Проходческие комбайны и комплексы оборудования

Проходческие комбайны и комплексы оборудования

Общая характеристика горнопроходческих машин и их классификация

Подготовительные выработки обеспечивают фронт для последующе- го ведения очистных работ. Различают капитальные выработки, служащие для транспорта основных грузов к участку и от него; штреки, оконтурива- ющие размеры выемочных столбов по падению пласта, и нарезные выра- ботки, предназначенные для размещения выемочных машин и оборудова- ния, предшествующие началу ведения очистных работ. На пластах крутого падения в качестве нарезных выработок используются восстающие, либо сбойки. Вентиляционные, откаточные штреки и нарезные выработки, как правило, проводятся по полезному ископаемому, либо с частичной под- рывкой боковых пород. Подготовительные выработки могут быть одно- и двухпутевые. Подготовка выработок может производиться буровзрывным способом, комбайнами и комплексами, механизирующими технологиче- ские операции в призабойном пространстве, включающие и возведение крепи.

Проходческие комбайны механизируют процессы отделения горной массы от забоя, её погрузки, транспорта, проведения водосточных канавок, частичной механизации установки крепи. Кроме исполнительного и погру- зочного органов комбайны имеют механизм перемещения и средства борь- бы с пылью.

Проходческие комбайны состоят из

• исполнительного органа;

• погру- зочно-транспортного оборудования;

• механизма перемещения и вспомогательного оборудования. Вспомогательное оборудование включает средства для борьбы с пылью, а также устройства для проведения водосточных ка- навок, обуривания забоя, механизации установки верхняков крепи и т. д.

По назначению различают проходческие комбайны и щиты; ком- плексы проходческого оборудования; нарезные машины; машины и обору- дование для проведения восстающих выработок.

По области применения: машины, работающие по углю, породе и смешанному забою.

По форме сечения проводимых выработок: круглой, арочной, прямо- угольной, трапециевидной, а также любой формы в зависимости от требо- ваний паспорта проведения выработок и технологии.

По способу обработки забоя различают комбайны непрерывного действия, подготавливающие выработки заранее заданной формы и разме- ров; цикличного или избирательного действия, обрабатывающие забой по- следовательно по заданной программе.

По конструкции исполнительного органа: комбайны бурового и ро- торно-планетарного типов; машины избирательного действия с фрезерной головкой соответственно круглой, конусной, овальной и других форм; ма- шины с качающимся исполнительным органом барового либо корончатого типов; комбайны с исполнительным органом ударного действия и машины специального исполнения. В свою очередь комбайны бурового типа могут быть одноосевые, соосные и параллельно осевые. Комбайны с роторно- планетарным исполнительным органом делятся на плоскостные и про- странственного исполнения.

По типу погрузочно-доставочного органа различают комбайны: скребково-цепные, шнековые, шнековые с нагребающими лапами, ковшевые.

По ходовому оборудованию комбайны могут быть: гусеничными, распорно-гусеничными, шагающими, а также перемещающимися по моно- рельсу.

По средством борьбы с пылью: с орошением забоя, с отсосом пыли и комбинированные.

Принципы конструкции исполнительных органов проходческих комбайнов

Исполнительный орган проходческого комбайна -обеспечивает отделение горной массы от забоя, частичную её погрузку, подготовку водо- сточных канавок и механизацию ряда других технологических операций. Исходя из ранее принятой классификации, рассмотрим принципы действия основных типов проходческих комбайнов

П ринципиальные схемы конструкций исполнительных органов проходческих комбайнов роторного и роторно-планетарного типов:

а – роторные комбайны; б – роторные соосно-планшайбовые; в – роторно-планетарные

Комбайны с буровым исполнительным органом роторного типа (ШБМ, ПК-8, ПК-10 и др.) имеют вращающуюся планшайбу, на которой закрепляется режущий инструмент. Размеры планшайбы, как правило,определяют сечение проводимой выработки. Исполнительные органы со- стоят из одной или нескольких планшайб, вращающихся на осях относительно корпуса комбайна. В зависимости от крепости разрушаемых пород исполнительный орган может оснащаться резцами либо шарошками. Рез- цы прорезают в забое концентрические щели с оставлением целиков, кото- рые периодически скалываются боковыми гранями режущего инструмен- та, это снижает энергоёмкость процесса разрушения.

Одноосевые исполнительные органы комбайнов типа ШБМ (рис. , а) имеют одну планшайбу 1, на трёх секторах которой 2 закреп- лены резцы. Направленность движения комбайна обеспечивает забурник 4, вращающийся в противоположную сторону. За счёт этого частично ком- пенсируется крутящий момент основной планшайбы и обеспечивается лучшая направленность движения комбайна. Арочное сечение проводимой выработки достигается за счёт дополнительных бермовых фрез 3, распола- гаемых в нижней части выработки. Фрезы, выполненные в виде шнеков, кроме разрушения пород перемещают горную массу в среднюю часть вы- работки в целях её эффективной погрузки специальными ковшами, за- креплёнными на вращающейся планшайбе. Контур и сечение проводимой выработки полностью контролируется размерами и профилем исполни- тельного органа комбайна.

Исполнительный орган комбайна типа ПК-8 с соосным расположе- нием планшайб (рис., б) состоит из наружной 1 и внутренней 5 план- шайб, вращающихся навстречу друг другу Встречное вращение планшайб уравновешивает реактивный крутящий момент, за счёт чего обеспечивает- ся лучшая устойчивость и заданная направленность движения комбайна.

В проходческо-добычных комбайнах типа ПК-10, отрабатывающих полезное ископаемое широкими камерами с оставлением охранных цели- ков, исполнительный орган имеет три параллельно расположенные план- шайбы (рис. , б). Две крайних планшайбы вращаются в одной плоско- сти, средняя – с опережением относительно них. Оконтуривание верхней части выработки производится дополнительной режущей цепью 6.

Бермовые фрезы 3 обеспечивают прямолинейную форму в нижней части забоя и транспорт разрушенной горной массы на перегружатель, расположенный в

Достоинством комбайнов с роторными исполнительными органами является возможность проведения выработок одновременно на всё сече- ние, определяемое диаметром планшайбы.

Преимущество комбайнов в простоте конструкции исполнительных и погрузочного органов, размещаемых на одной планшайбе и приводимых в движение от общего привода.

Погрузочный орган состоит из ковшей, размещённых на той же планшайбе. Недостатки комбайна заключаются в неравномерности загруз- ки и износа резцов, скорость и путь движения которых зависят от их уда- ления от оси вращения планшайбы. Это же создаёт сложность в равномер- ности обработки забоя. Ввиду вращения исполнительного органа в одном направлении комбайн типа ШБМ недостаточно устойчив в забое, так как постоянно действующий реактивный момент стремится развернуть ком- байн в сторону вращения планшайбы.

В проходческом комбайне «Караганда 7/15» (рис. 5.1, в) на вращаю- щейся планшайбе 1 закреплены четыре привода с редукторами и режущи- ми дисками 10, армированными резцами. Диски с резцами также соверша- ют пространственное движение относительно планшайбы, обрабатывая за- бой. Забурник 4 способствует направленности проведения выработок и устойчивости комбайна в забое. Бермовые фрезы 3 оконтуривают выра- ботку. Привод и редуктор, вращающий планшайбу, обеспечивает одновре- менно возможность её боковых качаний в горизонтальной плоскости, за счёт чего сечение приводимой выработки может регулироваться от 7 до 15 м².

В целом к достоинствам роторных и роторно-планетарных исполни- тельных органов проходческих комбайнов относятся:

• высокая энергово- оружённость и производительность;

• простота управления при проведении выработок на полное сечение;

• возможность изолирования забоя щитом планшайбы в целях соблюдения санитарных норм по пыли.

Недостатки комбайнов:

• сложность регулирования сечения проводи- мых выработок;

• громоздкость конструкции исполнительного органа и ограниченная маневренность комбайна;

• необходимость в дополнительных устройствах для оконтуривания сечения выработок.

Особо следует остановиться на комбайнах «Урал-20КС», также от- носящимся к машинам с планетарным исполнительным органом. Благода- ря увеличенной мощности приводов возросли технические параметры ма- шин, так уровень их производительности возрос до 4,0-5,0 т/мин. Это даёт возможность использовать комбайны, как на подготовительных выработ- ках, так и при очистной выемке полезных ископаемых

Рис. . Комбайн «Урал-10KC» (а) и его кинематическая схема (б):

1, 6 – рукояти; 2 –забурник; 3 – резцовый диск; 4 – раздаточный редуктор; 5 – барабан;

7 – щит ограждения; 8 – электродвигатель; 9 – редуктор; 10 – платформа; 11 – ось; 12 – гусеничный ход; 13 – электродвигатель; 14 – кронштейн; 15 – насосная станция; 16 – лыжа; 17 – система смазки; 18, 20, 23 – цилиндры; 19 – бурильная установка;

21 – концевая секция конвейера; 23 – приводная головка; 24, 25 – соответственно электрический и гидравлический пульт; 26 – бермовый орган; 27 – коническая передача; 28, 41 – цилиндрические передачи; 29 – вал; 30-32, 35, 39, 40 – шестерни;

33, 34, 38, 42, 43 – планетарные передачи; 36 – полый вал; 37 – зубчатая муфта

Разрушение забоя производится дисками 3, подвешенными на по- движных редукторах, что позволяет регулировать сечение проводимой вы- работки. Планетарные редукторы 41…43 и 37…38 обеспечивают передачу вращения режущим дискам и относительного движения всего исполни- тельного органа вокруг продольной оси. Оконтуривание выработки произ- водится специальными приводами М₄ и М₅.

Рис. 5.3. Исполнительные органы комбайнов избирательного действия и качающегося типов

В се комбайны этой группы (рис. 5.3, а) имеют исполнительный ор- ган 1, выполненный в виде конической усечённой коронки, армированной резцами.

Коронка размещена на подвижном приводе с редуктором 3 стрело- видной формы. Положение режущей коронки вместе со стрелой в про- странстве может изменяться домкратами горизонтальной 4 и вертикальной 2 подачи, благодаря этому обеспечивается возможность последовательной обработки забоя с приложением концентрированных усилий на резцах. При таком разрушении массива обеспечено получение любой формы и се- чения забоя в породах повышенной крепости. Возможна селективная вы- емка с первичной отработкой полезного ископаемого и последующей под- рывкой боковых пород (рис. 5.3, в). Коническая форма коронки обеспечи- вает механизированное проведение водосточных канавок, приямок под ножки крепи. С помощью подвижной стрелы возможен подхват верхняка металлической крепи при её установке. В комбайнах этого типа могут ис- пользоваться коронки конической, овальной и других форм. Мощные ком- байны типов ГПКС и 4ПП-2М имеют гидравлически раздвижную стрелу, за счёт чего обеспечивается возможность проведения подготовительных выработок большого сечения (15 и более метров).

На подвижной стреле исполнительных органов комбайнов избира- тельного действия возможна дополнительная установка бурового оборудо- вания (см. рис. 5.3, б). Благодаря этому достигается возможность проведе- ния выработок в породах повышенной крепости с выемкой части массива буровой коронкой и отработкой более крепкой его части буровзрывным способом. При этом стрела комбайна выполняет роль манипулятора, меха- низирую процесс бурения шпуров.

В условиях гидрошахт также используются комбайны со стреловид- ным исполнительным органом («Урал-38» и К56МГ). Они работают как проходческо-добычные машины в коротких забоях, обеспечивая механо- гидравлический способ добычи на пластах мощностью 0,9-1,8 м. В этом случае погрузка и транспорт полезного ископаемого обеспечивается водой. В условиях проведения подготовительных выработок по углю воз- можно применение исполнительных органов качающегося типа с плоски- ми коронками (рис. 5.3, г). При этом высота выработок определяется раз- мерами коронок, а ширина – амплитудой их качания. Наклонное закрепле- ние коронок обеспечивает большую амплитуду в нижней части забоя и получение за счёт этого трапецеобразной формы выработки.

В условиях проведения подготовительных выработок по углю, в том числе нарезных, используются комбайны с баровым исполнительным ор- ганом. Два и более баров подвижных в горизонтальной или вертикальной плоскостях обеспечивают равномерное разрушение забоя заданного про- филя и сечения.

В качестве примера на рис. 5.3, д приведена схема конструкции нарезной машины КН-2. Исполнительный орган комбайна имеет два бара 6 и 7, которые огибает общая режущая цепь, приводимая в движение от при- вода 9 комбайна через звёздочки 8. Верхний бар 7 совершает качательныедвижения относительно нижнего 6, разрушая забой по всей площади за счёт регулирования амплитуды качания. Комбайн используется как нарез- ная машина при подготовке к выемке новых лав

При проведении выработок в породах повышенной крепости (f>5) используются комбайны с исполнительными органами специальных кон- струкций. Наибольшее распространение как в отечественной, так и зару- бежной практике нашли комбайны, с мощными пневмоударниками, под- вешенными на манипуляторах. Так, на базе отечественного комбайна ГПК- 3 на стреле вместо конической режущей головки установлен блок с тремя пневмоударниками, положение которого в забое, наряду с подвижностью самой стрелы, регулируется дополнительными домкратами. С помощью такого манипулятора пневмоударниками обеспечивается разрушение забоя в любой его точке в породах повышенной крепости.

Разрабатываются конструкции проходческих комбайнов, в которых исполнительный орган не имеет непосредственного контакта с разрушае- мым массивом. Так, Ясиноватским машиностроительным заводом разраба- тывается проходческий комбайн, в котором в качестве исполнительного органа используется импульсный водомёт. Водомёт подвешен на подвиж- ной стреле комбайна типа ГПК и с определённой периодичностью воздей- ствует на забой. Разрушение массива производится струёй воды под боль- шим давлением.

При бесконтактном способе разрушения в качестве исполнительного органа возможно применение лазерного генератора. За счёт концентрации энергии в малом объёме лазер плавит поверхность забоя, обеспечивая про- ведение выработок в породах любой крепости.

Комплексы оборудования для проведения подготовительных выработок

Комплекс проходческого оборудования представляет собой совокуп- ность технологически и конструктивно увязанных машин, обеспечиваю- щих механизацию основных и вспомогательных операций, связанных с со- зданием подготовительной выработки. Эти машины механизируют про- цессы отбойки горной массы, её погрузки и транспорта, а также крепления подготовительного забоя на период работы техники с последующим возве- дением основной крепи. В зависимости от условий в проходческих ком- плексах могут использоваться машины буровзрывного цикла с анкерным креплением забоя, либо проходческие комбайны с секциями передвижной механизированной крепи. Главным определяющим признаком проходче- ских комплексов является кинематическое и технологическое объединение машин в единую систему, обеспечивающую выполнение полного проход- ческого цикла в горной выработке. Основным принципом объединения машин в комплексе является соответствие их параметров по производи- тельности и габаритам, позволяющее оборудованию работать в едином технологическом цикле.

Комплексы для проведения выработок буровзрывным способом со- стоят из

1. бурильной установки, погрузочной машины,

2. крепеустановщика,

3. перегружателя,

4. маневровой и монтажной тележки,

5. электрооборудования и оборудования для борьбы с пылью.

Бурение шпуров производится буриль- ными машинами с длиноходовыми шпинделями, установленными на ма- нипуляторах специальных бурильных установок или погрузочных машин. Погрузка горной массы производится машинами непрерывного действия, либо ковшевыми с боковой разгрузкой. В комплексах механизируются про- цессы бурения и установки анкерной крепи и отдельных элементов арочной крепи. Электрооборудование комплекса, как правило, имеет взрывобо- зопасное исполнение, что обеспечивает его применение в шахтах опасных по газу и пыли.

В качестве примера рассмотрим компоновку и принцип работы ком- плекса КГВ-1 (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Комплекс КГВ

Комплекс состоит из погрузочной машины 1 типа 2ПНБ-2, перегру- жателя 2, выполненного на базе УПЛ-2М, вагонеток 3 типа ВГ-3.3. Пере- гружатель обеспечивает непрерывную загрузку до 10 вагонеток. Бурильная установка 5 портального типа. На ней с помощью манипуляторов подвеше- ны три буровых машины 4. Имеется консольный крепёжный полок 9, с ко- торого производится установка элементов арочной крепи 8. Полок 9 может перемещаться относительно рамы установки на расстояние до 5 м. Кроме того, рама имеет возможность передвигаться и в вертикальной плоскости относительно ходовых тележек для обеспечения обмена призабойного обо- рудования в выработках малого сечения. Портальная бурильная установка 5, перемещается на четырёх ходовых тележках, две из которых выполнены приводными. Конструкция опор перегружателя 2 обеспечивает возмож- ность его перемещения по выработке на взрывобезопасное расстояние от забоя до 20 м.

Крепеустановщик 6 обеспечивает механизированное возведение арочной крепи, а также используется для погрузочно-разгрузочных работ в зоне проведения подготовительной выработки.

Техническая характеристика комплексов с буровзрывным циклом проведения подготовительных выработок приведена в табл. 5.4.

Проходческий комплекс КГВ-2 (табл. 5.4) отличается от КГВ-1 тем, что все его оборудование выполнено на самоходных гусеничных тележках. Для проведения наклонных выработок используются комплексы типа «Си- бирь» либо КНВ-18 (табл. 5.4). В этом случае основное оборудование пе- ремещается к забою с помощью восьмикратного гидрополиспаста.

Применение комплексов проходческого оборудования позволяет поддерживать средние темпы проведения подготовительных выработок в интервале 120 и более метров в месяц. При использовании поточного обо- рудования отдельные проходческие бригады доводят темпы проведения выработок до 500 и 1000 м/мес.

Применение в проходческих комплексах комбайнов взамен буро- взрывного цикла позволяет перейти к поточной технологии ведения работ, существенно повысив производительность и темпы проведения выработок в условиях пород с коэффициентом крепости до 4 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. В таких комплексах, как правило, используются комбай- ны с исполнительными органами стреловидного типа, работающие с при- цепными, а в ряде случаев, и мостовыми перегружателями на скребковый, или ленточный конвейер. В качестве временной крепи могут использо- ваться секции передвижной механизированной крепи, либо специальные средства для возведения анкерной крепи. Следом крепеустановшик возво- дит арочную крепь с укладкой сетки или стекловолоконной ткани взамен железобетонных затяжек.

Таким образом, обеспечивается непрерывный процесс проведения горной выработки, погрузки и транспорта пород, временного и постоянно- го крепления забоя. В этом случае коэффициент машинного времени ис- пользования комбайна может достигать 0,8-0,9, обеспечивая высокие тем- пы проведения подготовительных выработок

Проходческие щитовые комплексы

Проходческие щиты и комплексы предназначены для проведения подготовительных выработок (тоннелей, коллекторов) в условиях не- устойчивых боковых пород с большим диапазоном изменения крепости (от 0,5 до 6 по шкале проф. М.М. Протодьяконова). Они представляют собой подвижную механизированную крепь со специальным проходческим обо- рудованием, обеспечивающим безопасные условия ведения работ на пери- од проходки выработки до момента возведения постоянной крепи. Щитовые комплексы исключают необходимость возведения временной крепи. При проходке тоннеля щит перемещается на величину заходки, равную шагу возводимой крепи сборной или монолитно-прессованой. Щиты совмещают во времени ряд операций: разрушение забоя, погрузку и транспорт горной массы, возведение монолитной крепи и перемещение оборудования вслед за подвиганием забоя.

Щитовой проходческий комплекс включает в себя

• ножеопорное кольцо с домкратами подачи,

• выемочно-доставочную машину,

• механизмы возведения крепи,

• системы гидрокоммуникации и управления.

В качестве выемочного органа в щитовых комплексах в зависимости от условий работы могут применяться отбойные молотки и оборудование буровзрывного цикла, а также комбайны роторного, роторно-планетарного или избирательного действия. При проведении выработок в условиях сла- бых и обводнённых пород возможна работа щитов с кессонной камерой, когда призабойное пространство отделено герметической перегородкой и заполнено водой или тиксотропным раствором. В этом случае исполни- тельный орган превращает горную массу в пульпу, удаляемую из приза- бойного пространства по специальной трубе.

Наиболее сложен в щитовых комплексах процесс возведения моно- литной крепи, которая определяет устойчивость проводимых выработок и работу всего оборудования. Возможны различные схемы возведения моно- литной крепи. На рис. 5.7 приведены наиболее часто применяемые спосо- бы ведения работ. Комплексы могут работать и со сборной специальной крепью, за которую по мере её установки нагнетается цементно-песчаный раствор.

Рис. 5.7. Схема работы щитовых комплексов при строительстве тоннелей с монолитной прессованной крепью:

а – с использованием усилий домкратов подачи; б – с распорным кольцом

В случае использования для прессования монолитной крепи усилием домкратов подачи (рис. 5.7, а) головная часть щита 1 вдавливается в забой, при этом порода подрабатывается простейшими механизмами 2, установ- ленными на подвесных площадках 3. Разрушенная порода грузится и транспортируется конвейером 8 в состав вагонеток 11. Бетонная смесь по- даётся за механизированную опалубку 7 по бетоноводу 9 бетоноукладоч- ными машинами 10 и прессуется в замкнутом пространстве 6 реактивными усилиями щитовых домкратов 4, возникающими при продвижении щита вперёд. Давление на бетонную смесь передаётся через прессующее кольцо 5.

Возможен другой вариант возведения монолитной крепи (рис. 5.7, б). Порода разрабатывается механизированным исполнительным органом 12. Передвижка щита осуществляется домкратами подачи, упирающимися в распорное кольцо 13, которое одновременно служит опорой для домкратов 14, прессующих бетонную смесь в пространстве, отделённом от породы оболочкой 15. Бетонная смесь в этом случае прессуется в две стадии: вна- чале низким давлением под зашитой оболочки 15 в процессе её движения, а затем, после выжимания бетонной смеси из-под оболочки – повышенным давлением. Низкое давление создаётся за счёт сопротивлений передвиже- нию щита и распорного кольца с оболочкой, а повышенное – за счёт упора домкратов 14 в раскреплённое в стены выработки распорное кольцо 13. При этом достигается получение бетонной отделки высокого качества и надёжная устойчивость массива пород за щитом.

Комплексы оборудования для проведения восстающих выработок

При строительстве и реконструкции шахт одним из наиболее трудо- ёмких видов работ является проходка восстающих. Объём таких работ на рудниках достигает 600 км в год. Восстающие проводятся по вмещающим породам, либо по руде, как правило, прямоугольной формы с использова- нием мелкошпурового способа отбойки. В породах ограниченной крепости возможен буровой способ проведения восстающих круглой формы.

Наиболее широкое применение при проведении восстающих квад- ратной формы в породах повышенной крепости получили комплексы типа КПВ, КПН и КПРС.

К омплекс типа КПВ (рис. 5.8) представляет собой самоходную каби- ну 1 с рабочим полком, которые с помощью пневмодвигателя с редукто- ром перемещаются по монорельсу 2.

Рис. 5.8. Комплекс типа КПВ для проведения восстающих

Монорельс крепится металлическими клиновыми штангами 4 (ан- керной крепью) к висячему боку выработки. С полка 1 производится обу- ривание забоя телескопными перфораторами и заряжение шпуров при проведении восстающей выработки. В период производства взрывных ра- бот полок с кабиной 1 опускается вниз 6 и размещается в специальной ка- мере. Сжатый воздух к пневмодвигателю управления подаётся по шлангу, автоматически наматываемому на лебёдку 5. Подача сжатого воздуха и во- ды к перфораторам производится по трубам, подсоединённым к монорель- су. Таким образом, с помощью ходового полка обеспечивается транспорт рабочих к забою и из забоя в зависимости от последовательности выпол- нения технологических операций. В момент обуривания и заряжения забоя рабочие дополнительно защищены предохранительным зонтом 3. По мере проведения восстающего наращиваются и закрепляются монорельс, трубы подвода воды и воздуха. Монорельс состоит из отдельных секций длиной 0,75 и 1,5 м с тремя встроенными трубами, две из которых служат для под- вода сжатого воздуха и одна – для воды. Одна воздухопроводящая труба используется для вентиляции проводимой выработки.