Введение к работе
Актуальность проблемы. Природный камень является одним из эстетичных и долговечных отделочных материалов, применяемых для наружной и внутренней облицовки зданий, сооружений гражданского л промышленного назначения.
Потребность в облицовочных изделиях' удовлетворяется в стране на 50...75%, экспортные возможности камнеперераба-тывающей подотрасли очень низки. Такое положение объясняется в первую очередь отставанием объемов добычи блоков камня от возможностей их дальнейшей (переработки. Для достижения соответствия между производством и потреблением облицовочных материалов и выхода на международный рынок необходимо увеличить л 1,5...2 раза добычу блоков, решить вопросы комплексного и полного использования сырья и отходов, повысить качество добываемой продукции до требований «коммерческого блока».
Природно-структурные свойства массива—(прочность и. трещииоватосгь—определяют эффективность отработки месторождений облицовочного камня, так как влияют на выход кондиционных блоков и трудоемкость 'подготовки их к выем->ке. Поэтому в последние годы усилия исследователей иипраіКт тиков были, направлены на изыскание таких технологических
'ПрОЦеССОВ И ТеХНИчейКИХ СреДСТВ, КОТОрЫе (ПОЗВОЛЯЛИ бы с высокими технико-экономическими показателями осуществлять добычу камня в широком спектре структурно-прочностных свойств породного -массива.
Таким условиям в шолной мере отвечает лородоразрушаю-щий инструмент, имеющий в качестве несущей основы стальной (проволочный іканат. Канатно-алмазные и канатно-абра-' зивные пилы дают возможность добывать облицовочный камень практически любой лрочности и, максимально учитывать горно-геологические особенности 'Месторождения, обеспечивая щри этом требуемые размеры їлиленьш товарным блокам и. сохраняя природные качества исходного материала.
В настоящее время создание отечественного режущего канатно-алмаз ного инструмента и канатопильных установок находится на стадии разработки и эксплуатации опыгно-промы-
шлейных образцов, а канатно-абразивные 'пилы имеют ограниченное использование. Сдерживает широкое применение іканатньїх пил на карьерах страны и отсутствие общепризнанной, научно обоснованной методики расчета и оптимизации взаимосвязанных параметров забоя, режима резания и поро-доразрушающего инструмента.
Эти обстоятельства предопределяют актуальность научной .проблемы — разработки теории 'комплексной оптимизации технологических (параметров добычи блоков мрамора жанат-ными шилами. Решение проблемы .имеет важное народнохозяйственное значение, поскольку позволяет повысить эффективность добычи блоков облицовочного камня за счет увеличения производительности оборудования, сокращения издержек производства и роста качества продукции.
Цель работы заключается в разработке эффективной технологии добычи блоков природного камня (на примере мрамора) канатными лилаїми на основе оптимизации геометрических параметров забоя, 'режимов алмазно-абразивного резания породы и конструктивных параметров инструмента.
Идея работы состоит в установлении и использовании в технологических расчетах зависимости усталостно-прочностных свойств гибкого режущего инструмента, его износостойкости и затрат на разрушение пород от прочности: и трещинова-тоети массива.
Основные научные положения, выносимые на защиту. Автором установлено и доказано, что:
технико-экономическая эффективность (применения канатных пил три крупноблочной добыче мрамора достаточно характеризуется гремя режимно-евязанньши показателями (процесса распиловки породы—производительностью, удельной работой и удельным расходом инструмента. Минимизация затрат на распиловку при стоимостной оценке данный показателей позволяет оптимизировать параметры забоя, режим разрушения н конструкцию инструмента;
влияние прочностных свойств-природного камня на производительность его распиловки предлагается оценивать энергоемкостью и .коэффициентом разрушения материала породы, которые в (совокупности определяют обрабатываемость горных иород под воздействием алмазно-абразивного инструмента. Использование показателя обрабатываемости, рассчитанного при рациональных режимах разрушения, дает возможность классифицировать горные'породы по их способности сопротивляться поверхностному разрушению в технологических операциях пиления, бурения, фрезерования и шлифования;
необходимым условием минимизации удельных затрат на распиловку природного камня канатными пилами следует считать оптимальное соотношение между шириной щели пропила и длиной контакта инструмента с породой, соответству-
гощее минимуму удельного расхода алмазов, энергозатрат я осевых нагрузок на канат. Данное соотношение должно учитывать время работы каната до его усталостного обрыва и время износа алмазного слоя на режущих элементах;
минимальные удельные затраты на распиловку мрамора достигаются для «анатно-абразивных лил — три высоте добычного уступа 5,0...7,5 >м и длине пропила 15...20 м, для ка-натно-алмазных пил — при высоте добычного уступа 1,5... 2,5 м, при этом рациональное ее значение с увеличением прочности лороды снижается, а в пределах данной прочности изменяется обратно пропорционально относительной длине ал-мазорежущей части инструмента.
Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы: теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораторных и производственных условиях, достаточной их сходимостью; результатами 'Моделирования и использования предложенных критериев оценки « методов расчета <в проектных разработках; опытно-промышленной проверкой и внедрением с положительным эффектом разработанных технологических и технических решений на карьере.
Научная новизна:
обоснована экономико-математическая імодель алмазно-абразивного резания горных пород при отделении монолитов камня от «массива;
разработан энергетический лриицип расчета процесса взаимодействия системы «порода-инструмент» с олределением производительности резания, удельных энергозатрат и расхода инструмента;
предложен энергетический показатель обрабатываемости камня в процессах разрушения алмазно-абразивным инструментом, на основе которого дается количественная оценка сопротивляемости торных .пород механическому 'воздействию;
установлена взаимосвязь между геометрическими, конструктивными, физико-механическими параметрами гибкого режущего инструмента и режимами процесса распиловки, отражающая рациональное соотношение между шириной щели лропила и протяженностью контакта инструмента с породой;
предложен метод расчета предельных режимов разрушения различных горных пород и проведен анализ причин, приводящих к неплоокостности реза при канагно-абразивной распиловке;
обоснована аналитическим путем оптимальная геометрия забоя. Проведена систематизация эффективности применения канатных лил в различных схемах отделения /монолитов мрамора, от .массива, в основу которой принята оптимальная геометрия забоя, определяемая ло предложенной методике расчета}
'предложены методы расчета конструкций гибкого режущего инструмента с максимальной его работоспособностью.
Значение работы. Научное значение работы заключается в теоретическом обосновании высокоэффективной технологии добычи блоков лрирадного камня канатными .пилами.
Практическое значение работы состоит в разработке імето-дичесіких принципов для выбора рациональной технологии крупноблочной добычи природного камня с применением канатных пил, методики расчета оптимальных 'геометрических параметров забоя и режимов алмазно-абразивного резания горных пород гибким инструментом; методе расчета конструктивных параметров гибкого режущего инструмента и рекомендаций по его рациональной эксплуатации.
Реализация выводов и рекомендаций работы
Основные научные положения и рекомендации диссертации использованы при разработке технологической инструкции (ТИ) и технологической .карты (ТК) шо (добыче блоков (мрамора канатными пидами на .Кибик-Кордоноком карьере ПО «Саянмрамор», а также при разработке технических условий (ТУ) и другой технико-технологической документации в производстве специальной проволоки, канатов, комплектующих металлоизделий для канатно-абразивных и канатно-ал-мазных пил.
На экспериментальном заводе ВНИИметиза (іг. Магнитогорск), в объеме существующей потребности, организовано опытно-промышленное производство гибкого режущего инструмента.
Нозизна технических решений, реализованных в конструкциях 'канатно-режу.щего инструмента, и приоритет технологических предложений по добыче мрамора канатными пилами, разработанных на основе результатов представленной работы, защищены И'ятыо авторскими свидетельствами.
Фактический экономический эффетт от внедрения результатов исследования составил 600 тыс. руб.-в год.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно-технических конференциях Магнитогорского горно-металлургического института и о итогам выполнения НИР за 1985—1988 гг. (г. Магнитогорск), на Научно-технических конференциях «Проблемы повышения прочности и надежности стальных канатов» (іг. Одесса, 1988, 1989 от.), Всесоюзной научно-технической конференции «Ускорение научно-технического прогресса в метизном производстве» (г. Магнитогорск, 1986 г.); Первой межотраслевой научно-технической конференции «Прогрессивные технологии скрутки мнотопровол'очных элементов и изделий» (г. Ташкенг; 1986 г.), Республиканской научно-технической 'конференции «Технология и оборудование для производства (многопроволочных витых изделий» (г. Севастополь,
1988 г.), на технических советах ПО «Саянмрамор» (г. Сая-ногорок, 1983—1991 гг.), на заседаниях научного семинара кафедры ТО МҐИ «Открытая геотехнология» (т. Москва, 1989—1991 гг.).
Созданные технология и оборудование для (Производства канатно-абразивного режущего инструмента, а также конструкции шильных канатов экспонировались и отмечены серебряными медадямн ВДНХ (1977, 1980, 1989 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в том числе получено 5 авторских свидетельств.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложена на ЗчЗ страницах, имеет ЪЧ- таблиц, 69 рисунков и список литературы из НО наименований.
Автор искренне признателен коллективу сотрудников кафедры «Технология, механизация и организация открытых горных разработок» МГИ за (поддержку и полезные советы, сделанные при подготовке настоящей работы.