Введение к работе
Актуальность темы. Проблема уменьшения энергоемкости и выхо-;а мелких классов руды при разрушении соляных пород относится к і числу важнейших, от решения которой в значительной степени за-:исит эффективность горных работ, снижение потерь калия при добы-:е и переработке, уменьшение негативного воздействия техногенных роцессов на окружающую среду (в частности уменьшение пылеобразо-;ания).
В настоящее время.недостаточно разработаны и физически обос-ованы методы определения аффективных параметров разрушения. Для :х разработки необходимо выполнение определенной программы иссле-дваний, в том числе изучение механизма зарождения и распростра-:ения трещин в литологических разностях соляных пород, характери-ущихся неоднородностью распределения напряжений как из-за их шиминеральности и наличия дефектов структуры, так и из-за лояльного действия нагрузки. Это позволит углубить представления о рироде разрушения среды под воздействием резцового инструмента; определить условия его эффективной работы и на основе полученных анных разработать рекомендации по совершенствованию схемы реза-ия соляных пород исполнительными органами комбайнов. Таким обра-ом, актуальность темы диссертационной работы очевидна.
Тема диссертации соответствует научной направленности работ вфедры РМПИ ИГТУ по проблеме разрушения соляных горных пород.
Цель работы: разработка рациональных параметров резания и етода оценки геометрических параметров резца, обеспечивающих меньшение энергоемкости разрушения и выхода мелких классов руды ри выемке ее комбайнами.
Основная идея заключается в том, что для анализа механизма азрушения, определения локализации и распределения трещин, воз-икающих под воздействием резца в соляной породе, а также для ценки энергоемкости процесса и степени диспергирования впервые спользованы показатели удельной поверхности разрушения и повреж-аемости границ зерен, а также определяемые экспериментально ме-одом индентирования значения трещиностойкости соляных пород, .онкретные значения этих показателей, а также значения энергоем-:ости разрушения и гранулометрического состава руды (по результа-ам стендовых испытаний) являются основанием для выбора глубины и ага схемы перекрестного резания (СПР), а также для оценки опти-
мальных геометрических параметров резца для этой схемы. Задачи исследований:
изучить природные элементы структуры.соляных пород, влияющие на выход мелких классов и энергоемкость разрушения, обосновать количественный критерий оценки разрушения;
разработать метод определения удельной поверхности разрушения ;
исследовать механизм разрушения при динамическом (ударном), статическом и комбинированном воздействии резца на соляные породы;
определить трещиностойкость соляных пород;
провести приближенные к производственным стендовые испытания резания блоков соляных пород двумя типами резцов*клиновым и штыревым,с целью оценки энергоемкости разрушени и выхода мелких классов руды;
обосновать новую схему резания, провести ее стендовые испытания, определить параметры эффективного резания, а также разработать метод оценки оптимальных геометрических параметров резца для новой схемы резания.
Общая методика исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовался комплексный метод исследований, включающий в себя анализ литературных материалов, разработку аппаратуры и методики испытаний, проведение теоретических и экспериментальных, лабораторных и натурных исследований. При обработке экспериментального материала использовались методы математической статистики.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Величина удельной поверхности разрушения позволяет оценить интенсивность трещинообразования вокруг "следа" от резца. Зависимость удельной поверхности разрушения от расстояния до поверхности следа можно аппроксимировать экспоненциальной зависимостью. Параметры аппроксимации зависят от наличия в породе специфических структурных элементов и способов воздействия резца.
-
Клиновый инструмент обеспечивает ориентированный эффект разрушения. Локализация и характер распределения трещин от клинового инструмента в отработанном слое позволяют использовать перекрестную схему резания (с точки зрения уменьшения энергоемкости и выхода мелких классов руды) при толщине стружки 10 мм.
-
Длина трешин между линиями резов, определяющая эффективность разрушения по схеме перекрестного резания, зависит от ширины режущей кромки, угла заострения, трещиностойкости соляной породы и усилия резания, которое, в свою очередь, зависит от глубины и шага резания.
-
При перекрестной схеме резания энергоемкость и содержание мелких классов в отбитой руде меньше, чем при традиционных последовательной и шахматной схемах: отделение стружки идет по техногенным трещинам отработанного слоя.
Достоверность полученных результатов подтверждена статистически обоснованным объемом исследований, проведенных на трех разновидностях соляных пород в широком диапазоне условий нагру-жения; сопоставимостью результатов по определению локализации и плотности поверхностей разрушения после действия резца, полученных при лабораторных и стендовых испытаниях, с данными, полученными в производственных условиях; количественно доказанной связью между наличием в породе флюидных включений и снижением напряжений начала разрушения, а также связью между наличием в породе высокой концентрации граничных поверхностей и увеличением выхода мелких классов; удовлетворительной сходимостью результатов определения трещиностойкости, усилий и энергоемкости разрушения, опубликованных ранее в других работах, с полученными экспериментально в настоящей работе.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
развиты представления о механизме разрушения соляной породы резцом: разрушение может происходить хрупко и по "вязкому" типу; количественно доказано влияние определенных структурных элементов и способов воздействия резца на характер процесса разрушения; определены источники образования мелких классов при резании;
разработана методика определения удельной поверхности разрушения, на основании которой были получены аналитические зависимости плотности поверхностей разрушения вокруг "следа" от резца в лабораторном эксперименте и в производственных условиях;
установлена взаимосвязь между геометрическими параметрами резца, усилиями резания, трешдаостойкостью породы и размерами трещин, возникающих в отработанном слое между линиями резов;
на основании анализа физических закономерностей процесса
- б -
разрушения соляных пород резцом и результатов стендовых испытаний обоснованы и определены рациональные параметры перекрестной схемы резания.
Личный вклад автора: поставлена и решена задача количественного описания процесса разрушения; разработана методика определения удельной поверхности разрушения; проведены лабораторные эксперименты и обработаны результаты измерений по определению удельной поверхности разрушения при одноосном сжатии, статическом, динамическом и комбинированном воздействии резца на образцы соляной породы; проведены фрактографические исследования поверхностей изломов и натурные эксперименты по определению локализации и оценке количества природной мелкозернистой разности в массиве Верхнекамского калийного месторождения; исследована трещи-новатость поверхности забоя и отбитых резцом рабочего органа комбайна породных отдельностей; проведены и обработаны результаты стендовых испытаний и по определению трещиностойкости соляных пород; установлены закономерности разрушения и зависимость размера трещин от геометрических параметров резца и усилия резания; определены глубина и шаг для перекрестной схемы резания. Практическая ценность работы в следующем:
определены конкретные значения вязкости разрушения для га-лита, сильвина и карналлита;
предложен инженерный метод оценки геометрических параметров клинового режущего инструмента для эффективной работы по схеме перекрестного резания;
предложен планиметрический метод, позволяющий прогнозировать соотношение содержания мелких классов в отбитой руде на разных участках шахтного поля.
обоснованы и определены параметры перекрестного резания, обеспечивающие уменьшение энергоемкости и выход мелких классов при одновременном снижении нагрузок на резец.
Реализация результатов диссертационной работы. Научные результаты работы по изучению механизма разрушения соляной породы резцом были переданы в УрО РАН Горного института. Результаты изучения влияния скорости движения резца, структурных особенностей породы и вариантов воздействия резца на возникновение и развитие трещин были использованы для обоснования параметров перекрестного резания. Даны практические рекомендации по использованию резуль-
татов исследования процесса разрушения пород режущим инструментом для совершенствования схем разрушения забоя исполнительными органами проходческо-очистных комбайнов в условиях эксплуатации калийных и соляных месторождений, а также для предварительного отбора резцов. Результаты экспериментальных исследований использованы при постановке нового типа задач.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной школе "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" Сг.Симферополь, 1987г.), на научно-технической конференции "Комплексное освоение недр и охрана окружающей среды" (г.Пермь, 1987г.), на областной научно-технической конференции "Комплексное освоение недр Западного Урала" (г.Пермь, 1988г.), на областной научно-технической конференции "Научно-технические и социальные проблемы развития Уральского Нечерноземья" (г.Пермь, 1989г.), на II Республиканской научно-технической конференции "Проблемы безопасной разработки калийных месторождений" (г.Солигорск 1990г.), на X Всесоюзной научной конференции ВУЗов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Физические процессы горного производства" (г.Москва, 1991г.), на научных семинарах ГЙУрО РАН и кафедры РМІШ ПГТУ (г.Пермь).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ. Ряд работ написан в соавторстве. Основными соавторами диссертанта являются доктор технических наук, профессор В.Г.Зильбершмидт и научные консультанты: кандидат технических наук Л.И.Старков и кандидат геолого-минералогических наук Н.Е.Молоштанова.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 171 странице машинописного текста. Содержит 34 рисунка, 25 таблиц, список использованной литературы из 123 наименований, приложения.