автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров и показателей работы шнеко-фрезерного исполнительного органа стволопроходческого агрегата при эксплуатации на Верхнекамском месторождении калийных руд

На правах рукописи

ФОМИЧЕВ Алексей Дмитриевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ШНЕКО-ФРЕЗЕРНОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА СТВОЛОПРОХОДЧЕСКОГО АГРЕГАТА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ВЕРХНЕКАМСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ КАЛИЙНЫХ РУД

Специальность 05.05.06 - Горные машины

23 ОК Г 2014

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005553619

Тула - 2014

005553619

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении Высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.

Научный руководитель:

Жабин Александр Борисович, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Хазанович Григорий Шнеерович, доктор технических наук, профессор, Шахтинский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И.Платова» / кафедра «Технология и комплексы горных, строительных и металлургических производств», профессор;

Кузиев Дильшад Алишерович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» / кафедра «Горные машины и оборудование», доцент.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Защита диссертации состоится «11» декабря 2014 г. в «16» часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6 уч. корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета и на сайте http://www.tsu.tula.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим выслать по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872)33-13-05.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь ^гН У7!

диссертационного совета // V/ Копылов Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время Россия занимает второе место в мире по запасам калийных руд, которые составляют 32 %, уступая по этому показателю только Канаде (38 %). Основным источником их запасов в нашей стране является Верхнекамское месторождение, добычные работы в котором, начиная с 2009 года, имеют устойчивый рост, достигающий 40 % в год.

Реализация возросших темпов добыта калийных руд предполагает необходимость ввода в эксплуатацию новых рудников, для успешного строительства которых требуется усовершенствованные техника и технология возведения вертикальных капитальных стволов.

Существенным осложняющим фактором строительства стволов является образование технологических трещин в горном массиве при их проходке буровзрывным способом. Появление трещин обусловливает нарушение герметичности ствола из-за попадания пластовых вод в закрепленное заморозкой и тампо-нажными растворами затюбинговое пространство. Перспективным способом, предотвращающим появление технологических трещин, является внедрение механизированного способа строотельства стволов с помощью исполнительных органов, оснащенных породоразрушающим инструментом, обеспечивающего равномерное оконтуривание круглого сечения выработки и не нарушающего целостность затюбингового пространства, что в свою очередь уменьшает трудоемкость возведения крепи и повышает эффективность ее строительства,

улучшая герметичность ствола.

Однако в настоящее время механизированный способ строительства стволов еще не получил широкого распространения из-за высокой сложности таких комплексов и ограниченной области применения по прочности пород. Поэтому отсутствует сколько-нибудь большая номенклатура конструкций как самих механизированных стволопроходческих комплексов, так и их исполнительных органов. Не проводились в должной мере и специальные научные исследования по расчету и проектированию таких машин. Поэтому тема диссертационной работы, направленная на обоснование параметров и показателей работы механизированного стволопроходческого оборудования в реальных условиях эксплуатации при строительстве ствола, является актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР ТулГУ и ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод».

Цель работы заключается в обосновании параметров и определении нагруженности и производительности шнеко-фрезерного исполнительного органа на основе установленных и уточненных закономерностей при его эксплуатации в составе стволопроходческого агрегата, обеспечивающего повышение эффективности строительства ствола в калийных рудах Верхнекамского месторождения с помощью механизированного способа проходки.

Идея работы заключается в повышении эффективности строительства ствола в калийных рудах, обусловленного уменьшением трудоемкости возведения крепи и улучшением герметичности ствола за счет предотвращения появ-

ления технологических трещин, нарушающих целостность затюбингового пространства, достигаемого применением обоснованного расчета параметров и показателей работы механизированного способа на основе установленных и уточненных закономерностей при эксплуатации стволопроходческого агрегата в реальных условиях.

Метод исследования - научный анализ и обобщение опыта расчета, проектирования и эксплуатации стволопроходческого оборудования и его Исполнительных органов и результатов ранее выполненных работ по разрушению горных пород, в том числе и калийных руд; проведение экспериментальных исследований разрушения калийных руд в реальных условиях эксплуатации стволопроходческого агрегата при строительстве ствола; применение методов теории вероятности и математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:

- энергоемкость процесса разрушения и усилие подачи вертикально ориентированного шнеко-фрезерного исполнительного органа необходимо определять с учетом дуги его контакта с разрушенной и неотгруженной горной породой, что обусловлено взаимным трением фрезы с ней и повторным вовлечением ее в зону работы рабочего органа;

- мощность привода вращения шнеко-фрезерного исполнительного органа с вертикально ориентированной осью вращения включает в себя мощность, затрачиваемую на резание, и мощность, затрачиваемую на вертикальное перемещение размещенной на лопастях шнековой спирали горной породы и зависящую от ее скорости, силы тяжести и сопротивления перемещению, обусловленного ее перемешиванием и переизмельчением;

- техническая производительность стволопроходческого агрегата семейства АСП определяется суммарным временем, затрачиваемым на один цикл работы с учетом временных затрат на технологические операции, включающие в себя разрушение кольцевых сегментов, вертикальные и горизонтальные зарубки, работу гидроцилиндров вертикального перемещения и распора, монтаж тюбинговой обделки, переналадку элементов агрегата, его обслуживание и ремонт;

- эксплуатационную производительность стволопроходческого агрегата следует рассчитывать с учетом суммарного времени, затрачиваемого на один цикл работы и включающего в себя время, затрачиваемое на технологические операции, независящие от конструкции агрегата, а именно: отгрузку разрушенной горной породы, доставку вспомогательного оборудования, необходимого для проходки и монтажа тюбинговой обделю!, и бетонирование одного тюбингового кольца.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

- получены расчетные формулы для определения коэффициентов, учитывающих влияние угла дуги контакта шнековой фрезы с горным массивом и

уточняющих зависимости крутящего момента, действующего на исполнительный орган агрегата при разрушении калийных руд, и его усилия подачи;

- получена расчетная формула для определения коэффициента, учитывающего сопротивление вертикальному перемещению породы по оси шнековой фрезы и зависящего от массовой производительности по отбойке руды;

- установлена расчетная зависимость потребной мощности привода вращения шнековой фрезы с вертикально ориентированной осью вращения для исполнительного органа стволопроходческого агрегата, включающей затраты мощности, идущей на резание и вертикальное перемещение горной породы с учетом ее силы тяжести, скорости и сопротивления перемещению, обусловленного перемешиванием и переизмельчением;

- установлена величина коэффициента, учитывающего ручной режим работы стволопроходческого агрегата;

- получены расчетные формулы для определения технической и эксплуатационной производительности стволопроходческих механизированных комплексов на базе стволопроходческих агрегатов семейства АСП, учитывающие затраты времени на технологические операции как зависящие, так и не зависящие от их конструкции;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается: корректностью постановки задач исследований; достаточным объемом и представительностью выполненных экспериментальных исследований в реальных условиях эксплуатации агрегата; опытом использования основных положений методик расчета и проектирования исполнительных органов проходческого и стволопроходческого оборудования. Сходимость расчетных и экспериментальных данных составляет 78-99 %.

Практическое значение работы:

- разработан рабочий орган стволопроходческого агрегата АСП-8,0, обеспечивающий механизированную проходку ствола на месторождениях калийных руд, который может оснащаться одной из двух шнековых фрез, имеющих вертикально ориентированную ось вращения;

- разработаны схемы механизированного разрушения забоя стволопро-

ходческим агрегатом АСП-8,0;

- разработана методика расчета параметров и показателей работы стволопроходческого механизированного комплекса на базе стволопроходческого агрегата семейства АСП со шнеко-фрезерным рабочим органом.

Реализация результатов работы: разработанный шнеко-фрезерный рабочий орган стволопроходческого агрегата АСП-8,0 принят и изготовлен на ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» (СОЭЗ) (г. Тула) и внедрен в эксплуатацию ЗАО «Объединенная горно-строительная компания» (ОГСК) (г. Москва) при строительстве клетевого ствола на Палашерском участке Верхнекамского месторождения калийных руд. Методика расчета параметров и показателей работы стволопроходческого механизированного комплекса на базе стволопроходческого агрегата семейства АСП со шнеко-фрезерным рабочим органом принята ООО «СОЭЗ» к использованию при проектировании

стволопроходческих агрегатов семейства АСП (в частности агрегата АСП-7,0). Результаты исследований внедрены в учебные курсы для студентов, обучающихся по специальности «Горное дело» (специализация горные машины и оборудование). Пакеты расчетных программ используются при курсовом и дипломном проектировании.

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении опыта расчета, проектирования и эксплуатации стволопроходческого оборудования и его исполнительных органов при строительстве стволов; разработке шнеко-фрезерного рабочего органа и трех схем механизированного разрушения забоя агрегатом АСП-8,0; проведении экспериментальных исследований разрушения калийных руд в реальных условиях эксплуатации стволопроходческого агрегата; уточнении и установлении закономерностей нагруженности и производительности исполнительного органа; разработке методики расчета параметров и показателей работы стволопроходческого механизированного комплекса на базе стволопроходческого агрегата семейства АСП.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2011-2014 гг.); технических советах ООО «СОЭЗ» (г. Тула, 2011-2014 гг.) и ЗАО «ОГСК» (г. Москва, 2011-2014 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 144 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков, 38 таблиц, список использованной литературы из 110 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Значительный вклад в разработку и совершенствование техники и технологии проходки и строительства стволов внесли В.В. Антипов, Ю.В. Антипов, И.В. Барановский В.Н. Жадаев, Б.А. Картозия, И.Г. Косков, А.Н. Кузичкин, В.В. Левит, Д.И. Малиованов, H.A. Малевич, И.А. Мартыненко, Ю.Н. Малышев Ю.Н. Наумов, Н.М. Покровский, A.A. Пшеничный, В.В. Смирнов И.С. Стоев, П.С. Сыркин, P.A. Тюркян, Б.И. Федунец, М.Н. Шуплик, Ф.И. Ягодкин и др.

В практике строительства стволов в настоящее время используется ство-лопроходческая техника, позволяющая вести проходку как буровзрывным, так и механизированным способом.

Буровзрывной способ проходки представляет собой совокупность производственных процессов по отделению горных пород от массива с помощью взрыва. При этом способе проходки используются бурильные установки для бурения шпуров в забое. Существенным осложняющим фактором при проходке стволов этим способом в водоносных горизонтах, является образование технологических трещин в горном массиве, что ведет к нарушению герметичности ствола из-за попадания пластовых вод в закрепленное заморозкой и тампонаж-ными растворами затюбикговое пространство.

Наиболее перспективным в таких условиях является применение механизированного способа проходки стволов, так как он обеспечивает равномерное оконтуривание круглого сечения выработки, сплошность приконтурного породного массива и целостность ледопородного ограждения при замораживании пород, а также и сейсмическую устойчивость от воздействия взрывной волны, присутствующую при буровзрывном способе. Проходка осуществляется рабочими органами, оснащенными резцовым или шарошечным инструментом. При этом достигается сравнительная безопасность ведения работ, обусловленная отсутствием взрывчатых веществ и выведением людей из забойной зоны.

Существенным вкладом в область механизированного строительства стволов являются разработки фирмы Неггепкпейи АО, чьи комплексы за последние годы успели пройти проверку, работая в различных геологических условиях на территориях нескольких стран, в том числе и России.

В связи с этим для строительства трех стволов Усольского рудника на Верхнекамском месторождении в зоне водонасыщенных пород компанией ЗАО «ОГСК» был подготовлен проект их проходки с использованием стволопро-ходческого комплекса для механизированного разрушения забоя, включающего в себя погрузочную машину 2КС-2У/40.

Механизация строительства ствола предусматривает разработку как ство-лопроходческого агрегата, входящего в состав комплекса, так и его исполнительного органа. Анализ конструкций рабочих органов показывает, что наиболее целесообразным в этих условиях является разработка и применение разрушающего калийную руду органа, сочетающего в себе преимущества шнековых и фрезерных рабочих органов, оснащенных режущим инструментом. Однако специальных научных исследований по обоснованию параметров и показателей работы такого исполнительного органа в составе стволопроходческого агрегата при строительстве ствола не проводилось.

На основании выше изложенного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:

- разработать и обосновать параметры шнеко-фрезерного исполнительного органа при разрушении калийных руд;

- обосновать схему разрушения забоя исполнительным органом при строительстве ствола;

- установить факторы, определяющие процесс разрушения забоя исполнительным органом при строительстве ствола;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования разрушения забоя исполнительным органом в реальных условиях эксплуатации;

- установить зависимости нагруженности исполнительного органа, а также теоретической, технической и эксплуатационной производительностей при работе стволопроходческого агрегата в реальных условиях его эксплуатации;

- разработать методику расчета параметров и показателей работы стволопроходческого агрегата.

Стволопроходческий комплекс (рисунок 1) включает в себя стволопро-ходческий агрегат АСП-8,0, разработанный специалистами ЗАО «ОГСК» и

ООО «СОЭЗ» при непосредственном участии автора.

Агрегат предназначен для проходки глубоких вертикальных стволов шахт круглого сечения диаметром 8 м как буровзрывным (при прочности пород на сжатие более 38 МПа), так и механизированным способом по слабым породам. Конструктивная схема агрегата АСП-8,0 представлена на рисунке 2.

Работа агрегата осуществляется по циклической схеме следующим образом. Во время разработки забоя агрегат распирается в стенки с помощью гидроцилиндров распора 13 (см. рисунок 2) и монтируется к тюбингам крепи ствола 12. Рабочим органом 3 осуществляется отбойка породы на заданную глубину по всей площади сечения ствола с применением качания в горизонтальной плоскости, подъема-опускания исполнительного органа и поворота внутреннего кольца 1. Далее производится отсоединение агрегата от крепи ствола, опускание на гидроцилиндрах вертикального перемещения 10 на величину отработанного пространства, механизированного стволонро-

_ , ходческого комплекса в стволе:

монтаж нового кольца тюбингов и фиксация к 1 _ „олок трехэтажный

нему агрегата. После этого цикл проходки повто- проходческий; 2 - бункер для

ряется. приема бетонной смеси;

Для агрегата АСП-8,0 с учетом факторов, 3 - породопогрузочная машина

определяющих процесс разрушения калийных руд, 2КС-2У/40; 4 - грейфер; 5 - бадья;

был разработан рабочий орган, который может 6-стволонроходческий агрегат

' 1 „ ' 1 АСП-8,0; 7 - подвеска для

оснащаться одной из двух вертикально ориентиро- монтажа тюбингов

ванных шнековых фрез в зависимости от условий

эксплуатации, которые имеют диаметр 1,2 м и оснащены поворотными резами ПС-2 в количестве 30 и 50 шт. каждая.

Шнековые фрезы были изготовлены и испытаны на ООО «СОЭЗ». Заводские испытания показали, что имеет место сплошное разрушение забоя при рациональных параметрах глубины и шага резания (рисунок 3). На основании результатов расчета параметров и заводских испытаний шнековых фрез, было принято решение о возможности их эксплуатации при строительстве ствола.

Конструкция исполнительного органа стволопроходческого агрегата позволяет производить разработку забоя, используя различные схемы механизированного разрушения в зависимости от условий его работы. Предложено три такие схемы, представляющие собой набор внутренних и периферийных кольцевых сегментов, расположенных послойно и обеспечивающих различные режимы работы агрегата в зависимости от прочности калийных руд. Одна из схем представлена на рисунке 4, где прямоугольниками с цифрами показаны разрабатываемые кольцевые сегменты, количество которых зависит от горно-

геологических условий работы агрегата, при этом разработка забоя шнековой фрезой ведется последовательно согласно номерам кольцевых сегментов от 1 до 15.

Рисунок 2 - Конструктивная схема стволопроходческого агрегата АСП-8,0 1 - внутреннее кольцо; 2 - монтажное кольцо; 3 - шнековая фреза; 4 - редуктор исполнительного органа; 5 - электродвигатель вращения фрезы; 6 - привод поворота внутреннего кольца; 7 - гидрооборудование; 8 - электрооборудование; 9 - кабелеукладчик;

10 - гидроцилиндры вертикального перемещения; 11 - механизм подачи-поворота исполнительного органа; 12 - тюбинговая обделка; 13 - гидроцилиндры распора и аутригеры

Рисунок 3 - Разрушаемый блок после Рисунок 4 - Схема механизированного

проведения заводских испытаний разрушения забоя

Работа исполнительного органа на периферийных (13-15) и внутренних (112) кольцевых сегментах имеет различия (рисунок 5). Периферийные кольцевые сегменты разрабатываются с отставанием от внутренних сегментов для образо-

вания уступа, необходимого для опоры гидроцилиндров вертикального перемещения стволопроходческого агрегата.

Разрушенная горная порода перемещение и перемешивание ^ ^ горной пароды

Разрушаемый целик гарного массива

Разрушаемый целик горного массива

Сбободное сбалибоние разрушенной v уступ Разрушенная горная порода

Разр^ иьш целик горного пассиОа

Исполнительный орган

\ • . Г

разрушенная горная порода --

Цспашнпе/'ытй праан

ОЬнохеняоя поЬерьноять забоя

Рисунок 5 - Режимы работы исполнительного органа: а - погружной режим (внутренние кольцевые сегменты); б - непогружной режим (периферийные кольцевые сегменты)

В результате на периферийных сегментах разрушенная порода беспрепятственно сваливается в образованный ниже уступ (см. рисунок 5, б), тогда как на внутренних кольцевых сегментах продолжает находиться в непрерывном контакте со шнеко-фрезерным исполнительным органом (см. рисунок 5, а). Наличие неотгруженных объемов разрушенной горной массы во внутренних кольцевых сегментах, постоянно вовлекаемых в зону работы фрезы, формирует так называемый «погружной» режим ее работы и приводит к переизмельчению и перемешиванию породы, а также к дополнительному трению с ней элементов шнековой фрезы. С учетом вертикальной ориентации оси шнековой фрезы, являющейся ее особенностью, разрушенная порода перемещается вертикально вверх по винтовой спирали шнека, создавая дополнительное сопротивление вращению рабочего органа.

На основании анализа конструкции агрегата и условий его работы были установлены дополнительные основные факторы, определяющие процесс разрушения калийных руд шнеко-фрезерным рабочим органом при проходке ствола. К этим факторам относятся: р - плотность породы, кг/м3; схема разрушения забоя (см. рисунок 4); способ управления агрегатом (ручной или автоматизированный); режим работы исполнительного органа (погружной и непогружной); ЭфР - диаметр шнековой фрезы по траекториям резцов, м; Sc„ - шаг спирали шнека исполнительного органа, м; аш - угол подъема спирали шнека, град; Du, -диаметр наружной шнековой спирали, м; d,u - диаметр внутренней шнековой спирали, м; Поб - частота вращения исполнительного органа , об/мин; Вш - ширина спирали шнека, м; Хсп - количество витков спирали шнека, шт; В, - г лубина захвата исполнительного органа, м; <р - дуга контакта с забоем проекции исполнительного органа на плоскость, перпендикулярную оси вращения, рад;/. -коэффициент сопротивления перемещению породы, обусловленный ее перемешиванием и переизмельчением, а также трением подвижной породы о неподвижную; V4UKn - объем породы проходимой агрегатом за один цикл его работы

Ттех - время, затрачиваемое на выполнение операций, производимых при работе агрегата, обусловленных его конструктивными особенностями, мин.; Тжс время, затрачиваемое на простои агрегата, независящие от его конструкции, мин.

В качестве основных критериев оценки эффективности разрушения калийных руд шнеко-фрезерным рабочим органом и проходки ствола были приняты: мощность, затрачиваемая на разрушение горного массива исполнительным органом ,\'вфр (кВт), усилие подачи исполнительного органа (кН), производительность проходки ствола (м3/мин), включающая в себя производительность по отбойке руды Qom, техническую дтех и эксплуатационную производительности а также удельная энергоемкость процесса разрушения (МДж/м3).

Для установления и уточнения закономерностей изменения нагруженно-сти и производительности шнеко-фрезерного исполнительного органа, работающего в погружном режиме, а также для обоснования его параметров при эксплуатации в составе стволопроходческого агрегата были проведены экспериментальные исследования. Исследования проводились в натурных условиях при строительстве клетевого ствола на Палашеском участке Верхнекамского месторождения калийных руд прочностью 28 МПа на отметке 398 м. Было пройдено 7 метров готового ствола. Агрегат и его рабочий орган были оснащены необходимой регистрирующей и измерительной аппаратурой. Разработка забоя во время исследований велась шнековой фрезой, оснащенной 50 резцами,

по схеме, представленной на рисунке 4.

Анализ результатов исследований показывает, что наибольшие значения производительности по отбойке руды (0,63-0,72 м3/мин) получены на периферийных 13-15 кольцевых сегментах, где отсутствует погружной режим работы агрегата (см рисунке 5, б), а наименьшие значения (0,36-0,38 м /мин) - на центральных 5 и 9 кольцевых сегментах. Среднее значение производительности

составило 0,52 м3/мин.

Расчет энергоёмкости процесса разрушения Н„ производился по средним для кольцевых сегментов значениям мощности, идущей на разрушение Ме.фр.к„ и средней для кольцевых сегментов производительности по отбойке бот.*- Результаты расчета значений энергоемкости были сопоставлены с результатами, полученными на основе известных методик расчета при заданных значениях производительности, схеме набора резцов и горно-геологических условий работы исполнительного органа.

На рисунке 6 представлен график зависимостей изменения безразмерной энергоемкости от коэффициента, учитывающего часть траектории движения резцов, находящихся в контакте с неразрушенным горным массивом и влияю-

дя„, ед.

Щ- 2

0.45

Рисунок 6 - Зависимости изменения энергоемкости ДН„ от коэффициента Ктр\ 1 - экспериментальная; 2 - теоретическая

щего на крутящий момент фрезы Кщ,, величина которого определяется по формуле Ктр=<рПп. Анализ данных зависимостей, показывает, что изменение энергоемкости, полученной экспериментально, в меньшей степени зависит от активной дуги контакта, чем теоретическая зависимость, что обусловлено дополнительным контактом шнековой фрезы с разрушенной породой в погружном режиме.

Для учета части траектории движения резцов, находящихся в контакте с горным массивом при погружном режиме работы агрегата, получен коэффициент Ктр„, величина которого уточняет крутящий момент на фрезе и имеет следующий вид:

Ктрл =0,618-КЦ™. (1)

Ориентация шнековой фрезы в пространстве обусловливает дополнительные затраты мощности на вертикальное перемещение горной породы, обусловленное ее переизмельчением и перемешиванием при работе фрезы в погружном режиме. Поэтому суммарную мощность работы исполнительного органа агрегата (кВт) следует представить в виде зависимости

К.ФР=ХР+К, (2)

где ТУр - мощность, затрачиваемая на резание и зависящая от крутящего момента и частоты вращения рабочего органа; Л^ - мощность, затрачиваемая на вертикальное перемещение горной породы по шнековой фрезе.

Установлено (рисунок 7), что между массовой производительностью ()м,к и мощностью Ыт существует линейная зависимость, характеризующая возрастание мощности Ы„ при увеличении производительности (2М„.

Анализ показывает, что характер движения частиц породы, перемещаемых винтовой спиралью шнека фрезы, подобен характеру движения частиц материла, транспортируемых вертикальным шнековым конвейером. Расчетная схема сил и скоростей, действующих на породу во время работы шнековой фрезы в погружном режиме, представлена на рисунке 8. Здесь у„р - скорость вертикального перемещения породы; уш - скорость перемещения породы по винтовой спирали шнека; С„ — сила тяжести породы; Ртрш — сила трения породы о шнек, обусловленная ее силой тяжести; аш - угол подъема спирали шнека.

I/

кВт

• •

•

У

•

1020 1120

кг/мин

Рисунок 7 - Зависимость мощности на перемещение Л^, от производительности ()м

Рисунок 8 - Расчетная схема сил и скоростей, действующих на породу во время работы шнековой фрезы в погружном режиме

Исходя из расчетной схемы (см. рисунок 8), мощность, затрачиваемая на вертикальное перемещение горной породы, определяется по зависимости

(3)

где У„ш - объем породы, размещенной между лопастями винтовой спирали шнека, м3.

Значения \„р вычисляются из выражения

(4)

Объем породы, размещенной между лопастями винтовой спирали шнека Упш, рассчитывается по формуле

Упш = я/4• (£>„2 - </.2) • В, - У^, (5)

где УСш - объем винтовой спирали шнека, м3.

Величина Усш определяется по формуле

Кш=ж-А.-Д.-ЛГж-{2>и/2-^/2). (6)

На основании результатов исследований и с учетом графика, показанного на рисунке 7, получена расчетная формула для определения коэффициента^

Л = 1,75 + 0,00267 • <2МХ. (7)

Потребное значение усилия подачи характеризуется коэффициентом Ктт учитывающим углы, под которыми действуют силы подачи на отдельных резцах, контактирующих с породой, и от того, какая часть общего количества резцов на исполнительном органе находится в контакте с породой. Величина Ктп определяется формулой К,т=0,25-((р/2+$т2(р). На рисунке 9 представлены графики изменения усилия подачи в зависимости от этого коэффициента. Анализ зависимостей графика показывает, что изменение усилия подачи в погружном режиме, полученного экспериментально, в меньшей степени зависит от дуги контакта фрезы, чем теоретическая зависимость.

Погружной режим работы шнековой фрезы характеризуется дополнительным усилием на преодоление силы сопротивления усилию подачи исполнительного органа со стороны не отгруженной разрушенной породы, а коэффициент Ктп эту особенность не учитывает.

Поэтому для учета углов, под которыми действуют силы подачи на отдельных резцах, контактирующих с породой, и от того, какая часть общего количества резцов на исполнительном органе находится в контакте с породой при погружном режиме работы агрегата, установлен коэффициент Ктп т уточняющий усилие подачи, величина которого имеет вид

К-тп.п = 0,614 • К°'Ц06. (9)

Для оценки темпов строительства ствола выполнены хронометражные исследования по определению технической 0,тех и эксплуатационной {2>кс про-изводительностей агрегата.

/ 2

/

/

0.2 0.25 0.3 0.35 К,

Рисунок 9 - Зависимости изменения усилия подачи ДРум от коэффициента Кт„: 1 - экспериментальная; 2 - теоретическая

Техническая производительность учитывает простои в работе, обусловленные особенностью конструкции и технологии проходки ствола агрегатом.

Техническую производительность (м3/мин) следует определять по формуле

О = —, (10)

Ытех 1 / с 7*

Ч Кр''тех

где Кр - коэффициент, учитывающий режим работы агрегата (установлено, что при ручном режиме работы равен 0,82, при автоматизированном управлении -

Время Ттех (мин) учитывает затраты на выполнение операции, производимых при работе агрегата, обусловленных его конструктивными особенностями, и определяется по выражению

Т„ех Kepm.iap 'гор.зар 'г 'тюб ¡доп ^обся ' О ^ )

где tp - время, затрачиваемое агрегатом на разрушение кольцевых сегментов; teepm.mp - время, затрачиваемое на выполнение операций по вертикальной зарубке; Ьор.]ар - время, затрачиваемое на выполнение операций по горизонтальной зарубке; U - время работы гидроцилиндров вертикального перемещения и распора; tmK>6 - время, затрачиваемое на операции по монтажу тюбинговой обделки; tdon - время, затрачиваемое на дополнительные операции по переналадке элементов агрегата; to6a - время, затрачиваемое на выполнение работ, направленных на обслуживание и ремонт агрегата.

Эксплуатационная производительность, помимо выше перечисленных факторов, учитывает и простои в работе по организационно-техническим причинам, независящим от конструктивных особенностей агрегата.

Эксплуатационную производительность (м3/мин) необходимо определять по формуле

Qm=--iüs-. (12)

Время Тэкс (мин) учитывает затраты на простои агрегата, независящие от его конструкции, и рассчитывается по формуле

Тхс — tom! + tdocmJ,6 + tfem , (13)

где fom> - время, затрачиваемое на отгрузку разрушенной горной породы, после того как агрегат закончил разработку забоя в текущем цикле работы; tдост ав -время, затрачиваемое на доставку вспомогательного оборудования, необходимого для проходки монтажа тюбинговой обделки; t6em - время, затрачиваемое на бетонирование одного кольца из тюбингов.

Значение технической производительности составило 0,2 м /мин, а эксплуатационной - 0,13 м3/мин.

На основании результатов исследований разработана методика расчета параметров и показателей работы стволопроходческого механизированного комплекса на базе стволопроходческого агрегата семейства АСП со шнеко-фрезерным рабочим органом. Методика позволяет производить:

- расчет мощности, затрачиваемой на разрушение горных пород, и усилия подачи для шнеко-фрезерного исполнительного органа;

- расчет технической и эксплуатационной производительностей стволо-проходческих агрегатов семейства АСП.

Был выполнен пример расчета стволопроходческого агрегата АСП-7,0, показывающий, что его эксплуатационная производительность равна 16,9 т/час. При этом потребная мощность привода исполнительного органа составляет 200 кВт, а необходимое усилие подачи - 50 кН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных экспериментальных исследований содержится решение задачи обоснования параметров и определения нагруженности и производительности шнеко-фрезерного исполнительного органа на основе установленных и уточненных закономерностей при его эксплуатации в составе стволопроходческого агрегата, обеспечивающего повышение эффективности строительства ствола в калийных рудах Верхнекамского месторождения, что имеет значение для расчета и проектирования горно-проходческого оборудования.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему.

1 Разработан рабочий орган стволопроходческого агрегата АСП-8,0, обеспечивающий механизированное разрушение забоя в условиях Верхнекамского месторождения калийных руд и предотвращающий появление технологических трещин, нарушающих целостность затюбингового пространства, что в свою очередь уменьшает трудоемкость возведения крепи, повышает эффективность ее строительства и улучшает герметичность ствола. Рабочий орган может оснащаться одной из двух шнековых фрез, имеющих вертикально ориентированную ось вращения, в зависимости от условий эксплуатации. В результате проведенных заводских испытаний установлены рациональные режимы их работы.

2 Разработаны три схемы механизированного разрушения забоя стволо-проходческим агрегатом, представляющие собой набор внутренних и периферийных кольцевых сегментов, расположенных послойно, и обеспечивающих различные режимы работы агрегата в зависимости от прочности калийных руд.

3 Выявлено, что при работе исполнительного органа на периферийных сегментах разрушенная порода беспрепятственно сваливается в образованный ниже уступ, тогда как на внутренних кольцевых сегментах продолжает находиться в непрерывном контакте с исполнительным органом. Наличие неотгру-женных объемов разрушенной горной массы во внутренних кольцевых сегментах, постоянно вовлекаемых в зону работы фрезы, формирует «погружной» режим ее работы и приводит к переизмельчению и перемешиванию породы, а также к дополнительному трению с ней элементов шнековой фрезы.

4 Установлена производительность агрегата АСП-8,0 по отбойке калии-ной руды с пределом прочности 28 МПа в реальных условиях эксплуатации при

n

/

проходке ствола. Диапазон изменения производительности составляет 0,36 -0,72 м3/мин в зависимости от положения исполнительного органа в схеме разрушения. Среднее значение производительности равно 0,52 м /мин.

5 Установлены зависимости удельной энергоемкости процесса разрушения калийных руд и усилия подачи от дуги контакта шнековой фрезы с горным массивом, что позволило получить формулы для расчета соответствующих коэффициентов, учитывающих также и влияние разрушенной и неотгруженной горной породы. Уточнены зависимости крутящего момента, действующего на исполнительный орган при разрушении калийных руд, и усилия подачи, учитывающие погружной режим работы шнековой фрезы.

6 Установлена формула для расчета суммарной потребной мощности рабочего органа, учитывающей мощность, затрачиваемую на резание, и дополнительную мощность, затрачиваемую на вертикальное перемещение горной породы, обусловленное ее перемешиванием и переизмельчением.

7 Получены расчетные формулы для определения производительности агрегата. Значения технической и эксплуатационной производительностей составили 0,2 и 0,13 м3/мин соответственно.

8 Разработана методика расчета параметров и показателей работы ство-лопроходческого механизированного комплекса на базе стволопроходческого агрегата со шнеко-фрезерным рабочим органом.

9 Результаты исследований, методика расчета, конструктивные решения и рекомендации в полном объеме используются ООО «СОЭЗ» (г. Тула) и ЗАО «ОГСК» (г.Москва) при разработке и создании стволопроходческих агрегатов.

Основные положения диссертации опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России:

1 Фомичев, А.Д. Технологии механизированного строительства главных вертикальных стволов на примере современных стволопроходческих агрегатов / А.Д. Фомичев // Известия ТулГУ. Технические науки.- 2014. -№1.- С. 172 - 179.

2 Жабин, А. Б. Стволопроходческий агрегат АСП-8,0 / А.Б. Жабин, А.Д. Фомичев // Горное оборудование и электромеханика.- 2014. - №1.- С. 3 - 5.

3 Фомичев, А.Д. Разработка и обзор стволопроходческого агрегата АСП-8,0 / А.Д. Фомичев // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2014.-№6,- С. 211 - 218.

4 Жабин, А. Б. Расчет шнеко-фрезерного исполнительного органа стволопроходческого агрегата АСП-8,0 / А.Б. Жабин, Ан.В. Поляков, А.Д. Фомичев // Горное оборудование и электромеханика.- 2014. - №3.- С. 3 - 8.

5 Жабин, А. Б. Некоторые результаты исследований при эксплуатации стволопроходческого агрегата АСП-8,0 / А.Б. Жабин, А.Д. Фомичев // Горное оборудование и электромеханика,- 2014. - №7,- С. 8 -11.

6 Жаб™, А. Б. Определение показателей работы шнеково-фрезерного исполнительного органа стволопроходческого агрегата АСП-8,0 при погружном режиме работы / А.Б. Жабин, А.Д. Фомичев 11 Горное оборудование и электромеханика.- 2014. - №8.- С. 7 - 12.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 03.10.2014 Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л.1,2 Уч. — изд. л.2,0 Тираж 100 экз. Заказ /¿О Отпечатано Издательство ТулГУ 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95