Основными недостатками работы этих машин, как и при добыче каменного угля, являются:
– значительные объемы выхода мелких не обогащаемых классов разрушаемой массы и, как следствие, высокие удельные затраты энергии;
– недостаточная устойчивость технологического процесса;
– невозможность реализации избирательной обработки забоя и селективной выемки полезного ископаемого;
– чрезмерная концентрация реализуемой мощности на малом локальном по длине лавы участке приводит к повышению опасности работ в активной зоне движения выемочной машины, секций механизированной крепи и к физиологической перегрузке персонала.
Целью исследований является поиск и обоснование более эффективных способов отделения полезных ископаемых от массива выемочными органами горных машин с меньшим переизмельчением, удельным расходом энергии и пылеобразованием.
Метод исследований
В этой ситуации альтернативой роторным добычным машинам могут быть известные, но не получившие пока широкого применения, унифицированные выемочные модули [1,4,5]. Унифицированные выемочные модули (УВМ) обеспечивают энергосберегающую избирательную технологию отделения полезного ископаемого от массива с возможностью раздельной выемки полезного ископаемого и породы.
Унифицированные выемочные модули предназначены для компоновки комплексов фронтальных модульных (КФМ) для добычи полезных ископаемых (угля, калийной руды и др.) в длинных очистных забоях, с высокой интенсивностью горных работ, или в коротких забоях при отработке целиков или ограниченных по размеру некондиционных участков. Такие участки, прилегающие к зонам геологических нарушений или к границам шахтных полей, как правило, не отрабатываются и остаются в забалансовых запасах.
Известны работы по определению оптимальных параметров выемочных модулей для добычи угля, в то время как для добычи калиной руды таких работ практически нет.
Техническое решение
На рисунке 1 представлен предлагаемый УВМ для работы по калийной руде. Он состоит [2, 6] из опорной базы в виде секции механизированной крепи – 1, поворотной турели – 2, манипулятора – 3, конвейероструга – 4, поворотного устройства – 5, козырька со скалывателем – 6 и исполнительного органа – 7 статического или статико-динамического действия, в зависимости от крепости разрушаемого массива. В качестве опорной базы унифицированного выемочного модуля так же могут быть использованы конвейерный став или специальная база.
Рис. 1. Унифицированный выемочный модуль
Метод исследования
В отличие от угля, калийной руде свойственны меньшие анизотропия и трещиноватость, большая вязкость. Прочность калийной руды в 1,5÷2,0 раза больше, чем угля. Исходя из этих особенностей сформулированы требования к способу отделения калийной руды от массива и к исполнительному органу УВМ:
– процесс отделения стружки (скола) от массива под воздействием исполнительного органа должен формироваться образованием минимально необходимого количества магистральных трещин;
– для формирования магистральных трещин целесообразно использовать эффект «парности скола»;
– следует предусмотреть наличие на исполнительном органе специальных устройств, обеспечивающих разрушение блоков на части и исключающих выход негабаритов;
– способ внедрения в массив породоразрушающего инструмента должен соответствовать крепости разрушаемого массива: статический (резание, вдавливание) для слабых и средней крепости пород, ударный для крепких пород или комбинированный для пород средней и выше средней крепости.
Особенности конструкции
Исполнительный орган (рис.2) представляет собой рамную раздвижную конструкцию, установленную на поворотной турели, и содержит два силовых цилиндра – 6, две трубчатые направляющие – 5, соединительный блок – 4, блок ударников – 3 и скалывающую коронку – 2 с пятью съемными резцами-скалывателями – 1.
Рис.2. Исполнительный орган выемочного модуля
Схема расстановки резцов-скалывателей – ступенчатая с симметричным расположением резцов под углом к продольной оси коронки. Шаг расстановки резцов – t принят для обеспечения эффекта «парности скола» меньше оптимального:
,
где Кс – коэффициент уменьшения ширины скола, учитывает формирование скола единой магистральной трещиной, образуемой всеми резцами коронки; tопт – оптимальный шаг расстановки резцов для условий формирования последовательных срезов.
Режущие кромки резцов расположены в одной плоскости – плоскости резания P (рис.2) и имеют клиновидную форму, что обеспечивает при движении коронки формирование единой магистральной поверхности скола. Каждый резец оборудован клиновым по форме ребром – 7, предназначенным для разделения отделяемого блока на габаритные куски. Для разрушения крепких пород предусмотрена возможность установки съемного блока ударников – 3.
Известно более десяти технологических схем обработки забоя выемочными модулями [3]. С учетом прочностных свойств калийной руды (отсутствие явно выраженной слоистости, слойчатости и систем трещиноватостей в массиве) предлагается рассмотреть схему обработки забоя от почвы к кровле с одновременной обработкой двух вертикальных секторов (рис. 3), в которой lL – ширина локального забоя, равная шагу расстановки секций крепи в очистном забое, Н – высота локального забоя, равная мощности отрабатываемого пласта, Bз – ширина захвата равна шагу передвижки крепи, h – толщина скола. Ширина скола равна lL/2cosφ, где φ – угол поворота манипулятора относительно продольной оси модуля.
Последовательность выполняемых операций цикла при обработке забоя следующая: позиционирование исполнительного органа в точку 1, скол массива со скоростью Vск на глубину скола bск, возвращение в исходное положение со скоростью Vxt, перемещение в точку 2 со скоростью Vyt.
а) б)
Рис. 3.Схема движений исполнительного органа при обработке забоя за цикл
При обработке всего фронта локального забоя на глубину bск, операции скалывания и позиционирования повторяются 2mск раз, где mск – количество сколов по мощности забоя. Нижняя пачка пласта – Нпод подрубается и зачищается конвейеростругом, а завершается обработка забоя в каждом цикле скалыванием верхней пачки Hск козырьком-скалывателем – 6 секции механизированной крепи (рис.1).
Количество добываемой модулем руды за цикл будет равно: 
, где 
–
плотность породы в массиве.
Длительность цикла: 
, где ti – время i-той операции цикла.
Техническая производительность УВМ составит:
.
Техническая производительность фронтального модульного комплекса составит:
,
где Ко – коэффициент одновременности работы унифицированных модулей комплекса по выемке в очистном забое.
Результаты исследований
Отличительными особенностями процесса отделения полезного ископаемого от массива исполнительным органом УВМ являются:
– разрушение массива с открытой поверхности последовательными во времени единичными сколами толщиной h=0,1÷0,3 м из предварительно фиксированной позиции исполнительного органа;
– жесткая опорная база и гидравлический привод обеспечивают возможность передачи больших усилий на исполнительный орган при отделении породы от массива и саморегулирование его скорости выдвижения;
– поступательное движение исполнительного органа с малой средней скоростью резания 0,1÷0,5 м/c и возможность стопорных режимов, которые не являются для УВМ аварийным состоянием;
– избирательность отделения крупным сколом полезного ископаемого от массива по месту и направлению скалывания c учетом анизотропии прочностных свойств разрушаемого массива и возможность селективной выемки;
– низкие удельный расход энергии и энергонапряженность процесса отделения руды от массива в активной зоне выемки.
Основными отличительными особенностями технологического процесса выемки полезного ископаемого КФМ в очистном забое являются:
– одновременная фронтальная отработка лавы локальными забоями параллельными заходками;
– возможность эффективного использования КФМ как в коротких, так и в длинных очистных забоях;
– возможность обеспечения резервирования процесса выемки полезного ископаемого увеличением ширины локальных забоев, обрабатываемых УВМ, и, следовательно, повышения устойчивости технологического процесса в очистном забое в целом;
– возможность обеспечения заданного гранулометрического состава добываемой массы;
– обеспечение безопасной технологии ведения очистных работ из-за многократного снижения энергонапряженности процесса в активной зоне выемки.
Вывод
Из изложенного следует, что унифицированные выемочные модули могут эффективно использоваться в составе фронтальных комплексов для добычи полезного ископаемого как в длинных, так и коротких забоях, обеспечивая:
– избирательность обработки забоя и селективность выемки полезного ископаемого, снижение удельного расхода энергии и повышение гранулометрического состава добываемой массы;
– повышение производительности комплексов и степени извлечения полезного ископаемого из недр земли;
– снижение энергонапряженности процесса в активной зоне обработки забоя и повышение безопасности работ в комплексно-механизированных очистных забоях горных предприятий.
Рецензенты:Тимофеев И.П., профессор кафедры Машиностроения, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»», г. Санкт-Петербург;
Александров В.И., заведующий кафедрой Горных транспортных машин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»», г. Санкт-Петербург.