Введение к работе
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, исчерпата 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 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 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 '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 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 под-
тверждается:
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 пред
ставляет собой набор зернистых упорядоченных дискретных элементов, скреп
ленных между собой дискретными элементами цементирующего вещества, кото-
рая позволяет исследовать местоположение и раскрытие микротрещин по грани
цам 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 разруше
ния; :
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;
впервые 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 временньгх 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 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 стадий проектирования 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» (пКемерово, 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 (пКемерово, 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.