Назначение, Классификация, технологические схемы

Технологический цикл работ по добыче угля в длинном очист­ном забое состоит из трех основных процессов: выемки угля (раз­рушение и погрузка), доставки его из забоя к погрузочному пунк­ту в штреке, крепления и управления горным давлением. Соот­ветственно этому каждый процесс выполняется выемочной и доставочной машинами и механизированной крепью. К выемочным машинам, осуществляющим разрушение угля механическим спо­собом посредством исполнительных органов, относятся врубовые машины, очистные комбайны, етруговые установки (о последних см. раздел третий, гл. 4).

Врубовая машина (рис. 7.1, а) предназначена для механизации одного процесса — зарубки. Она состоит из следующих сборочных единиц (частей): электродвигателя 4; механизма перемещения 3; тягового органа, состоящего из барабана 2 и каната 1; переда­точного механизма (трансмиссии) 5; исполнительного органа — бара 6 с режущей цепью; расштыбовщика 7. Кроме того, врубо­вая машина («Урал-33») имеет дистанционное управление, мест­ное электроосвещение, сигнализацию, средства пылеподавления (орошение).

Врубовая машина работает по односторонней технологической схеме, перемещаясь при зарубке в одном направлении и осущест­вляя холостой перегон в обратном. При этом она перемещается по первой от забоя дороге, по второй расположен забойный кон­вейер, а третья предназначена для перемещения людей. Врубовая машина при зарубке подрезает своим баром (рамой) с режущей цепью массив угля обычно у почвы пласта, образуя зарубную щель. Подрезанный массив угля разрушается посредством буро­взрывных работ. После этого производится навалка разрушенного угля на забойный конвейер. Врубовая машина вдоль забоя пере­мещается посредством каната длиной 20—25 м, один конец кото­рого прикреплен к упорной стойке /, а второй наматывается на барабан 2 Врубовые машины, имевшие в двадцатых — сороко­вых годах широкое применение, теперь почти полностью вытес­нены более эффективными выемочными машинами — очистными комбайнами. Еще изготавливающиеся в небольшом количестве Копейским машиностроительным заводом им. С. М. Кирова вру­бовые машины «Урал-33» представлены нами в предыдущем из­дании учебника 127'].

 

Рис. 7.1. Технологические схемы выемки угля широкозахватными выемочными машинами:

а — врубовой машиной; б — очистным широкозахватным комбайном (типа «Донбасс-1Г», «Кировец»); " — очистным широкозахватным комбайном 2КЦТГ

Очистные комбайны — это комбинированные машины, которые одновременно механизируют два, три процесса — разрушение угля (зарубку, отбойку) и погрузку его на забойный конвейер. Различают комбайны широко- и узкозахватные. Первые имеют ширину захвата исполнительного органа условно более 1 м (обычно 1,6; 1,8; 2 м), вторые— 1 м и менее.

Широкозахватные комбайны (рис. 7.1, б) выполняются обычно на базе врубовой машины путем конструктивного изменения ее исполнительного органа и трансмиссии к нему. Поэтому они работают при сохранении прежней односторонней технологиче­ской схемы выемки угля при наличии в лаве тех же трех дорог: машинной, конвейерной и для прохода людей. К. с>щественным недостаткам односторонней схемы выемки угля следует отнести большую непроизводительную затрату времени на подготовку комбайна к спуску в верхней части лавы, затем на спуск и под­готовку к работе в нижней части лавы. На выполнение этих непроизводительных операций обычно затрачивается одна смена.

Для примера па рис. 7.1, б показаны структурная и техноло­гическая схемы широкозахватного (1,6 м) комбайна «Донбасс-1Г», ранее имевшего широкое применение. Здесь обозначения /— 5 ■ имеют соответственно прежние наименования, 6 — расштыбов­щик; 7 — комбинированный исполнительный орган (кольцевой бар с отбойной штангой и дисками 8); 9 — прицепной кольцевой грузчик.

Горловский машиностроительный завод им. С. М. Кирова продолжает изготовление в небольших количествах широкозах­ватных (1,6 м) комбайнов «Кировец» и 2КЦТГ для тонких (0,6— 0,8 м) пологих пластов. Комбайн «Кировец» в отличие от ком-

 

 

байна «Донбасс- 1Г» имеет кольцевой бар без отбойной штанги с дисками; а. кольцевой грузчик, имеющий цепь с консольными скребками, выполнен в двух вариантах: либо прицепньщ, кольце­вым подобна грузчику комбайна «Донбасс-1 Г», либо в виде рас­положенной в заднем ручье кольцевого бара одношарнирной коль­цевой цепи с одноконсольными скребками.

Комбайн 2КЦТГ (рис. 7.1, в) отличается устройством и тех­нологической схемой выемки угля. Исполнительный орган состоит из четырех буровых коронок и оконтуривающего кольцевого бара с режущей цепью. Перемещается комбайн посредством гидравли­ческого механизма подачи и цепи, растянутой по лаве и закреплен­ной по концам. Комбайн работает в лоб уступа забоя сбоку за­бойного конвейера по двусторонней схеме, т. е. в двух направле­ниях с разворотом на 180° по концам лавы и перестановкой при этом резцов и направляющей лыжи. Эти непроизводительные опе­рации являются продолжительными, к тому же они могут осущест­вляться только при устойчивой кровле и угле падения пласта не более 15°. Поэтому двусторонняя схема выемки не получила распространения.

В настоящее время широкозахватные комбайны почти пол­ностью вытеснены более совершенными узкозахватными. Из широкозахватных комбайнов в производстве осталось только два типа — «Кнровец» и 2КЦТГ. Эти типы машин достаточно под­робно представлены в предыдущем издании учебника и здесь не рассматриваются.

Узкозахватный комбайн (рис. 7.2) является основной выемочной машиной современного очистного комплекса с передвижной ме­ханизированной крепью, но может применяться также и с индиви­дуальной крепью.

В зависимости от угла падения пласта различают узкозахватные комбайны, предназначенные для вы­емки угля при разработке пологих и наклонных (до 35°) пластов, когда необходимы средства доставки угля из лавы, и свыше 35^е, когда они не требуются, так как разрушенный уголь перемещается самотеком по почве пласта (см. гл. 18).

В зависимости от мощности пласта различают узкозахватные комбайны, предназначенные для выемки угля из пологих пластов мощностью 0,6—5 м. В зависимости от этого технологические схемы их работы различны. При мощности пласта 0,8 и и выше комбайн осущест­вляет выемку угля, перемещаясь по раме забойного передвижного конвейера, расположенного у забоя на первой дороге (рис. 7.2, а). По такой основной технологической схеме работает большинство узкозахватных комбайнов на пологих и наклонных (до 35°) пластах мощностью до 5 м при выемке угля в один слой.

При мощности пласта 0,6—0,8 м стесненное рабочее простран­ство тонкого пласта не позволяет размещать комбайн на раме забойного конвейера, а поэтому он располагается сбоку конвей­ера на почве плгзта. При этом могут быть два варианта*

Рис. 7.2. Технологические схемы выемки угля узкозахватными комбайнами!

а — при работе комбайна с рамы конвейера; б — при работе комбайна с почвы пласта в лоб уступа забоя сбоку конвейера; в — при перемещении комбайна по желобу со сто­роны выработанного пространства конвейера

1) комбайн осуществляет выемку угля в лоб уступа забоя, перемещаясь сбоку конвейера со стороны его забойной части, например комбайн К ЮЗ (рис. 7.2, б);

2) комбайн перемещается своим корпусом по желобу, при­крепленному к конвейеру со стороны выработанного пространства, например комбайн МК.67М, I типоразмер (рис. 7.2, в).

Структурная схема наиболее распространенных узкозахватных комбайнов, работающих с рамы забойного кон­вейера в условиях пологих пластов, при одностороннем распо­ложении шнекового исполнительного органа (1К101, 2К.52М, 2К.52МУ) состоит из сборочных единиц, связанных между собой следующим образом (см. рис. 7.2, а).

От вала электродвигателя Д крутящий момент передается через передаточный механизм ЛМ исполнительному органу НО, кото­рый осуществляет разрушение массива угля и одновременно его погрузку на забойный конвейер. Для последней цели использу­ются простые по конструкции погрузочные устройства ПУ — подпорные щитки. От второго выводного конца вала электродви­гателя Д крутящий момент передается механизму перемещения (подачи) МП, а от него тяговому органу — приводной звезде и калиброванной цепи, растянутой вдоль лавы и закрепленной по концам на головках забойного конвейера. При бесцепной подаче тяговым органом является зубчатое колесо-рейка, зак-

репленная на борту забойного конвейера. Комбайн имеет пуско-регулирующие устройства, пылеподавляющее и другие вспомо­гательные устройства.

При многодвигательных комбайнах, а также при двустороннем расположении исполнительных органов, при вынесенной из кор­пуса комбайна системе перемещения структурные схемы могут быть и другими, учитывающими особенности комбайна.

Отличительными особенностями современной техники и техно­логии узкозахватной выемки угля являются:

применение забойного изгибающегося или цельнопередвиж-ного скребкового конвейера, передвигаемого в новое положение гидродомкратами в бесстоечном призабойном пространстве, кровля которого надежно поддерживается перекрытиями передви­жной механизированной крепи (или шарнирными верхняками индивидуальной металлической крепи);

совмещение конвейерной дороги с машинной, что позволяет иметь в лаве две дороги, а не три, как при широкозахватной вы­емке, и уменьшить за счет этого на одну треть площадь поддержи­ваемой кровли;

совмещение во времени всех основных процессов в лаве (вы­емки, доставки, передвижки конвейера, крепления и управления горным давлением) и осуществление циклично-поточной органи­зации работ;

сокращение до минимума непроизводительных операций в лаве путем применения в основном челноковой схемы работы без пере­монтажа комбайна по концам лавы;

перемещение комбайна по калиброванной цепи, растянутой вдоль забоя лавы и закрепленной концами на головках забойного конвейера, а в последнее время бесцепной подачи;

применение кабелеукладчика;

использование самозарубывающихся комбайнов и забойных конвейеров с вынесенными в штреки приводами, что позволило избежать проведения ниш;

интенсификация процесса выемки угля за счет увеличения скорости перемещения комбайна (до 10 м/мин) с бесступенчатым автоматическим регулированием ее в широких пределах в зависи­мости от сопротивления угля резанию, что достигается приме­нением авторегулятора;

улучшение санитарно-гигиенических и комфортных условий труда благодаря применению комплекса мероприятий по пылепо-давлению, дистанционного управления комбайном, в том числе радиоуправления в пределах видимости, местного освещения, телефонной связи машиниста комбайна о погрузочным пунктом и др.;

повышение техники безопасности работ путем применения очистных комплексов с механизированными передвижными кре­пями с надежным перекрытием и поддержанием кровли, с группо­вым автоматизированным управлением передвижкой секций крепи в лаве и др.

Таким образом, узкозахватная выемка угля является основ­ным технически прогрессивным направлением в развитии комплек­сной механизации очистных работ. Она вносит качественные из­менения в технологию добычи угля, позволяет увеличить нагру­зку на лаву и повысить производительность труда, осуществить концентрацию и интенсификацию горных работ, улучшить усло­вия труда и повысить технико-экономические показатели работы участков и шахт.

Глава 8

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1. Способы разрушения горных пород и их физико-механические свойства

При добыче угля и проведении горных выработок основной частью технологического процесса являются разрушение (отде­ление от массива) угля и горной породы и погрузка на доста-вочные средства. На разрушение угля расходуется большая часть энергии, подводимой к горной машине. Поэтому важной задачей является изыскание рациональных способов разрушения горных пород, создание рациональных конструкций исполнительных (рабочих) органов горных машин и инструмента, обеспечение опти­мальных режимов их работы.

Разрушение горных пород может производиться различными способами, в зависимости от вида энергии и способа ее прило­жения. В горной промышленности наибольшее распространение получил механический способ, осуществляемый исполнительными органами горных машин посредством различных горных инстру­ментов (резцы, шарошки, коронки, пики и др.).

При добыче угля гидравлическим способом используют для раз­рушения струи воды высокого давления; при буровзрывном спо­собе — взрывание горных пород. Теплофизические способы раз­рушения горных пород предусматривают воздействие на массив тепловой энергии; осуществляются высокотемпературной газо­вой струей, электрическим током, лучом лазера и другими ме­тодами; находятся в стадии внедрения или испытания. Термоме-ханические способы представляют собой различные комбинации теплового и механического воздействий. Геотехнологические способы добычи полезных ископаемых основаны на использовании физических и химических свойств горных пород и производятся через скважины с поверхности путем растворения (добыча соли), расплавления (добыча серы), перегонки (подземная газификация углей), выщелачивания и др.

Знание физико-механических свойств горных пород имеет большое значение для расчета горных машин, нормирования и планирования производственных процессов, для определения областей применения горных машин. Необходимо знать, от каких

факторов зависит сопротивление горных пород разрушению, т. е. произвести его качественную оценку, и определить его величину. Физико-механические свойства пород различны из-за разного минералогического состава, строения, условий образования и метаморфизма.

К физическим свойствам горных пород относят: плотность, пористость, влажность, звуко-, электро- и теплопроводность, разрыхляемость и другие;

к механическим свойствам — прочность, твердость, абразив-ность, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, крепость и др. При механическом способе разрушения горных пород важно знать связь между показателями механических свойств и их способностью к сопротивлению силовым воздействиям, а в зави­симости от вида и интенсивности последних — к изменению формы, размеров и состояния горной породы.

Прочность — свойства горной породы в определенных условиях воспринимать те или иные силовые воздействия, не раз­рушаясь. Критерием прочности являются временные сопротив­ления одноосному сжатию — сг_сж, сдвигу — а_сд и растяжению — Op. Эти три показателя находятся примерно в следующем со­отношении — а_ст: о_сд: а_р =■-• 1: 0,3: 0,1. Из этой зависимости видно, что для разрушения угля и горной породы выгоднее исполь­зовать силы растяжения и сдвига, чем сжатия. Прочность углей при одноосном сжатии колеблется в широких пределах — от 1 МПа у мягких бурых углей до 35 МПа у крепких антрацитов. При объемном сжатии прочность угля в несколько раз выше, чем при одноосном.

Твердость — свойство горной породы оказывать сопро­тивление, не разрушаясь при местном поверхностном контактном силовом воздействии. Твердость горных пород определяется несколькими методами при вдавливании в нее жесткого инстру­мента (приборы Бринеля и Роквелла и др.). Для определения твердости горных пород используют также показатели контактной прочности, которые могут быть определены вдавливанием ци­линдрического штампа с плоским основанием диаметром 2—5 мм в естественную (нешлифованную) поверхность образца породы. За меру контактной прочности принимают удельное давление под основанием штампа в момент хрупкого разрушения породы (выкол лунки). По величине контактной прочности породы раз­деляют на шесть классов: от слабых (менее 400 МПа) до креп­чайших (более 4500 МПа).

v Абразивность — сриГттво горной породы истирать, изнашивать инструмент, которым производится ее разрушение. Абразивность зависит главным образом от минералогического состава породы и от прикладываемых усилий. Абразивность оп­ределяется по методу Л. И. Барона и А. В. Кузнецова на спе­циальном станке посредством истирания вращающегося стер­жня — эталона о необработанную поверхность горной породы при постоянных частоте вращения эталона и удельном давлении.

Критерием абразивное™ считается суммарная потеря в милли­граммах массы стержня за определенное время опыта (10 мин). На основе этого метода разработана классификация горных пород по абразивности [19], предусматривающая восемь классов: от а < 5 мг — весьма мало абразивные (известняк, мрамор, ка­менная соль и др.) до а > 90 мг — наиболее абразивные (граниты, корундосодержащие породы).

*- Контактная прочность и абразивность являются основными показателями, характеризующими сопротив­ляемость горной породы разрушению резцами и шарошками ис­полнительных органов проходческих комбайнов и бурильных машин.

Упругость — свойство горной породы восстанавливать свои первоначальные форму и объем по прекращению действия на нее внешних сил. Упругие свойства пород характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Горные породы обычно не имеют остаточных деформаций — разрушение на­ступает, когда напряжение достигает предела упругости.

Пластичностьв противоположность упругости — свой­ство породы сохранять остаточную деформацию после прекраще­ния действия внешних сил. В подземных условиях пластичность проявляется, например, в прогибе кровли в лавах и пучении почвы в выработках.

Хрупкость — свойство горной породы разрушаться при статической нагрузке. Для хрупких пород предел упругости равен временному сопротивлению. Хрупкие угли легко разру­шаются.

Вязкость — свойство горной породы сопротивляться си­лам, стремящимся разъединить ее на части. Вязкие угли трудно поддаются разрушению.

^Крепость породы по шкале проф. М. М. Протодьяко-нова есть ее объективное интегральное свойство, зависящее от нее самой и не зависящее от способа механического воздействия при ее разрушении. При этом сам автор отмечал приближенный характер этого допущения. За единицу крепости (/ = 1) он выб­рал породу, для которой временное сопротивление одноосному сжатию составляло 10 МПа. Значения коэффициента крепости для разных пород определяют при раздавливании породного ку­бика на прессе. Все горные породы разделены автором по крепо­сти на 10 категорий с коэффициентом крепости от / = 20 для 1-й категории (наиболее крепкие породы — кварциты, базальты и др.) до / = 0,3 для 10-й категории (плывуны, разжиженный грунт и др.). Для угля /= 1-гЗ.

Несмотря на широкое распространение шкалы проф. М. М. Протодьяконова, она не полностью характеризует физико-механические свойства горных пород, так как величина / может быть неодинакова в различных условиях. Коэффициент крепости можно определить и другими методами — по работе, затрачивае­мой на дробление породы, по сопротивляемости бурению и пр.