Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Проблема появления негабаритов при ведении горных работ и их разрушения.. 8
1.2. Современное состояние теории ударного разрушения пород 15
1.4. Цель и задачи исследования 24
Глава 2. Анааиз структуры технических средств горного предприятия 26
2.1. Технические средства дробления негабаритов и их место в структуре горнодобывающих предприятий 26
2.2. Модель органоструктуры комплекса средств механизации 35
2.3. Классификация и разработка типоразмерного ряда электромагнитных молотов 39
2.4. Выводы 44
Глава 3. Исследование дробимости отдельных кусков горных пород 45
3.1. Стенд для исследования процесса разрушения горных пород стесненным ударом 45
3.2. Методика исследований 51
3.3. Результаты исследований разрушения горных пород стесненным ударом 53
3.4 Исследование условий подобия процесса моделирования процесса дробления негабарита 72
3.5 Выводы 82
Глава 4. Выбор структуры и основных параметров электромагнитных молотов 83
4.1 Общая структура установок для дробления негабаритов 83
4.2 Выбор основных параметров ударного устройства 87
4.3 Выводы 95
Заключение 96
Литература 98
- Проблема появления негабаритов при ведении горных работ и их разрушения..
- Технические средства дробления негабаритов и их место в структуре горнодобывающих предприятий
- Стенд для исследования процесса разрушения горных пород стесненным ударом
- Общая структура установок для дробления негабаритов
Введение к работе
Актуальность. Повышение эффективности производства и конкурентоспособности товарной продукции горнодобывающих предприятий с одновременным снижением давления на окружающую среду являются важнейшими проблемами для большинства горнодобывающих предприятий. Опыт разработки скальных горных пород при ведении горных работ показывает, что даже при применении прогрессивных способов ведения буровзрывных работ не удается полностью исключить выход крупной фракции (негабаритов). Процент выхода негабаритов от взорванной массы в зависимости от горно-геологических условий может изменяться от 2…3 до 15…20 процентов. Попадание негабаритного куска в приемную щель головной дробилки сопряжено с остановкой всей технологической цепочки предприятия. Загромождение негабаритными кусками рабочей площадки при ведении добычных или вскрышных работ ведет к снижению эффективности ведения горных работ.
Дробление негабаритов до требуемых размеров может осуществляться либо с помощью взрыва (шпуровым способом или накладными зарядами), либо невзрывными способами, большинство которых основано на механическом разрушении под действием локальных концентрированных напряжений, превышающих сопротивление внутренних связей в породе. К настоящему времени производителями предлагается множество типов ударных механизмов, основанных на преобразовании различных видов энергии (от гравитационной до энергии химических процессов) в механическую. В силу ряда причин, в основном экономических, к настоящему времени наиболее распространенным является механический способ разрушения негабаритов с использованием гидравлических и гидропневматических молотов. Однако гидромолоты - изделия высокотехнологичные и требуют высокой культуры производства в процессе изготовления и строгого соблюдения технологического регламента при их эксплуатации. Кроме этого, при применении гидромолотов в качестве базовой машины используются гидроэкскаваторы, что ведет к увеличению стоимости процесса дробления негабаритов.
Альтернативой гидравлическим и гидропневматическим ударникам могут быть электромагнитные молоты. Эти молоты позволяют создавать механические импульсные нагрузки с энергией единичного удара от 0,5...2 до 30 кДж и частотой от 400...600 до 2...4 ударов в минуту. Принцип их работы основан на преобразовании электрической энергии, аккумулируемой конденсаторной батареей, в механическую энергию подвижного якоря-ударника. Они имеют более простую конструкцию и меньшую массу и стоимость. В этой связи выполненная работа, направленная на повышение эффективности процесса дробления негабаритов за счет рационального использования электромагнитных молотов, является актуальной.
Объект исследований – технические средства дробления негабаритов при ведении горных работ.
Предмет исследований – электромагнитные молоты и взаимосвязи их главных параметров с основными свойствами горных пород.
Идея работы. Существенное снижение затрат на разрушение негабаритов возможно при использовании электромагнитных молотов, адаптированных к конкретным горнотехническим условиям.
Целью работы является исследование структуры и основных параметров электромагнитного молота и разработка конструкции, отвечающей условиям использования его для разрушения негабаритов в конкретных горно-технических условиях.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Модель органоструктуры комплекса средств механизации для технологического процесса разрушения негабаритов позволяет с максимально возможной степенью полноты отобразить множество вариантов использования молота в технологической цепи горного предприятия.
2. Установленная взаимосвязь удельной энергии разрушения отдельного куска породы с энергией единичного удара.
3. Совокупность обобщенной функциональной модели ударного устройства, модели органоструктуры электромагнитного молота и результатов лабораторных экспериментов позволяет установить связь основных параметров электромагнитного молота с физико-механическими свойствами разрушаемых горных пород.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: использованием фундаментальных положений теории вероятности и математической статистики, системного анализа и теории технических систем, корректным применением методов математического и физического моделирования, теории подобия, апробированными методами экспериментальных исследований. Достоверность подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. С вероятностью не менее 0,9 относительная ошибка результатов не превышает 10 %.
Научная новизна работы заключается:
в разработке моделей органоструктуры комплекса средств механизации технологического процесса горного предприятия
в установлении связи энергетических параметров и физико-механических свойств горных пород с рациональными параметрами электромагнитного молота.
Практическую ценность представляет предложенный метод выбора структуры И основных параметров электромагнитных молотов.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы ЗАО «Импульсная техника и технологии» при проектировании электромагнитного молота с энергией удара 2 кДж, предназначенного для разрушения негабаритов в шахтах Кузбасса и ОАО «Уралредмет».
Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались: на «Неделе горняка» Москва, 2004, 2005 гг.; I Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности». Москва, 11-12 марта 2004 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы открытой разработки месторождений полезных ископаемых» Екатеринбург, 24-25 ноября 2004 г.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 4 работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 87 наименований, содержит 92 страницы машинописного текста, 28 иллюстраций, 17 таблиц и приложение.
Проблема появления негабаритов при ведении горных работ и их разрушения
Опыт разработки скальных горных пород на открытых горных работах показывает, что даже при применении прогрессивных способов ведения буровзрывных работ не удается полностью исключить выход крупной фракции (негабаритов) [I].
Размер, определяющий относится или нет отдельный кусок к классу негабаритов, зависит чаще всего или от вместимости ковша экскаватора, или от размера приемной щели головной дробилки крупного дробления установленной на предприятии.
По отношению к выемочно-погрузочному оборудованию максимально допустимый линейный размер куска взорванной горной массы (м) зависит от вместимости ковша и определяется выражением где VK - вместимость ковша экскаватора, м . При погрузке горной массы в бункеры, дробилки, на грохоты размер негабарита /„ = (0,75...0,8)2, (1.2.)
где 2 - меньшая сторона приемного отверстия бункера, дробилки, или ячейки грохота, м. При погрузке горной массы на ленточный конвейер допустимый размер кусков породы где В - ширина ленты конвейера, м.
Процент выхода негабаритов от взорванной массы в зависимости от горно-геологических условий может изменяться от 2...3 до 15...20 процентов, при добыче штучного (например, облицовочного) камня выход негабаритных кусков может быть еще больше [2]. В этих обстоятельствах годовой объем негабаритов, которые необходимо разрушать, может достигать десятков и сотен тысяч кубометров в год даже для предприятий сравнительно небольшой мощности.
Отсюда понятна значимость проблемы доведения размеров негабаритов до требуемых по технологии размеров. Поскольку попадание, например, негабаритного куска в приемную щель головной дробилки сопряжено с остановкой всей технологической цепочки предприятия. Если же мы имеем дело с негабаритами при вскрытии рудного тела на карьерах, где размеры их ограничиваются шириной ковша выемочно-погрузочного оборудования, то если их не дробить, ими может быть загромождена рабочая площадка и это сказывается на эффективности ведения горных работ в целом на предприятии. Если на конкретном предприятии объем негабаритов, требующих разрушения, значителен, то в этом случае стоимость этой на первый взгляд вспомогательной технологической операции может составить существенную долю в общей себестоимости извлечения горной массы.
Принимая во внимание сказанное выше следует отметить, что задача снижения затрат на операцию разрушения негабаритов актуальна для горнодобывающих отраслей промышленности.
Дробление негабаритов до требуемых размеров осуществляется, либо с помощью взрыва (шпуровым способом или накладными зарядами), либо механическим способом при помощи импульсной техники, использующей различные виды энергии: гравитационную, механическую (пневматические, гидравлические и гидропневматические молоты), электрическую, энергию взрыва и энергию сгорания различного вида энергоносителей (дизельные, бензиновые).
Технические средства дробления негабаритов и их место в структуре горнодобывающих предприятий
Как показано в разделе І, выбор технических средств, с помощью которых можно осуществлять дробление негабаритов на горных предприятиях, достаточно широк, как по виду используемой энергии, так и по типоразмерам. Еще более разнообразны физико-механические свойства горных пород, которые могут отличаться на порядки для разных типов пород и в несколько раз для однотипных пород одного месторождения [44]. Вместе с тем, и свойства пород и типоразмер устройства - решающие факторы, оказывающие влияние на эффективность процесса разрушения негабаритов. Наряду с этими факторами немаловажно и то, какое место занимает этот процесс в технологическом процессе всего горнодобывающего предприятия. Как видно, задача это достаточно сложна и не имеет однозначного решения и, поэтому следует использовать методы системного анализа, чтобы выбрать наиболее рациональное решение.
Горные предприятия [ГП] по основным характеристикам, структуре и особенностям с позиций системного анализа относятся к большим техническим системам [БТС] [45]. Основные особенности БТС заключаются в следующем: в участии в ней человека в двух качествах: в качестве объекта управления и в качестве управляющего; БТС структурно состоит из большого числа элементов. И, наконец, БТС характеризуются большой длительностью совершающихся в них переходных процессов, которые могут достигать иногда нескольких лет.
Известно, что эффективность систем преобразования определяется, прежде всего, технологическими принципами(Тр), положенными в основу той или иной технологии, и техническими системами(Тз) - операторами системы преобразования. Вместе с тем Тр и Ts тесно взаимосвязаны друг с другом, т.е. определенная технология процесса, требует определенных технических средств и наоборот, та или иная технология возможна при наличии определенных TS ее реализации [46].
Проиллюстрируем сказанное на известных специалистам примерах. Прежде всего отметим, что горные работы ведутся двумя способами: открытым и подземным. Требования и условия эксплуатации машин при этом резко различаются. Технологии ведения горных работ при открытом способе разработки можно разделить по способу подготовки горной массы на два вида: с применением буровзрывных работ [БВР] и безвзрывная технология ведения горных работ [БВТ]. По характеру протекания процесса во времени выделяются циклическая [ЦКЛ], циклично - поточная [ЦПТ] и поточная [ПТ] технологии ведения горных работ [47]. Каждая из названых технологий применяется в соответствующих горнотехнических условиях и требует комплекса средств механизации основных технологических процессов [КСМ], который бы в наибольшей степени соответствовал принципам той или иной технологии.
Если учесть разнообразие горнотехнических условий месторождений, многообразие физико-механических свойств самого минерального сырья, множество технологий и различные технические процессы горного производства, то нетрудно представить всю сложность проблемы оптимизации технических решений по повышению эффективности добычи и переработки минеральных ресурсов.
Стенд для исследования процесса разрушения горных пород стесненным ударом
Для эффективного разрушения негабаритов с использованием ударных устройств необходимо знать один из определяющих параметров этих машин - энергию единичного удара. Передача энергии в механизмах с линейным движением рабочего органа происходит через промежуточное звено - рабочий инструмент. Поэтому следует ожидать, что процесс разрушения кусков горной породы, лежащих на практически неподвижном основании с неопределенными точками опоры существенно отличается от рассмотренных. В связи с этим, для определения величины энергии, которая необходима для разрушения куска горной породы ударом, требуется проведение относительно большого числа опытов, что связано с существенными затратами и не гарантирует получения достоверной информации.
Для обоснования параметров лабораторной установки ударного механизма в УГГУ были проведены испытания по разрушению образцов различных горных пород. Ударному разрушению подвергались породы с различной структурой и прочностью Образцы мрамора и гранита были выпилены из монолита, а остальные были взяты из забоев, горная порода в которых подготавливалась к экскавации взрывом. Физические свойства образцов горных пород приведены в табл. 3.1. При проведении экспериментов куски пегматита, диорита устанавливались на относительно жесткую стальную плиту и опирались на ней в трех точках.
В таблице 3.2 приведены результаты исследований по разрушению образцов горных пород, проведенных на физической модели. Разрушение производилось при помощи электромагнитного ударного механизма. Ударная часть рабочего инструмента была выполнена в виде сферы диаметром 44 мм.
Анализ результатов исследований, приведенных в таблице 3.2, показывает, что основными факторами, влияющими на величину энергии, необходимой для разрушения куска, являются: размеры куска, прочностные свойства горной породы, величина массы ударника и рабочего инструмента. Удельная энергия разрушения кусков диорита, имеющих один порядок размеров, отличается в 3 раза, кусков пегматита - в 2,5 раза, гранита - в 3 раза, мрамора - в 8 раз, что свидетельствует о существенных нарушениях кристаллической структуры этих материалов. Значительный разброс удельной энергии разрушения этих образцов объясняется тем, что их природная неоднородность усилилась после проведения буровзрывных работ.
Общая структура установок для дробления негабаритов
Как известно [46, 53], основу любого метода выбора структуры и основных параметров системы начинается с моделей ее структуры различной степени абстрагирования. Основываясь на работах [3,8,14,16], включая наши работы [51, 54, 79, 80] можно составить ряд последовательных моделей структуры с различной степенью абстрагирования установок для дробления негабаритов, которые могут послужить основой для разработки метода выбора структуры и основных параметров этих установок.
На рис. 4.1 и 4.2 представлены обобщенная модель внутренней структуры электромагнитного молота, и функциональная модель преобразователя электрической энергии в механический ударный импульс.
Не останавливаясь на подробном описании первой модели, его можно найти в работе [3], рассмотрим более подробно модель, приведенную на рис. 4.2, так как она представляет функциональную модель электромагнитного
Рис. 4.1 Обобщенная функциональная модель ударного устройства молота, который в нашем случае является, по существу, определяющим элементом нашего устройства дробления негабаритов.
Модель, приведенная на рис. 4.2 раскрывает функциональную структуру преобразователя энергии и системы управления электромагнитными молотами любого вида из типоразмерного ряда приведенного в классификации в разделе 2.3, табл. 2.1.
Здесь зарядное устройство выполняет функцию (Фі)1 в модели приведенной на рис. 4.1, преобразуя переменный ток промышленной частоты в постоянный, для заряда блока емкостей электрических конденсаторов, выполняющих функцию аккумуляции энергии Ф4. устройство управления с электромагнитным ключом выполняют функцию Фг - функцию управления
Кроме этого, здесь следует отметить, что катушка (соленоид) показана в функциональной модели преобразователя условно. Это сделано с той целью, чтобы подчеркнуть, что, несмотря на то, что катушка располагается в корпусе молота, а блок конденсаторов в преобразователе электроэнергии. Корпус электромолота - соленоид с помещенным в его центральную часть подвижным якорем и выполняют основную функцию электромолота: преобразование электрической энергии, аккумулируемой в блоке конденсаторов в ударный импульс. Вместе они образуют единую электрическую колебательную систему, работу которой необходимо согласовать с механической системой: подвижный якорь - ударник и возвратная пружина. Только при согласованной работе электрической и механической систем, соответствии друг другу их основных параметров можно ожидать эффективной работы всей электромеханической системы молота.
Основой для выбора рациональной структуры молота, может служить несколько модифицированная и дополненная нами модель органоструктуры предложенной в работе [81], рис. 4.3.
