Несмотря на бурное развитие технического прогресса, подземный способ добычи угля и сегодня остается чрезвычайно сложным и трудоемким. В настоящее время его основной объем обеспечивается комбайновыми и струговыми комплексами оборудования с механизированными крепями. Первый успешный опыт промышленного применения очистных механизированных комплексов (ОМК) относится к началу семидесятых годов XX века, и до настоящего времени этот вид горной техники продолжает динамично развиваться.
Создание и внедрение ОМК в практику подземной добычи угля сыграло исключительную роль в техническом перевооружении угольной промышленности, послужило мощным стимулом развития шахт, привело к повышению технического уровня всех звеньев технологии подземной добычи. Успешное применение ОМК в угольной промышленности способствовало расширению области их применения. Очистные механизированные комплексы стали использоваться на калийных рудниках и при добыче целого ряда других полезных ископаемых преимущественно с пластовой структурой залегания.
При переходе на комплексную механизацию очистных работ в принципе были решены проблемы создания гидрофицированных передвижных секций крепи, забойных передвижных скребковых конвейеров, узкозахватных комбайнов, стругов. Кинематические связи перечисленных механизмов и оборудования обеспечивают согласованное перемещение в циклическом режиме всего комплекса машин и оборудования вслед за подвиганием очистного забоя по мере отработки выемочного столба.
Механизированное комплексное оборудование
По типу применяемой выемочной машины различают комплексы комбайновые и струговые, а при использовании в качестве выемочной и транспортирующей машины конвейеростругов комплекс оборудования принято называть выемочным агрегатом.
Струговые ОМК имеют преимущество перед комбайновыми комплексами при отработке тонких пластов без прослоев породы и консолидированных твердых включений. Комбайновые комплексы применяются для механизации очистных работ при добыче угля из пластов средней мощности и мощных, а также из тонких пластов со сложной структурой и гипсометрией залегания, где использование стругов нецелесообразно.
Конвейероструговые щитовые агрегаты получили преимущественное распространение при отработке пластов с углом наклона более 35° по падению лавами, нарезанными по простиранию. Агрегаты с оградительно-поддерживающими крепями используются для добычи угля из пологих и наклонных пластов.
Очистной механизированный комплекс состоит из основного (выемочная машина, комплект секций гидрофицированной передвижной забойной крепи, забойный передвижной конвейер) и вспомогательного оборудования (кабелеукладчик, фронтальный лемех, направляющие балки, секции крепи сопряжений лавы с пластовыми выработками, перегружатель, дробилка, комплект насосных станций, пусковая и защитная аппаратура). Некоторые из перечисленных вспомогательных механизмов и оборудования могут отсутствовать или замещаться другими механизмами.
Согласованное функционирование всех механизмов и оборудования ОМК в основных и вспомогательных режимах обеспечивается интегрированными системами электроснабжения, освещения, сигнализации и управления, гидросистемой, обеспечивающей силовые перемещения секций крепи и конвейера с выемочной машиной, гидросистемой пылеподавления, системами контроля состояния воздуха в выработках, в частности количественного содержания газа метана, телефонной и громкоговорящей связи. Основным требованием к перечисленным оборудованию и системам является обеспечение длительной устойчивой высокопроизводительной и безопасной для людей работы ОМК в изменяющихся горно-геологических условиях по мере отработки выемочного столба.
Использование резервирования как метода повышения надежности в очистных механизированных комплексах ограничено, поэтому каждый из элементов, входящих в ОМК, должен быть высоконадежным и взрыво-, искробезопасным. При разработке, изготовлении и эксплуатации ОМК исполнители должны руководствоваться действующими правилами безопасности в угольных шахтах (сланцевых шахтах, рудниках), нормативами по безопасности забойных машин и комплексов и рядом других отраслевых нормативных документов, методик и указаний.
Очистные механизированные комплексы классифицируют по следующим основным признакам:
- по углу залегания пласта – для пологих и наклонных пластов с углом падения до 35°, и для крутых и крутонаклонных пластов с углом падения более 35°;
- по мощности пласта – для тонких, средних и мощных пластов;
- по виду добываемого полезного ископаемого – для шахт (добыча угля), для рудников (например, добыча калийной соли);
- по назначению – общего назначения, для использования в шахтах и рудниках в комбайновом или струговом вариантах, и специального назначения, когда используются нестандартные методы ведения очистных работ: с пневмо- или гидрозакладкой выработанного пространства, с выпуском угля при отработке мощных пластов в призабойное пространство на конвейер через люки в оградительном щите секций крепи или позади крепи (рис. 1);
- по типу кинематических связей между машинами и оборудованием комплекса – агрегатные, комплектные и комбинированные (агрегатно-комплектные).
 |
|
Рис. 1. Схема механизированной крепи с выпуском угля из кровли в призабойное пространство
|
В общих характеристиках ОМК фирмы-изготовители или предприятия-пользователи отражают основные классификационные признаки исполнения основных машин и оборудования комплекса: комбайна или струга, секций крепи и забойного конвейера.
В зависимости от условий работы применяют различные типы очистных комбайнов: узкозахватные или широкозахватные, с вынесенными или встроенными механизмами подачи, с цепной системой подачи или с жесткой реечной, со шнековыми, барабанными, корончатыми или баровыми исполнительными органами, с электрическим, гидравлическим или пневматическим приводом исполнительных органов и механизмов подачи.
В настоящее время все большее распространение получают двухшнековые комбайны симметричной модульной компоновки со шнеками, вынесенными за корпус комбайна по его длине, что делает возможной их работу по челночной схеме с зарубкой косыми заездами, а мощные регулируемые электроприводы механизмов подачи и резания обеспечивают высокую интенсивность выемки со скоростью подачи до 10–45 м/мин. Мощность двигателя привода резания в зависимости от типоразмера и компоновки комбайна изменяется от 75 кВт до 600 кВт, а привода подачи – от 10 кВт до 75–125 кВт с установленной мощностью на комбайн от 85 кВт до 1940 кВт и более.
Рис. 2. Современный высокопроизводительный очистной комплекс (фирма DBT)
Однако использование особо мощных высокопроизводительных комбайнов (рис. 2) предполагает переход с системы электроснабжения напряжением 660 В на напряжение 1140, 2300, 4160 В (например, комбайны серии «Электра», немецкой фирмы DBT) и в дальнейшем на 6–10 кВ.
При этом в зависимости от типоразмера и комплектации вес комбайнов изменяется от 3–5 т (для тонких пластов) до 30–50 т – для выемки угля из пластов средней мощности и до 75–100т – для мощных пластов.
Модульная компоновка современных комбайнов и наличие одной основной несущей рамы, к которой быстроразъемными соединениями крепятся все блоки комбайна, обеспечивают быструю «сборку-разборку» комбайна, поузловую замену при ремонтах, исключение необходимости ремонта в шахтных условиях, возможность работы с двумя или с одним приводом резания и подачи. Все это приводит к повышению надежности работы комбайнов и снижению расходов на их обслуживание и ремонт.
Очистные комбайны оснащаются системами ручного непосредственного управления (используются при наладке комбайнов и тестировании режимов их работы), системами дистанционного радиоуправления (с носимого пульта), программного автоматизированного управления при больших скоростях подачи комбайна, превышающих среднюю скорость перемещения машиниста.
Рис. 3. Рештак с наклонными направляющими скользящих струговых установок
Система датчиков и микропроцессорное оборудование обеспечивают мониторинг состояния узлов и систем комбайна, контроль и оценку режима работы и выдачу необходимой информации машинисту комбайна, оператору лавы, диспетчеру.
В струговых комплексах используются, в основном, отрывные струги с подконвейерной плитой и приводной цепью, расположенной с завальной стороны конвейера, и скользящие струги, опирающиеся при движении на наклонную направляющую, а кольцевая замкнутая тяговая цепь струга расположена с забойной стороны конвейера.
Направляющие скользящего струга закрепляются на корпусе рештака со стороны забоя: нижняя направляющая крепится болтовым соединением или сваркой, верхняя – шарнирно. Ее можно свободно открыть, что обеспечивает доступ к верхней и нижней цепям струга (рис. 3).
Рис. 4. Скользящий струговый исполнительный орган
Нижняя цепь крепится непосредственно к корпусу струга (рис. 4). Расстояние от точки расположения равнодействующей сил резания скользящих стругов до оси тяговой цепи незначительное, что обеспечивает высокую степень уравновешенности стругов при работе, следовательно, устойчивость работы установок в целом и возможность разрушения более крепких углей по сравнению с отрывными стругами.
При увеличении (или уменьшении) мощности вынимаемого пласта предусматривается возможность установки (или снятия) на струг проставок с резцами, а для более точной настройки – бесступенчатая регулировка положения верхнего резца червячной передачей или сменными прокладками.
Важными факторами, обеспечивающими эффективную работу струговых установок, являются следующие их возможности:
- следование струга по границе «почва-пласт», что особенно сложно осуществить при волнистой гипсометрии;
- выбор рационального режима работы по соотношению скоростей струга и цепи конвейера «Vc/Vк» при попутном и встречном движениях;
- эффективная защита приводов струга и конвейера от перегрузок, особенно в момент реверса струга;
- выпрямление линии забоя и става конвейера посредством частичных корректирующих заходов стругового исполнительного органа с любого необходимого места по длине лавы;
- изменение схемы передвижки секций крепи в зависимости от изменяющейся по мере отработки столба устойчивости непосредственной кровли с целью увеличения затяжки кровли (при ухудшении устойчивости) или уменьшения затяжки (при улучшении устойчивости кровли).
Регулирование движения струга по границе угольного пласта и почвы наиболее эффективно выполняется специальными гидроцилиндрами, установленными с завальной стороны конвейера и изменяющими наклон конвейера на забой в зависимости от отклонения опорной плоскости конвейера от почвы.
Рис. 5. Бесцепной механизм подачи комбайна
Забойный конвейер является остовом комплекса. Через него замыкаются все кинематические связи, обеспечивающие направленность циклических перемещений выемочной машины, секций лавной крепи и крепи сопряжений, штрекового оборудования. На конвейере установлены фронтальный лемех или направляющие для струга с забойной стороны, а с завальной стороны – желоб для кабелеукладчика и камеры для размещения магистралей рабочей жидкости гидросистем, кронштейны для крепления гидродомкратов передвижки секций крепи и собственно конвейера. На завальном борту конвейера устанавливаются рейки для механизма подачи (рис. 5) или предусматриваются каналы для тяговой и холостой ветвей цепи струга отрывного действия.
Достижения последнего десятилетия в повышении нагрузки на забой и объема добычи с выемочного столба связаны с созданием надежных забойных скребковых конвейеров производительностью до 2000–5000 т/час (2–6 млн т в год) для лав длиной до 250–450 м.
Безотказность и ресурс современных скребковых забойных конвейеров обеспечивается не только прочностью и износостойкостью рештаков, их сменных элементов, тяговых цепей и приводных звездочек, но также системой последовательного запуска двигателей без нагрузки с выдержкой времени, синхронизированным выравниванием нагрузки в приводах при разгоне скребковой цепи конвейера, пробуксовкой специальных муфт при динамических нагрузках на цепь, отключением двигателей при блокировках цепи, совершенствованием редукторов приводов конвейеров (рис. 6).
Рис. 6. Типовые редукторы забойных конвейеров
Механизированные крепи в процессе взаимодействия с углевмещающими массивами в общем случае выполняют три основные функции: управление кровлей, активное поддержание кровли над призабойным пространством и ограждение призабойного пространства от обрушающихся пород кровли. Поэтому по способу и характеру взаимодействия с боковыми породами (т. е. по степени выполнения основных функций) различают типы механизированных крепей: поддерживающие, поддерживающе-оградительные, оградительно-поддерживающие.
По структурной схеме различают механизированные крепи: агрегатные, комплектные и комплектно-агрегатные.
В агрегатных крепях структурные единицы (секции) имеют общую групповую кинематическую связь по длине лавы, фиксирующую интервалы расположения секций, обеспечивающую направленность циклического перемещения и кинематическое взаимодействие секций крепи через конвейер или базовую балку. При этом перемещение секций осуществляется их поочередным подтягиванием к базе-конвейеру.
В комплектных механизированных крепях секции кинематически объединены в комплекты и не имеют общей групповой связи по длине лавы. Передвижка таких секций происходит отталкиванием передвигаемой секции от распертой. Комплектно-агрегатные механизированные крепи имеют как общую групповую кинематическую и силовую связь через базу-конвейер, так и внутригрупповые связи секций крепи.
В настоящее время в мировой практике изготовления ОМК имеется большое разнообразие конструктивных схем секций механизированных крепей. Наиболее широко применяются и изготавливаются ведущими фирмами горного оборудования секции, которые могут быть представлены структурными формулами:
- поддерживающе-оградительная, агрегатная, двухрядная, четырехстоечная, устанавливаемая в исходное положение по заряженной схеме;
- поддерживающе-оградительная, агрегатная, однорядная, двухстоечная, заряженная;
- поддерживающе-оградительная, агрегатная, однорядная, двухстоечная, заряженная.
Такие крепи выпускаются в России (М138, М143, М137), Германии (BS 2.1, Хемшайдт 5500-22/60, Хемшайдт 6300-15/28), в Польше, Великобритании и некоторых других странах (рис. 7).
Рис. 7. Двухстоечные однорядные секции механизированных комплексов
Эффективность работы комплексно-механизированных очистных забоев оценивают системой абсолютных и удельных технических и технико-экономических показателей, обеспечивающих сравнительную оценку как самого оборудования, так и эффективность его использования. Однако горно-геологические и горно-технологические условия эксплуатации очистных механизированных комплексов различаются столь значительно, что показатели эффективности работы комплексно-механизированных очистных забоев, даже при отработке одного выемочного столба, трудно сравнивать.
Наличие слабых, а также тяжелых, трудно управляемых, склонных к периодическим блоковым обрушениям кровель, слабых обводненных почв, волнистой гипсометрии, нарушений в залегании пластов, повышенной газоносности – вот далеко не полный перечень горно-геологических факторов, усложняющих эксплуатацию очистных механизированных комплексов при добыче угля в длинных очистных забоях.
Поэтому столь важно выбрать именно тот очистной механизированный комплекс, который в наибольшей степени соответствовал бы горно-геологическим и технологическим условиям отработки конкретного выемочного столба.
Чем выше интенсивность очистных работ, тем большую роль для эффективной и устойчивой работы ОМК играют системы управления выемочными машинами, конвейером, механизированной крепью и комплексом в целом.
Современные цифровые программируемые системы автоматизации предусматривают контроль технического состояния и режимов работы всех механизмов, оборудования и систем ОМК с выводом необходимой информации, в том числе визуального отображения, операторам машин и диспетчеру, а также выбор режимов работы с пульта управления и введение ограничений, переход в случае необходимости с автоматического на дистанционное или ручное управление.
В особо благоприятных условиях управление работой ОМК может быть выведено на поверхность на центральный пульт диспетчера (рис. 8).
Рис. 8. Схема системы управления механизированными комплексами
Режим работы комплексно-механизированного очистного забоя наглядно отражает зависимость производительности (Q) выемочной машины от скорости подачи и времени вспомогательных операций (Твсп), несовместимых с работой комбайна по выемке угля , отнесенных к длине лавы (Ln):
где
Tp – время работы комплекса в смену, мин;
В – ширина полосы угля, вынимаемая комбайном, м;
H – мощность пласта, м;
r – плотность угля в массиве, т/м3;
Kг – коэффициент готовности комбайна;
М – удельные затраты времени на выполнение операций несовместимых с производительной работой комбайна;
V – скорость подачи.
Из формул следует, что производительность комплекса можно повышать двумя способами: увеличением скорости подачи комбайна и сокращением времени вспомогательных операций.
Рис. 9. Зависимость производительности ОМК от скорости подачи комбайна и времени вспомогательных операций
Как видно из графика (рис. 9, кривая 3), при времени вспомогательных операций М3 увеличение скорости подачи более V1 не приведет к росту производительности, при этом снизится устойчивость технологического процесса (зона А). Сокращение времени вспомогательных операций, не совместимых с работой комбайна от М3 до М2 , приведет к резкому росту производительности от Q3 до Q2 при той же скорости подачи комбайна V1, и расширит зону рациональных режимов работы по скорости подачи до V2 и, следовательно, возможность увеличения производительности от Q2 доQ1.
При развитии комплексов от первого поколения к четвертому в различных сочетаниях использовались оба направления:
- увеличивалась установленная мощность и масса комплексов, скорости и усилия подачи комбайнов, распорные усилия секций крепи, производительность конвейера и перегружателя;
- совершенствовались кинематические связи структурных элементов комплексов, технологичность и надежность машин и оборудования; отрабатывались программируемые системы диагностики технического состояния машин, систем, режимов работы и автоматизированного управления, чем достигались высокая устойчивость работы комплексов в рациональных режимах и сокращение времени вспомогательных операций.
В настоящее время при работе современных высокопроизводительных комплексов установленная мощность используется не полностью. Поэтому наиболее интенсивно развивается совершенствование комплексов по второму направлению в совокупности с реконструкцией шахт.
Автор: Габов В.В.
Источник: Горная техника / Стройка
