автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование механизма разрушения соляных горных пород резцовым инструментом

РГ6 од о у ФЕЗ 1993

На правах рукописи

Харламова Нелли Артемьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ СОЛЯНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД РЕЗЦОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ.

Специальность 05.15.11 - Физические процессы горного

производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь, 1998

Работа выполнена на кафедре РЖИ ПГТУ

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор

Полянина Генриэтта Даниловна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Барях Александр Абрамович

кандидат технических наук. Мелехин Виктор Николаевич

Ведущая организация-

ОАО "Уралкалий", г.Березники

Защита состоится " /& г. в час, на

заседании диссертационного'совета К.063.66.05 в Пермском государственном техническом университете по адресу: 614600 г.Пермь, ГСП-45, Комсомольский пр., 29а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета канд.геолого-минералогических наук, доцент

Актуальность темы. Проблема уменьшения энергоемкости и выхо-;а мелких классов руды при разрушении соляных пород относится к i числу важнейших, от решения которой в значительной степени за-1исит эффективность горных работ, снижение потерь калия при добы-:е и переработке, уменьшение негативного воздействия техногенных роцессов на окружающую среду (в частности уменьшение пылеобразо-;ания).

В настоящее время.недостаточно разработаны и физически обос-ованы методы определения аффективных параметров разрушения. Для :х разработки необходимо выполнение определенной программы иссле-дваний, в том числе изучение механизма зарождения и распростра-:ения трещин в литологических разностях соляных пород, характери-ущихся неоднородностью распределения напряжений как из-за их шиминеральности и наличия дефектов структуры, так и из-за лояльного действия нагрузки. Это позволит углубить представления о рироде разрушения среды под воздействием резцового инструмента; определить условия его эффективной работы и на основе полученных анных разработать рекомендации по совершенствованию схемы реза-ия соляных пород исполнительными органами комбайнов. Таким обра-ом, актуальность теш диссертационной работы очевидна.

Тема диссертации соответствует научной направленности работ афедры РМПИ ПГТУ по проблеме разрушения соляных горных пород.

Цель работы: разработка рациональных параметров резания и етода оценки геометрических параметров резца, обеспечивающих меныпение энергоемкости разрушения и выхода мелких классов руды ри выемке ее комбайнами.

Основная идея заключается в том, что для анализа механизма азрушения, определения локализации и распределения трещин, воз-икающих под воздействием резца в соляной породе, а также для ценки энергоемкости процесса и степени диспергирования впервые спользованы показатели удельной поверхности разрушения и повреж-аемости границ зерен, а также определяемые экспериментально ме-одом индентирования значения трещиностойкости соляных пород, .онкретные значения этих показателей, а также значения энергоем-:ости разрушения и гранулометрического состава руды (по результа-ам стендовых испытаний) являются основанием для выбора глубины и ara схемы перекрестного резания (СПР), а также для оценки опти-

мальных геометрических параметров резца для этой схемы.

Задачи исследований:

- изучить природные элементы структуры.соляных пород, влияющие на выход мелких классов и энергоемкость разрушения, обосновать количественный критерий оценки разрушения;

- разработать метод определения удельной поверхности разрушения ;

- исследовать механизм разрушения при динамическом (ударном), статическом и комбинированном воздействии резца на соляные породы;

- определить трещиностойкость соляных пород;

- провести приближенные к производственным стендовые испытания резания блоков соляных пород двумя типами резцов*клиновым и штыревым,с целью оценки энергоемкости разрушени и выхода мелких классов руды;

- обосновать новую схему резания, провести ее стендовые испытания, определить параметры эффективного резания, а также разработать метод оценки оптимальных геометрических параметров резца для новой схемы резания.

Общая методика исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовался комплексный метод исследований, включающий в себя анализ литературных материалов, разработку аппаратуры и методики испытаний, проведение теоретических и экспериментальных, лабораторных и натурных исследований. При обработке экспериментального материала использовались методы математической статистики.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Величина удельной поверхности разрушения позволяет оценить интенсивность треюинообразования вокруг "следа" от резца. Зависимость удельной поверхности разрушения от расстояния до поверхности следа можно аппроксимировать экспоненциальной зависимостью. Параметры аппроксимации зависят от наличия в породе специфических структурных элементов и способов воздействия резца.

2. Клиновый инструмент обеспечивает ориентированный эффект разрушения. Локализация и характер распределения трещин от клинового инструмента в отработанном слое позволяют использовать перекрестную схему резания (с точки зрения уменьшения энергоемкости и выхода мелких классов руды) при толщине стружки 10 мм.

3. Длина трещин между линиями резов, определяющая эффективность разрушения но схеме перекрестного резания, зависит от ширины режущей кромки, угла заострения, трещиностойкости соляной породы и усилия резания, которое, в свою очередь, зависит от глубины и шага резания.

4. При перекрестной схеме резания энергоемкость и содержание мелких классов в отбитой руде меньше, чем при традиционных последовательной и шахматной схемах: отделение стружки идет по техногенным трещинам отработанного слоя.

Достоверность полученных результатов подтверждена статистически обоснованным объемом исследований, проведенных на трех разновидностях соляных пород в широком диапазоне условий нагру-жения; сопоставимостью результатов по определению локализации и плотности поверхностей разрушения после действия резца, полученных при лабораторных и стендовых испытаниях, с данными, полученными в производственных условиях; количественно доказанной связью между наличием в породе флюидных включений и снижением напряжений начала разрушения, а также связью между наличием в породе высокой концентрации граничных поверхностей и увеличением выхода мелких классов; удовлетворительной сходимостью результатов определения трещиностойкости, усилий и энергоемкости разрушения, опубликованных ранее в других работах, с полученными экспериментально в настоящей работе.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

- развиты представления о механизме разруиения соляной породы резцом: разрушение может происходить хрупко и по "вязкому" типу; количественно доказано влияние определенных структурных элементов и способов воздействия резца на характер процесса разрушения; определены источники образования мелких классов при резании;

- разработана методика определения удельной поверхности разрушения, на основании которой были получены аналитические зависимости плотности поверхностей разрушения вокруг "следа" от резца в лабораторном эксперименте и в производственных условиях;

- установлена взаимосвязь между геометрическими параметрами резца, усилиями резания, трещиностойкостью породы и размерами трещин, возникающих в отработанном слое между линиями резов;

- на основании анализа физических закономерностей процесса

разрушения соляных пород резцом и результатов стендовых испытаний обоснованы и определены рациональные параметры перекрестной схемы резания.

Личный вклад автора: поставлена и решена задача количественного описания процесса разрушения; разработана методика определения удельной поверхности разрушения; проведены лабораторные эксперименты и обработаны результаты измерений по определению удельной поверхности разрушения при одноосном сжатии, статическом, динамическом и комбинированном воздействии резца на образда соляной породы; проведены фрактографические исследования поверхностей изломов и натурные эксперименты по определению локализации и оценке количества природной мелкозернистой разности в массиве Верхнекамского калийного месторождения; исследована треащ-новатость поверхности забоя и отбитых резцом рабочего органа комбайна породных отдельностей; проведены и обработаны результаты стендовых испытаний и по определению трещиностойкости соляных пород; установлены закономерности разрушения и зависимость размера трещин от геометрических параметров резца и усилия резания; определены глубина и шаг для перекрестной схемы резания.

Практическая ценность работы в следующем:

- определены конкретные значения вязкости разрушения для га-лита, сильвина и карналлита;

- предложен инженерный метод оценки геометрических параметров клинового режущего инструмента для эффективной работы по схеме перекрестного резания;

- предложен планиметрический метод, позволяющий прогнозировать соотношение содержания мелких классов в отбитой руде на разных участках шахтного поля.

- обоснованы и определены параметры перекрестного резания, обеспечивающие уменьшение энергоемкости и выход мелких классов при одновременном снижении нагрузок на резец.

Реализация результатов диссертационной работы. Научные результаты работы по изучению механизма разрушения соляной породы резцом были переданы в УрО РАН Горного института. Результаты изучения влияния скорости движения резца, структурных особенностей породы и вариантов воздействия резца на возникновение и развитие трещин были использованы для обоснования параметров перекрестного резания. Даш практические рекомендации по использованию резуль-

татов исследования процесса разрушения пород режущим инструментом для совершенствования схем разрушения забоя исполнительнши органами проходческо-очистных комбайнов в условиях эксплуатации калийных и соляных месторождений, а также для предварительного отбора резцов. Результаты экспериментальных исследований использованы при постановке нового типа задач.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной школе "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" Сг.Симферополь, 1987г.), на научно-технической конференции "Комплексное освоение недр и охрана окружающей среды" (г.Пермь, 1987г.), на областной научно-технической конференции "Комплексное освоение недр Западного Урала" (г.Пермь, 1988г.), на областной научно-технической конференции "Научно-технические и социальные проблемы развития Уральского Нечерноземья" (г.Пермь, 1989г.), на II Республиканской научно-технической конференции "Проблемы безопасной разработки калийных месторождений" (г.Солигорск 1990г.), на X Всесоюзной научной конференции ВУЗов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Физические процессы горного производства" (г.Москва, 1991г.), на научных семинарах ГЙУрО РАН и кафедры РМГШ ПГТУ (г.Пермь).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ. Ряд работ написан в соавторстве. Основными соавторами диссертанта являются доктор технических наук, профессор В.Г.Зильбершмидт и научные консультанты: кандидат технических наук Л.И.Старков и кандидат геолого-минералогических наук Н.Е.Молоштанова.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 171 странице машинописного текста. Содержит 34 рисунка, 25 таблиц, список использованной литературы из 123 наименований, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Известно, что характер разрушения зависит от свойств материала, величины и формы разрушаемого тела и условий нагружения. Теоретическое описание, а также моделирование деформирования и разрушения соляной породы с учетом ее особенностей разработано в ос-

новном применительно к решению геомеханических задач. Аналитические решения невозможны в случае сложного нагруления, сложной деформации, для широкого диапазона скоростей нагружения, при значительной неоднородности и анизотропии породы. Все это характерно для процесса резания. Некоторая количественная оценка процесса разрушения была получена в результате анализа на субмикроскопическом уровне концентрации напряжений у кончика трещины. Направление, начало которому положил А.Гриффите, продолжили Е.Орован, Г.Ирвин, И.В.Обреимов С.А.Христианович, Я.Б.Фридман и др.. Хрупкое разрушение горных пород удовлетворительно описывается с помощью критерия разрушения Гриффитса и последующих его модификаций (критерии Орована, Ирвина, Г.И.Баренблатта и др.), в основе которых лежит теория микротрещинообразования иди микродефектная теория прочности, раскрывающая в некоторой степени внутренний механизм хрупкого разрушения. На одном из критериев базируется метод локального определения вязкости разрушения, используемый в настоящей работе, а также метод оценки геометрических параметров резца эффективно разрушающего породу по схеме перекрестного резания.

Вопросу выбора параметров разрушения угольного массива при взаимодействии с ним исполнительного органа комбайна посвящено достаточно большое количество работ. Основной вклад в изучение различных аспектов проблемы разрушения угля и горных пород режущими инструментами внесли труды Л.И.Барона, А.И.Верона, В.А.Бреннера, Л.Б.Глатмана Е.З., В.И.Зайкова, A.C.Казанского, В.З.Меламе-да, В.Г.Михайлова,Е.З. Позина, М.М.Протодьяконова, Ю.И.Протасова, В.И.Солода и др.

В связи с тем, что внедрение комбайнов в горно-химической промышленности для механизации выемки в камерах и проходки выработок началось в промышленных масштабах значительно позже, чем в угольной, сравнительных данных о режимах их работы еще мало. Материалы по режимам работы комбайнов, эксплуатируемых в условиях калийных рудников, а также посвященные вопросам механического разрушения соляных пород содержатся в работах К.Д.Бондарева, В.А.Бреннера, В.З.Деветьева, С.К.Кабиева, И.В.Остроухова, А.Б.Соболя и др.

Работы В.А. Бреннера, И.С. Зильберта, В.А. Зыкова базируются на решении задач оптимизации и выбора параметров разрушения для угольных машин с учетом свойств калийной руды. Близкими по

тематике являются работы В.И.Тодорова, В.С.Старовойтова, С.Н.Титкова, А.И.Мамедова, A.C.Шилова, Э.Б.Котова, В.Г.Наврозо-ва, И.С.Сидорова и др. В этих работах экспериментально установлены особенности процесса резания; получены расчетные формулы для определения усилий на резцах, учитывающие влияние физико-механических свойств каменной соли, геометрических и конструктивных параметров инструмента, величину его затупления и параметров разрушения; установлены закономерности групповой работы инструмента; исследован процесс резания стружками большого сечения с целью уменьшения энергоемкости.

Полученные уравнения и методики расчета рекомендуются для практического применения. Недостатком является большое количество коэффициентов, не имеющих глубокого физического смысла, а также использование уравнений в узких целях. Выбор рациональных параметров на стадии проектирования или аналитическое сравнение вариантов практически отсутствуют. В опубликованных работах рекомендовано проведение дальнейших исследований, направленных на накопление фактических материалов о свойствах и разрушаемости соляных пород и углубление представлений о механизме разрушения.

Анализ опубликованных результатов по резанию соляных пород позволил сформулировать первую задачу диссертационной работы -выявление структурных составляющих соляных пород, увеличивающих способность породы измельчаться и уменьшающих сопротивление продвижению трещины (в объемах действия резца).

Для строгого количественного описания процесса впервые введены показатели нарушения сплошности - удельная поверхность разрушения 12 (суммарная поверхность трещин в единице объема, мм-1) и повреждаемость границ зерен s (доля разрушенных поверхностей границ зерен). В результате этого появилась возможность характеризовать степень нарушенности локально, установить зависимости плотности поверхностей разрушения от напряжения сжатия, времени нагружения, расстояния распространения разрушений, оценить энергоемкость отдельных этапов разрушения.

Отработана методика определения этих величин. Исследовано влияние способов приготовления образцов и условий нагружения на выбранные характеристики. Удельную поверхность разрушения и повреждаемость границ зерен определяли методом случайных секущих (стереометрический микроанализ). Метод основан на стереометричес-

ком соотношении и ранее использовался в металловедении для определения площади граничных поверхностей в единице обьема сплава. Использование индикаторной жидкости для декорирования трещин (до начала, в процессе и в конце эксперимента) позволило определять удельную поверхность разрушения.

Анализ зависимостей удельной поверхности разрушения от напряжений сжатия и скорости нагруления, а также фрактографичес-кий анализ фокусов изломов (бинокулярный микроскоп, растровый электронный микроскоп РЭУ 100), позволили выявить "опасные" структурные элементы, инициирующие разрушение при деформировании породы. Этими структурными элементами являются высокая, свыше 8 мм-1, плотность граничных поверхностей (чаще всего встречается в "соли высаливания", галопелитовых прослоях, мелкозернистом сильвините), "стартовые" трещины искусственного происхождения, а также газово-жидкие (флюидные) включения, локализованные между зернами. Средние размеры флюидных включений в сильвините 0,5x5x5, в каменной соли - 1х30хюо, в карналлите - 20x50x500 мкм. Они могут занимать 5-301, иногда до 80% площади контакта между зернами. Увеличение удельной поверхности разрушения в объемах соляной породы, содержащих "опасные" структурные элементы, при сжатии идет с большей скоростью, скачками, одни и те же разрушения возникают при разных напряжениях сжатия. Результаты послужили основой отбора образцов для лабораторных и стендовых испытаний.

Следующим этапом исследований было изучение механизма разрушения соляной породы резцом в лабораторном эксперименте. Известно, что при различных скоростях нагружения реализуются разные механизмы разрушения, поэтому исследования провели для трех типов воздействия резца на породу: статического, динамического (ударного) и комбинированного. Расчет показывает, что скорости движения резцов исполнительных органов комбайнов лежат в интервале скоростей движения резца в эксперименте статического и динамического воздействия. В эксперименте использовали два разных резца: клино-вый - Д6.22, и штыревой - РКС.

Для выяснения степени разрыхления резцом отработанного слоя определяли распределение удельной поверхности разрушения вокруг следа от резца, ее зависимость от энергии единичного удара, способа воздействия резца, структурных особенностей образца. Оценивали энергоемкость разрушения, определяли источники образования

- Il -

частиц крупностью -0.25+0 мм. Анализ промпродуктов калийных обогатительных фабрик показывает, что основное количество шламов концентрируется в классе -0.25-Ю. Хвосты флотации также классифицируют по классу -0.25 мм. Такой класс, как показал эксперимент в промышленных условиях, на 80% состоит из частиц размером 0.007 до 0.07 мм. Высокое содержание таких частиц (сорбционноактивные фракции) создает дополнительные трудности при обогащении, делает необходимым применение комбинированных схем переработки для получения обеспыленного KCl, использование грануляции для улучшения гранулометрического состава калийных удобрений.

Статическое воздействие резца исследовали на установке ИМАШ-5С-56, снабженной специальным приспособлением, с помощью которого производили вдавливание резца в шлифованную поверхность образца. При испытаниях использовали те же резцы Д6.22 и РКС. Скорость движения резца составляла 0.07, 0.2 и 0.4 мм/с. Процесс разрушения наблюдали в бинокулярный микроскоп при увеличениях 16* и 32*. Запись усилий производили с помощью двухкоординатного потенциометра типа "Endim 622.01". Производили расчет работы разрушения образцов. Для оценки влияния структуры на измельчение породы резцом проводили фрактографический анализ поверхностей скола.

Динамическое и комбинированное воздействие породоразрушаще-го инструмента исследовали на специальной установке - режущем маятнике. По принципу действия режущий маятник подобен известным конструкциям маятниковых копров для испытаний металлов на ударную прочность. Комбинированное разрушение моделировали, дополняя удар маятника предварительным поджатием резца к образцу.

Испытания резцов двух указанных типов показали, что клиновый резец обладает ориентированным эффектом разрушения, не создает дополнительных поверхностей излома. Такой инструмент предпочтительнее с точки зрения эффективности разрушения.

Обнаружено, что механизм разрушения резцом соляных пород несколько отличается от механизма разрушения углей. Основное отличие состоит в том, что в первые моменты контакта инструмента с соляной породой она пластически деформируется (исключение составляют диалогические разности с высокой плотностью граничных поверхностей или с большим количеством флюидных включений). Одновременно с пластическим деформированием возникают трещины по границам зерен и по плоскостям спайности в сдавливаемом зерне вблизи

резца. При достижении контактными напряжениями предельных значений начинается процесс дробления соляной породы на весьма мелкие фракции (менее 0.25 мм) с образованием дисперсного ядра вдоль режущей кромки. Вокруг дисперсного ядра формируется объемно-напряженное состояние, которое определяется формой режущей кромки. В результате этого образуется второй слой частиц крупностью 0.5-3 мм, повторяющих форму кромки резца: округлые от резца штыревого типа и удлиненные от тангенциального резца.

Для расчета энергетических затрат оценена удельная поверхностная энергия разрушения. Для сильвинита и каменной соли ее значения лежат в пределах 0.1-1.3 Дж/м2, что практически совпадает с опубликованными данными для каменной соли. При минимальных затратах энергии на разрушение основая доля ее расходуется на преодоление силы трения, а также на образование и ветвление трещин. При уменьшении скорости внедрения резца с 103 до 10-1мм/с работа, расходуемая на разрушение образца, возрастает в 2-4 раза. Очевидно, что при уменьшении скорости деформирования вступают в действие механизмы необратимого поглощения энергии. При реализации этих механизмов процесс деформирования, образования и ветвления трещин по энергоемкости соизмерим с работой на преодоление сил трения (известно, что пластическая деформация увеличивает удельную энергию разрушения на 2-4 порядка). Следы известных механизмов необратимого поглощения энергии - ступеньки скола, "ру-чейковый" узор, разрыв границы и инициирование разрушения во втором зерне - обнаружены в результате проведенных фрактографических исследований поверхностей изломов.

Использование предварительного поджатая (комбинированное действие резца) позволяет снизить энергию удара, необходимую для разрушения, так как дополнительное поджатие формирует область напряженного деформированного состояния, способствующего разрушению. Об этом свидетельствует ориентированное расположение ручей-ковых узоров вдоль линии внедрения резца, обнаруженное на изломах.

При наличии крупных включений по границам зерен излом на 40-80£ межкристаллигный, а при отсутствии газово-жидких включений - лишь на 0-202: это отражается на энергоемкости разрушения. При наличии крупных флюидных включений энергоемкость в 2-3 раза меньше (в действительности еще меньше, т.к. образцы с наиболее слабы-

ми межзеренными контактами рассыпались при изготовлении и не были испытаны).

Для выяснения степени разрыхления отработанной поверхности резцовым инструментом исследовали пространственное распределение и плотность трещин вокруг следа от резца. Обнаружено два типа трещин: в форме сетки, непосредственно под следом, и радиальные, отходящие кустом от краев следа. Во всех случаях толщина дефектного слоя под следом не более 5-10 мм. Наибольшая длина "куста" радиальных трещин по краям следа 10-15 мм. Угол наклона их к плоскости следа от резца 0-30°. Для сетки трещин под следом от резца получены зависимости удельной поверхности разрушения от глубины трещинообразования 12 = Г(I). Эта зависимость может быть аппроксимирована уравнением ГБ = 30-е~к1. Параметры аппроксимации 30 и к зависят от наличия в образцах соляной породы структурных элементов, инициирующих разрушение, от энергии удара, а также от способов воздействия. При одинаковых вариантах воздействия параметр к (аналогичен коэффициенту затухания) меньше для каменной соли, чем для сильвинита. Для литологических разностей, концентрирующих в себе "опасные" структурные элементы, а также для природных монокристаллов галита получены следующие результаты: -"соль высаливания" 50=(2.9±1.1)мм-1, к=(0.06±0.03)мм-1

(высокая удельная поверхность границ зерен);

- розоватая каменная соль 30= (3.6^.2)мм""1, к=(0.25±0.06)мм-1 (значительная концентрация крупных флюидных включений);

- монокристаллы галита 30=(42±5)мм-1, к=(3.1±0.9)мм-1.

Сравнение результатов химического анализа продуктов разрушения, образовавшихся при ударе, с результатами исследований поверхности скола и ядра уплотнения доказывает, что при статическом, динамическом и комбинированном разрушении соляной породы резцом источником образования мелких частиц является не только диспергированное ядро под кромкой резца, как утверждалось раньше, но и образующиеся поверхности излома за пределами этой области. Если поверхность излома проходит по галопелиту или "соли высаливания", количество отделяющейся мелочи может возрасти в 5-50 раз. Это предопределило необходимость исследования содержания природ-яой мелочи. Исследования проводили как на образцах, так и на поверхности забоя с учетом основной особенности пластов Верхнекамс-гаго месторождения - слоистости. Существование скоплений мелких

частиц в массиве обусловлено генезисом соляных отложений. Вторичные процессы, происходящие в массиве ведут к укрупнению зерен. Результаты исследований показали, что практически все частицы соляной породы мельче 0.25 мм входят в состав галопелитов и "соли высаливания". Определены содержание и качественный состав природ-' ной мелочи, местонахождение в разрезе годового слоя. Сопоставляя результаты измерений с результатами, опубликованными раньше, можно сделать следующий вывод: содержание нерастворимой мелочи в пласте Кр.II 3.5 - 13£, растворимой (галита) - 1.5 - 22%, в пласте АБ 1.5 - 8.5%. и 2.5 - 19£ соответственно. Предложен планиметрический метод, позволяющий прогнозировать соотношение содержания мелких классов в отбитой руде на разных участках.

На завершающем этапе проводили стендовые испытания резания соляных пород, приближенные к промышленным условиям. Испытательный стенд был изготовлен на базе строгального станка типа 7.М.37. Комплект измерительной аппаратуры включал в себя: шлейфовый све-толучевой осциллограф Н-041У и Н-041Ц, трехкомпонентный тензомет-рический динамометр, три тензоусилителя, блок питания, весы, комплект сит. Для обоих типов резцов исследования проводили при значениях толщины стружки от 5 до 15 мм, шага резания - от 15 до 50 мм. Все эксперименты выполнены для двух схем расположения линий резания: шахматной и последовательной (след в след). По окончании каждого эксперимента производили сбор, взвешивание и рассев продуктов резания, измерение длины резов, исследование распределения удельной поверхности разрушения на породных отдельностях. Пробу брали с 3-12 однотипных резов. Вес одной пробы составлял 700-4000 г. Общая длина резов одной пробы 1.8-5.0 м. Исследования проводили на блоках калийной руды размерами 0.4x0.45x0.6 м, взятых с пласта Кр. II на руднике ВКРУ-1. При каждом эксперименте проводили запись усилий не менее 3-5 однотипных резов.

Расчет удельной энергии разрушения проводили по формуле

Р-Ь-г

И = 0.0272 -кВт-ч/мэ,

в

где Р - среднее значение силы резания, кГ; Ь - общая длина пути резания, см; 6 - общий вес разрушенной породы, г; г - объемный вес породы, г/см3.

Сравнение пространственного распределения и размеров трещин на породных отдельностях отбитой руды (в стендовых и лабораторных испытаниях, а также в промышленных условиях) показывает, что они идентичны. Имеются следы "пластичного" внедрения резца и хрупкого, когда резец внедряется в породу, вмещающую "опасные" структурные элементы.

Увеличение толщины стружки от 5 до 15 мм (последовательная схема резания) приводит к уменьшению энергоемкости разрушения с 4.5-8.5 до 1-1.7 кВт-ч/м3 и снижает выход класса -0.25 с 7-11 до 2.5-3.5% при использовании резца Дб.22, и соответственно с 7.9-10.6 до 2.5-3.5 кВт-ч/м3, а также с 5.9-6.4 до 2.3-3.11 при использовании штыревого резца РКС. Для шахматной схемы резания соответственно - с 2.6-4 до 1.2-1.7 кВт-ч/м3 и с 5-7.2 до 2.3-3.5%. Аналогичные результаты для резца РКС: с 5.7-6.4 до 2.9-4.6 кВт-ч/м3 и с 4.3 до 2.4-3%. Для той и другой схем резания увеличение толщины стружки приводит к возрастанию осевых усилий на резцах в 1.5-3 раза.

С одной стороны, анализ результатов определения энергоемкости и распределения удельной поверхности разрушения вокруг следа от резца позволил предположить, что снижение энергоемкости возможно за счет уменьшения избыточного ветвления трещин, а также уменьшения работы по преодолению сил трения. Это возможно, если траектория резца частично пройдет по "техногенным" трещинам отработанного слоя. С другой стороны, при анализе конструкций и рабочих параметров различных отбойных органов добычных машин с целью их совершенствования Л.И. Старковым было предложено разрушать массив по новой схеме резания. Сущность ее заключается в том, что процесс резания состоит из двух фаз. В первой фазе резцы движутся по заданным траекториям в одном направлении, во второй фазе - поперек траектории движения резцов в предыдущей фазе. Такая схема резания получила название "схема перекрестного резания" (СПР). Была высказана гипотеза о том, что при использовании СПР для разрушения массива может быть достигнуто снижение энергоемкости разрушения и уменьшен выход мелких пылевидных частиц.

Проведены стендовые испытания по новой - перекрестной- схеме резания для обоих типов резцов и при тех же параметрах резания, что и для последовательной и шахматной схем. Для резца штыревого типа использование схемы перекрестного резания оказалось незффек-

тивным. С увеличением глубины резания от 5 до 15 мм содержание мелких классов практически не меняется: 3.7% при толщине 5 мм и 3.2% при толщине 15 мм. Характер зависимости'энергоёмкости и выхода мелких классов от толщины стружки для резца Д6.22 отличается от аналогичных зависимостей для двух предыдущих схем резания. С __ увеличением толщины стружки от 5 до 15 мм энергоемкость и выход фракции -0.25 увеличиваются от 0.5-0.83 до 0.7-1.2 кВт-ч/м3 и от 0.1-0.8 до 0.8-1.3Х соответственно. Усилия резания в 1.2-2.5 раза меньше, чем при последовательной и шахматной схемах резания. Это свидетельствует о появлении нового элемента в механизме разрушения - отделения породы по техногенным трещинам отработанного верхнего слоя.

Роль "стартовых" в новой схеме резания играет вторая группа трещин. Их длина в реальных условиях имеет значение для обоснования оптимальных параметров резания и оценки эффективности работы резца. Описывать такие трещины в терминах удельной поверхности разрушения нецелесообразно. Есть смысл использовать понятие тре-щиностойкости, или вязкости разрушения.

Существует способ определения трещиностойкости, согласно аналитическому выражению, связывающему вязкость разрушения с величиной нагрузки на индентор, геометрическими параметрами инден-тора и размером образующихся трещин. Действие индентора подобно действию резца. Испытания проводили на приборах ПМТ-З и ТП-?р-1 индентором Виккерса при различных нагрузках. Получены значения вязкости разрушения для сильвина, галита, карналлита- соответственно 3.5, 1.3 и 0.27 МПа-м1/2.

При таком различии в вязкости разрушения следует ожидать от сильвинита наименьшего вклада в диспергирование, что подтвердили стендовые испытания и результаты химического анализа: содержание ЫаС1 в мелком классе руды (-0.25) на 2-12%. выше, чем в блоках до резания, а КаС1 - соответственно, на 5-161 ниже.

В результате эксперимента по вдавливанию резца в соляную породу а также с учетом полученных значений коэффициентов трещиностойкости и усилий резания, известных из стендовых испытаний, получена зависимость для определения длины радиальных "стартовых" трещин:

С = (4.5-0.5Ьд / 10Г)-0.5Ь1 М,

г = со.бь^-ф-Кю / г-г-з-эше^ ,

где Ь - ширина режущей кромки; 8 - угол заострения; Ъ - усилие резания. Результат в графической форме представлен на рисунке. При расчете использовано среднее значение осевого усилия (для толщины стружки 10 мм). Отрицательные значения на графике означают, что возникающие под резцом трещины не проникают в валик между линиями резов, и в этом случае разрушение не эффективно. Эта зависимость положена в основу метода определения оптимальных параметров резца.

Зависимость усилия от ширины режущей кромки и угла заострения может быть учтена двумя способами. В первом варианте используется известная зависимость усилия от геометрических параметров резца и параметров резания. В этом случае метод можно использовать для определения оптимальных параметров традиционных схем резания (оптимальные значения по уровню энергозатрат имеют место при (1>Ь)/Ь =2-2.5, из графика можно определить, что в этом случае расстояние между линиями резов должно равняться 2 длинам трещин). Во втором варианте расчет выполнен по результатам испытаний СПР. Получены аналогичные графические зависимости. Нулевая изолиния для СПР расположена выше. Резцы, с геометрическими параметрами, лежащими правее нулевой изолинии, являются неэффективными для СПР. Это подтверждают результаты стендовых испытаний резца РКС, который оказался неэффективным для новой системы резания. Оптимальные размеры резца: Ь=5-17 мм, 0=1-2.5 рад для каменной соли, Ь=3-12 мм, 8=1.3-2.5 рад для сильвинита, для карналлита можно использовать и более широкие резцы.

Анализ результатов стендовых испытаний перекрестной схемы резания показал ее перспективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе представлено научно-обоснованное для горнодобывающей отрасли решение актуальной научной задачи уменьшения энергоемкости разрушения и выхода мелких классов руды применительно к условиям выемки соляных руд комбайнами.

Основные выводы и практические результаты.

1.Впервые была обоснована и введена количественная характе-

Зависимость длины трещин, оставляемых клиновым резцом в отработанном слое, от ширины режущей кромки и угла заострения (для толщины стружки 10 мм); а) сильвин, б) галит, в) карналлит

ристика для оценки интенсивности разрушения - удельная поверхность разрушения, величина которой меняется в среднем от 0.1 до 5 мм-1 (непосредственно под кромкой резца до 50 мм-1 и вше). Использование характеристики при анализе результатов лабораторных испытаний позволило выявить структурные элементы, которые увеличивают способность породы диспергироваться и снижают сопротивляемость продвижению трещины, а также количественно описать распределение трещин вокруг следа от резца.

2. Способность породы измельчаться при резании (а значит, и выход мелких классов в отбитой руде) в значительной степени определяется наличием в соляной породе такого структурного элемента как высокая плотность граничных поверхностей (выше 8 мм-1). Обычно это наблюдается в мелкозернистых "соли высаливания" и галопе-литах, содержание которых в продуктивных пластах Верхнекамского месторождения меняется от 4 до 35%. Предложен планиметрический метод, позволяющий прогнозировать соотношение содержания мелких классов в отбитой руде на разных участках.

Структурным элементом, снижающим сопротивление породы продвижению трещины, являются флюидные включения, локализованные по границам зерен. Определены их размеры и распределение. Дана оценка коэффициента трещиностойкости вдоль границ между зернами содержащих и не содержащих флюидные включения.

3. Исследованы механизм разрушения и распределение удельной поверхности разрушения, а также процесс диспергирования под воздействием резцового инструмента в лабораторных испытаниях статического, динамического и комбинированного воздействия резца на соляные породы. На основании этого доказано следующее:

- механизм разрушения соляных пород резцом несколько отличается от механизма разрушения углей: порода пластически деформируется под резцом (исключение составляют литологические разности с высокой плотностью граничных поверхностей или флюидных включений по границам зерен);

- источником выделения мелких частиц (кроме дисперсного ядра, как утверждалось раньше) являются свежеобразованные поверхности скола, а количество выделяющейся мелочи зависит от литоло-гической разности, по которой проходит трещина;

- работа разрушения уменьшается при наличии в соляной породе высокой концентрации флюидных включений и увеличивается при

уменьшен™ скорости движения резца;

- трещины вокруг следа от резца можно разбить на две группы: сеть трещин под следом (раздробленная порода под следом иногда становится дополнительным источником выделения мелких классов) и трещины, расходящиеся кустом от краев следа (влияют на параметры эффективного резания);

- для разных вариантов воздействия резца на сильвинит и каменную соль получена зависимость удельной поверхности ЕБ разрушения от глубины трещинообразования под следом от резца 1 (первая группа трещин), которая может быть аппроксимирована уравнением Е= 30-е_к1. Численные значения параметров аппроксимации зависят от структурных особенностей породы и способов воздействия резцового инструмента. Эта зависимость позволяет оценить степень и глубину разрыхления соляных пород под резцом;

4. По данным стендовых испытаний действия резцов (штыревого РКС, и клинового Д6.22) на соляные породы при традиционных схемах резания - последовательной и шахматной - получены следующие результаты:

- наименьшие значения энергоемкости и содержания мелких классов в руде получены при толщине стружки 15 мм, однако усилия резания с увеличением толщины стружки от 5 до 15 мм возрастают в 1.5-3 раза;

- каменная соль диспергируется интенсивнее сильвинита.

5. На основе стендовых испытаний по новой - перекрестной схеме резания (СПР) доказано:

- для резца штыревого типа использование схемы перекрестного резания неэффективно: с увеличением глубины резания содержание мелких классов в отбитой руде практически не меняется, оставаясь довольно высоким (3.2-3.7);

- резец клинового типа - эффективен; зависимость энергоемкости и выхода мелких классов от толщины стружки для такого резца свидетельствует о появлении нового элемента в механизме разрушения. С увеличением толщины стружки энергоемкость и выход класса -0.25 увеличиваются и при толщине 15 мм близки значениям этих величин при последовательной и шахматной схемах. При СПР энергоемкость и усилия в 1.2-2.5 меньше чем при традиционных последовательной и шахматной схемах. Содержание мелких классов в руде в 1.2-4 меньше.

6. Трещины между линиями резов являются "стартовыми" для СПР. Длина "стартовых" трещин зависит от ширины режущей кромки, угла заострения, трещиностойкости соляной породы и усилия резания (которое зависит от глубины и шага резания). Эта зависимость положена в основу метода оценки оптимальных параметров резца.

7. Анализ результатов стендовых испытаний перекрестной схемы резания показал ее перспективность и позволил разработать ряд методических и практических рекомендаций.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах автора:

1. Оценка вязкости разрушения каменной соли путем инденти-рования. (соавт. В.Г.Зильбершмидт) //Совершенствование разработки калийных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. /Перм. политехи. ИН-Т. Пермь, 1987. С.79-84.

2. Исследование качественного состава и содержания дисперсной фракции природного происхождения в соляном массиве (соавт. М.Ф.Леонович, Н.Е.Молоштанова) //Проблемы безопасной разработки калийных месторождений: Тез. докл. науч.-техн. конференции Минск, 1990. С.149-150.

3. Исследование начальной стадии разрушения соляной породы (соавт. В.Г.Зильбершмидт) //Физические процессы горного производства: Тез.докл.X Всесоюз. науч. конференции вузов СССР, /МРИ. М., 1991. С.7.

4. Исследование нарушений в соляной породе, возникающих под воздействием резцового инструмента, и влияющих на усилия резания и выход некондиционной мелкой фракции (соавт. В.Г.Зильбершмидт) /Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1995. 9с. Деп. в ВИНИТИ 23.03.95, N776-B95.

5. Образование некондиционной мелкой фракции при воздействии резца на соляную породу /Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1995. 6с. Деп. в ВИНИТИ 02.03.95, N590-B95.

6. Исследование схемы перекрестного резания (соавт. Л.И.Старков) //Горный журнал. Изв. вузов. 1997. N7-8. С. 121-123.

7. Эффективность разрушения соляных пород исполнительными органами комбайна (соавт. В.Г. Зильбершмидт, Л.И.Старков //Тез. докл. XXXVIII науч.-техн. конференции ПГТУ по результатам науч-

но-исследовательских работ, выполненных в 1991-1994гт. /Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1995, С.24-26.

8. Влияние глубины и шага резания на энергоемкость разрушения и выход некондиционной мелкой фракции (соавт. В.Г.Зильберш-мидт, М.Ф.Леонович) //Горный журнал. Изв. вузов. 1997. N1-2. С. 8-12

Сдано в печать 13.01.98 г. Формат 60x84/16. Объем I уч.-изд. л. 1ираж 100. Заказ 1002. Ротапринт ПГТУ.