ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Научно-технический прогресс в области проведения горных выработок, являющихся важнейшим элементом современной технологии добычи полезных ископаемых, в основном реализуется путем развития комбайнового способа проходки. Последний обеспечивает по сравнению с буровзрывным способом более высокие темпы проходки и производительность труда.

Удельный вес комбайновой проходки в угольной промышленности России в настоящее время составляет около 50% объемов проходки. Из них около 40% проходится по углю. На 2000 г. намечено увеличение удельного веса комбайновой проходки до 80%. Значительно увеличатся объемы проходки выработок по углю, что обусловлено проведением политики реструктуризации отрасли, предусматривающей прекращение добычи угля из маломощных пластов, сокращение добычи на крутопадающих пластах.

В угольной промышленности РФ по состоянию на 1.01.96 г. парк проходческих комбайнов состоял из 789 комбайнов, из них в работе находилось 487. Около 90% этого парка представлены комбайнами 1ГПКС, 1ПК-Зр и 4ПУ. Все эти комбайны оснащены продольно-осевыми коронками.

При комбайновом способе проведения горных выработок существенно сокращается число основных процессов проходческого цикла по сравнению с буровзрывной технологией. Вспомогательные процессы остаются такими же, как и при буровзрывной технологии. Большое внимание следует уделять пылеподавлению. По существу технология строительства сводится к механическому разрушению массива, погрузке и транспортировке породы, что можно выполнять одновременно с возведением постоянной крепи. Такие процессы, как бурение шпуров, заряжание и взрывание, проветривание и приведение забоя в безопасное состояние после взрывания, исключаются из проходческого цикла. Для комбайновой технологии строительства характерна циклично-поточная организация труда. Поэтому большое значение приобретает своевременность выполнения вспомогательных процессов: настилка рельсовых путей, увеличение длины конвейеров, прокладка труб и кабелей, устройство водоотливной канавки и др., относительная трудоемкость которых в связи с недостаточным уровнем их механизации значительно возрастает.

Основными достоинствами комбайнового способа проведения горных выработок являются:

•          полная механизация и совмещение по времени основных процессов выемки и погрузки горной массы, при применении временных передвижных крепей с этими работами совмещают также возведение постоянной крепи;

•          выемка породы производится в пределах проектного контура выработки без нарушения сплошности окружающего массива;

•          увеличение темпов проходки и производительности труда рабочих в 2-2,5 раза по сравнению с буровзрывным способом проходки;

•          снижение стоимости строительства;

•          повышение безопасности и улучшение санитарных условий работ.

В качестве одного из основных критериев оценки сопротивляемости

пород разрушению механическим способом принят предел прочности пород при одноосном сжатии. Эффективность работы проходческих комбайнов зависит не только от прочностных свойств пород, но и в значительной степени от их абразивности, так как последняя изнашивает породоразрушающий инструмент, изменяя его геометрию, обусловливает рост усилий, действующих на комбайн в целом.

Выбор параметров режима разрушения производят с учетом хрупкости и вязкости пород. Эти характеристики определяют как частное от деления пределов прочности пород на одноосное сжатие и растяжение.

Нарушенность и трещиноватость массива также оказывают существенное влияние на сопротивляемость его разрушению механическими способами.

Применяемые в настоящее время в промышленных условиях проходческие комбайны делятся на две группы: бурового типа (роторные) и стреловые.

Комбайны бурового типа могут разрушать породы с крепостью до 150 МПа и более. Они работают по принципу распорно-шагающих механизмов и обеспечивают проходку выработок круглой формы. Проходческие комбайны бурового действия имеют роторный исполнительный орган, объединяющий функции разрушения породы, погрузки и транспортировки, снабженный шарошками лобового резания, погрузочными ковшами и ленточным конвейером. Роторный исполнительный орган разрушает породу шарошками одновременно по всей площади забоя и поэтому требует усилия подачи 1400—1600 кН и выше, а также большой мощности электродвигателей: 440—540 кВт — для исполнительного органа, 660—850 кВт — для всего комбайна и 900— 1100 кВт — для комбайна со вспомогательным оборудованием.

Недостатками комбайнов бурового действия являются: ограниченная мобильность из-за сложного распорно-шагающего устройства; большие масса и длина комбайна (масса 90—250 т, длина 15—16 м); способность проходить только выработки круглого сечения с большим радиусом искривления (100—140 м); необходимость замены роторного исполнительного органа при изменении размеров выработки; громоздкость комбайна, затрудняющая его осмотр, ремонт и выполнение работ по креплению выработок; высокая трудоемкость монтажных работ (на доставку и монтаж затрачивается 1000—2500 чел.-смен без учета устройства специальной камеры объемом до 1200-1500 м3).

В связи с высокой стоимостью и большими затратами времени на монтажные работы комбайны бурового действия целесообразно применять только при проведении длинных малоискривленных выработок, в настоящее время их, как правило, применяют для проведения длинных тоннелей и реже — выработок в шахтах.

Практический интерес для горнодобывающих предприятий представляют стреловые проходческие комбайны (табл. 11.2) или, как их еще называют, комбайны избирательного действия, которые позволяют полностью механизировать процесс отбойки и погрузки горной массы. Эти мощные самоходные агрегаты снабжены режущей головкой и погрузочным органом. Как правило, комбайны имеют гусеничный ход, но имеются модификации на пневмоколесном и рельсовом ходу. Погрузочный орган обычно представляет собой комбинацию нагребающих лап или нагребающего ковшового органа со скребковым или цепным конвейером. Комбайны избирательного действия имеют по сравнению с комбайнами бурового типа следующие преимущества: более маневренны, их можно монтировать в выработках небольшой площади сечения (8—10 м2) без применения специального оборудования, обеспечивают раздельную выемку горной массы в смешанных забоях в выработках любой формы, после окончания проведения выработки переводятся в другой забой без перемонтажа, имеют меньший вес и дешевле комбайнов бурового действия. Имея перечисленные преимущества, стреловые комбайны значительно (в 2—4 раза) уступают комбайнам бурового типа по производительности.

Комбайны избирательного действия выпускаются двух типов: тяжелого (масса более 40 т) и легкого (масса до 20 т). В настоящее время в основном применяют комбайны легкого типа (более 85%) с резцовыми исполнительными органами. За рубежом находят применение (около 70%) комбайны тяжелого типа в породах с прочностью на сжатие более 60 МПа. В породах меньшей прочности используют комбайны легкого типа как при проходке выработок, так и при добыче полезных ископаемых.

При проведении выработок по угольным пластам в США, Австралии, Великобритании, Канаде и других странах в подавляющем большинстве случаев применяют проходческие комбайны системы «Континиус майнер» с широкозахватным исполнительным органом. Эти комбайны обеспечивают высокие темпы проходки — до 20 м/сут и более.

Главной частью рабочего органа стрелового комбайна является режущая головка, выпускаемая двух типов: с продольным и поперечным перемещением.

Режущие головки с продольным перемещением имеют конусную, сферическую или шнекообразную форму, с поперечным — форму барабана, сферы или нескольких дисков, вооруженных твердосплавными резцами. Линейная скорость режущих головок составляет 1—3,5 м/с. В крепких породах увеличение скорости вызывает повышенный износ резцов и пылеобразование.

В некоторых конструкциях комбайнов используют телескопические стрелы, что увеличивает объем проходки из одного положения машины. Отбойку породы осуществляют за счет напорного усилия, создаваемого движением комбайна, и вращательного движения режущей головки. Дополнительные усилия, разрушающие породу, возникают также благодаря боковому перемещению стрелы комбайна.

При использовании режущей головки с продольным перемещением направление ее внедрения в забой (направление зарубки) перпендикулярно окружному усилию, поэтому головку можно внедрить в забой при относительно малых усилиях. Зарубку ведут путем подачи машины на забой при небольшом повороте стрелы комбайна. Для крепких пород рекомендуют горизонтальное положение стрелы. Максимальная глубина вруба равна длине режущей головки, но обычно она составляет 0,5—0,7 ее длины. В зависимости от направления залегания слоев пород в забое главное направление резания может быть горизонтальным, вертикальным или наклонным. Толщина снимаемой стружки колеблется от нескольких сантиметров до значений, равных диаметру головки. Например, при диаметре головки 1 -1,5 м в породах с пределом прочности на сжатие до 100 МПа толщина стружки составляет 10-30 см.

При движении режущей головки с поперечным перемещением направление ее внедрения в забой совпадает с окружным усилием, поэтому для внедрения необходимо более значительное усилие подачи. Дополнительно к подаче машины на забой производят активные движения стрелой. Обычно вруб располагают в верхней части забоя и выполняют его в виде горизонтальной щели. Максимальная глубина вруба составляет 0,75 диаметра режущей головки. Резание можно производить только в одном направлении (например, сверху вниз). Величина подачи головки практически постоянна.

Режущие головки обоих типов оборудованы однотипными резцами, их форма, размеры и тип твердого сплава зависят от крепости разрушаемых пород. Охлаждение резцов и пылеподавление осуществляют водой, подаваемой через специальные форсунки, расположенные на режущей головке.

Большинство проходческих комбайнов избирательного действия работают с поворотными круглыми резцами. Эта конструкция в настоящее время используется всеми изготовителями проходческих комбайнов.

Комбайны избирательного действия обладают следующими основными достоинствам и: возможность обработки забоя выработки любой формы, кроме круглой, с площадью поперечного сечения от 4 до 30 м2 и более; обеспечение селективной выемки; возможность установления крепи в непосредственной близости от забоя; высокая маневренность и относительно малая масса.

К основным недостаткам комбайнов избирательного действия относят: цикличное действие при разработке породы на части забоя, что снижает эксплуатационную производительность комбайна; неуравновешенность в продольном и поперечном направлении и конструктивная сложность исполнительного органа, связанная с возникновением динамических нагрузок; более сложная конструкция погрузочных устройств; невозможность проведения выработок по крепким, абразивным породам; пылеобразование и низкая эффективность средств борьбы с пылью.

В настоящее время большое внимание уделяется созданию кoмqлeк-сов на базе проходческих комбайнов избирательного действия с целью механизации основных процессов и совмещения выемки горной массы с креплением выработки и другими работами. Комбайновые комплексы состоят из набора оборудования для механизации основных процессов. В зависимости от типа комбайна подбирают остальное оборудование, обеспечивающее высокие скорости проходки и высокую производительность труда по всей технологической цепочке. Расчетные скорости проведения выработки достигают 400 м/мес и производительность труда рабочего до 10 м3/чел.-смену и более.