проходческий комбайн для проведения подготовительных выработок по породе с ее предварительным разупрочнением

Формула изобретения

Проходческий комбайн, включающий стреловидный исполнительный орган, два гидрофицированных манипулятора с излучателями СВЧ-энергии, установленных по обе стороны от продольной оси комбайна с возможностью перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, гусеничный ход, нагребающий грузчик горной массы, перегружатель, электрический и гидравлический приводы, систему управления, отличающийся тем, что для ослабления пород груди забоя перед разрушением путем нагрева и охлаждения он снабжен двумя гидрофицированными манипуляторами с соплами подачи газифицированного из жидкого состояния азота, каждый из которых установлен между стреловидным исполнительным органом и манипулятором с излучателем СВЧ-энергии с возможностью перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях независимо и одновременно с ними.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к механическому способу разрушения массива в забое при проведении горных выработок по породе, и может найти применение в угольной и горнорудной промышленности.

Известны проходческие комбайны с исполнительным органом избирательного действия. Они состоят из стреловидного исполнительного органа с резцовой коронкой, нагребающего грузчика горной массы, перегружателя, гусеничного хода, электрического и гидравлического приводов и системы управления. Это изготовляемые и применяемые в настоящее время комбайны ПК-3Р, 4ПУ, ГПКС, 4ПП-2М, ЧПП-5, КП-25 с механическим воздействием на породы груди забоя.

А. И. Петров, Г.Г. Штумпф, П.В. Егоров, Г.П. Архипов. Механизация проведения подготовительных выработок.- М.: Недра, 1988. С. 38-46, Л.Г. Грабчак и др. Горнопроходческие машины и комплексы. - М.: Недра. 1990. С. 167-175, Б. Ф. Братченко, М.И. Устинов, Л.Н. Гапанович и др. Способы вскрытия, подготовки и систем разработки шахтных полей. - М.: Недра, 1985. С. 298-301. Оборудование для горно-подготовительных работ. Отраслевой каталог. - М.: Недра, 1994. C. 3-26.

Комбайны ПК-3Р и ЧПУ предназначены для проведения горизонтальных и наклонных (до 10^o) выработок по углю или смешанному забою с присечкой до 50% пород с коэффициентом крепости f4, комбайн ГПКС - для проведения аналогичных выработок по углю и смешанному забою с присечкой пород с коэффициентом крепости f6 до 75^o, комбайн 4ПП-2М для проведения таких же выработок по углепородному массиву с присечкой до 75% пород с коэффициентом крепости f7 и при f=7 не более 15%, комбайн 4ПП-5 предназначен для проведения горизонтальных и наклонных выработок (до 10^o) по смешанному и породнему забою с присечкой пород с коэффициентом крепости f7 не более 75%, комбайн КП-25 - для проведения аналогичных выработок смешанным забоем с присечкой пород с коэффициентом крепости f<8 не более 75%.

Известен проходческий комбайн со стреловидным исполнительным органом избирательного действия, включающий оборудование гусеничного хода, нагребающий грузчик горной массы, перегружатель, электрический и гидравлический приводы, систему управления, который для ослабления пород груди забоя перед разрушением путем нагрева оснащен двумя излучателями СВЧ-энергии, имеющими механизмы для их перемещения (манипуляторы) - А.С. СССР N 335393, кл. E 21 D 9/04, опубл. 12.05.1972.

Известно устройство для электротермического разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, преимущественно горных пород, посредством их нагрева и создания разности температур по глубине массива при последующем охлаждении их с применением различных хладогентов (А.С. СССР N 188430, кл. E 21 C 37/18 опубл. 19.12.1966).

Указанные проходческие комбайны с механическим воздействием на массив горных пород забоя могут применяться только в смешанных забоях и с присечкой пород с коэффициентом крепости менее 8, комбайн же с ослаблением пород груди забоя пред разрушением имеет только одно воздействие на массив - нагрев, что снижает эффективность его применения.

Отмеченные особенности не позволяют применить механический способ разрушения пород забоя при проведении выработок по породам, особенно при коэффициенте крепости более 6, а также повысить скорость проведения при меньшей крепости.

Целью предлагаемого изобретения является ликвидация указанного недостатка путем предварительного снижения прочности пород массива в забое.

Указанная цель достигается за счет образования в приповерхностном слое пород забоя микро- и макротрещин при воздействии на массив со стороны выработки знапопеременными нагрузками - нагреванием с помощью СВЧ и вслед за этим - охлаждением газифицируемым из жидкого состояния азотом. При нагреве происходят процессы накопления поврежденности в зернах породообразующих минералов вследствие дислокационных процессов, упругого и теплового несоответствия контактирующих зерен, приводящее к межзерновой деструкции.

Развитие микро- и макротрещин связано с возникновением термонапряжений, процессами испарения влаги, заключенной в трещинах и порах породы, релаксацией остаточных напряжений, структурными изменениями.

При охлаждении в поверхностном слое возникают растягивающие напряжения, значительно превосходящие максимально возможные механические, что способствует интенсивному трещинообразованию. Одним из основных факторов, определяющих процесс образования и развития трещин, является заключенная в порах и трещинах вода.

После выполнения комплекса указанных воздействий на забой в обработанную зону вводится исполнительный орган, зубцами резцовой коронки которого производится отбойка комков и частиц породы, отслоившихся от массива по образовавшимся трещинам.

Для температурного воздействия на породы груди забоя в верхней части корпуса комбайна устанавливаются по два с каждой стороны (от продольной оси комбайна) гидрофицированных манипулятора. Крайние манипуляторы несут на своих штоках излучатели СВЧ-энергии, внутренние - сопла выпуска газообразного азота. Что является существенным признаком предлагаемой конструкции. Существенным признаком конструкции является также независимое перемещение всех четырех манипуляторов, обеспечивающих температурное воздействие на породы груди забоя, в горизонтальной и вертикальной плоскостях с помощью гидродомкратов перемещения, что позволяет обеспечить обработку всей площади забоя: левой парой манипуляторов обрабатывается левая половина груди забоя, одновременно правая - правую. Одновременно с температурной обработкой груди забоя с некоторым отставанием вводится в работу исполнительный орган и далее процессы разупрочнения и разрушения производятся одновременно в разных частях груди забоя, что также является существенным признаком предлагаемой конструкции комбайна.

Для выполнения указанных действий манипуляторы выполняются в виде гидродомкратов, на конце выдвижных штоков которых устанавливаются излучатели СВЧ и сопла для выпуска газа. Газ и энергия СВЧ подаются к комбайну по металлорукаву и волноводу от блока резервуаров азота и генератора СВЧ, расположенных позади комбайна в сторону устья выработки. Гибкие силовые магистрали между генераторами и комбайном прокладываются на крючьях или баклушах, располагаемых на креплении борта выработки.

Отличительные признаки заявляемого объекта по сравнению с существующими конструкциями с механическим разрушением пород забоя и ранее предложенного с нагреванием пород груди забоя для ослабления перед разрушением, которые можно принять за прототипы, обеспечивают высокоэффективное разрушение ослабленного переднего массива забоя выработки при коэффициенте пород f9 по шкале проф. М.М. Протодъяконова при одинарном цикле температурного воздействия на породы, и до f11 при двухкратном цикле, что позволяет повысить скорость проведения выработок по породам указанных крепостей в 2-3 раза при значительном снижении трудоемкости работ вследствие замены многооперационного, цикличного буровзрывного способа разрушения пород механическим непрерывным способом со значительным повышением безопасности и комфортности ведения работ.

Управление комбайном предлагаемой конструкции предполагается выполнять дистанционно с расстояния не менее 20 м от забоя, используя телевизионное обозрение забоя и рабочих органов комбайна. Вывод людей из забоя обуславливается вредным воздействием на человека отраженной стоячей волны энергии СВЧ и уменьшением содержания кислорода в забойной части выработки.

На фиг. 1а изображен вид комбайна сверху, на фиг. 1б - вид сбоку, на фиг. 2а - порядок обработки забоя в слое 1, на фиг. 2б - последовательность обработки забоя(вид на забой), на фиг. 2в - вид сзади комбайна.

Проходческий комбайн состоит из стреловидного исполнительного органа 1 с режущей головкой 2, нагребающего грузчика горной массы 3, электрического и гидравлического приводов 4, гусеничного хода 5, перегружателя 6, системы управления 7. На верхней части корпуса комбайна расположены четыре гидрофицированных манипулятора 8,9,10 и 11. Манипулятор нагрева 8 имеет выдвижную часть 12, несущую излучатель СВЧ-13, волновод подачи сверхвысоких частот 14. Перемещение выдвигающейся части осуществляется путем подачи жидкости в гидроцилиндр от гидросистемы комбайна по магистралям 15. Манипулятор 8 перемещается в вертикальной плоскости с помощью гидродомкрата 16, в горизонтальной плоскости - с помощью гидродомкрата 17. Манипулятор 9 служит для подачи на грудь забоя через сопло 18 хладагента - азота от блока резервуаров, расположенного в выработке сзади комбайна и генератора СВЧ, по металлорукаву 19 при перемещении штока 20. Манипулятор 9 также перемещается в пространстве с помощью гидродомкратов 21 в вертикальной плоскости и 22 - в горизонтальной. Крайний правый манипулятор 11 имеет выдвижную часть 23 и шток 24, несущий излучатель и волновод СВЧ 14, домкраты вертикального 25 и горизонтального 26 перемещения. Манипулятор 10 выполняет ту же задачу, что и манипулятор 9, - подает на правую часть забоя хладогент, для чего имеет выдвижную часть 27, держатель сопла 28, домкраты перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях 29 и 30, энергетические магистрали 14 и 19, корпус комбайна 31.

На фиг. 2 изображены:

- порядок обработки забоя выработки 1 в слое I с указанием положения стреловидного исполнительного органа 2 комбайна 3 и направлений его движений, положения манипуляторов 4 и 5, несущих излучатели 6 и 7, и манипуляторов 8 и 9, несущих сопла подачи хладогента - азота 10 и 11 с указаниями стрелками направления их перемещения;

- прямоугольный контур забоя 12 (может быть трапециевидный, арочный и круглый) с указанием слоев 13 и положений 14 органов обработки забоя и римскими цифрами очередности;

- левая 15 и правая 16 (по отношению к продольной оси комбайна) рамы крепления гидрофицированных манипуляторов 17 и 18 нагрева груди забоя с помощью СВЧ и гидрофицированных манипуляторов 19 и 20 подачи на грудь забоя хладагента - азота, домкраты перемещения 21, 22, 23 и 24, манипуляторы 17,18,19 и 20 в вертикальной плоскости и домкраты перемещения 25, 26, 27 и 28 манипуляторов 17,18,19 и 20 в горизонтальной плоскости.

Работа комбайна осуществляется следующим образом:

- обработка забоя производится слоями, начиная с верхнего (I-го);

- при опущенном вниз исполнительным органе 1 (фиг. 1) на уровень III-го слоя (фиг. 2) и опущенном манипуляторе охлаждения 9 манипулятор 8 (фиг. 1) или 4 (фиг. 2) обрабатывает верхний - I-ый слой со средины забоя в направлении к левому борту (фиг. 2), по мере его перемещения влево поднимается манипулятор охлаждения 8 (фиг. 2) и, начиная со средины, обрабатывает забой хладагентом в I-ом слое по направлению к левому борту (фиг. 2);

- закончив тепловую обработку I-го слоя, манипулятор 4, продолжая обработку, опускается у левого борта на уровень II-го слоя (фиг. 2);

- манипулятор 8, охлаждая грудь забоя, перемещается к левому борту I-го слоя (фиг. 2);

- исполнительный орган 2 (фиг. 2) поднимается вверх на уровень I-го слоя и со средины забоя (положение I) разрушает грудь забоя, перемещаясь влево к борту выработки вслед за соплом манипулятора охлаждения 8,10 (фиг. 2);

- в это время правый манипулятор охлаждения 9 опускается вниз, а манипулятором 5 производится нагрев груди забоя в I-ом слое от средины забоя в направлении к правому борту - положения III, IV (фиг. 2);

- после ухода манипулятора нагрева 5 к правому борту поднимается манипулятор охлаждения 9 и производит обработку груди забоя в I-ом слое по направлению к правому борту - положения III-IV (фиг. 2);

- манипулятор нагрева 5 опускается у правого борта выработки во II-слой в положение VIII, освобождая грудь забоя для манипулятора 9 (фиг. 2);

- закончив разрушение левой части забоя в I-ом слое, исполнительный орган со средины забоя разрушает его в направлении к правому борту, занимая последовательно III и IV положения (фиг. 2);

- манипуляторы нагрева и охлаждения 4 и 8, обработав левую часть забоя во II-слое (положения V и VI), опускаются последовательно в III-ий слой, а исполнительный орган, закончив разрушения в I-ом слое в положении IV, перемещается в положение V. Далее обработка забоя производится в вышеописанной последовательности до окончания цикла разрушения груди забоя по всей площади, комбайн подается на величину стружки вперед и работы по выемке повторяются.

Теоретические и экспериментальные данные показывают, что при коэффициенте крепости пород f= 5-7 требуемое температурное воздействие осуществляется на глубину 100-120 мм при скорости перемещения силовых головок манипуляторов 1,2 м/мин, при коэффициенте крепости пород f=7-11 разрушительное температурное воздействие на эту же глубину происходит при скорости перемещения силовых головок 0,6 м/мин.

Таким образом, предлагается конструкция проходческого комбайна с устройством температурного разупрочнения пород груди забоя перед их разрушением, что позволяет повысить производительность комбайна по разрушению пород забоя в 2-3 раза (1,8-2,4 т/мин) при значительном повышении безопасности и комфортности работ против буровзрывного способа.