Повышение эффективности отделения калийной руды от массива резцами добычных комбайнов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Шишлянников, Дмитрий Игоревич

• Шишлянников, Дмитрий Игоревич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шишлянников, Дмитрий Игоревич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОХОДЧЕСКО-ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ ДЛЯ КАЛИЙНЫХ РУ ДНИКОВ

1.1. Анализ калийного массива как объекта разрушения

1.2. Особенности проходческо-очистных комбайнов, применяемых

для добычи калийной руды

1.3. Анализ конструктивных особенностей исполнительных органов проходческо-очистных комбайнов

1.3.1. Анализ конструктивных особенностей пространственных планетарно-дисковых исполнительных органов

1.3.2. Анализ конструктивных особенностей плоско-дисковых планетарных исполнительных органов

1.4. Анализ конструктивных особенностей резцов проходческо-очистных комбайнов для добычи калийных руд

1.5. Общий анализ основных представлений о процессе разрушения калийной руды резанием

1.5.1. Обзор теорий прочности

1.5.2. Основные положения экспериментально-статистической теории резания горных пород

1.5.3. Основные параметры процесса разрушения калийного массива резанием

1.6. Цель и задачи исследований

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КАЛИЙНОГО МАССИВА РЕЗАНИЕМ

2.1. Характеристика процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении калийного массива резанием, как объекта исследований

2.2. Анализ основных теоретических представлений о процессе разрушения горных пород резанием

2.3. Механизмы зарождения и роста трещин в соляных породах

2.4. Анализ процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении калийного массива одиночным резцом

2.5. Анализ процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении калийного массива шахматными перекрёстными резами

2.6. Требования, предъявляемые к стендовой установке для экспериментальных исследований процесса разрушения

калийных солей резанием

Выводы по теоретическим исследованиям

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СКОЛОВ ПРИ РАЗРУШЕНИИ КАЛИЙНОГО МАССИВА РЕЗАНИЕМ

3.1. Общие положения методики исследований

3.2. Стенд для исследования процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении калийной руды резанием

3.3. Методика экспериментальных исследований процесса разрушения калийных руд резанием

3.3.1. Исходные данные

3.3.2. Измеряемые параметры

3.3.3. Последовательность проведения экспериментов

3.4. Результаты экспериментальных исследований

3.4.1. Результаты экспериментальных исследований процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении калийной руды блокированными резами

3.4.2. Результаты экспериментальных исследований процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении калийной руды шахматными резами

3.4.3. Результаты экспериментальных исследований процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении калийной руды шахматными перекрёстными резами. 105 Выводы по экспериментальным исследованиям

4. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ПРОХОДЧЕСКО-ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ, РАЗРУШАЮЩИХ КАЛИЙНЫЙ МАССИВ ПЕРЕКРЁСТНЫМИ РЕЗАМИ

4.1. Классификация и основные характеристики планетарно-дисковых исполнительных органов разрушающих калийный массив перекрёстными резами

4.2. Выбор рациональных параметров исполнительных органов,

разрушающих калийный массив перекрёстными резами

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности отделения калийной руды от массива резцами добычных комбайнов»

ВВЕДЕНИЕ

Современная технология добычи калийных солей базируется, в основном, на применении проходческо-очистных комбайновых комплексов при камерной системе и очистных механизированных комплексов при отработке месторождений калийных руд длинными очистными забоями. Принцип действия выемочных машин, входящих в составы комплексов, основан на механическом отделении калийной руды от массива резанием. Данный способ в обозримом будущем останется приоритетным для подземной добычи калийных солей, так как обеспечивает наименьшие удельные энергозатраты по сравнению с другими, известными на сегодняшний день способами разрушения калийного массива. Тем не менее, для предприятий, осуществляющих добычу калийных солей подземным способом, актуальной остаётся задача снижения удельной энергоёмкости процесса резания калийных руд и улучшения качества добываемой руды по гранулометрическому составу, тем более что стоимость электроэнергии с каждым десятилетием существенно возрастает [69].

Проблема снижения удельного расхода энергии при разрушении калийного массива возникла с момента создания первых проходческо-очистных комбайнов, а необходимость улучшения гранулометрического состава отбитой руды особенно остро встала с момента массового внедрения проходческо-очистных комбайнов с пространственными планетарно-дисковыми исполнительными органами (Урал-ЮКС, Урал-20КС), осуществляющими разрушение калийного массива серпообразными срезами [49,76].

Современная интенсификация процесса добычи калийных солей, увеличение объёма добычи, приводит к значительному расходу энергии (стоимость энергии увеличивается), росту объёмов выхода мелких классов (увеличиваются потери и затраты на обогащение). Создание выемочно-проходческих машин нового технического уровня, обеспечивающих как рост производительности, так и снижение удельного расхода энергии и

уменьшение выхода мелких классов руды, сдерживается отсутствием теории формирования рациональных параметров последовательных элементарных сколов, составляющих срез и отражающих физическую сущность процесса резания калийного массива резцами горных машин [20].

Известны перспективные конструкции исполнительных органов выемочных комбайнов [43,48,83,84], разрушающих забой перекрёстными резами, обеспечивающие снижение удельных энергозатрат процесса резания калийной соли и лучший гранулометрический состав отбитой руды, но не разработана теория обоснования и выбора рациональных параметров данных исполнительных органов. Исследование процесса резания и формирования последовательных элементарных сколов в рамках перекрёстной схемы резания представляет теоретический и практический интерес и является актуальной научной задачей.

Целью данной работы является повышение эффективности отделения руды от калийного массива резцами исполнительных органов добычных машин приданием поверхности забоя формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений, обоснованием рациональных параметров последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при реализации шахматной симметричной перекрёстной схемы резания.

Защищаемые научные положения:

1. Повышение эффективности отделения калийной руды от массива резцами исполнительных органов добычных машин достигается формированием заданных геометрических параметров элементарных сколов приданием поверхности разрушаемого массива формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений с использованием шахматной симметричной перекрестной схемы резания, что обеспечивает по сравнению с шахматной схемой при соотношении параметров резания

= 7:2:1 снижение удельных энергозатрат в 1,15 раза и уменьшение

выхода необогатимых классов руды в 2 раза.

2. При разрушении калийного массива шахматными симметричными

перекрестными резами при соотношении параметров срезов

?: Ър :к3 =7:2:1 средние нагрузки на резец снижаются на 34% по

сравнению с шахматной схемой за счет рационального расположения зон ослаблений и наведенных трещиноватостей по нижнему контуру основания регулярных выступов, сформированных на поверхности массива.

3. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при шахматной симметричной перекрестной схеме резания калийного массива при соотношении параметров резания 1:Ьр:к3= 7:2:1 дисперсия

нагрузок на резец, по сравнению с шахматной схемой резания, снижается в 1,41 раза, при этом реализуется устойчивая чередующаяся регулярность образования крупных сформированных сколов заданной формы, частота реализации которых прямо пропорциональна скорости резания и обратно пропорциональна шагу резания, и мелких промежуточных сколов, частота реализации которых прямо пропорциональна скорости резания и ширине режущей кромки резца и обратно пропорциональна величине заглубления резца в массив относительно поперечных резов.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ применимости теорий разрушения горных пород к исследованию процесса резания, анализ основных положений механики образования и развития трещин, экспериментальные исследования процесса резания калийной руды на лабораторном стенде и спектральный анализ полученных результатов.

Научная новизна:

1. Теоретически установлена и экспериментально подтверждена возможность активного влияния на геометрические параметры последовательных элементарных сколов (формирование которых до настоящего времени объяснялось только случайными факторами) изменением формы поверхности забоя и созданием пересекающихся областей концентрации напряжений и наведенных трещиноватостей.

2. Снижение средних значений и дисперсии нагрузок на резце,

уменьшение удельных энергозатрат процесса резания достигается приданием поверхности калийного массива формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений, оказывающих существенное влияние на процесс формирования последовательных элементарных сколов в срезе.

Практическое значение работы:

1. Установлена возможность активного влияния на гранулометрический состав продуктов отбойки, на изменение силовых и энергетических показателей процесса резания калийных руц формированием параметров последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при использовании шахматной симметричной перекрестной схемы резания.

2. Исследован процесс формирования последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при разрушении калийной руцы с использованием шахматной и шахматной симметричной перекрёстной схем резания.

3. Разработана конструкция и изготовлен лабораторный стенд, позволяющий исследовать процесс формирования последовательных элементарных сколов при резании блоков калийной руды полноразмерным одиночным резцом.

4. Предложена конструкция исполнительного органа проходческо-очистного комбайна для добычи калийных руд, реализующего шахматную симметричную перекрестную схему резания.

Личный вклад автора: Проведен анализ основных теоретических представлений о разрушении горных пород резанием как последовательности элементарных сколов. Сформулированы цель и задачи исследований. Исследован механизм формирования последовательных элементарных сколов с заданными геометрическими параметрами при реализации шахматной симметричной перекрёстной схемы резания калийного массива. Спроектирован и изготовлен лабораторный стенд, проведены стендовые исследования и обработаны результаты эксперимента. Обоснована большая эффективность использования шахматной симметричной перекрёстной схемы резания калийной руды по сравнению с шахматной схемой. Предложена конструкция исполнительного органа проходческо-очистного

комбайна для добычи калийных руд, реализующего шахматную симметричную перекрёстную схему резания.

Апробация работы: Основные положения и результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, 2009), международной научно-технической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: Проблемы и решения» (г. Воркута, 2010), международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тупа, 2010), международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2010).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, получен один патент.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОХОДЧЕСКО-ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ ДЛЯ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ

Калийные соли относятся к группе хемогенных осадочных горных пород, образованных легкорастворимыми в воде калиевыми и калиево-магниевыми минералами. Месторождения калийных солей формировались в результате испарения и охлаждения рапы калийных водоёмов, возникавших на части площади галитовых водоёмов. Образование соляных месторождений происходило в геологические эпохи с сухим и тёплым климатом. Наиболее благоприятные условия для накопления соленосных серий были в девонском, пермском и неогеновом периодах. Природные калийные соли залегают среди каменной соли в виде пластов и линз мощностью в несколько десятков и сотен метров [7,55].

По данным БСЭ, общие запасы калийной соли на территории РФ и стран СНГ составляют 166,4 млрд. тонн. Основная область применения калийных солей - сельское хозяйство. Также они используются в электрометаллургии, медицине, фотографии, пиротехнике, производстве стекла, мыла, красок, кожи и в химической промышленности.

В настоящее время в мире известно около 37 бассейнов ископаемых калийно-магнезиальных солей. Из них 20 находится в Европе, 5 - в Азии, 6 -в Северной Америке, 2 - в Южной Америке и 4 - в Африке. 16 бассейнов являются промышленными и эксплуатируются в данное время. Основная часть мировых запасов калийной руды приходится на Канаду (38%), Россию (33%) и Белоруссию (9%), где расположены соответственно три крупнейших бассейна - Соскачеванский, Верхнекамский и Старобинский. Добычу и переработку калийных руд в России осуществляет крупнейшее предприятие - ОАО «Уралкалий». В 2010 году добыча калийных руд в России выросла по сравнению с 2009 г. на 40% (10,29 млн. тонн), тем не менее, страна по прежнему уступает по этому показателю Канаде [69].

По химическому составу соляные породы представляют собой водные и безводные соли соляной и серной кислот элементов К, Ыа, М^, Са. В соответствии с этим различают ряд породообразующих минералов (см.

таблица 1.1).

Таблица 1.1

Основные минералы, образующие соляные породы

№ Наименование минерала Химический состав Область применения

1 Сильвин KCl Сельское хозяйство, химическая промышленность

2 Галит NaCl Пищевая и химическая промышленность (получение хлора, соляной кислоты, гидроксида натрия)

3 Карналлит KCl-MgCl2-6H20 Химическая и металлургическая промышленность (получения магния, калия и их солей)

4 Каинит KCl-MgS04-3H20 Сельское хозяйство, химическая промышленность

5 Лангбейнит K2S04-2MgS04 Сельское хозяйство, химическая промышленность, медицина

6 Кизерит MgS04-H20 Химическая, текстильная, целлюлозно-бумажная промышленность, медицина

7 Полигалит 2CaS04-MgS04-K2S04-2H20 Сельское хозяйство, химическая промышленность

8 Бишофит MgCl2-6H20 Химическая, металлургическая промышленность, строительство (получение магния и магнезиальных цементов)

Указанные минералы в чистом виде в природе не встречаются, а соляные породы, залегающие в пластах, имеют сложный минералогический состав. Среди хлоридов калия и магния доминируют сильвиниты. Они являются основными калийсодержащими породами [55].

Разработка большинства калийных месторождений осуществляется подземным способом с применением камерно-столбовой системы отработки,

предусматривающей оставление междукамерных целиков. Размеры камер и целиков определяются с таким расчётом, чтобы в результате отработки первых не допустить оседания кровли и сдвижения толщи пород, разделяющей выработанное пространство от водоносных горизонтов. Шахтные поля разбиваются на панели выемочными и вентиляционными штреками, пройденными параллельно на расстоянии 150-200 м. Длина панели составляет 300-400 м [66].

При камерно-столбовой системе отработки калийных месторождений широко применяются проходческо-очистные комбайновые комплексы, обеспечивающие механизацию технологических процессов отбойки, погрузки руды и установки крепи. В качестве выемочных машин в данных комплексах, как правило, используются проходческо-очистные комбайны с буровыми режущими исполнительными органами сплошного (непрерывного) действия. Оптимизация параметров исполнительных органов и резцовых инструментов, снижение удельных энергозатрат процесса резания и уменьшения выхода необогатимых классов руды является актуальной задачей для предприятий, осуществляющих добычу калийной руды подземным способом.

Эффективность отделения калийной руды от массива резцами добычных машин зависит от четырёх групп факторов:

- свойств калийной соли, как объекта разрушения;

- конструкции и параметров исполнительных органов применяемых выемочных машин и используемых резцов;

- видов среза и параметров схемы резания;

- режимных параметров процесса резания.

Ниже рассмотрим подробнее и проанализируем особенности влияния данных факторов на процесс разрушения калийного массива резцами добычных машин.

1.1. Анализ калийного массива как объекта разрушения

В большинстве своём, соляные породы представляют собой плотные мелко- или крупнокристаллические породы с включением несолевых минералов (гипс, глина, ангидрит и др.). В среднем, плотность соляных пород калийных месторождений РФ и стран СНГ изменяется в пределах 1,82,4 г/см3. Различный химический и минералогический состав указанных пород обуславливает и их различные физико-механические свойства, а также сопротивляемость разрушению под действием внешней нагрузки [82].

Крупнейшим месторождением высококачественных калийных солей в России является Верхнекамское калийное месторождение, разработка которого ведётся с 1934 года. Оно имеет исключительно благоприятные горно-геологические условия. Протяжённость разведанной части: 140 км с севера на юг и около 60 км с запада на восток. Разведанные запасы соли 3,4 млрд. тонн. Продуктивны отложения сильвин-галит-карналлитового состава на глубине 250-400 м. Действуют два рудника в г. Березники и три в г. Соликамске. Разрабатываются два сильвинитовых и один карналитовый пласты. Основным рабочим пластом является Красный II.

Некоторые характерные показатели физико-механических свойств сильвинита пласта Красный II приводятся в таблице 1.2 [33].

Таблица 1.2

Основные физико-механические свойства калийной руды пласта «Красный II»

Верхнекамского калийного месторождения

.......... ^ Плотность в массиве ук, т/м 2,1

Предел прочности при одноосном сжатии, МПа 30,5-39,5

Коэффициент крепости по шкале М. М. Протодьяконова,/ 3,5-4

Контактная прочность рь, МПа 274-294

Коэффициент трения ¡лт 0,3

Абразивность а, мг/км 34,3-41,9

Коэффициент вязкости ц/0, град. 25-30

Коэффициент Пуассона V 0,31

Модуль Юнга Ед, ГПа 11Д

Пласт Красный II состоит из чередования прослоев каменной соли (галита), красного сильвинита и тонких прослоев глин. Вынимаемая мощность пласта изменяется от 4,4 до 7,0 м, продольные углы наклона не превышают 15°, поперечные 5-10°. Применение комбайнов на пласте Красный II возможно повсеместно [66,82]. Пласт Красный II считается негазовым, газоообильность его не превышает 0,15 м3/т. В целях безопасности горные машины, работающие непосредственно в забое, должны иметь электрооборудование во взрывобезопасном исполнении [7,54].

Сопротивляемость резанию пород пласта Красный II составляет 370490 Н/мм, что в среднем в 3-3,5 раза превышает сопротивляемость углей резанию [25]. Отжим пород в отрабатываемых забоях, как системное явление отсутствует, что представляет собой неблагоприятный фактор для работы выемочной машины. Замечено, что при одинаковой сопротивляемости резанию руды различных месторождений и идентичных режимах работы комбайнов имеют место разные уровни удельных энергозатрат процесса резания, что объясняется неодинаковостью пластических свойств соляных пород [37].

По своей структуре и механической прочности сильвинитовые породы являются сравнительно однородными. Диаметр зёрен 0,2-13 мм. Крепкие включения в виде мельчайших частичек кварца диаметром 0,02-0,03 мм и пирита размером 0,2-0,3 мм, а иногда и до 1-3 мм встречаются в подстилающем пласте каменной соли [62,82]. Отмечается зависимость химического состава зёрен сильвинита от их геометрических параметров: более крупные зёрна розового и молочно-белого сильвинита наиболее чистые и содержат наименьшее количество примесей. Так, содержание хлористого калия в монокристаллах молочно-белого сильвинита 99,29%, розового -98,96%, красного - 98,80%, и сургучно-красного - 97,47%. В этой же последовательности уменьшаются размеры зёрен и усложняется их форма и очертания. Наиболее крупные зёрна сильвина, независимо от формы, имеют

сложное внутреннее строение, связанное с наличием в них тонких, параллельных слоистости, трещин (до 10-12 штук) [31].

Разрушение калийных солей имеет преимущественно межкристаллитный характер: образование трещин, вследствие воздействия резца на калийный массив, происходит большей частью по границам зёрен. Зародышами разрушения являются газовые и газово-жидкие флюидные включения-дефекты (диаметр 0,1-2 мкм), локализованные по границам зёрен [82].

Насыпная плотность при машинной выемке калийной руды составляет 1,27-1,35 т/м3, угол естественного откоса составляет 35-40°, влажность до 0,3%. Сильвиниты Верхнекамского месторождения относятся к группе наименее абразивных горных пород. Показатель их абразивности составляет 34,3-41,9 мг/км [26,67].

По категориям разрушаемости калийные руды относятся к весьма крепким горным породам. Несмотря на ярко выраженное слоистое строение пластов, в большинстве работ, посвящённых изучению процесса резания калийной руды, калийный массив рассматривается как изотропное тело. Кристаллы слагающих минералов ориентированы хаотично, трещиноватость, характерная для угольных пластов, практически отсутствует [35].

1.2. Особенности проходческо-очистных комбайнов, применяемых для добычи калийной руды

Возможность применения выбранного типа комбайна и эффективность его дальнейшей работы при разработке месторождения калийной руды определяются горно-геологическими условиями и физико-механическими свойствами разрушаемых пород: пределом прочности, сопротивляемостью резанию, абразивностью и т.д. [34]

Первые отечественные комбайны, применённые на калийных рудниках, изначально предназначались для проходки выработок на угольных шахтах. Они оснащались роторным буроскалывающим исполнительным органом и распорно-шагающей ходовой частью. Опыт эксплуатации данных машин показал их неэффективность и непригодность для разрушения

крепких мелкозернистых сильвинитов Верхнекамского месторождения, обладающих большой вязкостью, прочностью и повышенной сопротивляемостью резанию [76]. Использование буроскалывающей схемы разрушения в этих условиях сопровождалось неустойчивой работой комбайнов, скачкообразным характером нагрузок, ограниченными скоростями подачи. Отрицательные результаты работы стреловидного исполнительного органа (ПК-11) были обусловлены сложностью обеспечения поперечной устойчивости комбайна.

В результате широкомасштабных опытных работ в 1971-1973 годах были созданы калийные комбайны непрерывного действия ПК-8М, «Урал-10КС» и «Урал-20КС», обладающие повышенной технической производительностью (в 2-3 раза большая по сравнению с прототипами -ПК-8 и «Караганда-7/15») и послужившие базой для практически полного перехода к комбайновой выемке на калийных рудниках.

Применение данных добычных машин обеспечило значительное снижение удельных энергозатрат процесса отбойки калийной руды по сравнению с буровзрывным способом, а также позволило механизировать основные технологические процессы в очистном забое. Последующие работы были направлены главным образом на более полную реализацию потенциальных возможностей этих машин, в результате чего их техническая производительность была доведена до 300-360 (ПК-8МА, «Урал-10А», «Урал-20А») и 420 т/ч («Урал-20Р») [49]. Некоторые сравнительные характеристики проходческо-очистных буровых комбайнов представлены в таблице 1.3 [22].

К основным недостаткам отечественных проходческо-очистных машин для добычи калийных солей следует отнести:

- сложность конструкции исполнительных органов;

- малые значения показателей надёжности применяемых редукторов;

- низкая защищённость узлов трансмиссии от динамических нагрузок;

- малые показатели надёжности используемого резцового инструмента;

- низкая энерговооружённость;

Таблица 1.3

Технические параметры проходческо-очистных комбайнов для добычи калийных руд

№ Параметры Значения параметров по типам комбайнов

1 Тип Урал-10А Урал-20Р Урал-61 ПК-8МА

2 Завод- изготовитель кмз ЯМЗ

3 Форма и размеры забоя Овально-арочная Арочная

2 - площадь, м 8,3; 9,4; 10,5 15,75; 20,2 8,2 8,1; 8,9

- высота, м 2,3; 2,4; 2,6 3,1;3,7 3,0 3-3,2

- ширина, м 4,1 5,1 3,1 3; 3,2

4 Сопротивляемость разрушаемого массива резанию (норма), Н/мм 350-450

5 Вид исполнительного органа Планетарно- дисковый, двухлучевой Планетарно-дисковый, трёхлучевой Буровой план-шайбовый, соосный

6 Тип режущего инструмента Резцы РС-14; ПС1-8У Резцы РС-14; ПС1-8У Резцы РС-14; ПС1-8У Резцы РС-14

7 Установленная мощность электродвигателей, кВт 527 745 385 370,5

8 Производительность, т/мин 5 7 3,0 4,2

10 Масса, т 63 91 52,8 59,8

11 Габариты, мм:

- длина 12500 12000 11000 9200

- ширина по гусеницам 2310 3110 2950 2150

- отсутствие системы автоматизированного управления приводами комбайна;

- низкая надёжность узлов гидросистем.

Данные недостатки обусловливают всё большее применение горнодобывающими предприятиями России зарубежной добычной техники. С 2006 года ОАО «Уралкалий» начало эксплуатацию комбайнов МР-320 компании «Сандвик», оснащённых буроскалывающим исполнительным органом роторного типа, имеющих большую установленную мощность привода исполнительных органов (746 кВт - МР-320 против 590 кВт -«Урал-20Р»).

Чтобы локализовать противоречия в особенностях развития проходческо-очистных комбайнов необходимо провести рассмотрение основных конструктивных особенностей их исполнительных органов, а также проанализировать основные представления о процессе разрушения калийных солей резцами добычных машин.

1.3. Анализ конструктивных особенностей исполнительных органов проходческо-очистных комбайнов

Исполнительные органы комбайнов предназначены непосредственно для отбойки (отделения) руды от массива. Некоторые типы исполнительных органов осуществляют также перемещение и погрузку отбитой массы.

К исполнительным органам предъявляются следующие основные требования:

- обеспечение максимально-возможной производительности в данных горно-геологических и горно-технических условиях;

- разрушение массива с минимальными удельными энергозатратами, измельчением руды и пылеобразованием;

- возможность регулирования по мощности и по гипсометрии пласта;

- высокий энергетический коэффициент полезного действия;

- отсутствие чрезмерных динамических нагрузок;

- простота конструкции, высокая прочность и надёжность, удобство в обслуживании и эксплуатации [65].

Проходческо-очистные комбайны для добычи калийных солей имеют комбинированные органы разрушения. У них в качестве основных используются планетарно-дисковые или роторные органы, а в качестве дополнительных, обеспечивающих необходимую форму поперечного сечения выработки - шнековые или барабанные.

На данном этапе развития широкое применение получили планетарные исполнительные органы.

Планетарные исполнительные органы оснащаются режущим или скалывающим инструментом, которому сообщаются два движения: относительное (вокруг своей оси вращения) и переносное (вокруг оси планшайбы). Планетарные исполнительные органы подразделяются на плоскостные, у которых инструмент перемещается в одной плоскости, параллельной забою, и пространственные - с перемещением инструмента по сложной пространственной траектории с разрушением забоя серповидными стружками различных форм и размеров [59,74].

Планетарные исполнительные органы комбайнов состоят из 2-х, 3-х дисков, которые при работе вращаются вокруг двух взаимноперпендекулярных осей. При подаче комбайнов на забой резцы дисков движутся по сложной спиральной траектории, участвуя во вращательных движениях - вокруг оси редуктора (переносное движение) и оси диска (относительное движение) и поступательном движении вместе с комбайном. При такой схеме обработки забоя стружка, отделяемая резцами от массива, имеет переменное сечение как по толщине (серповидный срез), так и по ширине (изменение шага резания) [37].

Сложное пространственное движение резцов предопределяет ряд особенностей работы, из которых можно выделить как положительные, так и отрицательные свойства планетарно-дисковых исполнительных органов.

Недостатки планетарно-дисковых исполнительных органов обусловлены:

- сложностью и высокой стоимостью редукторов;

- серповидностью среза, предопределяющего повышенный выход мелких фракций при резании;

- невозможностью обеспечения оптимального режима резания из-за непостоянного сечения стружки [59].

Сложность конструкции привода исполнительного органа обусловлена необходимостью передачи на резцовые диски двух вращательных движений. В тоже время, должно быть обеспечено синхронное вращение дисков. Повышенный выход мелких фракций при резании обусловлен непостоянным шагом резания и толщиной стружки. Большое количество пылевидных классов в общей массе отбитой руды предопределяет повышение затрат на обогащение и увеличение отходов горного производства.

1.3.1. Анализ конструктивных особенностей пространственных планетарно-дисковых исполнительных органов

В настоящее время наиболее широкое применение на калийных рудниках России получили проходческо-очистные комбайны с пространственными планетарно-дисковыми исполнительными органами («Урал-20Р», «Урал-10 А», «Урал-61» конструкции Копейского машиностроительного завода). Утверждается, что данные машины (рис. 1.1) имеют преимущества перед остальными отечественными комбайнами, и в ближайшие 15-20 лет останутся основными средствами механизации добычи калийных руд в камерах [69,70].

Рис. 1.1. Проходческо-очистной комбайн «Урал-20Р» Изменение шага резания t и толщины стружки к в зависимости от угла поворота резцового диска (рис. 1.2.) для пространственного планетарного исполнительного органа описывается следующими уравнениями [37]:

t =

п • пв • (с -Гд- COS ф)

h

nd-zd

Vp -sinç?

кд'Пе

(1.1)

(1.2)

где (р - угол поворота диска, рад; гд - радиус диска, мм; с - расстояние от оси вращения диска до оси вращения водила, мм; zd - количество резцов, штук; щ - частота вращения дисков, об/мин; пв - частота вращения водила, об/мин; кд- количество резцовых дисков на исполнительном органе, шт.

t,h мм

so

бО

4-0 -

20

рад

Рис. 1.2 Графики изменения шага резания Г и толщины стружки к в зависимости от

угла поворота резцового диска

Известно, что наиболее эффективными по удельным энергозатратам являются полублокированное, шахматное и тангенциальное резание, а наиболее энергоёмкими - щелевое, угловое и блокированное резание [65]. При работе пространственных планетарно-дисковых исполнительных органов забой разрушается расходящимися резами, идущими от центра к периферии (рис. 1.3). В процессе движения резца изменяется тип резов: центральная часть забоя разрушается последовательными резами, средняя (большая) часть - шахматными резами, периферийная - блокированными резами.

г

Рис.1.3 Схема расположения срезов на поверхности забоя при работе исполнительного органа проходческо-очистного комбайна «Урал-10А»

Траектория движения одиночного резца, закреплённого на поверхности поворотного диска пространственного планетарного исполнительного органа комбайна, описывается следующей системой уравнений:

х = {с-гд-со$(р)-соб( V ч. ^ з)

КЧ)

у = (е-Гд-С08(р)-81п{ V ); (14)

\пд ' Пе)

г = гд-$,т(р, ^

где (р - угол поворота диска, рад; гд - радиус диска, мм; с - расстояние от оси вращения диска до оси вращения водила, мм; щ - частота вращения дисков, об/мин; пв - частота вращения водила, об/мин [37].

Траектория движения резца, установленного на поверхности поворотного диска (а) и её проекции на вертикальную плоскость забоя (б), на вертикальную плоскость перпендикулярную к плоскости забоя (в) и на горизонтальную плоскость (г) представлены на рисунке 1.4.

^Л \

/ У \\

Л,мм

|«Ю

-и»

-МО,

мм -да

т у мм

В

-1000

-«да.

1мо -ию» -т о т ит х

1Ш X, мм

Рис. 1.4. Траектория движения резца, закреплённого на поверхности поворотного диска а - в трёхмерном пространстве; б - в проекции на вертикальную плоскость забоя; в - в проекции на вертикальную плоскость, перпендикулярную к плоскости забоя; г - в проекции на горизонтальную плоскость

В зависимости от угла поворота резцового диска изменяется положение резца в пространстве. Резцовый инструмент исполнительного органа совершает сложное движение по спирали радиусом гд частотой вращения пд.

Одновременно резец совершает переносное движение с частотой вращения и„. Траектория движения резца за один оборот переносного вращения при скорости подачи на забой Уп=0 представляет собой тороидальную поверхность (рис. 1.4а). Таким образом, резцовый инструмент участвует в трёх видах движения: относительном (вокруг оси резцового диска), переносном (вокруг оси водила) и поступательном движении при подаче на забой.

Режущий инструмент разрушает забой последовательными радиальными резами, характеризующимися переменными шагом резания г и толщиной стружки к. Шаг резания зависит от соотношения скоростей главного и переносного вращения режущего диска, числа режущих инструментов на нём, его конструктивных параметров и изменяется в зависимости от угла поворота диска. При этом шаг резания увеличивается по мере удаления от центра переносного вращения исполнительного органа. На выходе режущего инструмента из массива шаг резания имеет наибольшее значение (рис. 1.46). Совпадение или смещение линий резания характеризуется числом резов, определяемым произведением ¡гд, где / -отношение частот относительного и переносного вращений; ^ - число резцов. При целом числе резов ггд линии резания совпадают (реализуется последовательное резание), а при дробном происходит их смещение (шахматная схема резания).

Резцы поворотных дисков контактируют с забоем непостоянно (рис. 1.4в и 1.4г). Вследствие периодичности контакта происходит охлаждение резцов, что положительно сказывается на сроке их службы. Кроме того, относительно небольшое количество одновременно контактирующих с забоем резцов позволяет передавать на них значительную мощность привода и иметь малые напорные усилия на забой [12].

Серповидное сечение стружки обусловливает повышенный выход мелких пылевидных классов руды в продуктах отбойки. Изменение шага резания t и толщины стружки к в процессе движения резца не позволяет

оптимизировать разрушение калийного массива по удельной энергоёмкости и гранулометрическому составу отбитой руды [74].

1.3.2. Анализ конструктивных особенностей плоско-дисковых планетарных исполнительных органов

К существенным достоинствам планетарных органов разрушения можно отнести возможность создания сетки пересекающихся резов. Формирование такой сетки приводит к созданию на поверхности калийного массива регулярных выступов заданной формы (целичков), контуры основания которых образуются пересекающимися резами. В зонах пересечения поверхностей разрушения реализованных резов (боковых и нижней) формируются области ослаблений и локализации наведенных трещин различной конфигурации. Реализация наведенных ослаблений и трещин при отработке каждого последующего слоя массива обусловливает повышение эффективности процесса разрушения калийного массива [28,74].

Среди существующих на сегодняшний день планетарных исполнительных органов наиболее полно данное положительное свойство было использовано в конструкции планетарного плоско-дискового исполнительного органа проходческих машин ПД-2 (рис. 1.5).

Проходческая машина ПД-2 разработана ЦНИИИПодземмашем и предназначена для проходки вертикальных стволов диаметром в свету 6,5 м. Машина снабжена планетарным рабочим органом для разрушения породы резцами по всей площади забоя ствола.

в

Рис. 1.5. Стволопроходческий комбайн ПД-2 а- общий вид стволопроходческого комбайна ПД-2; б - кинематическая схема привода исполнительного органа комбайна ПД-2; в - схема скоростей резания Резцам, установленным на поверхности поворотных дисков, придаётся сложное гипоциклоидальное движение вращением каждого диска вокруг собственной оси и одновременным вращением вместе с редуктором рабочего органа в противоположную сторону вокруг оси водила (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Траектория движения резцов и схема резания породы стволопроходческим

комбайном ПД-2

а - траектории резцов диска: 1-5 - витки первого резца при первом обороте водила; 6 - первый виток первого резца при втором обороте водила; 7 - первый виток второго резца при первом обороте водила; 8 - первый виток третьего резца при первом обороте

водила

б - схема резания породы: 1 - резцы первого диска; 2 - резцы второго диска

Резы, осуществляемые резцами обоих дисков, на забое пересекаются, образуя систему пирамидальных выступов, которые при достижении определённой высоты (5-10 мм) скалываются [43,44]. Доказано, что создание сетки пересекающихся резов способствует более эффективному разрушению забоя с меньшими значениями удельной энергоёмкости [77]. Целички, образовавшиеся между резами отработанного слоя, при дальнейшем разрушении отделяются от массива единичными сколами, с установившимися значениями параметров, что обусловливает снижение выхода мелких классов в продуктах отбойки.

Известны экспериментальные образцы проходческо-очистных комбайнов для добычи калийных руд, оснащённые плоско-дисковыми

планетарными исполнительными органами, однако, серийно данные машины не выпускаются [36].

Обоснование параметров и разработка конструкций исполнительных органов проходческо-очистных комбайнов, разрушающих калийный массив перекрёстными резами, является актуальной научной задачей.

1.4. Анализ конструктивных особенностей резцов проходческо-очистных комбайнов для добычи калийной руды

Исполнительные органы проходческо-очистных комбайнов для добычи калийных солей оснащаются преимущественно резцовым рабочим инструментом, который отделяет стружку от калийного массива в результате механического воздействия и перемещения инструмента. К режущему инструменту предъявляют следующие требования: надёжность, простота в изготовлении, он должен обеспечивать разрушение калийного массива с малыми энергетическими показателями, обладать малой материалоёмкостью и высокой технологичностью в изготовлении и эксплуатации [40]. Ниже приведены технические характеристики основных типов резцов, которые применяют, применяли или пытались применять (таблица 1.4) на исполнительных органах проходческо-очистных комбайнов в калийной промышленности [13].

К важнейшим геометрическим параметрам режущего инструмента, влияющим на процесс разрушения соляного массива, относят радиальный и тангенциальный вылеты резца, форму передней поверхности, ширину режущей кромки, угол заострения, угол резания и задний угол.

Исследованиями установлено, что с увеличением угла резания возрастают силы сопротивления горной породы резанию. Особенно существенно данное явление проявляется при углах резания более 90°. С уменьшением переднего угла возрастает износостойкость и прочность рабочей части резца, но заметно увеличиваются энергозатраты процесса разрушения горных пород. Усилия подачи при резании острыми резцами с передним углом 20° в 3-4 раза меньше, чем при резании резцами с нулевым

передним углом. Это обстоятельство особенно важно для работы проходческо-очистных комбайнов на гусеничном ходу [12,65].

Таблица 1.4

Параметры резцов добычных машин для добычи калийных руд

Параметр Тип резца

Тангенциальный Радиальный

РС-14 ПС-1-8У ШБМ2-1-1-03Б И79Б И90В

Угол заострения, град. 60 70 80 75 75

Задний угол, град. 12 14 5 10 5

Угол резания, град. 72 84 85 85 80

Ширина (радиус закругления) режущей кромки, мм. 14 8,0 4,0 5,6 5,6

Форма поверхности передней грани Плоская Коническая Плоская Плоская Плоская

Марка твёрдого сплава ВК8 ВК8 ВК11 ВК8В ВК8В

Масса вставки, г. 42 14 12 26 26

Радиальный вылет, мм. 47 50 30 55 40

Длина, мм. 105 125 90 160 120

Масса, кг. 0,3 0,46 0,21 0,9 0,75

Задний угол обычно составляет у резцовых инструментов 5-20°. Не рекомендуется слишком увеличивать его при переднем положительном угле, так как это приводит к снижению прочности режущей части. При переднем отрицательном угле, как показали исследования, его можно увеличивать до 30°. Площадки износа в этом случае увеличиваются менее интенсивно [24].

Считают что, для резания соляных пород установлены следующие рациональные параметры резцов: угол резания 65-70°, задний угол 5-10°, режущая кромка прямоугольная 1,5-2,5 см, тип резца тангенциальный [40,82].

На сегодняшний день наибольшее распространение на калийных рудниках получили тангенциальные резцы РС-14 и ПС-1-8У (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Резцы проходческо-очистных комбайнов для добычи калийных солей

а - РС-14; б - ПС-1-8У

Резцы РС-14 просты и недороги в изготовлении и допускают многократное использование после их переточки. К их достоинствам следует отнести и достаточно простой и надёжный способ крепления, практически исключающий разбалтывание резца в кулаке и его потерю. Резцы устанавливаются под углом 42° к плоскости забоя, в результате чего в процессе резания передний угол составляет 18°, а задний 12°. Это обеспечивает низкие энергозатраты на разрушение калийного массива и исключает в большинстве случаев затирание резцов по задней грани.

Резец ПС-1-8У конструктивно представляет собой стальной стержень, имеющий цилиндрическую и коническую части. В конце последней высверлено углубление, в которое вставляется твёрдосплавная вставка. Сама вставка представляет собой цилиндрический керн, заточенный при вершине на конус. В процессе работы резцы ПС-1-8У совершают движения в пространстве, обусловленные кинематикой исполнительного органа и, кроме того, вращаются вокруг своей оси в гнезде кулака. Тем самым обеспечивается взаимодействие с породой различных участков боковой поверхности твердосплавного керна, в результате чего происходит равномерный износ боковой поверхности головки керна и самозатачивание резца.

Резцы ПС-1-8У имеют ограниченное применение и устанавливаются только на резцовых дисках комбайнов типа «Урал». Наряду с

конструктивной простотой, небольшими размерами и весом твердосплавной вставки резцы ПС-1-8У имеют и недостатки. К числу их относится разбалтывание резцов в гнёздах вследствие быстрого износа последних. Разрушение пород резцом ПС-1-8У происходит с повышенными энергозатратами, обуславливающими снижение производительности комбайна [13].

В настоящее время ведётся активная работа, направленная на совершенствование и повышение эффективности резцов добычных машин. Создаются и применяются более износостойкие и прочные инструментальные материалы, в первую очередь, армирующие твёрдые сплавы, совершенствуются методики обоснования рациональных конструктивных параметров резцового инструмента [40]. Однако, при разработке новых конструкций резцов, как правило, ограничиваются решением задач увеличения их прочности и износостойкости, и практически не рассматривается вопрос создания новых типов резцов, конструктивные особенности которых обусловили бы возможность повышения эффективности процесса формирования последовательных элементарных сколов составляющих срез, увеличения выхода крупных классов руды в продуктах отбойки, снижения излишнего дробления руды и уменьшения количества пылевидных классов. Данная задача является актуальной и решение её невозможно без детального исследования процесса формирования последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при разрушении калийного массива резцами добычных машин.

1.5. Общий анализ основных представлений о процессе разрушения калийной руды резанием

В общей терминологии [2,41] под разрушением твёрдого тела подразумевают его разделение на невзаимодействующие части. При разрушении горных пород различают разрушение хаотическое и направленное [47]. При хаотическом разрушении важно отбить кусок от массива или уменьшить размер куска породы, а при направленном

разрушении требуется разделить куски породы по границам минералов или отделить кусок от массива по строго заданной поверхности. Разрушение твёрдых пород происходит вследствие роста трещин и такое разрушение называется хрупким [56].

Разрушаемость пород может быть оценена соответствующей работой разрушения. Её величина обусловлена пределами прочности, упругости и пластическими свойствами горных пород. Наиболее трудно поддаются разрушению породы, имеющие высокую прочность и большую зону пластической деформации. Установлено, что высокопрочные, но хрупкие породы значительно легче поддаются динамическому разрушению, чем более слабые, но высокопластичные [63].

Отмечено, что с увеличением скорости нагружения вязких соляных пород увеличивается их предел прочности, а также возрастает их склонность к хрупкому разрушению, что положительно сказывается на энергетических показателях процесса отбойки руды, так как при разрушении породы уменьшаются энергетические затраты на её пластическое деформирование [6,82].

Процесс разрушения хрупких и квазихрупких горных пород резцами добычных машин представляет собой ветвящийся случайный процесс размножения и гибели трещин [56,57]. В подавляющем большинстве случаев окончательное разрушение твёрдых тел происходит в результате прорастания одной из трещин через сечение тела. Такую трещину называют магистральной.

Сопротивление материала продвижению в нём трещины называют вязкостью разрушения. Каждому материалу, размеру образца, характеру напряжений соответствует свой критический размер трещины, отделяющий состояние стабильности от состояния её быстрого распространения. Чем выше вязкость материала, тем больше этот размер [86].

Задачи оптимизации процесса разрушения горных пород решаются, как правило, в рамках различных направлений горных наук. В то же время,

данные вопросы в анализе чаще всего стыкуются с теорией сопротивления конструкционных материалов разрушению, где достаточно детально проработаны проблемы прочности. Ниже кратко рассмотрим основные теоретические представления о прочности твёрдых тел и горных пород.

1.5.1. Обзор теорий прочности

Развитие теории прочности в механике деформируемого твёрдого тела восходит к истокам доисторического зарождения технологической составляющей человеческой цивилизации. Первая попытка сформулировать теорию прочности, характеризующуюся логическим обоснованием и доказательным характером, была предпринята Галилео Галилеем в 15 в. (I классическая теория прочности). Основные подходы к оценке несущей способности материалов и конструкций формировались на протяжении 1719-го веков в трудах Э. Мариотта, Б. Сен-Венана (теория максимальных линейных деформаций), Ш. Кулона, А. Треска (теория максимальных касательных напряжений), Э. Бельтрами, М. Хубера, Р. Мизеса, Г. Генки (энергетическая теория прочности). Гносеологическим недостатком данных теорий прочности являлась подмена рассмотрения и адекватного описания физических процессов, связанных с разрушением или переходом в предельное состояние материалов, абстрактными алгебраическими преобразованиями.

Одной из первых попыток создания общего для всего многообразия материалов критерия прочности была теория прочности О. Мора (1900 г.). Она основана на предположении, что промежуточная компонента тензора напряжений не влияет на прочность материала, а предельное состояние возникает на площадках, которые всегда проходят через направление промежуточного главного напряжения.

Теория прочности Мора получила достаточно широкое распространение в горной практике, так как довольно удовлетворительно описывает прочностные свойства горных пород в виде криволинейных паспортов прочности на диаграммах О. Мора. В то же время, попытки дать

аналитическое обоснование форме и параметрам паспорта прочности горных пород были неудачными и остались лишь в виде набора математических формул, которые так и не нашли своего практического применения (исследования М.М. Протодьяконова-младшего, К.В. Руппенейта, ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИИМИ, ТПИ и др.). Работы зарубежных исследователей (Бенявского, Хоека, Брауна) привели к более удачным критериям прочности горных пород, но это были, главным образом, скорее эмпирические, чем теоретические результаты [41,79].

В начале XX века на смену представления о твёрдом теле, как о некоей сплошной среде, внутренние свойства которой не имели физического обоснования, пришло представление о телах, как о «конструкциях» из атомов. Наметилось предположение, что прочность тела должна определяться силами межатомного сцепления. Тогда же, на основе различных физических методов (оптических, калориметрических, акустических), были определены значения сил межатомного сцепления, что позволило рассчитать, так называемую, теоретическую прочность твёрдых тел. Расчёты (Ф. Цвики, Дж. де Бура, М. Борна и др.) привели к значениям теоретической прочности, которые в десятки и сотни раз были выше значений, измеряемых на практике для реальных тел [73]. Объяснение данного противоречия было впервые дано в работах А. Гриффитса. Гриффите высказал предположение о том, что реальная прочность материала определяется не столько силами межатомного взаимодействия, сколько отрицательной ролью всегда имеющихся в материалах дефектов в виде трещин и других повреждений. Данная идея впоследствии получила развитие в работах Орована, Инглиса и Ирвина и легла в основу современных представлений о механике зарождения и развития трещин в конструкционных материалах и горных породах.

Важнейший шаг в развитии физических представлений о разрушении был сделан в 50-х годах ХХ-го столетия, когда, главным образом, в трудах школы академика С.Н. Журкова была сформулирована кинетическая теория

прочности. Появилось новое фундаментальное понятие - температурно-временная зависимость прочности (ТВЗП) и важнейший количественный параметр её характеризующий - долговечность материала под нагрузкой.

В рамках кинетической концепции прочности принимается, что под нагрузкой разрушение «формируется» в течение всего времени развития напряжённо-деформируемого состояния. Данный сложный кинетический процесс развивается во времени и лишь завершается разделением образца на части.

По мере совершенствования техники эксперимента устанавливается всё большее число особенностей процесса разрушения. Универсальной теории прочности, и тем более процесса разрушения, ввиду сложности экспериментального подтверждения и математического описания в настоящее время не существует. Обычно применяют теории прочности, разрушения, отражающие только главные особенности механизма разрушения твёрдых тел [41].

1.5.2. Основные положения экспериментально-статистической теории резания горных пород

Основной вклад в изучение различных аспектов процесса разрушения горных пород резцами добычных машин внесли Л.И. Барон, А.И. Берон, М.И., В.А. Бреннер, В.Н. Гетопанов, Е.З. Позин, В.З. Меламед, М.М. Протодьяконов, В.И. Солод и др. [10,16,21,52]. В результате их работы создана экспериментально-статическая теория резания углей и горных пород. Основы аналитической теории резания углей были заложены академиком М.И. Слободкиным. В его работе [72] выявлены основные аналитические зависимости, определяющие работу режущих исполнительных органов угледобывающих машин. Разработки данных авторов легли в основу современных методик инженерных расчётов параметров режущих инструментов и режимов работы исполнительных органов добычных машин.

Принято считать, что разрушение горных пород является многофакторным случайным процессом чередования фаз контактного

дробления и образования крупного элементарного скола породы [10,52]. В большинстве работ процесс резания горных пород и углей описывается следующим образом.

При приложении усилия, осуществляющего движение инструмента и отделение породы от массива, в месте контакта породы с резцом возникают высокие напряжения, сконцентрированные в малом объёме. По мере нарастания усилия резания контактные напряжения достигают предельного значения, после чего на контакте начинается процесс местного дробления породы на весьма мелкие фракции с образованием ядра мелкодисперсной объёмно-сжатой породы - ядра уплотнения [21].

Ядро уплотнения имеет выраженную зонную структуру. Часть его образует на передней грани резца застойную зону (нарост), внутри которой нет перемещения разрушаемого материала. Другая часть раздробленной породы движется вдоль передней грани резца и удаляется из зоны контакта при сколах небольших элементов породы [9].

При дальнейшем движении резца в направлении резания с породой приходят в соприкосновение всё более значительные части передней грани и усилия, необходимые для дробления угля растут. У стыка ядра уплотнения с внешним контуром создаются благоприятные условия для местного отрыва небольших элементов и связанного с этим частичного спада силы резания, что подтверждается осциллограммами сил резания (рис. 1.8). Таким образом, нарастание сил резания не носит плавного характера, а отличается случайными спадами.

Рис. 1.8. Принципиальная схема резания угля и горных пород резцом добычной

машины:

2- сила резания; к - глубина резания; 8 - угол резания

При определённой для заданных условий толщине стружки в пограничной с ядром дробления зоне возникают предельные напряжения, вызывающие образование и развитие магистральной трещины, и отрыв крупного элемента от массива по трём плоскостям скалывания. Скол крупного элемента породы происходит по плоскостям наименьшего сопротивления. Усилия резания падают от максимальных значений до нуля или близких к нулю величин.

При неблагоприятных условиях могут раньше возникнуть предельные напряжения сдвига (излишне большие углы резания, весьма вязкие породы) [10].

При резании горных пород на контактные поверхности резца действуют переменные силы различной природы и характера. Эти силы имеют максимум вблизи от режущей кромки и резко убывают при удалении от неё по кривым гиперболического вида. Для упрощения расчётов обычно сложный характер распределённых сил заменяют сосредоточенными.

Наиболее общие представления о схеме сил в системе ХУ2, действующих на резец приведены на рис. 1.9. На переднюю грань резца действует нормальная сила Ы„ и сопротивление трению рИП1 равнодействующая которых Яп может быть разложена на сопротивление резанию передней гранью 2п и сопротивление подачи резца У2 . Величина последнего, в зависимости от значения переднего угла резца у и угла трения породы о резец V может быть положительной или отрицательной. Аналогично нормальные и касательные силы, действующие на заднюю и боковые поверхности резца, также разлагают на слагаемые в направлении осей координат.

Сила резания Р2, регистрируемая трёхкомпонентным динамометром, является геометрической суммой проекций на ось 02 равнодействующих сил по передней и боковым граням. При измерениях регистрируется также результирующая сила подачи Ру, а не её слагающие У7, У2, Мбп;зт(р/2 и Ыбл;8\щ/2, Регистрируемая динамометром боковая сила X представляет собой алгебраическую сумму сил Хп и Хл, действующих соответственно на правую и на левую грани резца.

В общем случае при резании затуплённым резцом:

Р2 = Ип ■ (сое у + ц ■ 8Ш у) +цу-У,(мб,. + ^б,.); Ру=Ух±Ип- (вшу - ц ■ сов г) + (А^бл + Ибл) ■ зшф;

Рх=(Хб.п+Хб,)- созф,

(1.6) (1.7)

(1.8)

где - отжимающая сила; и Л^. - силы, действующие по нормали к правой и левой боковым поверхностям резца; (р - угол заострения резца; /лу и /лх - коэффициенты трения задней и боковых поверхностей резца о породу; /л - коэффициент трения разрушенной породы о переднюю грань резца [52].

В процессе резания перед резцом в породном массиве образуются трещины, распространение которых сопровождается реализацией нарушений и ослаблений сплошности массива [63,64]. На дробление и развитие далеко идущих трещин расходуется энергия, определяемая заштрихованной частью диаграммы (рис. 1.8). Не заштрихованная часть диаграммы сил представляет ту часть энергии, которая была израсходована природой на разрушение этой породы в период её формирования. Наличие ослаблений и нарушений в породном массиве приводит к нестабильности частоты сколов, поэтому в рамках экспериментально-статистической теории процесс разрушения горных пород и углей резанием рассматривают как случайный и описывают соответствующими статистическими характеристиками [14,29].

Процесс резания горных пород характеризуется возникновением элементарных сколов различной формы. В работе [52] Е.З. Позиным и Л.С. Туяховым предложены варианты формы сколов, которые систематизированы в виде идеализированных диаграмм (рис. 1.10). Установлено, что преобладают (более 80%) сколы, соответствующие пилообразной (треугольной) форме механической характеристики.

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Шишлянников, Дмитрий Игоревич

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность формирования регулярных сколов с заданными значениями их геометрических параметров при использовании шахматной симметричной перекрестной схемы резания калийного массива, что позволяет активно влиять на гранулометрический состав отбитой руды, силовые и энергетические характеристики процесса резания.

2. Экспериментально доказано повышение эффективности отделения калийной руды от массива реализацией шахматной симметричной перекрестной схемы резания, обеспечивающей, по сравнению с шахматной схемой при параметрах резания /: : /г3 = 7:2:1, снижение удельных энергозатрат процесса разрушения калийного массива на 15% и уменьшение выхода мелких необогатимых классов руды в два раза.

3. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено уменьшение средних значений силы резания на 34% и снижение неравномерности нагрузок на резец на 41% при разрушении калийного массива с использованием шахматной симметричной перекрестной схемы резания по сравнению с шахматной схемой, что достигается при соотношении параметров среза г. Ьр : \ = 7:2:1.

4. Установлены зависимости частоты последовательных элементарных сколов от параметров шахматной симметричной перекрестной схемы резания калийного массива. Даны рекомендации по выбору рациональных параметров шахматной симметричной перекрестной схемы резания.

5. Предложена конструкция исполнительного органа проходческо-очистного комбайна, реализующего шахматную симметричную перекрестную схему разрушения калийного массива.

6. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке студентов по направлению 130400 - Горное дело. Опубликовано два методических указания к лабораторным работам, которые включены в расписание проведения занятий.

Заключение

Диссертация является самостоятельной законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности отделения калийной руды от массива резцами исполнительных органов добычных машин с использованием шахматной симметричной перекрёстной схемы резания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шишлянников, Дмитрий Игоревич, 2012 год

Список литературы:

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Издание второе, переработанное и дополненное. - М.: Наука, 1976. - 280 с.

2. Александров A.B. Сопротивление материалов: Учеб. Для ВУЗов/ A.B. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин; под ред. A.B. Александрова. - 3-е изд. испр. - М.: Высш.шк., 2003. - 560 с.

3. Архангельский A.C. Некоторые вопросы теории планетарных исполнительных органов проходческих комбайнов// Расчёты, конструирование и испытания горных машин. Сб. №12 / Под. ред. инж. Топчиева A.M. - М.: Углетехиздат, 1955. - 451 с.

4. Асатур К.Г. Механика динамического разрушения. СПб.: Санкт-Петербургский горный институт, 1997. - 84 с.

5. Баклашов И.В. Геомеханика: Учебник для ВУЗов. В 2 т. - М.: Из-во МГГУ. Т1. Основы геомеханики, 2004. — 208 с.

6. Барон Л.И., Бондарев К.Д. Влияние скорости резания калийных солей на износ резцов// Проектирование и строительство угольных предприятий, № 5(89), 1966. - С. 12-15.

7. Белов В.Н., Соколов A.B. Добыча и переработка калийных солей. -Л.: Химия, 1971.-319 с.

8. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. Издание второе, переработанное и дополненное. - М.: Металлургия, 1979. -496 с.

9. Берон А.И. Условия возникновения наростов на передних гранях резцов и их влияние на процесс разрушения горных пород. //Физико-механические свойства, давление и разрушение горных пород, № 2/ - М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 224 с.

10. Берон А.И., Казанский A.C., Лейбов Б. М., Позин Е.З. Резание угля. - М.: Госгортехиздат, 1962. - 439 с.

11. Берон А.И., Позин Е.З. Об оценке энергетического баланса процесса резания углей// Подземная разработка угольных пластов, Труды ИГД им. Скочинского, №. 93, 1972. - С. 10-20.

12. Бреннер В.А. Режимы работы комбайнов для добычи калийных руд. -М.: Недра, 1978. -216 с.

13. Брусиловский Д.В., Вировец Л.Н., Ущеренко С.М. Режущий инструмент отечественных и зарубежных калийных комбайнов/ Обзорная информация. Серия «Калийная промышленность» - М.: НИИТЭХИМ, 1983. -44 с.

14. Валишин A.A. Комплекс математических моделей механизма разрушения полимеров/ Диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук. - Москва, 2007. - 421 с.

15. Васильев JI.M. Исследование процесса скола единичного элемента стружки при резании горных пород// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №6, 1976. - С.41-46.

16. Виброактивное разрушение горных пород проходческими комбайнами / В.А. Бреннер, И.П. Кавыршин, В.А. Кутлунин, В.Б. Струков, И.Г. Шмакин, Нин Чжун Лян, Т.В. Ковалёва, Ю.В. Антипов. - Тула: Тульский полиграфист, 2000. - 203 с.

17. Власов К.П., Власов П.К., Киселёва A.A. Методы исследований и организация экспериментов - X.: Из-во «Гуманитарный центр», 2002. - 256 с.

18. Габов В.В., Чекмасов Н.В., Бурак А .Я., Шишлянников Д.И. Исследование процесса формирования элементарных сколов при разрушении калийных солей перекрёстными резами// Горное оборудование и электромеханика, №8, 2011. - С. 42-43.

19. Габов В.В., Чекмасов Н.В., Шефнер А.Д., Шишлянников Д.И. Стенд для экспериментальных исследований процесса резания калийных руд одиночным резцом горных машин// Записки Горного института: РИЦ СПГГУ. - Т.195. - 2012. - С.245-248.

20. Габов В. В., Чекмасов Н. В., Шишлянников Д. И..

Совершенствование процессов резания калийных солей резцами проходческо-очистных комбайнов// Материалы 3-й Международной Конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства», ТулГУ, Тула, 2010. - С. 64-67.

21. Гетопанов В.Н. Некоторые закономерности процесса разрушения горных пород резцовым инструментом выемочных горных машин. Научные труды, сб. №17 - М.:МГГИ, 1956. - С. 21-27.

22. Горные машины и оборудование. Проходческо-очистной комбайн «Урал-10А». Устройство и принцип действия: Методические указания к лабораторной работе/ Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). Сост.: В.В. Габов, Ю.В. Лыков, Е.С. Кузнецов, Н.В. Чекмасов, А .Я. Бурак, Д.И. Шишлянников. СПб, 2010. - 26 с.

23. ГОСТ 21878-76. Случайные процессы и динамические системы. Термины и определения. - М.: Издательство стандартов, 1976. - 33 с.

24. Деветьев В.З., Светличный Д.М., Трегубов А.Н. Исследование сопротивляемости разрушению соляных пород Верхнекамского месторождения резцовым инструментом/ Разрушение горных пород механическими способами, ред. Барон Л.И. - М.: Наука, 1966. - 278 с.

25. Деветьев В.З., Трегубов А.Н., Светличный Д.М. Лабораторные и шахтные исследования по разрушению калийных пород Верхнекамского месторождения резцовым инструментом// Научные труды ПермНИУИ, сб. 8, 1965.-С. 16-21.

26. Деветьев В.З., Трегубов А.Н., Светличный Д.М. Шахтные исследования по определению показателя буримости калийных солей// Научные труды ПермНИУИ, сб. 7, 1964. - С. 23-29.

27. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. - М.: «Мир», 1980. - 611 с.

28. Долгов В. Jl. Совершенствование плоско-планетарных исполнительных органов проходческих комбайнов/ Горная электромеханика и механизация горных работ. - М.: Недра, 1969. - С. 61-64.

29. Задков Д.А. Обоснование рациональных динамических параметров гидропривода механизма резания выемочного модуля/ Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. - СПб.: СПГГИ(ТУ), 2005 - 124 с.

30. Задков Д.А., Банников A.A., Шишлянников Д.И., Талеров К.П., Головин К.А. Способ отделения угля от массива при отработке трещиновато-слоистых угольных пластов// Горное оборудование и электромеханика, №2, 2012.-С. 30-33.

31. Зильбершмидт В.Г., Зильбершмидт В.В., Наймарк О.Б. Разрушение соляных пород - М.: Наука, 1992. - 144 с.

32. Зильбершмидт В.Г. Спиркова С.И., Титов Б.В. Зависимость вязкости разрушения каменной соли от скорости деформирования // Горный журнал. Изв. ВУЗов, №8, 1987. - С.5-7.

33. Изучение режимов разрушения соляных пород и разработка параметров добычных машин для Верхнекамских калийных рудников: Отчёт/ Руковод. Светличный Д.М. №ИС-27- Пермь: ПермНИУИ, 1965.-372 с.

34. Исследование основных закономерностей резания и скола соляных пород на калийных рудниках: Отчёт/ Руковод. Соболь A.B. №52-62. - Л.: ВНИИГ, 1967.-219 с.

35. Исследование основных закономерностей резания калийных солей: Отчёт, 4.1/ Руковод. Шмакин И.Г. №72-31. - Тула: ТПИ, 1973. - 126 с.

36. Исследование энергоёмкости и эффективности процесса разрушения калийных руд модернизированными рабочими органами: Отчёт о научно-исследовательской работе/ Руковод. Чекмасов Н.В.- Пермь: ООО «РКЦ», 2003. - 36 с.

37. Кабиев C.K. Разрушение горных пород планетарно-дисковым исполнительным органом проходческого комбайна: Учебное пособие. -Караганда, 1983. - 94 с.

38. Коваль П.В., Первов K.M., Бурыгин А.Г. Методы и средства исследования параметров горных машин: Учебное пособие по УИРС. - М.: МГИ, 1981.-88 с.

39. Комбайны проходческо-очистные для добычи калийных руд. Выбор показателей назначения и расчёт параметров разрушения горных пород. Отраслевая методика. - Л.:ВНИИГ, 1986. - 31 с.

40. Крапивин Н. Г., Раков Р. Я., Сысоев А. И. Горные инструменты. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990. - 256 с.

41. Литвинский Г.Г. Аналитическая теория прочности горных пород и массивов. - Монография/ДонГТУ. - Донецк: Норд-Пресс, 2008. - 207 с.

42. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований: Учебное пособие для ВУЗов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Недра, 1990. - 328 с.

43. Малевич H.A. Комплексы оборудования для проходки и бурения вертикальных стволов: Учебник для вузов. - М.: «Недра», 1965. - 287 с.

44. Михайлов В.Г., Дубянский В.И. Оценка условий резания угля при движении инструмента по циклоидной кривой/ Труды Новочеркасского политехнического института - т. 175 - 1968. - С. 142-147.

45. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных. -Л.: Судостроение, 1980.-381 с.

46. ОСТ 12.44.258-84. Комбайны очистные. Выбор параметров и расчёт сил резания и подачи на исполнительных органах. Методика. - М.: Министерство угольного машиностроения, 1986. - 108 с.

47. Падуков В. А. Горная геомеханика. Учебное пособие. - СПб: СПГГИ(ТУ), 1997. - 134 с.

48. Патент RU 2375571 С1 «Способ разрушения массива перекрёстными резами». Авторы: Чекмасов Н. В., Чистяков А.Н., Семёнов В.

B., Шишлянников Д. И. Опубликован 10.12.2009.

49. Пинский B.JI. Развитие техники и технологии добычи калийных руд в России// Горный журнал, №8, 2007. - С. 13-17.

50. Позин Е.З. Методические основы исследования процессов разрушения угля механическим способом // Разрушение углей и горных пород: научные сообщения. - М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 1989. - С.4-13.

51. Позин Е.З., Меламед В.З., Азовцева С.М. Измельчение углей при резании. - М.: Наука, 1977. - 139 с.

52. Позин Е.З., Меламед В.З., Тон В.В. Разрушение углей выемочными машинами - М.: Недра, 1984 . - 288 с.

53. Полуянский С.А., Игнатович Ю.Н., Козырев О.Ю. Процессы разрушения горных пород проходческими комбайнами. - К.: Наук, думка, 1984. - 144 с.

54. Полянина Г.Д. Газы соляных пород и газопроявления в рудниках Верхнекамского месторождения// Горный журнал. Изв. ВУЗов, №6, 1995. -

C. 145-150.

55. Проскуряков Н.М., Пермяков P.C., Черняков А.К. Физико-механические свойства соляных пород. - Л.: Недра. 1973. - 272 с.

56. Протасов Ю.И. Пылевыделение при разрушении горных пород// Горный журнал. Изв. ВУЗов, №1, 1993. - С. 51-53.

57. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. - 3-е изд., стер. - М.: Из-во МГГУ, 2002. - 453 с.

58. Протодьяконов М.М., Тедер Р.И. Методика рационального планирования экспериментов. - М.: Наука, 1970. - 76 с.

59. Проходческо-очистные комбайновые комплексы калийных рудников. Учебное пособие для машинистов горных выемочных машин. Ч. 1/ Сост., Васильев Б.В. и др. - Пермь: ЗАО «НИПО» ПГТУ, 1998. - 275 с.

60. Расчет эксплуатационных параметров проходческо-очистных комбайнов для добычи калийных руд. Методические указания/ Сост. Чекмасов Н.В. - Пермь: ПГТУ, 2003. - 31 с.

61. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твёрдых тел. - М.: Наука, 1974. - 560 с.

62. Результаты испытаний физико-механических свойств каменной соли: Отчёт/ Руковод. Ольховиков Ю.П - Пермь: УралВНИИГ, 1977. - 6 с.

63. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1984. - 359 с.

64. Родин P.A. О механизме роста трещины при разрушении упруго-хрупкого тела// Горный журнал. Изв. ВУЗов, №10, 1991. - С. 5-12.

65. Сафохин М. С. Горные машины и оборудование: Учеб. для ВУЗов. - М.: «Недра», 1995. - 463 с.

66. Светличный Д.М., Деветьев В.З., Леденцов Л.А. Технико-экономическое обоснование применения выемочных машин на Верхнекамских калийных рудниках // Научные труды ПермНИУИ, № 8, 1965.-С. 63-71.

67. Светличный Д.М., Деветьев В.З., Уразова А.И., Шутов Л.С. Исследование пород Верхнекамского месторождения на одноосное сжатие, контактную прочность и абразивность// Научные труды ПермНИУИ, №7, 1964.-С. 37-44.

68. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т2. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 560 с.

69. Семёнов В.В. Обоснование и выбор параметров исполнительных органов проходческо-очистных комбайнов нового поколения для добычи калийных руд. Автореф. дис. канд. техн. наук., спец. 05.05.06. - Тула, 2011. -23 с.

70. Семёнов В.В., Шмакин И.Г., Жабин А.Б., Суров А.И. Обоснование параметров и выбор резцов планетарно-дискового исполнительного органа

комбайна «Урал-20Р»// Известия тульского государственного университета. Естественные науки, №3, 2009 г. - с.300-309.

71. Слепян Л.И. Механика трещин: 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1990. - 296 с.

72. Слободкин М.И. Основы аналитической теории резания углей. - М.: Углетехиздат, 1947. - 207 с.

73. Слуцкер А.И., Рыскин B.C. Эволюция учения о прочности твёрдых тел. Материалы XXVI съезда КПСС. - М.: Изд-во Политлитературы, 1982. -С.145-152.

74. Солод В.И., Зайков В.И., Первов K.M. Горные машины и автоматизированные комплексы: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1981.- 503 с.

75. Солод В.И., Зайков В.И., Первов K.M. Разрушение горных пород отрывом// Исследование некоторых физических свойств горных пород/ Ред. Ржевский B.B. - М.: Недра, 1967. - С. 18-25.

76. Старков Л.И. Развитие механизированной разработки калийных руд/ Старков Л.И., Земсков А.Н., Кондрашев П.И. - Пермь: ПГТУ, 2007. -522 с.

77. Старков Л.И., Харламова H.A. Исследование схемы перекрёстного резания// Горный журнал. Изв. ВУЗов, №7-8, 1997. - С. 74-76.

78. Усовершенствование применяемых и разработка новых систем разработки на Солигорском калийном руднике на базе новой техники: Отчёт/ Руковод. Брусиловский Д.В. №50СТ-63. - Л.: ВНИИГ, 1964. - 28 с.

79. Филоненко-Бородич М.М. Механические теории прочности. Курс лекций. -М.: МГУ, 1961. - 92 с.

80. Финкель В.М. Физика разрушения. - М.: Металлургия, 1970 г. - 736

с.

81. Харламова H.A. Исследование механизма разрушения соляных горных пород резцовым инструментом/ Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. - Пермь: ПГТУ, 1998. - 173 с.

82. Харламова Н.А., Зильбершмидт В.Г., Леонович М.Ф. Влияние глубины и шага резания на энергоёмкость разрушения и выход некондиционной мелкой фракции// Горный журнал. Изв. ВУЗов, №1-2, 1997. -С. 8-12.

83. Чекмасов Н.В., Шишлянников Д.И. Обоснование параметров и конструкции исполнительного органа проходческо-очистного комбайна с перекрёстными резами// Научные исследования и инновации, №1 - Т.4 -Пермь: ПГТУ, 2010. - С. 92-94.

84. Чекмасов Н.В., Шишлянников Д.И., Спирин Е.А.. Обоснование параметров исполнительных органов с перекрёстными резами калийных комбайнов// Научные исследования и инновации, №1 - Т.5. - Пермь: ПГТУ, 2011.-С. 176-177.

85. Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения - М.: Недра, 1987. - 308 с.

86. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения - М.: Наука, 1974. -

640 с.

87. Шилов А. С. Исследование процесса резания каменной соли стружками большого сечения и разработка исполнительного органа выемочной машины: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Новочеркасск: НПИ, 1982. - 22 с.

88. Шмакин И.Г., Романов В.А., Бранкер И.И. К исследованию усилий при резании калийных солей// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №6, 1980. - С. 53-57.