автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Установление нагрузок на дисковой шарошке при разрушении породного массива, ослабленного щелями

' Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Институт горного дела им. А. А. Скочинского

На правах рукописи

Николай Николаевич ПЕТРОВ

УДК 622,232.83,054.051.8(043.;?)

УСТАНОВЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА ДИСКОВОЙ ШАРОШКЕ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ПОРОДНОГО МАССИВА, ОСЛАБЛЕННОГО ЩЕЛЯМИ

Специальность 05.05.06 ~ «Горные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москьа 1992

Ркбота выполнена в Институте горного дела ш. A.A. Ско-чииского.

Научный руководитель -

каяд.тохя.наук С.Л.еагорскйй.

Официальные оппоненты:

докт.техн.наук В.Л.Долгов, канд. техн. наук А.П.Бэвгубов.

Ведущее предприятие - ЦНИИподзешаш.

Автореферат ; дослав "_JLJL" ® ^_1992 г.

Защита диссертации состоится " Д-'З " О Ч 1992 г. в 1 jt ч. на заседании спэциалйвированвого совета K.I35.05.03 ИГД им. А.А.Скотаясхого.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы просим направлять в двух экаешлярах по едрооу: 140004, г.ЛиЗэрш " Московской обл., ИГД т. А.А.Скочипокого.

Ученый секретарь специализированного оовота докт.техн.наук

И.Г.ИЩУК

1

-1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. На отечественянх угодьннх вахтах ежегодно проводится около 6 тыс. км горних выработок. Однако механизированным комбайновым способом в настоящее время проводится только 43% вцработок. Осйьясяязтся это тем, что серийно внпуокавмыэ проходческие комбайны оснащаются резцами и поэтов в состоянии работать только по породам о козф$щвептом крепости но вшга 6 и показателем абразивностп из более 12-15 от. Наряду с увеличением объема вту-ска комбайнов расширяется использование их при проведения выработок по болоа крепким породам. В последнее время било разработало насколько опнтяих конструкций комбайнов, оснащенных дасковшя шарошшла и тхдвцвазтчвптх для проведения выработок во породам, сраднай и вшга средней крепости. Однако разрупшко порода этими комбайна1.« характеризуется значительной удельной энергоемкостью, повышенным пнлвобразованием я затруднено в случаэ вывалов породи. Для устранения этих недостатков необходимо интенсифицировать процесс разрушения .горных пород. Однш из реальиах путей решения этой задачи мог.ат стать предварительное ослабление шеошза щэляот. Щела могут прорезаться абразивяшя деками, внеококалортюи Бодаянма струями, электронными пучками и другими способами, а иежщелзвне целики целесообразно разрушать дисковаки шарошками. Для установления рабочей охеьш царемещояшГ шароаки быд проведан ряд исопериментов на песчанике о пределом прочности па одноосное сжатие 100 Ша. Шарошка имела следующие геометрические параметры ¡диаметр 150 мм, угол заострения 50°, радиус закругления вершиян 2 ш. Глубина целя била равна 20 мм, расстояние между целями 60 а, величина ггодачз 6 им. При качении варошд по гроб ню целика .значение усилий шГ шарошке била в 2,5-3,7 раза мешлза по сравнений" <Г двраж&хнванаем ее по ¡цела. Таким образом, можно сделать еывод, что для разрупеши целиков, ослабленных щелями, качение шарошш со гребнп более рационально. Вела вопроо о законоиерностях яарвзаная щелеЯ имеет . самостоятельное значение я является предметом многочислзншсс доследований в области физических

методов разрушения пород, то работ, посвященных второму из названных продассов, насчитывается буквально единицы, но и в них не раскрыт механизм разрушения, пэ содержится рекомендаций выбору параметров и не дано методики расчета разрушаодих органов проходческих машин, работающих по атому принципу.

Цель»"работы является разработка метода расчета и выбора параметров процесса разрушения мекзделзвых породных ц8лпков дисковыми шарошками для расширения.области применения проходческих комбайнов.,

Основная идея работы состоит в установления сложных взаимосвязей силовых и энергетического параметров и горнотехнических факторов путем математического и физического (натурного) эксперимента.

Методы исследования включала математическое п физичеокоо моделирование на искусственных и естественных материалах, планирование экспериментов, обработку и аныив вкоперимвнталышх данных о применением методов математической статистики, а такие расчета на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем: установлена физическая картина процесса разрушения мешцвлв-бых целиков шаровкой, катяаэйся по грабив. Особенностям процесса является возникновение в целике оперекащей Трещпкы а разрушение его от изгиба или скалывания (в зависимости от парайепг=~ ров целика);

разработана математическая модель процесса разрушения мвжщо-левых целиков дисковой шарошкой,катящейся по гребнэ, позволяющая выполнить качественный анализ зависимости силовых п онергетн-ческого показателей от прочностных свойств пород;

установлены зависимости реакции породы от геометрических параметров инструмента и процесса (толщины целика, глубины щзла, величины подачи).

Практическая ценность состоит в разработке методики расчета процесса разрушения дасяовнмг шарошками породного массива, ослабленного неглубокими щелями,в рекомендаций,по внтекеификащга этого процесса, что позволяет расширить область применения проходческих машн.

На аатитт выносятся результаты исследования физической картины процеоса разрушения иегщелевых целиков иарошой, перекатывающейся по грэбгвз, и математическая ыоделъ этого процесса; зависимости усилий, грякладаваомнх к инструменту, и энергоем-

кости разрушения от прочностных свойств пород, геометрических параметров инструмента и процесса; методика расчета исполнительного органа, разрушаодэго дисковыми шарошками массив, ослаблеп-яый щелями.

Реализация работа. Результаты работы использованы в "Методике расчета основных: параметров и сил яа исполнительном органе комбайна при щелевой схеме разрушения", утвержденной Главным научно-техническим управлением Мивутлвпрома СССР (1989 г.).

Апробация. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались на семинарах в ИГД им.А.А.Скочинского: отделения технология проведения горных выработок (1985 г.), отдела специальных,способов проведения и крепления горных выработок (1985 г.) и проблем разрушения угля и горных пород (1986 г.).

щблщмщц* По результатам исследований опубликовано 5 работ.

Объе^. Диссертация состоит из введения, 5 разделов и общих выводов, изложенных на ИЗ страницах машинописного текста, содержит Ъ & рисунков, 5 таблиц, список литературы из 4 9 наименования и приложения.

СОДЕРЕАЕЙЕ РАБОТЫ

/

В первой главе диссертации рассматривается состояние вопрооа, поставлены задачи исследований. Анализ исследований сплошной и щелевой схем разрушения забоя показывает, что в основу конструкций разрушавших органов комбайнов, выпускавшихся в СССР я работающих по щелевой схема, били заложены главным образом большой- опыт разрушения горных.пород и конструирования, накопленный "л машиностроительной промышленности, но не подкрепленный в достаточной мэрэ результатами теоретических и экспериментальных исследований. Проведенными лабораторным и стендовым исследованиями доказана перспективность использования разруша-вдих органов проходческих машин, работающих по щелевой схеме.

В соответствии с ..поставленными задачами в работе выполнен анализ результато».;.* 'нёучйм. и экспериментальных исследований, проведенных в.: нашей страна;' РУЙежом. Решению отдельных

вопросов, связанных о - изучением процесса разруйония-'"дисковой шарошкой породного -¡аШси-ваг';''лзсдаблаиного щелями, посвящены работы отечественных ученых Д:.Б.Глйтм'ана, В.Г.Мерзлякова, Ю.Г.Ко-няшина, Ю.А.Тмчешсиийп'.&^Д^ГЛеадрякова и др.

Б результате проведенного анализа установлено, что авторы исслэдований ставили перед собой различные дели и задачи, суть которых сводилась к току, чтобы частично восполнить пробел в изучении процесса разрушения целиков дисковой шарошкой и дать возможность хотя бы ориентировочно оценить значение усилий, а также удельных затрат энергии на этот процесс. Вместе с тем из этих исследований не видно, как влияют на величину реакции и на динамичность процесса разрушения параметры режима. Учитывая наличие ряда специфических неизученных вопросов, возникла необходимость в постановке и решении научных задач, обеспечивакщах достижение конечной цели.

Во второй главе обоснована методические особенности проведенных исследований, установлены требования, выбраны измерительно -рз г и с тр ¡! ру гадая аппаратура, вкспериментальное оборудование и способы обработки результатов экспериментов.

В связи со множеством различных сочетаний факторов, определяющих процесс разрушения, били применены математическое планирование, предусматривающее проведение опытов в широком диапазоне изменения факторов, и графо-аяалитячаский анализ получения результатов с использованием методов теории'вероятности в математической статистики.

На стенде, базой которого является продольно-строгальный станок типа 7210, в суппорта закрепляли трозосошолентвай тензо-динамометр ДонУГИ с проволочными датчиками омического сопротивления. В динамометр вставляли различные дисковые ворошки. Щели нарезали переточенным резцом. Образец порода крепился .таскамр на столе продольно-строгального станка.

В качестве измерительно-региотрирувдэй аппаратуры вря проведения ' исследований использовались 8-канадьинй усилитель 8АНЧ-?м с питанием от стабилизированного выпрямителя и 12-шлей-фовый осциллограф Н-П7.

В третьей главо изложены результаты вселадозаяия процесса разрушения мевдыгавых целиков дисковой варовкой, описана математическая модель разрушения я дан ее анализ.

Рабочую гипотезу процесса разрушения целика горной порода, ослабленной щелями, в сбпем вн&е можно наложить слэдувдзм образом.

При приложении к оси, на которой вращается дисковая шарошка, определенного (достаточного) усилия, нормального ^поверхности целика, ее обод внедрится на некоторую глубину. Под вэрииной обода порода будет испытывать напряжения, близкие е напряжениям

целика, что энергетически неприемлемо, так как процесс нарезания щелей характерен крайне высокой удельной энергоемкостью.

Таким образом, в уравнении (2) свойства пород выражены двумя показателями а ёск , а кроме того подразумевается также влияние сопротивления, растяжению й сжатию при образования опере-яшидей трещины, которые в явном виде учесть в математической модели оказалось крайне слом о. Поэтому оптимизация параметров для пород с различными свойствами аналитически весьма затруднительно, более надежно ато^ыожно сделать только на основе натурного эксперимента. Невозможна без натурного эксперимента и оптимизация параметров по энергетическому критерию, который в талом достаточно сложном процесса должен быть одним из основных.

Б четвертой главе приведены результата экспериментальных исследований процесса разрушения дисковой шарошкой породного массива, ослабленного щелями.* Выбор геометрии инструмента на одиночной парояато но производился, так как на основании ранее "проведенных исследований установлено, что разрушение наиболее эффективно при минимальных значениях диаметра шарошки, угла его заострения и радиуса, закругления "вершин. Ограничения диктуются размерами^опоры и прочностью обода.

Для разработки инженерной иетодика, что является 'целью данной работ, учет всех'показателей свойств горных пород, как ото видно из анализа математической модели, значительно усложнит расчеты. Для решения поставленной шли целесообразно провести ¡экспериментальное определение влияния стандартизированных показателей свойств горных аород на силовые показатели и выбрать один из них как критерий интегральной оценки. Для установления критерия сопротивляемости разрушению бил использован метод парного корреляционного анализа, заклгаапцяйся в отыскании взаимосвязи силовых показателей процесса с каждым из показателей свойств в отдельности:

пределом прочности при одноосном скатяп пределом прочности при одноосном растяжении бр *, коатактной ярочпоэтьи Рк Г~ 'коа®МОТ0НИй "1ф01гос1й' 10ро$6дмк6нй|у7 ■ 8а критерий сопротивляемости породного массива, ослабленного поляки, разрушение дисковой шарошкой было решоно принять показатель"~тбряотЪхтлагшчестзГ свойств! обеспечивавших наиболее тесвув корреляционную связь с силовыми показателями процесса

разрушения. Теснота корреляционных связей оценивалась с помощью коэффициента корреляции и среднеквадрагаческого отклонения экспериментальных значений исследаемого параметра от расчетных. В таблице приведены уравнения связи усилий с горяо-техяологичео-кими свойствами и соответствующие им значения коэффициентов корреляции и среднеквадратических отклонений экспериментальных значений усилий от расчетных.

Для усилия перекатившим Для усилия подачи Дет йодоеого усилия

Формула для определения ,кН Коэф-1 корреляции, Оредяа-квадрат. ояялся. б ,кй Формула для оярэ-далаши* ,-рН Коэф-т корре-адаи, V- Срвднв-квадрат. отклеп, б ,кН Фордула ' для опра-|а.шш| Коаф-5 корреляции. •»> Сред-на-кззад-рат. -отк- лой, б.кя

2,41+, +0,2^« 0,79 0,23 0,56 2.07+ +0,0095^ 0,74 з.ао

2,05+ +0,226, 0,63 0,29 1,17+ +6,916, 0,73- • 0,587 2,63+ ^ 0,66 3,34

2.75+ +6.0СЙР, 0,69 0,2В 4.7+ +6,005^ .0,79. ОЛ'З .• +о,оео7Р, 0,68 э.во

0,71 0,2в 3,21+ +6,69/: _ ода .0,65: 0,71 0,81

Из таблицы ввдо, что для всех усилий, наибольшй коэффициент корреляции обеспечивает оценка крепости порода пределом прочности при одноосном сжатии ёС№..

Таким образом, можно констатировать, что приведенные данные дают достаточные основания для того, чтобы рекомендовать показатель предела прочности при одноосном сжатии с?^ в качестве интегрального критерия сопротивляемости горных пород при разрушении дисковыми шарошками породного массива,ослабленного щелями.

Как говорилось выше (при анализа математической модели), оптимизация силовых и энергетического параметров возможна только на основании натурного экспериментирования. Поэтому были проведены исследования влияния толщины целика,глубины ¡цела и величины подачп инструмента на песчанике с пределом прочности при одноосном сжатии 90,9 Ша. Он разрушался шарошкой диаметром 150 им о утлом заострения 50° и радиусом закругления вершины 2 ш. Эксперименты осуществлялись ■ при увеличении толщина целика от 2? до 30 мм при рооте величины подачи от 2 до 3 ш. Глубина щала 10

(расстояние по нормали к поверхности разрушения между вершиной шзроаки и дном щели) изменялась от -5 до +38 мм. Графики показывают, что во всех случаях усилия растут прямолинейно.

Установлено, что силовые составлящие по мере увеличения глубины щели снижаются по гэтерболе. Резкое снижение усилий наблюдается до глубины щели 15-25 мм. В дальнейшем нагрузка постепенно стабилизируется, а затем даже несколько возрастает. Это объясняется тем, что щели не только ослабляют массив, но я усиливает роль неоднородной макротращквговагости, а последнее обстоятельство вызывает рост боковых усилий.

Удельная энергоемкость процесса при механическом разругавши падаот до величины подачи таротга 5-7 мм и толяины целика 50-70 мм, после чого, как и в случае с глубиной щели, происходит стабилизация процесса.

Для расчета разрушающего органа на прочность и "долговечность необходимо знать вариации условий одиночного инструмента. Установлено, Что при разрушении искусственного блока и песчаника, вариация почти одинаковая, хотя они резко отличаются по прочности. Это объясняется тем, что искусственный блок обладал большей однородностью вещества, но зато и большей макротрещинова-тостыо. У ракушечника трещиковатость наибольшая, поэтому коэффициент вариации вша по усилив перекатывания в 1,5 раза, по усилию подачи "и боковому - в 1,3 раза.'

Для построения методики инженерных расчетов необходимо учесть взаимное я одновременное влияние всех факторов на основана силовые я энергетический показатели.

Эксперименты проводились на гранитно-цементных блоках о пределом прочности па одноосное сжатие 44 Ша, согласно матрице планирования о числом факторов К- 5 при варьировании их в диапазоне: к « 2...10 /.-л; Н = 5...40 мм; В - 30...90 мм; f = = 50...120 град; Л = 140...350 мм.

В розультате_акслеримептальннх исследований получены следу-щко' завасймоста для опрадел8'нш 'Ьсновншс"Жршетров шарошки: Рг = 19,6 - 1,4h- 0,09Н - 0,158 - 0,I3f - 0,05В - 0,02ftH + +0,01 HB + 0,002НГ - 0,002НВ+0,OOIHD +0,000403+0,09И2 + - + 0,0007Вг +0,0009^; (5)

Ps = 8Q,6~6,IH-I,5H -0,Iß -0,5у -0,20 + 0,04fcB + + 0,02íiy+0,003!lD+0,OC6HD-0,OOIBD +0,2 Нг+0,002 Вг +0,003у2+ ■ + 0,0002В2; (6)

РК =0,26?t-О,ПН +0,038 +0,02f +0.ÖLD -2,64; (7)

HW=21,54-1,23 ft - 0.35H - 0,12В - ОДу - 0.Q2D +

+0,001НЦ+0,09Пг +0,0008В2 +0,0007f2._____________(8)

Б пятой глава ~ на основании результатов експерЕмантальшг и аналитического исследований разрушения шарошкой породного массива, ослабленного щелями, приведены расчеты исполнительных органов лородоразруиающих машин, работающих по такому принципу. Они легли в основу "Методики расчета основных параметров к сил на исполнительном органа при шалевой схеме разрушения", утвержденной Главным научно-техническим управлением Милуглвярогга СССР (19<59 г.). Исходной информацией для расчета являются: площадь поперечного сечения выработки, производительность машины, данные об организации работ и показателях свойств пород.

Таким образом расчеты, выполненные предложенным методом, показывают достаточную эффективность и перспективность применения способа разрушения меяацелавнх породных целиков - дисковыш шароа-

кш.и! по сравнзш'.ю о бесиблевым способом,-------.-••■--------~~~

Основные выводы

1. Установлено, что способ разрушения народных целглозз, образуемых мваду щелями, диеновыми шарошками, парекатнваощимася по гребням этих целиков, яздагется ншшеаае энергоемким и более стабильным, чем другие способы, i

2. Выявлено, что процесс разрушения могщелавюе цзликов пачз-нается о внедрен®'• (вдавливания) шарошки в массив на глубину па менее 2 мм, после чего под действием осевого, усилия подачи обра- . эуется продольная опережающая трещина; внедрение клиновой шарошки формирует боковые уешшя, разрущавцяо целик в обе сторона от трещины.

3. Разработана математическая модель разрушения дасковккл ша-роашами породного мевдвлового целика и получена саотеиа ураваз-1ШЙ, связываыдая величины усилий со свойствами пород,параметрам инструмента и технологии процесса. Ери этом динамику процесса определяет главным образом усилие подачи, усилия перекатившая и боковое вшшоят от усата додачи.

Расчеты о помощь» математической модели показали вполне удовлетворительную сходимость о екеперимзнташшш данш/и (коэффициент вариация - до 20$). , ..

4. Доказано, что разрушение (развал) иеяпцелавюс цзликов дяв-котой шарошкой происходит от язгиба или скалывания в сторону ще-. лей: при отношении глубины щели к толщине целика больше 3,5 раз-ругавюш происходит скалывавшем, яра меньшем - от изгиба, что 12

практически неприемлемо из-за высокой энергоемкости создания глубоких щелей.

5. Экспериментально установлены зависимости показателей процесса разрушения породного массива,ослабленного щелями, (величин усилий и энергоемкости) от прочностных свойств пород, геометрических параметров шарошки и параметров технологии процесса (глубины щели, толщины целика, величины подачи), позволяющие оптимизировать этот процесс; установлена также вариация этих показателей.

Рациональная глубина щели составляет 15-25 мм,толщина целика 50-70 мм, величина подачи 5-7 мм. При дальнейшем увеличении этих параметров выходные показатели существенно не улучшаются, а при уменьшении - быстро ухудшаются (растут удельная энергоемкость и усилия).

6. С учетом полученных рекомендаций разработан метод расчета п алгоритм определения рациональных параметров процесса разрушения дисковой шарошкой породного массива, ослабленного щелями.

"Методика расчета основных параметров 'л сил па исполнительном органе при щелевой схеме разрушения" утверждена Минутле-промом СССР.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Исследование процесса разрушения дисконта шарошками породного массива, ослабленного щелями // Прогрессивная технология, комплексная механизация и автоматизация проведения горных выработок: Науч. сообщ. Вып. 232. / ЙГД ш.А.А.Скочинского.-М., 1984. - с. 20-22.

2. О характере разрушения мешцолевых целиков дисковыми шарошками // Совершенствование горно-подготовительных работ: Науч. оообщ. Вил,241./ ИГД гш.Л.А.Скочинского. - И., 1985. - с.41-45. (соавтор С.Л.Загорский),

3. Влияние режимных параметров на силовые показатели процесса разрушения дисковой шарошкой песчаника, ослабленного щелями // Разрушение углей п горных пород: Науч. сообщ./ ИГД им. А.А.Скочинского. - М., 1988. - с. 52-54.

4. Исследование комбинированного разрушения горных пород концентрированными электронными пучками и дисковыми шарошками П Разрушение углей и горных пород: Науч. сообщ./ ИГД им.А.А.Скочинского. - И., 1989. - с. 80-32. (соавторы А.Ф.Гутзев, С.Л.Загорский, А.В.Ухачев).

'/ то .

5. Разрушив© горных пород о предварительным криогенным ослаблением // Нетрадиционные споообн добычи и использования угля: Науч. еообщ. 1 ИГД им. А.А.Скочинскогс. - И., 1989. -с. 93-98. (соавторы И.А.Левакковский, Г.Б.Кибардииа).

Николай Николаевич Петров

. УСТАНОВЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА. ДИСКОВОЙ ШАРОВКЕ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ПОРОДНОГО МАССИВА, ОСЛАБЛЕННОГО ЩВЯЯШ . .

Авторефер а,т диссертации на оовоканиэ ученой степени кандидата технических наук

Редактор' В. В .Елецкая. Подписано к печати 06.03.92 г. Формат 60x84 1Л6. Бум. мноя. аппаратов. Печать офсетная.

Уч.-изд.л. 0,75. Тирах 100 екэ. Изд. К 9893. Тип. аак. ^Ч

Институт горного дела им. А.А.Скочинского, 140004, г. Люберцы Моск. обл.

Типография Минуглепрома СССР, 140004, г. Люберцы Моск. обл.