Содержание к диссертации
Введение
1 Оценка современных стратегий развития добывающей техники для открытой добычи полезных ископаемых
1.1 Предварительные замечания 15
1.2 Опыт создания добывающей техники 16
1.3 Исполнительные органы добывающих поверхностных фрез 22
1.4 Разрушение породного массива дисковым инструментом 25
1.5 Основные итоги и выводы 31
2 Стендовые исследования режимов работы дискового инструмента
2.1 Предварительные замечания 33
2.2 Устройство стенда и методика лабораторных исследований 34
2.3 Свободное резание 39
2.4 Силовое малоцикловое разрушение 44
2.5 Гранулометрический состав продуктов разрушения 51
2.6 Основные итоги и выводы 53
3 Моделирование образования осколков горных пород от воздействия дискового инструмента
3.1 Предварительные замечания 55
3.2 Разработка математической модели макроструктур горных пород 56
3.3 Результаты моделирования образования осколков горных пород в условиях уступного разрушения 64
3.4 Модели осколков породы, образующихся при свободном режиме разрушения 78
3.5 Основные итоги и выводы 89
4 Исследование взаимодействия рабочего органа машины для поверхностного фрезерования крепких горных пород с разрушаемым породным массивом
4.1 Предварительные замечания 90
4.2 Модель взаимодействия рабочего органа с массивом горных пород 91
4.3 Методика проведения производственной апробации МПФ с исполнительным органом, оснащенным дисковым инструментом 98
4.4 Некоторые результаты промышленного опробования
4.5 Обсуждение результатов и направление дальнейших исследований 106
4.6 Основные итоги и выводы 110
Заключение 111
- Разрушение породного массива дисковым инструментом
- Силовое малоцикловое разрушение
- Результаты моделирования образования осколков горных пород в условиях уступного разрушения
- Методика проведения производственной апробации МПФ с исполнительным органом, оснащенным дисковым инструментом
Введение к работе
Топливно-энергетический комплекс страны (ТЭК) является одной из ведущих отраслей народного хозяйства, определяющих экономический потенциал государства.
Осуществляемое в настоящее время реформирование угольной промышленности России базируется на преимущественном развитии открытого способа добычи угля. По сравнению с подземным, этот способ объективно обеспечивает ряд технических и социальных преимуществ, к числу которых относятся:
снижение в 3...4 раза себестоимости добычи угля и удельных капитальных затрат;
повышение в 7...8 раз производительности труда;
значительно улучшенные и безопасные условия труда;
возможность гибкой перестройки производства и технического перевооружения предприятий и др.
Поэтому основная стратегия технического развития угольной промышленности понимается как интенсификация открытого способа добычи угля, базирующаяся на результатах научно-технического прогресса с приоритетным решением вопросов повышения качества поставляемого угля и снижения издержек его производства. Однако в последнее время в области открытой угледобычи выявился целый ряд негативных явлений, которые проявляются в виде:
объективного ухудшения горнотехнической обстановки, которое не компенсируется техническим перевооружением;
физического и морального износа парка основного технологического оборудования, обновление которого в последнее десятилетие практически прекратилось;
низкого качества добываемого угля из-за недостаточно эффективных средств селективной добычи и переработки;
отсутствия эффективных средств и способов нейтрализации негативного воздействия открытых горных работ на окружающую среду.
Создателей техники для открытых горных работ заинтересовала проблема разработки технических средств, способных решить возникшие проблемы. Как результат решения этих задач в середине 80-х годов на рынке добывающей техники появились первые образцы так называемых машин по-
слойного фрезерования (МПФ - CSM). Это высокоэффективные машины непрерывного действия с широкозахватным исполнительным органом, работа которого реализуется при непрерывном перемещении всей машины по поверхности пласта. При их разработке доминирующей идеей была концепция непрерывной и избирательной (селективной) отработки крепких (стсж < 80... 100 МПа) полезных ископаемых. Причем номинальная произво-дительность этих машин в 1000...1200 м /ч реализуется уже при мощности отрабатываемых пластов порядка 0,4...0,5 м.
Обширная библиография отечественных и зарубежных работ, посвященных исследованию различных способов и созданию средств разрушения крепких горных пород неукоснительно свидетельствует об огромном интересе к вопросам механизации главной технологической операции добычи полезного ископаемого - отделению его от массива, без решения которой невозможно создание безвзрывной поточной технологии извлечения полезного ископаемого.
Не вдаваясь в подробный анализ разрабатываемых способов и средств, который достаточно подробно изложен в ряде специальных работ (смотри, например, [2, 3, 9, 16, 18, 19, 28, 54 и др.]), можно утверждать, что в ближайшие десятилетия не появится методов, конкурирующих с механическим разрушением в добывающей промышленности (см. табл. B.I), по следующим основным причинам:
высокая энергоёмкость процесса разрушения (лазерный луч, плазма, непрерывные гидравлические струи);
низкая производительность (высокоскоростной мощный удар, пульсирующие высоконапорные струи, электромагнитное облучение);
несоответствие гигиеническим нормам (некоторые виды поверхностно-активных веществ, СВЧ- и ИК-излучение).
При этом резцовый инструмент является практически непригодным для работы по породам выше средней крепости из-за невозможности передачи большой единичной мощности, потребной для разрушения массива, о чём свидетельствует большой удельный расход рабочего инструмента в нерегла-ментированных условиях [6, 8].
Таблица B.I
Способы разрушения крепких пород
Эффективность работы режущего инструмента, в том числе в породах средней и выше средней крепости, можно увеличить за счёт уменьшения скорости его взаимодействия с массивом, то есть при переходе на режим силового взаимодействия, который характеризуется отделением крупных элементов и почти статическими величинами сопротивляемости разрушаемой среды элементарным деформациям. Результаты проведённых А. В. Докуки-
ным и А. Г. Фроловым [22] исследований показывают, что увеличение времени приложения нагрузки к инструменту в 1,8...2,0 раза приводит к уменьшению в 1,3...1,6 раза энергозатрат и, соответственно, снижению пы-леобразования.
Прогрессивным решением является использование на исполнительных органах добывающих поверхностных фрез дискового инструмента, реализующий принцип разрушения крепких пород крупным сколом [3, 25, 35, 53, 59], который обладает рядом преимуществ по сравнению с тангенциальными резцами:
обладает в 5.. .20 раз большей прочностью;
имеет на два порядка большую длину режущей кромки;
реализует иную (рациональную) кинематику взаимодействия с массивом.
Последнее обстоятельство требует дополнительного пояснения. При движении оси дискового скалывающего инструмента с переносной скоростью Vp абсолютная скорость внедрения точки А режущей кромки (рис. В.1.) может быть найдена из рассмотрения элементарной кинематики качения без проскальзывания
ЧЭЧЭ"
где х = RD ((p-sinq>), у = RD (і - cosq>) - уравнение циклоиды.
(B.l)
Рис. В. 1. Влияние относительного
ц^ауулчу- заглубления на скорость езаимодей-
Y ствия режущей кромки диска с раз-
h/D
рушаемым массивом
Параметр ф может быть выражен через кинематические и геометрические величины
Тогда
V =V
1-cos——t
Rl> J
(B.2)
В момент входа точки А лезвия инструмента в контакт с массивом при глубине внедрения h имеем
Фь = -^4 =7t-Arccos—-
KD KD
и величина абсолютной скорости внедрения определяется выражением
л, [2ЇГ
VA.=V^-, (В.З)
из которого следует, что даже при максимальной глубине внедрения h = RD/2 скорость взаимодействия точки режущей кромки дискового скалывающего инструмента меньше переносной скорости. При дальнейшем заглублении скорость точки А падает до нуля в мгновенном центре поворота. Таким образом, при существующих скоростях вращения исполнительных органов дисковый инструмент производит разрушение в режиме силового резания [1], что положительно сказывается на фракционном составе продуктов разрушения и ведёт к снижению энергоёмкости процесса. Редукция нагрузки на лезвии дискового инструмента за счёт уменьшения скорости взаимодействия приводит к возрастанию контактных напряжений и вызывает возникновение и развитие трещин в массиве. Прочность дискового скалывающего инструмента и его опорного узла при этом не является лимитирующим фактором [11].
Специфические свойства прочных породных массивов потребовали создания агрегированного инструмента с выделением режимных параметров и характеристик схем набора. Это, в свою очередь, ставит круг вопросов, связанных с методологическими аспектами изучения взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым массивом, оценки эффективности нового рабочего инструмента и схем разрушения крепких пород, исследования рациональных параметров и режимов работы дискового инструмента и синтеза на его основе компоновочных схем исполнительных органов. Научные основы
теории работы исполнительных органов горных машин, заложенные в трудах академиков А. М. Терпигорева и В. Н. Потураева, член-корреспондентов А. В. Докукина и А. Г. Лазуткина, профессоров Я. И. Альшица, Л. И. Барона, В.
A. Бреннера, Б. А. Верклова, Б. Л. Герике, В. Н. Гетопанова, Л. Б. Глатмана,
B. Ф. Горбунова, Б. Л. Давыдова, Н. Г. Картавого, А. Н. Коршунова, Ю. Д.
Красникова, В. И. Нестерова, П. П. Палева, Е. 3. Позина, Ю. Г. Полкунова, В.
М. Рачека, В. И. Солода, А. В. Топчиева, А. А. Хорешка и др. исследовате
лей, показывают, что все выше перечисленное непосредственно связано с ин
тенсификацией процессов очистных работ при выемке полезных ископае
мых. Поэтому можно утверждать, что создание исполнительных органов
ДПФ с дисковым инструментом для разрушения крепких породных масси
вов, является весьма актуальной научной задачей, решение которой позволит
существенно расширить область применения экологически безопасной без
взрывной разработки массивов полезных ископаемых открытым способом.
Исследования выполнялись в рамках Программы немецко-российского сотрудничества № RUS-170-99 «Эффективная безвзрывная разработка высокопрочных полезных ископаемых» между Дрезденским техническим университетом (Институт транспортных, строительных машин и логистики) и Институтом угля и углехимии СО РАН при финансовой поддержке Немецкой службы внешних академических связей (DAAD) и фирмы MAN TAKRAF (ФРГ), а также по программе «Уголь Кузбасса».
Цель работы - обеспечить создание высокоэффективных средств непрерывного разрушения крепких горных пород на основе исследования процессов отделения крепких полезных ископаемых от массива, позволяющих интенсифицировать их добычу открытым способом.
В соответствии с поставленной целью в работе обосновывается идея о целесообразности использования для разрушения крепких пород дискового инструмента шнековых исполнительных органов машин для послойного фрезерования. В работах [8, 20, 24, 38, 49, 61 и др.], выполненных на кафедре горных машин и комплексов КузГТУ под руководством проф. Коршунова, доказывается принципиальная возможность использования подобного типа рабочего инструмента для отработки трудноразрушаемых угольных пластов, и устанавливаются основные параметры исполнительных органов. Однако специфические свойства добывающих поверхностных фрез (широкий захват, небольшая глубина фрезерования, ограниченное сцепным весом усилие перемещения и т. п.), не позволяют однозначно использовать ранее получен-
ные рекомендации и требуют проведения специальных исследований взаимодействия дискового инструмента с разрушаемой средой.
Для этого, при выполнении работы, были поставлены и решены следующие основные задачи:
обосновать метод непрерывного разрушения массивов крепких горных пород, пригодный для добычи полезных ископаемых открытым способом;
установить основные закономерности процесса разрушения массива крепких горных пород одиночным дисковым инструментом на стенде и на их основе определить основные параметры рабочего органа машин для послойного фрезерования;
выбрать критерий разрушения крепких пород и построить модель скалывания массива под воздействием дискового инструмента;
изучить на математической модели основные закономерности работы исполнительного органа машины для послойного фрезерования и проверить в практических условиях работоспособность его макетного образца.
При решении поставленных задач проводились аналитические и лабораторные исследования, а также натурные эксперименты, включающие:
методы статического, кинематического и динамического анализа взаимодействия дискового инструмента с разрушаемой средой;
метод граничных интегральных уравнений при исследовании напряженно-деформированного состояния массива под лезвием дискового инструмента;
методы теории планирования эксперимента и электро- и тензометрии при выполнении лабораторных и производственных исследований;
методы математической статистики при обработке экспериментальных данных и построении комплекса регрессионных зависимостей;
производственные эксперименты по определению показателей работоспособности макетного образца исполнительного органа с дисковым инструментом.
На основании выполненных исследований сформулированы следующие основные научные положения, выносимые на защиту:
- механизм взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым масси-
вом позволяет снизить на порядок энергоемкость процесса механического разрушения и использовать для добычи крепких полезных ископаемых существующие машины для послойного фрезерования;
закономерности взаимодействия дискового инструмента с разрушаемой средой, характеризующиеся качественным изменением силовых показателей при вариации параметров разрушения, свидетельствуют о трансформации напряженно-деформированного состояния массива горных пород от линейного к объёмному при изменении режима работы дисков от силового малоциклового разрушения к свободному скалыванию;
гранулометрический состав продуктов разрушения определяется характером напряженно-деформированного состояния массива в зоне контакта с лезвием инструмента, зависящим как от свойств разрушаемой среды, так и от геометрии инструмента и управляемого параметра режимов его взаимодействия с горной породой;
модель взаимодействия рабочего органа машины для послойного фрезерования с массивом горных пород, построенная в среде системы компьютерной математики «Mathcad», имеет случайный характер и связана с трехмерной графической визуализацией конструкции исследуемого исполнительного органа в среде программы «SolidWorks», что позволяет оперативно получать готовые конструкторские чертежи проектируемых конструкций и деталей.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены:
корректной постановкой задач по исследованию взаимодействия дискового инструмента с разрушаемым горным массивом, учитывающей основные представления механики деформируемого твердого тела и механики хрупкого разрушения;
использованием измерительно-регистрирующей аппаратуры и методики интерпретации экспериментальных результатов с погрешностью, не превышающей 8% по амплитуде, а по частоте - 10% в низкочастотной (до 25 Гц) области;
сходимостью результатов исследования взаимодействия рабочего инструмента и исполнительных органов с массивом горных пород, полученных на основе математического моделирования, с экспериментальными данными;
- положительными результатами опытной эксплуатации макетного образца
машины для послойного фрезерования TM-D25 с исполнительным орга
ном, оборудованным дисковым инструментом.
Научная новизна диссертации заключается:
в обосновании способа непрерывного разрушения массивов крепких горных пород на основе оснащения исполнительных органов машин для послойного фрезерования дисковым инструментом;
в установлении основных закономерностей процесса разрушения горного массива одиночным диском и определении на их основе рациональных параметров взаимодействия инструмента с крепкими горными породами;
в обосновании критерия разрушения массива крепких пород и построении на его основе модели скалывания горной породы с минимальными затратами энергии;
в обосновании компоновочных схем и конструктивных параметров исполнительных органов на основе моделирования режимов разрушения, силовые характеристики которых оцениваются по экспериментальным результатам, полученным в лабораторных условиях на одиночном инструменте;
в установлении основных закономерностей нагружения рабочих органов с дисковым инструментом в зависимости от компоновочных схем его набора, свойств разрушаемого массива и установленной мощности приводов машины для послойного фрезерования.
Личный вклад автора заключается:
в обосновании принципа непрерывного разрушения крепких горных пород дисковым инструментом, позволяющим эффективно использовать машины для послойного фрезерования при разработке месторождений крепких полезных ископаемых;
в изучении основных закономерностей формирования нагрузки на одиночном диске при разрушении основных литотипов горных пород и определении качественного различия в механизмах силового малоциклового разрушения и свободного скалывания в сторону свободной поверхности;
в разработке математической модели макроструктур горных пород, обосновании критерия их разрушения дисковым инструментом и исследова-
ний формирования напряженно-деформированного состояния массива под лезвием одиночного диска;
в построении имитационной модели взаимодействия рабочего органа машины для послойного фрезерования с разрушаемой средой, пригодной для исследования компоновочных схем набора инструмента и связанной с трехмерной графической визуализацией конструкции исследуемого исполнительного органа в среде программы «SolidWorks»;
в определении основных закономерностей формирования нагрузок в приводах рабочего органа и механизма перемещения машины для послойного фрезерования при работе в различных горнотехнических условиях;
в проведении опробования макетного образца машины для послойного фрезерования TM-D25 на стенде и участии в промышленном опробовании при добыче строительных материалов, обобщении результатов экспериментальных исследований и разработке рекомендаций для изготовления опытной полноразмерной модели исполнительного органа с дисковым инструментом.
Практическое значение работы состоит в том, что её результаты позволяют:
расширить область применения нового класса горных машин и на этой основе создать новую технологию непрерывной очистной выемки крепких полезных ископаемых (асж < 100 МПа) на открытых горных работах;
разрушать полезное ископаемое и вмещающие породы крупным сколом, что сопровождается улучшением сортности продуктов разрушения и экологической обстановки;
вовлечь в отработку часть пологих маломощных месторождений полезных ископаемых, отнесённых в настоящее время к неперспективным из-за отсутствия приемлемых технологических решений и средств механизации;
проектировать и создавать дисковый инструмент и рабочие органы горных выемочных машин применительно к конкретным горногеологическим и горнотехническим условиям их эксплуатации.
Реализация выводов и рекомендаций работы заключается в том, что разработанные модели (силовая и 3D-CAD) исполнительного органа приняты к реализации горнопромышленным отделением фирмы «MAN TAKRAF»
(г. Лаухаммер, ФРГ) и реализованы в конструкции испытательной машины TM-D25.
Разработанная методика расчета исполнительных органов машин для послойного фрезерования используется в учебном курсе при подготовке магистров в Дрезденском техническом университете (Институт транспортных, строительных машин и логистики, г. Дрезден, ФРГ) и при чтении курса лекции по дисциплине «Физические процессы горного производства» в КузГТУ.
Апробация работы. Основное содержание работы, отдельные ее положения и результаты были доложены и обсуждены: на техническом совете горнопромышленного отделения фирмы «MAN TAKRAF» (Лаухаммер, ФРГ, 2001, 2004 г.г.); на семинаре Института транспортных, строительных машин и логистики ДТУ (Дрезден, 2001, 2004 г.г.); на 6 международном симпозиуме «Continuous Surface Mining» (Фрайберг, ФРГ, 2001 г.); на международных конференциях «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2001, 2003 г.г.); на международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2002); на Всероссийской научно-практической конференции «Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов и пути их решения» (Кемерово, 2003); на Ученом совете и научно-технических семинарах Института угля и углехимии СО РАН (2002...2004 г.г.).
1. ОЦЕНКА СОВРЕМЕННЫХ СТРАТЕГИЙ РАЗВИТИЯ
Разрушение породного массива дисковым инструментом
В настоящее время, как единственная альтернатива для отделения очень крепких горных пород от массива, предлагается использовать дисковый скалывающий инструмент1, которыми оснащают буровые туннелепро-ходческие машины [70, 73, 82, 92]. Потенциальная возможность разрушения горных пород, обладающих сопротивлением одноосному сжатию до 300 МПа, свидетельствует о перспективности этого типа инструмента для создания добывающей техники, способной разрушать весьма крепкие породные массивы (IX категория пород по классификации акад. В. В. Ржевского [52]). Диск, поворачиваясь вокруг мгновенного центра вращения, производит внедрение в разрушаемую горную породу, создавая в ней давление, приводящее к отделению от массива крупных осколков. При этом наблюдается скольжение лезвия диска относительно разрушаемого массива, однако износостойкость дисков значительно выше, чем вращающихся резцов за счет протяженной режущей кромки [85]. Однако для того, чтобы диск мог внедряться в горную породу необходимо иметь значительно большее усилие внедрения из-за протяженности линии контакта с разрушаемым массивом. Поэтому усилие подачи рабочего органа тунеллепроходческих комбайнов, оборудованных дисками, должно быть очень большим, для чего используется распорно-шагающий механизм Дисковый скалывающий инструмент будет в дальнейшем сокращенно упоминаться как диск. На рис 1.4 приведены параметры, характеризующие взаимодействие дисков с породным массивом. На первых этапах разработки конструкции дисков для подземной добычи угля их тело представляло собой усеченный конус с углом заострения режущей кромки до 30 [38](рис. 1.5 А). Однако уже при первых испытаниях, во время встречи инструмента с твердыми породными включениями и прослойками, была отмечена такая нагрузка, при которой режущая кромка выкрашивалась или отмечался высокий износ [20, 24]. Поэтому в дальнейшем была изменена конструкция режущей кромки. Она была образована пересечением двух конических поверхностей с различными (асимметричные диски с углом заострения режущей кромки до 45, рис. 1.5 В) [11] или одинаковыми (симметричные диски с углом заострения режущей кромки до 90, рис. 1.5 С) образующими углами [30]. Такое изменение конструкции привело к устранению изломов и выкрашивания режущей кромки, что позволило производить добычу при сильно изношенной режущей кромке. Это приводило к созданию режущих кромок постоянной ширины (рис. 1.5 D), обеспечивающих не только постоянную нагрузку дисков на протяжении всего срока эксплуатации, но и равномерную, независимо от степени износа отдельных дисков [69], нагрузку на рабочем органе [29].
В результате испытаний Rostami и Ozdemir [83] было установлено, что после внедрения диска в разрушаемый массив под его лезвием образуется уплотненное переизмельченное ядро (рис. 1.6). Это ядро состоит из очень тонкого (пылевого) материала горных пород, находящегося в состоянии гидростатического сжатия под действием высоких напряжений, формирующихся на лезвии инструмента. Крупность материала уплотненного ядра возрастает от центра к периферии. Размер зоны уплотненного ядра зависит от геометрии режущей кромки и свойств горной породы. Распределение давления внутри ядра точно не известно, но принято считать, что оно подобно гидростатическому давлению [74]. Созданное под ядром напряжение сжатия приводит к возникновению в массиве напряжений растяжения, вызывающих разрушение (сдвиг) материала со стороны конической поверхности диска в сторону свободной поверхности.
При этом в массиве горной породы возникают магистральные трещины разрыва. Ozdemir утверждает, что развитие этих трещин идет всегда в направлении самого минимального сопротивления горных пород разрушению [83]. Lindqvist подразделяет эти трещины на магистральные, радиальные и боковые трещины разрыва. Длина этих трещин зависит от свойств разрушаемого материала, усилия и величины внедрения диска [80]. Так, например, при внедрении в гранит на глубину менее 7 мм с усилием до 200 кН создается трещина длиной свыше 10 мм. Но если в породном массиве имеются зоны ослабления (концентраторы деформаций), такие как складчатость, естественная трещиноватость или свободные поверхности (например, вызванные разрушением в соседней линии резания), эти трещины могут развиваться в глубину горной породы значительно дальше [86]. Из этого следует, что при разрушении породного массива диском сильное влияние оказывает предыстория разрушения (проход предыдущего инструмента, шаг разрушения, глубина внедрения за один проход). Такой режим разрушения назван Глатманом [50] и следом за ним Богомоловым [55] симультанным2. В этом случае разрушение происходит следующим образом (рис. 1.7): после внедрения диска в горную породу и создания в ней нарушенной зоны в массиве формируются боковые трещины растяжения, направленные в сторону обнаженной поверхности. Если одна или более боковых трещин, образующихся под лезвием смежных дисков, сливаются или достигают свободной поверхности, то происходит отделение осколка горной породы [74, 83].
Механическая разрушаемость горных пород дисками будет определяться сопротивлением одноосному сжатию, хрупкостью и абразивностью. С возрастанием сопротивления горных пород одноосному сжатию должно увеличиваться потребное усилие внедрения [50, 74]. Хрупкость горной породы определяет величину формирующихся радиальных трещин, и в породах с высокой хрупкостью возникают, как правило, только очень плоские осколки (рис. 1.7). Разумеется, шаг набора дисков на исполнительном органе с возрастанием хрупкости разрушаемого породного массива может выбираться большим. В горных породах со средним показателем хрупкости х = 10 возникают более короткие боковые трещины, выходящие на свободную поверхность и приводящие к блокированию разрушения [50] (см. рис. 1.6). Schi-mazek утверждает, что износ дисков зависит от содержания в структуре горной породы острых осколков минералов и величины её зернистости. В отличие от вращающихся резцов, сопротивление сжатию и хрупкость разрушаемой породы не оказывает значащего влияния на износ [85]. Thuro описывает влияние ориентации поверхностей раздела на внедрение рабочего органа туннелепроходческой буровой машины с расположенными на нем дисками. Способность к внедрению рабочего органа будет максимальной при диагональном расположении поверхностей раздела к оси туннеля [90]. Johannessen отмечал, что проникающая способность дисков стремится к максимуму, если угол между поверхностями раздела и направлением подачи диска составляет около 45. Впоследствии Aeberli и Wanner доказали, что этот угол должен составлять « 60 [74]. На основании этого Johannessen принимает, что при перпендикулярном расположении поверхностей раздела, относительно направления подачи диска, проникающая способность диска не 2 Одновременное (франц.) может быть увеличена [78]. Это объясняется тем, что магистральные трещины, образующиеся под лезвием диска, могут распространяться только до перпендикулярно расположенных поверхностей раздела. Положительный эффект угловой ориентации этих поверхностей разъема можно пояснить с помощью примера, приведенного на рис. 1.7. Образование осколка происходит вследствие слияния боковых трещин. Под действием сжимающих напряжений в породном массиве формируется поле напряжений растяжения, обусловленное естественными концентраторами напряжений (поверхности раздела, трещины и т.п.). Наличие естественных поверхностей раздела может, как и при разрушении резанием, влиять на механическую разрушаемость вследствие повышения проникающей способности дисков в породный массив. Анализ новейших исследований по вопросам создания и взаимодействия породоразрушающего инструмента с горным массивом показывает, что исключительно хорошую перспективу при разрушении крепких пород с сопротивлением одноосному сжатию асж = 80... 140 МПа имеет дисковый инструмент, работающий в режиме силового малоциклового разрушения.
Силовое малоцикловое разрушение
Эффективность режима силового малоциклового разрушения песчаника исследовалась с использованием дисков диаметром 180 и 220 мм с непрерывной режущей кромкой. Геометрические параметры клина составляли: угол заострения равен 45 (из условия обеспечения необходимой прочности лезвия), угол скалывания принят равным 33, а задний угол - 12. Такое соотношение углов на клине обеспечивает устойчивое движение инструмента в режиме силового малоциклового разрушения [10]. На рис. 2.15 показано возникновение макротрещины в массиве песчаника после первого прокатывания дискового инструмента (шаг разрушения 70 мм, глубина внедрения 5 мм). Направление возникающей макротрещины совпадает с направлением внедрения инструмента, глубина трещины незначительна, отделения элемента от массива ещё не произошло. Характер усилия, формирующегося на оси дискового инструмента, приведен на рис. 2.16. Как показали результаты стендовых исследований «катастрофическое» разрушение происходило при суммарной глубине внедрения hs = 15...20 мм за 2...4 прохода инструмента. Максимальные значения нагрузок, возникающих за один проход инструмента, не превышали 41 и 4 кН для усилий внедрения и перекатывания. Трещина разрушения во всех опытах достигала основания блока и происходило отделение элементов с размерами 1,0x0,08x0,4 м3.
Поскольку в процессе силового малоциклового разрушения песчаника размеры отделившихся кусков определяются не столько параметрами резания, сколько габаритами разрушаемого блока, наличием и направлением естественных трещин, границ раздела, плоскостей скольжения и прочих текстурных неоднородностей, не удалось систематизировать данные для получения зависимостей энергетических затрат на разрушение от объёма разрушенной породы. Однако оценка энергоёмкости процесса силового малоциклового разрушения песчаника для всей совокупности опытов даёт величины Hw = 0,37. ..0,71 кВт-час/м3. Экспериментальные исследования позволили выяснить, что количество повторных проходов и величина заглубления за один проход не оказывают существенного влияния на момент возникновения катастрофического разрушения. Количественной мерой, характеризующей начало катастрофического разрушения, может служить параметр ф = tp /h (h - критическая величина суммарной глубины внедрения, после достижения которой происходит отделение крупного элемента массива), преодоление которого может трактоваться как достижение уровня напряжений в рассматриваемой области такой величины, при которой будет удовлетворяться один из критериев разрушения. Вариация этого параметра незначительна, среднее его значение по всей группе опытов составляет ф ср = 3,995 при среднем квадратическом отклонении av = 0,587.
В результате ранее выполненных исследований [31] установлено, что при величине ф = 1,5...2,3 начинают наблюдаться признаки заблокированно-сти (скол не по всей траектории разрушения), при этом осевая компонента нагрузки на дисковом инструменте близка к нулю. Дальнейший рост величины v приводит к тому, что рез все более приобретает черты блокированного, пока полностью не блокируется при ф = 5...6. Установлено, что величина осевой компоненты нагрузки в значительной мере зависит от относительного шага разрушения ф и структуры разрушаемого массива, а влияние абсолютных значений геометрических размеров дискового инструмента и параметров резания укладывается в доверительные интервалы (затемненная зона на рис. 2.22). Введенные соотношения позволяют выделить статистически однородные процессы, характерные для различных режимов работы дискового инструмента, и разделить область возможных параметров разрушения на зоны, в которых реализуется свободное и силовое малоцикловое разрушение (рис. 2.21). Такая, в достаточной мере адекватная классификация процесса разрушения массива крепких горных пород дисковым инструментом, может служить основой для построения модели формирования нагрузки на инструменте на базе имеющегося экспериментального материала. 2.5 Гранулометрический состав продуктов разрушения Эффективность процесса разрушения может быть оценена на основе анализа фракционного состава продуктов разрушения [47]. Гранулометрический состав продукта разрушения, помимо этого, определяет дальнейший технологический процесс переработки полезного ископаемого и, как следствие, цену конечного продукта.Для оценки состава продуктов разрушения был проведен ситовый анализ, для чего вручную собирались все крупные осколки разрушенной породы, а пылевые фракции - с помощью пылесоса (рис. 2.23).1. Применяемая при лабораторных исследованиях процесса разрушения аппаратура и алгоритмы статистической обработки вносят погрешность, искажающую параметры нагрузки на дисковом инструмента не более чем в 1,15...1,20 раза, что вполне удовлетворяет требованиям проведения экспериментальных исследований. 2. Лабораторные исследования проводились при разрушении песчаника и диорита, которые относятся к породам, имеющим различные характеристики разрушаемости (Хпесч = 0,09 и Хдиор = 0,12) и обладающим значительной прочностью ( тпесч = 61,0 МПа и адиор = 77,2 МПа). 3. Регрессионный анализ результатов лабораторных исследований режима свободного разрушения показал, что расчетные максимальные значения составили для усилия внедрения Y = 35 кН, а для усилия перекатывания Z - 25 кН при глубине внедрения 20 мм и шаге разрушения 50 мм. Отмечается большая интенсивность роста усилия внедрения Y по сравнению с компонентой Z, что связывается с неодинаковой скоростью приращения проекций площадок контакта с изменением глубины внедрения инструмента. 4. Энергетическая оценка эффективности разрушения песчаника при реали зации режима свободного скалывания в сторону обнаженной поверхности показывает, что: - разрушение песчаника хотя и возможно, благодаря высокой хрупкости (Х = 0,09), но только стружками малого сечения (до 10 см ) и при больших (до 11,5 кВт-час/м3) энергетических затратах; - разрушение диорита с четко выраженной слоистой структурой является достаточно эффективным, о чём свидетельствуют относительно низкие энергетические затраты (1,5...4,0 кВт-час/м ) и большие величины снимаемой стружки. 5. Суммарные энергетические затраты при силовом малоцикловом разрушении песчаника меньше примерно в 5 раз необходимых для реализации режима свободного скалывания и составляют Hw = 0,37...0,71 кВт-час/м3. Отсюда следует, что создание предварительного напряженно-деформированного состояния массива и использование его при повторном прокатывании дисков является наиболее рациональным, с энергетической точки зрения, способом разрушения. 6. Ситовый анализ продуктов разрушения песчаника показал, что при силовом малоцикловом разрушении выход крупной фракции (+ 42 мм) в 1,35...2,00 раза больше, а выход штыба (- 6,3 мм) и пылевых фракций ( 0,5 мм) - в 1,05... 1,55 раза меньше, чем при свободном резании.
Результаты моделирования образования осколков горных пород в условиях уступного разрушения
Разрушение горных пород со свободной боковой поверхностью (уступный режим разрушения) возникает при циклическом воздействии на них дискового инструмента. Силовой режим разрушения породы дисковым инструментом по уступной схеме характеризуется тем, что высота уступа L намного превышает глубину внедрения h (L » h), в отличие от обычного свободного режима, при котором высота уступа L равняется глубине внедрения h (L = h). Сначала рассмотрим условия разрушения крепких горных пород дисковым инструментом, когда глубина внедрения так мала, что ею в расчетах можно пренебречь [12]. Расчетная схема действия распределенного единичного усилия Р на четверть пространства приведена на рис. 3.3. Равнодействующая распределенного усилия на горизонтальную поверхность определялась в виде Отмечается смещение интенсивности напряжений G-, по оси OZ при увеличении параметра m независимо от шага разрушения tp. На рис. 3.5....3.7 приведены графики зависимостей главных напряжений сії, а2, Стз и интенсивности напряжений а-, по лучу, проведенному в четверти пространства параллельно оси OY с координатами Х=0 м, Z=0,01 м, для tp = 0,03; 0,06; 0,09 м при т=1. Изолинии ст3 и jj имеют подобный характер распределения, но с увеличением величины tp сжимаются по оси OY к области единичного силового воздействия. Влияние свободной вертикальной поверхности особенно ощущается на распределении главных напряжений G\ И (. С возрастанием величины tp значения главных напряжений (Ті асимптотически стремятся к нулю.
Влияние шага разрушения tp на распределения изолиний а-, в плоскостях XOY при различных значениях Z приведены на рис. 3.8 - 3.9. Шаг разрушения tp оказывает сильное влияние на изменение интенсивности напряжения Gt. Изолинии CTJ выходят на свободную вертикальную поверхность при значении tp 0,06 м (рис. 3.8). С увеличением шага разрушения tp 0,09 м полностью отсутствует влияние боковой свободной поверхности на распределение интенсивности напряжений Ст; (рис. 3.9). Для оценки поверхности разрушения в четверти пространства от воздействия единичного распределенного усилия Р использовалась модель хрупкого тела. Построение поверхности разрушения осуществлялось по критерию Из анализа построенных поверхностей разрушения следует (рис. 3.10), что величина объема разрушения не изменялась от величины т, а только смещалась по оси OZ. Поверхность разрушения для распределенного единичного усилия (ш = 1) приведена на рис. 3.10. Разрушенные участки в плоскостях XOY при фиксированных значениях Z заштрихованы, а направления развития трещин обозначены пунктирными линиями. Из анализа построенных поверхностей разрушения следует, что с увеличением шага разрушения tp объем разрушаемого материала вдоль оси OY уменьшается, а вдоль оси OZ увеличивается. Полученные теоретические поверхности разрушения подтверждаются экспериментальными исследованиями по разрушению песчано-цементных и породных блоков [11, 38, 61].
Действительно, для шагов разрушения tp = 0,07...0,09 м разрушение происходило непосредственно под лезвием дискового инструмента без разрушения выступа породы. Крупные элементы отделялись от блоков только после нескольких проходов дискового инструмента по одному и тому же следу. Таким образом, на основе проведенного анализа напряженного состоя- ния и формирования поверхностей разрушения от действия распределенной единичной нагрузки следует, что: - изменение максимума распределенного единичного усилия по оси OZ приводит к смещению напряжений вдоль этой оси; - увеличение шага разрушения tp до 0,06 м приводит к возрастанию объема разрушенного материала вдоль оси OZ и его уменьшению вдоль оси OY; - при tp 0,06 м свободная обнаженная поверхность не оказывает влияния на распределения напряжений о"ь 02, о"з и сть поскольку поверхности разрушения возникают только под лезвием дискового инструмента. Одним из основных параметров, существенно влияющих на эффективность процесса разрушения горных пород, является высота уступа L свободной обнаженной поверхности (рис. 3.11). Анализ напряженного состояния массива горных пород под лезвием дискового инструмента и построенные поверхности разрушения свидетельствуют, что: - высота свободной боковой поверхности для отделения от массива в процессе разрушения максимально возможного объема материала должна находиться в интервале 0,06 L 0,09 м; - при L 0,09 м высота обнажения уступа практически не влияет на объем образующегося осколка разрушаемого материала. Исследования напряженного состояния горных пород и хрупкого разрушения дисковым инструментом в условиях свободного уступного режима разрушения (силовой режим разрушения) проводились для моделей взаимодействия со следующими входными параметрами: - диаметр дискового инструмента D = 0,16; 0,28 м; - глубина внедрения h = 0,006; 0,010; 0,016; 0,02 м; - шаг разрушения tp = 0,03; 0,04; 0,05; 0,06 м; - высота выступа L = tp.
Методика проведения производственной апробации МПФ с исполнительным органом, оснащенным дисковым инструментом
В рамках российско-германской программы сотрудничества в области создания безвзрывной технологии отработки весьма крепких породных массивов был спроектирован и изготовлен рабочий орган машины для поверхностного послойного фрезерования крепких полезных ископаемых. Исполнительный орган представляет собой корпус с двумя шнековыми грузчиками (со встречной навивкой погрузочных лопастей), на котором в качестве рабочего инструмента использованы скалывающие диски (рис. 4.8). Исследования параметров и характеристик работы исполнительного органа проводились на стенде фирмы-изготовителя машины для послойного фрезерования ТМ-25 «MAN TAKRAF» при разрушении бетонного блока и в щебеночном карьере при разрушении массива крепких горных пород. Физико-механические свойства разрушаемых массивов приведены в табл. 4.1. При промышленной апробации исполнительного органа со скалывающими дисками регистрировались следующие параметры, характеризующие его работу: - давление в гидродвигателях вращения исполнительного органа; - давление в гидродвигателях механизма перемещения; - давление в главном гидроцилиндре системы внедрения рабочего органа; - скорость перемещения машины; - вертикальная и горизонтальная компоненты вибрации корпуса машины. Испытания проводились для двух схем разрушения горного массива: встречного (рис. 4.9а) и попутного (рис. 4.96) фрезерования, которые различаются не только разложением сил на исполнительном органе и рабочем инструменте, но и ориентацией свободной поверхности относительно рабочего инструмента.
При попутном фрезеровании породного массива рабочим органом, оборудованном тангенциальными вращающимися резцами, происходило выламывание крупных породных блоков в сторону обнаженной поверхности, эвакуация которых была затруднена, что требовало разработки специальных мероприятий, препятствующих образованию негабаритов [66]. Как показали результаты испытаний характер разрушения забоя при попутном и встречном фрезеровании практически одинаков. Использование в качестве рабочего инструмента скалывающих дисков, создающих в разрушаемом массиве систему опережающих трещин, не приводило к образованию негабаритов при попутном фрезеровании и не вызывало трудностей при эвакуации продуктов разрушения. Принятая схема набора инструмента, особенно в зарубной части рабочего органа, не создавало проблем с формированием кутка забоя. 4.4 Некоторые результаты промышленного опробования рабочего органа машины для поверхностного фрезерования крепких горных пород 4.4.1 Разрушение массива Разработка горной массы с помощью МПФ велась в северо-восточной части месторождения, где ведение взрывных работ запрещено. В этой части месторождения полезная толща составляет 35 м и представляет собой перемежающиеся слои песчаника и сланцев.
Фрезерование песчаников не вызывало трудностей при работе исполнительного органа с дисковым инструментом. Износ же тангенциальных резцов увеличился почти в три раза по сравнению с отработкой угольного массива [65]. Рис. 4. 10. Пример технологического использования МПФ при разработке породного массива в щебёночном карьере При апробации в промышленных условиях щебёночного карьера и на стенде фирмы «MAN TAKRAF» была использована технологическая схема без отгрузки в транспорт с образованием «валков» (рис. 4.10). Горная масса, уложенная в «валки», транспортируется бульдозером в «бурты», откуда отгружается колесными погрузчиками в автосамосвалы. Изучение эксплуатационных характеристик работы МПФ производилось в процессе непрерывной работы. При этом фиксировались следующие параметры: время производительной работы, время вспомогательных операций, время приемки-сдачи смены, время ТО и ремонтов и время технологических простоев. Результаты сравнительных исследований приведены на рис. 4.11, а в табл. 4.2 - характеристики работы TM-D25 при непрерывном фрезеровании горного массива. Основное отличие наблюдается только в величине вертикальной компоненты вибрации (рис. 4.12), среднее квадратическое значение виброскорости которой для встречной схемы фрезерования составляло 1,23 мм/с, что практически в 1,5 раза превышает интенсивность вибрации при попутном фрезеровании породного массива (Ve = 0,86 мм/с). Во время испытаний скорость перемещения машины изменялась от 0,5 до 3,2 м/мин (средняя величина 2,1 м/мин), что, при средней глубине снимаемой стружки Н = 180 мм, соответствовало производительности QTex = 0,35...1,61 м/мин.
Тяговые характеристики работы исполнительного органа при разрушении бетонного блока и породного массива приведены на рис. 4.13. В целом результаты производственных испытаний макетного образца исполнительного органа испытательного комбайна Test Miner-25 подтвердили эффективность применения дискового инструмента при фрезеровании скальных пород прочностью до 60 МПа. На практике доказана принципиальная способность исполнительных органов с дисковым инструментом разрушать породные массивы выше средней крепости, что позволит использовать машины для поверхностного фрезерования при открытой разработке прочных полезных ископаемых. В дальнейшем следует ожидать, что применение дискового рабочего инструмента на исполнительных органах МПФ приведет к улучшению экономических и экологических показателей при открытой разработке массивов крепких (асж 120 МПа) горных пород. Улучшение экономических показателей следует ожидать от снижения количества машин, используемых в технологических схемах ведения открытых горных работ и первичной переработки твердых полезных ископаемых. Машина для поверхностного фрезерования должна заменить собой классический набор оборудования, включающий в себя буровой станок, машину для зарядки скважин, дробильное оборудование и экскаватор, что приведет к существенному сокращению капитальных затрат. Дополнительную экономическую выгоду может принести сокращение номенклатуры запасных частей для технического обслуживания только одной машины.
Кроме того, машины поверхностного фрезерования могут быть использованы в комплексе с магистральными ленточными конвейерами [34], что должно привести к сокращению транспортных издержек. Накопленный опыт использования машин для поверхностного фрезерования как у нас в стране [65, 66], так и за рубежом [44] при безвзрывной тонкослоевой разработке сложно-структурных месторождений позволил определить потери угля и величину прирезки пустых пород в кровле и подошве пласта, что, в конечном итоге, определяет полноту и качество выемки полезного ископаемого. Как показал анализ [44], содержание золы в товарном угле может быть снижено на 3...8%, что положительно скажется не только на отпускной цене угля, но может быть получена потенциальная экономия транспортных расходов при перевозке товарной продукции. Улучшение экологических показателей работы машин для поверхностного фрезерования с исполнительными органами, оснащенными дисковым инструментом, следует ожидать как из-за сокращения выбросов пыли, предотвращения сейсмических колебаний земной поверхности и образования негабаритов при ведении взрывных работ, так и уменьшения шумового фона. Вследствие этого можно избежать закрытия предприятий, ведущих добычу полезных ископаемых открытым способом вблизи населенных пунктов из-за требований законов по охране окружающей среды, действующих на территории стран ЕС [81]. В связи с тем, что в рамках выполненных исследований было проведено промышленное опробование (in-situ) только макетного образца рабочего органа испытательного комбайна Test Miner-25, то при промышленной реализации концепции исполнительного органа с дисковым инструментом должны быть учтены следующие основные пункты [79] программы дальнейших исследований.
