Горные машины в разработке полезных ископаемых

Лекция №1. Общие сведения и классификация горных машин

1. Содержание и значение курса

Горные машины и оборудование — один из основных курсов в программе подготовки горного инженера, готовящегося к работе в области тех­нологии вскрытия и разработки месторождений полезных ископа­емых. Успешная работа современного горного инженера-техно­лога немыслима без глубокого знания основ механизации и автоматизации горного производства, эксплуатационных и техниче­ских данных горных машин, элементов их конструкции, принципа действия и технических возможностей, а также освоения основ теории, расчета и технической эксплуатации горных машин и ком­плексов.

Курс Горные машины и оборудование является одним из первых инженер­ных курсов. Впервые наиболее полно курс «Горные машины» был система­тизирован и издан в 1934 г. под названием «Горные машины при выемке пластовых полезных ископаемых» проф. А. М. Терпигоревым, читавшим многие годы в Московском горном институте курс по механизации добычи и доставки горной массы, и доц. М. М. Протодьяконовым. Учебник выдержал несколько переизда­ний.

Предмет горные машины содержит информацию по всем средствам механизации очистных и подготовительных работ, принципам создания и работы машин, методам расчета основных параметров оборудования. Курс охватывает сведения, начиная с наиболее простых машин (ручные сверла, перфораторы), механи­зирующих лишь отдельные операции, до комплексов и агрегатов, обеспечивающих решение механизации всего технологического цикла ведения горных работ, включая и автоматизацию работы оборудования. Большое конструктивное разнообразие горных машин диктуется требованиями технологии и различием условий эксплуатации оборудования. Содержание курса непосредственно связано с технологией подземной разработки месторождений полезных ископаемых, курсами транспорта горной массы по выработкам, технологии металлов и конструкционных материа­лов, физики горных пород, а также такими общетехническими предметами, как теория машин и механизмов, детали машин, стандартизация и взаимозаменяемость и др. Основные закономер­ности, закладываемые в расчеты и принципы работы горных машин, базируются на фундаментальных общеинженерных дис­циплинах: теоретическая механика, физика, математика и др.

Курс горных машин по принципу функционального назначе­ния оборудования делится на:

— машины и оборудование для механизации процессов бурения шпуров и скважин;

— машины для механизации процессов выемки полезных ископаемых, включающие врубовые машины, очистные комбайны и струговые установки;

— машины и оборудование для механизации проведения подготовительных и нарезных выработок;

— выемочные комплексы и автоматизированные агрегаты;

— машины для механизации вспомогательных операций технологического цикла.

Приведенная классификация является укрупненной, облег­чающей рассмотрение отдельных разделов предмета, исходя из прямого назначения отдельных групп машин. Внутри каждого раздела курса и его подразделов дается более углубленная и детализированная классификация горных машин, облегчающая изучение каждой машины и предмета в целом.

Общая классификация горных машин утверждена Комитетом технической терминологии АН России (рис. 1).

Требования условий эксплуатации диктуют не только боль­шое разнообразие конструкций горных машин, но и возможность использования того или иного вида энергии. Большинство горных машин работает на электроэнергии, но в ряде случаев требования технологии определяют необходимость использования гидравли­ческой энергии либо дизельных приводов, а жесткие требования техники безопасности — применение только пневмоэнергии. Все это дополнительно усложняет конструкцию горных машин, а в ряде случаев и ограничивает технические возможности их раци­онального использования. Так, при работе машин в условиях гидрошахт рационально и более безопасно использовать один вид энергии — воду под высоким давлением. Мобильность самоход­ного бурового оборудования выдвигает требование иметь изоли­рованный источник энергии. В этом случае применяют дизельные приводы с очисткой выхлопных газов до требований санитарных норм. Отработка сверхкатегорных пластов по газу и пыли исклю­чает возможность использования электроэнергии. В этих случаях единственно возможными техническими решениями являются пневматические приводы с крайне низким КПД и ограниченной мощностью.

Знание курса «Горные машины и оборудование» позволяет обоснованно выбрать оборудование для конкретных условий эксплуатации, рассчитать параметры машин и их технические возможности, тем самым обеспечив решение вопроса механиза­ции основных процессов технологического цикла, снижение трудоемкости и получение оптимальных технико-экономических по­казателей работы оборудования.

При изло­жении материала особое внимание уделяется следующим вопросам:

назначению, классификации и области применения машин; прин­ципу действия, конструкции и управлению горными машинами; основам теории работы машин с определением их производитель­ности и энергоемкости процесса; выбору рациональных режимов работы горных машин и анализу путей повышения производи­тельности; основным положениям эксплуатации, ремонта и техники безопасности, а также перспективам дальнейшего раз­вития и совершенствования рассматриваемых горных машин.

2. Условия эксплуатации и требования, предъявляемые к горным машинам

Специфические условия работы в подземных выработках сказы­ваются на конструкции горных машин, предъявляя к основным их узлам ряд особых требований. Так, одной из специфических особенностей работы горных машин является стесненность рабо­чего места, обусловленная небольшими поперечными размерами горных выработок. В связи с этим возникает необходимость в стро­гом ограничении габаритов горных машин, придании последним удобной формы с целью повышения маневренности и улучшения транспортабельности их узлов. Уменьшение размеров основных узлов горных машин с одновременным сохранением их высокой работоспособности достигается применением последних достиже­ний науки и техники в области машиностроения.

Значительная влажность рудничной атмосферы и агрессивность шахтных вод приводят к значительному ускорению коррозии, резко уменьшающей срок службы горных машин. В связи с этим детали горных машин должны изготовляться из антикоррозионных мате­риалов или подвергаться специальному покрытию горячим цинкованием, лаками, полимерными материалами и др.

Большая запы­ленность рудничной атмосферы, проникающей внутрь машин, резко снижает долговечность трущихся пар (шестерен, подшипни­ков и др.) и заставляет, помимо борьбы с пылеобразованием, надежно защищать элементы горных машин от попадания пыли и грязи.

Высокие абразивность и твердость руды и породы приводят к быстрому износу элементов горных машин, что требует выпол­нения их из особо прочных и износостойких материалов, застав­ляет изыскивать специальные схемы работы элементов исполни­тельных органов и предусматривать возможность быстрой замены деталей, подверженных особо быстрому износу.

Тяжелые, резко усложняющиеся условия работы горных машин с внезапными перегрузками, возникающими от обрушения горной массы, попада­ния крупных кусков, а иногда и заклинивания исполнительного органа твердыми включениями, приводят к необходимости проекти­ровать детали горных машин с достаточными запасами прочности, а приводы их оборудовать специальными предохранитель­ными муфтами.

Рабочее место многих горных машин, особенно предназначенных для очистных и проходческих работ, непрерывно меняется, в связи с чем такие машины должны обладать особенно хорошей маневренностью и оборудоваться специальными устрой­ствами, облегчающими перемещение их при работе и переводе с одного рабочего места на другое.

Перечисленными выше специфическими условиями не исчерпы­вается все многообразие вопросов, учитываемых при проектирова­нии, выборе и эксплуатации горных машин. Так, при проектиро­вании, выборе или технической эксплуатации горных машин необходимо всегда исходить из требований безопасности и удоб­ства их обслуживания, облегчения управления, простоты монтажа и демонтажа. Особое внимание должно уделяться изоляции токоведущих частей, заземлению корпусов и защите обслуживающего персонала от движущихся элементов. Это диктуется стесненностью рабочего места, необходимостью изменения положения обслужи­вающего персонала относительно машин, трудностью использо­вания защитной спецодежды и неудобством работы в ней в усло­виях горных выработок, т. е. в условиях, при которых возрас­тает опасность травмирования обслуживающего персонала.

Условия эксплуатации машин под землей, где из-за недоста­точной освещенности, запыленности и стесненности рабочего места ремонт практически невозможен, а выдача всей машины на по­верхность сильно затруднена, требуют чтобы она состояла из отдельных быстро и легко заменяемых узлов.

Все перечисленные требования должны учитываться при вы­боре горных машин для механизации и автоматизации рассматри­ваемого процесса применительно к конкретным условиям работы горных машин и физико-механическим свойствам конкретных горных пород.

3. История создания и тенденции развития горных машин

Горная промышленность обеспечивает добычу полезных ископаемых, являющихся основным сырьем для всех остальных отраслей промышленности. Главным сырьевым звеном системы является топливная промышленность, обеспечивающая необхо­димые условия жизнедеятельности человека и энерговооружен­ности его труда. Д.И.Менделеев отмечал, что «…первое место между ископаемыми принадлежит каменным углям … они состав­ляют питательное средство всей промышленности». Еще в 1724-25 гг по заданию Петра I проводилась разведка угля в Донецком, Подмосковском и других бассейнах. Интерес к углям особенно возрос в XVIII веке в связи с интенсивным строительством чугуно­литейных заводов.

Добыча и переработка руд были издавна известны в России. Уже в XII-XIII вв. в центральных русских областях достигло высокого развития кустарное производство железа из болотных руд. Начало развития железорудной промышленности Урала относится к 1631 г, когда был основан Ницинский завод. Уже во второй половине XVIII века по выплавке чугуна Россия обогнала западноевропейские страны, а вывоз железа стал крупной статьей русского экспорта. В XIX веке Россия экспортировала около 4 тыс. тонн меди в год. Большое значение в России уделялось добыче благородных и драгоценных металлов.

При сравнительно больших масштабах развития горно­рудной промышленности в России уровень механизации работ был крайне низок. Лишь в начале XX века на ряде рудников начали применять перфораторы, которые являлись единственным средством механизации проведения шпуров и скважин.

Ударно-поворотный способ бурения, к которому относятся перфораторы, был известен в Китае свыше 2 тысяч лет назад. Этим способом бурили скважины с помощью бамбуковых штанг для добычи поваренной соли. В России бурение первых скважин отмечалось в IX веке, так же при добыче соли в Старой Руссе. В середине XIX века ударное бурение с помощью ручных приспособлений стало вытесняться портативными механическими станка­ми. В 1859 г Г.Д.Романовский в качестве привода бурового станка использовал паровую машину. В середине XIX века при бурении на нефть использовалась конная тяга. В 1901 году на Бакинских нефтепромыслах появились первые электрические двигатели, заменившие паровые машины. В 1924 г инженерами М.А.Канемошниковым, С.М.Волох и Н.А.Кореневым был сконструирован первый турбобур, положивший начало бурению скважин на боль­шие глубины до 1000 и более метров.

Морская скважина впервые была пробурена в Тихом океане (США) в 1897 г. В России шельфовое бурение было начато в 1924 г в Каспийском море. В настоящее время добыча нефти и газа из под воды является одним из перспективных направлений разра­ботки месторождений полезных ископаемых.

Машинное бурение шпуров впервые было предложено в 1683 г немецким механиком Г.Гутманом. Поршневые бурильные машины для ударного бурения скважин были созданы инженером Соммейе и успешно использовались при проведении тоннеля в Альпах, на много сократив его строительство. Вращательный способ бурения стал широко внедряться на горных предприятиях лишь в начале XX века. Шарошечный способ впервые появился в 1937 году на карьерах США. В России он получил широкое распространение с начала 60-х годов. В настоящее время это один из основных способов бурения взрывных скважин на карьерах. С 50-х годов при бурении скважин находят применение погружные перфораторы и пневмоударники.

Алмазное бурение было предложено в 1862 году швейцарс­ким часовщиком Ж.Лешо. Этот, один из возможных и производи­тельных способов бурения в условиях весьма крепких пород, широко используется и при разведочном бурении.

Различные способы бурения лишь частично механизируют процесс ведения буровзрывных работ. Для повышения эффектив­ности этого процесса была необходима подрубка полезного иско­паемого, проведение щелевого вруба — дополнительной плоскос­ти обнажения забоя. Первая врубовая машина была изготовлена в 1852 году в Великобритании, она имела исполнительный орган в виде вращающегося диска, армированного резцами. Еще раньше в 1761 году Майклом Мензис была создана врубовая машина, работающая по принципу кайла, приводящаяся в движение кривошипно-шатуным механизмом от усилий рук человека. В 1864 г была изготовлена первая цепная врубовая машина с баром,которая явилась прототипом современных машин. В 1873-74 гг. на Грушевском руднике работало две паровых врубовых машины. Серийный выпуск машин был освоен Горловским маши­ностроительным заводом в 1927 г. Уже в 1928 г на шахтах бывшего СССР работало более 500 врубовых машин, обеспечива­ющих существенный рост механизации процесса ведения очист­ных работ.

Врубовые машины явились основой для создания первого в мировой практике очистного комбайна. Комбайн был создан в 1931 году нашим соотечественником инж. А.И.Бахмутским. Уголь­ный комбайн механизировал наиболее трудоемкие операции в очистном забое — выемку и погрузку угля. Серийное производ­ство комбайнов было начато в 40-х годах. Процесс механизации выемки широкозахватными комбайнами был непродолжитель­ным. Уже в 60-е годы наметился переход от широкозахватной к узкозахватной технологии выемки угля с созданием принципиаль­но нового очистного оборудования.включающего в себя узкозах­ватные комбайны и механизированные крепи.

Впервые идея механизированной передвижной крепи была предложена инженером И.А.Журавлевым в 1932 году. Аналогич­ная идея была выдвинута и реализована на стенде в 1938 году А.Д.Гридиным, А.А.Пичугиным и Ф.И.Барановским. Отечествен­ная война прервала начатые работы, но уже в 1946 году был изготовлен и испытан в Кузнецком бассейне первый в мировой практике выемочный агрегат «Кузбасс» с передвижной механизи­рованной крепью. Несколько позже были созданы механизирован­ные крепи типа Щ («Щекинская») и агрегаты типа А. В 1958 г прошла успешные испытания механизированная крепь «Тула» с узкозахватным комбайном КУ-60, которые явились основой для серийного выпуска комплексов типа ОМКТ и ОКП. Основные идеи, заложенные в конструкции этих комплексов, послужили основой для широкого применения механизированных комплек­сов и щитовых крепей как у нас в стране, так и за рубежом. В настоящее время комплексная механизация является основным средством выемки угля.

Высокие темпы подвигания очистных забоев, оснащенных средствами комплексной механизации, вызывали необходимость механизации процессов проведения подготовительных вырабо­ток. Проходческие комбайны появились несколько позже очистно­го оборудования. Лишь в 50-е годы был начат серийный выпуск проходческих комбайнов типа ПК-2М, ШБМ и ПК-3. Они явились основой для разработки в последующем мощного проходческого оборудования нового поколения.

В настоящее время комплексная механизация является превалирующей как при разработке угольных, так и рудных месторождений полезных ископаемых. Механизация процессов буровзрывных работ базируется на широком использовании мобильного самоходного оборудования, существенно снижающе­го трудоемкость работ при бурении, погрузке и транспорте полезного ископаемого. Более 90 % добычи угля подземным способом производится выемочными комбайнами и комплексами с механизированными крепями. При проведении подготовитель­ных выработок, наряду с высокопроизводительными проходчески­ми комбайнами, также нашли применение проходческие комплек­сы оборудования. Комплексная механизация и автоматизация основных технологических процессов в ряде случаев исключает необходимость присутствия людей в очистных и подготовитель­ных забоях.