Механизированная крепь как мехатронный объект

1. Назначение и состав механизированной крепи

Механизированные крепи предназначены для поддержания пород кровли и управления состоянием вмещающих пород, защиты рабочего пространства от продуктов обрушения, передвижки и удержания в заданном положении забойного конвейера или струговой установки и самопередвижки.

Механизированные крепи входят в состав очистных механизированных комплексов.

В состав механизированной крепи входит:

- секции или группы взаимосвязанных секций;

- одна или несколько насосных станций для снабжения секций рабочей жидкостью - эмульсией;

- гидрокоммуникации с соответствующей аппаратурой, обеспечивающие гидросвязи исполнительных гидроцилиндров крепи с насосными станциями;

- средства пылеподавления.

В состав вспомогательного оборудования входит:

- кабелеукладчик для защиты и укладки подводимых к комбайну коммуникаций,

- крепи сопряжения, обеспечивающие необходимое состояние кровли на участках сопряжений лавы со штреками и позволяющие существенно сократить тру­доемкость и длительность выполнения работ на этих участках;

- станция управления, обеспечивающая питание, запуск и защиту всех токоприемников;

- насосная установка, подающая воду для охлаждения электродвигателей, регуляторов скорости и редукторов выемочной машины и к местам пылеподавления.

Станция управления, насосные станции и насосная установка располагаются, как правило, на откаточном штреке в ви­де энергопоезда, который периодически пере­мещается по мере подвигания лавы.

Из приведенной структурной схемы (рис. 1) следует, что непосредственно перемещением крепи и рештаком конвейера управляют гидрораспределители и шток гидроцилиндра, которые входят в блок управляющей гидравлики. Станция управления, получая информацию от датчиков давления эмульсии в секции крепи и датчиков положения секций, подает соответствующие команды в блок управляющей гидравлики.

Рис. 1 - Структурная схема механизированной крепи

2. Механизированная крепь как мехатронный объект

Механизированную крепь, являющуюся сложной системой, целесообразно рассматривать как совокупность следующих подсистем, обладающих определенной функциональной само­стоятельностью и взаимодействующих между собой и с внеш­ней средой:

1) подсистемы управления кровлей, предназначенной для поддержания пород кровли и управления состоянием вме­щающих пород, а также для защиты рабочего пространства взоне поддерживающих элементов;

2) подсистемы ограждения, предназначенной, прежде всего, для защиты рабочего пространства в зоне оградительных элементов;

3) общей подсистемы перемещения крепи и конвейера в случае агрегатированных крепей или двух подсистем - пере­мещения крепи и перемещения конвейера для комплектных крепей; эти подсистемы выполняют функции направленной пе­редвижки секции крепи и забойного конвейера, а также удер­жания последнего в требуемом положении;

4) подсистемы питания крепи рабочей жидкостью с необхо­димой подачей и заданным давлением;

5) подсистемы пылеподавления;

6) подсистемы управления.

Рассмотрим первые три подсистемы на примере наиболее распространенных агрегатированных крепей. Любую из этих подсистем целесообразно представить в виде совокупности N одинаковых модулей, конструктивно реализованных на каждой i-й (i= 1, 2,..., N, где N - общее число секций в лаве) секции крепи. Правомочность такого подхода обусловлена тем, что каждая секция на своем рабочем участке с определенным ка­чеством в состоянии выполнять функции, отнесенные к рас­сматриваемым подсистемам, т.е. обладает известной само­стоятельностью функционирования по поддержанию пород кровли и управлению состоянием вмещающих пород, защите рабочего пространства, передвижке и удержанию конвейера и самопередвижке.

Указанные модули во многих случаях состоят из следую­щих основных взаимосвязанных структурных элементов:

- модули подсистемы управления кровлей - из перекрытий, гидростоек, оснований, предохранительных клапанов как уст­ройств, обеспечивающих в номинальном режиме постоянство среднего рабочего сопротивления секций крепи;

- модули подсистемы ограждения - из оградительных элементов и узлов их связи с перекрытием и основанием;

- модули подсистемы (подсистем) перемещения крепи и конвейера - из гидродомкратов передвижки, оснований, толка­телей, рам, направляющих элементов.

Подсистема питания крепи рабочей жидкостью включает в себя насосные станции и гидрокоммуникации (с соответствую­щей гидроаппаратурой) от насосных станций до исполнитель­ных гидроцилиндров (гидростоек, гидродомкратов, гидропатро­нов).

Для всех этих 4-х силовых подсистем характерны внутрен­ние связи. Кроме того, проявляются внешние связи подсистем крепи с подсистемами горного массива (прежде всего с вмещающими породами, см. раздел 7) и с рештачным ставом кон­вейера.

При решении широкого круга задач возникает необходи­мость рассмотрения системы, включающей подсистему пита­ния крепи рабочей жидкостью совместно с исполнительными гидроцилиндрами, входящими в состав других подсистем кре­пи. Такую систему в дальнейшем будем называть системой гидропривода механизированной крепи.

К механизированным крепям, входящим в состав как ком­байновых, так и струговых очистных комплексов, предъявляет­ся ряд общих требований:

1) достаточно полный охват вероятных областей использо­вания по характеристикам вмещающих угольные пласты пород;

2) обеспечение скорости крепления лавы, взаимоувязанной с потенциальными режимными параметрами выемочной маши­ны, определяющими максимальный уровень производительно­сти всего комплекса;

3) системная увязка безопасных для операторов зон расположения пультов управления и объектов управления в соот­ветствии с характерными алгоритмами выполнения технологи­ческих операций. Так, например, пооперационное местное управление секцией крепи должно осуществляться с соседней распертой секции; при групповом дистанционном управлении из лавы соответствующие пульты управления должны быть вынесены за пределы опасных зон;

4) конструкция крепей должна обеспечивать достаточную продольную и поперечную устойчивость секций и заданную на­правленность их передвижки.

Под устойчивостью секций понимают их способность со­хранять при выполнении всех технологических операций тре­буемые положения перекрытия и основания по отношению друг к другу и по отношению к вмещающим породам и забою и обеспечивать при работе нормальные или допустимые условия функционирования самой крепи и взаимодействующего с ней другого очистного оборудования;

5) секции крепи должны создавать в непосредственной кровле горизонтальные сжимающие усилия, направленные к забою, для повышения устойчивости кровли, уменьшения вывалообразования.

Механизированная крепь при выполнении указанных операций будет функционировать в режиме мехатронизированных объ­ектов с различным уровнем интеллектуализации процесса управления.

Координированная с местоположением очистного комбайна или стругового исполнительного органа автоматическая пере­движка секций крепи и рештачного става забойного конвейера, а также фронтальная передвижка забойного конвейера должны осуществляться только с центрального штрекового пульта управления, создавая при этом в составе мехатронных ОМК условия для выемки угля без постоянного присутствия обслу­живающего персонала в забое, что по существу является обя­зательным при отработке выбросоопасных пластов или участ­ков пластов.

3. Функции, выполняемые автоматизированной системой управления крепью

АСУ обеспечивает электрогидравлическое управление крепью с постов управления, расположенных на секции крепи, и дистанционное с центрального пульта управления, установленного на штреке:

- автоматизированную передвижку секций крепи и рештачного става забойного конвейера по заданному алгоритму в пределах выделенной группы секций с автоматическим запретом передвижки в зоне нахождения очистного комбайна или струга;

- автоматическую передвижку отдельной секции по заданному алгоритму;

- дистанционное пооперационное управление исполнительными гидроцилиндрами отдельной секции;

- аварийное отключение управления крепью.

Современные подсистемы дистанционного электрогидравлического управления по сравнению с местным управлением силовыми гидрораспределителями обеспечивают существенное увеличение скорости крепления, облегчение условий и повышение безопасности труда операторов, сокращение гидрокоммуникаций между секциями крепи.

4. Схемы передвижки секции механизированной крепи при комбайновой выемке угля

Агрегатированные крепи, которые являются наиболее пер­спективными, поскольку все секции этих крепей обладают двухсторонними силовыми и кинематическими связями с реш­тачным ставом забойного конвейера, в составе комбайновых очистных комплек­сов делятся на:

а) с последовательной передвижкой секций по заряженной схеме (КД90, М103М, ДМ, КДД, МТ1.5 и др.);

б) с последовательной передвижкой по незаряженной схе­ме («Донбасс М» и др.);

в) с шахматной передвижкой (КД80Ш и др.).

У крепей типа «а» каждая секция может быть перемещена к груди забоя на величину ширины захвата очистного комбайна до передвижки рештачного става забойного конвейера на но­вую дорогу.

У крепей типа «б» такое перемещение может быть реали­зовано только после передвижки рештачного става забойного конвейера; в этом случае призабойная полоса сразу вслед за проходом комбайна может, например, крепиться выдвижными консолями перекрытий при их наличии.

Шахматный порядок передвижки может быть реализован, например, для двухсистемных крепей, см. рис. 2, с двумя конст­руктивно отличающимися типами секций 1 и 2, расположенны­ми через одну. В этом случае вслед за проходом комбайна осуществляется передвижка к забою секций 1 с удлиненными консолями (гидродомкраты передвижки у этих секций подго­товлены к передвижке в отличие от секций 2), затем произво­дится передвижка конвейера 3 на новую дорогу, а потом подтя­гиваются секции 2 с короткими консолями.

Механизированные крепи бывают агрегатированными - на основе секций и комплектными - на базе комплектов.

Наиболее совершенными агрегатированными крепями яв­ляются крепи с последовательной передвижкой секций по за­ряженной схеме, т.к. они обладают наименьшей продолжи­тельностью полного закрепления (соответствует проектному коэффициенту затяжки кровли) забойной полосы после выем­ки.

Бесспорным преимуществом обладают крепи, передви­гающиеся с конструктивным обеспечением проектной величины подпора. Это в наибольшей мере способствует сохранению ус­тойчивости нижних слоев кровли, одновре­менно сводя до минимума штыбонакопление между перекры­тием и кровлей и, следовательно, пылеобразование из-за этого фактора. Наличие породной «подушки» на перекрытиях секций удлиняет период выхода стоек на номинальный режим и может уменьшать площадь контактирования элементов перекрытия с неразрушенной кровлей.

По виду связей с подсистемой почвы пласта, отражаю­щих взаимодействие основания с почвой при передвижке сек­ций, передвижка секций бывает:

а) с обеспечением подъема носка основания секции (КД90, ДМ, КДД, ДТ, ДТМ, 1М103М и др.);

б) без обеспечения указанного подъема (МТ1.5, М87УМ и ДР-).

Передвижка секций с подъемом носка основания позволяет улучшить взаимодействие крепи со слабыми породами почв, уменьшить величину внедрения оснований секций в почву при передвижке, что важно при наличии сла­бых пород.

1 2 3

Рис. 2 - Крепь с шахматной схемой передвижки

5. Формирование косого заезда конвейером

Рассмотрим группы секций механизированной крепи по 4 секции в каждой группе.

На рис. 3.1, 3.2 видно, как поэтапно формируется волна конвейерного става для «косого» заезда. На рисунках изображены: очистной комбайн, ряд секций механизированной крепи, конвейерный став забойного конвейера и линия очистного забоя. При рассмотрении рисунков видно поэтапное формирование очистного забоя для снятия следующей стружки.

Формирования траектории лавного конвейера для косого заезда можно разделить на несколько этапов:

1) полное прохождение стружки очистным комбайном для формирования пространства, в котором будет сформирован косой заезд;

2) задвижка секций вслед за прохождением комбайна прекращается на расстоянии, необходимом для формирования «косого заезда»;

3) возврат комбайна (в холостую) от края лавы на расстояние не задвинутых секций;

4) вслед за движением комбайна «в холостую» начинается задвижка секций крепи, с формированием контура «косого» заезда (формирование волны секциями крепи);

5) формирование волны конвейерного става для «косого» заезда.

Этапы 4 и 5 – это два этапа, в которых непосредственное участие принимает аппаратура автоматического управления крепью.

Этап 4 не имеет принципиальной разницы по сравнению с передвижкой секции механизированной крепи в автоматической режиме, а отличается только тем, что секции крепи прекращают свое движение после прохождения разного пути (третий и четвертый этапы).

Этап 5 рассмотрим более детально. На рисунке 3.3 изображена циклограмма включения гидрораспределителей ГСД - выстраивания конвейерного става для «косого» заезда.

В результате рассмотрения алгоритма передвижки конвейерного става с целью формирования волны «косого» заезда, можно сделать вывод, что в группе секций может одновременно выполняться 4 команды (одновременная работа 4-х ГСД). Включение ГСД можно разграничить во времени, что исключит одновременный пуск нескольких ГСД.

1- очистной комбайн, 2 – секция механизированной крепи,

3 – рештак конвейерного става, 4 – контур очистного забоя

Рис. 3.1 – Пояснительные рисунки по выстраиванию конвейерного

става для «косого» заезда

1- очистной комбайн, 2 – секция механизированной крепи,

3 – рештак конвейерного става, 4 – контур очистного забоя

Рис. 3.2 – Пояснительные рисунки по выстраиванию конвейерного

става для «косого» заезда

Рис. 3.3 – Циклограмма включения ГСД по выстраиванию конвейерного

става для «косого» заезда

6. Технологические схемы работы комбайнового очистного комплекса

Рассмотрим характерные технологические схемы работы комбайнового очистного комплекса, сформиро­ванного на основе современных агрегатированных крепей. Под указанными схемами подразумевается определенная последо­вательность соответствующих операций, направленных на реализацию конечной цели - добычи угля.

В комбайновом ОМК в исходном положении забойный конвейер придвинут к забою, комбайн расположен на одном из концов лавы и подготовлен к снятию полосы угля, секции крепи расперты и удалены от конвейера на шаг пере­движки (наиболее распространенная заряженная схема работы механизированной крепи), крепи сопряжения расперты.

Затем комбайн начинает перемещаться и осуществляется выемка угля. При этом вслед за проходом комбайна произво­дится снятие распора, передвижка секций крепи и их распор, а на расстоянии 12-15 м от комбайна передвигается и конвейер (наиболее распространенная волнообразная передвижка кон­вейера).

При подходе комбайна к штреку (откаточному или вентиля­ционному) выполняются концевые операции, в состав которых, наряду с другими работами, входит самозарубка комбайна в пласт с целью его подготовки к выемке угля в противополож­ном направлении.

Самозарубка является обязательной операцией при реали­зации прогрессивной безнишевой выемки угля, исключающей предварительную подготовку ниш, выполняемую, как правило, весьма трудоемким немеханизированным способом при повы­шенной опасности проводимых работ.

Рассмотрим технологические схемы самозарубки очистных комбайнов. В настоящее время применяют два способа само­зарубки - фронтальную (торцевую, лобовую) и косыми заезда­ми. Особенности самозарубки указанными способами ясны из рис.4. Фронтальная самозарубка (рис.4б) в отличие от способа косых заездов (рис.4а) осуществляется на доста­точно коротком участке лавы и поэтому обнажается сравни­тельно небольшая площадь кровли, что весьма важно при не­устойчивых породах кровли. Однако при ее выполнении необ­ходимо, чтобы напорные усилия гидродомкратов передвижки, входящих в состав механизированной крепи очистных комплек­сов, были достаточными для этой операции. Наиболее прием­лемый способ самозарубки следует выбирать, исходя из ана­лиза всей совокупности горно-геологических и горно-технических условий очистного участка.

После выполнения концевых операций комбайн начинает выемку полосы угля в противоположном направлении.

Вышеописанная последовательность операций соответст­вует челноковой схеме работы комбайна. Если комбайн рабо­тает по односторонней схеме (в одном направлении комбайн осуществляет выемку массива, а в обратном - холостой пере­гон с попутной зачисткой почвы пласта), то, как и в первом слу­чае, вслед за проходом комбайна при его работе по выемке пе­редвигают секции крепи, а конвейер при этом остается в ис­ходном положении и передвигается волной только при холо­стом перегоне машины.

Следует отметить, что в обоих случаях (как при работе комбайна по челноковой, так и по односторонней схемам) мо­жет осуществляться также фронтальная передвижка конвейера - одновременно по всей длине лавы после прохода комбайна от одного штрека к другому.

Рис. 4 – Способы самозарубки очистных комбайнов

7. Подсистемы дистанцион­ного электрогидравлического управления

Механизи­рованные крепи, входящие в состав современных мехатронных или мехатронизированных как комбайновых, так и струговых очистных комплексов, должны иметь подсистемы дистанцион­ного электрогидравлического управления, которые по сравне­нию с местным управлением, осуществляемым непосредствен­но силовыми гидрораспределителями в ручном режиме, обес­печивают существенное увеличение скорости крепления, об­легчение условий и повышение безопасности труда операто­ров, улучшение взаимодействия крепи с боковыми породами (гарантированное усилие распора), сокращение гидрокоммуни­каций между секциями крепи.

Гидравлическая схема (рис. 5) должна быть хорошо адаптирована к дистанционному электрогидравлическому управлению. При этом на гидросхеме дополнительно должен быть отражен принцип дистан­ционного управления переключением силовых двухблочных гидрораспределителей при помощи пилотных электрогидрораспределителей.

Функционирование гид­росхемы заключается в следующем. В соответствии с посту­пившей кодовой командой с центрального или секционного пультов управлениия обеспечивается подача напряжения от искробезопасного источника питания на электромагнит одного из пилотных электрогидрораспределителей, в результате чего его золотник, преодолевая усилие противодействующей пру­жины, переместится в рабочее положение. При этом под оба торца дифференциального золотника (торцы золотника имеют различное поперечное сечение) соответствующего силового гидрораспределителя будет подана рабочая жидкость из на­порной линии, что приведет к перемещению данного золотника в требуемое положение. Далее рабочая жидкость поступит из напорной линии в рабочую (штоковую или поршневую) полость исполнительного гидроцилиндра. Второй силовой гидрорас­пределитель при этом будет оставаться в исходном положе­нии, обеспечивая соединение соответствующей (поршневой или штоковой) полости исполнительного гидроцилиндра со сливной гидромагистралью. После снятия напряжения с элек­тромагнита задействованного пилотного электрогидрораспределителя его золотник займет исходное положение, что обу­словит возвращение золотника соответствующего силового гидрораслределителя также в исходное положение и выполне­ние операции завершится.

Гидравлическая схема должна быть достаточно хорошо адаптирована к дистанционному электрогидравлическому управлению. При этом на гидросхеме дополнительно должен быть только отражен принцип дистан­ционного управления переключением силовых двухблочных гидрораспределителей ГР1-ГР4 при помощи пилотных электрогидрораспределителей.

На рисунке в качестве примера приведена принципиаль­ная гидравлическая схема электрогидравлического управления двумя силовыми золотникового типа гидрораспределителями РС1 и РС2, на основе которых собраны вышеуказанные сило­вые двухблочные гидрораспределители ГР1-ГР4. На схеме также обозначены: РП1, РП2 - пилотные электрогидрораспределители; Н - напорная гидролиния; С - сливная гидролиния; Ц_п, Ц_ш - магистрали, связывающие силовые патронного ис­полнения гидрораспределители соответственно с поршневой и штоковой полостью исполнительного гидроцилиндра; Ф - сило­вой фильтр; Ф1, Ф2 - фильтры соответствующих пилотных электрогидрорасп редел ителей.

Функционирование рассматриваемой принципиальной гид­росхемы заключается в следующем. В соответствии с посту­пившей кодовой командой с центрального или секционного пультов управлениия обеспечивается подача напряжения от искробезопасного источника питания на электромагнит одного из пилотных электрогидрораспределителей, в результате чего его золотник, преодолевая усилие противодействующей пру­жины, переместится в рабочее положение. При этом под оба торца дифференциального золотника (торцы золотника имеют различное поперечное сечение) соответствующего силового гидрораспределителя будет подана рабочая жидкость из на­порной линии, что приведет к перемещению данного золотника в требуемое положение. Далее рабочая жидкость поступит из напорной линии в рабочую (штоковую или поршневую) полость исполнительного гидроцилиндра. Второй силовой гидрорас­пределитель при этом будет оставаться в исходном положе­нии, обеспечивая соединение соответствующей (поршневой или штоковой) полости исполнительного гидроцилиндра со сливной гидромагистралью. После снятия напряжения с элек­тромагнита задействованного пилотного электрогидрораспределителя его золотник займет исходное положение, что обу­словит возвращение золотника соответствующего силового гидрораспределителя также в исходное положение и выполне­ние операции завершится.

Рис. 5 - Гидравлическая схема электрогидравличе­ского управления

силовыми гидрораспределителями крепи