Badania eksploatacyjne samojezdnej obudowy SOH-1 w trakcie wybierania rudy miedzi

Transkrypt

1 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Piotr GOSPODARCZYK, Krzysztof KOTWICA, Kazimierz PAWLIK, Zdzisław IWULSKI Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Badania eksploatacyjne samojezdnej obudowy SOH-1 w trakcie wybierania rudy miedzi Streszczenie W artykule przedstawiono genezę powstania samojezdnej obudowy hydraulicznej SOH-1, zamieszczono krótki opis budowy, działania i technologii jej pracy, opis radiowego systemu sterowania pracą obudowy oraz omówiono algorytm i sposób realizacji monitorowania pracy obudowy w warunkach wybierania filarów resztkowych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. Przedstawiono wyniki wstępnych prób ruchowych urządzenia w warunkach kopalni Polkowice-Sieroszowice wraz z ich analizą. 1. Wstęp Wybieranie złóż rud miedzi w kopalniach polskich prowadzi się systemem filarowokomorowym. System ten wymaga likwidowania, z postępem frontu eksploatacyjnego, filarów technologicznych oraz resztkowych, w których zalegają duże ilości rudy miedzi. Likwidowanie filarów resztkowych, o bardzo małych wymiarach i powierzchni rzędu 12 m 2, wymaga wykonania kasztów podporowych, pozwalających na zabezpieczenie przestrzeni likwidowanej przed zawałem skał stropowych. Związane jest to z dużymi kosztami oraz czasem niezbędnym do ustawienia takiego kasztu. Dlatego w AGH Kraków, we współpracy z Fabryką Obudów Zmechanizowanych FAZOS oraz Zakładami REMAG, zaproponowano opracowanie konstrukcji samobieżnej obudowy hydraulicznej, umożliwiającej szybkie i łatwe zabezpieczenie stropu wyrobiska. 2. Budowa i zasada działania samobieżnej obudowy hydraulicznej SOH-1 Zaproponowane rozwiązanie (rys. 2.1.) jest połączeniem hydraulicznej obudowy podporowej, z samojezdnym podwoziem gąsienicowym. Składa się ono z następujących podzespołów i elementów: stropnicy 1 wraz z wiszącą osłoną boczną z łańcuchów, ramy nośnej podwozia 2 wraz z gąsienicowymi wózkami jezdnymi 3, dwóch niezależnych spągnic 4, czterech dwuteleskopowych stojaków hydraulicznych 5, układu lemniskaty 6, lemiesza 7 równającego trasę przed urządzeniem oraz siłownika awaryjnego wyciągania 8. Układy robocze obudowy zespół jezdny oraz siłowniki hydrauliczne zasilane są z agregatu hydraulicznego olejowego 9, napędzanego silnikiem spalinowym 10. Pozwala to na swobodne manewrowanie maszyną. Obudowa umożliwia podparcie stropu z siłą około 8 MN. Przedstawione rozwiązanie zostało dostosowane do pracy w wyrobiskach o wysokości od 1,6 do 3,0 m. 77

2 P. GOSPODARCZYK, K. KOTWICA, K. PAWLIK, Z. IWULSKI Badania eksploatacyjne... Rys Schemat konstrukcyjny samojezdnej obudowy hydraulicznej SOH-1 Fig The construction solution of mobile hydraulic support SOH-1 Obudowa może przemieszczać się samodzielnie po spągu wyrobiska z prędkością do około 2,5 m/min, z możliwością pokonywania wzniesień do 15. Przedstawiając opis działania samobieżnej obudowy, można go ująć w postaci następujących faz jej pracy: transport innym urządzeniem do wyrobiska w pozycji transportowej, załączenie agregatu hydraulicznego i dojazd obudowy do miejsca pracy, opuszczenie spągnic i rozparcie obudowy do uzyskania podporności wstępnej, uzyskanie, na skutek działania górotworu, przez obudowę podporności roboczej, rabowanie obudowy, przemieszczanie obudowy, po zakończeniu pracy, w inne miejsce wyrobiska, wyciąganie obudowy z obwału, w przypadku wystąpienia zawalenia stropu, przy pomocy siłownika awaryjnego wyciągania. Przedstawione powyżej funkcje obudowy umożliwiają wykorzystanie jej do likwidowania filarów resztkowych przy zastosowaniu różnych technologii. Na rysunku 2.2 przedstawiono jeden z możliwych do realizacji sposobów. Wykorzystuje się w nim co najmniej dwie samobieżne obudowy podporowe 1, które przemieszcza się wzdłuż lub w poprzek likwidowanego filara 2. Rozparte obudowy zabezpieczają strop w obrębie filara, umożliwiając innym maszynom 3 jego likwidację. Po wybraniu jednego filara, obudowy przemieszczają się w obręb drugiego. Taka technologia, ze względu na bezpieczeństwo, wyklucza przebywanie operatora maszyny w jej sąsiedztwie i wymaga zastosowania zdalnego, radiowego sterowania. 78

3 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys Schemat jednej z technologii wybierania filarów resztkowych z zastosowaniem samojezdnej obudowy hydraulicznej SOH-1 Fig Diagram of the technology for liquidation of residual pillars with application of mobile hydraulic support SOH-1 3. Układ sterująco-kontrolny samobieżnej obudowy hydraulicznej Warunki pracy obudowy, wymagana podczas pracy duża mobilność oraz możliwość wystąpienia obwałów stropu wymuszają zastosowanie sterowania radiowego. Dla prawidłowego dobrania zarówno układu jak i sposobu zdalnego, radiowego sterowania, przyjęto algorytm dla sterowania pracą samobieżnej obudowy. Założono, że sterownik radiowy musi mieć możliwość sterowania szeregowego dla trzech obudów samobieżnych. Ponadto wymagane jest, aby sterownik posiadał możliwość włączenia trybu ratunkowego, umożliwiającego ucieczkę maszyny z miejsca pracy, w momencie wystąpienia zagrożenia dla bezpieczeństwa obudowy. Opracowany, dla założonego algorytmu, schemat blokowy układu kontrolno-sterującego pokazano na rysunku 3.1. Sterownik dla takiego układu musi mieć co najmniej dwadzieścia klawiszy funkcyjnych oraz możliwości sygnalizowania nieprawidłowości pracy urządzenia. Tego typu urządzenie wraz z oprogramowaniem opracowano w Zakładzie Urządzeń Elektrycznych ELSTA w Wieliczce. Oparto się na sterowniku typ SSRK do sterowania kombajnów ścianowych. Budowa takiego sterownika jest następująca: składa się on z odbiornika zamontowanego na maszynie, pilota sterującego funkcjami maszyny, oraz baterii ogniw zasilającej odbiornik. Piloty są niewielkie, ich długość nie przekracza 0,28 m a masa 0,65 kg. Natomiast odbiornik o masie około 5,5 kg, jest montowany na maszynie w dostępnym miejscu. Widok jednego z zaproponowanych pilotów pokazano na rysunku

4 P. GOSPODARCZYK, K. KOTWICA, K. PAWLIK, Z. IWULSKI Badania eksploatacyjne... Rys Schemat blokowy układu kontrolno-sterujacego samojezdnej obudowy hydraulicznej SOH-1 Fig Block diagram of the control system of mobile hydraulic support SOH-1 Rys Widok jednego z pilotów typu PR zaproponowanego do sterowania pracą obudowy Fig View of the pilot PR type for the control system of support 4. Układ monitorowania stanu pracy obudowy SOH-1 Do badań skonstruowanego prototypu maszyny, według zatwierdzonej przez Okręgowy Urząd Górniczy technologii pracy obudowy, została opracowana specjalna metodyka. W metodyce tej wymagane jest stałe monitorowanie stanu obudowy, głównie wartości ciśnień cieczy roboczej stojaków, stąd niezbędnym było opracowanie układu umożliwiającego pomiar i rejestrację wymaganych parametrów pracy obudowy. Układ do monitorowania stanu pracy obudowy SOH-1 został opracowany, na podstawie wytycznych ustalonych przez zespół wykonawców i użytkowników urządzenia, podobnie jak system sterowania przez Zakład Urządzeń Elektrycznych ELSTA w Wieliczce. Układ ten, składający się z rejestratora obciążeń ROB-01 i pilota PIR-01/P, został przedstawiony na schemacie strukturalnym na rysunku 4.1. Jego zadaniem jest wykonywanie i rejestracja 80

5 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie pomiarów, sygnalizacja stanu obudowy oraz transmisja zarejestrowanych danych za pośrednictwem łącza szeregowego IR. Rys Schemat strukturalny układu do monitorowania stanu pracy obudowy SOH-1 Fig Structural diagram of method of the operation monitoring system of support SOH-1 Przyjęty układ do monitorowania stanu pracy obudowy umożliwia jednoczesny pomiar wartości ośmiu wielkości analogowych. Dla badanych obudów przewidziano przede wszystkim pomiar wartości ciśnień cieczy roboczej w stojakach. Do ich pomiaru użyto analogowe czujniki ciśnienia. Sygnał z nich jest rejestrowany w pamięci pulpitu zgodnie z częstotliwością zaprogramowaną w procesorze (np. co 1, 2 lub 3 minuty). Pozwoli to określić stan obciążenia obudowy i charakter jej pracy w zależności od warunków górniczo-geologicznych. Dane z pamięci pulpitu, po sczytaniu za pomocą przenośnego pilota portu szeregowego IR, mogą zostać przesłane siecią do komputera na powierzchni. Tam następuje ich przetworzenie i za pomocą programów do wizualizacji danych przedstawienie na ekranie w formie zrozumiałej dla obsługi. 5. Próby stanowiskowe obudowy SOH-1 Dwie sekcje samojezdnej obudowy SOH-1 zostały wykonane we współpracy firm FAZOS Tarnowskie Góry i ZNPW REMAG Katowice. Jedna z nich, z zamontowanym systemem sterowania, została poddana próbom stanowiskowym na poligonie terenowym ZNPW REMAG. Widok tej obudowy podczas jednej z prób na nachylonym odcinku sztucznego toru pokazano na rysunku 5.1. Wykonane próby wykazały pełną przydatność opracowanej i wykonanej obudowy jak również systemu sterowania do zdalnego przemieszczania urządzenia i kierowania jego podstawowymi operacjami jak rozpieranie, rabowanie, kontrola lemiesza czy siłownika awaryjnego. Pozytywne wyniki prób stanowiskowych pozwoliły na uzyskanie dopuszczenia WUG obudowy SOH-1 do prób dołowych w kopalni rud miedzi Polkowice-Sieroszowice. 81

6 P. GOSPODARCZYK, K. KOTWICA, K. PAWLIK, Z. IWULSKI Badania eksploatacyjne... Rys Widok samojezdnej obudowy hydraulicznej SOH-1 w czasie prób poligonowych Fig View of mobile hydraulic support SOH-1 during ground tests 6. Próby dołowe obudowy SOH-1 Sekcje samojezdnej obudowy SOH-1 wykorzystano do prac w kopalni Polkowice- Sieroszowice, związanych z likwidacją filarów technologicznych wokół filara ochronnego szybów P-I i P-II, na oddziale G-12, pole K, poziom 850. Widok obudów podczas prac związanych z likwidacją tych filarów przedstawiono na rysunkach 6.1 i 6.2. Rys Widok jednej z sekcji obudowy SOH-1 podczas rozpierania w okolicach likwidowanego filara resztkowego Fig View of one of the mobile hydraulic support SOH-1 during sprag of the support near residual pillar 82

7 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys Operacja likwidowania filara resztkowego ładowarką kołową (w głębi druga z sekcji obudowy SOH-1) Fig Liquidation of the residual pillar with using wheel loader (in the next place second section of mobile support SOH-1) W czasie eksploatacji dwóch sekcji obudowy SOH-1 wykonywano obserwacje związane z pracą maszyn, notowano przeprowadzone czynności, czas pracy poszczególnych obudów oraz odległość przejechaną przez każdą z maszyn. Na podstawie przeanalizowanych zapisów w książkach raportowych oraz poczynionych obserwacji można stwierdzić, że w badanym okresie pracy obudowa nr I przepracowała 82 zmiany, a obudowa nr II 85 zmian. Z przepracowanych zmian odpowiednio po 52 i 53 były to zmiany, na których obudowy wykonywały funkcje robocze (jazda manewrowa, rabowanie, rozpieranie itp.). Na pozostałych zmianach obudowy były w stanie tzw. czuwania (obudowy rozparte zabezpieczały strop w okolicy likwidowanego filara). Wyniki analizy umożliwiają stwierdzenie, że nie zanotowano większych trudności, zarówno przy przemieszczaniu maszyn, jak też w cyklu roboczym przy rozpieraniu i rabowaniu obudów. Jedynie istotną niedogodnością była zbyt mała pojemność akumulatorów elektrycznych. Natomiast w pierwszej, początkowej fazie badań, obserwowano drobne awarie armatury hydraulicznej i elementów układu sterowania. Wykorzystując opisany powyżej układ do monitorowania obciążenia obudów, przeprowadzano równolegle badania wartości sił na poszczególnych stojakach obudów. Wyniki badań przekazywane przez użytkowników pocztą elektroniczną, były analizowane w oparciu o wykresy sporządzane w programie PIR. Celem przeprowadzenia dalszej analizy, w szczególności określenia rzeczywistych wartości podporności roboczych obudów, pliki zawierające dane przekształcono w pliki tekstowe i wprowadzono zawarte w nich wartości danych do programu kalkulacyjnego EXCEL W oparciu o wartości mierzonych ciśnień, znając wartości średnic tłoków stojaków, obliczano wartości sił w stojakach układu odpornościowego obudów. Dotyczyło to wyłącznie stojaków zaopatrzonych w przetworniki pomiarowe, a więc po jednym stojaku w rzędzie dla każdej z dwóch obudów, tak jak to opisano w metodyce pomiarów. 83

8 P. GOSPODARCZYK, K. KOTWICA, K. PAWLIK, Z. IWULSKI Badania eksploatacyjne... Pomiary były rejestrowane w różnych odstępach czasu, w momentach, w których stan obciążenia obudowy ulegał zmianie. Widoczne jest to na przykładowym wykresie na rysunku 6.3, przedstawiających obliczone wartości sił w stojakach w oparciu o zarejestrowane wartości ciśnień. Na osiach odciętych zaznaczono godziny poszczególnych rejestracji. Czasy próbkowania zmieniały się w szerokich granicach od jednej sekundy, do kilku minut. Rys Przykładowy wykres wartości sił w stojakach jednej z obudów, wykonany w oparciu o zarejestrowane wartości ciśnień Fig Example diagram of value of pressure force in hydraulic pillars in one of the supports after pressure measurement W oparciu o analizę otrzymanych wykresów można stwierdzić znaczne zróżnicowanie wyników, a ze względu na ograniczony czas badań, które można określić jako badania wstępne, a tym samym ograniczoną liczbę wyników do analizy, nie można wyciągać zbyt daleko idących wniosków, ponieważ nie obserwuje się powtarzalności tychże wyników. Wybierając serie wyników do analizy uwzględniono także wyniki, których interpretacja w oparciu o dostępne dane jest w zasadzie niemożliwa. Zestawienie wyników na wykresach w funkcji kolejnych chwil rejestracji, a nie w funkcji czasu rzeczywistego pozwoliło na ich całościową ocenę, a w szczególności ocenę wiarygodności pomiarów, po skonfrontowaniu z książkami raportów i protokołami oraz sprawozdaniami z obserwacji pracy obudów. Ponadto na podstawie wyżej przedstawionych wykresów wybrano serie danych, w oparciu o które, można było wstępnie dokonać analizy wyników pod kątem zmienności wartości sił w stojakach, wyznaczenia występujących wartości maksymalnych sił, określenia czasu i miejsca wystąpienia obciążeń krytycznych, określenia skutków występujących obciążeń na konstrukcję obudowy oraz szybkość eksploatacji górniczej. W tym celu przedstawiono przebiegi zmian wartości sił w stojakach w fazie od wstępnego rozparcia do wyrabowania lub wyłączenia rejestracji, w funkcji czasu (w czasie rzeczywistym). Są to podporności robocze stojaków. Przykładowy wykres przedstawiono na rysunku

9 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys Wykres podporności roboczej stojaków w czasie rzeczywistym Fig Diagram of load carrying capacity of hydraulic pillars in real time Ponieważ oczujnikowane były dwa spośród czterech stojaków, nie można określić rzeczywistej podporności obudowy, a jedynie podporności dwóch stojaków. Analiza wykresów podporności stojaków zwróciła jednak uwagę na kilka istotnych zjawisk, jakie miały miejsce w trakcie badań. Rozwijane przez stojaki podporności z reguły są niższe lub nieznacznie wyższe od podporności wstępnych stojaków odpowiadających wartościom ciśnień MPa. W jednym tylko przypadku pomiar wykazał nie tylko znaczne przekroczenie tych wartości, ale także przekroczenie wartości roboczej odpowiadającej ciśnieniu 42 MPa. Jak wynika z rysunku 6.5 maksymalne wartości podporności wyniosły około 3 MN co odpowiada wartości ciśnienia około 62 MPa. Był to przypadek incydentalny i można by go uznać za błąd pomiarowy. Nie można jednak wykluczyć błędnego ustawienia zaworu przelewowego względnie awarii tego zaworu, tym bardziej, że miało to miejsce w początkowej fazie badań. Drugą cechą charakterystyczną uzyskanych wyników była różnorodność przebiegów zmian obciążeń, co utrudnia wyciągnięcie ogólnych wniosków. Kolejną cechą charakterystyczną wyników jest nierównomierność obciążenia poszczególnych stojaków, w skrajnym przypadku przedstawionym na rysunku 6.6 obciążony jest praktycznie jeden stojak. Ponadto proporcje obciążeń stojaków zmieniają się. Biorąc zatem pod uwagę całość wyników, fakt, iż nie są znane wartości obciążeń pozostałych dwóch stojaków kasztu, jak też sztywną konstrukcję stropnicy, nie można jednoznacznie zakwalifikować pomiaru jako błędnego. Interesująca jest też tendencja do zmniejszania się w czasie wartości podporności roboczej stojaków. Tendencja ta nie przeważa zdecydowanie, gdyż w kilku przypadkach wartość podporności utrzymuje się na stałym poziomie. Nie zanotowano jednak tendencji do wzrostu podporności, która to tendencja powinna być naturalną. 85

10 P. GOSPODARCZYK, K. KOTWICA, K. PAWLIK, Z. IWULSKI Badania eksploatacyjne... Rys Wykres podporności stojaków z przekroczoną jej maksymalna wartością Fig Diagram of load carrying capacity of hydraulic pillars with exceeding of maximal value Rys Wykres podporności stojaków obudowy z wyraźną nierównomiernością ich obciążenia Fig Diagram of load carrying capacity of hydraulic pillars with irregular load one of its Fakt ten może potwierdzać z jednej strony wcześniej wysuniętą tezę o nadmiernej wartości podporności wstępnej, jak też w ogólności zbyt dużej założonej wartości maksymalnej podporności roboczej. Potwierdzenie tej tezy nie jest jednoznaczne, gdyż nie są znane wartości podporności rozwijanych przez pozostałe dwa stojaki. Należy zatem kontynuować badania przy wyposażeniu w przetworniki pomiarowe wszystkich stojaków kasztu. 86

11 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 6. Wnioski i uwagi końcowe Przeprowadzone analizy wyników obserwacji i pomiarów pozwalają na wyciągnięcie niżej sformułowanych wniosków końcowych. 1. Wyniki przeprowadzonych obserwacji zachowania się stropów i obudów są zasadniczo spójne z wynikami pomiarów podporności stojaków badanych kasztów obudów. 2. Obserwacje i pomiary wykazały przydatność obudów i ich niezawodność oraz korzystny wpływ na bezpieczeństwo pracy przy likwidacji filarów resztkowych. Jednocześnie przeprowadzone obserwacje i doświadczenia eksploatacyjne wskazują na celowość poprawy parametrów użytkowych takich jak: prędkość jazdy, czasów rozpierania i rabowania, czasu pracy akumulatora oraz lepszego dostępu do elementów wyposażenia kasztu podczas obsługi i bieżących napraw. 3. Przeprowadzone pomiary podporności należy uznać za wstępne i należy je kontynuować, modyfikując jednocześnie ich metodykę. Zasadniczym celem tych badań powinna być weryfikacja tezy, iż przyjęte parametry podpornościowe stojaków, a więc pośrednio również średnice cylindrów są zbyt duże i przekraczają rzeczywiste potrzeby. Potwierdzenie takiej tezy miałoby duże znaczenie techniczne i ekonomiczne. Zmniejszenie średnic stojaków wpływa bowiem na zmniejszenie masy kasztu, kosztu jego wytwarzania, a więc i ewentualne obniżenie ceny. Ponadto daje możliwość zwiększenia prędkości rozpierania i rabowania stojaków, bez zmiany parametrów zasilającegoagregatu hydraulicznego. 4. Potwierdzenie wyżej sformułowanej tezy musi być jednak wiarygodne i nie pozostawiające wątpliwości, gdyż ewentualna błędna ocena miałaby wpływ na zwiększenie ryzyka wypadku. Dlatego też należy zmodyfikować metodykę badań, a przede wszystkim wyposażyć wszystkie stojaki kasztów w przetworniki pomiarowe, zmienić sposób zasilania układu pomiarowego tak, by był on niezależny od zasilania kasztu, a ponadto należy wydłużyć cykl pomiarów. Literatura [1] Gospodarczyk P., Kotwica K., Pawlik K. 2000: Summary of a Control System for Self-Advancing, Hydraulic Supports for a Mining Industry. International Carpatian Control Conference, Technical University Kośice, Słowacja, [2] Gospodarczyk P., Kotwica K., Pawlik K., Klich A., Pawlik J., Sośnica J. 2000: Self-Advancing Hydraulic Supports used for Safe Liquidation of Residual Pillars and Timbering of Crossings. International Scientific Conference, VŚB-Technical University of Ostrava, Czechy, [3] Gospodarczyk P., Kotwica K., Pawlik K., Klich A., Parkietny K., Mika M., Korczyński M., Staniczek F. 2000: Samojezdna obudowa podporowa SOH-1 do likwidacji filarów resztkowych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 7, [4] Gospodarczyk P., Kotwica K., Pawlik K., Klich A., Pawlik J., Stankiewicz J. 2002: Microprocessor control system for mobile machines for mining industry. International Conference MicroCAD 2002, University of Miskolc, Wegry, [5] Gospodarczyk P., Kotwica K., Pawlik K., Pawlik J., Stankiewicz J. 2002: Sposób sterowania i monitorowania samojezdnej obudowy podporowej SOH-1 w warunkach pracy w kopalniach miedzi. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 6,

12 P. GOSPODARCZYK, K. KOTWICA, K. PAWLIK, Z. IWULSKI Badania eksploatacyjne... Exploitation investigations of load carrying capacity of self-advanced support SOH-1 during extraction of cooper ore In the paper the genesis of origin of self-advanced hydraulic support, construction, operation and technology, radio control system of the support operation, algorithm and realisation method of the support operation monitoring in conditions of residual pillar working at mines belonging to KGHM Polska Miedź S.A are described. The results of preliminary exploitation researches in conditions of Polkowice-Sieroszowice cooper ore mine with they analysis are presented. Przekazano: 10 marca 2003 r. 88