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

 

Изобретение относится к горному делу и может использоваться при проходке выработок. Задачей изобретения является предварительное разупрочнение пород. Проходческий комбайн включает 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. 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 них установлен между стреловидным исполнительным органом и манипулятором с излучателем СВЧ-энергии с возможностью перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях независимо и одновременно с ним. 2 ил.

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 f≅4, комбайн ГПКС - для проведения аналогичных выработок по углю и смешанному забою с присечкой пород с коэффициентом крепости f≅6 до 75^o, комбайн 4ПП-2М для проведения таких же выработок по углепородному массиву с присечкой до 75% пород с коэффициентом крепости f≅7 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 f≅7 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 f≅9 по шкале проф. М.М. Протодъяконова при одинарном цикле температурного воздействия на породы, и до f≅11 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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2