Опыт применения гидроструйных технологий в исполнительных органах проходческих комбайнов

В.Г. Мерзляков, д.т.н., профессор Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ)

Сложившееся к настоящему времени в угольной промышленности РФ состояние горноподготовительных работ не позволяет обеспечить требуемые темпы воспроизводства очистного фронта [1-3]. При мощности пластов до 4 м и нагрузке на лаву до 3,0 млн т/г необходимо обеспечить темпы проведения горных выработок не менее 300 м/сут [1, 3]. Достижение таких показателей возможно лишь путем создания новых технологий комбайновой проходки выработок, темпы которой в 2,5-3,0 раза превышают темпы при буро-взрывной технологии и обеспечивают увеличение в 1,5-2,0 раза производительность труда рабочих.

Рис. 1 Схемы гидромеханического разрушения угля и горных пород: а – струей воды и механическим инструментом скалывающего действия (дисковой шарошкой); б – струей воды и резцовым инструментом; 1 – резец; 2 – дисковая шарошка; 3 – струеформирующее устройство; 4 – линия резания; Pz, Py, Px – усилия соответственно резания, подачи и боковое, действующие на механический инструмент; a – опережение струи воды; Vр – скорость резания; h – глубина стружки; t – шаг резания; hщ – глубина опережающей щели; D, 􀄯􀀃 – диаметр и угол заострения клинового обода дисковой шарошки

Рис. 1 Схемы гидромеханического разрушения угля и горных пород: а – струей воды и механическим инструментом скалывающего действия (дисковой шарошкой); б – струей воды и резцовым инструментом; 1 – резец; 2 – дисковая шарошка; 3 – струеформирующее устройство; 4 – линия резания; Pz, Py, Px – усилия соответственно резания, подачи и боковое, действующие на механический инструмент; a – опережение струи воды; Vр – скорость резания; h – глубина стружки; t – шаг резания; hщ – глубина опережающей щели; D, 􀄯􀀃 – диаметр и угол заострения клинового обода дисковой шарошки

Рис. 1 Схемы гидромеханического разрушения угля и горных пород: а – струей воды и механическим инструментомскалывающего действия (дисковой шарошкой); б –  струей воды и резцовым инструментом; 1 – резец; 2 – дисковая шарошка; 3 – струеформирующее устройство; 4 – линия резания; Pz, Py, Px – усилия соответственно резания, подачи и боковое, действующие на механический инструмент; a – опережение струи воды; Vр – скорость резания; h – глубина стружки; t – шаг резания; hщглубина опережающей щели; D, δ – диаметр и угол заострения клинового обода дисковой шарошки

Кроме того, главным достоинством комбайновой проходки является несравненно большая безопасность подземных работ. Отсутствие до настоящего времени высокопроизводительного, доступного по цене и надежного отечественного проходческого комбайна, способного проходить горные выработки по породам с прочностью на одноосное сжатие до 100 МПа и более и абразивностью более 18 мг [1-3] является одним из главных факторов, сдерживающих высокие темпы проведения подготовительных работ в горнорудных отраслях промышленности.

В то же время необходимо отметить, что на шахтах РФ одной из основных причин воспламенений метана и угольной пыли при работе выемочных и проходческих машин является высокотемпературное «пятно» в месте фрикционного контакта резца с разрушаемой породой. Взрывы, вспышки и загорания метана составляют 96 % от общего числа аварий, происходящих в связи с нарушением пылегазового режима в угольных шахтах РФ. Вспышки метана даже локального характера опасны тем, что они могут привести к крупным взрывам газопылевоздушных смесей и вследствие этого к большим человеческим, материальным и финансовым потерям.

Аналогичная ситуация складывается и за рубежом. Так, в США в результате фрикционного искрения резцов при разрушении угольного массива режущими инструментами происходит около 50 % вспышек метана, в ЮАР – до 70 % случаев его воспламенения.

Повышение производительности и безопасности проведения выработок по крепким и абразивным породам возможно с помощью проходческого комбайна нового технического уровня, использующего гидроструйные технологии в конструкции исполнительных органов [4-10].

Использование энергии высокоскоростных струй воды для резания горных пород и твердых материалов (гидроструйные технологии) получило признание во всем мире. Отсутствие контакта режущего инструмента (струи воды) с разрушаемым массивом, возможность снижения металлоемкости забойного оборудования при одновременном увеличении его энерговооруженности за счет дистанционного расположения энергетического оборудования, эффективное обеспечение пылевзрывозащиты являются основными преимуществами этого способа разрушения.

С другой стороны, высокая энергоемкость гидравлического разрушения является фактором, сдерживающим его широкое внедрение для создания исполнительных органов породоразрушающих машин. Для снижения энергоемкости и максимального использования положительных качеств гидравлического разрушения в нашей стране и за рубежом проводятся работы по созданию комбинированных (гидромеханических) способов и средств разрушения горных пород и твердых материалов.

Гидромеханический способ разрушения основан на комбинированном воздействии на горный массив высокоскоростной струи воды давлением 30-70 Мпа и более и механического инструмента скалывающего (рис. 1, а) или режущего (рис 1, б) действия. Струя воды, нарезая в массиве опережающие щели или создавая в нем динамические напряжения без нарезания щели, ослабляет разрушаемый массив, что способствует снижению усилий, действующих на механический инструмент.

Проникая в микро- и макротрещины, струя воды увлажняет продукты разрушения. Вследствие этого происходит не только резкое снижение пылеобразования (на 70-85 %), но и существенное снижение температуры резца и его следа. Высокая эжектирующая способность высокоскоростных струй воды, обеспечивающая вынос из забоя выделяющегося метана и образование вокруг исполнительного органа водяного тумана, резкое (в 1,5-2 и более раз) снижение нагрузок на механическом инструменте и искрообразования на 90- 100 % – все это вместе обеспечивает эффективную взрывозащиту от фрикционного искрения.

Созданием опытно-промышленных и серийных образцов проходческих комбайнов с гидромеханическими исполнительными органами в разное время занимались зарубежные фирмы «Anderson Strathclyde», «Dosco Overseas Engineering» (Великобритания), «Demag», «Paurat», «Wirth», «Hammelman» (Германия), «Taisei», «Nihon» (Япония), «Robbins», «Flow industries», «Flow research», «Kennametal» (США), «Sandvik» (Швеция), «First Alpine» (Австрия) и другие.

В России наиболее комплексно этими вопросами занимаются ННЦ ГП – ИГД им. А.А. Скочинского, ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод», ТРО МОО «Академия горных наук» и Тульский государственный университет [4 –11]. Работы проводятся в двух направлениях:

– разработка и создание гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, где вода играет комплексную роль инструмента разрушения, подавления пыли и пылевзрывозащиты;

– разработка и создание систем высоконапорного орошения комбайнов, где вода играет роль лишь инструмента подавления пыли и пылевзрывозащиты.

При разработке гидромеханических исполнительных органов в первую очередь предполагалось решить следующие задачи: исключить пыле- и искрообразование; уменьшить расход резцов; повысить производительность проходческих комбайнов без увеличения их массы и установленной мощности двигателей исполнительных органов.

Разработаны две схемы компоновки гидравлического оборудования на комбайнах с гидромеханическими исполнительными органами: с автономным источником воды высокого давления (ИВД), когда преобразователь давления вынесен на корпус комбайна или за его пределы, либо со встроенным в режущую коронку преобразователем давления (рис. 2).

Рис. 2 Схема компоновки комбайна с гидромеханическим рабочим органом со встроенным в коронку ИВД: 1 – приводной насосный блок; 2 – гидрооборудование; 3 – блок управления зонами; 4 – гидросъемник; 5 – преобразователь давления; 6 – коронка; 7 – водосъемник низкого давления; 8 – дополнительное электрооборудование; 9 – подпиточный; насос; 10 – фильтр тонкой очистки

Рис. 2 Схема компоновки комбайна с гидромеханическим рабочим органом со встроенным в коронку ИВД: 1 – приводной насосный блок; 2 – гидрооборудование; 3 – блок управления зонами; 4 – гидросъемник; 5 – преобразователь давления; 6 – коронка; 7 – водосъемник низкого давления; 8 – дополнительное электрооборудование; 9 – подпиточный; насос; 10 – фильтр тонкой очистки

В целом проведенные в России и за рубежом испытания гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов и опыт их эксплуатации позволили установить эффективность и перспективность гидромеханического способа разрушения и выделить следующие его основные преимущества [4-10]:

– расширение области применения проходческих комбайнов на более прочные породы (σсж до 160 и более);

– снижение усилий резания и подачи на 40-60 % и на 60- 70 % соответственно;

– уменьшение крутящего момента и потребляемой мощности на рабочем органе в 1,3-2,2 раза;

– повышение скорости проходки в 1,5-5 раза без увеличения установленной мощности двигателя исполнительного органа;

– уменьшение расхода механического инструмента в 2-6 раз;

– увеличение производительности комбайна при работе по прочным породам в 1,7-2,2 раза при сохранении массы и габаритов машины.

Также установлено, что для эффективного ослабления забоя при проведении горных выработок по крепким породам (более 100 МПа) необходимо использовать струи воды с начальным давлением не ниже 100-150 МПа и расходом 3-6 л/мин на один резец [4-10]. Таким образом, для широкого практического применения гидромеханических исполнительных органов проходческий комбайн избирательного действия должен быть оснащен гидравлическим оборудованием по схеме, приведенной на рис. 2, с рабочим давлением не ниже 100 МПа и расходом воды 5-10 м3/ч.

Что же касается систем пылеподавления комбайнов, то здесь необходимо отметить следующее. Созданием высоконапорных систем орошения занимаются практически все фирмы, производящие выемочные и проходческие комбайны. При этом, несмотря на многообразие конструктивного исполнения систем орошения различных горных машин, их можно разделить на две группы [4,5]:

– внешние системы, подающие жидкость в зону пылеобразования с некоторого удаления;

– внутренние системы, в которых происходит смачивание пыли в месте ее образования.

081 3

081 4

1 – стрела исполнительного органа; 2 – исполнительный орган; 3 – коллектор с форсунками; 4 – водяной туман

1 – резец; 2 – струеформирующее устройство; 3 – струя воды

081 7

1 – резец; 2 – струеформирующее устройство; 3 – струя воды

Рис. 3 Общие виды и конструктивные схемы внешнего оросительного устройства (а) и внутреннего оросительного устройства с подачей оросительной жидкости в зону разрушения (б) проходческого комбайна KR-150z (Польша)

В качестве примера на рис. 3 приведены общие виды и конструктивные схемы оросительных устройств проходческого комбайна KR-150z фирмы Famur (Польша). Комбайн оснащен системами орошения резцовых коронок, в том числе веерным и инжекторными форсунками для внешнего орошения зоны резания (рис. 3, а) и внутреннего орошения с пода- чей воды давлением 10-20 МПа к каждому резцу для охлаждения борозд резания при секторном управлении (рис. 3, б), Среди многочисленных разработок систем орошения следует также выделить систему «Apitest» company «Innovation» (Великобритания); проходческий комбайн избирательного действия модели YS 3/2 фирмы «Demag», оснащенный системой распыления воды конструкции фирмы «Kennametal», в которой давление воды составляло 15 МПа, а ее расход 60 л/мин; проходческий комбайн со стреловидным исполнительным органом «Dosco Overseas Engineering» МК2А с радиальной коронкой и системой подачи воды под высоким давлением (70 МПа) и многие другие.

Необходимо отметить, что в настоящее время эффективность пылеподавления внешних низконапорных оросительных систем достигла своего предела. При этом остаточная запыленность воздуха сохраняется на уровне 20 %. Дальнейшее повышение эффективности внешних систем пылеподавления за счет увеличения мощности распыления нецелесообразно, так как это приведет к переувлажнению отбитой горной массы, уносу диспергированной жидкости в рабочую зону и обводнению призабойного пространства. Кроме того, все внешние системы имеют низкий коэффициент полезного действия и не обеспечивают взрывозащиту от искр трения. Поэтому во всех странах с развитой угольной промышленностью в течение нескольких десятилетий ведутся работы по созданию и совершенствованию внутренних систем орошения выемочных и проходческих комбайнов (рис. 3, б) [4].

Результаты НИОКР, выполненных в РФ при нашем участии, и анализ тенденций создания современных систем пылевзрывозащиты за рубежом (в Германии, Англии, США и др.) позволяют сделать вывод, что значительно более высокой эффективностью и надежностью по сравнению с традиционными системами низконапорного орошения обладают внутренние системы высоконапорного орошения с подачей на след резцов водяных струй с давлением 10-20 МПа. Вместо форсунок, в которых распыление жидкости достигается за счет искусственной турбулизации, в системах высоконапорного орошения используются струеформирующие насадки, обеспечивающие распыление струи за счет естественных процессов, вызванных повышением давления и увеличением скорости истечения. При этом достигается более интенсивное эжектирование воздуха и тем самым активизируется удаление метана из зоны резания. Повышение скорости водяного потока способствует более эффективному связыванию тонких фракций взрывоопасной пыли, увеличению уноса тепла и, следовательно, более эффективному охлаждению режущего инструмента и его раскаленного следа в горной породе. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что струя воды в состоянии эффективно охладить раскаленные частицы породы под вершиной резца, не допустить возникновения искр и тем самым устранить опасность взрыва метана. При этом доля пыли, способной проникнуть в легкие, уменьшается на 83,9 %, а крупной пыли – на 92,1 % [4].

Перспективной представляется разработанная в Институте горного дела им. А.А. Скочинского совместно с Тульским государственным университетом система высоконапорного орошения, предназначенная для модернизации проходческих комбайнов с целью повышения эффективности подавления искрообразования в зоне контакта резца с породой и улучшения пылеподавления [4]. Система содержит комплект навесного оборудования, достаточный для монтажа и отладки на полностью собранном комбайне, в том числе и в условиях рудоремонтного завода (рис. 4). Преобразователь давления обеспечивает повышение давления с 0,6-2,0 МПа на входе до 15-20 МПа на выходе и расход высоконапорной воды 50-75 л/мин.

Рис. 4 Схема компоновки системы высоконапорного орошения на проходческом комбайне: 1 – блок насосный, 2 – ги- дропанель, 3 – преобразователь давления, 4 – резцовая коронка, 5 – водосъемник, 6 – электрооборудование

Рис. 4 Схема компоновки системы высоконапорного орошения на проходческом комбайне: 1 – блок насосный, 2 – гидропанель, 3 – преобразователь давления, 4 – резцовая коронка, 5 – водосъемник, 6 – электрооборудование

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию системы высоконапорного орошения (рис. 4) для проходческого комбайна КП-21 проводились ТРО МОО «Академия горных наук», ОАО «Скуратовский опытно- экспериментальный завод» и ОАО «Копейский машиностроительный завод» [11]. Комбайн предназначен для механизации отбойки и погрузки горной массы при проведении горизонтальных и наклонных горных выработок в породах прочностью на одноосное сжатие до 100 МПа и показателем абразивности до 15 мг по Л.И. Барону и А.В. Кузнецову.

Испытания (стендовые и полигонные) системы высоконапорного орошения проходческого комбайна КП-21 проходили на специальном стенде на полигоне Копейского машиностроительного завода при разрушении породоцементного блока прочностью 34,5 МПа и при следующих параметрах:

– скоростях резания и подачи 2,0 и 0,15 м/с соответственно;

– режиме проветривания с постоянной скоростью движения воздуха у исполнительного органа 2,0 м/с;

– работе источника воды высокого давления при давлении воды 35 МПа и ее расходе 60 л/мин.

Запыленность воздуха определялась на исходящей струе в 10-15 м от комбайна и на высоте 1,5 м от уровня пола [11].

Проведенные испытания полностью подтвердили работоспособность и эффективность разработанной системы высоконапорного орошения для комбайна КП-21 ее элементов и узлов. Эффективность пылеподавления для принятых условий эксперимента составляет 97,3 %, а концентрация пыли, равная 3,5 мг/м3, не превышает предельно допустимой концентрации (в соответствии с гигиеническими нормами ГН 2.2.5.1313-03) 6 мг/м3.

Комплексные исследования процессов воспламенения метановоздушных смесей и эффективности пылеподавления при работе очистных и проходческих комбайнов с учетом различных факторов выполнены в основном в ИГД им. А.А. Скочинского, ВостНИИ и ПНИУИ [4].

Исследовались различные средства защиты от воспламенения метановоздушной смеси; воспламеняющаяся способность искр, образующаяся при трении породоразрущающего инструмента и его нагреве в процессе резания; расход воды на предотвращение фрикционного воспламенения в зависимости от скорости резания; влияние минералогического состава и физико-механических свойств различных пород на образование источника воспламенения; различные типы насадок (оросителей), их расположение относительно горного инструмента и эффективность их влияния на процессы пылеподавления и искрогашения и другие параметры.

Детальный анализ выполненных исследований и их обоб- щение позволяют сделать следующие основные выводы: – надежная защита от взрыва газа и пыли при фрикционном контакте инструмента с породой обеспечивается за счет подачи компактной струи воды под давлением не менее 10 МПа позади режущей кромки резца на расстоянии не более 20 мм от его вершины. При этом расстояние от насадки до вершины резца не должно превышать 200 мм. Насадки рекомендуется размещать в корпусах резцедержателей с направлением оси струи по касательной к поверхности резца;

– с повышением давления воды эффективность пылеподавления возрастает. При традиционных системах орошения, применяемых на комбайнах с механическими исполнительными органами, максимальный эффект пылеподавления достигается при давлениях воды в пределах 20-30 МПа. При этом для обеспечения эффективной пылевзрывозащиты воду целесообразно подавать на след резца, находящегося в контакте с массивом, с целью его охлаждения.

В целом шахтные испытания различных систем орошения, выполненные в Германии, Великобритании, России и других странах, показывают [4], что наиболее эффективными системами являются внутренние системы высоконапорного орошения и гидромеханические исполнительные органы, которые обеспечивают эффективность пылеподавления 96-99,9 % при работе выемочных и проходческих комбайнов.

Существенным недостатком внутренних систем орошения являются их высокая сложность, а также недостаточная надежность и долговечность. Несмотря на это, высокопроизводительные проходческие комбайны не могут эффективно работать без систем пылеподавления и пылевзрывозащиты. Поэтому работы, направленные на совершенствование и унификацию внутренних систем высоконапорного орошения, являются наиболее перспективным направлением защиты горных машин от воспламенения пылеметановоздушных смесей и борьбы с пылью.

 

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Концепция развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового обору-дования на период до 2020 г. [Текст] : Ю.Н. Линник, И.С. Крашкин, В.Г. Мерзляков др.] // Горное оборудование и электромеханика. 2006. - 2. С. 2 12.
2. Концепция развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового обору-дования на период до 2020 г. [Текст] : Ю.Н. Линник, И.С. Крашкин, В.Г. Мерзляков др.] // Горное оборудование и электромеханика. 2006. - 3. С. 2 6.
3. Плакиткина, Л.С. Анализ и перспективы развития угольной промыш-ленности основных стран мира, бывшего СССР и России в период до 2030 г. [Текст] : Л.С. Плакиткина. М.: Горная промышленность, 2013. - 416 с.
4. Мерзляков, В.Г. Физико–технические основы гидроструйных технологий в гор-ном производстве [Текст] : В.Г. Мерзляков, В.Е. Бафталовский. М.: Изд-во ННЦГП–ИГД им. А.А. Скочинского, 2004. 645 с.
5. Бреннер В.А. Гидроструйные технологии в промышленности Гидромеханическое разрушение горных пород [Текст] : В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев др.]. М.: Изд-во АГН, 2000. 343 с.
6. Качурин Н.М. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных ор-ганов проходческих комбайнов [Текст] : Н.М. Качурин, В.А. Бреннер, А.Б. Жабин др.] . М.: Изд-во МГГУ, 2003. 293 с.
7. Бреннер В.А. Совершенствование гидроструйных технологий в горном производ-стве [Текст] : В. А. Бреннер, А. Б. Жабин, М. М. Щеголевский др.]. М.: Изд-во Гор-ная книга: Изд-во МГГУ, 2010. 337 с.
8. Мерзляков В.Г. Механизация горных работ с использованием гидротехнологий [Текст]: В.Г. Мерзляков, В.Е.Бафталовский, В.Н.Байдинов // Горное оборудование и электромеханика. 2010. - №6. С.2 - 6.
9. Жабин А.Б. Гидромеханические исполнительные органы проходческих комбай-нов [Текст] : А.Б. Жабин, А.В. Поляков, В.В. Антипов др.] // Горное оборудование и электромеханика. 2008. - №4. С. 12 - 16.
10. Бреннер В.А. Совершенствование технологии гидромеханического разрушения горных пород проходческими комбайнами [Текст] : В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, Ан.В. Поля-ков др.] // Горное оборудование и электромеханика. 2007. - №11. С. 27-32.
11. Поляков, А.В. Разработка, создание и испытания системы высоконапорного орошения для проходческого комбайна КП21 [Текст] : А.Б. Жабин, Ал.В. Поляков, Ан.В. Поляков др.]// Горное оборудование и электромеханика. 2012. - №. 2 С.7-11.
Ключевые слова: гидроструйные технологии, проходческие комбайны, производительность, безопасность, гидромеханический способ разрушения пород, энергоемкость, пылевзрывозащита

Журнал "Горная Промышленность" №4 (122) 2015, стр.81