты, обеспечивающего в комплексе разрушение, погрузку-удаление разрушенной массы из щели, доставку-закладку материала в выработанное пространство щели, проводимые одновременно или с небольшим отставанием (опережением) от проходческих (очистных) работ.

Цель работытеоретическое обоснование и определение геометрических, кинематических и силовых параметров гибкого става, направленные на создание машины для щелевой разгрузки массива, обеспечивающей снижение динамических проявлений горного давления на стадии проведения выработки для повышеАия ее устойчивости .

Идея работы заключается в использовании фронтального способа нарезания щели в тупиковом забое за счет объединения выемочного и доставочного органов машины одной несущей базой в виде управляемого гибкого става, что позволяет в комплексе обеспе6 чить эффективное разрушение, погрузку-удаление разрушенной массы из щели, доставку-закладку материала в выработанное пространство щели на стадии проведения выработки.

Задачи исследованийустановить влияние параметров щелей на напряженное состояние и смещения в приконтурном массиве в конкретных горногеологических условиях для обоснования расположения, количества и параметров щелей, необходимых для эффективного управления свойствами и состоянием массива с целью снижения уровня напряжений — разгрузки породобосновать и определить геометрические параметры щелена-резной машины, включающей выемочные и доставочные органы, объединенные одной несущей базой, позволяющей образовать в массиве щели большой длины и высоты для реализации различных технологических требованийисследовать возможности управления щеленарезной машиной фронтального действия в тупиковом забое щели в плоскости пласта и обосновать параметры гибких элементов, осуществляющих подачу гибкого ставаустановить особенности транспортирования материала винтовым конвейером в кожухе гибкого става с боковым пазом и обосновать режимные и геометрические параметры винтов для погрузки-удаления разрушенной массы и доставки-выгрузки закладочного материала.

Методы исследований. При выполнении теоретических исследований использовались классические положения аналитической механики, теории упругости, математической физики, теории колебаний, теории оболочек. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработки, разгруженной щелью, осуществлялось методом конечных элементов с использованием современных программ. При решении дифференциальных уравнений движения частицы в кожухе винтового конвейера и волнового уравнения в частных производных, представляющего продольные колебания упруго-вязкого стержня, использовались численные методы. Результаты теоретических исследований, полученные в символьной форме, позволили применить метод компьютерного мо7 делирования и получить зависимости искомых параметров от исходных данных в широком диапазоне средствами машинной графики. Основные научные положения, выносимые на защиту: геометрические параметры щеленарезной машины должны определяться на основе рекомендаций, полученных при установлении влияния параметров щелей на напряжения и смещения в приконтур-ном массиве с целью его разгрузки в конкретных горно-геологических условияхразработана оригинальная компоновочная схема состоящей из отдельных секций щеленарезной машины, включающей выемочные и доставочные органы, объединенные одной несущей базой в виде гибкого ставауправляемость щеленарезной машины фронтального действия в плоскости пласта в тупиковом забое щели достигается гибкими элементами, позволяющими реализовать необходимую подачу машины на забой щели до 0,3 м и усилие подачи на режущем органе до 30 кН при расчетной нагрузке до 300 кН при технически приемлемых значениях тяговых усилий на канате 7=3400- 2000; 1200 кН и усилий пружин F= 90- 105- 120 кН при длине секции /=1- 2- 3 м, соответственно, для нарезания щели высотой /7=1,0 м и длиной /=10 мрациональные режимные параметры винтов выбираются в зависимости от выполняемых операций: равномерное и установившееся движение при погрузке-удалении разрушенного угля возможно при числе оборотов в минуту винта л=190- 130- 100- 90- 80 об/минвинтовое движение закладочного материала по желобу с последующей выгрузкой через верхние разгрузочные окна возможно при п>300- 210- 180- 150- 140 об/мин для винтов радиуса R=0,1- 0,2- 0,3- 0,4- 0, 5 м, соответственно.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой теоретических задач и строгостью применяемых методов, основанных на классических положениях аналитической механики, теории упругости, математической физикиполной сходимостью результатов математического моделирования с имеющимся для частных случаев точным аналитическим решением поставленных задач- 8 использованием современных достижений в области компьютерного моделирования.

Научная новизна работы: установлено, что разгрузочная щель большой длины /=5- 10- 15- 20 м и высоты /7=0,3−1,0 м полностью снимает напряжения <ту по горизонтальной оси выработки на всю длину щелипо вертикальной осина расстоянии от контура, равном примерно половине длины щели, независимо от высоты щеликомпоновочная схема щеленарезной машины, состоящей из отдельных секций, включающей выемочный и доставочный органы, объединенных одной несущей базой в виде гибкого става, позволяет использовать машину в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий и обеспечить непрерывность и эффективность выполнения основных технологических процессоввпервые установлены аналитические зависимости, необходимые для расчета геометрических и силовых параметров гибких элементов, обеспечивающих управляемость щеленарезной машины фронтального действия в плоскости пласта в тупиковом забое щеливпервые установлена аналитическая связь между геометрическими и режимными параметрами винта конвейера, углом наклона оси конвейера к горизонтали, свойствами транспортируемой частицы и углом отклонения ее от плоскости, перпендикулярной оси вращения винта, принятым в качестве критерия транспортирования винтовым конвейером, что позволяет конкретизировать рациональные режимные параметры винта определенной геометрии в соответствии с операциями погрузки-доставки разрушенного угля или доставки-выгрузки закладочного материала и обеспечить эффективную работу винтовых конвейеров машины.

Личный вклад автора заключается в аналитическом обосновании принципа действия и параметров щеленарезной машины. Для этого установлена аналитическая зависимость тягового усилия каната при равновесии и движении става машины от требуемого усилия подачи на режущем органе, расчетной нагрузки, величины подачи на забой, глубины забоя щели при различной ширине и длине секции гибкого става- 9 получена аналитическая зависимость удлинения каната от тягового усилия и геометрических параметров каната с учетом его вязкости для определения хода гидроцилиндра, необходимого для достижения требуемой подачи гибкого става на забой щели различной высоты и длинывыявлена аналитическая зависимость восстанавливающей силы пакета пружин, необходимой для выпрямления машины, от расчетной нагрузки, величины подачи на забой, глубины забоя щели при различной ширине и длине секции гибкого ставапредложен графический способ определения необходимой толщины диска тарельчатой пружины по заданным значениям диаметра пружины, деформации пакета пружин и общей нагрузки в пакете, полученный на базе аналитических исследований и реализованный методом компьютерного моделированияустановлена аналитическая зависимость между геометрическими и режимными параметрами винта конвейера, углом наклона оси винта, свойствами транспортируемой частицы и углом отклонения, принятым в качестве критерия транспортирования винтовым конвейеромопределены рациональные режимные параметры винта определенной геометрии в соответствии с операциями погрузки-доставки разрушенного угля или доставки-разгрузки закладочного материала, необходимые для эффективной работы винтовых конвейеров машины.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные аналитические зависимости позволяют: осуществить выбор параметров щеленарезной машины, образующей полости больших размеров, необходимые для эффективного управления свойствами и состоянием массива в конкретных горногеологических условиях и реализации различных технологических требованийразработать рациональные компоновочные схемы и создать работоспособные образцы щеленарезной машины в широком диапазоне ее геометрических и силовых параметровсоздать методику расчета геометрических и силовых параметров гибкого става машины;

10 осуществить выбор режимных параметров винтовых конвейеров при определенных геометрических параметрах для регулирования характера транспортирования материала при выполнении различных операцийвозможность транспортирования материала винтовым конвейером, заключенным в закрытый кожух гибкого става, под углом к горизонту позволяет адаптировать машину к условиям применения на наклонных и крутых пластах.

Реализация работы. Результаты исследований включены в рабочие программы курсов «Горные машины и комплексы» и «Проектирование и конструирование горных машин и комплексов"для студентов специальности 170 100 «Горные машины и оборудование» и реализованы при эксплуатации экспериментальной лабораторной установки, используемой для исследовательских работ и в учебном процессе.

Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 1998;2000 гг.), на научно-техническом семинаре по предварительной экспертизе диссертаций КузГТУ (2000 г.), на научном семинаре в Институте угля и углехимии СО РАН.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 научных работах.

Объем работы. Диссертация изложена на 212 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, содержит 66 рисунков, 40 таблиц и список литературы из 104 наименований.

4.5. Выводы.

1) Угол отклонения материала от вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения винта, устанавливает однозначную связь между геометрическими и режимными параметрами винта, свойствами транспортируемого материала, что позволяет принять его в качестве критерия транспортирования винтовым конвейером.

2) Основное влияние на величину максимального угла отклонения оказывают число оборотов в минуту винта и его радиус.

3) Выбором режимных параметров винта при его определенной геометрии можно регулировать характер транспортирования материала: а) равномерное и установившееся движение для транспортирования разрушенного угля возможно при.

740−190 об/мин для /1=0,1 м;

740−130 об/мин для 11=0,2 м;

740−100 об/мин для [3=0,3 м;

740−90 об/мин для [1=0,4 мп40−80 об/мин для ?1=0,5 мб) винтовое движение закладочного материала по желобу с последующей выгрузкой через верхние разгрузочные окна возможно при.

7>300 об/мин для [1=0,1 м;

7>210 об/мин для [1=0,2 м;

7>180 об/мин для Я=0,3 м;

7>150 об/мин для [1=0,4 м;

7>140 об/мин для 11=0,5 м.

4) Значительное изменение геометрических параметров винта определенного радиуса при горизонтальном транспортировании при.

193 водит к некоторому уменьшению верхней границы диапазона режимных параметров, благоприятных для установившегося движения, в то же время несколько снижают порог, при котором возможно винтовое движение, предпочтительное для закладки.

5) Величина минимального угла отклонения 0- к которому стремится частица в установившемся движении, практически не зависит от числа оборотов в минуту винта (в границах диапазона п для каждого Я соответственно), а определяется, в основном, геометрией винта: шагом лопасти в, углом наклона образующей лопасти у и углом наклона оси винта Д.

6) При наклонном транспортировании верхняя граница диапазона числа оборотов в минуту винта, при котором возможно установившееся движение, снижается на 10 об/мин (при прочих равных условиях) — число оборотов в минуту, достаточное для втягивания частицы в винтовое движение, снижается на 20−30 об/мин.

7) Изменение геометрических параметров (Э, у) винта определенного радиуса при наклонном транспортировании оказывает большее влияние на максимальный угол отклонения частицы <9, чем при горизонтальном транспортировании.

8) При наклонном транспортировании Д>0 изменяется характер движения частицы, для прямого винта установившееся движение достигается ею только после нескольких оборотов винта.

9) Изменение геометрических параметров в и у винта (5-^4/3, у—>л/6) при наклонном транспортировании приводит частицу к колебательному движению, что нежелательно. При транспортировании под углом /3->30° следует использовать прямой винт.

10) При установившемся движении формирование тела волочения происходит в I квадранте желоба гибкого става, что не препятствует одновременной погрузке разрушенного угля через фронтальные загрузочные окна, находящиеся с противоположной стороны. Достигаемый при этом порог скорости вращения винта достаточно высок, чтобы обеспечить производительную работу конвейера по погрузке и транспортированию разрушенного угля.

11) Выбор режимных параметров, достаточных для того, чтобы втянуть частицу в винтовое движение, создает благоприятные условия для выгрузки закладочного материала через верхние разгрузоч.

194 ные окна и транспортирования его по желобу с большой скоростью, что обеспечивает высокопроизводительную работу по закладке.

12) Для винтов радиуса Я=0,2- 0,5 м дальность полета частицы равна х=0,5- 2,5 м при л=200 об/мин, х=0,9- 4 м при /7=300 об/мин, что позволяет производить закладку материала в завал щели после нескольких циклов выемки угля. При этом за время одного цикла по выемке угля можно осуществить закладку щели, шириной в несколько раз больше величины подачи става на забой, так как скорость вращения винта при закладке превышает скорость винта при погрузке.

13) Кривизна гибкого става не оказывает существенного влияния на транспортирующую способность винтового конвейера, так как значения угла поворота секций друг относительно друга не превышают конструктивных требований на несоосность.

14) Полученные в результате аналитических исследований режимные параметры винтового конвейера не выходят за рамки диапазона, рекомендуемого ОСТ 12.44.258−84, но позволяют конкретизировать их рациональное значение в соответствии с определенными операциями: погрузкаудаление разрушенного угля или доставка-выгрузка закладочного материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе приведено научное обоснование выбора рациональных геометрических, кинематических и силовых параметров управляемого гибкого става и винтовых конвейеров, обеспечивающее создание машины фронтального действия для непрерывного и эффективного выполнения основных технологических процессов по образованию в массиве щели большой длины и высоты, что позволяет проводить мероприятия по разгрузке массива на стадии проведения выработки для повышения ее устойчивости.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем.

1. Напряжения оу в массиве, независимо от высоты щели, полностью снимаются по горизонтальной оси выработки на всю длину щелипо вертикальной осина расстоянии от контура, равном примерно половине длины щели.

2. Смещения на контуре выработки с увеличением длины щели до 20 м достигают и=+12 мм, у=-66 мм при высоте щели /7=0,4 м и v=-70 мм при высоте /7=1,0 мизбежать возникновения значительных смещений возможно при выемке щели с ее одновременной закладкой.

3. Кутковая часть щели является сильным концентратором напряжений, величина которых зависит от формы куткаво избежание возможности защемления «хвостовой» части рабочего органа в отрабатываемом пространстве, следует предусмотреть устройство, оформляющее куток щели рациональной формы.

4. Компоновочная схема машины, состоящей из отдельных секций, возможность совмещения выемочного и доставочного органов, объединенных одной несущей базой в виде гибкого става, позволяет использовать машину на стадии проведения выработки и обеспечить непрерывность и эффективность выполнения основных технологических процессов.

5. Аналитические расчеты предлагаемой конструкции подтвердили, что необходимые подачу на забой и усилие подачи на режущем органе можно реализовать при технически приемлемых значениях тяговых усилий каната и усилий тарельчатых пружин. Так при глубине щели 10 м, высоте щели 1,0 м и расчетной нагрузке Q=300 кН.

196 тяговое усилие каната Г=3400- 2000; 1200 кНусилие пакета пружин Рупр-90- 105- 120 кН при длине секции /= 1, 2, 3 м, соответственно.

6. На основе установленной аналитической зависимости предлагается для практических расчетов удлинение вязкого каната под действием постоянной силы натяжения в установившемся положении принимать равным статическому удлинению.

7. Выбор необходимой толщины диска тарельчатой пружины по заданным значениям диаметра пружины, деформации пакета пружин и достаточной для выпрямления става нагрузки в пакете, можно осуществлять графическим способом. Полученные значения толщины диска должны отвечать условиям устойчивости пружины.

8. Для регулирования характера транспортирования материала при выполнении различных операций выбираются режимные параметры винтов: равномерное и установившееся движение при удалении разрушенного угля возможно при п= 10−190 об/мин для Я=0,1 м- /7=10−130 об/мин для /?=0,2 м-а?=10−100 об/мин для Я=0,3 м- /7=10−90 об/мин для Я?=0,4 м- /7=10−80 об/мин для Я=0,5 мвинтовое движение закладочного материала по желобу с последующей выгрузкой через верхние разгрузочные окна возможно при г?=300 об/мин для Я?=0,1 м- /7=210 об/мин для Я=0,2 м- /7=180 об/мин для Я=0,3 м- /7=150 об/мин для Я?=0,4 м- /7=140 об/мин для Я=0,5 м.

9. При наклонном транспортировании (Д=30°) верхняя граница диапазона числа оборотов в минуту винта, при котором возможно установившееся движение, снижается на 10 об/мин (при прочих равных условиях) — число оборотов в минуту, достаточное для втягивания частицы в винтовое движение, снижается на 20−30 об/мин;

10. При установившемся движении формирование тела волочения происходит в I квадранте желоба гибкого става, что не препятствует одновременной погрузке разрушенного угля через фронтальные загрузочные окна, находящиеся с противоположной стороны. Достигаемый при этом порог скорости вращения винта достаточно высок, чтобы обеспечить производительную работу конвейера по погрузке и удалению разрушенного угля.

11. Выбор режимных параметров, достаточных для того, чтобы втянуть частицу в винтовое движение, создает благоприятные уело.