Обґрунтування параметрів транспортно-технологічних схем своєчасної підготовки виїмкових стовпів при експлуатації високонавантажених лав

Abstract

Дисертація присвячена встановленню експлуатаційних параметрів транспортно-технологічних схем доставки великотоннажних та негабаритних вантажів до підготовчих вибоїв дільничних виробок і монтажних камер з використанням нетрадиційних для шахт Західного Донбасу дизельних підвісних монорейкових доріг для своєчасної підготовки нових виїмкових стовпів в складних умовах шахтового середовища. В роботі розглянуто стан існуючих транспортно-технологічних систем (ТТС) вугільних шахт України та інноваційних технічних рішень на закордонних гірничодобувних підприємствах, наведені напрями використання потенційних резервів. Виконано оцінку математичних і комп’ютерних моделей для визначення особливостей транспортування великотоннажних вантажів Проведений аналіз особливостей підготовки виїмкових стовпів при експлуатації високонавантажених лав та сучасних тенденцій розвитку технології комбайнового проведення пластових підготовчих виробок дозволив визначити потенційні їх резерви, наукові і проектні рішення з удосконалення технологічних схем допоміжного транспорту для специфічних умов шахт Західного Донбасу та сформувати завдання дисертаційного дослідження. В умовах багатоваріантності можливих проектних рішень при підготовці запасів вугілля до очисного виймання очевидною стає проблема адаптації технологічних схем транспортування великотоннажних вантажів в протяжних пластових виробках з породами підошви схильними до здимання. Експертна оцінка комбайнового способу швидкісного проведення виробок дозволила встановити, що в реальних умовах шахтового середовища на

темпи проведення підготовчих дільничних виробок найбільш істотно впливають експлуатаційні показники транспортно-технологічних схем, їх адаптаційна здатність, а також гірничо-технічні та організаційні фактори, характерні для конкретно розглянутої ділянки шахти. В зарубіжній практиці гірничопрохідницьких робіт найбільш поширеними вважаються технологічні схеми допоміжного транспорту з використанням дизельних підвісних монорейкових доріг (ПДМ) та самохідних вантажно- доставних машин нового покоління. Відсутність подібних технічних рішень у вітчизняній практиці комбайнового проведення пластових підготовчих виробок обумовили необхідність виконання спеціальних досліджень щодо вибору та обґрунтування принципів дії, параметрів і конструкції нетрадиційних для шахт України транспортних засобів нового покоління. При обґрунтуванні транспортно-технологічних схем своєчасної підготовки фронту очисних робіт до першочергових завдань дослідження були віднесені: визначення потенційних резервів традиційних для регіону транспортно-технологічних схем підготовки запасів до очисного виймання; оцінка впливу коефіцієнта оборотності вагонеток у транспортних виробках зі знакозмінним профілем шляху на темпи їх проведення; підвищення показників експлуатаційної надійності традиційних колісно-рейкових видів транспорту для розширення їх функцій в специфічних умовах шахт регіону; обґрунтування інноваційних технічних рішень на розробку енергозберігаючої транспортно- технологічної системи доставки великотоннажних вантажів до підготовчих вибоїв і монтажних камер; розробка і впровадження вихідних вимог на проєктування високоадаптивних технологічних схем допоміжного транспорту на базі використання гірничотранспортного обладнання високого технічного рівня. Для підвищення пропускної здатності діючих ТТС на зарубіжних підприємствах галузі використовують сучасне самохідно-доставне обладнання та підвісні монорейкові локомотиви з дизельним приводом. Перевагами цього обладнання є багатофункціональність, висока мобільність і наявність бортової

системи контролю, яка фіксує зміни технічного стану механізмів і терміново сповіщає про це оператора. Проведеними дослідженнями встановлено, що не зважаючи на високі техніко-економічні характеристики машин зарубіжного виробництва, у підприємств-споживачів імпортного обладнання постійно виникають проблеми з підтримкою їх технічного стану та необхідністю заміни дефіцитних вузлів і агрегатів, що виходять з ладу в процесі експлуатації. Порівняльна оцінка експлуатаційних параметрів зарубіжного самохідного обладнання, що застосовується в умовах вітчизняних підприємств суміжних галузей, з показниками роботи аналогічних зразків за кордоном дозволила констатувати, що застосування високотехнологічного гірничотранспортного обладнання без врахування особливостей розробки вугільних покладів не дозволяє досягти планованих показників і реалізувати його конкурентоспроможність. За результатами експертної оцінки технічних характеристик і експлуатаційних показників конкурентних засобів допоміжного транспорту, що ефективно використовуються на зарубіжних і вітчизняних підприємствах галузі, для швидкісного проведення пластових підготовчих виробок з породами підошви, схильними до здимання перевагу віддано підвісним монорейковим дорогам з дизельним локомотивом. Дослідженнями технічного стану пластових підготовчих виробок, оснащених ПДМ, були виявлені локальні - потенційно небезпечні зони зсуву гірських порід в межах верхняків несучих рам аркового кріплення та деформації монорейкового поставу і зміни його просторового положення, що виникали при різних режимах роботи та швидкостях рухомого складу. Результати шахтних спостережень режимів роботи монорейкових систем в умовах інтенсифікації гірничих робіт дозволили зробити висновок, що домінуючим фактором, який провокує локальні зони зсуву гірського масиву та порушення технічного стану аркового кріплення дільничних виробок слід вважати динамічні навантаження від рухомого складу ПДМ, які виникають при

транспортуванні великотоннажних вантажів по монорейковому поставу з знакозмінним профілем. За таких умов експлуатаційні показники технологічних систем допоміжного транспорту на базі високопродуктивних ПДМ та параметри гірничих виробок і шахтового середовища було рекомендовано розглядати комплексно - як взаємодіючу транспортно-технологічну систему «Підвісна монорейкова дорога – кріплення виробки – гірський масив» («ПДМ-КВ-ГМ»). Згідно з структурно-логічною схемою комплексних досліджень для забезпечення загальних характеристик роботи дизельних ПДМ нового покоління в реальних умовах шахтового середовища транспортно-технологічна система «ПДМ-КВ-ГМ» була умовно поділена на три взаємодіючі підсистеми: «рухомий склад - монорейковий постав» («РС-МС»); «монорейковий постав – кріплення виробки» («МС-КВ»); «кріплення виробки – гірський масив» («КВ-ГМ»). Для кожної підсистеми було розроблено комп'ютерну модель взаємодії складових її елементів. Шахтні спостереження механізму взаємодії елементів підсистеми «рухомий склад - монорейковий постав» дозволили визначити характер утворення і величини допустимого прогину ланок монорейкового поставу при транспортуванні великотоннажних вантажів, а також їх зміни по довжині ланок та вплив на технічний стан і експлуатаційні показники ПДМ. За результатами діагностики технічного стану монорейкового поставу та обстеження демонтованих його ланок встановлено, що саме в зонах стикових з'єднань монорейкових балок та їх центральних частинах переважно утворюються неконтрольовані деформації. Утворення подібних зон аргументувалось діючою системою кріплення монорейкового поставу до верхняків аркового кріплення та існуючою технологією транспортування великотоннажних вантажів. Непрогнозовані деформації верхняків несучих арок істотно знижують переріз підземних транспортних виробок, а також експлуатаційні характеристики ПДМ та ефективність роботи всієї ТТС.

З метою поширення області ефективного використання ПДМ нового покоління в дисертаційній роботі проведено моделювання умов взаємодії складових елементів транспортно-технологічної системи «ПДМ-КВ-ГМ» з використанням методів математичного аналізу технічних систем та програмного комплексу SolidWorks Simulation. В процесі моделювання були виявлені особливості прояву навантажень на аркове кріплення та деформування неоднорідного породного масиву навколо виробки при транспортуванні великотоннажних вантажів. Для перерозподілу динамічних навантажень на суміжні ланцюги монорейкового поставу та елементи аркового кріплення розроблено інноваційне технічне рішення, згідно з яким ходові візки ПДМ були об’єднані в вантажні платформи, які за допомогою шарнірно-рухомих штанг, дозволили сформувати високоадаптивну підйомно-транспортну підсистему, експлуатаційні параметри якої розглядались у комплексі з діючою на шахтах ЗД технологією рамно- анкерного кріплення пластових підготовчих виробок. Для безпечного транспортування великотоннажних вантажів підвісними монорейковими дорогами в дисертаційному дослідженні рекомендовано удосконалити розроблену науковцями ІГТМ НАН України ім. М.С. Полякова та ПАТ ДТЕК «Павлоградвугілля» технологію рамно-анкерного кріплення виробок шляхом введення нових конструктивних елементів, що знижують динамічні навантаження на монорейковий постав, рами аркового кріплення і безпосередню покрівлю, яка переважно представлена слабкими нестійкими породами. Важливість використання такого технічного рішення обумовлена вимогами основних положень по проєктуванню підземного транспорту нових і діючих шахт, згідно з якими транспортні засоби, задіяні на етапі проведення підготовчих виробок, повинні бути максимально адаптованими до умов експлуатації на подальших етапах життєвого циклу виробок, тобто на етапах монтажу і демонтажу очисного обладнання та при виконанні очисних робіт. По результатам моделювання особливостей взаємодії елементів ТТС системи «ПДМ-КВ-ГМ» встановлено, що для підвищення стійкості підготовчих

виробок, оснащених ПДМ, необхідно постав монорейкової дороги додатково кріпити до покрівлі з використанням анкерів спеціального призначення. Для кріплення монорейкової траси до основної покрівлі рекомендовано використовувати анкери другого рівня (глибокого залягання). Для визначення особливостей негативного впливу динамічних навантажень на анкери глибокого залягання використано сучасні методи математичного та комп’ютерного моделювання з застосуванням програмного комплексу SolidWorks. Отримані показники взаємодії елементів системи «ПДМ-КВ-ГМ» та результати оцінки технічного стану ланок монорейкового поставу дозволили встановити, що в реальних умовах шахтного середовища проектний профіль траси ПДМ являє собою складну транспортно-технологічну систему, яка під впливом динамічних навантажень безперервно змінює свій первісний стан як у вертикальній, так і в горизонтальній площинах. За результатами математичного та комп’ютерного моделювання було встановлено, що дію динамічних навантажень можливо зменшити шляхом розподілення їх на суміжні ланки монорейкового поставу. По результатам виконаних теоретичних і експериментальних досліджень розроблено методику моделювання параметрів взаємодії елементів транспортно- технологічної системи «ПДМ – кріплення виробки – гірський масив», яка дозволяє із застосуванням програмного комплексу SolidWorks прогнозувати зміни технічного стану монорейкової траси ПДМ при транспортуванні великотоннажних вантажів, визначати особливості взаємодії елементів транспортно-технологічної системи «ПДМ-КВ-ГМ» в типових і нетипових виробничих ситуаціях та запаси їх міцності для характерних ділянок траси.