автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров сдвоенного ударного исполнительного органа проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок в Кембрийских глинах

На правах рукописи

ИСАЕВ Алексей Игоревич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СДВОЕННОГО УДАРНОГО

ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В КЕМБРИЙСКИХ ГЛИНАХ

Специальность 05.05.06 — Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич

Официальные оппоненты:

Пушкарев Александр Евгеньевич - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра геотехнологий и строительства подземных сооружений, профессор

Кузиев Дильшад Алишерович - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра горных машин и оборудования,доцент

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»

Защита состоится 29 июня 2015 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 29 апреля 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

Андрей Сергеевич

ФОКИН

! российская '< гп(;у/;л;'С1вспнАЯ г>иьлиоп;кл

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время транспортную проблему в крупных городах, к которым относится Санкт-Петербург, необходимо решать только путем строительства развитой сети метрополитена, которая является наиболее эффективным видом транспорта, обладающим высокой пропускной способностью пассажиров.

Инженерно-геологические условия Санкт-Петербурга характеризуются большой неоднородностью и относительной сложностью, которую необходимо учитывать при использовании подземного пространства города, в том числе при проектировании, строительстве и эксплуатации метро. Сеть тоннелей и выработок Санкт-Петербургского метрополитена располагается на глубине 40-70 м, при этом сооружение тоннелей сопровождается проходкой вспомогательных выработок (транспортные и вспомогательные ходки, тупиковые и специальные выработки, выработки околоствольного двора, камеры и т.д.), необходимых для соединения строящихся станций с вертикальным стволом, для выдачи отбитой породы на поверхность, доставки всего необходимого для строительства станций.

По экспертным данным на 1 км перегонного тоннеля приходится более 1 км вспомогательных выработок, проведение которых является весьма дорогостоящим, трудоемким и опасным процессом при этом разрабатываемый забой весьма различен по составу: сухая глина; глина с включением известняка; глина с включением закварцованного известняка с содержанием воды в верхней части прослойки; глина с включением гранитных валунов. Для проходки коротких выработок и ходков щиты и комплексы бурового действия не применимы, до сих пор используется ручной труд проходчиков с отбойными молотками и крепление забоя лесоматериалами.

Таким образом, для повышения эффективности отработки массива забоя кембрийских глин с наличием крепких прослоек горной породы и исключения весьма опасных ручных работ, выполняемых рабочими с полков тюбингоукладчика, необходимо создание проходческих комплексов облегченного типа с исполнительными органами ударного типа, а также механических устройств для удержания забоя. Для этого необходимо теоретически обосновать способ обработки забоя и параметры исполнительного органа для его разрушения, что является актуальной научной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности работы проходческого комплекса, увеличением его производительности на основе использования модели взаимодействия исполнительного органа с массивом разрушаемого забоя и уменьшением доли ручного труда при проведении горнопроходческих работ внедрением предлагаемых средств механизации обработки забоя, исключающих присутствие рабочих в призабойной зоне.

Идея работы. Повышение производительности проходческого комплекса обеспечивается использованием сдвоенного ударного исполнительного органа, в конструкции которого соотношение расстояния по осям между синхронно работающими ударниками к расстоянию между внедренными в массив породоразрушающими инструментами обеспечивает наложение друг на друга распространяемых ударных волн в кембрийской глине, приводящее к увеличению объема выкола отрабатываемой породы.

Задачи исследования:

1. Провести анализ конструктивных особенностей проходческих комплексов и их исполнительных органов для проведения вспомогательных выработок в кембрийских глинах.

2. Провести экспериментальные исследования для определения параметров разрушения массива кембрийских глин, исполнительными органами ударного типа, оснащенными породоразрушающими инструментами различной конструкции.

3. Разработать конструкцию малогабаритного сдвоенного ударного исполнительного органа и математическую модель, описывающую процесс его взаимодействия с массивом кембрийских глин.

4. Разработать компоновочные схемы комплекса для проведения вспомогательных выработок в массивах кембрийских глин.

5. Разработать универсальную обобщенную методику расчета производительности проходческого комплекса на основе параметров средств отбойки и транспортировки, используемых при строительстве специальных выработок на шахтах Санкт-Петербургского Метростроя.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: теоретические исследования, математическое моделирование, экспериментальные исследования и проведение хрономегражных наблюдений на шахтах Санкт-Петербургского Метро-строя.

Научная новизна работы. Разработана математическая модель процесса отделения кембрийских глин от массива забоя ударными исполнительными органами проходческого комплекса с учетом энергии и частоты ударов и угла заострения породоразрушающих инструментов; установлены параметрические соотношения исходного положения между ударными рабочими инструментами сдвоенного ударного исполнительного органа к конечному расстоянию по осям заглубленных в массив кембрийской глины породоразрушающих инструментов, обеспечивающих развитие направленных навстречу друг другу магистральных трещин в отрабатываемой горной породе; установлена зависимость производительности проходческого комплекса изменяющаяся от способа разрушения, структуры, наличия и изменения прочностных параметров крепких включений в массиве отрабатываемого забоя кембрийских глин.

Защищаемые научные положения:

1. Установлено, что теоретическая производительность проходческого комплекса с ударным исполнительным органом при разрушении массива кембрийских глин зависит от глубины внедрения породоразру-шающего инструмента, которая описывается степенной зависимостью количества наносимых ударов с показателем степени, изменяющимся в диапазоне значений 0,37-0,56 от величины угла заострения пики, с множителем функции равному первоначальному заглублению.

2. Экспериментально установлено, что совместная работа двух ударников, установленных на исполнительном органе проходческого комплекса и ориентированных в плоскости под сходящимся углом в 40 градусов с расстоянием между внедренными в массив кембрийской глины остриями пик, находящимися в интервале 200-300 мм, по сравнению с параллельным расположением ударников приводит к увеличению производительности отбойки глины на 15-20 %, в результате ослабления массива заключенного между пиками ударников.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, обусловлена корректным использованием апробированных методов классической механики разрушения, корреляционного анализа экспериментальных данных, достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, а также согласованностью с общепринятыми представлениями о закономерности соударяющихся тел, корректностью построения расчетных моделей ударного взаимодействия элементов ударных систем, использованием современных методов исследований и обработки данных.

Практическая значимость работы:

1. Разработана конструкция пневматического перфоратора, на которую получено положительное решение о выдаче патента;

2. Разработана конструкция стенда для исследования параметров ударных исполнительных органов.

3. Разработана конструкция и определены рациональные параметры сдвоенного ударника для разрушения кембрийских глин

4. Разработана схема ведения горных работ проходческим комплексом на базе тюбингоукладчика со сменными исполнительными органами на эректоре и крепления забоя без использования лесоматериалов.

5. Разработана методика расчета параметров ударных элементов для разрушения глин, составлена планограмма новой схемы разрушения забоев.

6. Разработаны рекомендации по выбору типа доставочного оборудования на основе математических моделей процессов транспортирования глины погрузочно-доставочными машинами в зависимости от длины транспортирования, динамических показателей движения машин.

Реализация результатов работы.

1. Результаты исследований приняты к внедрению ЗАО «МЕТРОКОН» Санкт-Петербург.

2. Результаты работы использовались в НИОКР: «Разработка новых образцов бурового оборудования с пониженным уровнем вибрации» для ОАО «Апатит»; «Разработка новых ударных систем буровой техники на открытых и подземных работах для повышения производительности и ресурса» для ОАО «Апатит»; «Разработка конструкции перфоратора с ударной системой «поршень-боек-штанга» для ГП ЗУМК.

3. Разработанные лабораторные стенды используются в учебном процессе в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» при подготовке студентов по направлению 130400 «Горное дело».

Личный вклад автора. Произведен анализ основных теоретических представлений о разрушении горных пород ударными исполнительными органами. Сформулированы цель, задачи исследований и научные положения. Спроектированы и изготовлены лабораторные стенды, проведены экспериментальные исследования процессов разрушения глины породоразрушающими инструментами с различными углами заострения наконечника, а также процессов формирования ударного импульса в образцах кембрийской глины, в том числе сдвоенным ударником. Предложены конструкции двух проходческих комплексов и

ударника повышенной эффективности, а также методики расчетов их основных параметров.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута 2012, 2013 г.); международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2013 г.); международный конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетике (г. Минск, Беларусь, 2013 г.); ежегодным научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2013, 2014, 2015 г.); международной практической конференции «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.); межкафедральных семинарах механического факультета Горного университета (2012-2015 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, 5 приложений, общим объемом 141 страниц печатного текста, содержит 14 таблиц и 57 рисунков, список литературы из 101 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы и обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе представлены: анализ состояния и основные направления развития проходческой техники для проведения вспомогательных выработок и станционных тоннелей в условиях Санкт-Петербургского метрополитена, дан анализ методик расчета ударных исполнительных органов. Определены основные цели и основные задачи исследования.

Во второй главе дан анализ процессов разрушения горных пород и произведено математическое моделирование процессов ударного разрушения массива кембрийских глин. Разработаны математические модели расчета ударников и их параметров. Получены зависимости производительности по отбойке глины от ее крепости.

В третьей главе представлена методика экспериментальных исследований и конструкции стендов для изучения ударных процессов

разрушения кембрийских глин одиночным ударом и серией последовательных ударов. Даны результаты экспериментальных исследований по распространению ударных волн в кембрийских глинах при разрушении их ударными исполнительными органами.

В четвертой главе представлены варианты конструкций проходческих комплексов облегченного типа для проходки вспомогательных выработок и обоснованы параметры их исполнительных органов применительно к забоям кембрийских глин.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, выводы и рекомендации по их использованию.

защищаемые научные положения

1. Установлено, что теоретическая производительность проходческого комплекса с ударным исполнительным органом при разрушении массива кембрийских глин зависит от глубины внедрения породоразрушающего инструмента, которая описывается степенной зависимостью количества наносимых ударов с показателем степени, изменяющимся в диапазоне значений 0,37-0,56 от величины угла заострения пики, с множителем функции равному первоначальному заглублению.

Проведение вспомогательных выработок вблизи строящихся станций Санкт-Петербургского Метростроя должно быть основано на оснащении тюбинго- или крепеустановщика исполнительными органами на их эректоре, при этом такие проходческие комплексы должны выполнять три основные функции: разрушение забоя, в том числе с твердыми включениями, перемещение отбитой горной массы из зоны отбойки в средства доставки, а также удержание забоя в момент установки крепи или кольца тюбингов. Предложенные ранее конструкции комплексов имеют ряд существенных недостатков, преодоление которых потребовало исследовать процессы разрушения глин ударными исполнительными органами, а также взаимоувязку многочисленных устройств в компактный комплекс. Наиболее сложными, недостаточно изученными процессами являются процессы разрушения забоя. В работе предусмотрено взаимодействие теоретических, экспериментальных исследований и математического моделирования для определения рациональных параметров ударников для разрушения кембрийских глин.

По результатам исследований предложена конструкция исполнительного органа проходческого комплекса, при этом обработка забоя предусматривает разрушение массива кембрийской глины и твердых включений ударником (рисунок 1).

Рисунок 1 - Конструкция проходческого комплекса: 1 -тюбингоукладчик; 2 -поворотный телескопический рычаг; 3 - сдвоенные ударники; 4 - металлические козырьки для удержания кровли забоя

На рисунке 2 показана теоретическая зависимость первоначального заглубления пики в забой от крепости породы, построенная по уравнению проф. Р.Ю. Подэрни, такая зависимость для ударных исполнительных органов не учитывает снижение величины заглубления по мере внедрения породоразрушающего инструмента в разрабатываемый массив, и тем самым дает завышенные показатели производительности по отбойке породы.

Ь„, М 0,008

10 11

Рисунок 2 - Зависимость теоретической величины заглубления породоразрушающего инструмента за один удар от крепости породы

Ниже представлено теоретическое обоснование возможности получения величин заглублений пик в зависимости от ударного импульса, передаваемого инструменту. При исследовании пика моделируется системой трех масс: вся масса пики равномерно делится между тремя массами модели, а жесткость пики распределяется между двумя последовательно соединенными одноосными упругими элементами.

Перед ударом поршня по пике первый обладает скоростью:

^пор- = д/2/у,/т|шр , где Р0 - сила, действующая на поршень (1500 Н),

/1 - пробег поршня перед ударом (0,05 м), тпор- масса поршня (2 кг). При рассмотрении единичного удара поршня по инструменту предполагается, что со стороны породы на штангу действует сила сопротивления пропорциональная скорости = к ц.

С помощью теоремы об изменении количества движения и условия, связывающего доударные и послеударные относительные скорости тел через коэффициент восстановления /?, строится перемещение правой массы модели Г —> оо - х™ (конец инструмента в забое) при однократном ударе поршня по пике от коэффициента сопротивления породы к (рисунок 3).

<1 01

00001 000001

гхюо тих! таш?

Рисунок 3 - График величины внедрения пики отбойного молотка в зависимости от коэффициента сопротивления породы

Для определения коэффициента сопротивления породы внедрению (к) для различных углов заострения породоразрушающего инструмента необходимо определить его скорость заглубления.

В результате проведения предварительных экспериментов, а также хрономегражных наблюдений работы отбойных молотков, скорости заглубления пики в кембрийскую глину составляют: 1,5 + 2,0 м/с - для острых (а = 30°) пик и 1,0 ■*■ 1,5 м/с - для затупленных (а = 70°).

С использованием теоремы об изменении импульса системы определяются силы, действующие на пику со стороны забоя, которые позволяют определить значения коэффициента сопротивления породы к, для различных углов заточки инструмента: кзо = 6600 Нс/м, к10 = 8000 Нс/м.

Согласно математической модели для таких значений к величина заглубления составит /г.ю = 0,012 м и /г7о = 0,01 м, что не противоречит величинам заглубления на первом ударе рассчитанным по формулам проф. Р.Ю. Подэрни.

Необходимо отметить, что в данных условиях соударяющиеся тела существенно различаются по массе и коэффициент восстановления может отличаться от часто принимаемого для сталей /? = 0,6.

Хронометраж процессов отбойки глины и предварительные эксперименты показали, что снижение величины заглубления пики в глину происходит на каждом ударе. Теоретическое изменение величины заглубления от частоты ударов представлено на рисунке 4. Это степенная зависимость с показателем степени, при параметре частоты ударов, находящимся в интервале 0,2-0,6.

0.06

0,05

0,04

Ь, м

0,03 0,02 0,01 о

о

п

Рисунок 4 - Зависимости величины внедрения от количества ударов

Для проверки вида зависимости, указанной на рисунке 4 были разработаны стенд (рисунок 5) и методика проведения эксперимента.

2 4 6 8

Стенд №1 представляет собой вертикальный копер. На основание экспериментального стенда закрепляются направляющие стержни, по которым под действием сил тяжести перемещается «баба», с установленной в ней пикой. При проведении эксперимента на основание конструкции устанавливается испытуемый образец кембрийской глины, затем осуществляется подъем «бабы», на предварительно рассчитанную высоту, и ее последующее стопорение. При снятии фиксации падающего элемента («бабы») он под действием сил тяжести наносит удар по испытуемому образцу кембрийской глины. После нанесения единичных ударов и их серии, с использованием штангенциркуля, производился замер глубины лунки.

Установление зависимости внедрения породоразрушающего инструмента исполнительного органа ударного типа в образцы кембрийской глины в зависимости от различных факторов осуществлялись в соответствии с методикой многофакторного эксперимента. При реализации метода за параметр оптимизации принималась глубина внедрения пики, а в качестве факторов, влияющих на параметр оптимизации: энергия удара, величина угла заточки долота и количество ударов.

На рисунке 6 показаны результаты эксперимента на стенде №1 по исследованию глубины внедрения породоразрушающего инструмента исполнительного органа ударного типа в образцы кембрийской глины. На графиках точками обозначены средние арифметические значения величины погружения инструмента (пики) по 5 опытам в каждой серии. При аппроксимации экспериментальных значений использовалась степенная линия тренда (сплошная линия), также на графики выведены уравнения регрессии и величины достоверности аппроксимации Т?2.

Полученные экспериментальные зависимости величины заглубления пики в образцы кембрийской глины от количества наносимых ударов для различных углов ее заострения и наносимых по ней энергии удара описываются степенными функциями с показателем степени находящемся в диапазоне 0,37-0,56.

Ниже представлена результирующая корреляционная зависимость изменения величины глубины внедрения пики от параметров энергии удара, угла заточки пики и частоты ударов в натуральном виде, все члены которой значимы, а сама модель адекватна описываемому процессу: Л = 8,866+ 0,6312Ау1 -0,1137а + 1,6374л-0,0072^^ + 0,049^, (1)

где Аул - энергия удара, Дж; а - угол заострения пики, град; п - число наносимых ударов, с"1.

Рисунок 5 - Экспериментальный стенд №1: а) общий вид, б) сборочный чертеж; в) фотография испытуемого образца глины после нанесения серии ударов

0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0

• Ауд=10 Дж

Рисунок

0,96

0,03 0,025 0,02 Ь, М 0,015 0,01 0,005 0

• Ауд=20 Дж • Ауд=30 Дж • Ауд=40 Дж

• Ауд=30 Дж * Ауд=40 Дж

» Ауд=10 Дж • Ауд=20 Дж • Ауд=30 Дж

• Ауд= 10 Дж • Ауд=20 Дж

6 - Зависимости величины среднего заглубления пики в образцы кембрийской глины от количества наносимых ударов: а) а = 30

б) а = 60°; в) а = 70"

Ауд=40 Дж >о.

Ь = 0,0154п<>«

Я' = 0,99^-—•

= О.Отп0«

0,009711°«

у = 0,0077х0-45 И2 = 0,962

= 0,0052п°-,? Я2 = 0,98

Ь = 0,01п°'56 И2 = 0,99

= 0,0089п°-4 Я2 = 0,9 0,0066п°-<4 = 0,99

Рисунок 9 - Спектральные диаграммы для различных углов заточки пики: а) а = 30°;

б) а = 60°; в) а = 70°; г) а - 80°

Рисунок 12 - Сдвоенный ударный исполнительный орган: а) начальное положение; б) раздвигание отбойных молотков; в) подача на забой отбойных молотков; г), д) подача исполнительного органа на забой

Для углубленного исследования процесса внедрения пик в глину выполнены исследования на стенде №2, разработанным совместно с к.ф.-м.н. Судьенковым Ю.В., фото и схема соединения аппаратов показана на рисунке 7.

а)НННКш.

Датчик Наковальня

/

■ШШ Штанга /

I—-с

Датчик Образец глины 11оршснь Соленоид Рисунок 7 - Установка для исследования распространения ударных волн в глине: а) фотография стенда; б) принципиальная схема стенда

В результате проведения экспериментов были осуществлены замеры по распространению ударной волны в испытуемом образце кембрийской глины. Замеры осуществлялись после каждого единичного удара, входящего в серию ударов. При разрушении глин использовались пики с различными углами заточки а = 30°; 60°; 70°; 80°. По полученным данным в ходе эксперимента, с использованием программы Оп&т1мЬ были построены графики зависимостей, представленные на рисунке 8.

б)

0.5 0.4 0.3 0.2 0,1

а, МПа

10

15 20

25

Рисунок 8 - Графики зависимостей заглубления (а) и амплитудных значений (б) от количества ударов для различных углов заточки пики

Анализ зависимостей заглубления и амплитудных значений от количества ударов для различных углов заточки пики (рисунок 8) позволяет сделать вывод, что перед инструментом образуется уплотненные эллипсоидальные зоны разрушения породы. В процессе нанесения последующих ударов данные зоны развиваются вглубь образца, увеличиваясь в размерах. После достижения предельного напряженного состояния на

границе большей из зон возникает трещина отрыва, которая прорастает через ось нагружения и смыкается со второй зоной, разрушая испытуемый образец кембрийской глины.

Сопоставление значений глубины внедрения и амплитудных значений ударной волны в глине от количества ударов для различных углов заточки пики показывает, что при уменьшении угла заточки, передаваемая энергия удара инструменту расходуется на внедрение пики в образцы кембрийской глины, а при увеличении утла заострения величина внедрения снижается, но при этом увеличивается интенсивность формирования ядра уплотнения и трещинообразования.

2. Экспериментально установлено, что совместная работа двух ударников, установленных на исполнительном органе проходческого комплекса и ориентированных в плоскости под сходящимся углом в 40 градусов с расстоянием между внедренными в массив кембрийской глины остриями пик, находящимися в интервале 200-300 мм, по сравнению с параллельным расположением ударников приводит к увеличению производительности отбойки глины на 15-20 %, в результате ослабления массива заключенного между пиками ударников.

Исследования на стенде №2 позволили зафиксировать характеристики волн сжатия в глине и определить интенсивность снижения напряжения в волне сжатия вокруг пики. На рисунке 9 показаны спектры, фактически характеризующие ядро уплотнения на острие пики и интенсивность его затухания.

На рисунке 10а показана характерная осциллограмма ударного импульса в пике (1) и в глине (2), при этом сферические зоны глины имеющие различную степень деформации, полученной в результате ударного воздействия на образец зафиксированы на рисунке 106, сколовшиеся куски позволяют увидеть ядро уплотнения перед пикой.

Стендовые исследования показали, что датчики, расположенные за исследуемыми образцами глины для различных толщин образцов (20100 мм) дает характер изменения волн сжатия в массиве затухающих по экспоненциальному закону функции от расстояния и аппроксимируется зависимостью вида <т(/7) = с7п ■ еа№-'' (рисунок 11).

С учетом масс стандартных ударников 2 кг, скорости звука в глине 1750 м/с и продолжительностью ударного импульса 40-100 мкс (см. рисунок 10, а) минимальное расстояние, на котором гарантированно про-

исходит воздействие друг на друга пик ударников, работающих под углом на встречу друг к другу составляет длину волны и равняется 200-400 мм. Это согласуется с данными хрономегражных наблюдений и опросам опытных проходчиков.

Рисунок 10 - Результаты проведения экспериментов на стенде №2: а) осциллограмма распространения ударного импульса в штанге и образце кембрийской глипы; б) фотография образца кембрийской глины после нанесения ударов

1 - инструмент

2 - глина

5,0x10"1

1,0x103

Рисунок 11 - Затухание плоской волны в глине

Результаты исследований распространения ударных волн в образцах кембрийской глины позволили разработать конструкцию сдвоенного ударного исполнительного органа (рисунок 12), схему обработки забоя глины и определить параметры, такие как расстояние по осям между отбойными молотками и расстояние между остриями пик после их полного заглубления, соотношение которых должно находиться в интервале 1,51,7, при этом процесс обработки забоя заключается в следующей последовательности операций: домкрат 1 раздвигает ударники таким образом, что их продольные оси находятся под сходящимся углом в 40°, манипу-

лятор (стрела) прижимает к забою работающие ударники 2. Осевое усилие подачи ударников осуществляется нагнетанием сжатого воздуха в поршневую часть пневмоцилиндра 3, пики заглубляются до получения полного выкола, при этом объемы выколов для нетрещиноватых глин имеют вид, показанный на рисунке 13. Возвращение отбойных молотков в исходное положение осуществляется при их упоре породоразрушаю-щими инструментами в массив отрабатываемой породы и надвиганием исполнительного органа на забой (винтовая пара 4; 5 рисунок 12). Далее осуществляется переустановка исполнительного органа на новое место отработки забоя и цикл повторяется.

Для расчета производительности ударников определены объемы единичного скола, как для индивидуально используемых ударников (каждый на своей стреле), так и для сдвоенных. Объемы вписывались в геометрические фигуры, вид которых представлен на рисунке 13.

Рисунок 13 - Объем выкалываемой породы при отбойке глины: а) при сплошном забое и работе одинарным ударником; б) при сплошном забое и работе сдвоенными ударниками; в) при работе с уступа одинарным ударником; г) при работе с уступа сдвоенными ударниками

Производительность сдвоенного ударного устройства определяется по формуле 2:

✓ \3

где ЛУд - энергия удара, Дж; с! - диаметр пики, м; асх - предел прочности горной породы на зажатие, МПа; а - угол заострения пики, град.; ц - коэффициент трения инструмента о породу; К - коэффициент затупления острия пики; п - количество наносимых ударов; пул - частота ударов отбойного молотка, с'1; Р - степенной показатель изменения заглубления пики.

Результаты расчета производительности по указанной выше формуле представлены на рисунке 14, при этом изменение первоначального

(2)

заглубления от крепости породы выбиралось, в том числе, с использованием зависимости, показанной на рисунке 2. Анализ кривых на рисунке 14 показывает, что при разрушении забоев различной крепости сдвоенными ударниками происходит повышение производительности в 1,31 раза по сравнению с обработкой забоя двумя индивидуальными отбойными молотками. Данное обстоятельство связано с тем, что в процессе отбойки глины сдвоенными ударниками, расположенными на исполнительном органе проходческого комплекса и ориентированными в одной плоскости под сходящимся углом в 40 градусов с расстоянием между внедренными в массив кембрийской глины остриями пик, находящимися в интервале 200-300 мм, обеспечивает развитие направленных навстречу друг другу магистральных трещин в разрушаемой породе, находящейся между внедренными пиками. Так же стоит отметить, что повышение производительности для сдвоенных ударников (кривая 2 рисунок 14) будет происходить тем сильнее, чем более в явной степени на забое проявляются трещиноватость, блочность и кливаж.

V»-» т

водительности проходческого комбайна: 1 - график теоретической производительность для сухой глины малой трещинноватости; 2 - график теоретической производительность для глины с интенсивным проявлением трещиновагости, блочности и кливажа; 3 - график производительности ПДМ БапсМк Ы1203 от длинны транспортирования; 4 - график производительности ПДМ 8апсМк ЬН201 от длинны

транспортирования

Номограмма определения типов ПДМ в зависимости от производительности проходческого комбайна позволяет в соответствии с заданной крепостью глины определить тип и параметры доставочной машины. Так, например, для крепости 2 по шкале проф. Протодьяконова теорети-

ческая производительность равна 2,18 м3/ч (точка 1.1 на рисунке 14), с учетом наличия трещин, проявлении блочное™ забоя данная производительность уточняется и равняется 4 м3/ч (точка 1.2-1.3 на рисунке 14). При известной производительности выбирается соответствующая модель погрузочно-доставочной машины (точка 1.4 на рисунке 14) длина транспортировки которой определяется из номограммы. В данном случае выбирается ПДМ БапсМк ЬН201. При необходимости большей длины транспортирования осуществляется выбор модели погрузочно-доставочной машины с большим объемом ковша.

Как показывают расчеты экономической эффективности, разработанные исполнительные органы проходческих комплексов с ударниками позволят в сравнении с проходкой забоев вручную не менее чем в 1,5 раза уменьшить время цикла за счет устранения времени на крепление забоя досками и снижения времени на отбойку породы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель расчета величины заглубления пики ударника в глину в зависимости от массы и ударной скорости поршня-ударника, от массы и скорости заглубления пики.

2. Теоретически установлены зависимости изменения глубины внедрения пик различных конструкций и производительности по отбойке от первоначального заглубления и числа ударов или времени работы ударника по единичному сколу, которая выражается степенной зависимостью с показателем степени в диапазоне 0,37-0,56.

3. Построена номограмма соответствия теоретической производительности по отбойке массива кембрийских глин сдвоенными ударными исполнительными органами и производительности по транспортировке отбитой породы для определения типа и конструкции погрузочно-доставочных машин или других средств доставки.

4. Разработаны методики проведения экспериментальных исследований и стенды, позволяющие исследовать процессы ударного взаимодействия породоразрушающего инструмента с глиной, в том числе проведения полного факторного эксперимента по определению величины заглубления пики в глину в зависимости от трех факторов (угла заточки пики, энергии и числа наносимых ударов) и их взаимного влияния, где наиболее значимыми факторами являются частота ударов и их энергия.

5. Экспериментально доказано, что совместная работа двух ударников, расположенных на исполнительном органе проходческого комплекса и ориентированных в одной плоскости под сходящимся углом в 40 градусов с расстоянием между внедренными в массив кембрийской глины остриями пик, находящимися в интервале 200-300 мм, по сравнению с параллельным расположением ударников приводит к увеличению производительности отбойки глины на 15-20 %, в результате ослабления разрушаемой породы находящейся между внедренными пиками воздействием на нее ударными волнами, создаваемыми породоразрушающими инструментами.

6. Разработана конструкция сдвоенного ударного исполнительного органа, в конструкции которого соотношение расстояния по осям между синхронно работающими ударниками к расстоянию между внедренными в массив породоразрушающими инструментами обеспечивает наложение друг на друга распространяемых ударных волн в кембрийской глине, приводящее к увеличению объема выкола отрабатываемой породы.

7. Разработаны конструктивные схемы проходческого комплекса для проведения вспомогательных выработок со сдвоенным ударным исполнительным органом на базе тюбингоустановщика, исключающие ручную отбойку горной породы и крепление забоя лесоматериалами.

8. Циклограмма проходческих работ для разработанного проходческого комплекса со сдвоенным исполнительным органом ударного действия показывает возможный прирост скорости проходки в 1,5 раза по сравнению с ручной проходкой отбойными молотками.

9. Рекомендации по конструкции и компоновке исполнительного органа комплекса, составу и плану ведения проходческих работ для вспомогательных выработок приняты к внедрению ЗАО «МЕТРОКОН».

10. Результаты работы рекомендованы к использованию в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» и инженеров по направлению 130400 «Горное дело» специализации «Горные машины и оборудование».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Юнгмейстер Д.А. Использование погрузочно-доставочных машин на шахтах Метростроя / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Исаев, С.А. Лав-

ренко, A.B. Иванов // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. -№9.-С. 2-7.

2. Непран М.Ю. Исследование удержания бойка за счет выбора режимов воздушного потока / М.Ю. Непран, Д.А. Юнгмейстер, А.И. Исаев, А.Э. Сабитов, Г.В. Соколова // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. - №10. - С. 27-31.

3. Пивнев В.А. Рудничные испытания модернизированного перфоратора ПП-54С2 / В.А. Пивнев, Д.А. Юнгмейстер, А.И. Исаев, В.В. Мак-саров, М.Ю. Непран, С.А. Лавренко, А.Э. Сабитов // Горное оборудование и электромеханика. -2013. -№11. - С. 23-27.

4. Юнгмейстер ДА. Модернизированный комплекс для проходки специальных выработок на шахтах "Метростроя" в сложных горногеологических условиях / Д.А. Юнгмейстер, А.И. Исаев, С.А. Лавренко, В.В. Максаров, Г.В. Соколова // Горное оборудование и электромеханика. - 2014. - №4. - С. 3-10.

5. Вержанский А.П. Механизированные комплексы для проходки специальных выработок на шахтах ОАО «Метрострой» (Санкт-Петербург) / А.П. Вержанский, Д.А. Юнгмейстер, А.И. Исаев, С.А. Лавренко, A.B. Иванов // Горный журнал. - 2014. - №5. - С. 94-99.

РИЦ Горного университета. 28.04.2015. 3.367. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2012478073

2012478073