Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния и основные направления развития стволопроходческой техники 10
1.1 Способы строительства вертикальных стволов 10
1.2 Стволопроходческая техника и опыт ее практического применения 21
1.3 Анализ конструкций механизированной стволопроходческой техни-ки 30
1.4 Анализ методов расчета и проектирования исполнительных органов стволопроходческих комплексов 41
1.5 Цель и задачи исследований 47
2. Разаработка стволопроходческого агрегата 49
2.1 Назначение и область применения агрегата 49
2.2. Разработка конструкции стволопроходческого агрегата и принцип его
работы. Техническая характеристика агрегата 50
2.3 Разработка шнеково-фрезерного исполнительного органа стволопро-ходческого агрегата 57
2.4 Обоснование схемы разрушения забоя исполнительным органом 62
Выводы 67
3. Методика и техника экспериментальных исследований 68
3.1. Особенности работы исполнительного органа при разрушении забоя 68
3.2. Основные факторы и показатели, определяющие и характеризующие процесс разрушения калийных руд при проходке ствола 69
3.3. Основные положения методики проведения экспериментальных исследований 71 Выводы 81
4. Результаты экспериментальных исследований разрушения забоя калийной руды при эксплуатации стволо-прохордческого агрегата 88
4.1. Определение производительности исполнительного органа по отбойке калийной руды 88
4.2. Определение энергоемкости процесса разрушения забоя и нагружен-ности исполнительного органа 101
4.3. Расчет технической и эксплуатационной производительности стволо-проходческого агрегата 120
Выводы 122
5. Методика расчета параметров и показателей работы стволопроходческого механизированного комплекса на базе стволопроходческого агрегата семейства асп со шнеко-фрезерным рабочим органом 125
5.1. Определение мощности, затрачиваемой на разрушение горных пород, и усилия подачи для шнеко-фрезерного исполнительного органа 125
5.2. Определение технической и эксплуатационной производительности стволопроходческих агрегатов семейства АСП , 131
5.3. Пример расчета мощности, затрачиваемой на разрушение, и усилия подачи для шнео-фрезерного исполнительного органа стволопроходческо-го агрегата АСП-7,0 133
5.4. Пример расчета технической и эксплуатационной производительности стволопроходческого агрегата АСП-7,0 139
Выводы 142
Заключение 143
Список литературы
- Стволопроходческая техника и опыт ее практического применения
- Разработка шнеково-фрезерного исполнительного органа стволопро-ходческого агрегата
- Основные положения методики проведения экспериментальных исследований
- Определение технической и эксплуатационной производительности стволопроходческих агрегатов семейства АСП
Стволопроходческая техника и опыт ее практического применения
В зависимости от основного назначения шахтные стволы разделяют на главные и вспомогательные. Главный ствол служит для подъёма на поверхность полезных ископаемых. Вспомогательные стволы в соответствии с их функциями подразделяются на грузо-людские, предназначенные для спуска и подъёма людей (клетевые стволы), материалов, оборудования, и вентиляционные, служащие для проветривания. Вентиляционным называют ствол, через который выдается исходящая струя воздуха. Ствол для подачи свежей струи называют воздухоподаю-щим. Часто клетевой ствол одновременно является воздухоподающим [2]. Верхняя часть ствола, выходящая на земную поверхность, называется устьем, а нижняя (ниже горизонта околоствольного двора) — зумпфом. Поперечное сечение шахтных стволов (рисунок 1.2) бывает круглым, прямоугольным, криво-ликим, эллиптическим и прямоугольным с выпуклыми короткими сторонами. Диаметр вертикальных стволов достигает 9 м, а глубина 3-3,5 км. Стенки стволов закрепляют бетоном, железобетоном и металлическими или железобетонными тюбингами, а в крепких устойчивых породах — набрызг-бетоном. Армировка ствола включает обычно металлические горизонтальные элементы (расстрелы) и вертикальные элементы (проводники) в виде деревянных балок или натянутых стальных канатов, обеспечивающих плавное движение скипов и клетей [2].
Значительный вклад в разработку и совершенствование техники и технологии проходки и строительства стволов внесли В.В. Антипов, Ю.В. Антипов, И.В. Барановский В.Н. Жадаев, Б.А. Картозия, И.Г. Косков, А.Н. Кузичкин, В.В. Левит, Д.И. Малиованов, Н.А. Малевич, И.А. Мартыненко, Ю.Н. Малышев Ю.Н. Наумов, Н.М. Покровский, A.A. Пшеничный, В.В. Смирнов И.С. Стоев, П.С. Сыркин, P.A. Тюркян, Б.И. Федунец, М.Н. Шуплик, Ф.И. Ягодкин и др.
Комплекс размещенного в стволе оборудования, необходимого для обслуживания подземных работ в продолжение всего периода строительства, и поддерживающих его устройств называют постоянным армированием ствола [2-5].
В состав постоянного армирования ствола входят расстрелы — основные поддерживающие устройства клетьевого подъема и обшивки отделений ствола, проводники — направляющие для клетьевого подъема, оборудование лестничного и лесоспускного отделений, одна или две вентиляционные трубы, трубопроводы для водоотлива, сжатого воздуха и воды, а также постоянные силовые, сигнальные и осветительные электрические кабели [2-5].
Расстрелы устанавливают по высоте ствола через каждые 3 м и крепят непосредственно к обделке. Деревянные проводники прикрепляют к расстрелам болтами. Трубопроводы крепят к обделке ствола при помощи хомутов, а электрические кабели — посредством специальных кронштейнов и скоб. Ускорить подготовку ствола для ведения дальнейших подземных работ позволяет выполнение возможно большей части работ по его армированию в процессе проходки [2-5].
Шахтные стволы пересекают обычно разнородные грунтовые напластования, в том числе слабые неустойчивые и обводненные грунты. Поэтому при проходке стволов часто применяют специальные способы работ, такие как: замораживание грунтов, цементацию, искусственное водопонижение и другие виды закрепления грунтов [2, 3].
Из специальных способов по предварительному закреплению грунтов наибольшее распространение при сооружении стволов получило искусственное замораживание грунтов. Оно эффективно при проходке стволов в водонасыщен-ных песках, слабых глинистых грунтах и плывунах. Этот способ успешно применяют при ведении проходческих работ вблизи от зданий и сооружений, позволяя обеспечить их сохранность и безопасность работ [2, 3]. В практике строительства стволов применяют различные технологические схемы проходки, представляющие собой совокупность производственных процессов по выемке породы, возведению постоянной крепи и армированию ствола, выполняемых в определенной последовательности во времени и пространстве. В настоящее время технологические схемы делятся по способу возведения крепи – сверху вниз и снизу вверх, а также по выполнению производственных процессов -последовательная, параллельная и частично совмещенная схемы [1, 2].
Для проходки не глубоких стволов в слабых неустойчивых грунтах используется способ опускной крепи, при котором наращивание колец осуществляется сверху, в этом случае обделку устья ствола, имеющую несколько больший диаметр, используют в качестве неподвижной опорной части, а опускную крепь собирают в пределах нижнего ее участка. Чтобы не допустить обнажений вертикальных стенок выработки и выпуска грунта в забое, в нижней части опускной крепи делают ножевое кольцо из листовой стали. Крепь погружают, вдавливая гидравлическими домкратами, которые устанавливают на верхние фланцы тюбингов очередного собранного кольца обделки с упором в пакеты из двутавровых балок, раскрепленных в обделку устья ствола [5].
Способ опускной крепи получил дальнейшее развитие в виде способа погружения крепи в тиксотропной оболочке (рисунок 1.3.). Сущность его состоит в том, что в процессе погружения зазор между крепью и грунтом заполняют тиксо-тропным раствором, резко снижающим сопротивление трения. Тиксотропный раствор готовят из специальных видов глин. Он обладает способностью сохранять длительное время свои свойства, т. е. не расслаивается и в нем не выделяется осадок и не отделяется вода. Оказывая давление на стенки выработки, он предотвращает их обрушение или оползание.
Разработка шнеково-фрезерного исполнительного органа стволопро-ходческого агрегата
Практический интерес представляет количественный и качественный характер изменения средних значений сил резания и подачи, которые в значительной мере определяют выбор мощности привода и усилий подачи выемочных и проходческих горных машин [26]. Исследования, направленные на определение этих сил, проводились в ИГД им. А.А.Скочинского, ЦНИИПодземмаше, Новочеркасском и Тульском политехнических институтах и решали следующие задачи: - определение рациональных углов атаки и разворота резца относительно вектора скорости; - определение влияния параметров режима резания (толщины стружки и шага резания) на силовые характеристики процесса; - установление влияния геометрии твердосплавной вставки и головки державки резца на усилия резания и подачи; - разработка метода расчета усилий, действующих на поворотные резцы; - установление форм износа и метода расчета износостойкости [32].
Значительный вклад в горную науку в части исследования процессов механического разрушения угля и горных пород режущими инструментами внесли Барон Л.И., Берон А.И., Бреннер В.А., Глатман Л.Б., Загорский С.Л., Кантович Л.И., Картавый Н.Г., Козлов Ю.Н., Коршунов А.Н., Крапивин М.Г., Крутилин В.И., Лаптев А.Г., Линник Ю.Н., Мультанов С.И., Нестеров В.И, Позин Е.З., Протодьяконов М.М., Свешников И.А., Солод В.И., Сысоев Н.И., Цыпин Я.Л. и др.
На основании данных исследований были установлены закономерности изменения усилий резания и подачи от шага резания и толщины стружки, а также получены значения поправочных коэффициентов, учитывающих геометрические характеристики резца. Результаты исследований послужили основой для создания различных методов расчета, таких как, ОСТ 12.44.197-81 [34], ОСТ 12.44.258-84 [35].
Важно отметить, что в качестве основного критерия прочностных свойств пород влияющих на формирование усилий на режущем инструменте определяемых по методике [34], принят показатель контактной прочности разрушаемых пород Pk. Использование данного показателя для определения прочностных свойств калийной руды невозможно, так как она обладает повышенной вязкостью и пластичностью и не образует лунку выкола при ее испытаниях на контактную прочность индентором [36].
Вначале, исследователи и расчетчики при определении нагруженности инструмента использовали зависимости, полученные при резании углей [37-43] с учетом свойств калийных руд. Например, в работах [44, 45] приводятся такие зависимости для определения усилий резания и подачи, действующих на резец, учитывающие глубину резания, сопротивляемость руд резанию, ширину режущей кромки резца, угол резания и коэффициент обнажения забоя. Недостатком расчетных формул, приведенных в работах [44, 45], является то, что они применимы только для неповоротных резцов, что объяснялось отсутствием поворотных резцов, которых в то время еще не существовало. Если на первом этапе заимствование основных закономерностей резания угля применительно к резанию каменных и калийных солей было оправдано, то в дальнейшем по мере развития механизации добычи калийных руд в этой области стали появляться специальные исследования, направленные на установление закономерностей резания калийных руд и определение нагруженности инструмента.
Исследованию закономерностей резания калийных солей посвящены работы, которые выполнялись в ПермНИУИ, ИГД им. А. А. Скочинского, ВНИИГа-лургии и его филиалах, Московском горном институте, Новочеркасском политехническом институте, УкрНИИсоли, Гипроуглемаше, ВНИИПТУглемаше и других организациях [46-58].
Анализ расчетных зависимостей, представленных в работах [58-62,], показывает, что в качестве прочностного показателя, определяющего процесс резания калийных руд, авторами, также как и для углей был выбран показатель сопротивляемости резанию. Однако этот показатель ими определялся по-разному. Если в работах [59, 60, 62] Крутилин В. И. определял сопротивляемость солей резанию соответствующим резцом типа РКС, то, например, Савицкий В. В. [61] определял этот показатель при помощи установки ДКС, а также поворотными резцами РКС различных модификаций. А Шилов А. С. определял сопротивляемость при помощи неповоротных резцов [58]. Вместе с тем, известно, что сопротивляемость солей резанию определяется, помимо соответствующих резцов и прибора ДКС, также и прибором СДМ и с учетом пластических свойств соли [44, 63, 64-68]. Так, например, в работе [69] показана существенная разница между показателями сопротивляемости, полученными при помощи приборов СДМ и ДКС. Для солей Верхнекамского и Старобинского месторождений отношение этих показателей составляет от 0,48 до 0,64. Такое многообразие методов определения сопротивляемости резанию и такой огромный разброс ее значений «размазывает» само понятие о сопротивляемости, вносит неудобства в определении приоритетности того или иного метода и путаницу в расчетные формулы, точность которых будет зависеть от того, какой метод определения этого показателя выбран конструктором. Между тем, существует широко распространенный показатель прочностных свойств горных пород и других материалов, а именно: предел прочности материала на одноосное сжатие асж. Эта характеристика успешно применяется в качестве критерия оценки сопротивляемости материала разрушению различными способами (механический, гидравлический, гидромеханический и др.) как в России [32, 70-73], так и за рубежом [74, 75]. Одной из последних работ, подтверждающих данный факт, является докторская диссертация Леванковского И. А. [32], в которой рекомендуется в качестве показателя сопротивляемости горных пород разрушению резцами, наряду с контактной прочностью, принимать и предел прочности на одноосное сжатие. Это особенно важно для пород, в которых невозможно определить контактную прочность индентором. Кстати, еще одним подтверждением правомерности использования показателя асж при расчете нагруженности инструмента является государственный стандарт [76], где эта характеристика учитывается при испытаниях проходческих комбайнов. Определение в асж РФ производится в соответствии с ГОСТ 21153-84 [77], которые практически полностью соответствуют международному стандарту, принятому в странах с развитой горной и калийной промышленностью [78].
Основные положения методики проведения экспериментальных исследований
Как отмечалось ранее, разрушение забоя ведется шнековой фрезой, которая вначале зарубается в горный массив с помощью механизма подачи-поворота (см. рисунок 2.4), а затем при вращении внутреннего кольца относительно монтажного нарезает кольцевые сегменты в забое (см. рисунок 2.3). Количество и глубина сегментов зависит от схемы разрушения забоя и горно-геологических условий работы агрегата (см. рисунки 2.12-2.14).
Из рисунка 2.12-2.14 видно, что работа исполнительного органа на периферийных и внутренних кольцевых сегментах имеет различия (рисунок 3.1). Периферийные кольцевые сегменты (см. рисунок 3.1, б) разрабатываются с отставанием от внутренних сегментов для образования уступа, необходимого для опоры вертикальных гидродомкратов стволопроходческого агрегата. В результате на периферийных сегментах разрушенная горная порода беспрепятственно сваливается в образованный ниже уступ, тогда как на внутренних кольцевых сегментах продолжает находиться в непрерывном контакте с шнеково-фрезерным исполнительным органом (см. рисунок 3.1, а). Наличие неотгруженных объемов разрушенной горной массы во внутренних кольцевых сегментах, постоянно вовлекаемых в зону работы фрезы, формирует так называемый «погружной» режим ее работы и приводит к переизмельчению и перемешиванию породы, а также к дополнительному трению элементов шнековой фрезы о разрушенную породу. Другой особенностью рабочего органа является вертикальная ориентация шнековой фрезы, в результате которой разрушенная горная порода перемещается вертикально вверх по лопастям шнека, создавая дополнительное сопротивление при вращении исполнительного органа.
Все эти особенности исполнительного органа отражаются на показателях его работы в погружном режиме. Рисунок 3.1 - Режимы работы исполнительного органа: а – погружной режим (внутренние кольцевые сегменты); б – непогружной режим (периферийные кольцевые сегменты)
Основные факторы и показатели, определяющие и характеризующие процесс разрушения калийных руд при проходке ствола
Факторы, характеризующие параметры резания (толщина стружки и шаг резания), конструктивные параметры рабочего органа (число линий резания, количество резцов в линии резания и их тип), а также прочность горных пород были учтены нами при разработке шнековых фрез. Схемы набора инструмента на этих фрезах приведены нами во втором разделе (см. рисунки 2.6 и 2.7). Поэтому эти факторы не учитывались при исследованиях разрушения калийных руд фрезами при проходке ствола.
На основании анализа конструкции агрегата и условий его работы также были установлены дополнительные основные факторы, определяющие процесс разрушения калийных руд шнеко-фрезерным рабочим органом при проходке ствола. К этим факторам относятся:
В качестве основных критериев оценки эффективности разрушения калийных руд шнеко-фрезерным рабочим органом и проходки ствола были приняты: мощность, затрачиваемая на разрушение горного массива исполнительным органом Ывфр (кВт), усилие подачи исполнительного органа Ру (кН), производительность проходки ствола (м3/мин), включающая в себя производительность по отбойке руды Qom, техническую Qmex и эксплуатационную Q3KC производительность, а также удельная энергоемкость процесса разрушения Hw (МДж/м3). 3.3. Основные положения методики проведения экспериментальных исследований
При выполнении работы был принят экспериментально-статистический метод, предложенный проф. Л.И. Бароном и позволяющий получить достоверные данные, достаточные для инженерных расчетов [83]. Экспериментальные исследования проводились в натурных условиях при строительстве клетевого ствола глубиной 550 м и диаметром 8,0 м в свету на Палашерском участке Верхнекамского месторождения (рисунок 3.2) калийных руд прочностью асж = 28 МПа (рисунок 3.3) на отметке 398 м. Во время испытаний было пройдено 7 метров готового ствола. Анализ полученных результатов осуществлялся с помощью методов теории вероятности и математической статистики [84-89].
Схема расположения регистрирующей и измерительной аппаратуры, а также органов управления агрегатом, представлены на рисунке 3.4.
Регистрирующая и измерительная аппаратура включала в себя: амперметр электродвигателя вращения фрезы 1, с помощью которого определялась мощность, идущая на разрушение горных пород; датчик давления 2, для определения усилия подачи исполнительного органа; энкодеры поворотов исполнительного
Определение технической и эксплуатационной производительности стволопроходческих агрегатов семейства АСП
Коэффициент корреляции для этой зависимости равен 0,97 критерий Фишера F=3,79. Критическое значение критерия Фишера при 5% уровне значимости составило 1,02, что подтверждает адекватность полученной зависимости (4.6) [87]. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил 1,95%, что указывает на достаточную сходимость расчетных и экспериментальных данных. Данный вывод позволяет рекомендовать формулу (4.6) для расчета мощности, затрачиваемой на разрушение, а, следовательно, и энергоемкости процесса разрушении породного массива исполнительным органом, работающим в погружном режиме с вертикальной ориентацией шнековой фрезы.
Расчет усредненных для кольцевых сегментов значений усилия подачи Py.к производился по формуле (3.5). Результаты расчета значений усилия подачи были сопоставлены с результатами, полученными на основе известных методик, описанных в подразделе 1.4, при заданных производительности по отбойке Qот.к., схеме набора режущего инструмента и горно-геологических условий работы исполнительного органа. На графике (рисунок 4.29) представлены значения усилия подачи, полученные по результатам эксперимента и расчета на основе известных методик.
Результаты сравнения свидетельствуют о том, что на периферийных кольцевых сегментах (13 - 15) (см. рисунок 2.14) значения усилия подачи исполнительного органа совпадают с расчетными значениями со сходимостью 91-97 %. На внутренних кольцевых сегментах (5 - 12), где присутствует погружной режим (см. рисунок 3.1), результаты исследования совпадают со сходимостью 66-92 %.
Как видно из графика (см. рисунок 4.29), наиболее высокие расхождения значений усилия подачи между расчетными и экспериментальными данными, получены на 8 и 12 сегментах 66-85 %, где угол р, характеризующий дугу контакта исполнительного органа с горным массивом, имеет минимальное значение. Аналогичный характер расхождения между экспериментальными и расчетными данными наблюдался при сопоставлении значений энергоемкости процесса разрушения (см. рисунок 4.16). При этом на центральных кольцевых сегментах - пятом и девятом (см. рисунок 2.14) - наблюдаются минимальные расхождения между расчетными и экспериментальными значениями усилия подачи, равные 90-92 %.
Потребное значение усилия подачи (кН) характеризуется уточнением коэффициентов, входящих в зависимость (1.4). Имеющийся в данной зависимости коэффициент суммарного усилия подачи Ктп. зависит от углов, под которыми действуют силы подачи на отдельных резцах, контактирующих с породой, и от того, какая часть общего количества резцов на исполнительном органе находится в контакте с породой.
Погружной режим работы шнековой фрезы характеризуется дополнительным усилием на преодоление силы Fnd.p, которая учитывает сопротивление усилию подачи исполнительного органа со стороны неотгруженной разрушенной породы. Аналогично коэффициенту Ктр коэффициент Ктп [см. формулу (4.19)], входящий в выражение (1.4), не учитывает дополнительное сопротивление со стороны неотгруженной разрушенной горной породы на исполнительный орган (см. рисунок 4.17).
Поскольку коэффициент Kтп характеризует собой изменение усилия подачи от активной дуги контакта исполнительного органа с горным массивом, удобно исследовать его изменение от этого коэффициента Py.к = f(Kтп ). Аналогично, как и для энергоемкости, выполним сравнение характера изменения расчетных и экспериментальных зависимостей усилия подачи, выразив их значения в безразмерных величинах, где за единицу примем усилие подачи при коэффициенте Kтп.= 0,39, когда шнековая фреза работает полным диаметром и построим график изменения усилия подачи Py.к от коэффициента Kтп (таблица 4.16) и (рисунок 4.30).
Анализ графиков, представленных на рисунке 4.30, показывает, что изменение усилия подачи, полученного экспериментально, в меньшей степени зависит от активной дуги контакта, чем теоретическая зависимость, что обусловлено дополнительным контактом шнековой фрезы с разрушенной горной породой (см. рисунок 4.17).
Для уточнения расчетных значений влияния неактивной дуги контакта исполнительного органа с разрушенной горной массой введем дополнительный коэффициент Ктп.д. А для учета углов, под которыми действуют силы подачи на отдельных резцах, контактирующих с породой, и от того, какая часть общего количества резцов па исполнительном органе находится в контакте с разрушенной и неразрушенной породой в погружном режиме введем коэффициент Кппл.
