CC BY
9
© В.В. Аксенов, К.А. Ананьев, В.Ю. Бегляков, 2012
В.В. Аксенов, К.А. Ананьев, В.Ю. Бегляков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ГЕОХОДА С ПОРОДОЙ ЗАБОЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ РАЗРУШАЮЩЕГО МОДУЛЯ
Описано влияние параметров поверхности взаимодействия исполнительного органа геохода с породой забоя на НДС породы. Обоснована целесообразность использования рациональных параметров поверхности взаимодействия в качестве исходных данных при создании исполнительных органов геоходов.
Ключевые слова: геоход, поверхность взаимодействия, уступ, исполнительный орган.
На основании ряда проведенных исследований [1, 2] предложен новый инновационный подход к процессу проведения горных выработок — геовинчестерная технология, базовым элементом которой является геоход. Его отличия от традиционных проходческих машин накладывает особенности на работу исполнительный орган (ИО). ИО существующих горнопроходческих систем и сформированные в работах [3, 4] схемные решения ИО геоходов не в полной мере учитывают особенности работы последних.
Традиционно при проектировании ИО проходческой техники исходными данными являются физико-механические свойства породы, размеры и профиль выработки, производительность и некоторые другие факторы. При этом форма поверхности взаимодействия ИО с породой забоя (ПВ) является вторичным фактором, формируется в результате реализации того или иного конструктивного решения ИО, и не входит в число исходных данных к проектированию ИО горной машины.
Одной из основных задач при создании ИО геоходов является снижение удельной энергоемкости разрушения породы. На это направлен новый подход к созданию ИО [5], который заключается в обеспечении смещения фоновых напряжений (напряжений, создаваемых суммарным воздействием всех разрушающих элементов ИО, и оказывающих влияние на напря-
жения в локальной зоне действия отдельно взятого элемента (резца, лезвия, шарошки и т.п.)) в породе в сторону растяжения. Это достигается за счет формирования рациональной формы ПВ.
Для обоснования рациональной формы ПВ решен ряд задач.
Обоснована предпочтительность уступа перед плоским забоем [6]. Описано влияние параметров уступа на напряженно-деформированное состояние (НДС) породы забоя. Обоснована рациональная форма образующей забоя [4].
Сравнение НДС плоского забоя с НДС забоя с уступами (рис. 1) показывает:
• фоновые напряжения в зоне ПВ при разрушении забоя с уступом преимущественно растягивающие, а при разрушении плоского забоя сжимающие;
а ^ области касательных напряжении
Области растягивающих напряжений
Рис. 1. Эпюры напряжений в породе плоского забоя (а) н в забое с уступом (б)
Рис. 2. Развертка цилиндрического сечения поверхности забоя с линейным профилем ПВ (а) и с цилиндрической ПВ (б)
• область распространения максимальных сжимающих напряжений при разрушении забоя с уступом лежит за пределами ПВ, а при разрушении плоского забоя совпадает с ней;
• область распространения максимальных растягивающих напряжений при разрушении забоя с уступом совпадает с ПВ, а при разрушении плоского забоя лежит за её пределами;
• глубина распространения суммарных напряжений при разрушении забоя с уступом больше чем при разрушении плоского забоя.
На рис. 2 показаны основные геометрические параметры уступа, влияние которых на НДС в зоне ПВ было рассмотрено. В числе основных параметров вошли: угол наклона у ПВ, отношение толщины срезаемого слоя h к диаметру инструмента D (относительная высота^ = h/D) и отношение расстояния между уступами 1 к толщине срезаемого слоя h (относительное расстояние 1h = 1/h).
Семейство кривых на рис. 3 характеризует влияние угла наклона у ПВ на распределение главных напряжений ст3, показывает, что с увеличением угла у значения главных напряжений смещаются в сторону растягивающей полуоси, и при у > 70° значения напряжений с3 находятся в растягивающей области
на всех участках поверхности взаимодействия, что появление трехосного сжатия.
исключает
(МПа)
2,00
Рис. 3. Распределение главных напряжений а3 (МПа) по поверхности взаимодействия в зависимости от угла её наклона: г — расстояние от внутренней кромки, В — ширина ПВ
Ь = 50 мм Ь = 150 мм Ь = 250 мм Ь = 350 мм
Рис. 4. Эпюры главных напряжений (г3 в области ПВ при высоте уступа И
На рис. 4 представлены эпюры главных напряжений с3 в области поверхности взаимодействия в зависимости от относительной высоты уступа h/D. Из рисунка видно, что при увеличении h/D увеличивается распространение растягивающих напряжений в породе.
Влияние на НДС забоя относительного расстояния между уступами l/h иллюстрируется графиками на рис. 5.
Из графиков видно, что при lh< 0,25 главные напряжения с3 находятся в сжимающей области, что приводит к преобладанию трехосного сжатия в зоне ПВ, при увеличении относительного расстояния между уступами напряжения в породе смещаются в сторону растяжения, но при значениях lh > 1,25 расстояние между уступами перестаёт оказывать влияние на напряжения в породе.
Учитывая, что НДС породы зависит от расстояния до оси выработки r и шага внешнего движителя геохода h^ можно выявить характерные концентрические зоны на груди забоя (рис.
6) [7].
Приближаясь от периферии к центральной зоне забоя растягивающие напряжения постепенно уменьшаются и переходят в сжимающие. Таким образом, зависимость напряжений от радиальной координаты проявляется в центральной области, а преимущества обработки забоя с уступом утрачиваются в центральной части забоя.
Рис. 5. Графики зависимостей главных напряжений а3 от относительного расстояния между уступами ¡/И в области внутренней кромки (а), в средней части ПВ (б) и в области внешней кромки (в)
Рис. 6. Расположение характерных концентрических зон на поверхности забоя
Обеспечение относительного расстояния между уступами 4 > 1ькР, при котором смещение главных напряжений в направлении растяжения максимально, достигается изменением формы образующей забоя, которая в свою очередь является внутренней кромкой уступа. Рациональная форма образующей определяется эллиптическим интегралом [7]:
= 1
Ь1 + (2 пг )2
ёг,
где г — осевая координата точки забоя, а гкр — расстояние до оси выработки, при котором относительное расстояние между уступами 4 = 1ъкр.
Это выражение позволяет определить форму рациональной образующей забоя в диапазоне 0 <1 г 1< , при 2п
Ьв1Кр
г > —х—1- угол наклона 2п
Рис. 7. Рациональная форма образующей забоя
г
КР
образующей не оказывает существенного влияния на условия резания и может быть выбран из конструктивных соображений.
Рациональная форма образующей представлена на рис. 7.
Из выше сказанного можно сделать вывод, что рациональные параметры ПВ, определенные при моделировании процесса взаимодействия ИО с породой должны быть включены в исходные данные на этапе предпроектной подготовки при разработке ИО геоходов.
1. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В. В. Аксенов. — Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1992. — 192 с.
2. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. — Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004. — 264 с.
3. Аксенов В.В. Синтез технических решений исполнительных органов геоходов / Аксенов В.В., Садовец В.Ю. // Вестник КузГТУ — 2006. — № 6. — С. 64—68.
4. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе Разработка специальной технологии проходки аварийно-спасательных выработок в завалах при ликвидации техногенных катастроф // Государственный контракт от 10 августа 2007 г. № 78-0ПН-07п.
5. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Синтез конструктивных решений исполнительных органов геоходов // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение / М.: МГГУ, 2010 — ОВ № 3. — С. 49—54.
6. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Влияние уступа на НДС призабойной части горной выработки, при проходке геоходом // Сборник трудов XII Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности». — Кемерово, 2009. — С. 216—224.
7. Бегляков В.Ю. Обоснование параметров поверхности взаимодействия исполнительных органов геоходов с породой забоя. Дис. канд. техн. Наук. — Кемерово, 2012. — 139 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Аксенов В.В. — доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией угольной геотехники Института угля СО РАН, [email protected], Ананьев К.А. — старший преподаватель, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева,
Бегляков В.Ю. — старший преподаватель, младший научный сотрудник, Институт угля СО РАН, [email protected].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
