Главная страница Электронная библиотека Ссылки Результаты поиска

Донецкий Национальный Технический Университет

Факультет энергомеханики и автоматизации

Кафедра "Горная механика"



АВТОРЕФЕРАТ МАГИСТЕРСКОЙ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ



на тему:

"ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОИМПУЛЬСНОЙ МАШИНЫ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЙ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПОИСКОВЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ВЕДЕНИИ ГОРНОСПАСАТЕЛЬНЫХ РАБОТ НА КРУТЫХ И КРУТОНАКЛОННЫХ ПЛАСТАХ"



Выполнил магистр гр. ГЭМ-98


Мезенцев Юрий Васильевич



Руководитель работы: доцент, к.т.н. Коломиец В.С.



Донецк-2003

E-mail: mezentsevy@ukrtop.com

  1. Общая характеристика работы
  2. Содержание работы
    1. Динамика применения различных способов спасения людей при обрушениях в горных выработках
    2. Выбор рационального способа спасения людей при обрушениях в зависимости от конкретных горно-геологических условий
    3. Анализ способов проведения спасательных выработок
    4. Техническая характеристика гидроимпульсной поисковой машины
    5. Расчет параметров системы перемещения гидроимпульсной поисковой машины
  3. Основные результаты работы
  4. Литература

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


1.1 Актуальность темы


В настоящее время угольная промышленность является потенциально опасной. Это объясняется рядом специфических особенностей. К их числу относятся непостоянство горно-геологических условий, перемещение рабочего места, загрязнённость рудничной атмосферы ядовитыми или горючими газами вследствие выделения их из полезных ископаемых, ведения взрывных работ, работы механизмов, различных окислительных процессов и т.д. Широкое применение электроэнергии в шахтах, наличие самовозгорающихся пластов угля, а также горючесть некоторых газов создают опасность возникновения подземных пожаров, взрывов газа.

В подземных горных выработках возможны и другие виды аварий (обрушение горных пород, внезапные выбросы угля и газа, прорывы воды и глин, загазирование выработок и т.д.), которые не только нарушают нормальный технологический процесс, но и создают угрозу для жизни и здоровья людей.

Для предотвращения всяких случайностей и оказания необходимой помощи людям, застигнутым авариями, а также для ликвидации этих аварий на шахтах Украины организована горноспасательная служба при Минтопэнерго.

Коэффициент спасения людей сейчас составляет примерно 0,65 - 0,67 и за последние 30 лет он практически не изменился.

Поэтому сейчас очень остро стоит проблема создания новых машин для горноспасательных работ, которые удовлетворяли бы следующим требованиям:

  1. Технические средства ведения поисково-спасательных работ должны соответствовать гигиеническим нормам, предъявляемым к горным машинам и механизмам.
  2. Комплект оборудования для ведения поисково-спасательных работ должен содержать:
    • средства обнаружения местонахождения людей под обрушенными породами;
    • средства жизнеобеспечения для застигнутых аварией людей, находящихся за завалом в непригодной для дыхания атмосфере;
    • технические средства для разборки завалов, извлечения элементов крепи, дробления кусков породы и транспортирования горной массы;
    • приспособления для беспламенной резки металлических предметов;
    • средства химического упрочнения дезинтегрированного массива;
    • комплектную облегченную оградительно-поддерживающую крепь;
    • автономный источник энергии.
  3. Горный инструмент и специальные приспособления для разборки завалов, а также технологические приемы их использования должны исключать возможность воспламенения взрывчатой пылегазовой смеси.

1.2 Цель работы


Исследование основных параметров и расчет геометрических размеров гидроимпульсной поисковой машины, обеспечивающих оптимальные условия и максимальную скорость проведения спасательных выработок на крутых и крутонаклонных пластах.


1.3 Научная новизна


В работе предложено использовать другую систему перемещения ствола с рабочими насадками гидроимпульсной поисковой машины. Предложенная система перемещения состоит из гидроцилиндра двустороннего действия и ковшового турбодвигателя. Гидроцилиндр используется для перемещения струи воды в горизонтальной плоскости, а ковшовый турбодвигатель приводит во вращение ствол с рабочими насадками, в результате струя воды движется по спирали.

При использовании выше описанной системы перемещения обеспечивается более эффективное использование энергии струи и повышение скорости проходки спасательной выработки по сравнению с системой, обеспечивающей движение ствола с рабочими насадками по вертикальным и горизонтальным линиям.


1.4 Практическая ценность


Использование при проведении поисково-спасательных работ гидроимпульсной техники позволяет уменьшить энергоемкость процесса разрушения угольного массива; повысить производительность, безопасность и улучшить условия труда горняков. Гидроимпульные установки для разрушения горных пород характеризуется чрезвычайно большой мощностью, малой массой, высокими универсальностью и мобильностью. Они позволяют выполнить многоплановые операции без перестройки рабочего органа. Существенным преимуществом импульсного гидродинамического способа является также то, что он дает возможность разрушать породы любой крепости и абразивности.


2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


2.1 Динамика применения различных способов спасения людей при обрушениях в горных выработках


Наиболее тяжёлые условия работы горноспасателей возникают при ликвидации последствий взрывов метана и угольной пыли, обрушений породы и внезапных выбросов угля и газа.

Как показал анализ фактического материала, за десять лет на шахтах Украины произошло 457 обрушений пород, приведших к завалам горных выработок: в очистных забоях 51,4%, в том числе на пологих пластах 16,2%, на крутых и крутонаклонных 35,2%, в подготовительных выработках (тупиковых и сквозных, на сопряжениях лав со штреками, а также в разрезных печах, гезенках, скатах и ортах) 48,6%. Из них 27,8% на пологих и 20,8% на крутых и крутонаклонных пластах. Большая часть обрушений (56%) произошла на шахтах с крутыми и крутонаклонными пластами. На протяжении анализируемого периода не отмечается тенденции к изменению ежегодно регистрируемого количества завалов (около 40 в год).

Первоочередными задачами горноспасателей при ликвидации последствий обрушений являются:

В ряде случаев невозможно вести работы ни по непосредственному спасению людей, ни по восстановлению вентиляции, так как образовавшееся нагромождение крепёжных материалов и обрушившихся горных пород не позволяет проникнуть к пострадавшим или подать в выработки свежий воздух.

Основным способом ликвидации таких аварий является восстановление выработок или проведение специальных спасательных выработок по целикам угля или по обрушившимся породам, по которым можно проникнуть к пострадавшим для оказания им необходимой помощи.

Динамика применения способов спасения людей при завалах сведена в таблицу 1.

Табл.1 Спасение людей при завалах в лавах.

Способ спасения

Пласты

Пологие

Крутые, крутонаклонные и наклонные

Всего

Разборка завала вручную

70

60

130

Прохождение обходных выработок по углю и поисковых по завалу

4

82

86

Выпуск обрушенной породы и угля

0

18

18

Бурение специальных скважин

0

1(щитовая лава)

1

Всего

74

161

235

Из таблицы видно, что самый распространенный способ спасения людей - разборка завалов - применяется в 67,3% случаев, в том числе в подготовительных выработках 35,2% и 28,4% в лавах.

Вторыми по распространению оказались способы, связанные с прохождением выработок по углю и завалам - проводились в 28,4% случаев, из них 18,8% в лавах и 9,6% в подготовительных выработках.

На пологих пластах в очистных забоях разборка завалов применялась в 94,6% случаев. На пластах крутонаклонного падения удельный вес этого способа равен 37%, здесь основным является способ прохождения обходных выработок по углю и поисковых по завалу (50%) в незначительном объёме применяется выпуск обрушенной породы и угля (наклонные пласты).


2.2 Выбор рационального способа спасения людей при обрушениях в зависимости от конкретных горно-геологических условий


Выбор способа спасения людей при обрушениях в горных выработках производится с учётом влияния на эффективность работ таких факторов, как угол наклона пласта, устойчивость вмещающих пород, крепость угля, размер и место обрушения и т.п. Причём, исходят из того, что с увеличением угла наклона пласта или выработки значительно усложняются работы по разборке завала снизу из-за угрозы перемещения обрушившейся массы, а при подходе к пострадавшим сверху резко сокращаются темпы этих работ, так как затрудняется транспортирование отбитой горной массы снизу вверх и др.

Снижение устойчивости боковых пород, как правило, влечёт за собой изменение технологии работ по разборке завалов или проведения обходных выработок, что в свою очередь приводит к увеличению трудоёмкости и продолжительности горноспасательных работ.

При крепком угле скорость проведения обходных выработок меньше скорости проведения присечки, с уменьшением объёма завала предпочтение может быть отдано его разборке. Место обрушения учитывается при решении вопроса о целесообразности спасения людей в лавах крутых пластов разборкой завалов или выпуском обрушенных пород.

Исследование статистического материала об опыте применения в лавах различных способов спасения людей показало, что наибольшее влияние на выбор того или иного способа оказывают угол наклона пласта (выработки) и место обрушения. На рис.1 приведено распределение вероятностей спасения людей при обрушениях в лавах с различным углом наклона пласта.

Распределение вероятностей спасения людей при обрушениях в лавах с различным углом наклона пласта.

Рис.1 Распределение вероятностей Pi спасения людей при обрушениях в лавах с различным углом наклона пласта a.

1-разборкой завала; 2-проведение обходных выработок по углю; 3-проведение обходных выработок по углю и поисковых по завалу; 4-выпуском обрушенных пород; 5-проведением выработок вприсечку по углю.

1) Разборка завалов осуществляется преимущественно при спасении людей в лавах на пластах пологого падения и в подготовительных выработках. На пластах крутого падения этот способ находит применение на завалах в очистных забоях, разрабатываемых по щитовой системе или горизонтальными слоями, так как завалы в таких забоях, как правило, незначительны по площади и имеется безопасный подход к местонахождению пострадавших. При завалах в лавах крутого падения на пластах малой или средней мощности этот способ применяется крайне редко, в основном при небольших обрушениях.

2) Обходные выработки по углю с выходом в куток уступа или в завал (рис. 2а) проводятся при спасении людей в лавах на пластах крутого и наклонного падения, например на шахтах Центрального района Донбасса, разрабатывающих пласты угля сплошной системой с потолкоуступной формой забоя. Для этого из кутков сохранившихся уступов параллельно линии забоя проходят (преимущественно снизу вверх) выработки, которыми поочерёдно вскрывают кутки заваленных уступов, где могут оказаться пострадавшие. При незначительных завалах (2-3 уступа) такой способ обеспечивает возможность обследования кутков уступов за сравнительно короткое время, не превышающее, как правило, одни сутки. При необходимости обследования 5-6 и более уступов время горноспасательных работ затягивается, так как они обычно ведутся последовательно в одном направлении, и кутки обследуются поочерёдно.

Схемы проведения выработок.

Рис.2 Схемы проведения выработок.

а - обходных по углю с выходом в куток уступа или в завал;

б - обходных по углю и поисковых выработок по завалу;

1 - откаточный штрек; 2 - крепь, установленная горноспасателями; 3 - гезенк, пройденный снизу вверх (восстающий гезенк); 4 - просек (печь) по углю; 5 - кутки уступов; 6 - обрушенные породы; 7 - застигнутые аварией люди; 8 - гезенк, пройденный сверху вниз (подающий гезенк); 9 - вентиляционный штиек; 10 - поисковый просек по завалу; 11 - запасной выход из лавы.

Способ проведения обходных выработок по углю (рис.1, кривая 2) следует считать основным при спасении людей в лавах с углом наклона 40° и больше.

3) Поисковые выработки по завалу (рис.2б), как правило, проходят после обследования кутков заваленных уступов для спасения людей, оказавшихся в зоне обрушенных пород. Чаще всего этот способ применяется при спасении людей в лавах пластов крутого и наклонного падения.

4) Выработки вприсечку по углю (рис.3) проходят преимущественно для спасения людей на пластах пологого падения. При этом вдоль границы завала, чаще всего снизу, проходят спасательную выработку в район вероятного местонахождения пострадавших. Такая схема работ обеспечивает быстрое обследование границы завала, восстановление нормального проветривания и оказания помощи пострадавшим.

Схема проведения спасательных выработок вприсечку по углю.

Рис.3 Схема проведения спасательных выработок вприсечку по углю.

1 - откаточный штрек; 2 - вентиляционный трубопровод; 3 - скребковый транспортер; 4 - поисковый просек по завалу; 5 - спасательная выработка, пройденная снизу вверх по углю на контакте с обрушенными породами (вприсечку); 6 - присечка по углю, пройденная сверху вниз; 7 - обрушенные породы; 8 - вентиляционный штрек.

Способ прохождения присечек по сравнению с другими используется очень редко и существенно не зависит от угла наклона выработки в диапазоне 0-40°. С увеличением угла этот способ спасения людей следует применять в случае устойчивых боковых пород, крепкого угля или повышенной выбросоопасности пласта.

5) Выпуск обрушенных пород осуществляется в исключительных случаях - при спасении людей, застигнутых в нижней части лав пластов крутого и наклонного падения при незначительном объёме обрушения, когда породы, переместившись вниз, в незаваленную часть лавы, только перекрывают выход из неё, и отсутствует угроза травмирования пострадавших. Однако этот способ является далеко не безопасным, так как зачастую сопровождается дополнительными обрушениями и сдвижением пород.

6) Бурение специальных скважин большого диаметра к местонахождению пострадавших является весьма перспективным способом, хотя широкого применения в практике горноспасательных работ пока не нашел.

Рациональный способ спасения людей должен выбираться на основе профессиональной оценки сложившейся аварийной обстановки. При этом необходимо учитывать размер и место обрушения, устойчивость вмещающих пород, крепость угля, склонность пласта к газодинамическим проявлениям, а также угол падения пласта (выработки), наличие подходов к пострадавшим и их состояние. Предпочтение должно быть отдано способу, который обеспечивает безопасность и имеет наибольшую вероятность применения в выработках с аналогичными горнотехническими условиями.


2.3 Анализ способов проведения спасательных выработок


В настоящее время при проведении обходных выработок по углю и поисковых по завалу на крутых и крутонаклонных пластах могут использоваться отбойные молотки. При этом в забой спасательной выработки направляются не больше двух горнорабочих, которые работают в нем поочередно. Основными операциями при этом являются выемка угля и крепление выработки, т.е. работы, относящиеся к разряду тяжелых. Кроме того, при выемке угля горнорабочие, находясь, как правило, в неблагоприятных условиях, большую часть времени вынуждены держать отбойный молоток впереди себя, что при отсутствии надежной опоры вызывает значительные статические напряжения и приводит к быстрой утомляемости и необходимости периодического отдыха

Можно также проводить обходные выработки при помощи БВР. При применении этого способа снижается использование тяжелого ручного труда, но с другой стороны после каждого взрывания проведение работ останавливается на время, необходимое для проветривания выработки. К тому же этот способ можно применять лишь на шахтах не опасных по пыли и газу.

При проведении спасательных выработок могут быть использованы различные механизмы, которые позволяют уменьшить долю тяжелого ручного труда.

К таким механизмам можно отнести агрегат спасательный поисковый (АСП), который предназначен для проведения эвакуационных выработок в обрушенных породах; агрегат спасательный буровой (АСБ), который представляет собой буровую установку, предназначенную для шарошечного бурения вертикальных и наклонных скважин из подземных выработок снизу вверх диаметром 600мм в породах крепостью до 14 баллов по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Они позволяют значительно снизить долю тяжелого ручного труда, но главными недостатками этих машин являются большие размеры и масса, следовательно, доставка их к месту аварии сопряжена со значительными трудностями и потерями времени, а это снижает вероятность спасения людей.

Проведенный анализ горноспасательной техники, предназначенной для ликвидации аварий, связанных с обрушениями, показал, что на вооружении военизированных горноспасательных частей отсутствуют новые технические решения, машины и механизмы, способы и средства интенсивного проведения поисково-спасательных выработок по обрушенным породам. Поэтому в настоящее время активно разрабатывается еще одно направление в совершенствовании поискового горноспасательного оборудования - разрушение угольного массива высоконапорными струями воды высокого давления, и создание на основе этого принципа гидроимпульсной техники.

Результаты исследований образцов гидроимпульсных машин показали, что по сравнению с традиционными установками этот способ обеспечивает уменьшение энергоемкости процесса разрушения; повышение производительности, безопасности и улучшение условий труда горняков. Гидроимпульные установки для разрушения горных пород характеризуется чрезвычайно большой мощностью, малой массой, высокими универсальностью и мобильностью. Они позволяют выполнить многоплановые операции без перестройки рабочего органа. Существенным преимуществом импульсного гидродинамического способа является также то, что он дает возможность разрушать породы любой крепости и абразивности.

Обобщая все вышесказанное можно выделить следующие достоинства гидроимпульсной техники:

  1. Отсутствие режущего инструмента и устранение по этой причине расходов на его заточку и замену.
  2. Отсутствие контакта с забоем.
  3. Небольшие габаритные размеры и масса.
  4. Высокая производительность и низкая энергоемкость процесса разрушения.
  5. Простота автоматизации и механизации работ, возможность организации безлюдной выемки угля.
  6. Улучшение условий труда и повышение его безопасности.

В настоящее время уже создано несколько образцов гидроимпульсной техники, применяемой в горноспасательном деле. Наиболее совершенной из них является гидроимпульсная машина для поисковых и нарезных работ (ГМП).


2.4 Техническая характеристика гидроимпульсной поисковой машины


Данная машина применяется со следующим оборудованием:

К месту установки машины должны быть подведена противопожарная магистраль (Р не менее 0,3 МПа; Q не менее 0,002 м3/c).Питание гидроимпульсной поисковой машины осуществляется от шахтной противопожарно-оросительной сети, а средств передвижки установки - от маслостанции.

Техническая характеристика гидроимпульсной поисковой машины приведена в таблице 3.

Табл.3

№ п/п

Наименование основных параметров и размеров

Норма

1

Производительность расчетная, м/ч

3-6

2

Подводимое давление, МПа

25-32

3

Потребляемый расход, м3/ч

5,4

4

Давление перед рабочим насадком, МПа

22-28

5

Мгновенный расход через рабочий насадок, м3/ч

40-100

6

Средний расход через рабочий насадок, м3/ч

4,0-5,4

7

Диаметр рабочего насадка, мм

8-12

8

Частота импульсов давления, Гц

2-7

9

Режим работы гидроимпульсатора-накопителя

автоколебательный

10

Управление

дистанционное

11

Габаритные размеры машины, мм, не более

длина

ширина

высота



3000

600

430

12

Масса машины (без системы подачи на забой), кг, не более

500

2.5 Расчет параметров системы перемещения гидроимпульсной поисковой машины


Для разрушения массива предлагается использовать генератор импульсной струи с двумя рабочими насадками.

Гидравлическая схема ГИС.

Рис.2 Гидравлическая схема генератора импульсной струи.

1 – ствол; 2 – рабочий насадок; 3, 4 – уплотняющие кольца.

Перемещения ствола с рабочими насадками в горизонтальной плоскости осуществляется гидроцилиндром двухстороннего действия. При достижении струй воды крайней левой точки забоя, срабатывает концевой выключатель, и ствол начинает двигаться в обратом направлении. Аналогичный концевой выключатель находится также в крайней правой точке забоя. В результате струя воды двигается между двумя фиксированными точками, обеспечивая прохождение спасательной выработки заданной ширины.

Для перемещения струи в вертикальной плоскости предлагается использовать ковшовой турбодвигатель который приводит во вращение ствол с рабочими насадками. В результате струя воды описывает круг, диаметр которого равен высоте спасательной выработки.

При одновременной работе гидроцилиндра и ковшового турбодвигателя струя воды движется по спирали, обеспечивая прохождение спасательной выработки заданных размеров.

При выборе ковшового турбодвигателя необходимо стремиться к тому, размеры его были минимальными, но в то же время обеспечивали бы вращение ствола с рабочими насадками. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы вращающий момент, создаваемый ковшовым турбодвигателем был больше или равен тормозному моменту, создаваемому уплотняющими кольцами (3,4) в генераторе импульсных струй, т.е.:

где l – радиус колеса ковшового турбодвигателя,

F – усилие, действующее на ковш.

р = 22Мпа – давление, с которым жидкость вырывается из насадка турбины,

dТУРБ - диаметр насадка турбины.

где Fтр1, Fтр2 - сила трения, возникающая в уплотняющих кольцах 3 и 4, соответственно,

r1, r2 - радиус, уплотняющих колец 3 и 4.

r1 = 0,06м; r2 = 0,03м

В результате получим:

Сила трения, возникающая в уплотняющих кольцах, определяется по формуле:

m = 0,008 – коэффициент трения,

рк - давление на контактной поверхности, возникающее от предварительного сжатия и давления рабочей жидкости.

р0- давление на контактной поверхности, возникающее при монтажном сжатии кольца.

W = 0,14 – относительное сжатие кольца,

k = 34,2; m = 0,52 – коэффициенты.

р = 22МПа = 224кГс/см2 – давление на контактной поверхности, обусловленное давлением рабочей жидкости.

D - диаметр уплотняющего кольца.

D1 =12см; D2 =6см.

b -ширина контактной поверхности

b1 = 0,35см; b2 =0,25см.

При dТУРБ = 2мм

При dТУРБ =3мм, l = 0,3м.

При dТУРБ =4мм, l = 0,17м.

Исследованиями установлено, что струя воды обладает максимальной разрушающей силой при диаметре насадка генератора импульсной струи dH = 8 - 12мм.

Определим, попадет ли диаметр насадка в заданный диапазон, при dТУРБ =4мм.

где DП= 12мм – диаметр подводящего трубопровода,

dц = 1мм – диаметр трубопровода подвода жидкости к гидроцилиндру поворота ствола с рабочими насадками в горизонтальной плоскости.

В результате проведенных расчетов установлено, что оптимальный радиус колеса ковшового турбодвигателя l ³ 0,17м, а диаметр насадка турбины dТУРБ= 4мм.


3 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ


В ходе выполнения данной работе было сделано следующее:

  1. Проведен анализ способов спасения людей при обрушениях в горных выработках.
  2. Выбран наиболее оптимальный способ спасения на крутых и крутонаклонных пластах.
  3. Обоснованы причины применения гидроимпульсной техники во время горноспасательных работ, приведены ее достоинства и недостатки.
  4. Рассчитаны параметры системы перемещения гидроимпульсной поисковой машины.
  5. Обоснован выбор размеров поисково-спасательных выработок для различных горно-геологических условий, при которых обеспечивается максимальная скорость проходки.

4 ЛИТЕРАТУРА


  1. Аврамчук Р.Н., Киричук Б.Н., Короленко В.Г., Новая горноспасательная техника. - М.: Недра, 1979 - 85с.
  2. Гидроимпульсная машина поисковая ГМП. Руководство по эксплуатации. - Донецк, 1994.
  3. Горноспасательное дело. Сборник научных трудов. Выпуск 13. Разработка горноспасательной аппаратуры и оборудования. Донецк, 1976 - 92с.
  4. Горноспасательное дело. Сборник научных трудов. Донецк, 1994 - 136с.
  5. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления. - М.: Недра, 1979 - 143с.
  6. Орлов Н.В., Судиловский М.Н. Пособие по горноспасательному делу. - М.: Недра, 1976 - 234с.
  7. Привалов Н.И., Романчук А.Л., Шевченко Ю.А., Кондратенко И.И. Горноспасательные работы при обрушениях выработок в угольных шахтах. - К.: Техника, 1983 - 126с.
  8. Соболев Г.Г. Горноспасательное дело. Изд. 2 - М.: Недра, 1976. - 431с.
  9. Шавловский С.С. Основы динамики струй при разрушении горного массива. - М.: Наука, 1979 - 173с.

В начало страницы