Автореферат Терещенко А.С. Электронная система определения коэффициента сопротивляемости угля резанию и оптимального управления угольным комбайном

Угольная промышленность Украины является основой топливно-энергетического комплекса страны, а основным угледобывающим регионом страны является Донбасс. Уголь используется в теплоэнергетике, металлургической и химической промышленностях и для коммунальных нужд.

В условиях перехода страны к рыночной экономике требуется стабильность работы угольной промышленности и наращивания угледобычи. Этому будет способствовать улучшение условий труда шахтеров, повышения производительности и машинного времени угледобывающего комплекса, снижение себестоимости готовой продукции, а также улучшение качества угля и увеличение объема его обогащения.

Важнейшей задачей угольной промышленности является дальнейшее техническое перевооружение и реконструкция шахт Донбасса на базе передовой техники и технологии добычи угля. Для этих целей необходимо перевооружение угольных шахт; разработка и освоение производства машин для комплексной механизации очистных работ и проведения горных выработок; обеспечение прироста объема добычи в основном за счет повышения производительности труда.

Создание электронной системы определения коэффициента сопротивляемости угля резанию для контроля скорости подачи угольного комбайна.

Разработать электронную систему определения коэффициента сопротивляемости угля резанию и в зависимости от численного значения данного коэффициента регулировать скорость подачи угольного комбайна.

В настоящее время скорость подачи угольного комбайна, почти во всех случаях, контролируется вручную. Для повышения производительности и машинного времени угледобывающего комплекса необходимо в процессе его работы учитывать изменчивость коэффициента сопротивляемости угольного пласта резанию. С этой целью в настоящее время маркшейдерские службы шахт согласно плана ведения горных работ выполняют замеры участков неоднородности угольного пласта с последующим вычислением коэффициента сопротивляемости. На основании этих сведений устанавливается диапазон изменения скорости подачи угледобывающего комбайна. В случае если режущий инструмент наткнётся на твёрдую породу и его скорость подачи не будит изменена, он будет быстро изнашиваться, также это приводит к потерям добычи и к уменьшению скорости продвигания линии забоя. Последнее обстоятельство особенно нежелательно в связи с конвергенцией горных пород. Поэтому задача определения неоднородности угольного пласта в реальном времени является весьма актуальной, так как позволит снижать скорость подачи угольного комбайна только при необходимости, а пределы изменения скоростей устанавливать в соответствии с текущими расчётами.

Рисунок 1 – Комбайн очистной узкозахватный Кузбасс 500Ю

Определение коэффициента крепости (сопротивляемости) горной породы:

Шкала Протодьяконова – шкала коэффициента крепости горной породы. Разработана в начале XX века Протодьяконовым М.М. Является одной из первых классификаций пород, основывается на измерении трудоемкости их разрушения при добывании.

Таблица 1 – Коэффициент крепости f по шкале проф. М.М. Протодьяконова

Категория	Степень крепости	Порода	f
I	В высшей степени крепкие породы	Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты. Исключительные по крепости другие породы.	20
II	Очень крепкие породы	Очень крепкие гранитовые породы: кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец, менее крепкие, нежели указанные выше кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки.	15
III	Крепкие породы	Гранит (плотный) и гранитовые породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие железные руды.	10
IIІ (а)	То же	Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор, доломит. Колчеданы. Обыкновенный песчаник.	8
IV	Довольно крепкие породы	Железные руды. Песчанистые сланцы.	6
IV (a)	То же	Сланцевые песчаники.	5
V	Средние породы	Крепкий глинистый сланец. Некрепкий глинистый сланец и известняк, мягкий конгломерат.	4
V (a)	То же	Разнообразные сланцы (некрепкие). Плотный мергель.	3
VI	Довольно мягкие породы	Мягкий сланец, очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Мерзлый грунт: антрацит. Обыкновенный мергель. Разрушенный песчаник, сцементированная галька и хрящ, каменистый грунт.	2
VI (a)	То же	Крепкий каменный уголь.	1,5

Протодьяконов предполагал положить подобную классификацию в основу оценки труда рабочего при добыче угля и руд, нормирования труда. Он полагал, что при любом методе разрушения породы и способе её добычи, возможно оценить породу по усредненному коэффициенту добываемости. Если один из двух типов пород более трудоемок при разрушении, например, энергией взрыва, то порода будет более крепкой при любом процессе её разрушения, например, зубком комбайна, кайлом, лезвием головки бура при бурении и т.д.

При разработке подобной шкалы М.М. Протодьяконов ввел понятие крепость горной породы. В отличие от принятого понятия прочность материала, оцениваемой по одному из видов напряженного её состояния, например, временном сопротивлении на сжатие, на растяжение, на кручение и т.д., параметр «крепость» позволяет сравнивать горные породы по трудоемкости разрушения, по добываемости. Он полагал, что с помощью этого параметра возможно оценить совокупность действующих при разрушении породы различных по характеру напряжений, как это имеет место, например, при разрушении взрывом.

М.М. Протодьяконов разработал шкалу коэффициента крепости породы. Одним из методов определения этого коэффициента было предложено испытание образца породы на его прочность на сжатие в кг/см2, а значение коэффициента определялось как одна сотая временного сопротивления на сжатие. Этот метод достаточно хорошо коррелирует со шкалой крепости, предложенной М.М. Протодьяконовым для пород различной крепости угольной формации, пород средней крепости, но мало пригоден при определении этим методом коэффициента крепости очень крепких пород. Шкала крепости ограничивается коэффициентом 20, т.е. породами с временным сопротивлением на сжатие 2000 кг/см2, а у сливного базальта, например, этот параметр равен 3000 кг/см2. Тем не менее, в Советском Союзе шкала крепости М.М. Протодьконова имела широкое применение при оценке трудоемкости разрушения горной породы и используется до настоящего времени. Она удобна для относительной оценки крепости горной породы при ее разрушении при помощи буровзрывных работ.

Коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову рассчитывается по формуле:

где σсж - предел прочности на одноосное сжатие (МПа).

Сопротивляемость резанию угольных пластов в условиях Донбасса распределена по усеченному нормальному закону [2] (математическое ожидание 173 Н/мм; среднеквадратическое отклонение 70,5 Н/мм). Уголь более 50% пластов вязкий, поэтому в дальнейшем анализе показатель степени хрупкости угля Е был принят равным 1,65. Распределение вероятности временных сопротивлений одноосному сжатию вмещающих пород угольных пластов Донбасса приведено в табл. 2 [3].

σсж, МПа	Доля, %	Принятая доля, %
10–40	26–40	26
40–70	45–50	49
70–100	15–21	21
100–120	1–4	4

Рисунок 2 – Принцип определения коэффициента сопротивляемости угля резанию

(анимация: 100Кбайт, 18 кадров, 7 циклов; для запуска обновите страницу)

Там же приведены средние значения вероятностей для интервалов, принятые с учетом того, что с увеличением глубины залегания пластов имеется тенденция к увеличению доли прочных вмещающих пород [3]. Анализ вида распределения вероятности временных сопротивлений одноосному сжатию вмещающих пород позволил предположить усеченный (при σсж=10 МПа) нормальный закон распределения с математическим ожиданием 55,7 МПа и среднеквадратическим отклонением 23,3 МПа (см. рис. 3).

Рисунок 3 – Плотность распределения временных сопротивлений одноосному сжатию вмещающих пород угольных пластов Донбасса (Украина)

Для совместного анализа распределения показателей прочности угля и вмещающих пород необходимо их приведение к единому показателю (таким показателем принята контактная прочность) и знание соотношения по объему между углем и породой в проходческом забое. Средняя доля угля в проходческом забое определялась с учетом предложенной в работе [4] вероятностной оценки условий эксплуатации проходческого комбайна. При характерных для поворотных резцов, которыми оснащаются исполнительные органы современных проходческих комбайнов, параметрах среза из условия равенства удельных энергозатрат с использованием [5, 6] была получена зависимость сопротивляемости резанию угля Ap от контактной прочности породы pк: Ap = 1,79pк. Также использовалась приведенная в [7] корреляционная зависимость временного сопротивления одноосному сжатию от контактной прочности:

С помощью этих зависимостей был получен закон распределения вероятности контактной прочности разрушаемой породы:

где f1, f2 – функции распределения вероятности сопротивляемости резанию и временного сопротивления одноосному сжатию соответственно.

На рисунке 4 проиллюстрировано приведение сопротивляемости резанию к контактной прочности по удельным энергозатратам (линия 1) и приведение частных функций распределения вероятности (линия 2) к единой функции (3).

Рисунок 4 – Приведение частных функций распределения вероятности показателей прочности угля и породы к единой функции

Анализ приведенной функции распределения вероятности позволяет сделать вывод, что в условиях Донбасса (Украина) минимальная контактная прочность порядка 20–50 МПа, максимальная – до 1300–1400 МПа, весьма велика доля слабых пород: около 50% пород имеет контактную прочность до 300 МПа.

Акустические параметры горных пород зависят от физико-механических свойств, слагающих минералов, пористости, а также структуры, состояния, температуры и других внутренних и внешних факторов. Коэффициент затухания акустической волны увеличивается с ростом частоты из-за рассеивания на кристаллах, однако четкой функциональной зависимости не установлено. В основном зависимость линейная, для гранитов в интервале частот 10-1000 Кгц - квадратичная. В осадочных породах коэффициент затухания равен 1,3-2 м⁻¹ для поперечных волн, он в 1,1-2 раза больше коэффициента затухания продольных волн, но у высокопластичных влажных глин и водонасыщенных песков это различие может достигать 5 и более раз, поскольку в жидкости сдвиговые волны не распространяются. Затухание упругих волн ограничивает базу контроля, однако способствует выделению в акустическом сигнале в совокупности различных типов волн только тех из них, которые резонируют с блоковыми и плоскопараллельными структурами массива или крепи. В акустическом волноводе можно возбудить множество резонирующих мод, с длинами волн отличающихся номером n.

С увеличением n амплитуда моды, как правило, уменьшается, поэтому существенное влияние на волновую картину в слое оказывают в основном первая и вторая моды. Это подтверждается и экспериментальными данными. В случае сопоставимости амплитуд первой и второй моды нормальных поперечных волн возможна ошибочная интерпретация анализа спектрограмм акустических импульсов, так как по спектрограмме невозможно определить, каким модам соответствуют пики спектральной плотности.

Для исключения неоднозначности следует учитывать, что:

Например, при прозвучивании бетонных конструкций с применением пропускающего фильтра низких частот с частотой среза 4 кГц первая мода нормальных резонансных колебаний регистрируется для плит толщиной не менее 0,5 м, вторая мода – для плит толщиной не менее 1 м (рис. 5, цифрами обозначены номера мод). Таким образом, пик спектральной плотности нормальных волн на частоте до 4 кГц при базе прозвучивания до 1 м однозначно соответствует первой моде.

По взаимному расположению излучателя и приемника акустических колебаний схемы глубинного контроля аналогично электрометрии [1] подразделяются на: векторные, квадрупольные, кругового профилирования, линейного и кругового зондирования, смешанные или их частные случаи и модификации. По аналогии с методами электрометрического контроля предложены и апробированы следующие методы виброакустического контроля: продольного и взаимноперпендикулярного профилирования на одной или различных равновеликих базах; вертикального акустического зондирования с тремя возможными вариантами (смещение ударника, смещение приемника, смещение ударника и приемника одновременно и симметрично); кругового зондирования. Продольное акустическое профилирование также выполняется в трех вариантах, а именно: направления базы и профилирования совпадают; направления базы и профилирования взаимоперпендикулярны; направления базы и профилирования расположены под произвольным углом, например, профиль направлен вдоль выработки, а прозвучивание производится вдоль или перпендикулярно слоистости пород, не совпадающей с направлением выработки. Продольное акустическое профилирование может выполняться вдоль криволинейного профиля, например, вдоль арочной крепи, вдоль растрела или армировки в шахтном стволе. Детальность контроля (шаг, база) определяются горной задачей и конкретными горно-геологическими условиями, их изменчивостью. Вертикальное акустическое зондирование по своей задаче совпадает с вертикальным электрическим зондированием, однако существенно отличается не только по физической сущности происходящих процессов, но и по методике его проведения и интерпретации результатов измерений.

Рисунок 5 – Зоны акустической слышимости нормальных резонансных мод с использованием октавных пропускающих фильтров низких частот для плоскопараллельных структур различных материалов (частоты среза фильтров обозначены горизонтальными сплошными линиями): а) бетон; б) аргиллит; в) гипс; г) железо

Определение коэффициента сопротивляемости угля резанию, следовательно, и оптимальной скорости подачи угольного комбайна позволит повысить производительность угледобывающего комплекса, безопасность работы, увеличить срок эксплуатации режущих органов. Также это сделает весомый вклад в развитие автоматизированных систем добычи угля.

На данном этапе работа находится в разработке. Окончание работы планируется в декабре 2009 г.