Общие сведения о выемочных комбайнах

Лекция № 10.

ВЫЕМОЧНЫЕ КОМБАЙНЫИ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЗАЦИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ.

Общие сведения о выемочных комбайнах

Выемочный комбайн — комбинированная горная машина, обеспечивающая одновременно механизацию отделения полезно­го компонентаот забоя, его разрушение и погрузку на транспор­тную машину.

Выемочные комбайны работают по цикличной технологии, обрабатывая очистной забой заходками определенной ширины при одновременном перемещении вдоль забоя по односторонней или челноковой схеме выемки. В конце пути в зоне сопряжения со штреками выполняется цикл вспомогательных операций, спо­собствующий началу выемки очередной полосы. В связи с этим комбайн имеет исполнительно-погрузочный орган, механизм, обес­печивающий перемещение машины вдоль забоя, а также дополни­тельные средства для подавления пыли в очистном пространстве. Управление механизмами комбайна возможно как с пульта, расположенного непосредственно на машине, так и вынесенного за пределы очистного пространства в подготовительную выработ­ку специального устройства.

Ввиду разнообразия горно-геологических условий разработ­ки месторождений полезных ископаемых отмечается и разнообра­зие конструкций и технических решений очистных комбайнов.

В зависимости от направления выемки и перемещения комбайна различают фланговые и фронтальные конструкции. Фланговые комбайны перемещаются вдоль длинных забоев, обес­печивая выемку полосы угля определенной ширины, при этом отработка и продвигание лавы производится перпендикулярно направлению движения комбайна. Это основной тип комбайнов, применяемых на угольных шахтах. Фронтальные комбайны обес­печивают выемку всей полосы полезного ископаемого, при этом перемещение комбайна соответствует направлению движения фронта забоя. Такие комбайны нашли применение при разработке калийных и соляных месторождений полезных ископаемых камер­ными системами разработки.

Фланговые комбайны по ширине выемки за один проход вдоль лавы разделяют на широкозахватные (1.0 — 1.8 м) и узкозахватные (менее 1.0 м). В последнее время узкозахватные машины практически вытеснили широкозахватные. Переход на.узкозахватную выемку связан с разработкой более прогрессивной и принципиально новой технологии ведения очистных работ.

Основные технологические схемы механизации очистных работ. Конструкция комбайнов непосредственно связана с требова­нием технологии ведения горных работ, технологическими схемами выемки полезных ископаемых.

Выемка пластовых (угольных) месторождений полезных ископаемых очистными комбайнами производится (в основном) по двум технологическим схемам: широкозахватной и узкозахват­ной. Рассмотрим их особенности.

Широкозахватная выемка угля (рис.1) предусматривает ширину захвата исполнительного органа комбайна за один проход вдоль забоя в пределах до 1.8 (2.2) м. При этом комбайн 1 движется между грудью забоя и первым рядом крепи, конвейер 3 отделен от комбайновой дороги дополнительным рядом крепи. По мере выемки угля за комбайном появляется обнажение шириной до 2.7 м, которое необходимо закрепить. Погрузка угля произво­дится грузчиком 2. Окончание выемки полосы угля завершается выходом комбайна в специально подготовленную нишу 5. Комбайн демонтируется и на маневровой скорости перегоняется в исход­ное положение 4, предшествующее началу выемки следующей полосы. С этой целью в другой части лавы также подготавлива­ется монтажная ниша 6. Конвейер разбирается на секции и переносится на новую дорогу. Лишь после этого возможно начало выемки следующей полосы. Таким образом, полной механизации процесса отделения, разрушения и погрузки угля предшествует целая серия вспомогательных операций, связанных с подготовкой ниш, перегоном комбайна, демонтажем и монтажем секций скреб­кового конвейера, которые существенно повышают трудоемкость работ и сдерживают темпы ведения очистной выемки угля. Совершенствование конструкции комбайна, увеличение его мощ­ности, скорости движения и производительности не дают сущес­твенного эффекта, поскольку необходимый перечень выполнения трудоемких вспомогательных операций остается прежним. Это приводит к тому, что затраты на совершенствование конструкции очистных комбайнов вызывают лишь обратный экономический эффект. Вспомогательные операции сдерживают возможность роста средней нагрузки на очистной забой, которая даже в благоприятных горно-геологических условиях не превышает 300-400 тонн в сутки. Требовалась разработка принципиально новой технологии ведения горных работ, обеспечивающей возможность естественного роста нагрузки на забой и исключающей трудоем­кие и непроизводительные операции. Такой технологией явилась узкозахватная схема выемки угля.

 

 

Рисунок 1. Широкозахватная схема выемки угля комбайном (В =1,8 м)

 

Узкозахватная схема выемки (рис.2) основана на сущес­твенном уменьшении ширины захвата комбайна (В<1.0 м). В зависимости от мощности пласта и горногеологических условий разработки изготавливаются узкозахватные комбайны с шириной захвата 0.9; 0.63; 0.5 и даже 0.4 м. Резкое уменьшение ширины захвата обеспечило возможность размещения комбайна и конвей­ера непосредственно у груди забоя на одной машинной дороге. Это уменьшило допустимые обнажения в зоне выемки угля и позво­лило передвигать конвейер к забою механизированным способом по мере выемки угля, поддерживая необходимые обнажения кровли лишь консольными верхняками крепи. Непрерывность и последовательность выполнения основных операций выемки и одновременной передвижки конвейера обеспечила возможность челноковой работы комбайна без каких-либо простоев на выпол­нение вспомогательных операций, имеющих место при широко­захватной схеме выемки. Постоянное нахождение конвейера не­посредственно у груди забоя и размещение на нем комбайна улучшило условия механизированной погрузки угля самим испол­нительным органом комбайна без применения каких-либо допол­нительных механических средств. Малая ширина захвата комбай­на создала условия для разработки специальных крепей, передви­гаемых механизированным способом вслед за подвиганием очис­тного забоя. Таким образом, с переходом на новую технологию узкозахватной выемки угля появляется возможность создания принципиально новых и более прогрессивных конструкций ма­шин, работающих по схеме близкой к поточной технологии выемки угля, при которой исключается необходимость выполне­ния ранее описанной серии вспомогательных операций. Но пере­ход на новую технологическую схему выемки угля требовал разработки принципиально новых конструкций машин, включая очистной комбайн, конвейер и механизированную крепь. Все это явилось основой для разработки и создания средств комплексной механизации очистных работ с развитиемих в дальнейшем в агрегатированные и полностью автоматизированные варианты конструкций машин, предназначенных для выемки угля. Новые конструкции очистных комбайнов обеспечивали не только меха­низацию операций выемки угля, но и процесса подготовки ниш, что существенно снизило трудоемкость ведения очистных работ и повысило нагрузку на забой. В современных выемочных ком­плексах механизированы все операции технологического цикла: выемка, погрузка угля, его транспорт, крепление и управление кровлей. Резкое уменьшение ширины захвата комбайна и работа исполнительного органа в отжатой зоне пласта обеспечили сущес­твенное увеличение скорости движения комбайна вдоль забоя, что с лихвой компенсировало кажущееся снижение производи­тельности за счет уменьшения ширины захвата комбайна за один проход. Постоянное совершенствование конструкции комплексов за счет увеличения мощности приводов комбайнов и повышения несущей способности крепи обеспечило реальные нагрузки на очистной забой до 10 и более тысяч тонн в сутки. Узкозахватные комбайны последних модификаций обеспечивают выемку угля при скоростях подачи 8.0 — 10.0 м/мин, против 1.0 — 2.0 м/мин широкозахватных машин. Кроме того, рост производительности узкозахватных комплексов существенно возрос за счет сокраще­ния времени выполнения вспомогательных операций и более интенсивного использования дорогостоящего оборудования по его основному назначению — выемке полезного ископаемого.

 

Рисунок 2. Узкозахватнаясхема выемки угля при челноковом движении комбайна (В =1.0 м): 1-комбайн; 2-конвейер; 3-консольные верхняки

 

Все это способствовало одновременному снижению трудо­емкости выполнения работ. В настоящее время технология узко­захватной выемки угля является основой для создания и эффек­тивного использования высокопроизводительных очистных ком­плексов. Такая тенденция развития техники является определя­ющей как у нас в стране, так и за рубежом.

Схемы и способы перемещения машин вдоль забоя.

Для разрушения и отделения полезного ископаемого необ­ходимо обеспечить перемещение комбайна вдоль забоя с опреде­ленным усилием и скоростью подачи, в зависимости от которых формируются нагрузки на исполнительном органе выемочной машины. Схема перемещения комбайна также связана с техноло­гией ведения горных работ. Так, канатная подача возможна лишь при широкозахватной схеме выемки угля, узкозахватная схема требует более скоростных и сложных систем перемещения ма­шин.

В зависимости от технологии, назначения и конструктивно­го исполнения различают следующие виды и способы перемеще­ния выемочных машин вдоль забоя;

— канатная подача;

— канатная подача на пластах крутого и наклонного паде­ния;

— цепная подача;

— цевочная подача;

— шагающая;

— гусеничная.

 

1. Врубовые машины и широкозахватные комбайны

Врубовая машина предназначена для проведения дополни­тельной плоскости обнажения в очистном забое, разрушаемом буровзрывным способом. Дополнительная плоскость способству­ет более эффективному разрушению полезного ископаемого и точному оконтуриванию ширины захвата в пределах выемочного цикла. Ширина захвата (глубина подрубки щели), как правило, принимается равной 1.8 м (кратной паспорту крепления очистно­го забоя). В настоящее время применение этой технологии и использование врубовой машины крайне ограничены особыми условиями залегания угольных пластов. Применение врубовых машин оправдано в условиях отработки пластов с горно-геологи-ческими нарушениями их залегания, а также при наличии пропластков высокой крепости. Промышленностью выпускается лишь один тип врубовых машин — «Урал-33».

Основной принцип конструкции и схема работы врубовой машины представлены на рис.3. Врубовая машина состоит из электропривода 1, редукторов режущих 2 и подающей части 3, бара 4, по контуру которого перемещается режущая цепь 5. Цепь штампованная, одношарнирная, беспланочная в зависимости от конструкции кулачков-резцедержателей может иметь 7 или 9 линий резания. Натяжение цепи обеспечено специальным устрой­ством 8. Режущая цепь в зависимости от схемы набора резцов может проводить щель в забое высотой 106 — 150 мм. Удаление продуктов разрушения из зоны работы цепи производится специ­альным расштыбовщиком 6. Машина работает с оросительной системой, насос которой устанавливается на штреке, а вода к форсункам подводится по специальным шлангам. Форсунки раз­мещаются в местах наиболее интенсивного пылеобразования.

Рисунок. 3. Принцип конструкции и схема работы врубовой машины.

Подрубка пласта производится при движении машины снизу вверх, при обратном движении производится частичная погрузка взорванного угля режущей цепью бара (см.рис.3.). Разворот бара обеспечен специальным гидродомкратом 7. Приэтом опера­ция перегона машины в положение, исходноедля подрубки очередной полосы, совмещается с погрузкойугля.

Врубовая машина «Урал-33» предназначена для механизиро­ванной подрубки угля на пластах мощностью 0.6 — 2.0 м с углом падения 20° при сопротивляемости резанию до 300 кН/м. Длина бара (ширина захвата) - 1.6;1.8:2.0 м.

Широкозахватные комбайны в настоящее время выпускают­ся лишь двух типов «Кировец» и 2КЦТГ. Они предназначены для отработки весьма тонких пластов в сложных горно-геологических условиях залегания, исключающих возможность использования узкозахватных комбайнов.

 

Рисунок 4. Принцип конструкции и схема работы широкозахватного комбайна типа «Кировец»

Комбайн типа «Кировец» выпускается двух модификацийпомощности привода и трех типоразмеров по мощности пласта (табл.3.3.). Исполнительным органом комбайна (рис.3.14.) явля­ется кольцевой бар 1 с шарнирной режущей цепью, замкнутой на приводной звездочке в вертикальной плоскости. Кольцевой бар прорезает в угольном пласте щель по почве, кровле и вертикаль­ной плоскости. В условиях малой мощности и хрупкости уголь отрывается от массива и грузится на конвейер кольцевым грузчи­ком 2. Кольцевой грузчик имеет свой привод и редуктор, принцип конструкции погрузчика также баровый с кольцевой цепью, в кулачках которой закреплены резцы и консольные скребки. Они способствуют дополнительному разрушению подрубленного угля

и погрузке его на конвейер. В условиях весьма тонких пластов и углей повышенной хрупкости возможно применение скребково-погрузочной цепи 3, расположенной в передней и задних частях бара и приводимой в движение общей звездочкой. Для улучшения условий погрузки угля используется подпорный щит 3. Это исключает необходимость в дополнительном погрузчике. Кон­струкция комбайна обеспечивает регулирование исполнительно­го органа лишь по минимальной мощности пласта. Оставшаяся пачка угля по кровле пласта обрушается вручную. Комбайн одностороннего действия. Выемка последующего цикла сопряже­на с необходимостью перегона комбайна в нижнюю часть лавы на маневровой скорости с помощью канатного механизма подачи. При этом исполнительный орган разворачивается вдоль корпуса машины, а грузчик располагается впереди комбайна (см.рис.3.14в.). Все эти манипуляции также выполняются с помощью каната подающей части и обводных блоков. Комбайн «Кировец-2К» отличается от комбайна обычного исполнения повышенной мощ­ностью привода и гидравлической вставкой подающей части, что обеспечивает возможность его работы в условиях более крепких углей.

В целом для комбайнов с баровым исполнительным органом характерны значительные потери мощности на трение в направ­ляющих режущей и скребковых цепей. Достоинством комбайна является возможность отработки весьма тонких пластов с повы­шенным выходом крупных фракций угля. Орошение забоя, также как и при работе врубовых машин, обеспечено форсунками от насосной установки, расположенной на штреке. Основные техни­ческие характеристики приведены в табл.3.3.

Комбайн 2КЦТГ буроскалывающего типа предназначен для выемки тонких пластов мощностью 0.55 — 0.75 м с углом падения до 18° и сопротивляемостью углей резанию до 300 кН/м. Принципиальная схема конструкции и работы комбайна представ­лена на рис.3.15.

Комбайн работает в лоб уступа забоя по челноковой схеме с разворотом корпуса на 180° в зонах сопряжения со штреками, требует больших обнажений в кровле в зоне призабойного пространства (не менее 12 кв.м), за счет чего обеспечивается возможность передвижки конвейера волной вслед за подвиганием забоя. Ширина заходки комбайна 1.6 м.

Рисунок 5. Принципиальная схема конструкции и работы комбайна 2КЦТГ.

 

Исполнительный орган комбайна имеет 4 коронки 2 с торцевыми резцами, работающими в буроскалывающем режиме разрушения. Резцы прорезают концентрические щели в забое, образующиеся целики угля скалываются боковыми гребнями коронок и державками резцов. Отбойно-режущая цепь, перемеща­ясь в направлении бара по контуру комбайна, оформляет забой, а также вместе с крайней коронкой осуществляет погрузку угля на конвейер. Для лучшей погрузки все режущие коронки враща­ются в одну сторону. Направляющая лыжа 4 обеспечивает движение комбайна 1 с опорой на борт конвейера. Для погашения пыли в зоне разрушения и погрузки угля устанавливаются форсунки, вода к которым подводится через гибкие шланги от насоса, установленного на штреке. Подача комбайна обеспечена по цепи, растянутой вдоль забоя, концы которой закрепляются на головках конвейера.

Благодаря буроскалывающему разрушению угля комбайн хорошо зарекомендовал себя в условиях крепких и вязких углей, а наибольшее распространение получил при выемке антрацитов, поскольку обеспечивает повышенный выход крупных фракций угля.

В последние годы комбайны типа КЦТГ начали заменять буроскалывающими комбайнами БК-89, работающими по узкозах­ватной схеме в том же диапазоне мощности пластов. Такие комбайны требуют меньших обнажений кровли.

1. Узкозахватные комбайны.

Узкозахватные комбайны располагаются непосредственно у груди забоя, перемещаются по конвейеру или опираются на его став, разрушают уголь в отжатой зоне пласта, с одновременной погрузкой горной массы на конвейер непосредственно исполни­тельным органом машины. Как правило, комбайны работают по челноковой схеме с механизированной выемкой ниш в зоне сопряжения с верхним и нижним штреками. В зависимостиот

горно-геологических условий и требований технологии меняется конструктивное исполнение отдельных типов комбайнов.

По способу перемещения вдоль забоя узкозахватные ком­байны бывают со встроенным либо вынесенным на штреки механизмом подачи (ВСП).

По типу механизма подачи — с гидравлическим или электри­ческим вариатором скорости.

По мощности вынимаемого пласта — комбайныдля тонкихпластов (менее 0.8 м); маломощных (0.8-1.5 м); среднеймощности (1.5-3.5 м) и мощных (более 3.5 м).

По углу падения: комбайны для пластов пологого падения (до 25°) — работа с конвейером при механизированной погрузке угля; наклонных пластов (25-45°) — для транспорта угля исполь­зуются специальные течки и металлические желоба; крутого падения (более 45°) — транспорт угля производится под действи­ем собственного веса.

По конструкции исполнительного органа комбайна: шнековые, барабанные, буроскалывающие, врубо-навалочные, строгаю­щего действия.

По конструкции погрузочного органа: работающие с подпорно-погрузочными щитками пассивного и активного типов с погру­зочными устройствами, управляемыми усилием гидродомкратов.

По расположению исполнительного органа относительно корпуса комбайна: с симметричным и асимметричным. Комбайны с симметричным расположением исполнительных органов обеспе­чивают механизированную подготовку верхней и нижней ниш. Комбайны с асимметричным расположением исполнительного органа, как правило, работают по односторонней схеме, либо требуют подготовки ниш значительных размеров.

По типу привода: с электрическим и пневматическим двига­телем. Последние применяются лишь на пластах крутого падения в условиях жестких требований правил техники безопасности. Вне зависимости от конструкций к комбайнам предъявляются жесткие требования эксплуатации.

Основные из них — механизированная отбойка угля на полную мощность пласта с погрузкой его на конвейер исполни­тельным органом при высоком уровне производительности. Качес­тво и требуемая сортность угля должны обеспечиваться вне зависимости от крепости разрушаемого массива. Эффективное подавление пыли, обеспечивающее соблюдение санитарных норм в призабойном пространстве для безопасности работы обслужи­вающего персонала. Простота, надежность конструкции при жестких требованиях к габаритам комбайна, обеспечивающих возможность его работы в ограниченных размерах призабойного пространства, включая пласты любой мощности в пределах кондиционных запасов. Безопасные условия эксплуатации ком­байна на любых углах падения пласта. Возможность плавного регулирования основных параметров (скорость подачи и резания, изменение исполнительного органа по мощности пласта) в зави­симости от требований условий эксплуатации. Обеспечение самозарубки исполнительного органа в начале каждого цикла выемки. Согласование ширины захвата с возможностью передви­жения крепи механизированным способом вслед за продвиганием забоя. Обеспечение качественной погрузки угля на конвейер. Устойчивое положение комбайна в работе и безопасное его перемещение по конвейеру вне зависимости от угла падения в пределах требований технической характеристики машин. Все эти требования объединяются в единой конструкции современных мощных очистных комбайнов, работающих с высокой производи­тельностью и степенью надежности.

Угольные струги.

Угольный струг — выемочная машина струговой установки, в от­личие от очистных комбайнов, разрушает уголь резанием с поверхнос­ти забоя вдоль линии напластования угля с постоянной или перемен­ной (в зависимости от сопротивляемости угля резанию) глубиной резания (толщиной угольной стружки). По способу воздействия ра­бочего инструмента струга на разрушаемый массив угольного пласта струги могут быть статическими и динамическими.

В статических стругах передача энергии стругу для разрушения угля резанием осуществляется непосредственно замкнутой тяговой цепью привода, без каких либо преобразований.

В динамических стругах подводимая к стругу тем или иным спо­собом энергия преобразуется в ударные импульсы, передающиесяна рабочий инструмент струга.

Наибольшее распространение в СССР и за рубежом получили струги статического действия, которые отделяют уголь от массива с помощью резцов под действием усилия подачи, создаваемого гидроцилиндрами

передвижения, и за счет усилий, передаваемых на струг тяговой цепью.

Как показывает опыт эксплуатации стругов, их применение наибо­лее целесообразно на пластах тонких и средней (не более 2 м) мощ­ности. Сопротивляемость пласта резанию должна составлять не более 250 кН/м в стабильной (неотжатой) зоне и 110—125 кН/м в зоне работы режущего инструмента. Весьма благоприятны для работы стругов плас­ты угля с кливажем под углом 5—40° к линии забоя и эффективным отжимом угля под влиянием горного давления; спокойное залегание пласта.

Основные преимущества струговой выемки:

эффективный способ разрушения угольного пласта резанием вдоль, напластования с глубиной резания, достигающей 100 мм (при слабых углях) в наиболее отжатой зоне угольного пласта — с поверхности забоя. Это обеспечивает минимальную энергоемкость процесса разру­шения угля, высокую сортность добываемого угля при небольшом пылеобразовании;

относительная простота и надежность конструкции собственно стру­гового исполнительного органа, представляющего собой литой кор­пус с закрепленными на нем резцами. На движущемся струге нет элек­тро- или гидродвигателей, трансмиссий и отсутствует передача энер­гии к движущемуся стругу;

приводы струга находятся на рамах приводных головок конвей­ера, расположенных на штреках или по концам забоя, что упрощает их техническое обслуживание. При выносе приводных головок стру­га и конвейера на штреки исключается необходимость предваритель­ной выемки ниш.

отсутствует необходимость перемещения машиниста струга вдоль очистного забоя вслед за перемещением струга, что существенно умень­шает физическую тяжесть и напряженность его труда. К недостаткам струговой выемки относятся:

ограниченная область применения по сопротивляемости угля резанию и наличию в пластах крупных крепких включений колчедана, кварцита, породных прослойков. Геологические нарушения пласта, наличие спаянности ("присухи") верхней пачки пласта с породами кровли, слабые породы кровли и почвы усложняют, а в ряде случаев де­лают невозможным эксплуатацию стругов;

неуправляемый процесс обрушения верхней пачки угля под дей­ствием веса и горного давления, что затрудняет применение совмест­но со стругами механизированных крепей;

низкий КПД стругов из-за больших потерь на трение струга о поч­ву и став забойного конвейера.