Введение к работе
Актуальность работы.
Система ведения горных работ включает в себя две взаимодействующие подсистемы: естестветгую, собственно представляющую внешнюю среду - горные породы в условиях их естественного залегания, и искусственную, созданную человеком и представленную в виде различных машин и механизмов.
Эффективность такого взаимодействия зависит от того, насколько параметры машин и механизмов соответствуют физико-техническим параметрам внешней среды, и в первую очередь это относится к породоразрушаютдим органам выемочных и проходческих машиндехнико-экономические показатели работы которых находятся в течение нескольких последних десятилетий на весьма низком уровне.
Однако,известные в настоящее время физико-механические параметры торных пород,определенные в условиях одноосного напряженного состояния, не могут быть, каждый в отдельности, критерием и мерой разрушаемости горных пород,т.к. не учитывают объемность напряженного состояния в зоне работы исполнительного органа. Существующие же показатели свойств горных пород (сопротивляемость резанию, контактная прочность, скорость бурения и т.п.) являются по сути технологическими пробами и в неполной мере учитывают физические свойства внешней среды.
Поэтому в дальнейшем необходимо рабочий орган и разрушаемый массив рассматривать .как единую систему, а для этого нужно обосновать новые физические критерии их взаимодействия, которые бы дали возможность однозначно оценить эффективность работы выемочных машин на стадии проектирования и на этой основе наметить пути их совершенствования. Поэтому работа,посвященная выбору и обоснованию физико-технических параметров и критериев взаимодействия системы "горные породы - горные машины",позволяющих добиться существенного улучшения технико-эксплуатационных показателей за счет выбора эффективных схем и технических средств разрушения забоя,обеспечивающих минимум энергозатрат и более высокую эффективносить в эксплуатации,является актуальной.
Работа выполнялась в рамках отраслевого плана ИГД им. А.А. Скочинского по проблеме ПО 111 Министерства угольной промышленности СССР (Постановление ЦК КПСС и СМ от 23 сентября 1981 г. № 939), "Разработать и освоить принципиально новые способы и средства разрушения горных пород, создать на их основе технологические процессы , инструмент и рабочие органы горных
машин , повышающие производительность очистного и проходческого оборудовать в 2-3 раза по сравнению с уровнем 1980 года, достигнутого в аналогичных условиях";
Темы ПУ-7 "Разработка научных основ создания автоматизированных горных агрегатов и комплексов" (номер государственной регистрации 055127):
темы ПУ-7-23 "Создать и освоить автоматизированный струговый агрегат типа Ф-1 для выемки пластов угля мощностью 1,6-2,25 м. с углами падения до 18 производительностью 6000-7500 т/сутки" (номер государственной регистрации 78002879) в рамках научно-технической программы 0.05.03, утвержденной совместным Постановлением ГКНТ СССР и Госплана СССР № 472/248 от 12.12.1080 г.; научно-исследовательской работы № 417-1/88-90 "Исследования механического способа разрушения породы высокой категории плотности при внешнем давлении", выполняемой в рамках НИР "Исследования по созданию технических средств разрушения горной породы высокой категории плотности при внешнем давлении" (Приказ Минтяжмаша СССР № 34 от 19.03.1985 г.).
Цель работы. Разработка, выбор и обоснование физико-технических параметров и критериев системы "внешняя среда (горные породы)-горные машины", однозначно оценивающих процесс взаимодействия с разрушаемым массивом и позволяющих выбрать наиболее эффективные схемы и средства разрушения горных пород.
Идея работы. Идея работы состоит в том, что рабочие органы горных машин и разрушаемый массив рассматриваются как единая система, характеризующаяся физико-техническими параметрами и критериями их взаимодействия, что дает возможность оценить эффективность работы выемочных машин на стадии проектирования и на этой основе наметить пути их совершенствования.
Основные научные положения:
1. При любом виде внешнего воздействия на горные породы все их свойства проявляются одновременно , что находит свое отражение в параметрах и форме разрушения, и позволяет по их значениям определять все основные физико-механические характеристики горных пород. Соотношения же линейных размеров отделяющихся от массива элементов породы представляют собой постоянные величины, не зависящие от геометрических размеров инструмента разрушения и обуславливающие связь прочностных параметров внешней среды, удельные же энергозатраты на разрушение при этом являются
минимальными, характеризующими энергетическую прочность породы, названную нами собственной удельной энергоемкостью.
-
Математическая модель энергетической прочности горных пород в условиях сложного напряженного состояния, характеризующая взаимодействие элементов системы "горные породы - горные машины", и учитывающая не только упругие и прочностные характеристики внешней среды, но и их соотношения и хрупко-пластические свойства.
-
Критерием эффективности взаимодействия системы "горные породы-горные машины" является отношение собственной удельной энергоемкости (или энергетической прочности) породы к удельным энергозатратам на ее разрушение рабочими органами горных машин, что позволяет оценить качество их взаимодействия с внешней средой.
-
Способ определения физико-механических параметров горных пород, отличающийся тем, что заранее не задаются размерами образцов испытуемой породы, а определяют параметры разрушения при отрыве от ее массива крупных элементов и по последним - прочностные характеристики и геометрические параметры схемы разрушения (шаг и глубина резания).
-
Математическая модель несущей способности горных пород при взаимодействии с разрушающими инструментами, характеризующая сопротивляемость породы деиствто концентрации напряжений в условиях трехмерного напряженного состояния. При этом прочность горных пород и вид разрушения (отрыв или сдвиг) определяется не только прочностньши параметрами, сколько их соотношением и условиями нагружения, т.е. соотношением максимальных нормальных и касательных напряжений, обуславливающих вид напряженного состояния.
-
Математическая модель напряженного состояния прослойки паянного соединения горного породоразрушающего инструмента, учитывающая геометрические размеры зоны соединения и физико-механические параметры самой прослойки, обеспечивающие снижение или полную ликвидацию эффекта выдавливания пластичного материала из зазора соединения.
-
Способ разрушения горных пород, при котором происходит одновременное воздействие на массив симультанных инструментов с расстоянием между ними, позволяющим реализовать разрушение отрывом с минимальными затратами энергии..
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании широкого диапазона научных методов исследований взаимодействия горного
инструмента с разрушаемым горным массивом, включающих аналитические исследования, выполненные с применением методов математической теории упругости, механики разрушения, использованием феноменологических моделей, адекватность которых реальным процессам подтверждена результатами экспериментальных исследований; а также их сопоставимостью с результатами других авторов; применением метода фотоупругости для анализа напряженного состояния в зоне разрушения; значительным объемам экспериментальных исследований с применением современной измерительной и регистрирующей аппаратуры; применением методов теории планирования экспериментов и ЭВМ. Относительная ошибка при этОхМ во всем диапазоне исследований не превышает 5-19%.
Научная новизна диссертации заключается:
- в установлении новых закономерностей процесса разрушения горных
пород отрывом, связывающих параметры разрушения и физико-
механические параметры горных пород, позволяющие обосновать
новый способ их определения в условиях трехмерного напряженного
состояния, выбор на этой основе наименее энергоемкого режима
разрушения горных пород;
в установлении энергетической характеристики горных пород разрушению собственной удельной энергоемкости, не зависящей от геометрических параметров инструмента и схемы разрушения, являющейся физическим параметром внешней среды и позволяющей определить качество взаимодействия рабочих органов с разрушаемым массивом.
в теоретическом определении показателя для оценки прочности горных пород, ее сопротивляемости отрыву ( несущей способности ) в условиях трехмерного напряженного состояния в зоне контакта с инструментом, установление корреляционных связей с контактной прочностью, усилием статического откола, сопротивляемостью резанию, коэффициентом крепости и др.;
в обосновании комплексного метода определения по параметрам разрушения отрывом физико-механических характеристик горных пород и схемы разрушения массива рабочими инструментами горных машин;
- в разработке математической модели напряженного состояния
прослойки паянного соединения, учитывающей геометрические
параметры зоны соединения и физико-механические характеристики
самой прослойки, позволяющие повысить прочность и надежность
соединения;
Научное значение работы заключается в : -дальнейшем развитии теории разрушения горных пород механическим способом, установлении новых критериев разрушения, собственной энергоемкости и сопротивляемости породы отрыву в условиях трехмерного напряженного состояния, характеризующего взаимодействие элементов системы "горные породы - горные машины" и позволяющих оценить качество этого взаимодействия .
в разработке методики определения физико-механических характеристик горных пород по параметрам разрушения, позволяющей одновременно определять практически все их основные механические свойства как в условиях одномерного, так и трехмерного напряженного состояния, и на этой основе производить расчеты силовых и энергетических показателей работы машин и геометрических параметров разрушения забоя.
Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по выявлению резервов повышения уровня качества взаимодействия системы "горные породы-горные машины", разработке методик и технических средств , обеспечивающих реализацию выявленных резервов, в разработке новых породоразрутпающих инструментов и исполнительных органов стругового типа с клиновыми дисками; повышение эффективности работы существующих серийных - за счет улучшения их внутренней структуры, уменьшения остаточных термических напряжений , повышения ресурса и надежности методом электромагнитного и термодинамического способов управления неравновесной структурой вещества.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Методика определения прочностных характеристик смерзшегося угля и параметров его разрушения, использована ОАО "Прочность" при проектировании технических средств разрушения смерзшегося угля для ТЭЦ.
Методика экспериментальных исследований в камере высокого давления физико-механических свойств горных пород. использована институтом ВНИПИОКЕАНМАШ при проектировании технических средств для подводной добычи полезных ископаемых со дна океана..
Технология магнитного упрочнения бурового инструмента и технические средства для ее осуществления, использованы Кузнецким машиностроительным заводом, г. Новокузнецк, для повышения ресурса серийных буровых коронок, а также ОАО "Таганрогский металлургический завод" для повышения ресурса валов редукционного
става и пильгерных валов, ОАО"Раменский горнообогатительный комбинат"(зубья ковшей экскаваторов, кремальерные шестерни, валы, зубчатые рейки, гусеницы тракторов); ГУП разрез "Зыряновский".
Методика определения прочностных параметров горных пород по параметрам разрушения отрывом, использована ННЦ РФ ИГД им. А. А. Скочинского и НПО "Буровая техника" ВНИИБТ.
Методика расчета характеристик прочности поворотных резцов с твердосплавным элементом, закрепленным диффузионной сваркой использована ИГД им. А. А. Скочинского.
Апробация работы.
Всесоюзная научная конференция по физике горных пород и процессов, г. Москва, 10 января-2февраля 1967 г; Научно-техническое совещание по новым способам разрушения горного массива, ведущим к снижению пылеобразования. г. Москва, 29-30 ноября 1972 г; Всесоюзная научная конференция ВУЗов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Физика горных пород и процессов", 30 января-Іфевраля 1974 г., МГИ г. Москва; I Всесоюзная конференция "Динамические процессы в горных машинах и стационарных установках". 24-27 октября 1989 г. г. Тбилиси.; Всесоюзная научная конференция ВУЗов СССР г. Москва, МГИ 1977 г; Всесоюзный научный семинар по проблеме "Новые процессы и способы производства работ в горном деле", 1978 г. ИГД им. А.А. Скочинского;Всесоюзная научная конференция по механике горных пород 20-22 мая 1985 г., г. Тбилиси. Научный совет АН СССР по физико-техническим проблемам разработки месторождений полезных ископаемых; VII республиканская научно-техническая конференция молодых специалистов и ученых "Вопросы совершенствования технологии и комплексной механизации добычи и переработки горючих сланцев", -г. Кохтла-Ярве 5-6 июня 1986 г;1 Всесоюзный семинар "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья", г. Фрунзе 17-19 октября 1987 г.;1Х Республиканская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов "Совершенствование добычи и переработки горючих сланцев", г. Кохтла-Ярве, 18-19 мая 1989 г.;Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и инженеров "Совершенствование конструкции, технологии изготовления и эксплуатации торного оборудования « средств автоматизации" 19-23 октября 1992 г. г. Москва;Международная научно-практический семинар "Проблемы повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических систем, комплексов и оборудования
эксплуатации электротехнических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий", 11-15 октября 1993 г., г. Москва, МГТУ.. Международный семинар "Проблемы и перспективы развития горней техники",--секция "Горные машины и -оборудование", 11-13 октября 1994 г., г. Москва;Международный симпозиум "Горная техника на пороге XXI века, 17-19 октября 1995 г. МГГУ г. Москва; VI Научно-практическая конференция по проблемам машиностроения, металлургических* горных машин.т. Новокузнецк, 1997 f.; Научный симпозиум "Неделя горняка-98", 2-6 февраля 1998 г., г. Москва, МГГУ;.VII Научно-практическая конференция по проблемам машиностроения, металлургических и горных машин, г. Новокузнецк, 1998 г;.Пауч«ын-снм«езйум "Неделя гарняка-99", 25-29-января 1999 г., г. Москва, МГГУ.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 66 работ, в том числе 27 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Объем работы. Диссертация чхзстоит -из введения, 7 тлав, заключения, содержит список литературы из 203 наименований, 115 рисунков, 27 таблиц, и 15 приложений.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту проф.Кантовичу Л.И. за постоянное -внимание « работе,веееторвннюю помощь; проф.Гетопанову В.Н. за ценные советыдтоддержку и обсуждение отдельных вопросов диссертации; признательность коллективу кафедры Горные машины и оборудование за поддержку и помощь при выполнении работы.