динамический струг механизированной крепи для добычи кимберлитовых руд

Формула изобретения

Динамический струг механизированной крепи для добычи кимберлитовых руд, в котором на корпусе струга, имеющего механизм перемещения по секциям механизированной крепи, устройства для погрузки и транспортировки руды, жестко закреплены по меньшей мере два гидроударных узла с энергией единичного удара не менее 1000 Дж с индивидуальными клиновыми инструментами, параллельно соединенные между собой с одним общим блоком гидроэнергетического питания, каждый гидроударный узел имеет встроенный элемент включения в работу при 50 - 75% нагрузки от забоя на клиновом инструменте, при движении посредством механизма перемещения струга по секциям механизированной крепи, причем угол атаки лезвия клинового инструмента 31 - 35^o к плоскости забоя по ходу перемещения струга, а расстояние между клиновыми инструментами не превышает трехкратной ширины их лезвия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горным добычным машинам при подземной разработке месторождений, а именно к механизмам и устройствам ударно-скалывающего воздействия на вертикальную плоскость фронтального забоя под прикрытием механизированной крепи, и может быть использовано в динамических стругах с механизированной крепью для добычи кимберлитовых руд и других полезных ископаемых с прочностью до 8 кН/см.

Для отделения кимберлита прочностью от 3 до 6 кН/см от массива применение принципа резания зубьями фрезы струга не рационально, поскольку он эффективен только при прочности пород менее 2 кН/см.

Наиболее эффективным при отделении кимберлита от массива является принцип послойного скалывания клиновидным инструментом.

При отработке месторождения с применением механизированной крепи длина фронтального забоя может достигать 200 и более метров. Каждый зуб динамического струга за один цикл перемещения должен проходить это расстояние. Оговоримся, что кимберлит по своей природе имеет большой разброс по прочности, следовательно, массив кимберлита на такой большой протяженности может иметь различные нарушения, трещиноватость и прочие ослабления. Для эффективного скалывания стружки необходимо, чтобы ударный узел при скалывании сам автоматически подстраивался к изменяющимся ситуациям.

Известно, что расход энергии на отделение от массива стружки зависит от количества трещин, одновременно развивающихся на границе скола. Идеально, если на границе образуется и развивается одна откольная трещина, это может быть достигнуто при наличии первоначальной зародышевой трещины. Установлено, что при наличии первоначальной зародышевой трещины, заданной инструментом, процесс образования откольной трещины менее энергоемок.

Проведенными исследованиями установлено, что процесс ударного разрушения горных пород может начинаться лишь при определенном значении нагрузки (см. А. И. Федулов, В.И. Лабутин "Ударное разрушение мерзлых грунтов и горных пород". ФТПРПИ - 1995, N 3, с. 57 - 61). Для эффективного течения процесса ударного разрушения "погонная ударная энергия", отнесенная к единице длины клинового инструмента, для крепких горных пород, 6 - 8 кН/см, должна быть не менее 120 - 150 Дж/мм, а ударный узел должен обладать энергией единичного удара более 1000 Дж.

Для динамического струга, работающего с гидрофицированной механической крепью, целесообразно предусмотреть полное разрушение гребня между зубьями и отсутствие дополнительного сопротивления при перемещении струга. Исследованиями установлено, что для кимберлита при стружке 15 - 20 см расстояние между клиновыми зубьями должно быть не более трехкратной ширины лезвия клинового инструмента.

Общеизвестны струговые установки с механизированными крепями (см. Справочник "Машины и оборудование для угольных шахт". М.: Недра, 1987, с. 135 - 143), состоящие из механизированной крепи, струга с приводами, скребковым конвейером, тягового органа - цепи струга, электрооборудования, гидрооборудования, средств орошения, гидравлических столов.

Недостатком известных технических решений является ограничение по выемке горных пород и угля в пределах крепости 2,5 кН/см, что не обеспечивает добычу кимберлита без предварительного разрыхления.

Известен динамический струг (см. а.с. N 920207, E 21 C 27/46), включающий ударный механизм, выполненный в виде корпуса со свободно плавающим поршнем-бойком, камеры сгорания с буферной полостью и инструментом, причем корпус ударного механизма установлен на раме струга с возможностью продольного перемещения и связан с ней посредством опор качения и упругого элемента, при этом инструмент жестко закреплен на корпусе ударного механизма.

Недостатком данного технического решения является повышенный расход энергии за счет того, что в процессе перемещения струга при изменении прочности скалываемого материала невозможно автоматически регулировать энергию удара.

Кроме того, известна виброгидравлическая выемочная машина (см. а.с. N 1435783, E 21 C 27/46), включающая вибровозбудитель с сообщающимися гидроцилиндрами, внутри которых расположены рабочие инструменты, выполненные в виде поршней-бойков двойного действия, имеющих полости, причем машина снабжена гидроаккумулятором, насосом с валом и установленным на последнем с возможностью вращения золотником с двумя полостями, гидравлически сообщенными с полостями рабочих инструментов посредством элемента ИЛИ гидроаккумулятора и насоса.

Недостатком данного технического решения является сложность конструктивного исполнения, ограниченная возможность по энергии ударных импульсов, что не позволит эффективно использовать установку при добыче кимберлита с большой крепостью.

Известна также выемочная машина (см. а.с. 1728485 E 21 C 27/02), включающая корпус, размещенный на призабойном конвейере, с закрепленным на нем при помощи поворотного редуктора шнековым исполнительным органом и дополнительный исполнительный орган, выполненный в виде плиты с подвижными каретками, на которых установлен ударный механизм с ударным инструментом, при этом плита дополнительного исполнительного органа закреплена на выходном валу поворотного редуктора с возможностью вращения и фиксации относительно выходного вала, и каждый ударный механизм установлен таким образом, что может изменять угол наклона относительно плоскости забоя, а ударные инструменты расположены со смещением относительно плоскости, проходящей по вешней кромке режущих элементов шнекового исполнительного органа, на величину не менее l sinA, где l - длина рабочей части режущего инструмента, A - угол наклона ударного механизма относительно плоскости забоя.

Недостатком известного технического решения является сложность конструктивного исполнения, ограниченные возможности использования мощных ударных узлов, что не позволяет эффективно использовать данную выемочную машину для отработки кимберлитовых трубок.

Задачей предполагаемого изобретения является создание струга, позволяющего вести эффективную отбойку кимберлита (или другой горной породы с прочностью до 8 кН/см) крупным сколом с целью уменьшения поломки кристаллов при добыче.

Поставленная задача решается следующим образом.

На корпусе струга, имеющего механизм перемещения по секциям механизированной крепи, устройства для погрузки и транспортирования, жестко закреплены по меньшей мере два гидроударных узла с энергией единичного удара не менее 1000 Дж с индивидуальными клиновыми инструментами. Гидроударные узлы параллельно соединены между собой одним общим блоком гидроэнергетического питания. Каждый гидроударный узел имеет встроенный элемент включения в работу при 50 - 75% нагрузки от забоя на клиновом инструменте при его движении посредством механизма перемещения струга по секциям механизированной крепи. Угол атаки лезвия клинового инструмента к плоскости забоя по ходу перемещения струга 31 - 35^o, а расстояние между клиновыми инструментами не более трехкратной ширины их лезвия.

Существенными отличиями предложенного технического решения являются следующие:

на корпусе струга, имеющего механизм перемещения по секциям механизированной крепи, устройства для погрузки и транспортирования, жестко закреплены по меньшей мере два гидроударных узла с энергией единичного удара не менее 1000 Дж с индивидуальными клиновыми инструментами.

Данное техническое решение позволяет обеспечить отбойку кимберлита крупным сколом. Проведенными исследованиями установлено, что для эффективного течения процесса ударного разрушения крупным сколом "погонная ударная энергия", отнесенная к единице длины клинового инструмента, для крепких горных пород, например кимберлита, должна быть не менее 120 - 150 Дж/мм, а гидроударный узел должен обладать энергией не менее 1000 Дж.

В механизированной крепи для добычи кимберлита высота забоя очистного пространства равна 1,8 - 2,5 м, которая обусловлена необходимостью обеспечения нормального обслуживания узлов механизированной крепи. Желательно, чтобы динамический струг за один проход обеспечил скалывание стружки на полную высоту забоя 1,8 - 2,5 м. Исследования и предварительные расчеты показывают, что экономически целесообразна для этих условий одновременная работа группы гидроударных узлов 4 - 6 штук. При высоте забоя около 2 метров будет использовано 5 гидроударных узлов, общей ударной мощностью более 5000 Дж. Причем при частоте удара до 300 в минуту каждого гидроударного узла синхронизация ударов по забою не обязательна и даже не желательна с точки зрения обеспечения надежной работы струга и его элементов соединения с узлами механизированной крепи.

Для обеспечения надежной работы ударного узла, состоящего из пяти гидроударников, необходимо жесткое крепление к массивному корпусу струга, надежно опирающемуся посредством опорной плиты на почву очистного пространства.

На механизированной крепи желательно использовать гидроударные узлы общего назначения. Ввиду того, что гидроударный узел имеет в своем составе высоконагруженные детали и, следовательно, срок службы гидроударных узлов вполне определен, крепления гидроударных узлов к корпусу струга должны быть не только надежными, но и позволяющими быструю замену каждой отработавшей детали.

Большие нагрузки, возникающие в клиновом инструменте при использовании энергий более 1000 Дж, не позволяют иметь лезвия клинового инструмента сложной конфигурации, поэтому принят наиболее простой и надежно работающий клиновой инструмент с центральной схемой передачи энергии от гидроударного узла к клиновому инструменту. Исследованиями установлено, что для получения протяженной откольной трещины необходимо рассредоточить ударные узлы по направлению образования откольной трещины. Известно, что расход энергии на отделение массива зависит от количества трещин, одновременно развивающихся на границе откола. Идеально, если на границе образуется и развивается одна откольная трещина. Образовать одну откольную трещину большой протяженности возможно, если по направлению трассы будущей трещины создать несколько зародышевых трещин, которые в процессе роста их взаимного влияния сливаются в одну нужного направления. Поэтому для уменьшения расхода энергии на отбойку кимберлита техническим решением предусматривается одновременная работа по меньшей мере двух гидроударных узлов, рассредоточенных по высоте забоя, например для забоя высотой 2 м - 5 гидроударных узлов.

Гидроударные узлы соединены между собой параллельно одним блоком гидроэнергетического питания, а каждый гидроударный узел имеет встроенный элемент включения в работу при 50 - 75% нагрузки от забоя на клиновом инструменте при его движении посредством механизма перемещения струга по секциям механизированной крепи.

Данное техническое решение обеспечивает одновременную параллельную работу всех включенных (например, пяти) гидроударных узлов. Причем техническим решением предусматривается, что когда одновременно работают все гидроударные узлы (в данном случае 5), то каждый гидроударный узел работает не в полную энергетическую мощность (в нашем примере гидроударные узлы с энергией удара 1800 - 2000 Дж), а энергия удара составляет более 1000 Дж и обеспечивает откольное отделение стружки (работает на 50 - 75% использования возможностей ударного узла).

Когда над одним или несколькими гидроударными узлами произойдет откол кимберлита, и нагрузка на рабочие инструменты этих гидроударных узлов упадет, благодаря встроенному элементу отключения данные гидроударные узлы отключаются от системы питания. В гидравлической сети повышается давление, и оставшиеся включенными гидроударные узлы увеличивают частоту и энергию удара, что ведет к отлому более прочного кимберлита, встреченного по мере продвижения струга.

Данным техническим решением обеспечивается отключение и включение любого гидроударного узла (или группы гидроударных узлов) по мере продвижения динамического струга вдоль забоя под механизированной крепью. При этом гидроударные узлы автоматически повышают энергию удара при увеличении сопротивления отлому или отключение при его завершении, что позволяет сократить затраты на отбойку кимберлита.

Угол атаки лезвия клинового инструмента 31 - 35^o к плоскости забоя по ходу перемещения струга.

Данное техническое решение обеспечивает скол стружки инструментом по мере движения струга вдоль забоя.

Исследованиями установлено, что при углах атаки 30^o наблюдается тенденция отталкивания клинового инструмента от забоя с уменьшением толщины стружки. Величина отталкивания клинового инструмента от забоя зависит от прочности горных пород, толщины стружки, состояния лезвия инструмента, расстояния между смежными гидроударными узлами, величины энергии удара.

В то же время при углах атаки более 35^o наблюдается заглубление клинового инструмента в горную породу, увеличение стружки, когда уменьшается прочность горных пород, повышение потребляемой мощности ударным узлом и нестабильность откола горной массы.

Для откола горной массы группой клиновых инструментов целесообразно использовать угол атаки 31 - 35^o к плоскости забоя по ходу перемещения струга.

Принимается угол 31 - 35^o, при котором наблюдается тенденция к увеличению стружки. Но при углах 31 - 35^o эту тенденцию можно локализовать с минимальными затратами энергии путем ограничения угла разворота корпуса струга с опорой на грудь забоя, что существенно не усложняет конструкцию.

Расстояние между клиновыми инструментами не более трехкратной ширины их лезвия.

Данное техническое решение обеспечивает откол кимберлита трещиной одного направления без гребней между клиновыми инструментами при минимальном расходе энергии на этом процессе.

Исследованиями установлено, что при откольном отделении стружки горной породы группой гидроударных узлов с уменьшением толщины стружки и увеличением расстояния между клиновыми инструментами, образуется неразрушенный гребень, при этом растет энергоемкость отделения горной массы. Так для кимберлита с толщиной стружки до 0,3 м целесообразно расстояние между клиновыми инструментами не более трехкратной ширины лезвия клинового инструмента, при этом откол идет по одной линии без гребней, что снижает энергоемкость процесса откольного отделения стружки.

Сущность предлагаемого технического решения.

Для отбойки кимберлита под прикрытием механизированной крепи предлагается динамический струг, в котором на корпусе имеется механизм перемещения по секциям механизированной крепи, устройства для погрузки и транспортирования руды, а также жестко закрепленные гидроударные узлы с индивидуальными клиновыми инструментами с энергией единичного удара не менее 1000 Дж. Расстояние между клиновыми инструментами не более трехкратной величины ширины лезвия клинового инструмента, а угол атаки клинового инструмента 31 - 35^o к плоскости забоя по ходу перемещения струга. Причем каждый гидроударный узел параллельно подключен к одному общему блоку гидроэнергетического питания и снабжен встроенным элементом включения в работу при 50 - 75% нагрузки от забоя на клиновом инструменте при движении струга вдоль забоя по секциям механизированной крепи.

Это обеспечивает послойную отбойку кимберлита на всю высоту слоя вдоль механизированной крепи, причем при изменении прочности комберлита автоматически подстраивается режим ударных нагрузок отдельными гидроударными узлами, обеспечивая экономическую эффективность процесса отбойки.

Пример выполнения динамического струга механизированной крепи для добычи кимберлитовых руд показан на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5. На фиг. 1 показана принципиальная схема динамического струга и его отбойного органа, вертикальный разрез;

фиг. 2 - то же, в плане;

фиг. 3 - схема образования зародышевой трещины перед центральной частью клинового инструмента - узел А (фиг. 2);

фиг. 4 - то же, что и фиг. 3 - проекция на вертикальную плоскость;

фиг. 5 - схема образования откольной трещины в забое в основании стружки.

Динамический струг механизированной крепи для добычи кимберлитовых руд включает в себя корпус струга 1 (фиг. 1), на котором жестко посредством болтовых соединений закреплены по меньшей мере два, а в данном примере пять гидроударных узлов (один гидроударный узел не виден), с энергией единичного удара не менее 1000 Дж и частотой до 300 ударов в минуту.

Для зачистки кровли и почвы струг может оборудоваться дополнительными гидроударными узлами пониженной мощности.

В данном примере гидроударные узлы 2 имеют установочную энергию удара 1800 - 2000 Дж.

Гидроударные узлы снабжены индивидуальными клиновыми инструментами 3. Для того, чтобы велась отбойка кимберлита, надо чтобы энергия удара, приходящаяся на единицу ширины 1 лезвия клинового инструмента, была не менее 120. ..150 10^-2 Дж/м. Кроме того, для повышения эффективности отбойки лезвие клинового инструмента выполняется с закруглением 4 (фиг. 3,4). Закругление 4 способствует образованию зародышевой трещины 5 в ее центральной части 6 путем концентрации ударного импульса. А периферийная часть 7 обеспечивает рост зародышевой трещины 5.

Расстояние "В" между двумя сменными клиновыми инструментами не более трехкратной ширины "l" лезвия клинового инструмента. Угол атаки клинового инструмента 3 к плоскости забоя по ходу перемещения струга должен быть 31 - 35^o, что обеспечивает отбойку стружки 8 (фиг. 2, 3) с минимальными энергетическими затратами. В процессе работы угол атаки может корректироваться цилиндром 9 при повороте корпуса струга 1 на оси 10.

Каждый гидроударный узел 2 имеет встроенный элемент (не показан), включающийся в работу при 50 - 75% нагрузки от забоя 11 на клиновом инструменте 3. Встроенный элемент может быть выполнен в виде упругого элемента, размещенного между корпусом гидроударного узла и клиновым инструментом. Когда происходит скол стружки 8, нагрузка на гидроударный узел падает, под действием упругого элемента производятся перемещение клинового инструмента 3 относительно корпуса гидроударного узла и отключение подачи энергоносителя в гидроударный узел. Подбором жесткости упругого элемента можно регулировать величину нагрузки, при которой включается в работу гидроударный узел. При включенном гидроударном узле 2 клиновой инструмент 3 используется для отделения отколотой стружки 8 за счет перемещения динамического струга.

Для перемещения динамический струг снабжен известным механизмом (механизм перемещения не показан).

Гидроударные узлы 3 параллельно соединены между собой одним общим блоком гидроэнергетического питания (гидроэнергетический блок питания, серийно выпускаемый по известным техническим решениям, не показан).

Сколотая стружка 8 устройством для погрузки, выполненным в виде плужка 12, грузится на конвейер 13 механизированной крепи. Динамический струг может быть выполнен как одностороннего, так и двухстороннего действия.

Динамический струг механизированной крепи для добычи кимберлитовых руд работает следующим образом. Отработка кимберлитовой трубки ведется слабонаклонными слоями мощностью 1,8 - 2,5 м лавами, длиной 50 - 250 м под прикрытием механизированной крепи.

Отбойку руды производят на всю высоту слоя (в примере 2 м) в виде стружки, толщиной 10 - 30 см по фронту лавы динамическим стругом, его гидроударными узлами 2 (фиг. 1) посредством клиновых инструментов 3. В данном конкретном примере (отбойка кимберлитовой руды с прочностью 3 - 6 кН/см²) на корпусе 4 динамического струга жестко укреплены 5 гидроударных узлов с энергией единичного удара 1800...2000 Дж, параллельно запитанных от одного блока гидроэнергетического питания. Гидроаппаратура настроена таким образом, чтобы при нормальной работе (заданной скорости перемещения струга и толщине стружки) все пять гидроударных узлов работали на 50 - 70% мощности, т.е. чтобы каждый гидроударный узел, создав энергию единичного удара 1000 - 1300 Дж, развивал погонную ударную энергию 100 - 120 10² Дж/м, что и обеспечивало бы откольное отделение стружки 8.

На границе стружки 8 с массивом кимберлита каждым гидроударным узлом (фиг. 2, 3, 4) его клиновым инструментом 3 развивается откольная трещина следующим образом. Клиновым инструментом 3, его закругленным лезвием 4 при ударах образуется зародышевая трещина 5 посредством ее центральной части 6. За счет закругления длина лезвия, контактирующая с забоем 11, в начальный период мала, погонная ударная энергия значительно превышает предел прочности кимберлита, что обеспечивает образование зародышевой трещины. Дальнейшими ударами зародышевая трещина 5 расширяется, вступают в работу переферийные части 7 закругленного лезвия 4. Затраты энергии на рост зародышевой трещины ниже, чем для ее образования. Росту зародышевой трещины помогают смежные растущие трещины (фиг. 5). В результате образуется откольная трещина и отдельные стружки, которые разваливаются на куски по естественной трещиноватости.

Массив кимберлита не однороден по своему составу, и рост зародышевых трещин не равномерен. Кроме того, в массиве могут быть нарушения, способствующие местному сколу.

Когда над одним или несколькими гидроударными узлами произойдет откол кимберлита, и нагрузка на клиновой инструмент этих гидроударных узлов упадет, благодаря встроенному упругому элементу отключения эти клиновые инструменты отключатся от системы питания. В гидравлической сети повышается давление, и оставшиеся включенными клиновые инструменты увеличивают частоту и энергию единичного удара, что приведет к отколу более прочного кимберлита, встреченного по мере движения струга. Этим обеспечивается включение-отключение любого гидроударного узла (или группы гидроударных узлов) по мере движения динамического струга вдоль забоя под прикрытием механизированной крепи. При этом гидроударные узлы автоматически повышают энергию удара при увеличении сопротивления отколу и отключаются при его завершении. Отбитый кимберлит посредством плужка 12 грузится на забойный конвейер 13.