X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Внедрение робототехники в горном деле приводят к изменению конструкций используемых в забое машин и развитию моделирования систем проведения выработок и методов управления боковыми породами. Главными факторами конструирования является развитие более подвижной платформы горного комбайна, обеспечение его движения в любом заданном направлении при реализации напорных усилий до 100 ТС, с возможностью внедряться в пласт с оконтуривающей выработки, осуществляя эффективную выемку полезного ископаемого с темпами производительности равными очистным комбайнам лав. При этом должна быть обеспечено надежное крепление кровли над комбайном. Этого не возможно добиться без использования мощного источника энергии - огромного горного давления действующего на забой.

Применение роботов прежде всего опирается на относительно не большие забои, где легче использовать приемущества малооперационных технологических схем, обеспечить управляемое состояние породного массива, предотвращая хаотическое обрушение и развитие динамических явлений. Как показывает экономический анализ, проведение в этом случае опережающих скважин позволяет снизить опасность выбросов и горных ударов.

В Казахстане источником полиметаллического сырья является месторождение Алайгыр. Здесь интенсивно развивается добыча сырья, но упор в технологии должен быть сделан на камерной выемке. Вначале мы рассмотрим систему с применением комбайновой выемки, хотя она практически не применяется ввиду большой прочности руды. Однако технологические схемы можно адаптировать и к системам с применением буровзрывных работ. С возможностью максимального отнесения зоны выделения больших энергий в глубину массива, где производиться интенсивное трещинообразование, с последующим до разрушением и погрузкой отделенного массива. В работе дается первичная оценка варианта такой технологии с применением нарезного комплекса

Особенности камерных технологий при разработке полиметалического сырья

1.  
   Основная схема отработки

Технология камерной выемки позволит отрабатывать участки или пласты в сложных горногеологических условиях в первую очередь и коксующихся углей, что определяется направлением программ ГПИР2, а в последующем применить эту технологию и с применением заглубленных БВР на дегазированных участках. Технология рассматривает разделение рудного тела на слои.

В целом комбайны, движущиеся в породном массиве используют принцип отталкивания от базы или гусеничный привод и предназначены для быстрой прокладки тоннелей и выработок под землей. Для создания напорного усилия он использует отталкивание от распертой в кровлю и почву базы, которая затем подтягивается к опережающей части.

Возможно и применение схем встроенных в подземный робот «Геоход» который двигается по любой траектории пространства, за счет ввинчивания корпуса в породу.

Внешне комбайн напоминает проходческий щит, где породу рушат конусные резцы позволяя продвигаться вперед. Такие щиты дают возможность быстро прокладывать большие тоннели, например, для поездов метро или добывать полезные ископаемые. Но такие щиты имеют ряд недостатков: они могут двигаться только прямо. Подземный комбайн с планетарно дисковым или корончатым исполнительным органом может двигаться по любой траектории, что позволяет быстро прокладывать сеть подземных тоннелей или осуществлять выемку в целях добычи.

Отличия от существующей традиционной проходческой техники:

- принцип работы - отталкивание и поворот в любую сторону от базы;

- наличие новых функционально-конструктивных элементов;

- возможность реализации на исполнительном органе любых напорных усилий (возможность создания исполнительных органов для разрушения крепких пород) за счет возможности надежно стопорить базу и использовать напорные усилия домкратов передвижения усилием до 100 т;

- использование отделенных БВР в газобезопасном массиве

- качественно новые функциональные возможности.

Комбайн реализует новый подход к проведению горных выработок и выемке полезного ископаемого камерами

При этом геосреда используется:

- как фиксирующий элемент для базы, и создания сил для дополнительного трещинообразования добываемого полезного ископаемого за счет специального исполнительного органа;

- для выполнения основных технологических операций, включая и крепление выработки постоянной крепью.

Крепление выработки осуществляется традиционными крепями и обделками или с применением стационарно переносной крепи. На рисунке 1 представлена короткозабойная система для представленных технологий на базе КНФ (комплекс нарезной фронтальный).

Рисунок 1. Комплекс нарезной фронтальный

Рисунок 2. Погрузчик и конвейер комплекса

Заметим, что пространство за крепью может обрушаться, за исключением сохраняемого ходка у конвейера, либо крепиться как широкая выработка. На рисунке 3 усовершенствованная схема конвейера.

а)

б)

Вид А - А

Рисунок 3. Схема одностороннего поворотного скребкового конвейера: 4-рештак; 5- средний лист; 6- упругие сегменты; 7 – отражатель; 8- проушина; 9 – ось; 10-цепь; 11-скребок; 12-проушина рештака13-приводной фиксатор (в, частности, гидроцилиндр; 14-отражатель; 15 – опора скребка

Рештаки для одностороннего поворотного конвейера, например, для лав могут разделяться на 2 типа. В одном из них средний лист 5 рештаков, разделяющий его на рабочую и холостую полость выполнен с прикреплёнными в нижней части упругими сегментами 6. Так, что последние дугообразными выступами заходят под соседние средние листы с обеих сторон. Упругий сегмент 6 среднего листа выполнен в виде сектора, дуга 7, которого имеет длину обеспечивающую перекрытие угловых зазоров возникающих при взаимном развороте рештаков 4. Возможна и иная конструкция рештаков, когда один из упругих сегментов 6 выполняется сверху среднего листа 5. В этом случае при движении цепи на лево в рабочей полости и на право в холостой полости скребки не смогут зацепить консольную часть упругих сегментов 6, так как их расположение - по направлению движения цепи и даже в случае случайной деформации упругих сегментов их поломки не произойдёт. При этом угол разворота может достигать 15˚. Таким образом, для разворота линии транспортирования на 90 ˚ используется, в частности, до 6 специальных рештаков. Привод конвейера одно-цепной (возможен и двухцепной при расположении цепей в центре вдоль оси рештаков), а скребки по краям имеют вмонтированные звенья цепи 16, что обеспечивает необходимую жесткость расположения скребков, ограничивает их поворот относительно тяговой цепи, что необходимо для контактирования опор в виде катков 17 с рештаками и предупреждения перехода траектории цепи в линию вместо формы параллельной оси развёрнутых рештаков.

На рисунке 4 (рештак условно не показан) сечение левой половины рештака: 18 – боковина; 17– опора скребка (в, частности, каток); 19 - направляющий борт ; 16- опорное звено цепи (для контактирования с направляющим бортом 19); 11– скребок рабочей (верхней) и холостой ветви; 20 - направляющий бортик; 21- тяговая цепь; 22 – болт крепления скребка к звену тяговой цепи. Скребки 11 конвейера можно применить и с криволинейным оформлением концов скребков – опор 17, что предусмотрено регламентом их изготовления стандартных конвейеров известных фирм, при этом установка опорных звеньев цепи может производится по заказу (эти условия представляет завод изготовитель или на местах). Опорное звено цепи 16, а значит и скребок 11 удерживаются в рамках радиуса поворота направляющими бортами 19, а также, например, направляющим бортиком 20. На рисунке 5 соединение скребков с тяговой цепью (показана левая часть скребка) (вид В) 16 – звено цепи; 21– тяговая цепь; 23- верхняя часть скребка с крепящим болтом к тяговой цепи; 20 – направляющий бортик;

Работа устройства в лаве (с поворотом в одну сторону) протекает в следующей последовательности: После установки группы рештаков поворотной части конвейера, так что бы привод был размещён на штреке и вынесен из зоны сопряжения, сегменты (рисунок 3 2) 6 и 7 (фиг. 3) перекрывают угловые стыки повёрнутых друг относительно друга рештаков 4. Приводные устройства (фиг. 4), например, гидроцилиндры 13 запираются на гидрозамки и оказываются зафиксированными. После включения двигателя привода 1 конвейера, звездочка приводит в движение тяговую цепь, вместе с которой перемещаются скребки 11, переносящие груз. Те упираются опорами 17 (фиг. 5) в боковины 18, а через звенья цепи 16 с правой части сечения не показанной на фигуре 5 , в направляющие борта 19 дополнительно удерживают тяговую цепь 21 от смещения в направление к центру радиуса поворота. Кроме того этому способствует и контакт звеньев тяговой цепи 21 с направляющими бортиками 20. Таким образом, усилие, возникающее в скребках в зоне поворота, распределяется не только на боковины рештаков 18 со стороны центра поворота, но и противоположный борт и частично на середину рештаков, что снижает контактные напряжения. Заметим, что суммарная величина усилия прижимающее скребки 11 к боковине 18 на всей зоне поворота равно тяговому усилию тяговой цепи конвейера, а суммарный его вектор направлен под углом 45˚ к линии конвейера или лавы. В перерасчёте на один скребок оно может достигать 1 тс, что должно быть отраженно при креплении привода и выборе прочности и надёжности контактирующих узлов.

Аналогичные шарниры с силовым размыканием и смыканием могут устанавливаться и по обе стороны бортов конвейера обеспечивая поворот в любой точке става в обе стороны. При этом полученную конструкцию можно представить как изгибающуюся в 3 d в вертикальной и горизонтальной плоскости.

На рисунках представлена конструктивная схема двухцепного конвейера

фигура 2, фигура 3 фигура 4, На фигуре 1 положение конвейера на сопряжении лавы и штрека: 1-привод с группой рештаков ; 2 – передняя опора комбайна; 3 – секции крепи; R₁ - радиус поворота ближней к центру поворота С цепи конвейера; R₂ - радиус поворота дальней от центра поворота С цепи конвейера; Т - линейная величина смешения соседних рештаков; В - расстояние между цепями.

Положение передней опоры 2 комбайна показывает, что применение данного устройства позволяет исполнительному органу комбайна вырубить весь пласт до выработки, так что отдельная отработка ниш как это предусматривалось при применении обычных конвейеров уже не понадобится.

На фигуре 2 ( вид 1) соединенных повернутых рештаков: 4-рештак; 8-проушина рештака; 9-ось штрека; 10-ближняя к центру радиуса поворота цепь; 11-скребок;12-проушина фиксатора угла; 13-приводной фиксатор (в, частности, гидроцилиндр); 14-отражатель; 15-средний лист с упругим сегментом; 16- звено цепи; 17-опора, например, в виде катка, 18- дальняя от центра радиуса поворота цепь. Рештаки со стороны лавы соединены шарнирно проушинами 8 и осью 9. При этом угол разворота может достигать 15˚. Таким образом, для разворота линии транспортирования на 90 ˚ используется, в частности, до 6 специальных рештаков. Привод конвейера двухцепной, а скребки по краям могут иметь вмонтированные опоры 15, что обеспечивает повышенную площадь контактирования скребков с боковинами 28 конвейера.

На фигуре 3 (двигатель и редуктор условно не показаны) представлены вид конвейера сверху при повернутом головном рештаке (вид сверху, включает: 19 и 20 - основные звездочки, 21- вал основных звёздочек, 22 - головной рештак, 25 и 30 - гидроцилиндры, 40- вал звёздочек

величина натяжения цепи с помощью дополнительной звёздочки.

На фигуре 4 концевой рештак с конструктивными элементами натяжного устройства (для упрощения понимания конструкции показано одно с права), здесь: 22 - концевой рештак, 23 - направляющая, 24 - выдвижная балка, 27 - кронштейн с осью выдвижной балки.

Δ - суммарная величина смешений рештаков.

На фигуре 5 натяжное устройство (вид сбоку) и элементы привода: 29– часть тяговой цепи огибающей дополнительную звёздочку;

На фигуре 6 сечение основной звёздочки А - А

На фигуре 7 сечение вала с основными звёздочками Б - Б.

41 - паз в пустотелом вале, 42 - ползун - колесо, 43 - полость ползуна, 44 - толкатель, 45 ограничитель, 46 - гидроцилиндр. 47- отверстие для крепления к корпусу рештака, 48 - пружина, 49 - зуб ползуна - колеса .

Работа устройства протекает в следующей последовательности: Вначале при прямолинейном ставе подаём гидродомкратом 13 (фигура 3 ) передний рештак который поворачивается на угол dγ что вызывает отдаление одного от другого торцов рештака на величину dΔ и перемещает звёздочку 20 вытягивая её цепь в результате чего гидроцилиндр 30 сжимается примерно на такую же величину приближая дополнительную звёздочку 32 к основной 31. Выдвижение головного рештака вызывает вращение звёздочки 20 с валом 21 и звездочкой 19 и та в свою очередь тянет цепь которая вместе с отдаляющимися торцами рештаков должна сократить ход штока второго натяжного устройства, но уже на меньшую величину

dΔ"= dΔ* Rвн/Rвш,

где Rвш и Rвн соответственно радиусы поворота внешней и внутренней цепи относительно оси поворота рештаков 9. Но поскольку основные звездочки вращаются синхронно звездочка 19 после выдвижки на величину своего смещения ближней цепи, она отсоединяется от вала (см. фигуру 6 и 7), позволяя звёздочке 21 за счёт подачи домкрата 13 завершить поворот рештака 22 на величину dγ. Затем включается домкрат следующего за головным рештака, который также отдаляет торцы рештаков друг от друга точно также на величины dΔ и dΔ" т.е. вся картина повторяется и так до тех пор пока не будет осуществлён запланированный поворот. Таким образом минимальная суммарная величина хода домкрата натяжного устройства равна:

Δ= dΔ*n,

где n количество рештаков запланированных к повороту. или она равна суммарному смещению поворачиваемых рештаков замеряемых по оси дальней от центра поворота цепи.

Отсоединение звездочек от вала 40 производится (фигура 4 и 7) при сокращении гидроцилиндра 46, который оттягивает ползун 42, выводя из зацепления зубья с0 звездочкой 39.

После установки группы рештаков поворотной части конвейера (фигура 1), так что бы привод 1 был размещён на штреке и вынесен из зоны сопряжения, при этом в соответствии с описанием к инновационному патенту РК № 27024 сегменты, перекрывают угловые стыки повёрнутых друг относительно друга рештаков 4. а гидроцилиндры 13 запираются на гидрозамки и оказываются зафиксированными. После включения двигателя привода 1 конвейера, основные звездочки приводят в движение тяговые цепи, которые перемещают скребки 11. Те упираются опорами 17 (со стороны ближней к центру радиуса поворота С) в боковины 28.

Решение задачи с применением конечно - элементной технологии и методики линейной дискретизации уравнения динамики для технических процессов работы машин

Задаем исходные параметры и переходим к объемной задаче

/NOPR !переход к объёмной задаче

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

/prep7 !Переход в препоцессор

/UNITS,SI!расчеты в с.СИ

ET,1,SOLID92 !выбор типа конечного элемента

Моделирование массива горных пород

Задаем начальные условия перед модерированием массива горных пород:

!порода

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0 !отключить температуру

!1 слой

MPDATA,EX,1,,8e9 !модуль упругости

MPDATA,PRXY,1,,0.35 !коэффициент пуассона

MPDATA,DENS,1,,3000 !плотность, кг/м3

!2 слой!

MPDATA,EX,3,,5e9 ! модуль упругости

MPDATA,PRXY,3,,0.3 ! коэффициент пуассона

MPDATA,DENS,3,,3000 ! плотность, кг/м3

!3кровля

MPDATA,EX,4,,10e9 ! модуль упругости

MPDATA,PRXY,4,,0.3 ! коэффициент пуассона

MPDATA,DENS,4,,3700 ! плотность, кг/м3

!пласт

MPDATA,EX,5,,6e9 ! модульупругости

MPDATA,PRXY,5,,0.3 5! Коэффициентпуассона

MPDATA,DENS,5,,3000 ! плотность, кг/м3

!почва

MPDATA,EX,2,,10e9 ! модуль упругости

MPDATA,PRXY,2,,0.3 ! коэффициент пуассона

MPDATA,DENS,2,,3500 ! плотность, кг/м3

!резец

MPDATA,EX,6,,10e10 ! модульупругости

MPDATA,PRXY,6,,0.25! коэффициентпуассона

MPDATA,DENS,6,,7000 ! плотность, кг/м3

Построение скважины

Cyl4,0,0,0.5,0,0,360,-20

x1=-15

x2=15

z1=0

z2=-30

y1=2.5

y2=30

y3=-2.5

y4=-30

y5=-2.5

y6=2.5

y8=95

y10=135

r1=0.5

z1=0

z3=-20

BLOC, x1,x2,y5,y6,z1,z2

Vsbv,2,1

cone,0.2,0.5,-20,-20.3,0,360

VSBV, 3, 1

Рисунок 2.1–построение скважины

K,101,0,0.3,-20-0.15,

K,102,0,0.28,-20-0.18,

K,103,0,0.38,-20-0.23,

L,101,102

L,102,103

L,103,101

A,101,102,103! Создали площадь для резца

vrotat,1,,,,,,102,103,360,! Вращениевокругоси 101 - 103

Рисунок 2.2–построение резца

FLST,3,4,6,ORDE,3

FITEM,3,1

FITEM,3,3

FITEM,3,-5

VSBV, 2,P51X !Вырезание всех 4-х объемов резца из пласта

! предварительно для полости попробовали - сетка строится,

K,201,0,0.3,-20-0.15,

K,202,0,0.28,-20-0.18,

K,203,0,0.38,-20-0.23,

L,201,202

L,202,203

L,203,201

A,201,202,203! Создали площадь для резца

vrotat,1,,,,,,202,203,360

vglue,all

Рисунок 2.3–создание площади для резца

Чтоб получить более мелкую сетку в области резца, производим разбиение

Lesize, 52, 0.005

Lesize, 56, 0.005

Lesize, 50, 0.005

Lesize, 28, 0.005

Lesize, 51, 0.005! разбили дальную окружность 1полости

Рисунок 2.4–разбиение резца на участки

Пострение остальных пластов

BLOC, x1,x2,y1,y2,z1,z2 ! кровля

BLOC, x1,x2,y3,y4,z1,z2 ! почва

BLOC, x1,x2,y2,y8,z1,z2 ! средний слой

BLOC, x1,x2,y8,y10,z1,z2 ! поверхность

vglue,all

Рисунок 2.5–модель массива горных пород

Построение сетки

Для более точного построения сетки, выполняем команду MESH для каждого элемента моделирования отдельно.

Type, 1

Mat, 5

Vmesh, 12! пласт

Type, 1

Mat, 2

Vmesh, 2! почва

Type, 1

Mat, 4

Vmesh, 1! Кровля

Type, 1

Mat, 3

Vmesh, 6! средний

Type, 1

Mat, 1

Vmesh, 11! 1ый слой

!резец

Type, 1

Mat, 6

Vmesh, 5

Type, 1

Mat, 6

Vmesh, 7

Type, 1

Mat, 6

Vmesh, 8

Type, 1

Mat, 6

Vmesh, 9

Рисунок 2.6–построение сетки

На рисунке 2.4 представлено построение сетки для дальнейшего решения задач с применением конечно - элементной технологии.

Решение задачи определения упругого смещения стенки скважины (при сужении ствола скважины), обусловленного деформированием горной породы, учитывая смоделированный резец.

Рисунок 2.7 – Установка нагрузок (закрепление нижней части массива)

!устанавливаемзначение gravity. Ставим на 9.8

Рисунок 2.8 – Установка силы тяжести

FINISH

/SOL

solve -запускаемрешениезадачи

Рисунок 2.9 – Смещение массива горных пород под действием силы тяжести

Рисунок 2.10 – Напряжение массива горных пород в узлах под действием силы тяжести по оси Х

Рисунок 2.11 – Напряжение массива горных пород в узлах под действием силы тяжести по оси Z

Ниже представлены графики напряжений в области резца

PPATH,1,0, 0, 0.35, -20.1,0,!Первая координата !точки, определяющая путь

PPATH,2,0,0, 0.35, -20.25,0,!Вторая !координата точки,

PPATH,1,0, 0, 0.26, -20.1,0,!Первая координата !точки, определяющая путь

PPATH,2,0,0, 0.26, -20.25,0,!Вторая !координата точки,

Заключение

В Казахстане источником полиметаллического сырья является месторождение Алайгыр. Здесь интенсивно развивается добыча сырья, но упор в технологии должен быть сделан на основе короткозабойной камерной выемке. Рассмотрено применение комбайновой выемки, хотя она практически не применяется ввиду большой прочности руды. При этом технологическую схему можно адаптировать и к БВР. С возможностью максимального отнесения зоны выделения больших энергий в глубину массива, где производиться интенсивное трещинообразование, с последующим до разрушением и погрузкой отделенного массива. В работе дается первичная оценка варианта такой технологии с применением нарезного комплекса с поворотным скребковым конвейером. Приведена конструкция конвейера с односторонним и двухсторонним поворотом в любой зоне става, за счет разнесенных шарниров с силовым смыканием и размыканием, что позволяет комплексу разворачиваться и маневрировать на угол до 90 градусов с поточным транспортированием ископаемого.

Для расчета состояния массива применяется иммитационная модель на основе конечно - элементной технологии. Модель позволяет учесть на работу резца комбайна горного давления, причем можно менять условия резания с различными параметрами управляющими воздействием горного давления на напряжения у резца и в целом на участок призабойной зоны. Результаты приводятся в виде цветных полос одинаковых значений и графиков напряжений. Использование полученного решения необходимо, так как стоит задача определения особенностей деформирования забоя находящегося в сложном напряженном состоянии, в том числе и с учетом бутового участка образующегося под воздействием БВР. Получены ни сколько конкретные результаты, но методика позволяющая учитывать все эти факторы. Задача решена в программном комплексе Ansys.

Список использованной литературы

1. А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева «ANSYS в руках инженера, практическое руводство»,-М.2003

2. Нургужин М.Р., Даненова Г. Т. Инженерные расчёты в ANSYS: сборник примеров, Караганда 2006 319 с.

3. Пивень Г.Г., Климов Ю.И. Имитационное моделирование гидромеханических систем (математические модели): учеб.пособие / КарГТУ. – Караганда, 2004. – 106 с.

4. Бейсембаев К.М., Шащянова М.Б. Основы системного анализа в базах данных. Караганды, Болашак-Баспа, 2008, 208 с.

5. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки промышленных информационных систем. Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

6. Жетесов С.С., Демин В.С., Малыбаев Н.С., Шманов М.Н. Практические и исследовательские аспекты авто проектирование горных машин в 3d. Караганда 2012, изд-во КарГТУ.

7. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С., Шманов М.Н. Геомеханические основы разработки угля в нестационарных системах. Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

8. Бейсембаев К.М., Ибраева Н. Аманов

9. Аманов К.,IX Международная студенческая научная конференция

«Студенческий научный форум» - 2017в Элементы проектирования комбайна с планетарно-дисковым исполнительным органом. Секция: Разработка моделей и элементов управления технологическими машинами. https://www.scienceforum.ru/2017/

Код для цитирования: Скопировать