КЛАССИФИКАЦИЯ И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Причины развития средств механизации для добычи ископаемых

• Разнообразие горно-геологических условий залегания угольных пластов в различных бассейнах страны и часто в пределах одного месторождения;
• нестабильность физико-механических свойств угля и вмещающих его пород;
• многооперационность технологического процесса выемки угля и проведения горных подготовительных выработок обусловили большое разнообразие схем и средств механизации горных работ.

Этапы процесса добычи угля

В настоящее время технологический процесс механизированной выемки угля в длинных забоях предусматривает в самом общем виде три основных процесса:

• собственно выемку (отделение и погрузку) угля;
• доставку отделенного от массива и погруженного угля;
• крепление и управление кровлей.

Средства механизации указанных процессов существенно различаются между собой в силу специфики выполняемых ими функций. Однако в общей схеме механизации технологического процесса выемки угля эти средства могут быть объединены для совместной работы путем наложения на них технологических, кинематических и конструктивных связей.

Технологическая связь

Технологическая связь осуществляется согласованием с технологическим процессом обособленных машин для их целесообразного сочетания. Она обязательна и при наличии других видов связей.

Кинематическая связь

Кинематическая связь осуществляется сочленением технологически согласованных и сохранивших свою индивидуальность функциональных машин.

Конструктивная связь

Конструктивная связь осуществляется совмещением базовых элементов (базисная связь) технологически согласованных и кинематических увязанных функциональных машин. Она всегда приводит к изменению конструкции индивидуальных машин и потере ими своей обособленности.

Классификация по функциональному признаку (назначению) горных машин

Разнообразные средства и схемы механизации процесса выемки угля или проведения горных выработок могут быть классифицированы по функциональному признаку (назначению) горных машин и виду связей между ними.

Присвоим для этого горным машинам, выполняющим определенные функции, соответствующие символы:

• В — выемочная машина (очистная или проходческая),
• Д — доставочная машина,
• К — механизированная крепь.

Понятие «Выемочная машина» (В) является обобщенным для таких добычных и проходческих машин как врубовая машина, врубо-навалочная машина, очистной комбайн, угольный струг, проходческий комбайн.

Его удобно использовать в тех случаях, когда речь идет о классе машин, а не о конкретных представителях этого класса.

С учетом принятых обозначений представлена классификационная схема средств механизации горных работ (рис. 2.1), которая, отражая многообразие средств механизации, характеризует одновременно и качественную ступень развития средств механизации горных работ.

История развития средств механизации подземной добычи пластовых месторождений

История развития средств механизации подземной добычи пластовых месторождений (в первую очередь угля) в Советском Союзе охватывает четыре этапа:

• 1-й — частично механизированная выемка полезных ископаемых;
• 2-й — механизированная;
• 3-й — комплексно-механизированная и частично-автоматизированная;
• 4-й — агрегатная автоматизированная, без постоянного присутствия людей в очистном забое.

1 этап

Для первого этапа характерно применение индивидуальных горных машин. Для механизации наиболее трудоемких процессов в очистном забое по подрубке пласта полезного ископаемого, его отбойке и навалке на средства доставки применялись широкозахватные выемочные машины: врубовые, врубонавалочные машины и очистные комбайны, исполнительный орган которых имел ширину захвата более 1 м.

В качестве поставочных машин применялись качающиеся и одноцепные скребковые разборные конвейеры. Призабойное пространство в очистном забое крепилось индивидуальной деревянной, а затем металлической крепью, включающей призабойные стойки, верхняки и посадочные стойки. Последние применялись для управления кровлей способом полного обрушения.

Подрубка пласта полезного ископаемого производилась врубовыми и реже врубонавалочными машинами с цепным исполнительным органом (баром). Отбойка полезного ископаемого после подрубки осуществлялась с помощью буровзрывных работ (БВР), предусматривающих бурение шпуров ручными электросверлами, их заряжание взрывчатым веществом (ВВ) и взрывание зарядов.

После проветривания забоя производилась навалка (погрузка) полезного ископаемого на забойный конвейер вручную с помощью лопат. И только при оснащении забоев врубонавалочными машинами процесс навалки отбитого угля частично механизировался (ручным способом продолжали грузить 50—60 % отбитого угля).

Первые модели врубовых машин

Первые врубовые машины были выпущены Горловским машиностроительным заводом в конце 20-х годов текущего столетия. Наибольшее количество врубовых машин типов ГТКЗМ, ГТК35, МВ60, КМП1, КМП2 было выпущено Горловским им. СМ. Кирова и Копейским им. СМ. Кирова заводами в период с 1945 по 1955 гг.

Операции подрубки пласта полезного ископаемого, буровзрывной отбойки его, навалки на транспортное средство и крепления призабойного пространства осуществлялись последовательно во времени.

Весьма трудоемкими являлись также выполняемые вручную операции по разборке, переноске на новую дорогу и сборке забойного конвейера и управлению кровлей (наиболее часто способом полного обрушения) в очистном забое.

Поэтому при работе врубовых машин суточная добыча из очистного забоя, стабилизировавшаяся примерно в конце 50-х годов при массовом поступлении на шахты мощных врубовых машин МВ60 и КМП1, составляла всего в среднем 150—175 т, а производительность труда рабочих по очистному забою 2,5—3 т на выход.

Комбайн очистной широкозахватный «Донбасс»

В СССР еще в предвоенные годы (конец 30-х годов) началось создание очистных широкозахватных комбайнов, и были выпущены их первые экспериментальные и опытные образцы.

В 1948 г. был создан комбайн «Донбасс», а затем — его модификации. Цепной исполнительный орган комбайна (кольцевой бар) прорезал в забое кольцевую щель.

Подрезанная пачка угля дробилась отбойной штангой комбайна. Отделенный от массива пласта уголь грузился одновременно с работой исполнительного органа при помощи кольцевого скребкового грузчика, имеющего самостоятельный привод.

Электродвигатель и механизм подачи комбайна с канатным органом перемещения были заимствованы от мощной врубовой машины МВ-60. Массовое поступление на шахты широкозахватных комбайнов типа «Донбасс» позволило широко внедрить на пологих и пологонаклонных пластах широкозахватные комплекты машин. Крепь применялась индивидуальная.

Совмещение во времени процессов зарубки, отбойки, навалки и доставки угля позволило интенсифицировать добычу угля практически в 2 раза, повысить суточную добычу и производительность труда рабочих по очистному забою по сравнению с забоями, оснащенными врубовыми машинами.

Однако и при широкозахватных комбайнах такие производственные процессы в очистном забое, как переноска забойного конвейера, крепление и управление кровлей, оставались еще немеханизированными.

2 этап

Для второго этапа характерно применение узкозахватных очистных комбайнов (ширина захвата исполнительных органов менее 1 м) сперва с барабанными (на горизонтальных осях вращения), а затем со шнековыми исполнительными органами, цельно передвижных (передвигаемых «волной» или фронтально) скребковых конвейеров и средств передвижки последних.

Новая конструкция забойного конвейера с рештачным ставом повышенной прочности позволила отказаться от вождения комбайна по почве пласта и установить его на раме конвейера, которая при этом, помимо своего основного назначения, стала выполнять роль направляющей для комбайна.

Передвижку конвейера и комбайна (поскольку он расположен на конвейере) на новую дорогу стали производить с помощью гидравлических домкратов.

Новая технология позволила производить выемку полезного ископаемого по челноковой схеме (без холостого хода комбайна обычно вниз по забою) и совмещать по времени операции:

• отбойки,
• навалки,
• доставки,
• передвижки забойного конвейера,
• крепления обнаженного пространства,
• управления кровлей вслед за движущимся комбайном.

Начала широко применяться индивидуальная металлическая крепь облегченного типа (стойки и верхняки). Клиновые стойки трения стали вытесняться гидравлическими стойками внутреннего питания.

Для управления кровлей была разработана металлическая посадочная крепь.

Появился гидропривод, который позволил создать узкозахватные комбайны с бесступенчатым регулированием скорости подачи и с регулируемым по мощности пласта исполнительным органом.

Механическая система подачи с канатным органом перемещения ограниченной длины была заменена на встроенную гидромеханическую с цепным органом перемещения на всю длину очистного забоя. Скорости подачи комбайнов возросли сперва от 1 до 3 м/мин, а затем и до 6 м/мин.

Значительно сократились непроизводительные простои оборудования в очистном забое в результате применения узкозахватных комплектов оборудования, что в целом обеспечило увеличение нагрузки на забой в среднем до 500 т/сут. и рост производительности труда в очистных забоях до 8—9 т/выход.

Создание очистных узкозахватных комбайнов и передвижных забойных конвейеров и размещение комбайна на раме конвейера у забоя в бесстоечном пространстве позволило создать механизированные гидрофицированные крепи и решить проблему создания очистных механизированных комплексов.

В конце 50-х годов наряду с узкозахватными комбайнами появились также первые промышленные образцы струговых установок, давших толчок к созданию струговых агрегатов.

3 этап

Для третьего этапа характерно применение очистных узкозахватных комплексов. С помощью гидрофицированной механизированной крепи удалось механизировать такие трудоемкие процессы как крепление призабойного пространства и управление кровлей и существенно повысить безопасность работ в очистных забоях.

В отличие от комплектов (от лат. слова kompletus — полный), представляющих семейство наборов кинематически не связанных между собой индивидуальных машин, необходимых и достаточных для механизации технологического процесса выемки угля, очистные комплексы представляют собой семейство кинематически связанных, но сохранивших свои индивидуальные особенности машин, комплексно-механизирующих все основные операции технологического процесса выемки угля. Они названы очистными комплексами (от лат. komplexus — связь).

В очистных комбайновых или струговых комплексах выделялись три основные машины:

• комбайн (струг),
• забойный изгибающийся или передвигающийся фронтально (одновременно по всей длине забоя) скребковый конвейер,
• механизированная крепь.

В состав комплекса также входят:

• крепь сопряжений очистного забоя со штреками,
• насосные станции для питания гидросистемы механизированной крепи,
• органы перемещения которой передвигают также и забойный конвейер,
• станция орошения для борьбы с пылью в забое,
• энергопоезд,
• кабелешлангоукладчик для механизированной укладки при движении комбайна силового электрического кабеля и шлангов для подачи к комбайну орошающей жидкости в желоб со стороны выработанного пространства забойного конвейера.
• Забойный конвейер, кроме функции направляющей рамы для движения комбайна или струга, стал выполнять функции опорной балки (базы) для перемещения на забой механизированной крепи вслед за проходом комбайна (струга).

На данном этапе были достигнуты частичная автоматизация основных и вспомогательных процессов в очистном забое, дистанционное управление машиной с переносного пульта управления и механизация трудоемкой операции по выемке ниш по концам забоя.

Эта операция выполняется очистным комбайном, для этого потребовалось усовершенствовать конструкцию его исполнительного органа.

Очистной комбайн сперва зарубается в пласт в нижнем или верхнем конце очистного забоя на величину полезного захвата исполнительного органа (затрачивая на эту операцию 20—30 мин), а затем совершает рабочий ход в заданном направлении.

Механизация не только основных, но и вспомогательных операций в очистном забое и на примыкающих к нему штреках (комплексная механизация) сделала труд шахтера менее тяжелым и более производительным.

Средняя производительность труда рабочих в комплексно-механизированных очистных забоях составляет 16-18 т/выход, а суточная добыча — 900-1100 т.

4 этап

Для четвертого этапа характерно применение угледобывающих агрегатов с исполнительными органами стругового или конвейеро-стругового типов.

Агрегатами называются семейства технологически согласованных, кинематически увязанных и совмещенных базовыми элементами функциональных машин и элементов, выполняющих все операции технологического процесса в очистном или проходческом забое (от лат. agregatus — соединенный).

Впервые созданием агрегатов стали заниматься в нашей стране в середине 60-х годов. Эта работа продолжается и в настоящее время.

Современный агрегат осуществляет:

• выемку угля по всей длине очистного забоя и мощности пласта,
• навалку угля на забойный конвейер (на пологих и пологонаклонных пластах) и доставку его по забою.
• Одновременно с выемкой угля производится фронтальная передвижка базовых секций крепи, а затем фронтально-групповая передвижка посадочных секций.

Управление агрегатом осуществляется автоматически или дистационно с расположенного на штреке пульта управления, поэтому присутствие людей в очистном забое при работе агрегата исключается.

Люди в забое должны появляться только для ликвидации возможных отказов элементов агрегата, расположенных в очистном забое, а также для проведения плановых работ по техническому и ремонтному обслуживанию агрегата.

При одинаковой производительности с очистными комплексами агрегат может обеспечить в 2,5—3 раза большую производительность труда рабочих.