Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CHO CỘT CHỐNG CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC DI ĐỘNG DÙNG TRONG KHAI THÁC HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH RESEARCH ON DETERMINING THE RIGHT SIZE FOR THE PROP OF THE MOBILE HYDRAULIC SUPPORTS USED IN UNDERGROUND MINING AT QUANG NINH COAL BASIN TS Bùi Thanh Nhu1a, PGS.TS Đinh Văn Chiến2b Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội a btnhu70@gmail.com; bvanchien.dinh@gmail.com TÓM TẮT Trong báo cáo này, nhóm tác giả trình bày kết nghiên cứu, tính toán xác định kích thước hợp lý cột chống giá khung thủy lực di động dùng khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh dựa vào điều kiện địa chất mỏ yếu tố khác vật liệu chế tạo, công nghệ khai thác mỏ Kết nghiên cứu dùng để tính toán lựa chọn kích thước hợp lý cột chống giá khung thủy lực sở điều kiện bền, ổn định phù hợp với điều kiện địa chất mỏ vùng Quảng Ninh nhằm nâng cao hiệu sử dụng giá khung giảm giá thành sản phẩm Bên cạnh kết nghiên cứu tham khảo để tính toán loại cột chống khác dùng khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh Từ khóa: tính toán cột chống, kích thước hợp lý cột chống, giá khung thủy lực di động ABSTRACT This paper presents a research result to determine the right size of the prop of the mobile hydraulic supports, which are used in underground mining at Quang Ninh coal basin, based on mine geological conditions and other factors such as manufacturing materials and mining technology This result can be used to determine the right size of the prop of the mobile hydraulic supports relying on the endurable and stable condition, being suitble with geological conditions in Quang Ninh and being capble of improving the efficiency and lowering the price of the supports In addition, it can be used as a reference for manufacturing other underground coal minig supports at Quang Ninh coal basin Keywords: calculating of column against, reasonable size of column against, price bracket of mobile hydraulic ĐẶT VẤN ĐỀ Giá khung thủy lực di động (Hình 1) thiết bị dùng để chống giữ lò chợ khai thác than nhằm bảo vệ không gian khai thác điều khiển áp lực mỏ Yêu cầu giá khung thủy lực di động phải bền vững, ổn định, có khối lượng nhẹ tuổi thọ cao Trong việc tính toán thiết kế giá khung thủy lực có hai phần là: thiết kế mái hệ thống cột chống xylanh thủy lực [1] 876 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Phần đầu cột chống Q2 Q1 Hình Giá khung thủy lực ZH 1600/16/24Z Mái trên; Xà đỡ; Xylanh tiến gương; Xylanh nâng hạ mái trước; Mái trước; Mái sau; Hệ thống thủy lực; Tấm chắn; Cột chống Xylanh Piston Q Q l2 l1 Hình Kết cấu cột chống thủy lực Nguyên lý hoạt động: Dung dịch nhũ hóa cao áp trạm bơm qua đường cung cấp chính, qua tổ van phân phối đến xylanh, cấp dung dịch cho giá chống hoạt động Cơ cấu vách xà đỡ hỗ trợ di chuyển giá Trước hết cột chống thuỷ lực hai chiều trút tải đồng thời nhấc chân cột lên, xà nằm xà đỡ, lúc bơm dung dịch vào xylanh đẩy, piston đẩy ra, xà đỡ điểm tựa để đỡ xà di chuyển phía trước chất tải cột chống để chống đỡ vách, hoàn thành bước di chuyển giá chống Trong làm việc, tổng tải trọng lớn tác dụng lên mái Q max= 160 (Hình1), tải trọng truyền xuống thông qua cột chống thủy lực Do thiết kế phần nối cột chống mái có dạng hình chỏm cầu, “tự lựa” trình vận hành Khi tính toán coi cột chống chịu lực nén tâm Trước việc tính toán, kiểm nghiệm độ bền xylanh cách giải phương trình vi phân cân kết hợp với tiêu chuẩn ứng suất tương đương Tresca Theo cách tính toán tiết diện xylanh chưa tính toán cách tối ưu Vì vậy, không phản ánh đúng, đầy đủ khả chịu ứng suất xylanh, dẫn đến làm tăng chiều dày thành xylanh (chiều dày tối thiểu 2r1 tiêu chuẩn Tresca: s 2 ) [2] p Trong báo sử dụng tiêu chuẩn ứng suất tương đương Von – Mises [2] (Hình 3) thay cho tiêu chuẩn Tresca, đồng thời sử dụng tiêu chuẩn tính toán tải trọng tới hạn, nhằm 877 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV tính toán kích thước thực chi tiết độ bền piston, xylanh độ ổn định cột chống, nhằm giảm thiểu khối lượng cột, nhẹ nhàng trình thi công lắp đặt góp phần giảm giá thành giá khung Hình Tiêu chuẩn ứng suất tương đương Tresca (đa giác) Von-Mises (elip) PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 2.1 Tính toán độ bền piston xylanh 2.1.1 Tính toán độ bền piston Piston hình trụ, có bán kính rpt , trình làm việc chịu lực nén tâm Q, làm vật liệu có ứng suất bền cho phép 1 , bán kính nhỏ piston xác định công thức sau đây[2]: rpt,min Q []1 (1) 2.1.2 Tính toán độ bền xylanh Xylanh ống hình trụ rỗng, có bán kính bán kính r2 , r1 , bên chịu áp suất p, toán cần nghiên cứu xylanh toán ứng suất phẳng Đối với điểm thành xylanh có thành phần ứng suất chính, thành phần ứng suất tiếp t có phương vuông góc với bán kính, thành phần ứng suất pháp có phương hướng tâm Để xác định mối liên quan số hạng, ta giải phương trình vi phân cân (phương trình Lame) Phương trình vi phân cân phân tố thành xylanh (Hình 4) (phương trình Lame [2]) xác định sau: r t r dr 0 dr Hình Mô hình tính toán lý thuyết ống dày 878 (2) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Sau giải phương trình (2) kết hợp với điều kiện ban đầu, có phân bố ứng suất pháp ứng suất tiếp phân tố xylanh sau: pr12 r12 r22 / 2 p t (3) r22 r12 pr12 r12 r22 / 2 p r (4) r22 r12 Ten xơ ứng suất phân tố thành xylanh xác định: t r 0 pr12 r12 r22 / 2 p r22 r12 0 0 pr12 r12 r22 / 2 p r22 r12 0 0 Ứng suất tương đương Vôn - Mises xác định sau: eq 2t 2 t p r12 r24 r22 r12 4 (5) Như để xylanh làm việc an toàn cần phải có điều kiện là: eq 2t 2 t p r12 r24 2 r22 r12 4 (6) 2 ứng suất bền cho phép vật liệu chế tạo xylanh - Khoảng cách từ tâm đến điểm thành xy lanh r1 r2 Từ phương trình (6) giải chiều dày tối thiểu thành xylanh sau: s 2r1 p (Chiều dày tối thiểu tiêu chuẩn Tresca: s 2 p (7) 2r1 2 ) p 2.2 Tính toán độ ổn định cột chống Để tính toán coi cột chống hai bậc, có hai đoạn với thông số mô men quán tính tiết diện chiều dài khác nhau, piston có chiều dài l1 momen quán tính tiết diện I1; tương ứng xylanh l2 I2, bị nén tâm (Hình 2) Tải trọng tới hạn cột chống xác định nghiệm phương trình lượng giác sau [3]: K1 cos K1l1 sin K 2l2 K cos K 2l2 sin K1l1 Trong ®ã: k1 Q E1 I ; k2 Q E2 I 879 (8) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hay: Q th y1 cos Q th x1 sin Q th x Q th y cos Q th x sin Q th x1 Trong đó: I1 rpt4 ; I r 4 r14 ; x1 (9) l1 l 1 ; x2 ; y1 ; y2 EI1 EI EI1 EI E - Mô đun đàn hồi vật liệu yi – Chuyển dịch cột chống Điều kiện ổn định Ptk < Qth (Qth tải trọng tới hạn mà không làm cho cột ổn định) Tiến hành tính toán thiết kế cột chống cho nhẹ mà đảm bảo điều kiện bền, cần có: V rPT l1 r12l2 r22l2 (10) KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CHO CỘT CHỐNG 3.1 Thuật toán để xác định kích thước hợp lý cho cột chống Cột chống chế tạo xylanh thủy lực Trong nghiên cứu việc tính toán thông số hợp lý cho cột chống thực việc kết hợp điều kiện: bền ổn định cột chống Kết hợp (1, 7, 8, 10) có điều kiện hợp lý hóa kích thước cột chống xác định sau: 2r1 s 2 2 2 rpt , r1 , r2 hl (11) 1 p p Ptk Q th V rPT l1 r12 l2 r22 l2 rpt,min Ptk []1 Để thỏa mãn điều kiện (11), thực thuật toán “vét cạn” ngôn ngữ lập trình C Trong đó: + Tải trọng thiết kế Ptk thay đổi từ 25 Tấn đến 40 Tấn + Ứng suất cho phép vật liệu [ ] thay đổi từ 600 MPa đến 750 MPa + Bán kính piston thay đổi từ 30 mm đến 40 mm + Bán kính xylanh thay đổi từ 55 mm đến 65 mm Phương pháp tính toán hợp lý thể sơ đồ thuật toán vét cạn để tìm kiếm giá trị kích thước hợp lý cho cột chống đây: Thay đổi Vật liệu [], tải trọng Ptk Thay đổi kích thước hình học rpt, r1 Xác định giá trị rpt, r1 thỏa mãn điều kiện bền, ổn định Tìm giá trị V nhỏ (Vmin) Kết quả: kích thước chi tiết rpt, r1 cho thỏa mãn điều kiện sau: V Vmin 3.2 Kết tính toán kích thướ hợp lý Sau chạy chương trình tính toán nhận kết hợp lý kích thước cột chống, tương ứng với trường hợp tải trọng vật liệu bảng 880 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Ptk N 250000 250000 250000 250000 250000 250000 280000 280000 280000 280000 280000 280000 310000 310000 310000 310000 310000 310000 340000 340000 340000 340000 340000 340000 370000 370000 370000 370000 370000 370000 400000 400000 400000 400000 400000 400000 Bảng Các kết hợp lý kích thước cột chống, tương ứng với trường hợp tải trọng vật liệu Qth r1 r2 rpt [] MPa Tấn mm mm mm 600 42.77301 65 67.07666 30 630 42.47301 65 66.97604 30 660 42.27301 65 66.88472 30 690 42.07301 65 66.80148 30 720 41.77300 65 66.72529 30 750 41.57300 65 66.65529 30 600 43.27301 65 67.33107 30 630 43.07301 65 67.21785 30 660 42.87301 65 67.11513 30 690 42.57301 65 67.02151 30 720 42.37301 65 66.93584 30 750 42.17301 65 66.85714 30 600 43.67302 65 67.58672 30 630 43.47302 65 67.46076 30 660 43.27301 65 67.34653 30 690 43.07301 65 67.24244 30 720 42.87301 65 67.1472 30 750 42.67301 65 67.05974 30 600 43.97302 65 67.84364 30 630 43.77302 65 67.70483 30 660 43.67302 65 67.57895 30 690 43.47302 65 67.46429 30 720 43.27301 65 67.35941 30 750 43.07301 65 67.26311 30 600 44.27302 65 68.10188 30 630 44.07302 65 67.95005 30 660 43.97302 65 67.81243 30 690 43.77302 65 67.6871 30 720 43.57302 65 67.57248 30 750 43.47302 65 67.46726 30 600 44.47302 65 68.36146 30 630 44.37302 65 68.19649 30 660 44.17302 65 68.04699 30 690 44.07302 65 67.91088 30 720 43.87302 65 67.78644 30 750 43.77302 65 67.67222 30 881 Vmin mm3 3938887 3905003 3874297 3846345 3820788 3797334 4024784 3986517 3951854 3920309 3891481 3865031 4111426 4068698 4030014 3994823 3962672 3933185 4198833 4151566 4108789 4069895 4034374 4001806 4287018 4235130 4188197 4145539 4106592 4070898 4376002 4319412 4268247 4221762 4179343 4140477 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Căn vào bảng thấy rằng: - Kích thước hợp lý cho r1, rpt là: r1 = 65 mm, rpt = 30 mm - Kích thước r2 xác định thông qua r1 áp suất xylanh theo công thức: r2 = r1 + Smin ;( Smin xác định theo công thức 11) - Từ kết thu được, tiến hành vẽ đồ thị 3D biểu diễn phụ thuộc kích thước r2 vào tải trọng làm việc vật liệu chế tạo cột chống (hình 5), thông qua xác định giá trị kích thước hợp lý cho cột chống Hình Sự phụ thuộc kích thước r2 vào tải trọng làm việc vật liệu chế tạo cột chống - Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 00 250 tải trọng tác dụng lên cột chống xác định từ 36 40 tấn, kích thước hợp lý cho cột chống cho bảng đây: Ptk Tấn Bảng Kích thước hợp lý cho cột chống điều kiện làm việc góc dốc từ 00 250 Qth r1 r2 rpt Vmin [] mm3 MPa Tấn mm mm mm 36 600 44.17302 65 68.01565 30 4257535 37 600 44.27302 65 68.10188 30 4287018 38 600 44.27302 65 68.18826 30 4316591 39 600 44.37302 65 68.27478 30 4346252 40 600 44.47302 65 68.36146 30 4376002 KẾT LUẬN Từ việc ứng dụng tiêu chuẩn ứng suất tương đương Von-Mises thay cho ứng suất Tresca kết hợp với tải trọng tới hạn cho thấy giảm thiểu chiều dày thành xylanh, giảm thiểu khối lượng cột chống mà đảm bảo độ bền, độ ổn định cột chống Điều giúp cho việc lắp đặt, tháo di chuyển nhẹ nhàng hơn, góp phần giảm thiểu giá thành giá khung giá thành sản phẩm Kết nghiên cứu tham khảo để tính toán lựa chọn số thông số hợp lý cho giá khung thủy lực dùng khai thác than hầm lò có tải trọng tới hạn khác nhau, làm vật liệu khác 882 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Ngoài ,kết nghiên cứu sử dụng công tác thiết kế lựa chọn giá khung thủy lực di động phục vụ khai thác than hầm lò Các kết nghiên cứu làm tài liệu tham khảo cho đơn vị tư vấn thiết kế mỏ thiết bị mỏ, cho nhà quản lý, làm tài liệu giảng dạy đại học, cao đẳng ngành kỹ thuật có liên quan TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Thanh Nhu (2014), Luận án tiến sĩ, nghiên cứu lựa chọn số thông số hợp lý giá khung thủy lực di động dùng khai thác than hầm lò có góc dốc đến 250 vùng Quảng Ninh [2] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng (2007), Sức bền vật liệu tập 2, NXB Giáo Dục [3] Докукин А.В и др Механизированные крепи и их развитие Издательство Недра Моcква- 1984 THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Bùi Thanh Nhu, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Email: btnhu70@gmail.com, 0912842867 PGS.TS Đinh Văn Chiến, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Email: vanchien.dinh@gmail.com, 0913214028 883 ... CHO CỘT CHỐNG 3.1 Thuật toán để xác định kích thước hợp lý cho cột chống Cột chống chế tạo xylanh thủy lực Trong nghiên cứu việc tính toán thông số hợp lý cho cột chống thực việc kết hợp điều... tạo cột chống - Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 00 250 tải trọng tác dụng lên cột chống xác định từ 36 40 tấn, kích thước hợp lý cho cột chống cho bảng đây: Ptk Tấn Bảng Kích thước hợp lý cho. .. pháp tính toán hợp lý thể sơ đồ thuật toán vét cạn để tìm kiếm giá trị kích thước hợp lý cho cột chống đây: Thay đổi Vật liệu [], tải trọng Ptk Thay đổi kích thước hình học rpt, r1 Xác định giá