ВЫБОР СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ

 

Выбор средств механизации (типа и состава очистного комплекса) рекомендуется производить в результате сопоставления горно-геологических и горно-технических факторов, характеризующих очистной забой (исходные данные выполняемой работы), с технической характеристикой входящих в состав существующих очистных комплексов машин. Кроме перечисленных факторов, следует учитывать дополнительные, определяющие, в частности, технико-экономические и другие показатели работы очистного забоя.

Выбор средств механизации следует начинать с выбора типа базовой машины – очистного комбайна, как определяющего основные показатели работы забоя в целом. Выбор типа комбайна следует выполнять в результате сравнительного анализа возможных к применению вариантов. В рассмотрение должны приниматься комбайны, соответствующие мощности и углу падения пласта.

Технические характеристики комбайнов помещены в табл. П-1.

Результаты анализа следует представить в виде табл. 1.1.

 

Таблица 1.1 - Выбор очистного комбайна

Факторы сравнения	Исходные данные	Технические характеристики комбайнов
1ГШ68	РКУ10
Горно-геологические факторы
Мощность пласта, м	1,3 - 1,5	1,30 - 2,5	1,35 - 2,5
Угол падения пласта, град	3 – 4	0 - 35	0 – 35
Сопротивляемость угля резанию, Н/мм		до 300	до 360
Хрупкопластические свойства угля	Ж хрупкий	любые	любые
Газоносность, м3/т		удовлетворяет
Водообильность, м3/ч		удовлетворяет
Горнотехнические факторы
Длина выемочного столба, м		удовлетворяет
Расположение очистного забоя в пространстве	выемка по простиранию	удовлетворяет
Длина очистного забоя, м		удовлетворяет
Дополнительные факторы
Производительность труда	(+) - (высокая энерговооруженность) (+) - (безнишевая выемка)
Безопасность труда	(-) - (цепной тяговый орган)	(+) - (БСП)
Регулируемость по мощности пласта	(+) – шнековые органы
Сортность угля и пылеобразование	(-) - (шнековые исполнительные органы)

По результатам выполненного сравнительного анализа формулируется соответствующий вывод, в котором указываются основания для принятия решения по выбору типа комбайна.

В рассматриваемом примере целесообразным является использование комбайна РКУ10, как обеспечивающего при прочих равных условиях более высокие показатели по безопасности труда.

Выбор типа механизированной крепи производится также по результатам сравнительного анализа нескольких возможных к применению вариантов. В качестве последних следует применять те крепи, с которыми, согласно указаний табл. П-1, может быть использован выбранный тип комбайна. Технические характеристики крепей помещены в табл. П-2.

 

Таблица 1.2 - Выбор типа механизированной крепи

Факторы сравнения	Исходные данные	Технические характеристики крепи
М87Л	МТ1,5
Горно-геологические факторы
Мощность пласта, м	1,3 - 1,5	1,25 - 1,95	1,35 - 2,0
Угол падения пласта, град	3 – 4	До 15	До 35
Характеристика кровли: - непосредственная   -основная кровля	устойчивая   труднообрушаемая	коэффициент затяжки кровли 0,9 0,9 сопротивление крепи на 1 м2 поддерживаемой кровли, кН/м2 400 850 сопротивление крепи по посадочному ряду, кН/м 1800 5450
Характеристика почвы	слабые	давление на почву, МПа 1,3 2,3
Газоносность, м3/т		удовлетворяет
Водообильность, м3/ч		удовлетворяет
Горнотехнические факторы
Длина выемочного столба, м		> 400	>400
Расположение очистного забоя в пространстве	выемка по простиранию	удовлетворяет
Длина очистного забоя, м
Дополнительные факторы
Масса секции крепи, кг

 

Выбранный тип и типоразмер крепи должен быть проверен на вписываемость в рассматриваемый угольный пласт. При этом должны соблюдаться следующие условия:

 

m_max≥ H_max ( 1 - a l_п),

m_min ≤ H_min ( 1 - a l_з) - Θ,

где m_max, m_min – соответственно максимальная и минимальная высота крепи; H_max, H_min – соответственно максимальная и минимальная мощность пласта; l_з, l_п - соответственно расстояния от забоя до задней и передней стоек; а - коэффициент, учитывающий класс кровли; Θ = 50 мм - запас на разгрузку секции крепи.

По результатам выполненного анализа формулируется соответствующий вывод.

В данном примере предпочтение следует отдать крепи МТ1,5, как позволяющей выполнять работы в забоях с труднообрушаемой основной кровлей.

 

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ

ВЫЕМОЧНОГО КОМБАЙНА

 

2.1 Постановка задачи

 

Задача выбора рационального режима работы выемочного комбайна является задачей оптимального проектирования. Ее постановка включает в себя следующие этапы:

1. Выбор критериев качества (функций цели). В качестве последних целесообразно принимать эксплуатационную производительность Q_э→max и удельные энергозатраты W→min.

2. Выбор оптимизируемых параметров. Для выемочного комбайна таковыми являются:

- скорость перемещения (подачи) – V_п;

- скорость резания – V_р;

- ширина захвата В_з идиаметр Д_и исполнительного органа;

- тип режущего инструмента и др.

Факторами, определяющими выбор рациональных значений ширины захвата и диаметра исполнительного органа, являются:

- соответствие шагу передвижки крепи;

- вписываемость в размеры пласта с одной стороны и обеспечение равномерной загрузки приводов с другой.

Тип режущего инструмента определяется физико-механическими свойствами разрушаемого массива.

Основным оптимизируемым параметром является скорость подачи.

3. Построение математической модели, устанавливающей взаимосвязь между функциями цели и оптимизируемыми параметрами.

В данном случае математическая модель представляет собой зависимости

Q_э = f₁ (V_п),

Q _ПВ = f₂ (V_п),

 

где Q _ПВ – производительность комбайна, обусловленная тепловой характеристикой двигателя.

4. Выбор ограничений, накладываемых на оптимизируемые параметры (параметрические ограничения) и другие параметры системы (функциональные ограничения). Для выемочных комбайнов таковыми являются:

- максимальная скорость, обеспечиваемая механизмом подачи V_пmax (V_п≤V_пmax);

- производительность конвейера Q_конв (Q_т≤ Q_конв);

- скорость крепления забоя механизированной крепью V_пкр (V_п≤V_пкр);

- скорость комбайна, соответствующая вылету режущего инструмента V_пlp (V_п≤V_пlp);

- мощность, соответствующая устойчивому моменту двигателя Р_у (Р_у≥Р).

 

2.2 Исходные данные для расчета

 

Исходные данные для выполняемых расчетов сводятся в табл.2.1.

 

Таблица 2.1.- Исходные данные (пример)

№	Наименование параметров	Обозначение	Размерность	Значение
	Сопротивляемость угля резанию	Аp	Н/мм
	Мощность пласта расчетная	Нp	м	1,4
	Марка угля			Ж
	Диаметр исполнительного органа	Dи	м	1,0
	Ширина захвата	Bз	м	0,63
	Скорость резания		м/с	3,3
	Количество резцов на органе		шт.
	Число резцов в одной линии резания	npp	шт.
	Электродвигатель			ЭКВЭ4-200
	К.п.д. передаточного механизма	η		0,8
	Схема работы комбайна			челноковая
	Длина очистного забоя	L	м
	Коэффициент готовности	Кг		0,9
	Удельный расход резцов	Z	шт/т	12·10-3

 

2.3 Определение рационального режима работы выемочного комбайна

 

Решение поставленной задачи рекомендуется выполнять с использованием графоаналитического метода, см. рис.2.1. В верхнем квадранте номограммы строится энергетическая характеристика комбайна, т.е. зависимость нагрузки на валу двигателя в функции скорости перемещения комбайна – f (V_п).

Определение координат для построения указанной зависимости производится на ЭВМ с использованием программы вычислений (см. разд. 3).

Возможен также упрощенный подход к определению зависимости нагрузки на валу двигателя в функции скорости подачи комбайна.

В этом случае принимается, что мощность на валу двигателя при i -й скорости резания исполнительного органа описывается следующим уравнением

 

Р = а_i + b V_п, (2.1)

 

где а_i – условная мощность нагрузки двигателя при V_п =0, кВт;

b – приращение мощности двигателя при увеличении V_п на 1 м/мин, кВт · мин /м.

Значение a_i может быть определено по следующей формуле:

 

, (2.2)

 

где n_рр − количество резцов исполнительного органа, одновременно контактирующих с забоем;

η – к.п.д. передаточного механизма.

Для шнековых исполнительных органов

 

, (2.3)

 

для вертикального барабана

. (2.4)

Коэффициенты α и β в формуле (2.2), учитывающие марку угля, принимаются по данным табл. 2.2.

W, кВт ч т

Vпкр

ПВ,%

Vп, м/мин

Qконв

Qт

QПВ

Qэ

Р

Р(S4), кВт

Ру

W

Q, т/ч

1,5

0,5

1,0

Р, кВт

Рисунок 2.1 – Пример номограммы для выбора режима работы комбайна.

Ограничения скорости перемещения:

- по устойчивой мощности электродвигателя.

- по вылету резца.

- по скорости крепления.

- по предельному значению V_п.

- по производительности конвейера.

Таблица 2.2.- Характеристика углей

Марка угля	α	β
Ж, К, КЖ, ОС, Т		0,27
Г, Д
А, ПА

 

Значение b в формуле энергетической характеристики (2.1) определяется по следующему выражению:

(2.5)

 

где δ − коэффициент, учитывающий хрупко-пластические свойства угля, для вязких углей δ = 0,095, а для хрупких и весьма хрупких δ = 0,06;

К вязким следует относить все угли и антрациты при А > 300 Н/мм, а также угли марок Г и D при А > 90 Н/мм.

К весьма хрупким следует относить антрациты при А < 60 Н/мм, а также угли К, Ж, ОС, Т при А < 120 Н/мм.

К хрупким относятся остальные угли: антрациты А = 60 … 300 Н/мм, угли марок К, Ж, ОС, Т при А = 120 … 300 Н/мм, Г и Д при А < 90 Н/мм.

В этом же квадранте помещается график зависимости допускаемой тепловой мощности электродвигателя в повторно-кратковременном режиме Р (S ₄ ) от ПВ. Расчетное определение численных значений осуществляется по выражению

 

где Р_н(S ₁ ), Р_н(S ₄ ) – номинальная мощность электродвигателя соответственно в режимах S ₁и S ₄ при ПВ =60%, причем при наличии двухдвигательного привода (комбайны 1ГШ68, К103М и др.) следует принимать общую мощность обоих двигателей; ПВ – относительная продолжительность включения электродвигателя, %.

В нижнем квадранте номограммы приводятся зависимости Q_т = f₃ (V_п) и Q_э = f₄ (V_п), где Q_т и Q_э соответственно теоретическая и эксплуатационная производительности комбайна:

Q_т = 60 γ Н_р В_з V_п, (2.6)

Q_э = Q_т К_э, (2.7)

 

где К_э – коэффициент непрерывности работы очистного комбайна, определяемый по формуле

 

γ – плотность угля, т/м³; L – длина лавы, м; К_г – коэффициент готовности комбайна (0,8…0,9); Т_мо, Т_ко, Т_зи, Т_оп – отнесенные к одному циклу затраты времени соответственно на маневровые, концевые, на замену инструмента, а также на организационные и другие причины, не связанные с комбайном, мин.

 

Значения Т_мо, Т_ко, Т_зи и Т_оп определяются следующим образом.

 

Т_мо = L/V_пmax – при односторонней схеме работы комбайна,

Т_мо = 0 – при челноковой схеме работы комбайна,

T_зu = Н_р В_з L Z γ t_p,

Т_ко = (15…20) мин,

 

Т_оп = (25…30) мин,

 

где V_{п max} – максимальная скорость подачи комбайна;

Z – удельный расход режущего инструмента (см. табл. 2.3)

t_p – время на переустановку одного резца (0,5 - 2) мин.

 

Таблица 2.3 – Удельный расход режущего инструмента

 

Сопротивляемость резанию, Н/мм	0-60	60-120	120-180	180-240	240-300
Удельный расход резцов, 10 –3 шт/т	5,3-5,7	8,3-9,8	12,2-16,3	19,1-21,1	25,5-33,8

В нижнем квадранте приводится зависимость среднечасовой производительности по условию отсутствия перегрева электродвигателя Q _{ПВ i} = f₂(V_п), определяемая графоаналитическим путем для каждой из рассматриваемых скоростей резания:

 

Q _{ПВ i} = Q_т ПВ /100. (2.8)

 

Ход графического определения Q _{ПВ i} при различных значениях относительной продолжительности включения электродвигателя показан на рис. 2.1.

Для контроля следует произвести построение указанных кривых по следующим аналитическим зависимостям:

 

Q _{ПВ i} = Q_т при V_п< [ P_н(S ₁ ) –α_i ] ,

 

.

 

Используя полученные данные по нагрузке двигателя и теоретической производительности комбайна, определяются удельные энергозатраты на выемку – W_i, кВтч/т, для каждой из скоростей резания:

 

W_i = P/Q_т = (α_i + b V_п)/Q_т. (2.9)

Результаты определения удельных энергозатрат при различных значениях скорости подачи комбайна в виде графиков приводятся в верхнем квадранте.

Результаты вычислений представляются в виде табл. 2.4.

 

Таблица 2.4 - Результаты вычислений (пример)

Vп, м/мин	Р, кВт	Qт, т/ч	Кэ	Qэ , т/ч	W, кВт ч/т
1,0	67,5		0,66	48,8	0,9
2,0
3,0
4,0
5,0

 

Следующим этапом определения рационального режима работы комбайна является учет вышеприведенных параметров ограничений. Часть из них (V_пmax, Q_конв) находится из технических характеристик комбайна и конвейера.

Целью выявления ограничения скорости подачи V_nк по производительности забойного конвейера является обеспечение его допускаемой загрузки при работе очистного комбайна по условию Q_т ≤ (0,7…0,8)· Q_конв, где Q_конв – теоретическая производительность конвейера по данным его характеристики, т/ч.

Значение скорости V_nк может быть установлено графический путем, либо вычислением по формуле:

 

. (2.10)

Целью учета ограничения скорости подачи комбайна значением V_пкр является соблюдение требования по обеспечению допускаемой горно-геологи­ческими условиями площади обнажаемой кровли вслед за работающим комбайном.

Ограничение скорости подачи комбайна по креплению забоя механизированной крепью производится по зависимости

 

V_пкр = К l_кр/t_кр, (2.11)

 

где К = 0,4…0,9 – коэффициент, учитывающий горно-геологические условия;

L_кр – шаг установки секций крепи по длине лавы, м;

t_кр - норматив времени на переустановку одной секции крепи;

t_кр = (0,2…0,25) мин.

 

Целью определения скорости подачи по вылету режущего инструмента l_р является выполнение требования отсутствия недопустимого контактирования с неразрушенным массивом угля резцедержателей работающего исполнительного органа с учетом его конструктивных особенностей.

Для наиболее распространенных комбайнов, имеющих шнековые или барабанные исполнительные органы:

 

, (2.12)

 

где n_и.о – частота вращения исполнительного органа, об/мин;

n_рл – число резцов в одной линии резания;

l_р – вылет резца, см.

Цель определения скорости подачи комбайна по условию Р_у≥Р
– обеспечить работу комбайна без опрокидов его двигателя. Для определения V_Ру необходимо установить расчетное значение Р_у по зависимости:

 

Р_у = М_у n_у / 9550, (2.13)

 

где М_у – устойчивый момент двигателя, Нм;

n_у – частота вращения ротора двигателя, соответствующая устойчивому моменту, об/мин. В первом приближении принимается равной номинальной частоте вращения.