автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Научно-методические и физико-технические основы комбайновой выемки крепких руд маломощных некрутопадающих месторождений



На правах рукописи ЛИЗУНКИН Владимир Михайлович

УДК 622.272.6:622.232.

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМБАЙНОВОЙ ВЫЕМКИ КРЕПКИХ РУД МАЛОМОЩНЫХ НЕКРУТОПА-

ДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность: 05.15.11 - "Физические процессы горного

производства "

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Чита 1999

-2- . ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................... е

ГЛАВА 1 .СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ............................ 19

1.1. Основные особенности технологии выемки крепких руд маломощных пологих и наклонных месторождений -(9

1.2. Обоснование направления совершенствования технологии выемки крепких руд маломощных пологих и наклонных месторождений........................... 30

1.3. Анализ способов разрушения и обоснование эффективного для комбайновой выемки крепких руд............ 36

1.4. Объект, предмет, цель и задачи исследований . .. ...... 44

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И

ТИПА ДОБЫЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ........... 47

2.1. Горно-геологические особенности маломощных пологих и наклонных месторождений крепких руд ..... 47

2.2. Основные требования к механизированной технологии и факторы, определяющие область ее применения 51

2.3. Основные элементы механизированной технологии 57

2.4. Выводы.................................... 61

ГЛАВА 3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД ОДИНОЧНОЙ ДИСКОВОЙ ШАРОШКОЙ............ 63

3.1. Анализ режимов работы дисковой шарошки при меха ническом и гидромеханическом разрушениях...... 63

3.2. Метод исследований напряженного состояния.......70

3.3. Критерии оценки разрушения крепких горных пород

дисковыми шарошками......................... 81

3.4. Расчетные схемы механического взаимодействия дисковых шарошек с массивом..................... 85

3.5. Напряженное состояние при комбинированном разрушении (ЬЩ>Ь)................................. 90

3.6. Напряженное состояние при силовом малоцикловом разрушении.................................. 94

3.7. Напряженное состояние при свободном и комбинированном (ЬЩ<Ь) разрушении.......................49

3.8. Выводы..................................... /05

ГЛАВА 4.СИЛОВАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЖИМОВ РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД ОДИНОЧНОЙ ДИСКОВОЙ ШАРОШКОЙ...... Í06

4.1. Предварительные замечания......................106

4.2. Методика лабораторных исследований силового малоциклового разрушения..................... <08

4.3. Анализ результатов лабораторных исследований силового малоциклового разрушения.............. 12.0

4.4. Методика расчета нагруженности дисковой шарошки при комбинированном разрушении.............. 134

4.5. Анализ влияния геометрических, режимных и прочностных параметров на силовые показатели комбинированного разрушения. Энергетическая оценка режимов разрушения................................ 142.

4.6. Выводы................................... 1П

ГЛАВА 5.ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА С ДИСКОВЫМИ ШАРОШКАМИ........... /50

5.1. Предварительные замечания................... 150

5.2. Обоснование рациональной схемы набора дисковых шарошек в завальной части шнекового исполнительного органа................................. ¿55

5.3. Обоснование рациональной схемы набора дисковых шарошек в забойной части шнекового исполнительного органа................................... 15$

5.4. Методика моделирования процесса разрушения руды исполнительным органом....................... J72

5.5. Определение рациональных параметров и показателей разрушения руды исполнительным органом .... 177

5.6. Выводы..................................... <83

ГЛАВА 6.ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ОБЛАСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ С КОМБАЙНОВОЙ ВЫЕМКОЙ........ 186

6.1. Исследование и определение рациональных параметров процесса перемещения руды виброскребковым конвейером.............................. 186

6.2. Обоснование рациональных способов управления кровлей и сопротивления механизированной крепи . . 195

6.3. Область применения механизированной технологии . 212

6.4. Выводы................................... 222

ГЛАВА 7.ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ............................................................22 5

7.1. Методика испытаний......................... 225

7.2. Условия испытаний.................................2.М

7.3. Отбойка крепких руд дисковыми шарошками ...... 259

7.4. Погрузка и доставка горной массы.....................2.5{

7.5. Управление горным давлением..................................253

7.6. Эффективность механизированной технологии..........154

7.7. Выводы..................................................2.60

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................2.63

ЛИТЕРАТУРА............................................................................2.67

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................2.88

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Добыча руд цветных, редких и благородных металлов в современных условиях рыночной экономики приобретает все большее народнохозяйственное значение. Существенную часть этих руд добывают при подземной разработке маломощных пологих и наклонных (некрутопадающих) месторождений, отличительными особенностями которых являются высокое содержание полезных компонентов в руде, их ценность, повышенная крепость руды и вмещающих пород, малая мощность, недостаточный для самотечной доставки угол падения и высокая изменчивость элементов залегания рудных тел.

Специфика горно-геологических условий предопределила разнообразие технологических схем горного производства, их параметров, типоразмеров горного и транспортного оборудования. Совместными усилиями научно-исследовательских и проектных институтов, производственных объединений и машиностроительных заводов в 1970-1980 г.г., предшествующих спаду производства в стране, были разработаны и внедрены различные технологические схемы горного производства, большинство типоразмеров необходимого оборудования, что обеспечило определенный научно-технический прогресс в добыче руды из маломощных пологопадающих месторождений. Однако достигнутых показателей оказалось явно недостаточно в условиях возникшего кризиса, который выявил целый ряд негативных явлений и тенденций, накопившихся в отрасли.

Применяемая на рудниках технология очистной выемки основана преимущественно на малопроизводительной мелкошпуровой отбойке руды буровзрывным способом, скреперной ее доставке и управлении горным давлением

-г-

путем возведения постоянной крепи или оставлении, как правило, внутрибло-ковых и междукамерных целиков. Следствием этого является самая низкая в горно-рудной промышленности производительность труда забойного рабочего, высокий уровень потерь и разубоживания руды. Из-за высокой деконцен-трации горных работ и низкой интенсивности очистной выемки ухудшается геомеханическая обстановка в очистных забоях и снижаются экономические показатели предприятия.

При неизменном уровне техники и технологии горного производства, физическом и моральном износе парка основного технологического оборудования, обновление которого в последнее десятилетие практически прекратилось, неминуем рост материальных, финансовых и людских затрат, снижение объемов добычи полезного ископаемого и повышение ее себестоимости. Улучшение технико-экономических показателей работы отдельных предприятий и отрасли в целом может быть достигнуто прежде всего за счет внедрения прогрессивных технических решений, базирующихся на высокопроизводительном добычном оборудовании, новых эффективных способах и технологиях, автоматизации технологических процессов и систем управления производством.

Мировой опыт показывает, что выход промышленности из кризисного состояния наиболее эффективно происходит на базе реализации накопленного научно-технического потенциала. В рамках этой общесистемной стратегии в горнодобывающей отрасли выделяется ряд проблем, требующих первоочередного решения. К ним следует отнести:

- повышение степени использования производственных фондов за счет улучшения структуры горного производства и концентрации горных работ;

- ресурсосбережение;

- повышение качества извлекаемой руды.

Основным сдерживающим фактором в развитии и совершенствовании технологии отработки рудных месторождений является процесс отделения полезного ископаемого от массива, который в настоящее время реализован в виде буровзрывной отбойки. На протяжении многих лет в России и за рубежом проводится работа по совершенствованию буровзрывной отбойки. Однако достигнутые результаты носят частный, эволюционный характер и не решают основных принципиальных недостатков этого способа.

Попытки создания и применения различных других методов и способов разрушения крепких горных пород (механических, гидравлических, термических, электротермических, электроимпульсных и т.д., а также их различных комбинаций) в силу их малой производительности, большой энергоемкости и высокой стоимости не получили сколько-нибудь заметного промышленного применения. Однако работы, нацеленные на поиск новых, нетрадиционных технических решений, позволяющих исключить в целом ряде случаев буровзрывные работы и создать на их основе принципиально новые технологии выемки полезных ископаемых, продолжаются. При этом к новым технологиям и техническим средствам предъявляется ряд требований, только комплексное решение которых может привести к промышленному освоению. Приоритетными из них являются:

- ресурсосбережение;

- полнота и качество выемки полезного ископаемого;

- снижение затрат и рост производительности труда;

- исключение из технологического цикла процессов, оказывающих негативное влияние на окружающую среду.

Эти концептуальные положения послужили основой при формулирова-

нии основных требований к разрабатываемой технологии и создаваемому для ее реализации оборудованию:

- новые технико-технологические решения должны быть комплексными и охватывать все процессы горного производства при подземной добыче руды (отделение от массива, транспортирование и управление горным давлением в очистном пространстве);

- новые технологии и оборудование должны исключить из процесса добычи буровзрывные работы по отбойке полезного ископаемого;

новые технологии должны обеспечивать как валовую, так и селективную выемку руды и уменьшить потери и разубоживание добываемого полезного ископаемого.

Проведенные исследования показали, что указанным требованиям в наибольшей мере отвечает комплексно-механизированная технология разработки пологопадающих маломощных месторождений на основе механического разрушения крепких руд дисковыми шарошками очистных фланговых комбайнов, непрерывного транспортирования отбитой рудной массы из очистного забоя скребковыми конвейерами и управления горным давлением с помощью передвижных очистных механизированных крепей поддерживающего типа. Данная технология не имеет аналогов в мировой практике разработки маломощных пологих и наклонных месторождений крепких руд.

В диссертационной работе обобщены результаты многолетних исследований, проведенных при непосредственном участии и под руководством автора в рамках планов поисковых НИР института Гипроцветмет (1980-1984 гг), Программы ГКНТ 0.09.01 (утвержденной постановлением ГКНТ от 30.10.85 №555), заданий 05.03.Т "Создать поточную технологию разработки пологих и наклонных маломощных рудных месторождений на основе приме-

нения очистного механизированного комплекса" и 05.04И "Создать и изготовит*, очистной механизированный комплекс для выемки руды", Отраслевой научно-технической программы Министерства металлургии СССР МП16Г, задание 05 "Создать высокоэффективные способы разрушения скальных горных пород и на их основе проходческие и очистные комплексы для подземных работ" (Номер гос. регистрации 01.87. 0034176, приказы министра №402 от 20.07.84 г. и №20 от 16.01.1987 г.).

Цель работы. Научно-методически и экспериментально обосновать и апробировать в производственных условиях рациональные технические средства, технологические методы и параметры основных физических процессов очистной комбайновой выемки крепких руд маломощных некрутопадающих месторождений.

Идея работы. Повышение эффективности подземной разработки маломощных пологих и наклонных рудных месторождений достигается на основе непрерывности основных физических процессов очистной выемки с использованием механического разрушения скальных горных пород узкозахватным комбайном (с дисковыми шарошками), транспортирования горной массы конвейером и поддержания призабойного пространства механизированной крепью.

Основные задачи исследований:

- оценить современное состояние проблемы повышения эффективности разработки маломощных некрутопадающих месторождений крепких руд и обосновать для них перспективные методы и средства разрушения и транспортирования скальных горных пород, управления горным давлением и в целом рациональную структуру комплексно- механизированной технологии;

- установить основные закономерности процесса разрушения скальных

пород дисковыми шарошками и обосновать эффективную конструкцию и рациональные параметры исполнительного органа очистного узкозахватного комбайна;

-установить основные закономерности процесса перемещения горной массы виброволочением, разработать принципиальную схему виброскребкового конвейера и обосновать его рациональные параметры транспортирования;

- выявить основные закономерности проявления горного давления при комбайновой выемке крепких руд маломощных месторождений и обосновать рациональные параметры механизированной крепи и способы управления кровлей в выработанном пространстве;

- обосновать область рационального применения комбайновой технологии выемки крепких руд, осуществить опытно-промышленную проверку результатов исследований и оценить ее эффективность.

Методы исследований. При выполнении работы использован комплекс методов исследований, включающий обобщение и анализ теории и практики разработки пологих и наклонных рудных и угольных месторождений, а также создания исполнительных органов для отбойки трудноразрушаемых полезных ископаемых; математическое моделирование с привлечением метода граничных интегральных уравнений при исследовании напряженно-деформированного состояния массива под лезвием дисковой шарошки; аналитические расчеты, лабораторные и производственные эксперименты при построении моделей формирования нагрузки на дисковой шарошке с применением теории планирования экспериментов и математической статистики при их проведении и апроксимации результатов; имитационное моделирование при исследовании нагруженности исполнительных органов; экономи-

ко-математическое моделирование при определении рациональных параметров и области применения механизированной технологии; опытно-промышленные испытания и технико-экономический анализ комбайновой технологии.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- наиболее эффективная разработка маломощных пологих и наклонных рудных месторождений может быть обеспечена комплексной механизацией основных процессов очистной выемки на основе механического разрушения крепких руд очистными узкозахватными комбайнами с дисковыми шарошками, непрерывного транспортирования (в пределах блока) рудной массы скребковым конвейером и крепления призабойного пространства передвижной гидрофицированной крепью поддерживающего типа;

- минимальные энергозатраты при использовании дисковых шарошек достигаются при реализации режима силового малоциклового или комбинированного с образованием опережающих щелей, разрушения, которые определяются относительным шагом резания, количеством прокатывания инструмента в линии резания и прочностными характеристиками массива;

- эффективность отбойки скальных пород очистными узкозахватными комбайнами с дисковыми шарошками может быть обеспечена при применении исполнительных органов с рациональными схемами их компоновки и параметрами разрушения, которые определяются условиями работы инструмента в забое, установленной мощностью привода выемочной машины, кинематическими особенностями и геометрическими размерами рабочего органа;

- эффективность транспортирования прочных абразивных руд скребковым конвейером может быть повышена наложением на вкладной рештак механических колебаний, обеспечивающих при использовании рациональных

-в-

параметров виброволочения, определяемых условиями работы транспортного средства, максимальное снижение тягового усилия (или трения скольжения);

- существенное повышение производительности, безопасности и надежности технологии комбайновой выемки крепких руд достигается применением гидрофицированных крепей с рациональными параметрами и эффективных способов управления кровлей в выработанном пространстве, обоснование которых базируется на установленных закономерностях проявления горного давления с учетом совокупных затрат на его управление.

Обоснованность и достоверность научных положений, выв