автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Циклическое разрушение крепких пород инструментами горных машин, формирующими трещины нормального разрыва

На правах рукописи

РГ5 Ой

' ■ ./1 О

ПОЛКУНОВ Юрий Григорьевич

ЦИКЛИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ КРЕПКИХ ПОРОД ИНСТРУМЕНТАМИ ГОРНЫХ МАШИН, ФОРМИРУЮЩИМИ ТРЕЩИНЫ НОРМАЛЬНОГО РАЗРЫВА

Специальность 05.05.06 - горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 2000

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Нестеров В.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук

Ведущее предприятие - Институт угля н углехимии СО РАН.

Защита диссертации состоится 2,8 декабря 2000 г. в Ю часов на заседании диссертационного совета Д 063.70.01 в Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650026, г.Кемерово, 26, ул.Весенняя, 28. Факс (384-2) 36-16-87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 22 ноября 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.70.01, докт.техн.наук профессор

Картавый Н.Г. Вылегжанин В.Н. Клишин В.И.

Б.А.Александров

1/2,/Л ¿Г- У О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Подземная и открытая отработка угольных пластов и песчано-глинистых руд осложняется присутствием крепких пород, представленных твердыми включениями и породными прослойками. Комплексно-механизированные забои на пластах сложного строения, содержащие крепкие породные прослойки и твердые включения, имеют низкие технико-экономические показатели по сравнению с отработкой пластов простого строения. Работа очистных и проходческих комбайнов характеризуется низкой производительностью, высокими динамическими нагрузками и большим удельным расходом рабочего инструмента.

Современная теория разрушения крепких пород горными инструментами очистных и проходческих комбайнов, основанная на использовании горнотехнологических показателей прочности для описания реакции горных пород на механические воздействия, исчерпала свои возможности и требуются новые научно обоснованные подходы, исходящие из физической сущности процесса тре-щинообразования в крепких породах, на основе которых можно разработать математические модели этих процессов. В практике отработки пластов сложного строения необходим переход к концепции, заключающейся в направленном разрушении крепких пород пересекающимися магистральными трещинами нормального разрыва, которые позволяют с минимальной энергоемкостью не дробить горную породу, а раскалывать ее на блоки. Практическая реализация такого подхода к решению проблемы разрушения крепких пород механическим способом требует создания и широкого применения качественно новых математических методов для синтеза моделей развития трещин под лезвием инструментов, нагру-женности инструментов от роста трещин и способов управления направленным разрушением, основанных на объединении и прорастании микро- и макротрещин в крепких породах.

В настоящее время вопросы развития математических методов, применимых для моделирования процессов образования, объединения, прорастания и развития трещин в крепких породах под лезвием инструментов, в научном плане разработаны недостаточно глубоко, далеки от использования в практике разрушения крепких пород и поэтому решение этих вопросов приобретает особую актуальность, имеет большое научное и практическое значение в установлении новых и более точных фундаментальных закономерностей получения практических рекомендаций по раскалыванию крепких пород трещинами нормального разрыва.

Цель паботы - установление основных закономерностей и рациональных параметров взаимодействия рабочего инструмента горных машин с массивом, обеспечивающих реализацию режима циклического разрушения крепких пород с минимальными энергозатратами.

Идея работы - заключается в использовании закономерностей образования и развития трещин нормального разрыва в крепких породах при их циклическом нагружении для обоснования конструктивных и режимных параметров рабочего инструмента и исполнительных органов горных машин, обеспечивающих расширение области применения очистных и проходческих комбайнов.

Задачи исследований:

- разработать математическую дискретную модель зернистых горных пород с целью установления основных закономерностей образования и развития микротрещин по границам зерен горных пород от воздействия инструментов в зависимости от диаметра зерна, упругих характеристик зерна и межзеренного цементного заполнителя, а также геометрической формы горных инструментов;

- разработать модели устойчивого роста микротрещин нормального разрыва в моделях плоской деформации, зависящие от коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород, длины трещины и угла заострения дискового инструмента;

- разработать объемные модели устойчивого развития магистральных трещин в крепких породах от воздействия конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов, зависящие от равнодействующего усилия на оси дисковых инструментов, геометрии инструментов, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

- разработать модели перехода устойчивых трещин нормального разрыва в неустойчивое состояние с целью установления влияния геометрических и режимных параметров дисковых инструментов на процесс раскалывания крепких горных пород; ...,

- разработать математическую модель движения дисковых инструментов по разрушаемым породам в зависимости от скорости контакта, глубины внедрения и прочности породы и алгоритм ее реализации для установления времени образования осколков породы;

- разработать модели скорости роста устойчивых трещин нормального разрыва в крепких породах в процессе циклического нагружения их дисковыми инструментами;

: - разработать метод расчета нагруженности конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов в процессе циклического разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва, включающего в себя геометрию дискового инструмента, площадь трещины, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

- разработать модель режимов нагружения крепких пород дисковыми инструментами, позволяющую установить влияние геометрических и прочностных характеристик пород, режимных параметров, геометрии инструментов, максимальной величины и количества циклов нагружения на величину суммарной подачи дискового инструмента, при которой осуществляется раскалывание крепких пород Магистральными трещинами;

- разработать методику прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах в зависимости от их расположения в забое, геометрических и прочностных характеристик, которая позволит проводить инженерные расчеты по оценке эффективного раскалывания твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Методы исследований. В теоретических исследованиях применялись численные методы математической теории упругости, вязкопластичности, механики хрупкого разрушения и математической статистики. Из численных методов граничных элементов использовались: метод фиктивных нагрузок и 'интегральйый: метод расчета траекторий трещин для моделирования осколков пород под лезвием резцовых и дисковых инструментов; методы разрывных смещений в моделях плоской деформации для моделирования образования, слияния и развития микротрещин; метод разрывных смещений в объемной постановке для установления критериев роста устойчивых магистральных трещин; метод фиктивных нагрузок в вязкопластической постановке для разработки моделей скоростного внедрения инструментов в разрушаемые породы. Расчеты методами граничных элементов в моделях плоской деформации и объемных постановках задач выполнены по алгоритмам и программам, разработанным автором. Расчеты коэффициентов интенсивности напряжений первого рода для плоских и объемных трещин выполнены по методу, алгоритму и программам, разработанным автором. Обработка экспериментальных данных лабораторных и производственных исследований осуществлялась методами математической статистики.

Научные положения, защищаемые автором:

- процесс образования микротрещин под лезвием горных инструментов, формирующих медианную трещину нормального разрыва, регулируется углом заострения инструмента, диаметром зерна породы и физико-механическими характеристиками зерна и цементного заполнителя по границам зерен породы, а величина прорастания микротрещин в медианную трещину разрыва прямо пропорционально зависит от отношения касательных к нормальным напряжениям на границе контакта инструмента с породой;

- критерии разрушения крепких пород, моделирующие развитие медианных устойчивых трещин нормального разрыва под лезвием конических, асимметричных и симметричных инструментов, зависят от углов заострения инструментов, длины трещины и коэффициента интенсивности напряжений первого рода;

- критерии разрушения крепких пород в объемной постановке, моделирующие развитие медианных устойчивых магистральных трещин нормального разрыва под лезвием конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов, зависят от углов заострения инструментов, площади трещины, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

- масштабный эффект, возникающий при разрушении крепких пород ограниченной длины, устанавливает изменения нагруженности дисковых инструментов от длины разрушаемого твердого включения; максимальная длина устойчивой магистральной трещины, при которой осуществляется переход трещины в неустойчивое состояние, в крепких породах в процессе циклического разрушения зависит от угла заострения дискового инструмента и расстояния от линии движения инструмента до свободной боковой поверхности; направления развития магистральных неустойчивых трещин в процессе циклического разрушения крепких по-

род зависят от угла заострения дискового инструмента, шага разрушения и высоты обнажения свободной боковой поверхности;

- механизм разрушения крепких пород дисковыми инструментами в процессе циклического нагружения представляет собой трехстадийный процесс: образование микротрещин по границам зерен пород, прорастание и объединение их в устойчивые трещины; рост устойчивых магистральных трещин до предельных величин, зависящих от геометрии дискового инструмента и расстояния до свободной боковой поверхности; развитие неустойчивых магистральных трещин, раскалывающих крепкие породы;

- модель движения дисковых инструментов по разрушаемой породе зависит от прочности горной породы, глубины внедрения и начальной скорости контакта;

- усталостный рост объемных устойчивых трещин нормального разрыва в крепких породах в процессе циклического нагружения зависит от геометрии инструмента, режима нагружения, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

- нагрузки на инструментах в процессе циклического разрушения крепких пород зависят от геометрических размеров объемных трещин, геометрии инструментов, геометрических и прочностных характеристик крепких пород;

- суммарная глубина подачи дискового инструмента в процессе циклического разрушения, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины, переходит в неустойчивое состояние, зависит от геометрических размеров крепких пород и максимальной предельной величины устойчивой трещины, размер которой зависит от шага разрушения и угла заострения дискового инструмента.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректностью постановки задач на основе фундаментальных методов механики деформируемого твердого тела, механики разрушения, математической статистики и методов их решения;

- сопоставимостью результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными в лабораторных и производственных условиях;

- количественной сопоставимостью результатов моделирования с независимыми экспериментальными данными других исследователей;

- сопоставимостью сравнительных результатов исследований серийных исполнительных органов с экспериментальными, оснащенными дисковыми инструментами, при отработке пластов с твердыми включениями и породными прослойками;

- количественной сопоставимостью результатов прогнозирования направленного развития неустойчивых трещин с независимыми шахтными данными других исследователей, полученными в производственных условиях.

Новизна работы заключается в том, что в ней:

- разработана модель разрушаемых пород, отличающаяся тем, что она представляет собой набор зернистых упорядоченных дискретных элементов, скрепленных между собой дискретными элементами цементирующего вещества, кото-

рая позволяет исследовать местоположение и раскрытие микротрещин по границам зерен пород и установить влияние угла заострения инструментов, диаметра зерна, физико-механических характеристик зерен и цементирующего вещества на процесс образования, прорастания и слияния микротрещин в процессе разрушения; :

- впервые разработаны плоские модели роста микротрещин от воздействия клиновых инструментов, имеющих коническую, асимметричную и симметричную' формы, которые позволяют установить влияние угла заострения, диаметра зерна и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород на нагру-женность инструментов;

- впервые разработаны объемные модели развития магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах от воздействия конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов, которые позволяют исследовать рост магистральных трещин при раскалывании крепких пород и установить влияние на развитие трещин геометрической формы инструментов, режимов нагруже-ния, геометрических размеров и коэффициента интенсивности первого рода разрушаемых крепких пород;

- впервые установлены: масштабный эффект, который возникает при разрушении твердых включений с ограниченной длиной, и закономерности изменения нагруженности дисковых инструментов от длины твердого включения; закономерности изменения максимальной величины устойчивой трещины от угла заострения дискового инструмента и шага разрушения; закономерности направления развития неустойчивых трещин от углов заострения конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов;

- впервые установлен трехстадийный механизм разрушения крепких пород дисковыми инструментами: образование микротрещин по границам зерен пород, прорастание и объединение их в устойчивые трещины; рост устойчивых магистральных трещин до предельных величин, зависящих от геометрии дискового инструмента и расстояния до свободной боковой поверхности; развитие неустойчивых магистральных трещин, раскалывающих крепкие породы;

- впервые разработана модель движения дисковых инструментов по разрушаемой породе, которая позволяет исследовать влияние прочности горной породы, глубины внедрения и начальной скорости контакта на изменение скорости движения в процессе разрушения и установить временные интервалы, в пределах которых осуществляется образование осколков породы под лезвием дисковых инструментов;

- впервые разработаны объемные модели роста усталостных устойчивых магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах, образованных при последовательных проходах дисковых инструментов по одному и тому же следу, которые позволяют исследовать рост усталостных устойчивых трещин до неустойчивого состояния, и установить влияние на развитие трещин геометрии инструментов, режимов нагружения дисковых инструментов, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

- разработаны модели формирования нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких пород, отличающиеся тем, что в них впервые введены геометрические размеры трещин, геометрические и прочностные характеристики крепких пород;

- ¿первые установлены закономерности изменения суммарной глубины внедрения дискового инструмента в процессе циклического разрушения, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины, переходит в неустойчивое состояние, от геометрических размеров крепких пород, максимальной предельной величины устойчивой трещины, размер которой зависит от шага разрушения и угла заострения дискового инструмента.

Личный вклад автора состоит:

-в разработке модели зернистых горных пород и ее реализации методом разрывных смещений;

-в разработке метода определения коэффициентов интенсивности напряжений первого рода для трещин нормального разрыва под лезвием дисковых инструментов в объемной и плоской постановках;

-в разработке и обосновании моделей развития устойчивых микротрещин и объемных моделей магистральных трещин под лезвием дисковых инструментов;

-в установлении масштабного эффекта при циклическом разрушении ограниченных по длине крепких пород;

-в установлении закономерностей изменения максимальной критической величины устойчивой трещины от углов заострения дисковых инструментов и шага разрушения;

-в- установлении закономерностей направленного развития неустойчивых трещин от углов заострения дисковых инструментов;

-в разработке и обосновании моделей скоростного контакта инструментов с горными породами с ее реализацией методами граничных элементов в вязкопла-стической постановке;

-в разработке и обосновании модели скорости движения дисковых инструментов по разрушаемой породе и в установлении временных интервалов образования осколков породы под лезвием горных инструментов;

-в разработке и обосновании объемных моделей роста усталостных трещин при циклическом разрушении крепких пород дисковыми инструментами;

-в разработке моделей формирования нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва;

-в разработке моделей режимов разрушения крепких пород дисковыми инструментами в процессе циклического разрушения;

-в разработке методики прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах для проведения инженерных расчетов по оценке эффективного раскалывания твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбора конструктивных и режимных параметров исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Практическая ценность. Методы, модели, критерии и закономерности направленного развития устойчивых и неустойчивых трещин нормального разрыва в крепких породах в процессе циклического нагружения позволяют на новом качественном и количественном уровнях установить модели процесса разрушения, которые имеют принципиально важное значение для прогнозирования раскалывания породных прослойков и твердых включений и расчета нагружешгости инструментов от роста трещин и исполнительных, органов при проектировании их для отработки пластов сложного строения.

Результаты выполненных исследований позволяют:

- моделировать в процессе циклического нагружения раскалывание крепких пород ограниченной длины трещинами нормального разрыва;

- моделировать в процессе циклического нагружения откалывание блоков от неограниченных по длйне крепких пород трещинами нормального разрыва;

- определять" режимы подачи исполнительных органов для эффективного раскалывания крепких пород трещинами нормального разрыва;

- на стадий прЬектирования исполнительных органов выбирать, в зависимости от расположения, геометрических . размеров и физико-механических свойств твердых включений, рациональные режимные, конструктивные параметры дисковых инструментов и исполнительных органов в целом и устанавливать область эффективного их применения при обработке пластов сложного строения.

Методика прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах в зависимости от их расположения в забое, геометрических и прочностных характеристик позволяет проводить инженерные расчеты по оценке эффективного раскалывания крепких пород магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на" этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Разработанные методы, алгоритмы и программы моделей роста объемных трещин в крепких породах могут быть использованы для этих же целей, но применительно к другим режимам разрушения, а также и видам инструментов.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Методики расчета нагрузок на дисковом инструменте и исполнительных органах, оснащенных дисковыми инструментами, утверждены предприятием п/я М-5703 и использованы предприятием п/я А-1372 при проектировании и создании рабочих органов очистных комбайнов.

Результаты исследований включены в рабочие программы курсов «Горные машины и комплексы»' и «Проектирование и конструирование горных машин и комплексов» для студентов специальности 170100 «Горные машины и оборудование». Алгоритмы, программы и методики внедрены в учебный процесс КузГТУ для выполнения лабораторных, курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались и получили одобрение на: Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г.Москва, ИГД им.А.А.Скочинского, 1983 г.); областной научно-практической конференции молодых ученых и спе-

циалистов (г.Кемерово, 1982, 1983 гг.); научном семинаре кафедры горных машин и комплексов Московского государственного горного университета (г.Москва, 1985 г.); Всесоюзной конференции «Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производительных сил Кузбасса» (г.Кемерово, 16-18.05.88 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития технологии и средств бурения» (г.Кемерово, 1995 г.); научно-практической конференции (г.Кемерово,12-14.11.96 г.); научном семинаре ИУУ СО РАН (г.Кемерово, 2000 г.); ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г.Кемерово, 1983 -2000 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 научные статьи и получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 разделов, заключения и содержит 352 страницы машинописного текста, 152 рисунка, 52 таблицы, список литературы из 141 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.Современное состояние проблемы моделирования циклического разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва

Отработка угольных и песчано-глинистых пластов, засоренных твердыми включениями и породными прослойками, является одной из проблем по внедрению средств комплексной механизации производственных процессов в угольной и горнорудной промышленности.

Результаты анализа хронометражных наблюдений показали, что при выемке трудноразрушаемых пластов рабочие скорости подачи комбайнов в 2-2,5 раза, а производительность в 1,25 раза ниже, чем на пластах простого сложения. Отработка пластов сложного строения сопровождается большим расходом рабочего инструмента и ростом динамических нагрузок, что приводит, к интенсивному накоплению усталостных повреждений в элементах и узлах комбайна, следствием чего является снижение показателей надежности и долговечности комбайна.

Теоретическое и экспериментальное обоснование применения дисковых инструментов на исполнительных органах для отработки пластов сложного строения приведено в работах А.Н.Коршунова, В.И.Нестерова, Б.Л.Герике, А.Б.Логова,

A.А.Хорешка, В.Н.Вернера, А.С.Шанина, А.А.Силкина, В.В.Кузнецова и других исследователей, а для выемки золотоносных руд в работах Б.Л.Герике,

B.М.Лизункина. Производственные исследования исполнительных органов с дисковыми коническими инструментами, разработанными в КузГТУ, на угольных и песчано-глинистых пластах, содержащих твердые включения и породные прослойки, установили существование магистральных трещин протяженностью 0,51,2 м, раскалывающих твердые включения и породные прослойки.

Результаты лабораторных исследований по разрушению крепких пород дисковыми инструментами показали, что циклическое нагружение крепких гор-

ных пород в 10 раз снижает удельные энергозатраты по сравнению со свободным режимом разрушения, а разрушение осуществляется магистральными неустойчивыми трещинами, раскалывающими породные блоки.

Экспериментально-статистическая теория моделирования является основой для инженерных расчетов нагруженности инструментов и режимов работы очистных и проходческих машин. Анализ работ показал, что экспериментально-статистический подход моделирования процесса разрушения не позволяет описать образование и развитие трещин под лезвием инструментов и определять на-груженность инструментов от роста трещин в породах, имеющих различные геометрические и прочностные характеристики.

В процессе квазистатического разрушения в общем случае выделяют три стадии: стадия накопления микроповреждений, стадия квазиравновесного прорастания трещин и стадия неравновесного, лавинообразного развития магистральных трещин. .■,...

Процессы образования микротрещин в твердых телах на основе термофлук-туационной теории прочности рассмотрены в работах С.Н.Журкова, В.С.Куцксенко, В.П.Петрова, И.С.Томашевской, Я.ИХамидуллина, П.В.Егорова, В.В.Иванова, А.Г.Пимоцова и многих других. Полученные модели расскрывают кинетику образования и развития дефектов в материалах, однако не учитывают влияния таких факторов, как структура материала, геометрические и силовые характеристики воздействия, которые определяют условия образования и развития микротрещин. Горные породы имеют гетерогенное строение, которое обеспечивает остановку микротрещин на структурных границах и приводит к их множественному накоплению. Поэтому для моделирования микроразрушения горных пород под лезвием горных инструментов необходимо разработать дискретную модель зернистых горных пород, в которой размер микротрещин был бы соизмерим с размером зерна крепких пород.

Классификация трещин при контактном разрушении возникла при внедрении в различные материалы инденторов, имеющих различную геометрическую форму. Развитию теории трещин под действием инденторов различной геометрической формы посвящены работы Е.М.Морозова, Ю.В.Колесникова, Г.П.Черепанова, B.R.Lawn, A.G.Evans, J.T.Hagan, S.Palmqvist, T.R.Wilshaw, F.C.Roesler, K.A.Niihara, D.B.Marshall. Анализ различных критериев роста трещин показал, что все существующие критерии построены только для плоских задач и не отражают реальных процессов разрушения крепких горных пород под действием напряжений, создаваемых под лезвием горных инструментов.

Таким образом, создание моделей разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва для направленного раскалывания крепких пород в процессе циклического разрушения позволит не только исследовать процессы возникновения, развития и нестационарного прорастания трещин в горных породах, но и осуществить на их основе выбор конструктивных и режимных параметров дисковых инструментов и исполнительных органов для отработки пластов сложного строения.

2.Микромсханизмы разрушения пород зернистой структуры горными инструметами

Экспериментальные результаты, полученные А.Ф.Кичигиным, С.Н.Игнатовым, А.Г.Лазуткиным, Ю.Л.Худиным, Л.Д.Маркиным и другими исследователями, показали, что основными дефектами в кристаллических породах являются границы раздела зерен, которые являются источником развития трещин, а разрушение осуществляется по цементирующему веществу, связывающему зерна горных пород.

Эти результаты, были положены в основу разработанной модели дискретных зернистых горных пород, особенностями которой являются:

¡.Структура представляет собой сетку гексагональных зерен с усредненным диаметром.

2.Трещины между зернами представлены в виде математических разрезов.

3.Контакты между зернами заполнены линейно-упругим материалом со своими упругими характеристиками, отличными от характеристик зерен.

4.Материал зерен имеет однородные и изотропные свойства.

5.Трехосное напряженное состояние может быть заменено двухосным -плоской деформацией, так как длина контакта инструмента с горной породой на 2-3 порядка превышает размер зерна материала.

Результаты моделирования контактного взаимодействия инструментов различной геометрической формы с горными зернистыми породами показали, что основными факторами, влияющими на формирование микротрещин по границам зерен, являются геометрическая форма инструментов, упругие характеристики цемента, характеристики зерен материала и диаметр зерна материала. При этом установлено, что перед лезвием инструментов в горных породах образуется сеть микротрещин, которая формирует боковые и медианные трещины, причем последние являются приоритетными для раскалывания крепких пород.

На рис.1 приведены некоторые результаты моделирования раскрытия мик-■ ротрещин нормального разрыва по границам зерен пород от действия инструментов с различными углами заострения.

Инструмент с углами заострения 90<(р< 1800 формирует в зернистом материале трещины двух направлений - боковые и медианные, первые из которых имеют большее раскрытие и формируются со стороны свободной обнаженной горизонтальной поверхности, а вторые образуются в глубине породы на некотором расстоянии перед ядром уплотнения.

Для инструментов, имеющих угол заострения 45<<р< 90°, приоритетным механизмом разрушения будет образование медианной трещины в направлении внедрения, состоящей из микротрещин.

Инструменты с углами заострения 5 <<р< 300, когда упругие свойства зерна и цементного заполнителя микротрещин имеют одну и ту же величину

Ец - Езап формируют явно замкнутые микротрещины перед лезвием инструментов длиной 9с1 <1<3с1 для соответствующих углов.

Влияние угла заострения ср одностороннего клинового инструмента на характер раскрытия микротрещин подобно симметричным инструментам.

Рис.¡.Образование микротрещин по границам зерен пород от воздействия горных инструментов (с/ = 1 мм)

Результаты моделирования раскрытия микротрещин по границам зерен материала для углов 30 <(р< 450 показывают практически линейную зависимость раскрытия вертикальных микротрещин от упругих характеристик заполнителя микротрещин Езап. Уменьшение величины Езап в 100 раз увеличивает раскрытие вертикальных микротрещин в соответствующее количество раз. Кроме того, уменьшение величины Езап по сравнению с модулем упругости зерна Е^ , что

характерно для слабых пород, приводит к образованию боковых микротрещин.

Результаты моделирования образования медианных микротрещин в зернистых горных породах показали, что если инструменты, имеющие угол заострения

(р < 450, образуют медианные микротрещины непосредственно под лезвием инструмента, то инструменты с углами 90<(р< ]80° формируют медианные микротрещины по механизму Копрела на границе уплотненного ядра с ненарушенной зернистой горной породой.

З.Критерии роста трещин нормального разрыва

Существующие критерии роста трещин в хрупких материалах не применимы для дисковых инструментов.

Для анализа развития медианных микро- и макротрещин нормального разрыва были разработаны критерии роста трещин под лезвием конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов. Модели микротрещин рассчитывались методом разрывных смещений. Анализ результатов моделирования

показал, что для дисковых инструментов с углами заострения <р<45° берега трещины раскрываются только под действием нормальных напряжений. Коэффициенты интенсивности напряжений первого рода для микротрещин нормального разрыва под лезвием конических, асимметричных и симметричных инструментов были определены асимптотическим методом.

Коэффициент интенсивности напряжений первого рода для полуплоскости, нагруженной коническим дисковым инструментом, с поперечной краевой трещиной определялся по следующей формуле

к^л^'-^рМ. (1)

лЯ

где СХ] = аг^\$т{(р - у}/(сов (р созу\ град; Р- усилие, действующее на единицу длины контакта инструмента с породой, Н/м; £ - длина трещины, м; (р - угол

заострения инструмента, град. (20 <(р <45®)\ у- задний угол, град. (0<у <,12°)\ А} = 0,8659635 - постоянная величина; =72,43758 - постоянная величина, град; К¡- коэффициент интенсивности напряжений первого рода, Н/м3/2.

Коэффициент интенсивности напряжений первого рода для полуплоскости, нагруженной асимметричным и симметричным дисковыми инструментами, с поперечной краевой трещиной определялся по следующей формуле

K]=A2SÍn^-a2)P^L (2)

sin а2

где а2 = arctg[sin(<p¡ + (p2)/{2cos(p¡ coscp2% град; (p¡,(p2 - боковые углы заострения инструмента, град. {20<(p-¡ + ср2<450)-, А-0,4885503-, ¡52 - 57,66641 - постоянная величина, град.

Вычисляя производную по I от выражений (1) и (2), получим dK¡ / d¿<0, из чего следует, что микротрещины нормального разрыва, образованные в породе под лезвием дисковых инструментов, имеют устойчивый характер развития. В результате исследований было установлено, что зависимости диаметра зерна породы от нагруженности на дисковых инструментах имеют нелинейный и параболический вид d = ВР , где В>0 - постоянная величина.

Моделирование роста макротрещин под лезвием дисковых инструментов в объемной постановке (рис.2) осуществлялось методом, разработанным на основе метода разрывных смещений. В результате моделирования было установлено, что макротрещины раскрываются под действием только нормальных напряжений, если угол заострения дискового инструмента (р < 450. Коэффициенты интенсивности напряжений первого рода для макротрещин нормального разрыва под лезвием конических, асимметричных и симметричных дисковых , инструментов были определены асимптотическим методом для точки С, изображенной на рис.2. Увеличение площади трещины S = т • I в процессе расчетов осуществлялось в направлении I при фиксированных значениях величин т.

Коэффициенты интенсивности напряжений первого рода для полупространства, упругого слоя и четверти пространства, нагруженных коническими дисковыми инструментами, с краевой прямоугольной трещиной, определялись по следующей формуле

sm{j31-a1)p 4ñ sina¡ S3

где P - равнодействующая сила на оси дискового инструмента, Н; S = m-£ - площадь трещины, м2; т,1- геометрические размеры трещины, м; Aj —0,5019205-, k¿ = 1 -0,784015ехр(- D • L); L - высота упругого слоя, м; D = 11,8609- константа, имеющая размерность 1/м; ktp -1/\1,8х-х j ; x = tp/tnpe¿- безразмерная величина; tp- шаг разрушения, м (0<tp <0,08 мУ, ínpe¿ =0,1- предельный шаг разрушения, м; ktp =l,kL=l- полупространство; ktp =1- упругий слой; k¿ =1- четверть пространства.

„ olflXlSJ lA] I ^ "V/í , .

К1 = Аз p^J77ktpkL, (3)

Коэффициенты интенсивности напряжений первого рода для полупространства, упругого слоя и четверти пространства, нагруженных асимметричным и симметричным дисковыми инструментами, с краевой прямоугольной трещиной, определялись по следующей формуле

b.+ii&lble* (4)

sina2 s р

где А4 =0,2831683.

Производные по S от равенств (3) и (4) показывают, что трещины нормального разрыва dKj / dS <0, образованные в породе под лезвием дисковых инструментов, имеют устойчивый характер развития.

На основании полученных выражений (3) и (4) было оценено влияние углов заострения дисковых инструментов, площади трещины, геометрических размеров и коэффициентов интенсивности напряжений первого рода на силовые показатели дисковых инструментов, при которых осуществляется устойчивый рост трещин в крепких горных породах. Некоторые результаты зависимости равнодействующей силы от мощности породного прослойка приведены на рис.3,а.

Коэффициенты интенсивности напряжений первого рода для горных пород определялись по методу Г.П.Черепанова из экспериментальных исследований на полноразмерных стендах.

По результатам моделирования установлено (рис.3,б), что нагруженность дисковых инструментов от высоты поперечного слоя имеет гиперболическую зависимость, т.е. с увеличением высоты поперечного слоя резко снижается нагруженность дисковых инструментов. Данный факт указывает на существование масштабного эффекта, который возникает при разрушении твердого включения, имеющего ограниченный поперечный размер, дисковыми инструментами.

Результаты лабораторных и производственных исследований по разрушению твердых включений коническими и асимметричными дисковыми инструментами показали, что твердые включения разрушаются вследствие развития опережающих неустойчивых трещин, длина которых при разрушении твердого включения или породного прослойка из результатов моделирования будет иметь величину 1иеуст = 0,35 м. Этот результат хорошо согласуется с экспериментальными данными, в которых размер неустойчивых трещин достигал 0,25...0,5 м. Размеры неустойчивых трещин 1неуст > 0,35 м можно объяснить тем, что в горной породе всегда существуют структурные нарушения, которые позволяют увеличить длину неустойчивых трещин.

4.Моделнрование неустойчивого развития трещин в горных породах под лезвием дисковых инструментов в уступном режиме разрушения

Для оценки направления развития магистральных неустойчивых трещин, формирующих осколки горных пород под лезвием конических и асимметричных диско-

вых инструментов, был использован интегральный метод расчета траекторий трещин.

Рис.З.Зависимости равнодействующей силы от мощности (т) породного прослойка и длины (Ь) твердого включения:

1- К}=130-104 Н/м3/2-, 2- К] = 110-104 Н/м3/2\

2- К] -90-104 Н/мЗП\4- К1 = 70 ■ 10* Н/мЗП

Установленные функциональные зависимости объемов осколков горю пород от геометрических и режимных параметров дисковых инструментов бы подтверждены результатами экспериментальных исследований, выполненных полноразмерном стенде при разрушении песчано-цементных и породных бл ков.В результате исследований было установлено, что устойчивая трещина П( лезвием дисковых инструментов, достигнув в процессе циклического нагружен] определенной величины, переходит в неустойчивое состояние.

Функциональные зависимости максимальной длины устойчивой трещин от шага разрушения и углов заострения конических и асимметричных дисковк инструментов имеют следующий вид:

£тах = 1р /[5,28 - 0,046666 ■ ср - 0,032<р 1 +1,33332 ■10~2^>-<р1\ (5) где I тах - максимальная длина устойчивой трещины, м.

Направления развития неустойчивых трещин под лезвием дисковых ишл рументов были связаны с длиной боковой свободной поверхности Ь (м), на кото рую выходят неустойчивые трещины, с углами заострения и шагом разрушения

\

¿ = + (<Рг > <Р1 )• (6)

Соотношение (5) было подтверждено экспериментальными результатами \ данными других исследователей, полученными при разрушении породных блоков габбро и карбонатных пород. Нагрузки на дисковых инструментах в экспериментальных и теоретических исследованиях, при которых устойчивые трещины переходят в неустойчивые состояния, отличались друг от друга не более, чем на 16 %.

5.Моделирование неустойчивого развития трещин в породе под лезвием горных инструментов очистного комиапЛ.'Г

Результаты моделирования траекторий развития неустойчивых трещин легли в основу полученных функциональных зависимостей объемов осколков горных пород от геометрических и режимных параметров дисковых и резцовых инструментов, нашедших свое подтверждение при лабораторных исследованиях и в сравнении с результатами других исследователей.

При моделировании были установлены максимальные длины устойчивых трещин и направления развития неустойчивых трещин в процессе циклического нагружения крепких пород коническими дисковыми инструментами.

Зависимость максимальной длины устойчивой трещины £тах (л/) от шага разрушения и угла заострения конического дискового инструмента имеет следующий вид

1тах = /р /{5,28 + 0,044 ■ г - 0,046666-<р). (7)

Результаты моделирования установили, что величина свободной боковой поверхности Ь (м), на которую выходит неустойчивая магистральная трещина, имеет следующий вид:

£ = + у1]- (8)

Расхождение результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными при разрушении на стенде блоков песчаника, габбро, кварца и карбонатных пород, не превышает 12 %.

6,Кинематическне характеристики дисковых инструментов в процессе циклического разрушения горных пород

Для моделирования внедрения инструментов в горные породы был разработан метод граничных элементов в объемной постановке для вязкопластических пород, в котором на границе задавались постоянные, независимые от скорости движения горных инструментов, нагрузки, определяемые экспериментальным путем, а скорость вязкопластического деформирования линейно зависела от начальной скорости контакта инструмента с породой.

В результате моделирования была установлена функциональная зависимость скорости движения оси дискового инструмента при перемещении его по разрушаемой породе:

У/У0=1- [3000 + 58,8{стсж-10)]к/{130 - <усж), (9)

И < (13-аеж/10)-10~5, (10 < <7СЖ < 110 МПа). где V- скорость движения оси дискового инструмента в процессе разрушения горной породы для нагрузок, устанп"-^иш,1х. экспериментальным путем в лабораторных условиях, м/с; Ус - "Ярость дви^°*::.л оси дискового инструмента в промессе холостого перемещения, м/с: - предел прочности горной породы на одноосное сжатие, М11а; А- глубина внедрения дискового инструмента в разрушаемую горную породу, м.

Построенная функциональная зависимость показывает, что скорость движения дискового инструмента по разрушаемой породе прямо пропорционально зависит от скорости холостого хода и ограничена прочностью породы и глубиной внедрения. Прочность горной породы является предельной характеристикой, которая ограничивает глубину внедрения дискового инструмента в процессе его движения по разрушаемому материалу. Соотношение (9) было установлено для блокированного процесса разрушения горных пород дисковыми инструментами.

Теоретический расчет временных интервалов контакта конического дискового инструмента в условиях циклического нагружения с породой осуществлялся по разработанному методу.

Результаты сопоставления времени образования осколков и роста устойчивых трещин до неустойчивого состояния с результатами других исследователей выявили сходимость в пределах 12 %.

Разработанные модели скоростного контакта инструментов с горными породами при скорости контакта ¥0 =10 — 46 м/с установили сходимость теоретических результатов по определению времени образования осколков пород в пределах одного порядка величин с экспериментальными данными других исследователей.

За количество циклов нагружения принято количество проходов дискового инструмента по одному и тому же следу. Функциональная зависимость длины трещины от количества циклов нагружения и размаха циклической нагрузки АР была разработана на основе выражений (3) и (4). На рис.4 приведены некоторые результаты влияния размаха циклической нагрузки на рост усталостной трещины в неограниченном по длине породном прослойке

(т = 1м;К1=70• 104 Н/м3/2; гр = 0,08 м; <р = 45°; у = 12°). Графики, показанные на рис.4, являются типичными зависимостями изменения роста усталостных трещин от размаха циклической нагрузки. Трещина становится неустойчивой при достижении ¿тах =0,02 м. В результате исследований было установлено, что:

-длина устойчивых трещин независимо от геометрических и режимных параметров дисковых инструментов, прочностных и геометрических характеристик породных прослойков имеет параболическую зависимость от величины размаха циклической нагрузки;

-возрастание величины размаха циклической нагрузки независимо от мощности породного прослойка приводит к уменьшению циклов нагружения породного прослойка до образования неустойчивой трещины;

-увеличение мощности породных прослойков от 0,1 до 1,0 м приводит к возрастанию числа циклов нагружения и, как следствие, к замедлению роста усталостной трещины.

Некоторые результаты, построенные по функциональной зависимости скорости роста устойчивых трещин от размаха циклической нагрузки, приведены на рис.5.

7.Силовые и режимные параметры работы дисковых инструментов в процессе циклического разрушения горных пород трещинами нормального разрыва

На основании экспериментальных исследований по разрушению песчано-цементных и породных блоков были разработаны методики расчета нагруженно-сти дисковых инструментов в условиях свободного и блокированного режимов разрушения для инструментов очистного и проходческого комбайнов избирательного действия.

Методика расчета нагруженности конических дисковых инструментов при разрушении крепких горных пород трещинами нормального разрыва основана на следующих зависимостях

О 4 8 12 16 20 N

Рис.4.Изменение длины усталостной трещины £в зависимости от количества циклов нагружения N, где АР - размах циклической нагрузки

Рис.5.Изменение скорости роста устойчивой трещины в породных прослойках

Pz = IRQ^JKjp5^ У\т{к^)осж, v y cosy

Py=Pzctg{ki9), (10)

Px = tpzb/(Rsin{ki6)), (i = 1,2),

где Px,Py,Pz - проекции вектора усилий РЭКС на оси декартовой системы координат OX, OY, OZ, соответственно, Н; R- радиус дискового инструмента, м; 0 - arccos((R - h)/R), рад.; р - радиус закругления лезвия, м; р = 0,0005 м-острый дисковый инструмент; Ь- ширина посадочного места, м;

kj - 3,8 - (7,84 - (100h - 3)2^f - процесс разрушения крепких пород боковыми

трещинами нормального разрыва; kj = 3,8 - ¡¡7,84 - (100h - З)2 J -процесс циклического раскалывания крепких горных пород магистральными трещинами нормального разрыва;

^ _ U, если сг°сж > 67 МПа;

[- 0,739 + 92,34/(<ТсЖ -13,91\ если 30<ст°сж 67 МПа.

Для проходческого комбайна избирательного действия

к2 = 1,3 - (о,64 - {lOOh - 0,9)^ J , когда глубина внедрения h« L, где L - высота уступа и tp < L.

Нагрузки на дисковых инструментах в процессе циклического разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва, зависящие от геометрических характеристик дисковых инструментов, геометрических размеров объемных трещин, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород могут быть представлены в виде Pz=Psin(k2 в),

Py=Pcos{k2e), (h> 0,004 м) (11)

где h~m-1\ Р-равнодействующая сила, определяемая из (3) и (4).

Сопоставление методик расчета нагруженности дисковых инструментов произвольной геометрической формы в различных режимах разрушения с экспериментальными данными других исследователей выявило сходимость в пределах 14%.

В результате исследований установлено, что

-для эффективного разрушения пород трещинами нормального разрыва при циклическом нагружении горных пород необходимо применять конические дисковые инструменты диаметром D = 0,24 - 0,28 м с " углами заострения

(р -=40- 45° и задними углами у = 10-120;

Н^М^-Р^, (12)

-для эффективного разрушения пород трещинами нормального разрыва в условиях уступного режима разрушения при циклическом нагружении горных пород необходимо применять конические дисковые инструменты диаметром

0 = 0,16 - 0,2 м с углами заострения <р-35 - 400.

Эффективность процесса разрушения крепких пород дисковыми инструментами характеризуется уменьшением величины устойчивых трещин под лезвием дисковых инструментов. Величина устойчивой трещины - функция, зависящая от геометрических размеров крепких пород, прочностных показателей горных пород, геометрических размеров дисковых инструментов, величины размаха циклической нагрузки и величины удельной подачи дискового инструмента АИк.

В результате исследований установлено условие перехода устойчивой трещины в неустойчивое состояние

"¿и

где Н - суммарная глубина внедрения дискового инструмента, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины (.тах, переходит в неустойчивое состояние, м.

На рис.6 приведены зависимости влияния мощности твердого включения, когда мощность равна длине т = Ь, и прослойка т на величину суммарной подачи Я дискового инструмента, формирующего максимальную величину устойчивой трещины (И = 0,28 м; <р - 45°;у -12°).

Время образования максимальной устойчивой трещины нормального разрыва под лезвием дисковых инструментов в процессе циклического нагружения определяется на основе следующего выражения:

т21

На рис. 7 приведены зависимости времени, в течение которого максимальная магистральная трещина переходит из своего устойчивого состояния в неустойчивое, от средней величины подачи дискового инструмента

ф = 0,28м;<р = 45°;у = 12°; т = 1м; ¡р= 0,08м).

Результаты моделирования показывают, что:

-зависимость времени образования неустойчивой трещины от подачи дискового инструмента имеет гиперболический вид, подобно зависимостям, установленным в кинетической теории прочности твердых тел;

-прочность породы ограничивает подачу дискового инструмента в процессе циклического нагружения;

-циклическое нагружение дисковых инструментов с большей подачей уменьшает время образования максимальной устойчивой трещины.

НЮ'м 8 б

4

2

0,1 0,2 га=Ь, м 0.2 0,4 0,6 0,8 т, м

Рис.б.Изменение подачи дискового инструмента от мощности твердого включения (а) и породного прослойка (б)

<•4, см/с

' 25

22

19

■ 16

13

10 7

0 0,002 0,004 ЛЬ."

Рис.7.3ависимости ? • Уд от величины подачи Ак: 1- асж = бОМПа; 2- стса,с = 70МПа; 3- асж =80МПа; = 90МПа;5-(гсж = 100 МПа

в.Прогнозирование и практические аспекты применения циклического способа разрушения крепких горных пород трещинами нормального разрыва

В результате исследований была разработана методика по выбору конструктивных и режимных параметров исполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, основанная на образовании и развитии трещин нормального разрыва в процессе циклического разрушения.

Достоверность разработанных методических рекомендаций по выбору конструктивных и режимных параметров исполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, при разрушении пластов, содержащих твердые включения и породные прослойки, была подтверждена путем сравнения расчетных дан-пых с результатами промышленных испытаний в различных горно-геологических условиях шахт Кузбасса и рудников предприятия п/я А-1372.

В результате прогнозирования установлено, что исполнительные органы очистного комбайна с дисковыми инструментами позволят эффективно разрушать:

-в условиях Кузнецкого угольного бассейна породные прослойки мощностью т<0,2- 0,26 м и твердые включения, когда мощность и длина имеют один размер, т = Ь<0,18 - 0,24 м;

-в условиях предприятия п/я А-1372 породные прослойки мощностью т < 0,26 - 0,31м и твердые включения т = Ь< 0,24 - 0,30 м.

Разработанные модели сколов в забое показали, что разрушение твердых включений и породных прослойков мощностью т<1м ограничено скоростью

подачи Уп < 1,5м/мин.

Результаты промышленных испытаний показали, что оснащение очистных комбайнов исполнительными органами с дисковыми коническими инструментами по сравнению с серийными позволяют:

-увеличить скорость подачи при отработке песчано-глинистых руд с твёрдыми включениями с 0,5 до 1,5 м/мин, без твердых включений с 2,3 до 3,6 м/мин; -снизить потребляемую мощность и удельные энергозатраты на 28-35 %; - сократить удельный расход рабочего инструмента от 140 до 8 штук на 1000 м3 добычи.

Отклонение результатов моделирования от данных экспериментальных исследований нагрузок на рабочем органе составило 15-20 %.

В результате моделирования работы исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия с асимметричными дисковыми инструментами показано, что он позволяет эффективно разрушать в условиях предприятия п/я А-1372:

-породные прослойки мощностью т£ 0,4 — 0,5 м;

-твердые включения, когда мощность и длина имеют один размер, т = Ь<0,35м~,

-твердые включения, расположенные на почве выработки, мощностью т < 0,2 м и длиной L10,13 м.

Скорость подачи рабочего органа в процессе разрушения твердых включений или породных прослойков на основании модели сколов ограничена величиной 0,96 м/мин.

Результаты производственных испытаний показали, что оснащение проходческого комбайна избирательного действия рабочими органами с дисковыми асимметричными инструментами по сравнению с серийными, оснащенными резцами РКС-1, позволяют:

-увеличить скорость подачи при отработке песчано-гяинистых руд с твердыми включениями с 0,25 до 0,4 м/мин;

-снизить потребляемую мощность и удельные энергозатраты на 16-28 %; -сократить расход рабочего инструмента с 5-40 до 0,6 штук на один метр выработки. .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании фундаментальных и экспериментальных исследований разработаны теоретические положения разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва в процессе циклического нагружения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в развитии научных основ взаимодействия исполнительных органов с разрушаемым горным массивом.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные научные результаты и выводы:

1 .Производственные испытания рабочих органов с дисковыми инструментами в очистных забоях установили существование опережающих трещин длиной до 1,2 м в породных прослойках и твердых включениях, а проведенный анализ результатов лабораторных исследований показал, что циклическое нагружение крепких горных пород в 10 раз снижает удельные энергозатраты по сравнению со свободным режимом разрушения. Создание теории разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва в процессе циклического нагружения позволит осуществить на ее основе выбор конструктивных и режимных параметров инструментов и исполнительных органов для отработки пластов сложного строения.

2.Разработанные дискретные модели зернистых крепких пород с плотной упаковкой зерен, реализованные в виде программ на ЭВМ, позволил и обосновать, и исследовать механизм образования, объединения и слияния микротрещин в зависимости от угла заострения инструментов, диаметра зерна, физико-механических характеристик зерен и цементирующего вещества. Угол заострения инструмента на стадии образования микротрещин по границам зерен пород оказывает влияние на величину и картину раскрытия микротрещин по границам зерен пород. Инструменты с углами заострения 90° < (р < 180° образуют ядро уплотнения под лезвием инструмента, состоящее из зерен с нарушенными по их границе связями, боковые микротрещины и микротрещины перед уплотненным

ядром. Инструменты с углами заострения 30° < <р < 45° образуют систему медианных микротрещин, берущих свое начало ог лезвия инструмента и развивающихся в глубь породы. Инструменты, для которых угол заострения <р <, 30°, образуют медианные трещины, длины которых зависят от диаметра зерна материала и угла заострения инструмента. Все это справедливо для произвольного размера зерна и физико-механических свойств цемента, скрепляющего зерна крепких пород. Изменение диаметра зерна материала и упругих свойств цементного заполнителя не изменяют картину образования микротрещин. Величина раскрытия микротрещин по границам зерен материала зависит от упругих свойств цементного заполнителя микротрещин и диаметра зерна материала. Увеличение диаметра зерна материала увеличивает раскрытие микротрещин и уменьшает прочность зернистого материала.

3.Разработанные модели плоской деформации роста микротрещин нормального разрыва в крепких породах от воздействия клиновых инструментов, имеющих коническую, асимметричную и симметричную формы, включают в себя: нагрузки на инструменте, длину микротрещины, коэффициент интенсивности напряжений первого рода и угол заострения инструментов. Микротрещины, образованные от воздействия клиновых инструментов, развиваются устойчивым образом по границам зерен крепких пород.

4 .Разработанные объемные модели развития магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах от воздействия конических,- асимметричных и симметричных дисковых инструментов включают в себя: нагрузки на оси дискового инструмента, геометрию инструмента, площадь трещины, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород. Трещины нормального разрыва, образованные в крепких породах под лезвием дисковых инструментов, имеют устойчивый и неустойчивый характер развития. Берега трещины нормального разрыва от воздействия дисковых инструментов с углами заострения, меньших 45°, раскрываются под действием только нормальных напряжений. Нагрузка на дисковых инструментах в процессе развития устойчивых трещин нормального разрыва зависит от площади трещины, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород, углов заострения инструментов и шага разрушения.

5.Разработанные критерии перехода устойчивых трещин в неустойчивое состояние под лезвием конических и асимметричных дисковых инструментов в процессе циклического нагружения зависят от углов заострения дисковых инструментов и шага разрушения. Направления развития магистральных неустойчивых трещин в процессе циклического нагружения зависят от угла заострения дисковых инструментов, шага разрушения и высоты обнажения свободной боковой поверхности. Длина неустойчивых магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах без учета боковых свободных поверхностей стабилизируется в пределах 0,35 м. Установлен масштабный эффект, который возникает при разрушении твердых включений, имеющих ограниченную длину Ь< 0,35 м.

6.Разработанная на основе метода граничных элементов с вязкопластиче-скими деформациями модель скоростного контакта инструментов с горными породами в объемной постановке позволяет определять скорости дисковых инструментов в процессе их перемещения по разрушаемым горным породам и прогнозировать временные интервалы, в пределах которых осуществляется образование осколков горной породы под лезвием дисковых инструментов. Скорость движения дискового инструмента по разрушаемой горной породе прямо пропорционально зависит от начальной скорости контакта и ограничена прочностью породы и глубиной внедрения. Прочность горной породы является предельной характеристикой, которая ограничивает глубину внедрения дискового инструмента в процессе его движения по разрушаемому материалу.

Установлено, что процесс развития устойчивых трещин при циклическом нагружении в крепких породах носит усталостный характер. Время роста устойчивых магистральных трещин до неустойчивого состояния в крепких породах под лезвием дисковых инструментов на два порядка превышает время образования боковых поверхностных трещин.

7.Разработанный метод расчета скорости развития устойчивых усталостных трещин в крепких породах позволяет проводить инженерные расчеты скорости развития устойчивых усталостных трещин в крепких породах в процессе циклического нагружения горных пород дисковыми инструментами и выбирать рациональные геометрические и режимные параметры дисковых инструментов в зависимости от геометрических и прочностных характеристик крепких пород.

Установлено, что скорость роста усталостных трещин в породных прослойках прямо пропорциональна размаху циклической нагрузки и обратно пропорциональна коэффициенту интенсивности напряжений первого рода. Возрастание прочности горных пород приводит к уменьшению скорости роста усталостных трещин нормального разрыва. Скорость усталостных трещин зависит от мощности породного прослойка, мощности и длины твердого включения.

' 8.Разработанный метод расчета нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких горных пород трещинами нормального разрыва, включающий в себя объемные геометрические размеры, коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород и геометрические параметры дисковых инструментов, позволяет проводить инженерные расчеты усилий на дисковых инструментах очистных и проходческих комбайнов и выбирать рациональные геометрические и режимные параметры дисковых инструментов.

Результаты исследований показали, что:

-для эффективного разрушения пород трещинами нормального разрыва при циклическом нагружении горных пород необходимо применять конические дисковые инструменты диаметром £>= 0,24- 0,28 м с углами заострения (р= 40° - 45° и задними углами,у= 10°- 12°;

-для эффективного разрушения пород трещинами нормального разрыва в условиях уступного режима разрушения при циклическом нагружении горных

пород необходимо применять конические дисковые инструменты диаметром В= О,16- 0,2 м с углами заострения <р - 35° - 40°.

9.Суммарная глубина внедрения дискового инструмента, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины переходит в неустойчивое состояние, есть функциональная зависимость, включающая в себя геометрические размеры твердых включений и породных прослойков и максимальную величину устойчивой трещины, размер которой зависит от шага разрушения и угла заострения дискового инструмента.

Разработанная теория образования и развития магистральных трещин нормального разрыва под лезвием дисковых инструментов с минимальными энергозатратами позволяет прогнозировать развитие магистральных трещин в твердых включениях и породных прослойках в зависимости от геометрических, прочностных характеристик горных пород, геометрической формы дисковых инструментов, режимных параметров - шага разрушения и глубины внедрения и величины размаха циклической нагрузки, зависящей от величины подачи дискового инструмента.

Время, в течение которого устойчивая трещина, достигнув максимальной величины, переходит в неустойчивое состояние в процессе циклического нагру-жения крепких горных пород, зависит от геометрических, кинематических и режимных параметров дисковых инструментов, геометрических и прочностных свойств твердых включений и породных прослойков.

Ю.Методика, разработанная на основе исследования кинетики образования и развития трещин нормального разрыва в зависимости от расположения в забое, геометрических размеров и прочностных характеристик крепких пород, позволяет проводить инженерные расчеты по оценке разрушения твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Разработанная теория образования и развития магистральных трещин нормального разрыва в процессе циклического нагружения позволила установить следующие области эффективного применения исполнительных органов, имеющих два дисковых инструмента в линии резания:

-все разработанные конструкции исполнительных органов с дисковыми инструментами применимы для разрушения твердых включений, имеющих длину, меньшую 0,35 м;

-разрушение породных прослойков мощностью т < 0,4-0,9 м в центральной части исполнительного органа очистного комбайна возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения;

-разрушение породных прослойков мощностью т < 0,4-0,5 м в центральной части исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения.

Установлено, что исполнительные органы очистного комбайна с дисковыми инструментами эффективно разрушают:

- в условиях Кузнецкого угольного бассейна породные прослойки мощностью т < 0,20 - 0,26 м и твердые включения, когда мощность и длина т= L< 0,18 -0,24 м;

-в условиях ш. «Кызыл-Кумская» породные прослойки мощностью т < 0,26 - 0,30 м и твердые включения т= L<, 0,24 - 0,30 м.

Установлено, что исполнительные органы проходческого комбайна избирательного действия с дисковыми инструментами эффективно разрушают в условиях месторождений Восточного рудоуправления и ш/у «Кок-Янгак»: -породные прослойки мощностью т < 0,4 - 0,5 м; -твердые включения, когда мощность и длина т= L< 0,35 м; -твердые включения, расположенные на почве выработки, мощностью т < 0,2 м и длиной L > 0,13 м.

11.Методика выбора конструктивных и режимных параметров исполнительных органов с дисковыми инструментами, основанная на исследовании кинетики образования и направленного развития магистральных трещин нормального разрыва, подтверждена результатами производственных исследований исполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, при ведении очистных и проходческих работ на пластах сложного строения, имеющих различные геометрические и прочностные параметры твердых включений и породных прослойков.

Основные научные положения изложены в 47 работах, основными из которых являются:

1 .Полкунов Ю.Г. Определение нагрузок на дисковой шарошке при разрушении хрупких горных пород //Механизация горных работ: Меж-вуз.сб.науч.тр./Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово,1984.-С.21-23.

2.Нестеров В.И., Хорешок A.A., Полкунов Ю.Г. Особенности процесса разрушения исполнительным органом с дисковыми шарошками// Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр./ Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово,1984.-С.23-28.

3.А.с. 1155742 СССР, МКИ Б 21 С 25/46. Рабочий орган добычного комбайна/ А.Н.Коршунов, В.И.Нестеров, В.Н.Вернер, А.А.Хорешок, Н.Д.Бенюх, А.А.Силкин, В.Н.Жигалов, Ю.Г.Полкунов, Ю.М.Рыскинд.-Опубл. 15.05.85, Бюл. №18. ,.

4.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г,, Вернер В.Н. Оценка работоспособности очистных комбайнов с дисковыми шарошками на труднообрущаемых пластах //Механизация очистных и проходческих работ: Межвуз. сб. науч. тр../ Куз-бас.политехн.ин-т.-Кемерово, 1985.-С.4-7.

5 .Полкунов Ю.Г., Жигалов В.Н. К вопросу выбора шага разрушения дисковой шарошкой //Механизация очистных и проходческих работ: Межвуз.сб.науч.тр. /Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово, 1985.-С. 10-13.

6A.c. 1280119 СССР, МКИ Е 21 С 25/00. Исполнительный орган добычного комбайна/ В.И.Нестеров, В.Н.Вернер, А.А.Хорешок, В.Н.Жигалов, Ю.Г.Полкунов, Л.М.Демич, И.Л.Романенко.-Опубл. 30.12.86, Бюл. №48.

7.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Влияние геометрических и режимных параметров дисковой шарошки на образование поверхности разрушения// Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр./ Кузбас.политехи.ин-т.-Кемерово, 1986.-С.5-8.

8.А.с. 1330308 СССР, МКИЕ 21 С 25/04. Исполнительный орган очистного комбайна /А.А.Хорешок, И.Д.Богомолов, В.И.Нестеров, В.Н.Жигалов, К.В.Начев, Ю.Г.Полкунов, А. А.Силкин.- Опубл. 15.08.87, Бюл. №3 0.

9.Нестеров В.И., Хорешок А.А.,Полкунов Ю.Г. Влияние угла заострения на :иловые показатели дискового инструмента при различных видах резания '/Механизация горных работ: Межвуз.сб.иауч.тр./Кузбас.политехн.ин-т,-Кемерово,1988.-С.5-9.

Ю.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Косорыгин Л.В. Совершенствование рабочих органов очистных горных комбайнов при отработке пластов с твердыми включениями //Горно-металлургическая промышленность.-М., 1989.- №1.-С.21-23.

11.A.c. 1456558 СССР, МКИ Е 21 С 27/02. Исполнительный орган горного комбайна/В.И.Нестеров, А.А.Силкин, А.А.Хорешок, В.Н.Вернер, Ю.Г.Полкунов,-0публ.07.02.89, Бюл. №5.

12.Нестеров В.И.. Хорешок A.A.. Вернер В.Н., Полкунов Ю.Г. Рабочий орган с дисковыми шарошками /ЦНИ И ТЭИтяжмаш.-М., 1989. Сб.09-89-01.

13.Полкунов Ю.Г., Жигалов В.Н.. Хорешок A.A. О размещении режущих дисков на рабочем органе проходческого комбайна избирательного действия //Механизация горных работ на угольных шахтах: Сб.науч.тр. / Тульский поли-техн.ин-т.-Тула, 1989.-С.29-34.

14.Хорешок A.A., Кузнецов В.В., Полкунов Ю.Г. Выбор рабочего инструмента исполнительного органа избирательного действия //Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр./Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово,1990.-С.8-10.

15.Вернер В.Н., Полкунов Ю.Г., Соколова Е.К., Хорешок A.A. Экспериментально-теоретические предпосылки прогнозирования крупности кусков при разрушении массива дисковым инструментом// Изв.вузов.Горный журнал.-1991.-№4.-С.99-102.

16.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Соколова Е.К., Прейс Е.В. Прогнозирование сортности продуктов разрушения дисковыми инструментами// Механизация горных работ: Сб.науч.тр./Кузбас.политехи.ин-т.-Кемерово, 1992.-С.56-61.

17.Кузнецов В.В., Полкунов Ю.Г. Определение нагрузок на асимметричном дисковом режущем инструменте при разрушении горных пород //Механизация горных работ: Сб.науч.тр./Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово,1992.-С.45-47.

18.Полкунов Ю.Г. К вопросу устойчивости процесса разрушения пород при резании //Механизация горных работ: Сб.науч.тр./Кузбас.гос.техн.ун-т.-Кемерово,1993.-С.22-24.

19.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Проблемы разрушения зернистых материалов горными инструментами //Перспективы развития технологий и средств бурения: Тез.докл. Всероссийской научно-практической конференции, 3-5 окт.1995 г.- Кемерово,1995.- С.30-31.

20.Полкунов Ю.Г. Микроразрушение зернистых пород горными инструментами //Механизация горных работ: Тез.докл.конф.. 12-14 нояб.1996 г.Кемерово,1996.-С.20-21.

21.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Романова Л.М. Микроразрушение зернистых пород клиновыми инструментами/ Кузбас.гос.техн.ун-т.-Кемерово, 1997.-3 8 с.-Деп. в ВИНИТИ 05.02.97, №306 - в 97. ! ,Г

22.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Хорешок А.А„ Романова Л.М. Установление зон растягивающих напряжений в массиве под воздействием дисковых инструментов// Изв.вузов.Горный журнал.-1997.-№ 1-2.-С.105-108.

23. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Хорешок А.А., Соколова Е.К. Качественная оценка крупности кусков при разрушении массива дисковыми инструмен-тами//Изв.вузов.Горный журнал.-1997.7-8.-С.118-120.

24.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Разрушение горных пород трещинами нормального разрыва//Вестн.КузГТУ.-1997.-№1 .-С.9-13.

25.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Разрушение твердых включений трещинами нормального разрыва// Вестн.КузГТУ.-1998.-№6.-С.64-66.

26.Полкунов Ю.Г., Романова Л.М. Математическая модель зернистых горных пород при контактных видах разрушения// Вестн.КузГТУ.-1999.-№2.-С.9-12.

27.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Прогнозирование разрушения крепких горных пород при циклическом воздействии коническими дисковыми инструмен-тамшУИзвестия вузов. Горный журнал.-1999.-№3-4.-С.26-28.

28.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Один из вариантов метода граничных элементов для решения контактных задач механики разрушения// Вестн.КузГТУ.-1999.-№ 6.-С.4-8. •

29.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Развитие усталостных трещин в крепких породах в процессе циклического нагружения их дисковыми инструментами//Вестн.КузГТУ.-2000.-№ 2.-С.20-23.

ВВЕДЕНИЕ.

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ПОРОД ТРЕЩИНАМИ НОРМАЛЬНОГО РАЗРЫВА.

1.1. Особенности работы очистных комбайнов при отработке пластов сложного строения.

1.2.Моделирование циклического разрушения горных пород на основе экспериментально-статистического подхода.

1.2.1 .Результаты экспериментальных исследований.

1.2.2.Экспериментально-статистический подход в моделировании нагруженности инструментов.

1.3.Модели накопления микротрещин.

1.4.Анализ и классификация трещин, образованных в результате контактных взаимодействий инденторов с различными материалами.

1.5.Цель и задачи исследований.

ВЫВОДЫ.

2. МИКРОМЕХАНИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД ЗЕРНИСТОЙ

СТРУКТУРЫ ГОРНЫМИ ИНСТРУМЕНТАМИ.

2.1.Анализ влияния дефектов структуры на процесс разрушения пород горными инструментами.

2.2.Анализ и выбор моделей пород зернистой структуры.

2.2.1 .Анализ моделей структур зернистых горных пород.

2.2.2.Моделирование пород зернистой структуры под лезвием горных инструментов.

2.3.Метод моделирования микротрещин в дискретных горных породах.

2.4.Анализ результатов моделирования микроразрушения зернистых пород горными инструментами.

2.4.1.Влияние угла заострения инструмента на образование микротрещин в породах, имеющих сети микротрещин по границам зерен материала.

2.4.2.Микроразрушения зернистых пород инструментами с углами заострения 90°<ф<180°.

2.4.3.Микроразрушение зернистых пород симметричными клиновыми инструментами.

2.4.4.Микроразрушение зернистых горных пород клиновыми коническими инструментами.

ВЫВОДЫ.

3.КРИТЕРИИ РОСТА ТРЕЩИН НОРМАЛЬНОГО РАЗРЫВА.

3.1 .Предварительные сведения.

3.2.Анализ критериев локального разрушения и экспериментальные методы определения критических коэффициентов интенсивности напряжений.

3.2.1 .Анализ критериев локального разрушения.

3.2.2.Анализ методов определения критических коэффициентов интенсивности напряжении для горных пород. ^

3.3.Схемы, моделирующие взаимодействия дисковых инструментов с горными крепкими породами, и метод моделирования трещин в объемной постановке.

3.3.1.Схемы, моделирующие взаимодействия дисковых инструментов с горными породами.

1 1 т

3.3.2.Метод моделирования трещин в объемной постановке.

3.4.Критерии роста трещин нормального разрыва под лезвием дисковых инструментов.

3.5.Анализ параметров, оказывающих влияние на рост микротрещин нормального разрыва в зернистых горных породах.

3.5.1.Анализ критериев, описывающих развитие микротрещин нормального разрыва в зернистых породах.

3.5.2.Анализ влияния диаметра зерна материала на нагруженность дисковых инструментов.

3.6.Анализ параметров, оказывающих влияние на рост трещин нормального разрыва в горных породах.

3.6.1.Анализ параметров, оказывающих влияние на рост устойчивых трещин нормального разрыва в горных породах.

3.6.2.Масштабный эффект, возникающий при разрушении дисковыми инструментами твердых включений, и геометрический размер неустойчивых трещин в твердых включениях.

ВЫВОДЫ.

4.МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕУСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ ПОД ЛЕЗВИЕМ ДИСКОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ В УСТУПНОМ РЕЖИМЕ РАЗРУШЕНИЯ.

4.1.Режимы разрушения горных пород. I

4.2.Интегральные методы расчета траекторий трещин.

4.2.1 .Модели макроструктур горных пород.

4.2.2.Метод граничных интегральных уравнений.

4.2.3.Критерии разрушения горных пород.

4.3.Методика экспериментальных исследований.

4.4.Напряженное состояние пород под лезвием дисковых инструментов в условиях уступного режима разрушения.

4.4.1 .Блокированный уступный режим разрушения.

4.4.2.Блокированный уступный режим разрушения с дополнительным внешним воздействием на боковую поверхность уступа.

4.4.3.Свободный уступный режим разрушения.

4.5.Анализ влияния геометрических и режимных параметров дисковых инструментов на объем разрушенных крупных элементов горной породы.

4.5.1 .Свободный уступный режим разрушения.

4.5.2.Блокированный уступный режим разрушения.

4.6.Анализ параметров, оказывающих влияние на рост трещин нормального разрыва в породных прослойках и твердых включениях

4.6.1.Устойчивый рост трещин в породных прослойках и твердых включениях.

4.6.2.Неустойчивый рост трещин в породных прослойках и твердых включениях.

4.7Сопоставление результатов моделирования роста трещин с эксп ериментальными данными других исследователей.

ВЫВОДЫ.

5 .МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕУСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН В ПОРОДАХ ПОД ЛЕЗВИЕМ ГОРНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА.

5.1.Режимы разрушения горных пород и методика экспериментальных исследований.

5.2.Напряженное состояние пород под лезвием горных инструментов. ^35 5.2.1 .Блокированный режим разрушения. ^^

5.2.2.Свободный режим разрушения.

5.2.3.Повторно-блокированный и полусвободный режимы разрушения.

5.3.Анализ влияния геометрических и режимных параметров конических дисковых инструментов на объем разрушенных крупных элементов горной породы. Сопоставление результатов моделирования осколков с экспериментальными данными других исследователей.

5.4.Анализ параметров, оказывающих влияние на рост трещин нормального разрыва в породных прослойках и твердых включениях.

5.4ЛУстойчивый рост трещин в породных прослойках и твердых включениях.

5.4.2Неустойчивый рост трещин в породных прослойках и твердых включениях.

5.5.Сопоставление результатов моделирования роста трещин с экспериментальными данными других исследователей.

ВЫВОДЫ.

6.КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСКОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ 309 ПОРОД.

6.1.Анализ моделей скорости деформации при контактном взаимодействии инструментов с твердыми горными породами.

6.2.Методы расчета кинематических характеристик движения дисковых инструментов по разрушаемым горным породам. ^{

6.3.Анализ влияния режимных параметров и прочности горных пород на скорость движения дисковых инструментов в процессе разрушения горных пород.

6.4.Анализ сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными других исследователей. ^

6.5.Усталостное разрушение крепких горных пород коническими дисковыми инструментами в процессе циклического нагружения.

6.5.1.Анализ моделей скорости роста трещин в процессе усталостного нагружения.

6.5.2.Анализ влияния циклов нагружения на скорость роста устоичивых трещин нормального разрыва.

ВЫВОДЫ.

7.СИЛОВЫЕ И РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИСКОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ТРЕЩИНАМИ НОРМАЛЬНОГО РАЗРЫВА.

7.¡.Механический подход к построению нагрузок на конических дисковых инструментах.

7.1.1 .Схемы нагружения дисковых инструментов.

7.1.2.Анализ и оценка входных величин, входящих в формулы нагруженности дисковых инструментов.

7.2.Нагруженность конических дисковых инструментов в условиях свободного режима разрушения горных пород.

7.2.1.Методика расчета нагрузок на конических дисковых инструментах.

7.2.2.Анализ влияния режимных и геометрических параметров на силовые показатели конических дисковых инструментов.

7.3.Нагруженность конических дисковых инструментов при разрушении твердых включений и породных прослойков трещинами нормального разрыва.

7.3.1.Методика расчета нагрузок на конических дисковых инструментах.

7.3.2.Анализ влияния геометрических, режимных и прочностных параметров на силовые показатели конических дисковых инструментов.

7.3.3.Результаты сопоставления методики расчета нагруженности дисковых инструментов с критериями роста трещин нормального разрыва.

7.4.Сопоставление результатов расчета нагрузок с экспериментальными данными других исследователей.

7.5.Режимы подачи дисковых инструментов, формирующих неустойчивые магистральные трещины в твердых включениях и породных прослойках, в процессе циклического нагружения.

7.5.1.Режимы подачи дисковых инструментов, формирующих развитие устойчивых магистральных трещин в твердых включениях и породных прослойках.

7.5.2.Прогнозирование направления развития неустойчивых магистральных трещин в твердых включениях и породных прослойках.

7.5.3.Анализ влияния режимов подачи на время образования неустойчивых трещин.

ВЫВОДЫ.

8.ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОГО СПОСОБА РАЗРУШЕНИЯ КРЕПКИХ ГОРНЫХ ПОРОД ТРЕЩИНАМИ НОРМАЛЬНОГО РАЗРЫВА.

8.1.Кинематический анализ сколов в очистном и проходческом забоях.

8.1.1 .Модель кинематики сколов в забое.

8.1.2.Кинематический анализ сколов в очистном забое.

8.1.3.Кинематический анализ сколов в проходческом забое.

8.2Методика выбора конструктивных и режимных параметров и сполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, при разрушении пластов, содержащих твердые включения и породные прослойки.

8.3.Сравнение расчетных и производственных показателей работы исполнительных органов очистных комбайнов, оснащенных дисковыми инструментами, в процессе циклического разрушения горных пород трещинами нормального разрыва.

8.3.1 .Цель и задачи производственных исследований.

8.3.2,Объекты испытаний.

8.3.3.Методика и условия проведения производственных исследований.

8.3.4.Результаты производственных исследований. Особенности разрушения массива. Силовые и энергетические характеристики работы исполнительных органов.

8.3.5.Расход рабочего инструмента.

8.3.6.Моделирование нагруженности рабочих органов с дисковыми инструментами при отработке песчано-глинистых пластов сложного строения.

8.3.7.Сравнение области эффективного применения исполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, на пластах сложного строения с методическими рекомендациями.

8.4.Сравнение расчетных и производственных показателей работы исполнительных органов проходческого комбайна избирательного действия, оснащенных дисковыми инструментами, в процессе циклического разрушения горных пород трещинами нормального разрыва.

8.4.1.Производственные исследования исполнительных органов проходческого комбайна избирательного действия, оснащенных дисковыми инструментами.

8.4.2.Сравнение области эффективного применения исполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, в производственных условиях на пластах сложного строения с методическими рекомендациями.

ВЫВОДЫ.

Подземная и открытая отработка угольных пластов и песчано-глинистых руд осложняется присутствием крепких пород, представленных твердыми включениями и породными прослойками. Комплексно-механизированные забои на пластах сложного строения, содержащие крепкие породные прослойки и твердые включения, имеют низкие технико-экономические показатели по сравнению с отработкой пластов простого строения. Работа очистных и проходческих комбайнов характеризуется низкой производительностью, высокими динамическими нагрузками и большим удельным расходом рабочего инструмента.

Современное состояние теории разрушения крепких пород горными инструментами очистных и проходческих комбайнов, основанная на использовании горно-технологических показателей прочности для описания реакции горных пород на механические воздействия, исчерпала свои возможности и требуются новые научно обоснованные подходы, исходящие из физической сущности процесса трещинообразования, взаимодействия и роста трещин в крепких породах, способные разработать математические модели этих процессов. В практике отработки пластов сложного строения необходим переход к концепции, заключающейся в направленном разрушении крепких пород пересекающимися магистральными трещинами нормального разрыва, и позволяющей с минимальной энергоемкостью не дробить горную породу, а раскалывать ее на блоки. Практическая реализация такого подхода к решению проблемы разрушения крепких пород механическим способом требует создания и широкого применения качественно новых математических методов и моделей развития трещин под лезвием инструментов, нагруженности инструментов от роста трещин и способов управления направленным разрушением, основанных на объединении и прорастании микро и макротрещин в крепких породах.

В настоящее время вопросы развития математических методов, применяемых в моделировании процессов трещинообразования, объединения, прорастания микротрещин и развития устойчивых и неустойчивых трещин в крепких породах под лезвием инструментов, в научном плане разработаны недостаточно глубоко, далеки от использования в практике разрушения крепких пород и поэтому решение этих вопросов приобретает особую актуальность, имеет большое научное и практическое значение в установлении новых и более точных фундаментальных моделей и результатов по раскалыванию крепких пород трещинами нормального разрыва.

Цель работы - установление основных закономерностей и рациональных параметров взаимодействия рабочего инструмента горных машин с массивом, обеспечивающих реализацию режима циклического разрушения крепких пород с минимальными энергозатратами.

Идея работы - заключается в использовании закономерностей образования и развития трещин нормального разрыва в крепких породах при их циклическом нагружении для обоснования конструктивных и режимных параметров рабочего инструмента и исполнительных органов горных машин, обеспечивающих расширение области применения очистных и проходческих комбайнов.

Задачи исследований:

- разработать математическую дискретную модель зернистых горных пород с целью установления основных закономерностей образования и развития микротрещин по границам зерен горных пород от воздействия инструментов в зависимости от диаметра зерна, упругих характеристик зерна, меж-зеренного цементного заполнителя и геометрической формы горных инструментов;

- разработать модели устойчивого роста микротрещин нормального разрыва в моделях плоской деформации, зависящие от коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород, длины трещины и угла заострения;

- разработать объемные модели устойчивого развития магистральных трещин в крепких породах от воздействия конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов, зависящих от равнодействующего усилия на оси дисковых инструментов, геометрии инструментов, геометрических размеров и коэффициента интенсивности первого рода крепких пород;

- разработать модели неустойчивого развития объемных трещин на основе интегрального метода траекторий трещин, которые позволяют оценить геометрические и режимные параметры дисковых инструментов на объемы осколков горных пород в свободном и уступном режимах разрушения;

- разработать модели перехода устойчивых трещин нормального разрыва в неустойчивое состояние с целью установления влияния геометрических и режимных параметров дисковых инструментов в процессе раскалывания крепких горных пород;

- разработать математическую модель скоростного движения дисковых инструментов по разрушаемым породам в зависимости от скорости контакта, глубины внедрения и прочности породы; разработать модель и алгоритм для установления времени образования осколков породы в зависимости от скорости контакта, глубины внедрения, геометрии дискового инструмента и прочности породы;

- разработать модели скорости роста устойчивых трещин нормального разрыва в крепких породах в процессе циклического нагружения их дисковыми инструментами;

- разработать метод расчета нагруженности конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов в процессе циклического разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва, включающего в себя геометрию дискового инструмента, площадь трещины, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

- разработать модели режимов нагружения крепких пород дисковыми инструментами, позволяющие установить влияние геометрических и прочностных характеристик пород, режимных параметров, геометрии инструментов, максимальной величины и количество циклов нагружения на величину суммарной подачи дискового инструмента, при которой осуществляется раскалывание крепких пород магистральными трещинами;

- разработать методику прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах в зависимости от их расположения в забое, геометрических и прочностных характеристик, которая позволяет проводить инженерные расчеты по оценке эффективного раскалывания твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Методы исследований. В теоретических исследованиях применялись численные методы математической теории упругости, вязкопластичности, механики хрупкого разрушения и математической статистики. Из численных методов граничных элементов использовались: метод фиктивных нагрузок и интегральный метод расчета траекторий трещин для моделирования осколков пород под лезвием резцовых и дисковых инструментов; методы разрывных смещений в моделях плоской деформации для моделирования образования, слияния и развития микротрещин; метод разрывных смещений в объемной постановке для установления критериев роста устойчивых магистральных трещин; метод фиктивных нагрузок в вязкопластической постановке для разработки моделей скоростного внедрения инструментов в разрушаемые породы. Расчеты методами граничных элементов в моделях плоской деформации и объемных постановках задач выполнены по алгоритмам и программам, разработанным автором. Расчеты коэффициентов интенсивности напряжений первого рода для плоских и объемных трещин выполнены по методу, алгоритму и программам, разработанным автором. Обработка экспериментальных данных в лабораторных и производственных исследованиях осуществлялась методами математической статистики.

Научные положения, защищаемые автором:

- процесс образования микротрещин под лезвием горных инструментов, формирующих медианную трещину нормального разрыва, регулируется углом заострения инструмента, диаметром зерна породы и физико-механическими характеристиками зерна и цементного заполнителя по границам зерен породы, а величина прорастания микротрещин в медианную трещину разрыва прямо пропорционально зависит от отношения касательных к нормальным напряжениям на границе контакта инструмента с породой;

- критерии разрушения крепких пород, моделирующие развитие медианных устойчивых трещин нормального разрыва под лезвием конических, асимметричных и симметричных инструментов, зависят от углов заострения инструментов, длины трещины и коэффициента интенсивности напряжений первого рода;

- критерии разрушения крепких пород в объемной постановке, моделирующие развития медианных устойчивых магистральных трещин нормального разрыва под лезвием конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов, зависят от углов заострения инструментов, площади трещины, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

- масштабный эффект, возникающий при разрушении крепких пород ограниченной длины, устанавливает изменения нагруженности дисковых инструментов от длины разрушаемой породы; максимальная длина устойчивой магистральной трещины, при которой осуществляется переход трещины в неустойчивое состояние, в крепких породах в процессе циклического разрушения зависит от угла заострения дискового инструмента и расстояния от линии движения инструмента до свободной боковой поверхности; направления развития магистральных неустойчивых трещин в процессе циклического разрушения крепких пород зависят от угла заострения дискового инструмента, шага разрушения и высоты обнажения свободной боковой поверхности;

- механизм разрушения крепких пород дисковыми инструментами в процессе циклического нагружения представляет собой трехстадийный процесс: образование микротрещин по границам зерен пород, прорастание и объединение их в устойчивые трещины; рост устойчивых магистральных трещин до предельных величин, зависящих от геометрии дискового инструмента и расстояния до свободной боковой поверхности; развитие неустойчивых магистральных трещин, раскалывающих крепкие породы;

- модель скорости движения дисковых инструментов по разрушаемой породе учитывает прочность горной породы, глубину внедрения и начальную скорость контакта для установления временных интервалов, в пределах которых осуществляется образование осколков породы под лезвием дисковых инструментов;

- объемные модели роста усталостных устойчивых магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах в процессе циклического нагружения учитывают геометрию инструмента, режимы нагружения, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

- модели формирования нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких пород учитывают геометрические размеры объемных трещин, геометрию инструментов, геометрические и прочностные характеристики крепких пород;

- суммарная глубина подачи дискового инструмента в процессе циклического разрушения, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины, переходит в неустойчивое состояние, зависит от reoметрических размеров крепких пород и максимальной предельной величины устойчивой трещины, размер которой зависит от шага разрушения и угла заострения дискового инструмента;

- методика прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах в зависимости от их расположения в забое, геометрических и прочностных характеристик позволяет проводить инженерные расчеты по оценке эффективного раскалывания крепких пород магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Достоверность научных положений. выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректностью постановки задач на основе фундаментальных методов механики деформируемого твердого тела, механики разрушения, математической статистики и методов их решения;

- сопоставимостью результатов исследований с лабораторными и производственными данными;

- количественной сопоставимостью результатов моделирования с независимыми экспериментальными данными других исследователей;

- сопоставимостью сравнительных результатов исследований серийных исполнительных органов с экспериментальными, оснащенными дисковыми инструментами, при отработке пластов с твердыми включениями и породными прослойками. Производственные испытания подтвердили работоспособность разработанных конструкций и правильность научных положений, выводов и рекомендаций;

- количественной сопоставимостью методики прогнозирования направленного развития неустойчивых трещин с независимыми шахтными данными других исследователей.

Новизна работы заключается в том, что в ней:

- разработана модель зернистых пород, отличающаяся тем, что представляет собой набор зернистых упорядоченных дискретных элементов, скрепленных между собой дискретными элементами цементирующего вещества, позволяет исследовать местоположение и раскрытие микротрещин по границам зерен пород и установить влияние угла заострения инструментов, диаметра зерна, физико-механических характеристик зерен и цементирующего вещества на процесс образования, прорастания и слияния микротрещин в процессе разрушения;

- впервые разработаны модели плоской деформации роста микротрещин от воздействия клиновых инструментов, имеющих коническую, асимметричную и симметричную формы, которые позволяют установить влияние угла заострения, диаметра зерна и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород на нагруженность инструментов;

- впервые разработаны объемные модели развития магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах от воздействия конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов, которые позволяют исследовать рост магистральных трещин при раскалывании крепких пород и установить влияние на развитие трещин геометрической формы инструментов, режимов нагружения, геометрических размеров и коэффициента интенсивности первого рода разрушаемых крепких пород;

- впервые установлены: масштабный эффект, который возникает при разрушении твердых включений с ограниченной длиной, и закономерности изменения нагруженности дисковых инструментов от длины твердого включения; закономерности изменения максимальной величины устойчивой трещины от угла заострения дискового инструмента и шага разрушения; закономерности направления развития неустойчивых трещин от углов заострения конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов;

- впервые установлен трехстадийный механизм разрушения крепких пород дисковыми инструментами: образование микротрещин по границам зерен пород, прорастание и объединение их в устойчивые трещины; рост устойчивых магистральных трещин до предельных величин, зависящих от геометрии дискового инструмента и расстояния до свободной боковой поверхности; развитие неустойчивых магистральных трещин, раскалывающих крепкие породы;

- впервые разработана модель скорости движения дисковых инструментов по разрушаемой породе, которая позволяет исследовать влияние прочности горной породы, глубины внедрения и начальной скорости контакта на изменение скорости движения в процессе разрушения и установить временные интервалы, в пределах которых осуществляется образование осколков породы под лезвием дисковых инструментов;

- впервые разработаны объемные модели роста усталостных устойчивых магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах, образованных при последовательных проходах дисковых инструментов по одному и тому же следу, которые позволяют исследовать рост усталостных устойчивых трещин до неустойчивого состояния, и установить влияние на развитие трещин геометрии инструментов, режимов нагружения дисковых инструментов, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

- разработаны модели формирования нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких пород, отличающиеся тем, что в них впервые введены геометрические размеры трещин и геометрические и прочностные характеристики крепких пород;

- впервые установлены закономерности суммарной глубины внедрения дискового инструмента, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины, переходит в неустойчивое состояние, от геометрических размеров крепких пород, максимальной предельной величины устойчивой трещины, размер которой зависит от шага разрушения и угла заострения дискового инструмента;

- впервые разработана для угольных пластов и песчано-глинистых руд, засоренных твердыми включениями и породными прослойками, методика прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах в зависимости от их расположения, геометрических и прочностных характеристик, которая позволяет проводить инженерные расчеты по оценке эффективного раскалывания твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Личный вклад автора состоит: в разработке модели зернистых горных пород и ее реализации методом разрывных смещений; в разработке метода определения коэффициентов интенсивности напряжений первого рода для трещин нормального разрыва под лезвием дисковых инструментов в объемной и плоской постановках; в разработке и обосновании моделей развития устойчивых микротрещин под лезвием дисковых инструментов; в разработке и обосновании объемных моделей развития устойчивых магистральных трещин под лезвием дисковых инструментов; в установлении масштабного эффекта при циклическом разрушении ограниченных по длине крепких пород; в установлении закономерностей изменения максимальной критической величины устойчивой трещины от углов заострения дисковых инструментов и шага разрушения; в установлении закономерностей направленного развития неустойчивых трещин от углов заострения дисковых инструментов; в разработке и обосновании моделей скоростного контакта инструментов с горными породами с ее реализацией методами граничных уравнений в вязкопластической постановке; в разработке и обосновании модели скорости движения дисковых инструментов по разрушаемой породе и в установлении временных интервалов образования осколков породы под лезвием горных инструментов; в разработке и обосновании объемных моделей роста усталостных трещин при циклическом разрушении крепких пород дисковыми инструментами; в разработке моделей формирования нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва; в разработке моделей режимов разрушения крепких пород дисковыми инструментами в процессе циклического разрушения; в разработке методики прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах для проведения инженерных расчетов по оценке эффективного раскалывания твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбора конструктивных и режимных параметров исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Практическая ценность. Методы, модели, критерии и закономерности направленного развития устойчивых и неустойчивых трещин нормального разрыва в крепких породах в процессе циклического нагружения позволяют на новом качественном и количественном уровнях получить модели процесса разрушения, которые имеют принципиально важное значение для прогнозирования раскалывания породных прослойков и твердых включений и расчета нагруженности инструментов от роста трещин и исполнительных органов при проектировании их для отработки пластов сложного строения.

Результаты выполненных исследований позволяют:

- моделировать в процессе циклического нагружения раскалывание крепких пород ограниченной длины трещинами нормального разрыва;

- моделировать в процессе циклического нагружения откалывание блоков от неограниченных по длине крепких пород трещинами нормального разрыва;

- определять режимы подачи исполнительных органов для эффективного раскалывания крепких пород трещинами нормального разрыва;

- на стадии проектирования исполнительных органов в зависимости от расположения, геометрических размеров и физико-механических свойств твердых включений выбирать рациональные режимные, конструктивные параметры дисковых инструментов и исполнительных органов в целом и устанавливать область эффективного их применения при обработке пластов сложного строения.

Разработанные методы, алгоритмы и программы моделей роста объемных трещин в крепких породах могут быть использованы для этих же целей, но применительно к другим режимам разрушения, а также и видам инструментов.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Методики расчета нагрузок на дисковом инструменте и исполнительных органах, оснащенных дисковыми инструментами, утверждены предприятием п/я М-5703 и использованы предприятием п/я А-1372 при проектировании и создании рабочих органов очистных комбайнов.

Результаты исследований включены в рабочие программы курса «Горные машины и комплексы» для студентов направления Т18 «Технологические машины и оборудование». Алгоритмы, программы и методики внедрены в учебный процесс КузГТУ для выполнения лабораторных, курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались и получили одобрение на: Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г.Москва, ИГД им.А.А.Скочинского, 1983 г.); областной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г.Кемерово, 1982, 1983 гг.); научном семинаре кафедры горных машин и комплексов Московского государственного горного университета (г.Москва, 1985 г.); Всесоюзной конференции «Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производительных сил Кузбасса» (г.Кемерово, 16-18.05.88 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития технологии и средств бурения» (г.Кемерово, 1995 г.); научно-практической конференции (г.Кемерово, 12-14.11.96 г.); научном семинаре

22

ИУУ СО РАН (г.Кемерово, 2000 г.); ежегодных научных конференциях Куз басекого государственного технического университета (г.Кемерово, 1983 2000 гг.).

Выводы

1.Разрушение твердых включений и породных прослойков исполнительными органами с дисковыми инструментами всегда осуществляется повторно-блокированным и полусвободным режимами разрушения. Количество зон полусвободных режимов разрушения и величина их протяжения в забое зависят от шага разрушения, глубины внедрения, скорости подачи и диаметра исполнительного органа. Границы зон полусвободных и свободных режимов разрушения ограничены углом поворота исполнительного органа относительно плоскости его движения 27°-30° < ср < 150°-153°.

2.Разработанная методика, основанная на образовании и развитии трещин нормального разрыва в зависимости от расположения в забое, геометрических размеров и прочностных характеристик крепких пород, позволяет проводить инженерные расчеты по оценке разрушения твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

3.Разработанная теория образования и развития магистральных трещин нормального разрыва в процессе циклического нагружения позволила установить следующие области применения исполнительных органов, имеющих два дисковых инструмента в линии резания:

-все разработанные конструкции исполнительных органов с дисковыми инструментами применимы для разрушения твердых включений, имеющих длину, меньшую 0,35 м;

-разрушение породных прослойков мощностью ш< 0,4-0,9 м в центральной части исполнительного органа очистного комбайна возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения;

-разрушение породных прослойков мощностью т< 0,4-0,5 м в центральной части исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения.

4.Методикой установлено, что исполнительные органы очистного комбайна с дисковыми инструментами эффективно разрушают:

-в условиях Кузнецкого угольного бассейна породные прослойки мощностью m < 0,20-0,26 м и твердые включения, когда мощность и длина m= L< 0,18-0,24 м;

-в условиях ш. «Кызыл-Кумская» породные прослойки мощностью m < 0,26-0,30 м и твердые включения m= L< 0,24 - 0,30 м.

5.Методикой установлено, что исполнительные органы проходческого комбайна избирательного действия с дисковыми инструментами эффективно разрушают в условиях месторождений Восточного рудоуправления и ш/у «Кок-Янгак»:

-породные прослойки мощностью m < 0,4-0,5 м;

-твердые включения, когда мощность и длина m = L< 0,35 м;

-твердые включения, расположенные на почве выработки, мощностью m < 0,2 м и длиной L >0,13 м.

6.Методика выбора конструктивных и режимных параметров исполнительных органов с дисковыми инструментами, основанная на образовании и

494 направленном развитии магистральных трещин нормального разрыва, подтверждена результатами производственных исследований исполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, при проведении очистных и проходческих выработок на пластах сложного строения, имеющих различные геометрические и прочностные параметры твердых включений и породных прослойков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании фундаментальных и экспериментальных исследований разработаны теоретические положения разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва в процессе циклического нагружения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в развитии научных основ взаимодействия исполнительных органов с разрушаемым горным массивом.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные научные результаты и выводы:

1 .Производственные исследования рабочих органов с дисковыми инструментами в очистных забоях установили существование опережающих трещин до 1,2 м в породных прослойках и твердых включениях, а проведенный анализ лабораторных работ установил, что циклическое нагружение крепких горных пород в 10 раз снижает удельные энергозатраты по сравнению со свободным режимом разрушения. Создание теории разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва в процессе циклического нагружения позволит осуществить на ее основе выбор конструктивных и режимных параметров инструментов и исполнительных органов для отработки пластов сложного строения.

2.Разработанные дискретные модели зернистых крепких пород с плотной упаковкой зерен и реализованные в виде программ на ЭВМ позволили получить механизм образования, объединения и слияния микротрещин в зависимости от угла заострения инструментов, диаметра зерна, физико-механических характеристик зерен и цементирующего вещества. Угол заострения инструмента на стадии образования микротрещин по границам зерен пород оказывает влияние на величину и картину раскрытия микротрещин по границам зерен пород. Инструменты с углами заострения 90° < ф < 180° образуют ядро уплотнения под лезвием инструмента, состоящее из зерен с нарушенными по их границе связями, боковые микротрещины и микротрещины перед уплотненным ядром. Инструменты с углами заострения 30° < ф <45° образуют систему медианных микротрещин, берущих свое начало от лезвия инструмента в глубь породы. Инструменты, для которых угол заострения ф < 30°, образуют медианные трещины, длины которых зависят от диаметра зерна материала и угла заострения инструмента. Все это справедливо для произвольного размера зерна и физико-механических свойств цемента, скрепляющего зерна крепких пород. Изменение диаметра зерна материала и упругих свойств цементного заполнителя не изменяют картину образования микротрещин. Величина раскрытия микротрещин по границам зерен материала зависит от упругих свойств цементного заполнителя микротрещин и диаметра зерна материала. Увеличение диаметра зерна материала увеличивает раскрытие микротрещин и уменьшает прочность зернистого материала.

3.Разработанные модели плоской деформации роста микротрещин нормального разрыва в крепких породах от воздействия клиновых инструментов, имеющих коническую, асимметричную и симметричную формы, включают в себя: нагрузки на инструменте, длину микротрещины, коэффициент интенсивности напряжений первого рода и угол заострения инструментов. Микротрещины, образованные от воздействия клиновых инструментов, развиваются устойчивым образом по границам зерен крепких пород.

4.Разработанные объемные модели развития магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах от воздействия конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов включают в себя: нагрузки на оси дискового инструмента, геометрию инструмента, площадь трещины, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород. Трещины нормального разрыва, образованные в крепких породах под лезвием дисковых инструментов, имеют устойчивый и неустойчивый характер развития. Берега трещины нормального разрыва от воздействия дисковых инструментов с углами заострения, меньших 45°, раскрываются под действием только нормальных напряжений. Нагрузка на дисковых инструментах в процессе развития устойчивых трещин нормального разрыва зависит от площади трещины, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород, углов заострения инструментов и шага разрушения.

5.Разработанные критерии перехода устойчивых трещин в неустойчивое состояние под лезвием конических и асимметричных дисковых инструментов в процессе циклического нагружения зависят от углов заострения дисковых инструментов и шага разрушения. Направления развития магистральных неустойчивых трещин в процессе циклического нагружения зависят от угла заострения дисковых инструментов, шага разрушения и высоты обнажения свободной боковой поверхности. Длина неустойчивых магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах без учета боковых свободных поверхностей стабилизируется в пределах 0,35 м. Установлен масштабный эффект, который возникает при разрушении твердых включений, имеющих ограниченную длину Ь< 0,35 м.

6.Разработанная модель скоростного контакта инструментов с горными породами на основе метода граничных элементов с вязкопластическими деформациями в объемной постановке позволяет определять скорости дисковых инструментов в процессе их перемещения по разрушаемым горным породам. Разработанная модель скорости движения дискового инструмента по разрушаемой породе позволяет прогнозировать временные интервалы, в пределах которых осуществляется образование осколков горной породы под лезвием дисковых инструментов. Скорость движения дискового инструмента по разрушаемой горной породе прямо пропорционально зависит от начальной скорости контакта и ограничена прочностью породы и глубиной внедрения. Прочность горной породы является предельной характеристикой, которая ограничивает глубину внедрения дискового инструмента в процессе его движения по разрушаемому материалу.

Установлено, что процесс развития устойчивых трещин при циклическом нагружении в крепких породах носит усталостный характер. Время роста устойчивых магистральных трещин до неустойчивого состояния в крепких породах под лезвием дисковых инструментов на два порядка превышает время образования боковых поверхностных трещин.

7.Разработанный метод расчета скорости развития устойчивых усталостных трещин в крепких породах позволяет проводить инженерные расчеты скорости развития устойчивых усталостных трещин в крепких породах в процессе циклического нагружения горных пород дисковыми инструментами и выбирать рациональные геометрические и режимные параметры дисковых инструментов в зависимости от геометрических и прочностных характеристик крепких пород.

Установлено, что скорость роста усталостных трещин в породных прослойках имеет прямую пропорциональность от размаха циклической нагрузки и обратную пропорциональность от коэффициента интенсивности напряжений первого рода. Возрастание прочности горных пород приводит к уменьшению скорости роста усталостных трещин нормального разрыва. Скорость усталостных трещин зависит от мощности породного прослойка, мощности и длины твердого включения.

8.Разработанный метод расчета нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких горных пород трещинами нормального разрыва, включающий в себя объемные геометрические размеры трещин, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород и геометрические параметры дисковых инструментов, позволяет проводить инженерные расчеты усилий на дисковых инструментах очистных и проходческих комбайнов и выбирать рациональные геометрические и режимные параметры дисковых инструментов.

-для эффективного разрушения пород трещинами нормального разрыва при циклическом нагружении горных пород необходимо применять конические дисковые инструменты диаметром D= 0,24- 0,28 м с углами заострения ф = 40° - 45° и задними углами у = 10° - 12°;

-для эффективного разрушения пород трещинами нормального разрыва в условиях уступного режима разрушения при циклическом нагружении горных пород необходимо применять конические дисковые инструменты диаметром D= 0,16- 0,2 м с углами заострения ф = 35° - 40°.

9.Суммарная глубина внедрения дискового инструмента, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины переходит в неустойчивое состояние, есть функциональная зависимость, включающая в себя геометрические размеры твердых включений и породных прослойков и максимальную величину устойчивой трещины, размер которой зависит от шага разрушения и угла заострения дискового инструмента.

Разработанная теория образования и развития магистральных трещин нормального разрыва под лезвием дисковых инструментов с минимальными энергозатратами позволяет прогнозировать развития магистральных трещин в твердых включениях и породных прослойках в зависимости от геометрических, прочностных характеристик горных пород, геометрической формы дисковых инструментов, режимных параметров - шага разрушения и глубины внедрения и величины размаха циклической нагрузки, зависящей от величины подачи дискового инструмента.

Время, в течение которого устойчивая трещина, достигнув максимальной величины, переходит в неустойчивое состояние в процессе циклического нагружения крепких горных пород, зависит от геометрических, кинематических и режимных параметров дисковых инструментов, геометрических и прочностных свойств твердых включений и породных прослойков.

10.Разработанная методика, основанная на образовании и развитии трещин нормального разрыва в зависимости от расположения в забое, reoметрических размеров и прочностных характеристик крепких пород, позволяет проводить инженерные расчеты по оценке разрушения твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Разработанная теория образования и развития магистральных трещин нормального разрыва в процессе циклического нагружения позволила установить следующие области применения исполнительных органов, имеющих два дисковых инструмента в линии резания:

-все разработанные конструкции исполнительных органов с дисковыми инструментами применимы для разрушения твердых включений, имеющих длину, меньшую 0,35 м;

-разрушение породных прослойков мощностью т< 0,4-0,9 м в центральной части исполнительного органа очистного комбайна возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения;

-разрушение породных прослойков мощностью ш< 0,4-0,5 м в центральной части исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения.

Установлено, что исполнительные органы очистного комбайна с дисковыми инструментами эффективно разрушают:

- в условиях Кузнецкого угольного бассейна породные прослойки мощностью т < 0,20 - 0,26 м и твердые включения, когда мощность и длина ш-Ь< 0,18-0,24 м;

501

Установлено, что исполнительные органы проходческого комбайна избирательного действия с дисковыми инструментами эффективно разрушают в условиях месторождений Восточного рудоуправления и ш/у «Кок-Янгак»: -породные прослойки мощностью m < 0,4 - 0,5 м; -твердые включения, когда мощность и длина m= L< 0,35 м; -твердые включения, расположенные на почве выработки, мощностью m < 0,2 м и длиной L > 0,13 м.

11 .Методика выбора конструктивных и режимных параметров исполнительных органов с дисковыми инструментами, основанная на образовании и направленном развитии магистральных трещин нормального разрыва, подтверждена результатами производственных исследований исполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, при проведении очистных и проходческих выработок на пластах сложного строения, имеющих различные геометрические и прочностные параметры твердых включений и породных прослойков.

1.Федунец Б.И., Симонов В.М. Эффективность отработки пологих пла-стов.-М.:Недра, 1982.-177 с.

2. Кундыш М.Ф., Баронская Э.И. Методы оценки свойств угольных пластов сложного строения.-М.:Наука, 1980.-144 с.

3. Болдырев П.И. Исследование и прогнозирование показателей сопротивляемости разрушению углей Кузнецкого бассейна: Дис. . канд.техн.наук.-Кемерово,1975.- 177 с.

4. Нестеров В.И. Экспериментально-теоретические основы повышения качества процесса взаимодействия рабочих органов очистных комбайнов с разрушаемым массивом: Дис. . докт.техн.наук.-Кемерово,1989.- 410 с.

5. Опыт разработки песчано-глинистых пластов с твердыми включениями/А.Н.Коршунов, Д.Ф.Ревский, В.И.Нестеров и др.//Горный журнал.-1984.-№4.-С.36-39.

6. Линник Ю.Н. Основы расчета надежности и эффективности функционирования шнеков исполнительных органов угледобывающих комбайнов в различных условиях эксплуатации: Дис. . докт.техн.наук.-Москва,1991.-588 с.

7. Логов А.Б., Герике Б.Л., Раскин А.Б. Механическое разрушение крепких горных пород.-Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние,1989.-141 с.

8. Лизункин В.М., Герике Б.Л., Уцын Ю.Б. Механизированная подземная разработка крепких руд маломощных месторождений.- Чита: Чит-ГТУД999.-238 с.

9. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород. Справочное пособие/М.М.Протодъяконов, Р.И.Тедер, Е.И.Ильницкая и др.- М.:Недра,1981.-192 с.

10. Кусов Н.Ф., Мохначев М.П., Норов Ю.Д. Прочность горных пород при сжатии в условиях пульсирующего нагружения//ФТПРПИ.-1985.-№5.-С.108-109.

11. Герике Б.Л. Разрушение крепких горных пород дисковым скалывающим инструментом очистных комбайнов: Дис. . докт.техн.наук /ИУ СО АН СССР.-Кемерово, 1991.-393 с.

12. М.Безгубов А.П. Влияние высоты уступа и подачи дисковой шарошки на показатели процесса разрушения//Научные сообщения/ИГД им.А.А.Скочинского.-М.,1981.-Вып.197.-С.49-53.

13. Крапивин М.Г., Раков И Л., Сысоев Н.И. Горные инструменты.-М.:Недра, 1990.-256 с.

14. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Разрушение агрегированными инструментами/Л.И.Барон, Л.Б.Глатман, Ю.Н.Козлов, И.И.Мельников.-М.:Наука, 1977.-160 с.

15. Глатман Л.Б., Яшина Л.С. К методике испытаний горных пород на статическое откалывание//Научные сообщения/ИГД им.А.А.Скочинского.-М.,1982.-Вып.207.-С.46-50.

16. Дергач К.Ф., Ангелов С.И., Крапивин М.Г. Исследования работы дисковых шарошек проходческого комбайна для пород средней крепо-сти//Шахтное строительство.-1967.-№12.-С.9-12.

17. Безгубов Л.П. Установление рациональных параметров процесса разрушения горных пород дисковыми шарошками в уступном забое. Авто-реф. дис. . канд.техн.наук.-Москва,1982.- 16 с.

18. Томашевская И.С., Хамидуллин Я.Н. Возможность предсказания момента разрушения образцов горных пород на основе флуктуационного механизма роста трещин//Докл.АН СССР.-1972.-Т.207, №3.-С.580-582.

19. Журков С.Н., Куксенко B.C., Петров В.А. Физические основы прогнозирования механического разрушения//Докл.АН СССР.-1981.-Т.259, №6.-С.1350-1353.

20. Куксенко B.C., Инжеваткин И.Е., Манжиков Б.Ц., Станчиц С.А., То-милин Н.Г., Фролов Д.И. Физические и методические основы прогнозирования горных ударов//ФТПРПИ.-1987.-№ 1 .-С.9-22.

21. Пимонов А.Г., Иванов В.В. Имитационная модель процесса трещи-нообразования в очагах разрушения горных пород//ФТПРПИ.-1990.-№3.-С.34-37.

22. Иванов В.В., Егоров П.В., Пимонов А.Г. Статистическая теория эмиссионных процессов в нагруженных структурно- неоднородных горных породах и задача прогнозирования динамических явлений//ФТПРПИ.-1990.-№4.-С.59-65.

23. Статистическое моделирование и прогноз разрушения горных пород в очагах горных ударов/А.Г.Пимонов, П.В.Егоров, В.В.Иванов и др.-Кемерово, 1997.-177 с.

24. Чернов О.И., Клишин В.И. Нетрадиционные способы и средства разрушения прочных горных пород растягивающими усилиями //Механика горных пород. Горное и строительное машиноведение. Технология горных работ: Сб.науч.трудов.-Новосибирск, 1993 .-С. 149-152.

25. Шерман С.И. Сдвиги и трансформные разломы литосферы (тектоно-физический анализ проблемы)//Проблемы разломной тектоники.-Новосибирск :Наука, 1981 .-С. 5-25.

26. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разруше-ния.-М.:Наука,1989.-224 с.

27. Lawn B.R., Wilshaw T.R. Indentation fracture: principles and applica-tion//J.Mater.Sci.-1975.-V. 10, №6.-P. 1049-1081.

28. Evans A.G., Wilshaw T.R. Quasi-static solid particle damage in brittle solids//Acta Met.-1976.-V.24, №10.-P.939-956.

29. Hagan J.T., Swain M.V., Field J.E. Nucleation of medium and lateral cracks around Vikers indentations in sodalime glass//NBC SP.-1979.-№562.-P. 15-21.

30. Palmqvist S. Rissbildungsarbeit bei Vikers-FindrÜcken als Mass für die Zähigkei von Hartmetallen// Arch.Eisen hüttenwes.-1962. Bd 33, №9.-S.629-634.

31. Palmqvist S. Die Rissbildungsarbeit als Mass für die Zähigkeit von Hartmetallen// Jerukoutorets Ann.-1963.-Bd 147, №1.-S. 107-110.

32. Wilshaw T.R. The Hertzian fracture test// J.Phys.D: Appl.Phys.-1971.-V.4,№10.-P. 1567-1581.

33. Roesler F.C. Brittle fractures near equilibrium// Proc.Phys.Soc.,Sec.B.-1956.-V.69, Pt.10, № 442.-P.981-992.

34. Lawn B.R., Evaus A.G. A model for crack initiation in elastic-plastic indentation fields// J.Mater.Sei;-1977.-V. 12, №11.- P.2195-2199.

35. Niihara K.A. A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics// J.Mater.Sci.Lett.-1983.-V.2, №5.-P.221-223.

36. Marshall D.B., Lawn B.R., Evans A.G. Elastic-plastic indentation damage in ceramics: the lateral crack system// J.Amer. Ceram., Soc.-1982.-V.65, №11.-P.561-566.

37. Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бу-рения.-М.:Недра, 1987.-3 08 с.

38. Введение в механику скальных пород/ Д.Х.Троллоп, Х.Бок, Б.С.Бест и др.-М. Мир, 1983 .-276 с.43 .Механическое разрушение горных пород комбинированным способом/А.Ф.Кичигин, С.Н.Игнатов, А.Г.Лазуткин и др.-М.:Недра, 1972.-256 с.

39. Разрушение горных пород комбинированными исполнительными органами/ Ю.Л.Худин, Л.Д.Маркман, Ж.П.Вареха и др.-М.:Недра, 1978.-224 с.

40. Виттке В. Механика скальных пород.-М.:Недра, 1990.-439 с.

41. Вылегжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашов В.И. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов.-Новосибирск: Наука, 1990.-291 с.

42. Чернышев С.Н. Трещиноватость горных пород и ее влияние на устойчивость откосов.-М.:Недра, 1984.-109 с.

43. Trollope D.H. The mechanics of discontinua or elastic mechanics in rock problems.-In:Stagg K.G. and Zienkiewicz O.C. (eds): Rock mechanics in engineering practice, 275-320, New York (Wiley), 1968.

44. Baker L.L. Acriterion of concrete failure// Proc. Inst.Civil End.-1970.-№>45.-P.269-278.

45. Taylor M.A., Jain A.K., Ramey M.R. Path-dependent biaxial compressive testing of an all-lightweight aggregate concrete// J.Am.Conc. Inst.-1972.-№69.-P.758-764.

46. Trollope D.H. Fracture and Failure of rock material.-Vacation School in Rock Mech.Univ.College of Towusville,1969.

47. Brown E.T., Hudson J.A., Hardy M.P., Fairhurst C. Controlled failure of hollow rock Cylinders in uniaxial compression// Rock Mech.-1972.-№4.-P.l-24.

48. Burman B.C. A numerical approach to the mecanics of discontinua// Rh.D.Thesis, James Cook Univ.- 1971.-P.383.

49. Keh A.S. Dislocation in indented magnesium oxide crystals// J.Appl.Phys.-1960.-V.31, №9.-P. 153 8-1545.

50. Иванова B.C. Разрушение металлов.-М.:Металлургия,1979.-168 с.

51. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов/ Под ред.

52. B.С.Ивановой.-М.:Наука, 1965.-180 с.

53. Hagan J.T., Swain M.V. The origin of median and lateral cracks around plastic indents in brittle solids// J.Phys. D.: Appl.Phys.-1978.-V.l 1, №15.-P.2091-2103.

54. Chiang S.S., Marshall D.B., Evans A.G. The responce of solids to elastic-plastic indentation. Fracture initiation// J.Appl.Phys.-1982.-V.53, №1.-P.312-317.

55. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Романова JI.M. Микроразрушение зернистых пород клиновыми инструментами/ Кузбас.гос.техн.ун-т.-Кемерово, 1997.-38 с.-Деп. в ВИНИТИ 05.02.97, №306 в 97.

56. Полкунов Ю.Г., Романова JI.M. Математическая модель зернистых горных пород при контактных видах разрушения// Вестн.КузГТУ.-1999.-№2.1. C.9-12.

57. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела.-М. Мир, 1987.-328 с.

58. Картавый Н.Г. Исследование процесса разрушения угля многорезцовым стругом. Автореф.дис. . канд.техн.наук.-М.:МГИ, 1960.-20 с.

59. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов.-М.:Недра, 1982.-350 с.бб.Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разруше-ния.-М.:Наука, 1985.-504 с.

60. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения.-М.:Наука,1974.640 с.

61. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения.-М.:Наука, 1980.-256 с.

62. Алексеев А.Д., Недодаев Н.В. Предельное состояние горных пород.-Киев:Наукова думка, 1982.-200 с.

63. Черепанов Г.П. Некоторые вопросы разрушения хрупких пород при сжатии/ Проблемы механики горных пород.-Алма-Ата,1966.-С.433-440.

64. Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей.-М.:Высшая школа, 1991.-288 с.

65. Evans A.G., Wilshaw T.R. Quasi-static solid particle damage in brittle solids// Acta Met.-1976.-V.24, №10.-P.939-956.

66. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Разрушение горных пород трещинами нормального разрыва// Вестн.КузГТУ.-1997.-№1.-С.9-13.

67. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Разрушение твердых включений трещинами нормального разрыва// Вестн.КузГТУ.-1998.-№6.-С.64-66.

68. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Прогнозирование разрушения крепких горных пород при циклическом воздействии коническими дисковыми ин-струментами//Известия вузов. Горный журнал.-1999.-№3-4.-С.26-28.

69. Sikarskie D.L., Altiero NJ. The formation of chips in the penetration of elastic-brittle materials (rock)// J.Appl.Mech.-1973.-№40.-P.791-798.

70. Altiero N.J., Sikarskie D.L. Fracture initiation in elastic brittle materials having non-linear fracture envelopes// Intern. J. Fracture.-1975.-№ 11.-P.431-440.

71. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Соколова E.K., Прейс Е.В. Прогнозирование сортности продуктов разрушения дисковыми инструментами// Механизация горных работ: Сб.науч.тр./Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово,1992.-С.56-61.

72. Прочность при малом числе циклов нагружения. Вопросы механической усталости/ Отв.ред.акад.С.В.Саренсен.-М.:Наука, 1969.-257 с.

73. Никифоровский B.C., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел.-Новосибирск: Наука, 1979.-272 с.

74. Писаренко Г.С, Лебедев A.A. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии.-Киев: Наукова думка, 1976.-415 с.

75. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Метод граничных элементов в прикладных науках.-М.:Мир, 1984.- 494 с.

76. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород.-М.:Недра, 1979.-304 с.

77. Филоненко-Бородич М.М. Механические теории прочности.-М.: Изд-во МГУ, 1961.-92 с.

78. Чирков С.Е. Прочность горных пород при трехосном неравнокомпо-нентном сжатии// ФТПРПИ.-1976.-№1.-С.11-17.

79. Нестеров В.И., Герике Б.Л., Шанин A.C. К исследованию процесса разрушения дисковыми шарошками// Механизация горных работ: Сб.науч.тр.-Кемерово, 1975 .-С.32-37.

80. Информ.листок №132-83. Тензометрическая головка/В.Н.Вернер, Е.К.Соколова, Ю.Г.Полкунов, А.А.Силкин, В.Н.Жигалов.-Кемерово: ЦНТИ, 1983.-3 с.

81. Свойства горных пород и методы их определения/ Е.И.Ильницкая, Р.И.Тедер, Е.С.Ватолин, М.Ф.Кундыш; Под ред. М.М.Протодъяконова.-М.:Недра, 1969.-391 с.

82. Барон Л.И. Коэффициенты крепости горных пород.-М.:Наука,1972,175 с.

83. Прочность и деформируемость горных пород/ Ю.М.Карташов, Б.В.Матвеев, Г.В.Михеев, А.Б.Фадеев.-М.:Недра, 1979.-269 с.

84. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы планирования эксперимента.-М.:Мир,1981.-520 с.

85. Полкунов Ю.Г., Романова JI.M. Напряженное состояние четверти пространства от воздействия единичной распределенной нагрузки/ Куз-бас.политехи.ин-т.-Кемерово, 1990.-13 с. -Деп. в ВИНИТИ 26.07.90, № 4200- С. 90.

86. Полкунов Ю.Г., Романова JI.M. Влияние высоты боковой поверхности уступа на объем его разрушения при механическом воздействии/ Куз-бас.политехн.ин-т.-Кемерово, 1990.- 7 с. -Деп. в ВИНИТИ 03.04.90, № 1790- в 90.

87. Полкунов Ю.Г., Романова JI.M. О рациональном разрушении выступа двумя взаимно перпендикулярными усилиями/Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово,1990.- 12 с. -Деп. в ВИНИТИ 03.04.90, № 1789 в 90.

88. Полкунов Ю.Г., Романова JI.M., Кузнецов В.В. Прогнозирование удельных энергозатрат при уступной схеме разрушения пород дисковым ин-струментом/Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово,1991-12 с. Деп. в ВИНИТИ 23.09.91, №3764-в 91.

89. Полкунов Ю.Г., Соколова Е.К., Романова Л.М. Прогнозирование удельных энергозатрат на разрушение дисковым инструмен-том/Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово, 1991 Деп. в ВИНИТИ 04.07.91, № 2872- в 91.

90. Галин Л.А., Черепанов Г.П. О самоподдерживающемся разрушении напряженного хрупкого тела//Докл.АН СССР,-1966.-Т. 167, №3.-С.543-546.

91. Tawn B.R., Evans A.G., Marshall D.B. Elastic/plastic indentation damage in caramics: the median/radial crack system// J.Amer.Ceram.Soc.-1980.-V.63, №9-10.-P.574-581.

92. Полкунов Ю.Г., Романова JI.M. Влияние взаимного расположения конических дисковых инструментов на местообразование макротрещин в массиве/Кузбас.гос.техн.ун-т.-Кемерово, 1995.-8 е.- Деп. в ВИНИТИ 04.05.95, № 1229-С. 95.

93. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Хорешок А.А„ Романова JIM. Установление зон растягивающих напряжений в массиве под воздействием дисковых инструментов// Изв.вузов.Горный журнал.-1997.-№ 1-2.-С. 105-108.

94. Юб.Нестеров В.И., Жигалов В.Н., Полкунов Ю.Г., Силкин A.A., Вернер В.Н. Экспериментальные исследования разрушения горного массива дисковой шарошкой/ Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово, 1984.-8 е.- Деп. в ЦНИЭИуголь 23.01.84, № 2863.

95. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Влияние геометрических и режимных параметров дисковой шарошки на образование поверхности разрушения// Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр./ Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово, 1986.-С.5-8.

96. Вернер В.Н., Полкунов Ю.Г., Соколова Е.К., Хорешок A.A. Экспериментально-теоретические предпосылки прогнозирования крупности кусков при разрушении массива дисковым инструментом// Изв.вузов.Горный жур-нал.-1991.-№4.-С.99-102.

97. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Соколова Е.К., Прейс Е.В. Прогнозирование сортности продуктов разрушения дисковыми инструментами// Механизация горных работ: Сб.науч.тр./ Кузбас.политехн.ин-т.-Кемерово,1992.-С.56-61.

98. Ю.Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г., Хорешок A.A., Соколова Е.К. Качественная оценка крупности кусков при разрушении массива дисковыми инструментами// Изв.вузов.Горный журнал.-1997.-№ 7-8.-С.118-120.

99. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Развитие усталостных трещин в крепких породах в процессе циклического нагружения их дисковыми инструментами// Вестн.КузГТУ.-2000.-№ 2.-С.20-23.

100. Нестеров В.И., Полкунов Ю.Г. Один из вариантов метода граничных элементов для решения контактных задач механики разрушения// Вестн.КузГТУ.-1999.-№ 6.-С.4-8.

101. Миллер К. Ползучесть и разрушение.-М.Металлургия, 1986.-120 с.

102. Левушкин Л.Н. Исследование влияния строения горных пород с анизотропными составляющими на их механические свойства. Автореф. дис. . канд.техн.наук.-Москва,1972.- 25 с.

103. Хорибе Т., Кобаяси Р. Механические характеристики горных пород при различной скорости нагрузки// Дзайре.-1965.-Т.14, № 141.-С.498-506.

104. Пб.Кобаяси Р. Механические свойства горных пород под действием высокоскоростной нагрузки// Нихон коге кайси.-1969.-Т.85, №939.-С.911-916.

105. Лодус Е.В. Влияние вида напряженного состояния и скорости деформации на механические свойства пород, определяющие их склонность к динамическим явлениям. Автореф. дис. . канд.техн.наук.-Ленинград, 1978.25 с.

106. Павлова Н.Н., Шрейнер JI.A. Разрушение горных пород при динамическом нагружении.-М.:Недра,1964.- 160 с.

107. Мансуров В.А. Исследование физических особенностей деформирования и разрушения горных пород в квазистатическом диапазоне скоростей нагружения. Автореф. дис. . канд.техн.наук.-Фрунзе,1975.- 25 с.

108. Рыжов Э.В., Колесников Ю.В., Суслов А.Г. Контактирование твердых тел при статических и динамических нагрузках.-Киев: Наукова думка, 1982,-172 с.

109. Храповатый Н.Г. Разрушение твердых тел ударом// Прочность и надежность элементов конструкций.-Киев: Наукова думка, 1982.-С. 145-150.

110. Эванс А.Г., Ленгдон Т.Г. Конструкционная керамика.-М. Металлургия, 1980.-256 с.

111. Engel P.A. Impact Wear of Materials.-Amsterdam, Oxford, New York:Elsevrier Scientific publishing company, 1976.-340 p.

112. Hutchings I.M. Strain rate effects in microparticle impact// J.Phys. D: Appl.Phys.-1977.-V.10, №14,- P.179-184.

113. Мохначев М.П., Присташ B.B. Динамическая прочность горных по-род.-М.:Наука,1982.-141 с.

114. Tabor D. A simple theory of static and dynamic hardness// Prac. Roy. Soc., hond., Ser.A.-1948.-V. 192.-P.247-274.

115. Торопов Г.В.Скорость деформации при ударе// ФТПРПИ.-1979.-№1.-С.49-56.

116. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия.-М.Мир, 1989.510 с.

117. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение.-М. Мир, 1984.-624 с.

118. Hoeppner D.W., Krupp W.E. Prediction of Component Life by Application of Fatique crack Growth Knowledge// Engineering Fracture Machanics.-1974.-№6.-P.47-70.

119. Пэрис P.C., Эрдоган Ф.А. Критический анализ законов распределения трещин// Техническая механика. Труды американского общества инженеров-механиков, серия Д.-1963.-Т.85, №4.-С.60-68.

120. Соколова Е.К. Установление нагруженности дискового скалывающего инструмента шнековых исполнительных органов выемочных машин. Автореф. дис. . канд.техн.наук.-Кемерово,1984.-16 с.

121. Нестеров В.И., Хорешок A.A., Полкунов Ю.Г. Особенности процесса разрушения исполнительным органом с дисковыми шарошками// Механизация горных работ: Межвуз.сб.науч.тр./ Кузбас.политехи.ин-т.-Кемеро-во,1984.-С.23-28.

122. А.С. 1155742 СССР, МКИ Е 21 С 25/46. Рабочий орган добычного комбайна/ А.Н.Коршунов, В.И.Нестеров, В.Н.Вернер, А.А.Хорешок, Н.Д.Бенюх, А.А.Силкин, В.Н.Жигалов, Ю.Г.Полкунов, Ю.М.Рыскинд.-Опубл. 15.05.85, Бюл. №18.

123. Нестеров В.И., Хорешок A.A., Вернер В.Н., Полкунов Ю.Г. Рабочий орган с дисковыми шарошками/ЦНИИТЭИтяжмаш.-М.: 1989. Сб.09-89-01.

124. А.С. 1280119 СССР, МКИ Е 21 С 25/00. Исполнительный орган добычного комбайна/ В.И.Нестеров, В.Н.Вернер, А.А.Хорешок, В.Н.Жигалов, Ю.Г.Полкунов, Л.М.Демич, И.В.Романенко.-Опубл. 30.12.86, Бюл. №48.

125. Типовая методика приемных испытаний опытных образцов опытных партий очистных комбайнов.- М.: Ин-т горного дела им. А.А.Скочинского, 1978.- 40 с.

126. Фанштейн В.Н., Захаров В.И. Искровзрывобезопасный ваттметр с осциллографической записью// Механизация и автоматизация производственных процессов: Сб.науч.тр. Кузнец.научно-исслед. угольного ин-та,-Прокопь-евск, 1964.-С.23-28.

127. ОСТ 12.47.001-73. Комбайны очистные. Выбор параметров и расчет сил резания и подачи на исполнительных органах. Методика.-М.: Минугле-пром СССР, 1973.-118 с.515

128. Позин Е.З., Меламед В.З., Тон В.В. Разрушение углей выемочными машинами.-М.:Недра,1984.- 288 с.

129. A.C. 1456558 СССР, МКИ Е 21 С 27/02. Исполнительный орган горного комбайна/ В.И.Нестеров, А.А.Силкин, А.А.Хорешок, В.Н.Вернер, Ю.Г.Полкунов.-Опубл.6.02.89, Бюл. №5.