CC BY
18
УДК 621.86: 531.8
Л.С. Ушаков, В.Е. Климов
ВЫБОР ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ
ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД УДАРНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ТАРАННОГО ТИПА
Представлены работы, направленные на внедрение импульсных технологий при проведении горных выработок. Показан ударно-скалывающий исполнительный орган с отбойными устройства таранного типа. В результате анализа параметров, определяющих класс ударных систем выявлены основные связи между физико-механическими свойствами породы, геометрическими и динамическими характеристиками ударной системы. Предложена новая схема разрушения крепких пород с использованием инструмента таранного типа. Выбраны определяющие параметры процесса разрушения: показатель контактной динамической прочности, размер элемента структурной неоднородности массива, напряжение, возникающее в инструменте ударного действия «типа таран», угол заострения инструмента, ширина лезвия инструмента, которые способствуют введению новых представлений о критериях, характеризующих эффективность работы ударного инструмента таранного типа.
Ключевые слова: ударный исполнительный орган, определяющие параметры разрушения, прочностные свойства, таран, схема разрушения пород.
Разработка крепких горных пород и руд на основных горнодобывающих предприятиях ведется преимущественно буровзрывным способом [1]. Однако при высокой энерговооруженности данному способу присущи некоторые негативные факторы (цикличность, трещиновитость, нарушение сплошности вмещающих пород), которые приводят к снижению устойчивости технологических выработок и ухудшению показателей эффективности процесса разработки полезных ископаемых.
Применение безвзрывных технологий разрушения горных пород обеспечи-
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-100-105
ло создание буровых комплексов с шарошечным исполнительным органом, которые, в силу своего принципа работы и конструктивных параметров, требуют создания значительного усилия поджа-тия режущего инструмента к забою, что приводит к увеличению массы и габаритов машины, а также энергозатрат на повышенное измельчение пород массива. Указанные факторы определяют длину комплекса, что в свою очередь ограничивает использование таких машин в условиях проведения технологических (подготовительных) выработок, где необходимо изменять направление про-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 100-105. © Л.С. Ушаков, В.Е. Климов. 2017.
Рис. 1. Схема покрытия ударными воздействиями поверхность забоя при перемещении инструмента по эпициклоиде в плоскости
водимой выработки [2]. Совокупность перечисленных факторов ограничивает применение проходческих комплексов бурового типа при проходке технологических горных выработок.
Поиск оптимальных решений по созданию средств для безвзрывного разрушения крепких горных пород приводит к необходимости разработки новых принципов (способов) взаимодействия рабочего инструмента с горным массивом. Так, в настоящее время разработан и проводятся испытания геохода — аппарата для быстрой прокладки тоннелей под землей [3, 4]. Однако, такие комбайны могут осуществлять поставленные цели в условиях сравнительно малой крепости пород ^ < 4). Вместе с тем, проблема проведения технологических выработок по породам крепостью выше № > 10) — остается не решенной. В данное время так же проводится апробация ряда технологий направленных на внедрение машин ударного действия при проведении горных выработок [5], другая разработка имеет исполнительный орган, включающий в себя ротор с планшайбами, совершающий относи-
тельное и переносное движение, на которых закреплены гидроударники [6].
В ПНИЛ «Импульсные технологии» Орловского государственного университета им. И.С. Тургенева [7] проводятся исследования по обоснованию параметров планетарного ударно-скалывающего исполнительного органа проходческого комбайна. Технически задача решается путем внедрения новой компоновки ударно-скалывающего рабочего органа с использованием инструмента таранного типа. Представленный ударно-скалывающий исполнительный орган (рис. 1) размещен в корпусе и имеет отбойные устройства таранного типа, установленные аксиально направленно относительно друг друга. За счет планетарного исполнительного органа многоточечное, распределенное по площади забоя, воздействие ударной нагрузкой инструментом обеспечивает обработку всей груди забоя проводимой выработки.
Для выбора рациональных параметров планетарного ударно-скалывающего исполнительного органа проходческого комбайна исходным условием является установление величины (объема) пора-
жения горной породы при единичном ударе рабочего инструмента типа «таран».
Анализ параметров, определяющих класс ударных систем, позволил установить основные зависимости между физико-механическими свойствами породы, геометрическими и динамическими характеристиками ударной системы (рис. 2, а, б, в) [8]:
у = х2, х3, х4),
(1)
где х1 = ^2/Ркд — отношение напряжения на инструменте, возникающего от его соударения с бойком, к прочностному показателю породы; х2 = а2/Х(Ь) — отношение ширины лезвия инструмента к характерному геометрическому размеру структурной неоднородности или толщине стружки (Ь); х3 = ф2 — угол заострения породоразрушающего инструмента; х4 = т1/т2 — отношение массы бойка к массе промежуточного звена.
Рассмотрение зависимостей (1) применительно к предлагаемой схеме разрушения (рис. 2, г) предусматривает уточнение существующей картины процесса разрушения крепких пород ударным инструментом.
В отличие от представленных способов разрушения, в которых значение угла атаки варьируется от 0,14 до 0,37 ра-
диан, характерной особенностью предлагаемой новой схемы является перпендикулярное положение ударного инструмента к груди забоя (угол а = 0°). Такой подход способствует распространению трещин в глубь массива, что, в совокупности с подобными явлениями, генерируемыми аксиально направленными таранными отбойными устройствами, обеспечивает равномерное распределение ударов инструментов по груди забоя, с последующим разрушением породы.
Исследуемая модель процесса разрушения забоя, не имеющего дополнительных поверхностей обнажения, должна учитывать структурно-механические особенности породного массива, в первую очередь, сплошность и неоднородность. Поэтому в качестве характерного геометрического параметра при разрушении в лоб забоя принят размер элемента структурной неоднородности массива X.
Исследования [8] показывают, что при высокой степени блокированности породы с увеличением скорости удара возрастает контактная динамическая прочность разрушаемого материала, отсюда следует необходимость уменьшения частотного воздействие и увеличение энергии единичного удара [9].
Рис. 2. Схемы разрушения горных пород ударным инструментом: разрушение с двумя обнаженными поверхностями (а); разрушение при повторном нагружении (б); разрушение в лоб забоя (в); разрушение забоя тараном (г)
В числе основных параметров, определяющих тип ударных систем [10, 11], помимо физико-механических характеристик породы, геометрических и динамических показателей, определяется наличие и материал промежуточного звена (волновода). При переходе на приведенную схему (рис. 2, г) этот признак системы утрачивает свои функциональные особенности, одновременно с этим вводятся новые факторы, характеризующие скорость V, массу т и значение напряжения ст возникающее в инструменте — таране.
При разрушении в лоб забоя существенное значение имеет блокированность условий разрушения, которая, в свою очередь зависит от геометрии инструмента. В связи с этим возникает необходимость учета фактора величины угла заострения инструмента ф и ширины лезвия Л [12].
Таким образом, учитывая указанные определяющие факторы процесс моделирования разрушения крепких пород ударным инструментом таранного типа можно представить функциональной зависимостью из следующих компонентов:
у = ЯРкд, X, ст, ф, Л], (2)
где Ркд — показатель контактной динамической прочности, кгс/см2; X — размер элемента структурной неоднородности массива, см; ст — напряжение, возникающее в инструменте ударного действия «типа таран», кгс/см2; ф — угол заострения инструмента, рад; Л — ширина лезвия инструмента, см.
Проведен краткий сравнительный анализ разрушения горных пород буро-
взрывным и ударным способом, а также ранее выполненных исследований, в результате которого установлена актуальность работ направленных на поиск новых оптимальных принципов (способов) взаимодействия рабочего инструмента с горным массивом. Рассмотрены существующие предложения по решению технической задачи другими авторами, которые из-за различия факторов, влияющих на процесс разрушения, не могут быть прямо перенесены в качестве определяющих параметров при моделировании новой схемы с ударным инструментом — тараном.
В результате анализа физической сущности процесса разрушения крепких пород предложена новая схема разрушения с использованием инструмента таранного типа. Выбраны определяющие параметры процесса разрушения: показатель контактной динамической прочности, размер элемента структурной неоднородности массива, напряжение, возникающее в инструменте ударного действия «типа таран», угол заострения инструмента, ширина лезвия инструмента, которые способствуют введению новых представлений о критериях, характеризующих эффективность работы ударного инструмента таранного типа.
На ряду с этим, перспективным направлением является определение многофакторной составляющей процесса разрушения, образующейся в результате применения одновременно многоточечного воздействия на грудь забоя. В этом случае прослеживается необходимость введения системного подхода к решению поставленных задач.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пивнев В.А. Анализ направлений интенсификации работы горных машин и технологии отработки Хибинских месторождений апатито-нефелиновых руд // Горная промышленность. — 2012. — № 2. — С. 22—25.
2. Ушаков Л. С., Климов В. Е. Современные тенденции развития проходческой техники для крепких горных массивов / Иновации на транспорте и в машиностроении: сборник трудов
IV международной научно-практической конференции. Т. II. — СПб.: НМСУ «Горный», 2016. — С. 63—68.
3. Аксенов В. В., Хорешок А.А., Ананьев К.А., Ермаков А. Н. Оценка возможности применения методов имитационного моделирования для определения параметров законтурных исполнительных органов геохода // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 2. — С. 145—152.
4. Служба новостей. Томский политехнический университет [Электронный ресурс] URL: http://news.tpu.ru/news/2016/06/06/25475 (Дата обращения 28.11.2016).
5. Вержанский А. П., Юнгмейстер Д. А., Лавренко С. А., Исаев А. И., Иванов А. В. Механизированные комплексы для проходки специальных выработок на шахтах ОАО «Метрострой» (Санкт-Петербург) // Горный журнал. — 2014. — № 5. — С. 94—99.
6. Ушаков Л. С., Гаврилюк П. В., Евстешин М. П., Кравченко В. А. А.с. 1355704 СССР, МПК E 21 C 27/24. Исполнительный орган проходческого комбайна. — 4035817/22-03; заявлено 25.12.85; опубл. 30.11.87, Бюл. 44.
7. Ушаков Л. С., Каманин Ю. Н., Гасанова С. А. Решение задачи оптимизации процесса обработки забоя планетарным ударно-скалывающим исполнительным органом проходческого комбайна // Горный информационно-аналитический бюллетень. Готовится к публикации.
8. Нордин В. В. Исследование и выбор параметров импульсного исполнительного органа проходческого комбайна для разрушения твердых пропластков в смешанных забоях: дис. канд. техн. наук. — Караганда: Карагандинский политехн. институт, 1982. — 141 с.
9. Войцеховский Б.В., Войцеховская Ф.Ф. Разрушение крепких горных пород ударами высокой энергии при проходке и бурении / Отв. ред. А. Д. Костылев; Ин-т гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. — Новосибирск: Наука, 1992. — 109 с.
10. Ушаков Л. С. Гидравлические ударные механизмы: опыт расчета и проектирования. Обзор гидравлических конструкций // Palmarium Academic Publishing. Germany. 2013. — 280 c.
11. Ушаков Л. С., Котылев Ю. Е., Кравченко В. А. Гидравлические машины ударного действия. — М.: Машиностроение, 2000. — 416 с.
12. Федулов А. И., Иванов Р.А. Удельные показатели процесса разрушения материалов и оценки технического уровня ударных машин // ФТПРПИ. — 2006. — № 1. — С. 76—83.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ушаков Леонид Семенович1 — доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected], Климов Валерий Евгеньевич1 — аспирант, e-mail: [email protected],
1 Институт транспорта, Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 100-105.
UDC 621.86: 531.8
L.S. Ushakov, V.E. Klimov
SELECTING KEY PARAMETERS FOR MATHEMATICAL MODELING OF ROCK DESTRUCTION BY RAM-TYPE PERCUSSIVE TOOL
The article is devoted to the introduction of pulse technology in mining. The brief comparative analysis of destruction of rocks by drilling, blasting and by impact is submitted. The author shows the shock-shear executive body with percussion type ramming device. The existing proposals to solve the technical problem by other authors, who because of the differences in the factors affecting the process of destruction, can not be directly transferred as the defining parameters for modeling the new scheme with the percussion instrument — a battering ram. A new scheme to destroy the
hard rocks using a ramming tool type is offered. In the article, the authors determine the parameters for the development of mathematical models of destruction of rocks percussion instrument type ramming such as contact dynamic strength index, the size of the structural array heterogeneity element, tension in percussion instrument, wedge angle tool, the width of the tool blade. The analysis of the parameters that define the percussion class of systems identified the main connection between the physical and mechanical properties of rocks, geometric and dynamic characteristics of the shock system.
Key words: percussion executive body, mining, basic parameters of the destruction model, battering ram, strength properties, rocks destruction scheme.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-100-105
AUTHORS
Ushakov L.S.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,
e-mail: [email protected],
Klimov V.E.1, Graduate Student,
e-mail: [email protected],
1 Transport Institute, Orel State University
named after I.S. Turgenev, 302026, Orel, Russia.
REFERENCES
1. Pivnev V. A. Gornaya promyshlennost'. 2012, no 2, pp. 22-25.
2. Ushakov L. S., Klimov V. E. Inovatsii na transporte i v mashinostroenii: sbornik trudov IV mezh-dunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. T. II (Innovations in the Transport and Machine Engineering: IV International Scientific-Practical Conference Proceedings, vol. II), Saint-Petersburg, NMSU «Gornyy», 2016, pp. 63-68.
3. Aksenov V. V., Khoreshok A. A., Anan'ev K. A., Ermakov A. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 2, pp. 145-152.
4. Sluzhba novostey. Tomskiy politekhnicheskiy universitet, available at: http://news.tpu.ru/ news/2016/06/06/25475 (accessed 28.11.2016).
5. Verzhanskiy A. P., Yungmeyster D. A., Lavrenko S. A., Isaev A. I., Ivanov A. V. Gornyyzhurnal. 2014, no 5, pp. 94-99.
6. Ushakov L. S., Gavrilyuk P. V., Evsteshin M. P., Kravchenko V. A.Copyright certificate no 1355704 USSR, MPK E 21 C 27/24, 30.11.87.
7. Ushakov L. S., Kamanin Yu. N., Gasanova S. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. Forthcoming.
8. Nordin V. V. Issledovanie i vybor parametrov impul'snogo ispolnitel'nogo organa prokhodchesko-go kombayna dlya razrusheniya tverdykh proplastkov v smeshannykh zaboyakh (Analysis and selection of parameters for impulse cutting drums of heading machines to break hard intercalations in mixed faces), Candidate's thesis, Karaganda, Karagandinskiy politekhn. institut, 1982, 141 p.
9. Voytsekhovskiy B. V., Voytsekhovskaya F. F. Razrushenie krepkikh gornykh porod udarami vy-sokoy energii pri prokhodke i burenii. Pod red. A. D. Kostyleva (Hard rock failure under high energy percussion in drilling and heading. Kostylev A. D. (Ed.)), Novosibirsk, Nauka, 1992, 109 p.
10. Ushakov L. S. Gidravlicheskie udarnye mekhanizmy: opyt rascheta i proektirovaniya. Obzor gidravlicheskikh konstruktsiy (Hydraulic percussive gears: experience of calculation and design. Review of hydraulic structures), Palmarium Academic Publishing. Germany. 2013, 280 p.
11. Ushakov L. S., Kotylev Yu. E., Kravchenko V. A. Gidravlicheskie mashiny udarnogo deystviya (Hy-draulically driven percussive machines), Moscow, Mashinostroenie, 2000, 416 p.
12. Fedulov A. I., Ivanov R. A. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2006, no 1, pp. 76-83.
A
