CC BY
2с! ) https://dx.doi.org/ 10.36522/2181-9637-2023-5-2 UDC: 661.632.722(045)(575.1)
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ БЛОКОВ КАМНЯ МАШИНАМИ УДАРНОГО
ДЕЙСТВИЯ
Махмудов Азамат,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Горная электромеханика», ORCID: 0000-0002-1260-9433, е-mail: [email protected]
Навоийский государственный горно-технологический университет
Аннотация. В данной работе приведены основные факторы, оказывающие влияние на эффективность разрушения пород ударной нагрузкой по контуру при добыче блоков в крепких породах, такие как: величина ударного нагруже-ния (энергия единичного удара), геометрические параметры рабочего инструмента, параметры схемы разрушения и т. д. Проведён анализ методик научных институтов горного дела. Разработана методика проведения экспериментальных работ по определению основных параметров разрушения в зависимости от силовых, энергетических и конструктивных параметров инструмента. Приведены графики зависимости удельных энергозатрат от высоты скалываемого слоя, зависимости удельных энергозатрат разрушения от энергии единичного удара (А), зависимости удельных энергозатрат разрушения мрамора долотом от высоты скалываемого слоя и изменение величины работы (А) от глубины внедрения (h) в породу клиньев. Разработана эмпирическая зависимость определения удельных энергозатрат разрушения горных пород при добыче блочных камней.
Ключевые слова: факторы, разрушение, методика, энергозатраты, параметры, зависимость, инструмент.
ZARBLI HARAKATLANUVCHI MASHINALAR BILAN TOSH BLOKLARINI QAZIB OLISH TEXNOLOGIYASI SAMARADORLIGINI BELGILOVCHI ASOSIY OMILLARNI ANIQLASH USULLARI
Maxmudov Azamat,
texnika fanlari nomzodi, "Konchilik elektr mexanikasi" kafedrasi dotsenti
Введение
Анализ мирового и отечественного рынков природного камня говорит о возрастании доли потребления облицовочных изделий из декоративного прочного камня. В связи с требованиями рынка и значительной конкуренцией между предприятиями-изготовителями возрастает значение качества и стоимости конечного изделия из природного камня. С установлением рыночных отношений в Узбекистане, особенно в последнее десятилетие, в регионах формируется крупный промышленный комплекс по добыче и обработке природного облицовочного камня. Основным фактором неуклонного подъёма отрасли во всех регионах является огромная сырьевая база, а также рыночный спрос на строительно-облицовочные изделия из природного камня. В структуре отечественного производства преобладают изделия из мрамора и мраморизованных известняков (72 %), а также гранита и других прочных пород (28%). С повышением прочности природного камня существенно возрастают трудоёмкость и себестоимость процесса отделения блоков от массива.
Из работ, посвящённых вопросам технологии разработки месторождений природного камня, учёных стран СНГ и зару-
s
бежных исследователей можно констатировать, что дальнейшее совершенствование способов их отделения лежит в области применения комбинированного метода, сочетающего алмазно-канатное пиление и отрыв моноблоков динамическим приложением усилий, что позволяет получать крупноблочное сырьё с ровными поверхностями, снижая потери природного камня (Karkashadze, 2004), (Makhmudov, 2022), (Nikolayevskiy, 1981), (Protasov, 1995), ^^е^ 1998), (Tangayev, 1986).
Основными факторами, оказывающими решающее влияние на эффективность разрушения пород ударной нагрузкой по контуру при добыче блоков в крепких породах, являются: величина ударного нагружения (энергия единичного удара), геометрические параметры рабочего инструмента, параметры схемы разрушения. Энергоёмкость разрушения горных пород ударным клиновидным инструментом может быть достаточно полно представлена в следующем структурном виде (формула 1):
А = АД (1)
где А1 - энергия удара;
П - КПД данного вида рабочего оборудования.
Основные факторы разрушения (энергия единичного удара, геометрические параметры инструмента, параметры схемы разрушения, высота скалываемого слоя, шаг скола) имеют между собой определённую связь, характеризующуюся наличием оптимального соотношения между энергией удара и площадью контакта инструмента с разрушаемым материалом. Увеличение этих величин при сохранении оптимального соотношения между ними способствует повышению эффективности ударного процесса разрушения, проявляющегося в снижении удельных энергозатрат разрушения при выходе более крупных фракций разрушенной породы. Прослеживается связь между всеми параметрами разру-
Navoiy davlat konchilik va texnologiyalar universiteti
Annotatsiya. Ushbu maqolada qattiq tog' jinsli bloklarni qazib olishda kontur bo'ylab zarba kuchi bilan toshlarni buzish samaradorligiga ta'sir qiluvchi asosiy omillar, masalan, zarba kuchining qiymati (birlik zarba energiyasi), ishchi asbobning geometrik o'lchamlari, buzish sxemasi parametrlari va boshqalar keltirilgan. Shuningdek, konchilik ilmiy institutlari metodikalari tahlil qilingan. Asbobning kuch, energiya va konstruktiv parametrlariga qarab tog' jinsini buzishning asosiy parametrlarini aniqlash uchun eksperimental ishlarni bajarish metodikasi ishlab chiqilgan. Muayyan energiya xarajatlarining maydalangan qatlam balandligiga bog'liqligi, parchalanishning o'ziga xos energiya sarfining A birlik zarbasi energiyasiga bog'liqligi, dolota bilan marmarni parchalashning o'ziga xos energiya sarfining buziladigan qatlami balandligiga bog'liqligi va ish hajmining o'zgarishi A qoziqsimon instrumentning tog' jinsiga botish chuqurligi h ga bog'liqligi grafiklari keltirilgan. Blokli toshlarni qazib olishda tog' jinslarini buzishning o'ziga xos energiya sarfini aniqlashning empirik bog'liqligi ishlab chiqilgan.
Kalit so'zlar: omillar, buzish, metodika, energiya sarflar, o'lchamlar, bog'liqlik, asbob.
DETERMINING THE MAIN FACTORS THAT MEASURE THE EFFICIENCY OF THE TECHNOLOGY OF STONE BLOCK EXTRACTION BY PERCUSSION MACHINES
Makhmudov Azamat,
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Mining Electric Mechanics
Navoi State University of Mining and Technologies
Abstract. This paper presents the main factors influencing the efficiency of rock destruction by impact loading along the contour during mining of blocks in strong rocks, such as the magnitude of impact loading (energy of a single impact), geometric parameters of the working tool, parameters of the fracture scheme, etc. Approaches applied by research institutions in mining science have been scrutinized. A methodology of experimental work to determine the main parameters of fracture depending on the force, energy, and design parameters of the tool is developed. The graphs of dependence of specific energy consumption on the height of the craggy layer as well as of dependence of specific energy consumption of destruction on the energy of a single blow A and of specific energy consumption
of marble destruction by a chisel on the height of the craggy layer and change of work value A on the depth of wedge penetration h into the rock are presented. Keywords: factors, destruction, methodology, energy input, parameters, dependence, instrument.
шения: энергией удара, геометрическими параметрами инструмента, параметрами схемы разрушения (Kutuzov, 1973), (Makhmudov, Research of the massif and the main parameters of the development system of complex structural deposits of facing stone in Uzbekistan, 2022), (Makhmudov, Study of the energy parameters of rock destruction using a wedge-shaped tool, 2023), (Toshov, Makhmudov, & al., 2005).
Несмотря на выполненное огромное количество исследований по разрушению горных пород, вопросы направленного развития трещин по контуру с приложением статико-динамических усилий остаётся до конца не решённым.
Поэтому обоснование выбора способа отделения при добыче блоков прочных пород природного камня методом контурной отбойки монолитов, учитывающего технологические параметры добычного и перерабатывающего распиловочного оборудования, основывающегося на экономической эффективности производства продукции на камнеобрабатывающем предприятии, является актуальной задачей.
Материалы и методы
В Национальном научном центре горного производства - Институте горного дела им. А.А. Скочинского (ИГД им. А. Ско-чинского) и Донецком государственном научно-исследовательском угольном институте (ДонУГИ) разработана методика проведения экспериментальных исследований и проведены исследования разрушения пород под действием динамических нагрузок. При выполнении исследований были рассмотрены и экспериментально сопоставлены различные методы динамических воздействий на горные породы, в зависимости от поставленной
задачи, разработки инструмента для разрушения горных пород. Для оценки сопротивляемости горных пород разрушению динамическими нагрузками применены различные методы.
В результате анализа работ (Karkashadze, 2004), (Kutuzov, 1973), (Tangayev, 1986), (Makhmudov, Energy parameters for fracturing rocks with wedge-shaped tools, 2023) была установлена связь между показателем дробимости и показателями некоторых физико-механических свойств горных пород. Предложены формулы для приближённого определения показателя дробимости Vmax по известным величинам временного сопротивления сжатию образцов правильной формы асж, временного сопротивления сжатию образцов неправильной формы осж, коэффициента крепости по методу толчения fT, коэффициента крепости по методу раздавливания образцов неправильной формы fT, усреднённого коэффициента крепости fT, контактной прочности Рк (кг/мм2), скорости распространения продольных волн а (м/с), акустической жёсткости ра (кгс/см3) и динамической твёрдости Т по Лору.
В ДонУГИ проведены дополнительные экспериментальные работы применительно к схеме разрушения забоя с двумя обнажёнными плоскостями и с целью оценки работоспособности рабочего инструмента с изменяющейся геометрией по радиусу его закругления (Kutuzov, 1973), (Nikolayevskiy, 1981).
Для решения поставленной задачи разрушения между шпуровыми полостями ударом клиновидного инструмента при подготовке блоков камня к выемке по контуру нами разработана методика проведения экспериментальных работ по определению основных параметров разрушения в зависимости от силовых, энергетических и конструктивных параметров инструмента. На рисунке 1 приведена схема определения параметров откола горной породы одиночным клиновидным инструментом.
16
04.00.10 - GEOTEXNOLOGIYA (OCHIQ, YER OSTI VA QURILISH)
х
Рис. 1. Схема определения параметров откола горной породы
Для определения удельной энергоёмкости разрушения применяется метод исследовательских работ под воздействием падающего груза с индентором на гравитационном копре. В экспериментальной установке предусмотрена возможность изменения массы груза, высоты его сбрасывания на породу и замена индентора. Энергию единичного удара вычисляют по известной формуле [Яа^е^ 1998), [Та^ауе^ 1986):
А = тдН, [2)
где т - масса груза;
д - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2;
Н - высота сбрасывания индентора, м.
Объём разрушенной горной породы определяется с помощью пластилина, которым заполняют лунку разрушения:
расчётным путём по схеме определения параметров откола, приведённой на рисунке 1, или весовым методом при известных значениях плотности горной породы. Целью серий экспериментов является построение зависимостей энергоёмкости разрушения от энергии удара Е = f(A), угла заточки клина Е = f(a), ширины инструмента Е = f(b), высоты скалывания породы Е = f(h ) и глубины внедрения индентора
Е=f(KJ.
Результаты исследований
В процессе экспериментальных работ полученные количественные значения показателей были обработаны стандартной программой Microsoft Office Excel и построены графики эмпирических зависимостей, а также определены коэффициенты корреляции. Ниже приведены результаты исследований энергоёмкости разрушения от высоты разрушения Е = f(hcK) [рис. 2) и энергии удара Е = f(A) (рис. 3).
Из графиков зависимости удельных энергозатрат разрушения Е от высоты скалываемого слоя Н [рис. 2), которая изменяется по параболическому закону, видно, что наиболее эффективно процесс разрушения пород протекает при высоте скалываемого слоя 115-160 мм. Эксперименты проводились на различных породах и при различных энергиях удара, однако полученные оптимальные значения высоты скалываемого слоя имеют однозначную величину.
у = 9E-05x2 - 0,023x + 3,000 R?= 0,932
♦
X -»-♦-
V у = 8E-05x2 - 0,023x + 2,344 R?= 0,981
у = 4E-05x2 - 0,009x + 1,285 --- --- ■ Щ -—Ш R"?— Л QÇ4
10 40 70 100 130 160 190
h, мм
Рис. 2. График зависимости удельных энергозатрат от высоты скалываемого слоя при разрушении гранита (1), мрамора (2), известняка (3)
PRINT ISSN 2181-9637 ILM-FAN VA INNOVATSION RIVOJLANISH
ONLINE ISSN 2181-4317 НАУКА И ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ
5 / 2023 SCIENCE AND INNOVATIVE DEVELOPMENT
Рис. 3. Кривые зависимости удельных энергозатрат от энергии удара при разрушении гранита (1), мрамора (2), известняка (3)
На рисунке 3 приведены графики зависимости удельных энергозатрат разрушения от энергии единичного удара А. Зависимости характеризуются параболическим видом и ярко выраженными оптимумами величин энергии единичного удара, количественное значение которых для гранита составляет 700900 Дж, для мрамора и известняка примерно одинаково и колеблется в пределах 300-500 Дж. При энергии удара ниже оптимального значения глубина внедрения инструмента в породу значительно больше, чем при работе в оптимальном режиме. С увеличением энергии удара снижается число ударов, расходуемых до наступления откола крупного элемента породы, уменьшается величина заглубления инструмента в породу, а также объём породы, измельчаемой под лезвием инструмента, и, как правило, уменьшаются удельные энергозатраты разрушения. Отделение от массива скалываемого элемента породы при работе в оптимальном режиме (при оптимальных значениях энергии удара) наступает при воздействии на массив не одного, а нескольких ударов.
При достижении оптимального соотношения между энергией удара и площадью контакта инструмента с поро-
дой ударная энергия реализуется наиболее эффективно и обеспечивается отделение от массива крупного элемента породы.
Таким образом, существует оптимум энергии удара, при котором она реализуется наиболее эффективно.
Анализ результатов исследования
Показатели удельных энергозатрат при разрушении мрамора и известняка находятся приблизительно на одном уровне, несмотря на их различную крепость (временное сопротивление сжатию). Это свидетельствует о том, что предел прочности на сжатие не является критерием оценки сопротивляемости пород разрушению. В данном случае отделение элементов породы от массива осуществляется по плоскостям напластования, в связи с чем значительно снижается сопротивляемость породы отрыву.
Эта закономерность была подтверждена экспериментами, в процессе которых отделение элементов породы от блока мрамора производилось как в направлении, перпендикулярном напластованию пород, так и в направлении, параллельном напластованию пород. Несмотря на отсутствие в мраморе явно выраженной слоистости, эффективность
s
разрушения его во втором случае оказалась в значительной степени выше, чем в первом. Удельные энергозатраты разрушения породы, отделяемой по её напластованию, составили 0,25 кВт.ч/м3, а по перпендикулярно напластованию породы - 0,6 кВт.ч/м3.
Исследования доказали достаточно высокую эффективность ударного способа разрушения горных пород по схеме, предусматривающей отделение элементов породы от массива по плоскостям напластования вдоль дополнительной (второй) обнажённой поверхности. При этом для каждого типа пород существует оптимальное значение энергии единичного удара. Увеличение или уменьшение этой величины связано с ростом удельных энергозатрат разрушения. При работе в оптимальном режиме (при оптимальных значениях энергии удара) процесс разрушения характеризуется выходом крупных фракций разрушаемого материала (табл.) без их дополнительного дробления при незначительном пылеобразова-нии.
Таблица Выход фракции разрушаемого материала
Размер фракций, мм Тип породы
мрамор, % гранит, % известняк, %
150-300 24 14 18
50-150 66 58 44
10-50 8 18 33
Менее 10 2 10 5
Исследования показали, что независимо от типа пород и различной величины энергии удара оптимум высоты скалываемого слоя имеет однозначную величину. Необходимо отметить, что эта группа опытов была выполнена с использованием долотчатого инструмента с шириной лезвия 45 мм. Для исследования взаимосвязи энергетических пара-
метров и параметров схемы разрушения с геометрическими данными инструмента были выполнены эксперименты, предусматривающие изменение в широком диапазоне перечисленных параметров.
Из графиков зависимостей Е = /(Ъ) (рис. 4), характеризующих процесс разрушения мрамора, видно, что имеется ярко выраженный оптимум высоты скалываемого слоя для различной ширины инструмента, характеризующийся минимальными удельными энергозатратами разрушения.
Этот оптимум при ширине лезвия долота 25 мм находится в пределах 70-130 мм, при ширине лезвия 45 мм -100-160 мм и при ширине лезвия 65 мм - 190-220 мм. Аналогичная закономерность имеет место при разрушении известняка и гранитов. Таким образом, оптимум высоты скалываемого слоя с увеличением ширины лезвия долота увеличивается. Такое положение имеет место при различных энергиях удара. Следовательно, оптимум высоты скалываемого слоя не зависит от типа пород и энергии единичного удара, а зависит только от ширины лезвия долота.
Для работы в оптимальном режиме независимо от типа пород и энергии единичного удара между высотой скалываемого слоя Иск и шириной лезвия долота Ь (с углом заострения в = 900) должно быть выдержано следующее соотношение: Ъск = (2,8 * 3,6)Ь.
Из графиков (рис. 4) видно, что рост эффективности ударного процесса разрушения предопределяется ростом высоты скалываемого слоя при соответствующем увеличении до оптимального значения ширины лезвия инструмента и энергии удара. Характерно, что в этом случае величина отношения энергии удара к ширине лезвия долота остаётся постоянной и определяется свойством разрушаемой породы.
40 60 80 100 120 140 160
h,mm
а)
б)
в)
Рис. 4. Графики зависимости удельных энергозатрат разрушения мрамора долотом от высоты скаливаемого слоя при ширине лезвия: а) 25 мм, б) 45 мм, в) 65 мм
20
04.00.10 - GEOTEXNOLOGIYA (OCHIQ, YER OSTI VA QURILISH)
1 - А = 10 кгм; 2 - А = 30 кгм;
3 - А = 50 кгм; 4 - А = 70 кгм; 5 - А = 50 кгм;
6 - А = 110 кгм; 7 - А = 70 кгм; 8 - А = 90 кгм; 9 - А = 90 кгм; 10 - А = 110 кгм;
11 - А = 130 кгм; 12 - А = 150 кгм.
Для разработки горных пород наиболее целесообразно применять рабочий инструмент клинообразной формы с острыми гранями, который может быть одно- или двускосным, комбинированного исполнения с различными углами заострения и шириной лезвия. Для внедрения двускосного симметричного клина:
чем больше угол заострения, тем больше затрачивается энергия. Но при малом угле заострения сопротивление внедрению клина мало, но могут оказаться малы и развивающиеся усилия, чтобы создать предельные разрывающие напряжения для откола породы. Так, для погружения клина с углом заострения а = 70 соотношение энергии погружения на 4 и 1 см будет равно 13, а для клина с а = 300 равно 14.
Влияние этих геометрических параметров на величины объёмов сколов горных пород и энергоёмкости разрушения показаны на рисунке 5.
А,Дж
Рис. 5. Изменение величины работы А от глубины внедрения Ь в породу клиньев
с углами заострения а = 70 (1) и а = 300 (2)
Оптимальным углом заострения клина для откола горных пород является угол, равный 25-90°.
Анализ экспериментальных данных показывает, что показатель зависимости удельных энергозатрат (Е) от энергии единичного удара (А), высоты разрушаемого слоя (Лск) и конструктивных параметров клиновидного инструмента (а, Ь, hвн) подчиняется параболическим законам. Эта зависимость определяется по следующей эмпирической формуле:
Е = СХ2 - СХ - С0 (3)
где С(, С1, С2 - безразмерные эмпирические коэффициенты.
При этом коэффициент корреляции составляет й = 0,98 - 0,99.
Выполненные лабораторные эксперименты по разрушению пород ударным долотчатым инструментом с различным углом заострения показали, что рост эффективности ударного процесса разрушения пород при наличии двух взаимно перпендикулярных плоскостей обнажения предопределяется увеличением высоты скалываемого слоя и ширины лезвия инструмента при сохранении оптимального соотношения между этими параметрами.
Выводы
Для проведения опытно-экспериментальных работ были разработаны специальные методы технологических схем ис-
PRINT ISSN 2181-9637 ILM-FAN VA INNOVATSION RIVOJLANISH
ONLINE ISSN 2181-4317 НАУКА И ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ
5 / 2023 SCIENCE AND INNOVATIVE DEVELOPMENT
04.00.10 - GEOTEXNOLOGIYA (OCHIQ, YER OSTI VA QURILISH)
пытаний образцов горных пород, которые позволяют оценить прочностные свойства при воздействии на них относительно направления развития систем трещи-новатости массива, а также возможности определения наилучшего направления разрушающих усилий для достижения наименьших энергетических затрат разрушения.
Серией экспериментов установлено, что зависимости энергоёмкостей разрушения от энергии удара Е = /(А), угла заточки клина Е = /(а), ширины инструмента Е = /(Ь), высоты скалывания породы Е = /(К) и глубины внедрения индентора Е = /(Ъдн) подчиняются параболическим законам изменения.
В процессе экспериментальных работ получены количественные значения показателей, они были обработаны стандартной программой Microsoft Office Excel, построены графические эмпирические зависимости.
Установлена закономерность энергетических показателей отделения блоков камня от структурного строения массива, которая подтверждена экспериментами. В процессе экспериментов определено, что, несмотря на отсутствие в мраморе явно выраженной слоистости, удельные энергозатраты разрушения породы, отделяемой параллельно её напластованию, составили 0,25 кВт.ч/м3, а перпендикулярно напластованию породы - 0,6 кВт. ч/м3.
REFERENCES
1. Karkashadze, G. (2004). Mekhanicheskoye razrusheniyegornykh porod [Mechanical destruction of rocks]. Moscow: Moscow State Humanitarian University Publ.
2. Kutuzov, B. (1973). Vzryvnoye i mekhanicheskoye razrusheniye gornykh porod [Explosive and mechanical destruction of rocks]. Moscow.
3. Makhmudov, A. (2022). Research of the massif and the main parameters of the development system of complex structural deposits of facing stone in Uzbekistan. Nauka i innovatsionnoye razvitiye - Science and Innovative Development(3), 54-63.
4. Makhmudov, A. (2022). Teoreticheskoye issledovaniye sposoba podgotovki gornykh porod k vyyemke na osnove udarnogo deystviya [Theoretical study of the method of preparing rocks for excavation based on impact action]. Gornyy vestnik Uzbekistana - Mountain Bulletin of Uzbekistan, 2(89), 13-16. doi:10.54073/GV.2022.2.89.003
5. Makhmudov, A. (2023). Energy parameters for fracturing rocks with wedge-shaped tools. Science and Innovative Development(1), 10-16. doi:10.36522/2181-9637-2023-1-2
6. Makhmudov, A. (2023). Study of the energy parameters of rock destruction using a wedge-shaped tool. Gornyy vestnik Uzbekistana - Mountain Bulletin of Uzbekistan, 2(93), 23-27. doi:10.54073/ GV.2023.2.93.005
7. Nikolayevskiy, V. (1981). Dinamicheskaya prochnost' i skorost' razrusheniya. Udar, vzryv i razrusheniye [Dynamic strength and fracture rate. Impact, Explosion and Destruction]. Moscow: Mir Publ.
8. Protasov, Y. (1995). Razrusheniye gornykh porod [Destruction of rocks]. Moscow: MGSU Publ.
9. Rakishev, B. (1998). Energoyemkost' mekhanicheskogo razrusheniya gornykh porod [Energy intensity of mechanical destruction of rocks]. Almaty: Baspager Publ.
10. Tangayev, I. (1986). Energoyemkost' protsessov dobychi i pererabotki poleznykh iskopayemykh [Energy intensity of mineral extraction and processing processes]. Moscow: Nedra Publ.
11. Toshov, Z., Makhmudov, A., & al., e. (2005). Determination of the specific load on the front edge of the cutter. Problemy mekhaniki - Problems of Mechanics(3), 98-100.
Рецензент:
Баратов Б.Н., к.т.н., декан Горно-металлургического факультета, филиала НИТУ "МИСИС", г. Алмалык.
