Проблема разрушения угольного массива была и остается одной из важнейших проблем горного производства. Технические возможности разрушения угля определяют возможности всего горного производства и далее возможности всей промышленности, использующей результаты работы угледобывающих предприятий.

Проводимые в последнее время в Украине, России и других странах научные исследования, направленные на изыскание новых способов и средств разрушения углей показывают, что повышение производительности проходческих комбайнов при проведении поготовительных выработок может быть достигнуто на основе гидромеханического способа разрушения, заключающегося в комбинированном воздействии на угольный массив высокоскоростных струй воды и механического инструмента.

На Ясиноватском машиностроительном заводе по заказу шахты им. В.И.Ленина (Кузбасс) был изготовлен гидромеханический проходческий комбайн КСП-22МГ, в котором для транспортировки отбитого угля используется система гидросмыва. Подводить воду с расходом в 300м³/ч только для гидротранспорта является неэкономичным, так как это приводит к большим энергозатратам, необоснованному измельчению угля, чрезмерному увлажнению выработок. Поэтому для повышения эффективности выемки полезного ископаемого целесообразно было бы преобразовать подводимый поток жидкости в импульсную струю высокого давления посредством ступенчатого гидроимпульсатора. Применение подобного устройства позволит при высокой крепости углей увеличить темпы проведения горных выработок, уменьшить износ исполнительного органа и вероятность фрикционного искрения, а, кроме того, снизить запыленность воздуха в забое.

Целью работы является установление рациональных параметров и конструктивного исполнения ступенчатого гидроимпульсатора, обеспечивающего повышение эффективности выемки полезного ископаемого проходческим комбайном КСП-22МГ, а также выполняющего функции системы гидросмыва, взамен которой и предлагается данное устройство.

1. В работе впервые обоснована целесообразность применения ступенчатого гидроимпульсатора для комбайна КСП-22МГ с целью повышения его производительности.

2. Получил дальнейшее развитие метод установления оптимальных параметров ступенчатого гидроимпульсатора.

Применение для проходческого комбайна КСП-22МГ ступенчатого гидроимпульсатора позволит более рационально использовать подводимый поток жидкости, обеспечит повышение эффективности выемки полезного ископаемого, снижение износа исполнительного органа, улучшение условий искробезопасности и пылеподавления.

Результаты научно-исследовательских и экспериментальных работ в области изыскания новых методов разрушения и средств выемки полезных ископаемых, выполненных в СССР, а затем в СНГ и за рубежом, показывают, что для этих целей могут быть эффективно использованы высокоскоростные жидкостные струи.

Применение струй в качестве инструмента разрушения в исполнительных органах очистных и проходческих комбайнов представляет особый интерес. При этом наблюдается постоянный рост в разработке техники и технологии разрушения угля, горных пород высокоскоростными струями непрерывного, пульсирующего и импульсного действия.

Гидравлический способ добычи угля является одним из перспективных в этом отношении. Он был впервые применен в СССР на угольной шахте Кизила в 1936 – 1937 гг., а промышленное его использование в угольной промышленности страны началось практически с 1952г. В Кузнецком, Донецком и Карагандинском бассейнах гидравлическим способом за период с 1952 по 1980 год включительно было добыто более 150 млн. тонн угля. В последующие годы в этих бассейнах добыча угля гидравлическим способом производилась на 9 гидрошахтах и одном гидроучастке на шахте обычной технологии.

В настоящее время гидравлическая добыча угля получила широкое развитие и применение и определилась как самостоятельное прогрессивное технологическое направление. Она отличается малооперационностью технологического процесса, высокой производительностью труда, низкой себестоимостью, улучшением труда и безопасности ведения горных работ в очистных и подготовительных забоях.

Анализ способов выемки угля, проведенный на шахтах Кузбасса за последние годы, позволяет утверждать, что основными способами при очистной и подготовительной выемке угля являются механогидравлическая выемка и гидроотбойка. Механогидравлическая выемка с успехом применяется при добыче крепких, малотрещиноватых углей, где механическая и гидроотбойка малоэффективны, и обладает более низкой энергоемкостью. К недостаткам механогидравлической выемки угля относятся: непрерывный контакт рабочего органа комбайна с забоем, трудоемкость замены изношенного инструмента (зубцов), ограниченность выемки по углу падения пластов, зависимость производительности от абразивности горных пород.

Следовательно, механогидравлическая добыча угля, благодаря лучшим по сравнению с обычной технологией в сопоставимых горно-геологических условиях технико-экономическим показателям, получила свое широкое развитие. Вместе с тем хотелось бы также отметить, что механогидравлическая отбойка по сравнению с обычной не зависит или в меньшей степени зависит от горно-геологических нарушений, обеспечивает отработку наклонных пластов, обладает меньшими производственными затратами со значительным снижением травматизма и трудоемкости работ.

Струи, в зависимости от условий формирования и физико-механических свойств, можно разделить на гидромониторные, тонкие высоконапорные, пульсирующие и импульсные.

Непрерывные гидромониторные струи с давлением воды около 10-12 МПа нашли в свое время широкое применение при гидравлическом разрушении угля с использованием гидромониторов типа ГМДЦ-3м. Диаметр насадков составлял 18-23 мм, а расход воды 150-190 м³/ч. Повышение мощности гидромониторной струи при предельно допустимом давлении воды возможно за счет увеличения расхода в ней. Для данного гидромонитора при давлении 10 МПа и расходах 400 м³/ч было достигнуто увеличение производительности в 2,5-3,0 раза.

В 70-е годы работы Института горного дела им. А.А. Скочинского и Укрниигидроугля по гидравлической отбойке угля с применением тонких высоконапорных струй малого расхода открыли одно из перспективных направлений повышения эффективности разрушения крепких углей и пород.

ИГД им. А.А. Скочинского проводил исследования по опробованию гидравлического разрушения угля с предварительной нарезкой зарубных щелей тонкими струями в условиях гидроучастков шахт Донбасса, разрабатывающих тонкие пласты антрацита. Нарезка щелей осуществлялась тонкоструйным гидромонитором, шарнирно закрепленным на стойке, а гидроотбойка и смыв угля по всей ширине забоя производились гидромонитором ГМДЦ-3м. Результаты исследований позволили получить зависимость изменения глубины щели от времени воздействия струи на разрушаемый массив и зависимость производительности резания угля от скорости перемещения струи относительно забоя и установить, что эффективность щелеобразования зависит главным образом от параметров тонких струй и физико-механических свойств разрушаемого массива.

Однако внедрение установок, разрушающих уголь тонкими высоконапорными струями, решалось довольно сложно. Объяснялось это тем, что спроектированные и изготовленные исполнительные органы нарезных агрегатов имели целый ряд недостатков:

• большое гидравлическое сопротивление проточной части;
• отсутствие или ограниченная возможность регулирования исполнительного органа по мощности пласта;
• большая масса агрегатов;
• наличие дополнительного подвода низконапорной воды для смыва отбитой горной массы;
• повышенная опасность при обслуживании из-за подвода к агрегатам высоконапорной воды (до 50 МПа) по гибким шлангам.

Однако основной причиной, которая сдерживала внедрение агрегатов с тонкими высоконапорными струями, было отсутствие серийного производства высоконапорных насосов давлением 50 МПа.

Известно, что эффективность гидравлического разрушения угольного массива зависит от природных и технических факторов. Влияние этих факторов на производительность гидроотбойки изучалась и изучается в настоящее время в ДонУГИ, ИГД им. А.А. Скочинского и других научно-исследовательских институтах. Многочисленные эксперименты, проведенные в лабораторных и промышленных условиях, а также опыт работы в забоях гидрошахт, позволили установить, что производительность гидроотбойки при прочих равных факторах (диаметре насадка, удаленности от забоя и т.д.) в значительной степени зависит от давления воды перед насадком. В общем виде данная зависимость может быть представлена уравнением:

По мере сбора статистических данных методика расчета производительности гидроотбойки как функции давления осталась прежней, а в формуле изменились только указанные коэффициенты.

Следовательно, повышение производительности гидроотбойки может быть достигнуто за счет увеличения давления перед насадком. Величина этого давления обусловлена техническими возможностями оборудования.

Отбойка более крепких углей требовала значительного повышения давления. Однако получение, транспортировка и использование воды высокого давления были связаны с рядом трудностей. К ним следует отнести использование высоконапорных насосов, запорной и соединительной арматуры. Повышение давления снижало безопасность ведения работ и увеличивало затраты на обслуживание сетей энергетического водоснабжения шахт. Применение местных повысителей давления, которые устанавливаются непосредственно у гидромонитора, позволило исключить эти недостатки.

Одним из первых подобных устройств были гидроударно-импульсные насадки конструкции института горных дел АН КазССР. Они создавали пульсирующую струю благодаря возвратно-поступательному движению клапана, которое происходило под действием потока жидкости (вперед) и пружины (назад). Клапаном в выхлопное или импульсное сопла поочередно направлялся поток воды, при этом создавались гидравлические удары в разгонном трубопроводе. Это обеспечивало повышение давления в струеформирующем устройстве в несколько раз по сравнению с подводимым. Недостатком гидроударно-импульсных насадок было наличие пружины возврата, которая рассчитана на определенное усилие сжатия. Изменение подводимого давления в сторону повышения или уменьшения приводило к выходу насадка из режима автоколебания и нахождению клапана в одном из крайних положений.

В конце 70-х годов в Донецком политехническом институте под руководством проф. Г.М. Тимошенко начались работы по созданию и внедрению гидроимпульсаторов, создающих пульсирующие струи повышенного, по сравнению с подводимым, давления. Величина этого давления лежала в пределах от 1,5 до 6 раз от подводимого. Сама конструкция гидроимпульсатора включала генератор колебаний со сбросной насадкой, рабочую насадку, систему управления (полость со сжатым воздухом, переводная трубка, вентиль управления), ударный трубопровод и гидропневмоаккумулятор. Согласно исследованиям, гидроимпульсатор с насадком диаметром 6-8 мм при подводимом давлении 4-6 МПа обеспечивал получение высокого давления в импульсе порядка 16-18,5 МПа.

На рисунке 1 схематично показано перемещение элементарного объема жидкости по гидроимпульсатору.

Рисунок 1 - Схема гидроимпульсатора

Экономический эффект от применения гидроимпульсаторов непосредственно в забое получается за счет существенной разницы в стоимости 1м³ используемой средненапорной воды и 1м³ полученной высоконапорной и повышении производительности гидроотбойки, т.е. роста добычи угля. Объем добычи угля определяется не только разрушающей способностью струи, но и условиями транспорта отбитой горной массы. Несвоевременный смыв ее приводит к забучиванию забоя. Это влечет за собой увеличение непроизводительных затрат высоконапорной воды на разлив, увеличивающий выход мелких классов угля. На пластах с углом падения до 10-13° гидромониторная струя не может обеспечить смыв отбитой горной массы при отношении фаз Т:Ж=1:2. Однако производительность гидроотбойки достаточно велика, а расход высоконапорной воды через рабочую насадку мал. Поэтому отбитая горная масса остается в забое. Для ее смыва целесообразно использовать расходный низконапорный поток гидроимпульсатора, истекающий через сбросную насадку в атмосферу.

Испытания двухствольного импульсного гидромонитора, показали, что эффективность разрушения забоя пульсирующими струями жидкости без повышения давления в импульсе может быть в 2-2,5 раза выше по сравнению с разрушением стационарными струями. Для более эффективной отбойки требуется существенное повышение давления. Эту проблему можно решить путем применения ступенчатых гидроимпульсаторов, обеспечивающих получение пульсирующих струй жидкости высокого давления, превышающего подводимое в 6-10 раз. Следовательно, на основании вышеизложенного можно сделать вывод, что создание подобных устройств с повышением их надежности и долговечности является задаче актуальной и перспективной.

Рисунок 2 - Ступенчатый гидроимпульсатор

Гидроимпульсатор ступенчатый (рис. 2) включает гидропневмоаккумулятор 1, установленный на магистральном трубопроводе 2, ударный трубопровод, выполненный в виде двух отрезков, один из которых большего 3, а другой меньшего 4 диаметра, основной генератор колебаний 5, установленный в месте соединения ударных трубопроводов большего 3 и меньшего 4 диаметров и дополнительный генератор колебаний 6, установленный на ударном трубопроводе меньшего диаметра 4 перед рабочей насадкой 7, а также гидропневмоаккумулятор 8, установленный на ударном трубопроводе меньшего диаметра 4 около основного генератора колебаний 5. Сами генераторы колебаний 5 и 6 состоят из поршень-клапанов 9 и 10, ход которых ограничен седлами низкой 11 и 12 и высокой 13 и 14 стороны, сбросных насадок 15 и 16, соединенных с полостями 17 и 18, которые через щели между поршень-клапанами 9 и 10 и седлами низкой стороны 11 и 12 связаны с ударными трубопроводами большего 3 и меньшего 4 диаметра, воздушных полостей 19 и 20, выполненных в виде разделительных диафрагм 21 и 22, и ограничительных решеток 23 и 24. Поддиафрагменные пространства 25 и 26 воздушных полостей 19 и 20 сообщены как с поршневыми полостями 27 и 28 поршень-клапанов 9 и 10 генераторов колебаний 5 и 6 со стороны седел низкой 11 и 12 сторон, так и с магистральным трубопроводом 2 при помощи переводных трубок 29 и 30, а с атмосферой – при помощи вентилей управления 31 и 34 поршень-клапанов 9 и 10 генераторов колебаний 5 и 6 непосредственно, сообщены с ударными трубопроводами большего 3 и меньшего 4 диаметра через отверстия 35 и 36 в поршень-клапанах 9 и 10, а полости 37 и 38 сообщены как с ударным трубопроводом меньшего 4 диаметра и рабочей насадкой 7, так и с ударными трубопроводами большего 3 и меньшего 4 диаметра через щель между поршень-клапанами 9 и 10 и седлами высокой 13 и 14 стороны. Между основным генератором колебаний 5 и гидропневмоаккумулятором 8 имеется участок трубопровода 39, диаметр которого равен диаметру ударного трубопровода большего диаметра 3, а длина 6-10 таких диаметров. Гидропневмоаккумуляторы 1 и 8 выполнены в виде разделительных диафрагм 40 и 41, расположенных между полостями 42 и 43, заполненных сжатым воздухом, и ограничительными решетками 44 и 45, через которые гидропневмоаккумуляторы 1 и 8 связаны с внутренними полостями ударных трубопроводов большего 3 и меньшего 4 диаметров.

К важным и перспективным для исследования вопросам следует отнести разработку оптимальной схемы исполнения ударных трубопроводов первой и второй ступеней гидроимпульсатора для размещения его на комбайне, а также изучение возможности изменения направления действия импульсной струи независимо от поворота телескопа комбайна в пространстве с целью осуществления более полной отработки забоя.

В настоящее время в Донецком национальном техническом университете на кафедре «Энергомеханические системы» ведутся исследования по созданию оптимальной конструкции гидроимпульсного устройства, которое также находит применение, как в горной, так и в других отраслях промышленности – генератора импульсных струй. Это устройство обладает гораздо более низкой энергоемкостью по сравнению с гидроимпульсатором, однако отличается сложностью взаимосвязи протекающих в нем процессов.

По существующим данным в России в настоящее время также ведутся разработки гидромеханических исполнительных органов со встроенным в режущую коронку преобразователем давления мультипликаторного типа и автономным источником воды высокого давления (преобразователем давления с приводным насосным блоком или насосом высокого давления), размещенным на раме комбайна или в выработке.

При очевидной эффективности гидромеханической добычи полезных ископаемых наилучшие результаты достигаются при использовании для данного способа устройств гидроимпульсной техники. В работе приведено обоснование целесообразности применения ступенчатого гидроимпульсатора для комбайна КСП-22МГ и разработан метод установления оптимальных параметров данного гидроимпульсного устройства с целью обеспечения эффективной выемки угля заданной крепости.

Список источников:

1. Отчет о научно-исследовательской работе "Провести научно-исследовательские работы по созданию гидроимпульсных устройств для агрегатов безлюдной выемки угля" (промежуточный отчет), том 1. Тема № 81-67.063-2.2. - Донецк: ДПИ, 1982 - 220с.
2. Решение о выдаче авторского свидетельства по заявке № 2932193/29-03 от 16.05.80. Ступенчатый гидроимпульсатор. ДПИ. Авторы изобретения: Тимошенко Г.М., Малеев Г.В., Зборщик М.П., Кравец В.Г., Зима П.Ф., Лененко С.А., Овсянников В.П., Алексеев М.И.
3. Библиотека строителя на STROIT.RU