Основным направлением развития угольной отрасли является создание угледобывающих предприятий типа «лава-шахта», обеспечивающих доведение добычи угля из лавы до 20000 т/сут. Интенсификация добычи позволит снизить себестоимость добываемого угля путем повышения производительности труда, сократить общее количество шахт (а следовательно, капитальные и транспортные расходы и затраты на поддержание их структуры) и повысить безопасность ведения горных работ. Пример отработки шахтного пласта приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема отработки шахтного пласта (количество кадров - 20; количество циклов повторения - 50; размер - 17,9 КВ)
Актуальность темы заключается в том, что развитие угледобычи характеризуется все возрастающей интенсификацией нагрузки на очистной забой. Для реализации такой добычи важным является обеспечение необходимого фронта работ, то есть своевременная подготовка очистных забоев при их отработке обратным ходом.
Научная значимость работы состоит в том, что способность комбайна обеспечить совмещение таких операций во времени, как:
позволяет значительно сократить длительность рабочего цикла прохождения выработки, а возможность прохождения выработок с высоким качеством боковых поверхностей и почвы – значительно повысить эффективность его работы за счет снижения объема разрушаемой массы и значительного сокращения объема забутовки.
Практическая ценность результатов работы. При проведении подготовительных выработок в породном массиве могут встречаться включения повышенной крепости, выемку которых современные машины обеспечить не могут. Использовать в качестве альтернативной буровзрывную выемку нецелесообразно вследствие низкой производительности и высокой опасности работ. Поэтому дальнейшее повышение технического уровня проходческих комбайнов на сегодня является актуальной проблемой развития горного машиностроения. В литературе нередко подчеркивается необходимость расширения области применения проходческих комбайнов на породы повышенной крепости. Однако однозначного и целесообразного варианта ее решения до сих пор нет. На основе анализа теоретических исследований и экспериментальных данных, намечены следующие направления решения этой задачи:
С другой стороны, интенсификация добычи может быть достигнута:
Именно обоснованию структуры исполнительного органа проходческого комбайна и посвящена моя магистерская работа.
Для оценки требуемых темпов проходки были рассчитаны их значения в зависимости от суточной добычи лавы (рис. 1) при выемке пластов различной мощности (m1=2 м, m2=1,5 м) для различных значений Lл (250 и 200 м), Lс (1000 и 2000 м) и Tм (20 и 40 дней).
Рисунок 2 - Зависимость требуемых темпов проходки от суточной добычи при длине лавы и мощности пласта соответственно 250 м и 2 м (а) и 200 м и 1,5 м (б)
Анализ зависимостей показал, что снижение мощности пласта приводит к увеличению темпов проходки при одной и той же суточной производительности и прочих равных условиях, увеличение длины столба и снижение времени монтажа лавы обеспечивает снижение требуемых темпов проходки. Для длины столба 2000 м и длительности монтажных работ 20 дней темпы проходки при суточной добыче из лавы около 12 тыс. т составляют соответственно 20 м/сут при m=2 м и Lл=250 м и 40 м/сут при m=1,5 м и Lл=200 м, что при 25 рабочих днях обеспечивает прохождение 500 и 1000 м/мес. Эти значения существенно больше фактических показателей комбайновой проходки на многих шахтах Украины и стран СНГ. Таким образом, для дальнейшей интенсификации очистных работ темпы проходки должны быть увеличены.
Рисунок 3 - Проходческий комбайн с продольно осевой коронкой
Рисунок 4 - Проходческий комбайн с поперечно осевой коронкой
Проходческие комбайны со стреловидным ИО осуществляют последовательную обработку забоя режущей коронкой. В зависимости от типа коронки различают ИО: с продольно-осевой (радиальной) коронкой (рисунок 1), с поперечно-осевой (аксиальной) коронкой (рисунок 2).
Очевидно, что ввиду конструктивных особенностей стреловидного ИО с поперечно-осевой коронкой качество обработки забоя хуже, чем при работе ИО с продольно-осевой коронкой, наблюдается характерная волнистость профиля продольного сечения выработки. Несмотря на предлагаемые решения, в процессе эксплуатации проходческих комбайнов рассматриваемого класса имеют место значительные по амплитуде колебания исполнительного органа, приводящие к нарушению целостности массива оконтуривающего выработку пород, переборам породы и другим негативным явлениям.
Следует отметить, что ИО с поперечно-осевой коронкой предпочтительнее с точки зрения обеспечения устойчивости проходческого комбайна, чем ИО с продольно-осевой коронкой, так как усилие поворота, которое необходимо приложить к стреле для ее перемещения в первом случае значительно меньше, чем во втором. Это вызвано тем, что при горизонтальной подаче поперечно-осевой коронки на усилие поворота оказывают влияние только силы подачи на резцах, но не силы резания, которые расположены в плоскостях, перпендикулярных направлению подачи. Вместе с тем, следует отметить и недостатки ИО этого типа:
Одним из условий эффективной и безопасной работы при проведении подготовительных выработок на шахтах Украины является обеспечение их устойчивости при минимальном расходе крепящих материалов. Крепи, выполненные из тяжелых профилей специального проката (арочная крепь), в условиях значительного напряженного состояния горного массива не обеспечивают необходимой устойчивости и безремонтного поддержания выработок. Их возведение является плохо поддающимся механизации трудоемким процессом. Материалоемкость крепей снижает технико-экономические показатели проходки и, в значительной степени, сдерживает темпы проведения выработок. За последние годы все большее распространение в угольной и горно-рудной промышленности получает анкерная крепь, повышающая устойчивость горных выработок и позволяющая увеличить темпы ведения подготовительных работ при экономии средств на их поддержание.
Применение анкерной крепи на шахтах стран с развитой угледобывающей промышленностью позволило в 5–10 раз уменьшить расход металлопроката, бетона, леса; в 3–5 раз повысить производительность работ при креплении выработок; в 2–3 раза повысить темпы проходки; вдвое сократить затраты на крепление и поддержание крепи в рабочем состоянии во время эксплуатации.
Важным достоинством анкерной крепи является прямоугольная форма сечения выработки, что существенно облегчает подготовительные работы проходческим бригадам, а главное увеличивает их темп, дает возможность использования режущих дисков с применением шарошек, а значит позволяет работать в условиях с высокой крепостью пород.
Согласно данным [8] перебор по контуру выработки составляет даже при автоматизированном управлении до 20% от сечения выработки вчерне (kS=1,2). Определяющее влияние на величину перебора наряду с кинематикой исполнительного органа и формой коронки оказывает точность обработки забоя, обеспечиваемая системой управления комбайна. Снижение величины kS может быть реализовано на основе повышения качества реализации сложных и точных движений исполнительного органа, что обуславливает применение систем интеллектуального управления.
Структурная схема проходческого комплекса для проведения подготовительных выработок в проходке по породам крепостью до 120 МПа с темпом 800-1000 м/мес должна обеспечивать:
В заключениие хотелось бы отметить, что работы по совершенствованию угольной техники необходимо вести и далее, концентрируя внимание конструкторов на таких вопросах как селективная выемка угля, коэффициент готовности комбайна и др. Для обеспечения высоких темпов проходки комбайн должен проектироваться как мехатронная система с интеллектуальной системой управления, обеспечивающей наряду с прочими функциями: