XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

 

Эффективность работы очистных забоев в значительной степени зависит от состояния пород кровли и почвы. Состояние же пород определяется их свойствами и структурой, а также, что не менее важно, типами и параметрами крепей, порядком и последователь­ностью их установки или передвижения.

Установленная в очистном забое крепь непрерывно взаимодей­ствует с непосредственной кровлей и периодически — с основной кровлей (по мере увеличения ее консоли и обрушения). В определен­ных условиях основная кровля не оказывает влияния на поведение непосредственной кровли и тогда крепь в очистном забое взаимо­действует лишь с непосредственной кровлей.

Непосредственная кровля в процессе деформаций, обусловлен­ных нарушением состояния равновесия пород при выемке, расслаи­вается и растрескивается и отдельные ее части теряют связь между собой. В таком случае породы непосредственной кровли всем своим весом оказывают давление на крепь и крепь должна воспринимать эту нагрузку, т. е. работать в режиме заданной на­грузки. В кровле могут залегать мощные прочные породы, опусканию которых в процессе выемки неспособна воспрепятство­вать никакая экономически целесообразная крепь. В таком случае говорят, что крепь работает в режиме заданной дефор­мации. Режим заданной деформации наблюдается также тогда, когда прогиб основной кровли превышает прогиб непосредственной кровли и весь вес пород основной кровли передается на непосред­ственную кровлю.

Работа крепи в режиме заданной нагрузки возможна при условии удержания сравнительно небольшой пачки пород, вес которой не превышает рабочего сопротивления крепи. Работа крепи в ре­жиме заданной деформации связана со сдвижением больших площа­дей вышележащей толщи кровли в нетронутом массиве и в вырабо­танном пространстве. Величина и скорость опускания массива определяется суммарным сопротивлением тех опор, которые воспри­нимают его вес, т. е. опорных целиков, закладочного массива, обру­шенных пород, крепи и т. п. Доля сопротивления крепи в общем сопротивлении очень мала, и как бы ни увеличивалось ее рабочее сопротивление, крепь не окажет сколько-нибудь заметного влияния на величину и скорость опускания всего массива пород.

1 Механизированные крепи

1.2 Классификация механизированных крепей и их составные части

Крепь, предназначенная для поддержания боковых пород над призабойным пространством очистной выработки, сохраняющая его в рабочем и безопасном состоянии и обеспечивающая механизацию процессов крепления и управления кровлей и передвижение забойного оборудования, называется механизированной. Все современные механизированные крепи гидрофицированы.

Гидропривод такой крепи включает: насосы постоянной производительности 1, рабочую жидкость, трубопроводы 2, 3, распределительные и регулирующие устройства 4, гидродомкраты передвижения секций 5 и исполнительные органы крепи – гидростойки 6 (рис. 1.).

Рисунок 1.

В качестве рабочей жидкости используется водомасляная эмульсия, состоящая из 98% воды и 2% специальной присадки.

В качестве критерия классификации механизированных крепей по разным признакам приняты:

-  по способу взаимодействия с боковыми породами;

-  по схеме передвижки секций;

-  по наличию кинематических связей между элементами крепи и другими машинами комплекса.

Механизированные крепи по характеру взаимодействия с боковыми породами подразделяются на: поддерживающие, оградительные, поддерживающе-оградительные и оградительно-поддержи­вающие (рис. 2.).

Рисунок 2 - Типы механизированных крепей по способу взаимодействия с боковыми породами. 1- несущие стойки, 2- поддерживающая часть перекрытия,3- основные крепи,4- ограждающая часть.

К первому типу относятся крепи, поддерживающие породы в пределах всего рабочего пространства очистного забоя.

Оградительные крепи защищают рабочее пространство от проникновения в него обрушенных пород.

Поддерживающе-оградительные крепи в основном под­держивают породы кровли в очистном пространстве, а оградительная часть препятствует проникновению обрушенных пород кровли со стороны выработанного пространства.

Передвижка механизированных крепей может осуществляться по следующим схемам:

-  фланговая схема, когда передвижка осуществляется поочередно вслед за подвиганием комбайна;

-  фронтальная схема – передвижка осуществляется одновременно по всей длине забоя;

-  групповая схема – передвижка секций в “шахматном” порядке, через одну.

Схема передвижки секций зависит как от их конструктивных особенностей, так и от конкретных горно-геологических условий.

По кинематическим связям механизированные крепи разделяются на комплектные и агрегатные. Комплектные крепи не имеют связей между комплектами и забойным конвейером.

Агрегатные крепи имеют силовые связи между собой и с забойным конвейером.

Более маневренными, мобильными, легко заменяемыми, независимыми являются комплектные крепи. Но они менее устойчивы и требуют дополнительных операций по передвижке конвейера.

Рисунок 3 - Поддерживающая крепь.

Рисунок 4 - Поддерживающе-оградительная крепь.

Рисунок 5 - Оградительная крепь

Механизированные крепи поддерживающего типа являются агрегатными или комплектными. Оградительные, оградительно-поддерживающие и поддерживающе-оградительные крепи являются в основном агрегатными.

Кроме того, механизированные крепи подразделяются на крепи с “резервированием хода” на шаг передвижки (готовые передвинуться к конвейеру и затем передвинуть его) и “без резервирования хода” (готовые передвинуть конвейер, а затем передвинуться к забою). У последних, как правило, имеются выдвижные верхняки, осуществляющие временное крепление свежих обнажений.

Применение тех или иных типов механизированных крепей зависит, прежде всего, от категории пород кровли и почвы по устойчивости и обрушаемости, а также от угла падения угольного пласта.

К механизированным крепям предъявляются следующие требования:

-  надежное обеспечение поддержания кровли в призабойном пространстве;

-  управление кровлей со стороны выработанного пространства очистного забоя;

-  защита призабойного пространства от проникновения обрушенных пород;

-  механизированная передвижка конвейера как вслед за подвиганием комбайна, так и одновременно по всей длине лавы;

-  скорость передвижки крепи должна быть не менее скорости движения комбайна;

-  обеспечение свободного прохода для людей шириной не менее 0,7 м и высотой 0,4 м.

Механизированная крепь состоит из следующих основных элементов:

-  поддерживающие – перекрытие кровли пласта, поддерживающее ее и предотвращающее высыпание пород в призабойном пространстве;

-  несущие – гидравлические стойки одинарной или двойной раздвижности;

-  опорные – цельное основание секций или опоры несущих гидравлических стоек;

-  защитные или оградительные, предотвращающие попадание со стороны выработанного пространства обрушенной породы;

-  гидродомкраты передвижки и управления перекрытиями.

Поддерживающие элементы крепи выполнены в виде цельнометаллического перекрытия с рессорными консолями, с выдвижными верхняками и опорами, поддерживающими верхнюю пачку угольного пласта от обрушения.

Несущие элементы – гидравлические стойки. Механизированные крепи могут быть одностоечными, рамными и кустовыми. В зависимости от числа рядов стоек они бывают однорядными, двухрядными и трехрядными.

На тонких и средней мощности пологих и крутых пластах рекомендуется применять крепи двойной гидравлической раздвижности и постоянного сопротивления. При распоре такой стойки вначале выдвигается первая ступень, затем вторая. В момент распора реакция стоек составляет 100...400 кН. По мере роста внешней нагрузки реакция возрастает до рабочего сопротивления.

Давление, при котором срабатывает предохранительный клапан и происходит эффект податливости, составляет около 50 МПа. Предохранительный клапан служит для обеспечения заданного сопротивления стоек сближающимся боковым породам, а также для предохранения основных элементов крепи от перегрузки.

Гидродомкраты механизированных крепей выполняют функции по передвижению секций, базовых элементов, конвейера, выдвижных или подвижных элементов перекрытия и др.

По характеру работы гидродомкраты бывают одностороннего и двустороннего гидравлического действия. По характеру конструкции – одинарной и двойной раздвижности. Наибольшее применение нашли гидродомкраты одинарной раздвижности. Раздвижность гидродомкрата равна ширине захвата выемочной машины или кратна ей.

Все механизированные крепи по основным функциональным критериям и их взаимодействию с боковыми породами можно раз­делить на оградительные, поддерживающие и оградительно-под­держивающие. В оградительно-поддерживающих крепях воз­можно преобладание поддерживающей части (тогда эти крепи на­зываются поддерживающе-оградительными) или, наоборот, огра­дительной (оградительно-поддерживающие крепи). Соотношение этих функций можно установить величиной проекции поддержи­вающих и оградительных элементов на плоскость почвы пласта.

Оградительные крепи имеют одну основную функ­цию — ограждение рабочего пространства лавы от проникнове­ния в него обрушенных пород кровли. Эти крепи не имеют эле­ментов для поддержания кровли (Ln = 0). Конструктивно она наиболее просты и наименее металлоемки, но имеют ограничен­ную область применения. Они не исключают проникновения в рабочее пространство пород кровли, обрушающихся по линии за­боя пласта. В СССР применяется только один тип оградительной крепи — КТУ при слоевой выемке мощных (6—15 м) пологих пластов для отработки нижнего слоя мощностью 2,4—2,7 м.

Поддерживающие крепи выполняют две основные функции: управление горным давлением и поддержание кровли в рабочем пространстве лавы. Секции крепи этого типа имеют ос­нование / (или другие опорные элементы), 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 получили широкое применение на пла­стах мощностью менее 1,8 м.

Оградительно-поддерживающие крепи 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 (ОКП) с легкообрушающимися породами кровли.

Секция оградительно-поддерживающей крепи состоит из ос­нования , четырехзвенника , щитового перекрытия  (огради­тельный элемент), козырька  (поддерживающий элемент), 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, перемещение людей и проветривание лавы.

Поддерживающе-оградительные 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 обрушающимися, так и устойчивыми породами кровли.

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

1.3 Особенности механизированных крепей на крутых и наклонных пластах

При подвигании лав по простиранию на крутых  и наклонных пластах крепь и весь выемочный комплекс сползают по падению пласта под влиянием гравитационных сил и сдвижения вмещающих пород.

Чтобы предотвратить сползание и опрокидывание секций, их увязывают в единую кинематическую систему и производят передвижение крепи с активным подпором, путем последовательного передвижения секций подтягиванием их к предварительно передвинутой базе крепи с опорой на соседние секции.

При разработке крутых пластов одним из перспективных направлений является применение комплексов и агрегатов с щитовой оградительно-поддерживающей крепью, работающих по падению пласта. Опускание щитовых крепей осуществляется путем принудительного подтягивания их к конвейеростругу. Особенностью такой крепи является то, что ее секции опираются на забой не у почвы пласта, а в его середине через маятниковые опоры, проходящие через балку конвейероструга. Перед посадкой крепи направляющая балка конвейероструга выдвигается в крайнее положение к забою и закрепляется с помощью посадочных стоек, а затем к ней одновременно по всей лаве подтягиваются секции крепи.

Передвижка крепи осуществляется в два этапа. На первом этапе снимается распор с вспомогательной секции комплекта, включаются гидродомкраты передвижки, производится перемещение секции на забой и её распор. На втором этапе снимается распор с основных секций, включаются гидродомкраты передвижки вспомогательных секций на складывание, происходит одновременная фронтальная передвижка основных секций и их распор.

Для разработки угольных пластов в самых разнообразных горно-геологических условиях созданы и прошли промышленные испытания крепи различных типов, но далеко не все они нашли применение на шахтах из-за различного рода конструктивных недоработок или в силу других причин. Сведения об этих крепях имеются в специальной справочной литературе.

2. Код для проектирование для Ansys

Неравномерность работы шахты, элементы теории вероятности и массового обслуживания. Неравномерность работы шахты, элементы теории вероятности и массового обслуживания. Вероятностный характер контактирования верхняков крепи

Rзв

Rзб

F

Уступы пород над крепью

Разделение участков пласта на 3 части

Трещина в глубине пласта от изгиба уступа

Модель крепи

Породы почвы

/NOPR ! переход к 3 д моделированию

/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 !включить препроцессор

/UNITS,SI!переход в систему си

ET,1,SOLID92 ! выбор конечного элемента

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0 !отключить температуру

!сталь- гидро

MPDATA,EX,1,,2e8!модуль упругости

MPDATA,PRXY,1,,0.25! коэффициент Пуассона

MPDATA,DENS,1,,7000 !Плотность

!уголь 2

MPDATA,EX,3,,3e8 !модуль упругости

MPDATA,PRXY,3,,0.35! коэффициент Пуассона

MPDATA,DENS,3,,3000 !Плотность

!уголь 3

MPDATA,EX,2,,7e8 !модуль упругости

MPDATA,PRXY,2,,0.35! коэффициент Пуассона

MPDATA,DENS,2,,3000 !Плотность

!уголь 4 и порода почвы, земная поверхность и за лавой

MPDATA,EX,4,,3e10!модуль упругости

MPDATA,PRXY,4,,0.35! коэффициент Пуассона

MPDATA,DENS,4,,3000 !Плотность

!5 порода слоем,

MPDATA,EX,5,,3e9!модуль упругости

MPDATA,PRXY,5,,0.35! коэффициент Пуассона

MPDATA,DENS,5,,3000 !Плотност

! Геометрия

X1=0

X2=100

Y1=0

Y2=20

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

! Уголь 3

X1=0

X2=10

Y1=20

Y2=23

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

! Уголь 2

X1=10

X2=15

Y1=20

Y2=23

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

! Уголь 1

X1=15

X2=17

Y1=20

Y2=23

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

! Кровля

X1=0

X2=25

Y1=23

Y2=32

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

! Основная кровля

X1=0

X2=6

Y1=32

Y2=47

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

! Основная кровля после трещины

X1=6.1

X2=34

Y1=32

Y2=47

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

! Основная кровля Б

X1=0

X2=39

Y1=47

Y2=67

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

! Земная поверхность

X1=0

X2=100

Y1=67

Y2=170

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

! Порода в выработанном пространстве

X1=44

X2=100

Y1=20

Y2=67

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

vglue,all

lesize,27,0.15

lesize,39,0.15

lesize,129,0.15

lesize,130,0.15

lesize,30,0.15

lesize,42,0.15

lesize,132,0.15

lesize,131,0.15

lesize,35,0.15

lesize,47,0.15

lesize,34,0.15

lesize,46,0.15

lesize,127,0.2

lesize,126,0.2

lesize,125,0.2

lesize,128,0.2

lesize,18,0.2

lesize,15,0.2

lesize,22,0.2

lesize,23,0.2

!отслоение

X1=7

X2=34

Y1=46.9

Y2=47

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

vsbv,16,1

!отслоение

X1=6

X2=6.1

Y1=23

Y2=32

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

VSBV, 20, 1

!крепь

X1=17.2

X2=21.2

Y1=20

Y2=23

Z1=0.14

Z2=1.36

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

vglue,all

!отслоениеот зем повер

X1=7

X2=39

Y1=66.9

Y2=67

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

VSBV, 18, 3

!трещина 3

X1=6

X2=6.1

Y1=47

Y2=67

Z1=0

Z2=1.5

block, X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2

VSBV, 7, 3

! уголь 2

Type,1

Mat,3

Vmesh,13

! уголь 3

Type,1

Mat,2

Vmesh,12

! крепь

Type,1

Mat,1

Vmesh,1

! породыслоев

type,1

mat,5

VMESH, 9

VMESH, 8

VMESH, 16

VMESH, 5

VMESH, 2

VMESH, 14

! почва, до зем. пов, уголь 4, за лавой

Type,1

Mat,4

Vmesh,4

Vmesh,6

Vmesh,17

VMESH, 15

На рисунке 2.1. показано моделирование горного массива, с выработкой.

Рисунок 2.1.

На рисунке 2.2 придают объем.

Рисунок 2.2.

На рисунке 2.3. показана максимальная нагрузка, которую нужно компенсировать секцией механизированных крепей.

Рисунок 2.3.

Заключение

В данной курсовой работе был произведен расчет и проектирование горного массива, в ходе которого было выяснено какая нагрузка приходится на всех уровнях шахты.

При проведении выработки в окружающем ее массиве происходит перераспределение напряжений в соответствии с законами механики сплошной среды. Силы, которые возникают в окружающих породах в результате проведения выработки, называют горным давлением.

Различные механические явления, которые происходят в результате воздействия горного давления (деформация пород и крепи, обрушения, вывалы, выдавливание почвы и др.), называются проявлениями горного давления.

При этом в зависимости от соотношения величин возникающих напряжений и механических свойств пород возможно протекание двух типов деформационных процессов:

массив деформируется в пределах упругости или в нем возникают деформации ползучести, не приводящие к разрушению пород (напряжения не превышают длительную прочность пород);

массив деформируется с разрушением пород, и вокруг выработки образуется зона неупругих деформаций (действующие напряжения превышают длительную прочность пород).

Упругие деформации вызывают незначительные смещения контура породного обнажения, и выработка в этом случае может эксплуатироваться без несущей крепи.

В случае образования зоны неупругих деформаций равновесие системы "крепь - массив" наступает при определенных смещениях контура выработки и отпоре (реакции) крепи, причем, чем больше податливость крепи, тем меньший отпор от нее требуется.

Исходя из данного механизма взаимодействия системы "крепь - массив" в различных горно-геологических условиях, можно выделить два основных режима работы крепи: режим заданной нагрузки и режим взаимовлияющей деформации.

Режим заданной нагрузки имеет место, когда давление на крепь определяется массой пород, отслоившихся от массива, и не зависит от деформаций породного контура и крепи. Режим взаимовлияющей деформации предполагает совместную работу крепи и массива, при которой нагрузка на крепь определяется ее деформацией в процессе взаимодействия со смещающимся массивом.

Список использованной литературы

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

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

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

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

5. http://www.yumz.ru/

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

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

8. 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.

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

10.Поляков К.А. Создание виртуальных моделей в пакете прикладных программ ADAMS , учебное пособие, Самара 2003, электронный вариант

Код для цитирования: Скопировать