Разработка элементов крепи для угольных пластов - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Разработка элементов крепи для угольных пластов

Прытыка Т.О. 1
1Филиал ТИУ в г. Нижневартовске
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В настоящее время подземный способ добычи твердых минералов является более сложным и трудоёмким , однако он распространён в промышленно развитых районах республики, особенно в местах непосредственного употребления твердых минералов. Кроме того ,подземным способом добывается наиболее качественные твердые минералы, в том числе коксующий уголь.

Основной объём подземной добычи твердых минералов обеспечивается механизированными комплексами оборудования. Их создание и широкое внедрение сыграли исключительно важную роль в техническом перевооружении добычной промышленности, послужили мощным стимулом к развитию и повышению технического уровня всех звеньев в технологии добычи твердых минералов.

Подземная разработка пластовых месторождений подземным способом базируется на интенсификации технологических процессов очистных работ на основе повышения технического уровня и надежности используемых новых и усовершенствованных технологий и техники.

Обеспечение надежной и эффективной эксплуатации механизированных комплексов вызывает необходимость разработки научных основ проектирования механизированных крепей, позволяющих оценить работоспособность несущих элементов механизированной крепи в сложных горногеологических условиях и прогнозировать надежность их в эксплуатации.

Для более эффективной добычи сложноизвлекаемых полезных ископаемых существует потребность в использовании короткозабойных схем выработки. Для обеспечения механизации в таких забоях могут использоваться системы с использованием механизированных крепей с исполнительным органом.

Механизированная крепь с исполнительным органом позволит решить задачу по увеличению вынимаемой мощности пласта с 3,5 до 5,5 метров при автоматизации основных процессов , обеспечения надежного поддержания рабочего пространства от обрушений пород , при снижении металлоемкости крепи .

И так для чего же необходима механизированная крепь с исполнительным органом . Во первых для эффективной добычи в короткозабойных системах, за счет разработки пластов твердых минералов на всю мощность в криволинейных выработках . Во вторых повышение безопасности рабочих.

1 Механизированная крепь

1.1 Назначение и элементы механизированных крепей

Создание и широкое применение очистных комплексов с применением механизированных гидрофицированных крепей позволило существенно повысить технико-экономическую эффективность работы очистных забоев и решить важную социальную проблему по повышению безопасности работы шахтеров и освобождению их от тяжелого физического труда.

Механизированная крепь в процессе взаимодействия с боковыми породами выполняет три основные функции: управление горным давлением(способом обрушения или другим способом),активное поддержание кровли в рабочем призабойном пространстве очистного забоя и защиту его от проникновения обрушенных пород кровли. Кроме трех основных функций, механизированная крепь может выполнять следующие функции: перемещение забойного конвейера очистного комплекса или агрегата в целом и его управления по гипсометрии и в плоскости пласта.

Механизированная крепь состоит из следующих элементов: из секций или комплектов (взаимосвязанных секций), насосная станция (одна или несколько) для создания давления в гидросистеме, распределительная и контрольно – регулирующая аппаратура, гидрокоммуникации соединительных рукавов и рукавов высокого давления.

Секция крепи – это элемент механизированной крепи, сохраняющий свою целостность при движении.

Секция механизированной крепи состоит из следующих основных элементов: гидростойки , перекрытия, основания, козырька, ограждения, борта перекрытия, направляющей передвижки, верхней и нижней траверсы лемнискатного механизма, гидропатрона козырька, гидропатрона борта, гидропатрона ограждения, домкрата передвижки.

Рисунок 1-Основные элементы механизированной крепи

Для приведения в действие механизированной крепи используется гидропривод, основными исполнительными органами которого являются силовые гидроцилиндры: гидростойки, гидродомкраты для передвижения крепи и конвейера ,вспомогательные гидроцилиндры для выдвижения и прижатия консольных верхняков и других целей.

Операции , выполняемые секцией механизированной крепи включают: разгрузку (снятия распора) гидростоек, передвижение секции, распор гидростоек, передвижение забойного конвейера и поддержание пород кровли. В некоторых крепях предусматриваются также выполнение вспомогательных операций: отодвигание конвейера от забоя, выравнивания положения секций, поддержание щитами груди забоя в условиях мощных пластов. Для этой цели используются вспомогательные гидродомкраты.

Гидростойка- основной опорный элемент механизированной крепи, воспринимающий горное давление и передающий его на почву пласта через основания секции. Гидростойки используются для подъема верхнего перекрытия , а также для регулирования высоты секции по вынимаемой мощности пласта.

Принцип работы гидростоек одинаков почти для всех гидрофицированных крепей и заключается в следующем. В поршневую полость стойки под давление подается рабочая жидкость. При этом выдвижная часть стойки, перемещаясь вверх , упирается в кровлю через верхнее перекрытие. Давление жидкости в поршневой полости возрастает до величины, равной рабочему давлению насосной станции. После этого подача жидкости в поршневую полость стойки прекращается. Давление здесь достигает давления начального или предварительного распора .Дальнейшее возрастание давления в стойке в результате опускания пород кровли происходит до величины , на которую настроен предохранительный клапан стойки.

В этот период гидростойка работает в режиме нарастающего сопротивления. Когда давление в поршневой полости достигает придельной величины , стойка переходит в заданный режим постоянного сопротивления ,т.е. рабочий режим, отклонения от которого могут быть вызваны лишь кратковременным повышением скорости опускания пород кровли, а также перепадами давлений открытия и закрытия предохранительного клапана. При срабатывании предохранительного клапана рабочая жидкость из замкнутой гидросистемы стойки вытесняется в сливную магистраль крепи.

Для передвижения секции производят разгрузку ее стоек соединением поршневых полостей стоек со сливной магистралью через управляемый обратно-разгрузочный клапан.

По конструктивному выполнению секции крепи различают : одностоечные, двухстоечные-рамные и кустовые.

Одностоечные. Секция крепи состоит из: перекрытия , гидродомкрата передвижения , 1 гидростойки(Рисунок 2).

Рисунок 2-Одностоечная секция крепи

Двухстоечные-рамные крепи. Секция крепи состоит из: перекрытия , гидродомкраты передвижения , 2-х гидростоек , расположенных в один ряд по продольной оси секции и основание. Их относят к типу поддерживающих крепей(Рисунок 3).

Рисунок 3-Двухстоечная-рамная секция крепи

Кустовые крепи. Секция крепи состоит из: перекрытия , основания , 4 или 6 гидростоек , расположенных в два ряда по ширине секции, одного или двух гидродомкратов передвижения(Рисунок 4).

Рисунок 4-Кустовая секция крепи

1.2 Основные конструктивные типы механизированных крепей и их классификация

Все механизированные крепи по основным функциональным критериям и их взаимодействия с боковыми породами можно разделить на оградительные, поддерживающие, оградительно-поддерживающие, поддерживающе-оградительная.

Оградительные крепи(Рисунок 5) имеют одну основную функцию-ограждение рабочего пространства лавы от проникновения в него обрушенных пород кровли. Эти крепи не имеют элементов для поддержания кровли. Конструктивно они наиболее просты и наименее металлоемки, но имеют ограниченную область применения. Они не исключают проникновения в рабочее пространство пород кровли, обрушающихся по линии забоя пласта.

Секция оградительной крепи состоит из основания, гидродомкрата для передвижения крепи и конвейера , двух стоек и ограждающего щитового перекрытия.

Рисунок 5-Оградительная крепь

Поддерживающие крепи (Рисунок 6) выполняют две основные функции: управление горным давлением и поддержание кровли в рабочем пространстве лавы. Секции крепи этого типа имеют основание, от двух до шести гидравлических стоек, один или два гидродомкрата передвижения ,верхнее перекрытие и оградительный элемент , выполненный в виде вертикально расположенного щитка.

Основное преимущество поддерживающих крепей заключается в том, что они сохраняют устойчивость пород кровли над рабочим пространством и обеспечивают управление горным давлением способом полного обрушения за поддерживающей частью крепи. Поддерживающие крепи крепи получили широкое применение на пластах мощностью менее 1.8 м.

Рисунок 6-Поддерживающая крепь

Оградительно-поддерживающие крепи (Рисунок 7) выполняют все три функции: управление горным давлением, поддержание кровли в рабочем пространстве и ограждение его от проникновения обрушающихся пород кровли. Оградительный элемент преобладает над поддерживающим . Крепи этого типа получили широкое распространение в нашей стране и применяются при разработке пологих пластов мощностью 1.8-3.5 м с легкообрушающимися породами кровли.

Секция оградительно-поддерживающей крепи состоит из основания, четырехзвенника, щитового перекрытия , козырька , одной наклонной гидростойки и гидродомкрата передвижения . Основным преимуществом крепей этого типа является небольшая ширина полосы поддерживаемых пород кровли в призабойном пространстве , что уменьшает нагрузку на крепь , позволяет увеличить ширину секции крепи и улучшить ее устойчивость. Недостатком является сравнительно малое рабочее пространство , что затрудняет размещение оборудования, перемещения людей и проветривание лавы.

Рисунок 7- Оградительно-поддерживающая крепь

Поддерживающе-оградительные крепи (Рисунок 8) выполняют те же функции , что и оградительно-поддерживающие, но поддерживающий элемент у них преобладает над оградительным. Крепи этого типа применяются при разработке пологих пластов мощностью 1.4-3.2 м как с легко обрушающиеся , так и устойчивыми породами кровли.

Секция крепи состоит из основания, четырехзвенника, щитового перекрытия , верхнего перекрытия, двух гидростоек и гидродомкрата передвижения.

Основным преимуществом поддерживающе-оградительных крепей перед оградительно-поддерживающими является большее рабочее пространство , позволяющее более удобно расположить оборудование и обеспечить свободный проход для людей.

Рисунок 8- Поддерживающе-оградительная крепь

По характеру взаимодействия крепи с породами кровли различают крепи:

-теряющие контакт с кровлей при передвижке секций

-передвигаемые без потери контакта с кровлей

-с регулируемым сопротивлением, позволяющим управлять горным давлением и отжимом угля

По структурной схеме различают крепи комплектные и агрегатные.

Комплектная крепь-это совокупность двух или трех секций, соединенных между собой кинематическими связями и гидродомкратами передвижки. Комплекты не связаны друг с другом и с конвейером. К комплектным относятся, например, крепи МК97, МК98, 1МКС.

Комплект крепи МК97 (Рисунок-9) состоит из двух двухстоечных секций , связанных между собой гидродомкратом передвижения двойного действия. Домкрат расположен у кровли пласта . Он осуществляет последовательное передвижение секций по принципу шагания с отталкиванием их одна от другой. Перед передвижением секции распор с нее снимается и опоры поднимаются вверх. При этом секция 1 повисает на соседней секции 2, которая неподвижно расперта между кровлей и почвой пласта. Далее секция 1 перемещается к забою гидродомкратом и распирается между почвой и кровлей пласта в новом положении. Аналогично осуществляется затем передвижение секции 2.

Рисунок 9-Комплектная механизированная крепь МК97

К преимуществам комплектной крепи следует отнести: возможность преодоления небольших геологических нарушений, возможность изменять шаг передвижки крепи, так как крепь не связана с конвейером, свободное перемещение рабочих по почве пласта, которая не загромождена гидродомкратами передвижения, основаниями секций и т.д. , большая маневренность.

Недостатком комплектной крепи является сложность автоматизации ее работы.

Агрегатная крепь- это механизированная крепь , секции которой имеют кинематические связи друг с другом по всей длине лавы , обеспечивающие взаимодействие секций при их передвижении. Агрегатные крепи получили наибольшее применение. К ним относятся крепи «Донбасс», КМ87УМ, 1МКМ, ОКП и др. Работа этих крепей может быть автоматизирована.

По технологическим критериям механизированные крепи можно классифицировать:

а)по способу перемещения всей крепи комплекса- фронтальное сразу по всему фронту забоя и фланговое (волновое перемещение с фланга)

б) по последовательности передвижения секций- последовательное(одна за другой) и линейно-шахматное через одну, что позволяет ускорить почти в двое время на передвижку секций и благодаря этому увеличить скорость выемки угля комбайном

в) по способу перемещения секций – скользящее по почве пласта, на гусеничном ходу, шагающая .

2 Задача на проектирование механизированной крепи с встроенным исполнительным органом

2.1 Общие сведения

Разработка мощных угольных пластов на всю их мощность производится либо щитовыми системами, либо системой подэтажных штреков. При щитовых системах выемка угля осуществляется под защитой специальных щитов (секционных щитов). Отбойка угля под щитом производится с помощью буровзрывных работ. Следует отметить, что при увеличении мощности пласта управлять щитом становится сложно, увеличиваются потери угля и растет объем подготовительных работ.

Для решения данных проблем была спроектирована механизированная крепь с встроенным исполнительным органом, которая предназначена для увеличения вынимаемой мощности пласта.

Механизированная крепь имеет фронтальный исполнительный орган ,котрый с помощью гидродомкратов передвижения соеденены с балкой передвижения.

Для направления отбитого угля ,выпускаемого из подкровельной толщи ,в каждой секции установлен специальный лоток , изготовленный из конвеерной ленты.На концевых секциях смотрены торцевые щиты, предназначенные для предотвращения попадания породы и угля в секцию крепи со стороны предохранительных целиков.Балка пердвижения состоит из восьми элементов и семи переходных соединительных звеньев.К каждому элементу балки приварены восемь специальных промоушин для домкратов передвижения секций крепи. Соединительные переходные звенья балки передвижения секции обеспечивают необходимую гибкость в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Рисунок 10 –Механизированная крепь с исполнительным органом: 1-Козырек,2-исполнительный орган,3-перекрытие,4-гидростойка перекрытия,5-гидростойка исполнительного органа,6-основание,7-гидродомкрат.

2.2 Постановка задачи

Задачей данного курсового проекта является проектирование и силовой анализ механизированной крепи с встроенным исполнительным органом. Данную задачу решим при помощи программного пакета Adams, в котором мы спроектируем крепь с встроенным исполнительным органом на базе механизированной крепи «Глиник15/29»,а также произведем силовой анализ данной крепи в условиях поддержания кровли.

Крепь Глиник 15/29 создана на базе механизированной крепи Глиник 22/08 ПОЗ ВЗМ и предназначена для крепления и управления кровлей полным обрушением  в лавах с вынимаемой мощностью 1,7…2,8 м, с углами падения от 00 до 350 – по простиранию и ±150 по падению при средних и легкообрушиваемых  кровлях. Крепь снабжена механизмами для стабилизации  конвейера и верхняков, а так же для коррекции и подъема основания, что позволяет облегчить передвижку крепи при слабых почвах. Концевые секции снабжены отклоняющими выдвижными щитами (козырьками) для удержания и предотвращения попадания пород кровли под секции крепи. Для облегчение процесса управление кровлей в забое верхняки снабжены выдвижными отклоняющимися козырьками  с щитами удержания груди забоя.

Глиник15/29 состоит :1 - перекрытие;  2,3 - полуоснования; 4 -  ограждение; 5 - балка передвижения секции крепи и конвейера; 6 - гидростойка двойной раздвижности; 7 - угловой  гидродомкрат-стабилизатор; 8 - гидродомкрат выдвижного борта ограждения; 9 - гидродомкрат передвижки секции крепи забойного конвейера; 10 - устройство корректировки положения основания секции крепи; 11 - блок управления секцией; 12 - передняя траверса направляющего механизма; 13 - завадбная траверса направляющего механизма; 14,15,16 - узел крепления траверс в основании; 18 - узел механизма выдвижного борта на проставке; 19 -щит ограждения забоя; 20 - гидродомкрат щита ограждения забоя; 21 - гидроподжимная выдвижная консоль перекрытия; 22 -гидродомкрат гидроподжимной консоли перекрытия.

Рисунок 11- Крепь «Глиник15/29»

Основные технические характеристики приведены в таблице 4.

Параметры

Значение

1

Минимальная конструктивная высота, мм 

1500

2

Максимальная конструктивная высота, мм 

2900

3

Рабочее сопротивление секции, кН

3078-3490

4

Вынимаемая мощность, м

1,7-2,8

5

Максимальная удельная нагрузка на кровлю, МПа

линейная секция

переходная секция

концевая секция

0,623

0,584

0,543

6

Максимальная нагрузка на почву, МПа 

1,655

7

Шаг установки секции, м

1,5

8

Шаг передвижки секции, м

0 ,65

9

Рабочее давление, МПа

25-30

10

Усилие передвижки крепи, кН 

357-429

11

Усилие передвижки конвейера, кН 

163-294

12

Масса крепи, кг 

13400

Таблица 4 –Технические характеристики крепи «Глиник15/29»

3 Введение в Adams

3.1 Назначение Adams

ADAMS/View предназначен для создания, тестирования и оптимиза- ции работы моделей механизмов и конструкций, состоящих из абсолютно твердых тел и их соединений (шарниров, нитей, пружин и т.д.).

Пакет Adams функционально состоит из трех основных частей:

1. Предпроцессор – программа позволяющая задавать геометрические и физические параметры модели, а так же начальные и граничные условия. Обычно в предпроцессор закладываются геометрические и физические свойства простейших элементов и материалов. Можно 4 сказать, что предпроцессор это с одной стороны, графический редактор, где изображение строится по уже готовым эскизам, с другой стороны это инструмент для задания всех исходных данных модели. Кроме того, предпроцессор отвечает за импорт данных из других вычислительных пакетов. Это позволяет для решения составной за- дачи использовать несколько различных вычислительных пакетов, применяя к каждой части задачи именно тот пакет, который дает наиболее точное решение.

2. Процессор или решатель (solver) это программа, предназначенная для численного решения уравнений, описывающих поведение созданной модели, с исходными данными, заданными в предпроцессоре. Один и тот же решатель может использовать различные методы интегрирования уравнений. В вычислительном пакете можно использовать различные решатели по желанию пользователя.

3. Постпроцессор отвечает за обработку результатов вычислений. Он используется для построения графиков, различных величин. Экспорта числовых и графических данных, построения анимационных роликов для наглядного представления работы модели.

3.2 Общие принципы создания моделей

Виртуальные модели, которые отображают реальные механизмы, в ADAMS конструируются из отдельных частей (Parts). Часть представляет некоторый набор заранее заданных первичных объектов (линии, цилиндры, параллелепипеды, пружины и др.). Часть в целом рассматривается как физический объект, который может иметь или не иметь массу, моменты инерции, скорость и так далее. Составляющие часть объекты определяются лишь геометрическими характеристиками и связями между собой. Все характеристики можно задавать при создании или изменять в процессе работы.

В ADAMS существуют следующие основные типы первичных объектов:

- твердые тела. Объекты, которые имеют массу и моменты инерции;

- примитивы. Тела, которые не имеют массы и характеризуются только геометрическими размерами (линии, дуги, сплайны и др.);

- точечные массы. Такие тела не имеют размеров, моментов инерции и характеризуются только своей массой;

- гибкие тела. Они имеют массу и моменты инерции и могут изгибаться под действием внешних сил;

- кроме того, ADAMS имеет специальный объект «земля», или «фундамент», который присутствует в любой модели.

3.3 Основные меню команд и панели инструментов

Управление ADAMS осуществляется при помощи верхнего меню. Кроме того, для удобства на экран можно вывести различные панели инструментов. Обычно после начала работы на экране присутствует главная панель инструментов (Main toolbox) . С ее помощью можно создавать различные конструкции, проводить расчеты движения с одновременной анимацией. Эта панель состоит из двух частей - «Набора инструментов» и «Панели управления просмотром», которая позволяет рассматривать создаваемую модель с различных позиций.

Во время работы с ADAMS на экране могут присутствовать следующие окна:

- координатное окно - в нем отображаются текущие координаты курсора. Оно вызывается клавишей F4 или с помощью пунктов верхнего меню View/Coordinate Window;

- для показа выполняемых команд ADAMS используется командное окно. Оно вызывается клавишей F3 или с помощью пунктов верхнего меню View/Command Window;

- для просмотра текущих сообщений о результатах работы используется окно сообщений Message Window. Оно вызывается с помощью пунктов верхнего меню View/Message Window.

- кроме того, на экране всегда присутствует рабочее окно или рабочая плоскость, на которой выполня- ется создание и тестирование моделей.

4 Проектирование механизированной крепи в Adams

Открываем программный пакет Adams и создаем новую модель

В верхнем меню выбираем команду « RigidBody:Link»

В появившемся окне, меняем команду «New part» на «On ground» , так как основание должно быть не подвижно, проставив все галочки устанавливаем размеры основания.

В результате получаем основание

Аналогично строем нижнюю траверсу лимнискатного механизма

Потому же принципу строем ограждение

Далее достраиваем верхнюю траверсу лимнискатного механизма

Аналогично достраиваем перекрытие и козырек

В результате получаем механизированную крепь в 3d

С помощью команды «Create a Revolute joint» устанавливаем шарнирную связь элементам

Выбираем в верхнем меню «Simulation» чтобы проверить правильно ли расставлены шарнирные связи

Проверяем в 2d , результат положительный, все связи расставлены верно

Для уверенности проверяем в 3d,в результате все связи расставлены верно

С помощью команды « RigidBody:Link» достраиваем недостающие элементы

Устанавливаем на достроенные элементы одну шарнирную и две поступательной связи, поступательную связь устанавливаем с помощью команды «Create a Translational joint»

На этом геометрическое построение закончено, результат построения в 3d преставлен ниже

Заходим в свойство элемента, выбираем вкладку «Modify» и меняем массу элемента

Аналогично изменяем массу остальных элементах

Устанавливаем силу распора гидростойки

Проводим симуляцию

Останавливаем в рабочем положении

Получаем графики после испытания

Заключение

Механизированная крепь предназначена для поддержания боковых пород в призабойном пространстве. Для разработки мощных пластов используется механизированная крепь с встроенным исполнительным органом. Исполнительный орган предназначен для увеличения вынимаемой мощности пласта.

В данной работе я спроектировал и провел силовой анализ механизированной крепи с встроенным исполнительным органом на базе механизированной крепи «Глиник15/29» . В таком исполнении крепь лучше поддерживает кровлю и на ~ 30 % легче крепи, спроектированной в традиционном исполнении.

В результате написания работы сделал вывод, что исполнительный орган в таком необходим для выемки горных пород из мощных пластов, так как с его помощью можно увеличить производительность механизированного комплекса в целом и обеспечить безопасность рабочих в отличии от других прототипов данной крепи.

Список использованной литературы

Бейсембаев К.М.: Методическое указание по выполнению курсового проекта

Васючков Ю.В. Горное дело – М. Недра, 1989 .с. 175-181

Яцких В.Г., Спектор Л.А., Кучерявый А.Г. Горные машины и комплексы-  Недра, 1984. - 400 с

http://mmm.samsu.ru/polyakov/adams/Adams_pos_new.pdf

http://www.yumz.ru/

Жетесова Г.С. Анализ разрушений и деформаций элементов конструкций механизированных крепей //Труды университета. Выпуск 1. – Караганда: Изд-во КарГТУ, 2002, – С. 9-11.

Хорин В.Н., Мамонтов С.В., Каштанова В.Я. Гидравлические системы механизированных крепей. – М.: Недра, 1971. – 288 с.

Бейсембаев К.М., Дёмин В.Ф., Жетесов С.С., Малыбаев Н.С., Шманов М.Н Практические и исследовательские аспекты разработки горных машин в 3 d монография. Караганда, 2012, изд-во КарГТУ, 135с.

Кудинов В.А., Карташов Э.М. Гидравлика / Москва, «Высшая школа», 2007, 199с.

Просмотров работы: 3