Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в горнодобывающих отраслях промышленности большое внимание уделяется развитию технических средств и технологий разрушения горного массива, повышающих эффективность и безопасность производства горных работ. Многие годы совершенствование механических инструментов, используемых в исполнительных органах выемочных и проходческих комбайнов для разрушения углей и горных пород, осуществлялось за счет применения более износостойких материалов и оптимизации параметров как механических инструментов, так и самих исполнительных органов. Однако технические решения в этих направлениях достигают своего предела.
Проводимые в последние годы в России и за рубежом научные исследования, направленные на изыскание новых способов и средств разрушения угля и горных пород, показывают, что повышение производительности выемочных машин и темпов проведения подготовительных выработок проходческими комбайнами без увеличения их габаритов и массы, расширение области их применения на более крепкие и абразивные горные породы и снижение пылеобразования в рудничной атмосфере очистных и подготовительных забоев до предельно допустимых концентраций может быть достигнуто на основе гидромеханического способа разрушения, который заключается в комбинированном воздействии на горный массив высокоскоростных струй воды и механического инструмента режущего или скалывающего действия.
Однако результатов этих исследований недостаточно для успешного создания новой техники, реализующей гидромеханический способ разрушения горного массива. Представления о механизме гидромеханического разрушения противоречивы и не имеют достаточного обоснования. Отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по выбору рациональных параметров и установлению обобщающих зависимостей для определения силовых и энергетических показателей гидромеханического способа разрушения горного массива, которые позволили бы разработать корректные математические модели процессов разрушения и методики расчетов гидромеханических исполнительных органов очистных и проходческих комбайнов.
Решению указанных задач посвящена настоящая диссертационная работа, которая обобщает результаты НИОКР, выполненных в 1978-1999 гг. при непосредственном участии автора в качестве ответственного исполнителя и руководителя работ в соответствии с отраслевой тематикой ИГД им. А.А.Скочинского (0123080000; 0143100000; 01430500000; 1430600000; 1100906000 и др.). В рамках государственной научно-технической программы "Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр России (Недра России)" в 1993-1999 гг. под научным руководством автора был выполнен научно-технический проект "Гидромеханический способ разрушения горных пород и исполнительные органы проходческих машин на его основе", материалы которого также вошли в настоящую диссертационную работу.
Целью работы является создание гидромеханических исполнительных органов для очистных и проходческих комбайнов, обеспечивающих повышение их производительности, расширение области применения на крепкие породы и снижение запыленности рудничной атмосферы до предельно допустимых концентраций.
Идея работы состоит в использовании эффектов разупрочнения горного массива при совместном воздействии на него высокоскоростной струи воды и механического инструмента и создании на основе установленных закономерностей процесса комбинированного разрушения эффективных и безопасных способов и средств гидромеханического разрушения угля и горных пород.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Эффективность гидромеханического способа разрушения горного
массива, реализующего преимущества гидродинамического ослабления
массива и его механического резания, зависит от схемы взаимной ори
ентации струи воды и механического инструмента. Наиболее эффектив
ными схемами гидромеханического разрушения угля и горных пород
являются:
линейная схема разрушения горной породы струей воды и резцовым инструментом;
линейная схема разрушения угля струей воды и дисковой шарошкой;
последовательная схема разрушения угля струей воды и резцовым инструментом.
2. Существует рациональное с точки зрения достижения наимень
ших силовых показателей и удельных энергозатрат расстояние между
механическим инструментом и точкой контакта струи с разрушаемым
массивом, которое в свою очередь зависит от толщины срезаемой стружки.
-
Реализация ослабления горного массива с помощью высокоскоростных струй воды может осуществляться в режимах щелевого и бесщелевого гидромеханического разрушения. Энергетические и гидравлические параметры процесса гидромеханического щелевого разрушения в значительной степени определяет средняя глубина опережающей щели, рациональное значение которой зависит от толщины стружки, схемы разрушения и типа механического инструмента. При гидромеханическом бесщелевом способе разрушения давление струи воды и диаметр насадки являются основными факторами, обеспечивающими снижение усилия на механическом инструменте.
-
При щелевом способе гидромеханического разрушения эффективность процесса обеспечивается за счет взаимодействия двух мощных концентраторов и источников напряжений: магистральной скалывающей трещины, возникающей в массиве у вершины резца, и зарубной щели, нарезаемой в массиве высокоскоростной струей воды, в результате чего образуются вертикальные трещины, развивающиеся навстречу друг другу.
-
Эффективность бесщелевого способа разрушения обеспечивается за счет вымывания продуктов разрушения из зоны действия режущей кромки резца и уменьшения площади контакта его с разрушаемым массивом, уменьшения усилий трения резца и увеличения концентрации напряжений в зоне вершины его режущей кромки, что способствует снижению усилий резания и подачи, необходимых для выполнения элементарного цикла разрушения массива.
-
Гидромеханический способ разрушения с образованием опережающей щели может быть успешно реализован в шнековых исполнительных органах угледобывающих комбайнов, что обеспечит повышение их энерговооруженности и производительности в 1,5*2,0 раза при одновременном улучшении сортности добываемого угля и снижении содержания угольной пыли в атмосфере забоя до предельно допустимых концентраций.
-
Реализация щелевого способа разрушения в гидромеханических органах проходческих комбайнов позволяет повысить их производительность при разрушении крепких горных пород в 1,9*2,3 раза. Однако для этого требуются большие (до 140 кВт) затраты гидравлической мощности. Бесщелевой способ гидромеханического разрушения горных пород менее энергоемок (по сравнению с щелевым способом разрушения энергоемкость его меньше в 2*3 раза) и может быть эффективно ис-
пользован при давлении струй воды до 70 МПа. При этом усилие резания снижается на 3(Н40%. Применение обоих способов в гидромеханических исполнительных органах проходческих комбайнов повысит их производительность либо расширит область применения на более прочные и абразивные породы.
8. Математические модели щелевого и бесщелевого способов гидромеханического разрушения горного массива разработаны с учетом режимных факторов работы механического инструмента, его геометрических параметров, параметров взаимной ориентации струи воды и механического инструмента, гидравлических параметров струи воды и физико-технических свойств разрушаемого массива.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
корректностью постановки задач исследований;
использованием апробированных методов, достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментальных исследований в стендовых и промышленных условиях;
корректным применением методов теории вероятностей и математической статистики при обработке экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью (в пределах 20%) расчетных данных с результатами экспериментальных исследований;
положительными результатами промышленной апробации разработанных способов и средств гидромеханического разрушения угля и горных пород.
Научное значение работы заключается в установлении основных закономерностей процесса гидромеханического разрушения горного массива высокоскоростной струей воды совместно с механическим инструментом режущего или скалывающего действия, развитии на их основе теории гидромеханического разрушения углей и горных пород и разработке методов количественной оценки основных показателей гидромеханического способа разрушения, позволяющих оптимизировать процесс разрушения горного массива и определять рациональные условия его применения.
Научная новизна работы:
- установлены эффективные схемы комбинированного воздействия
на разрушаемый массив высокоскоростной струи воды и механического
инструмента режущего или скалывающего действия, выявлены их отли
чительные особенности и определены области их применения при гид
ромеханическом разрушении угля или горных пород;
- установлены характерные закономерности гидромеханического
способа разрушения угля и горных пород и получены математические
модели процесса формирования его силовых и энергетических показа
телей в зависимости от режимных параметров, гидравлических пара
метров струи воды, геометрических параметров механического инстру
мента, параметров взаимной ориентации струи и механического инст
румента и физико-технических свойств разрушаемого массива;
установлены рациональные параметры гидромеханического способа разрушения угля и горных пород и получены расчетные зависимости для их определения при различных схемах комбинированного воздействия на разрушаемый массив высокоскоростной струи воды и механического инструмента;
на основе проведенных экспериментальных исследований в стендовых и промышленных условиях обоснована и практически доказана возможность эффективного применения бесщелевого и щелевого способов гидромеханического разрушения горных пород. Установлены граничные условия их применения, определяемые критическим значением давления воды;
разработаны научные основы создания гидромеханических исполнительных органов для очистных и проходческих комбайнов, включающие методику определения рациональных параметров малогабаритных струеформирующих устройств; методику выбора рациональных параметров и определения сил резания и подачи на резцовом инструменте гидромеханической режущей коронки исполнительного органа проходческого комбайна; методику расчета сил резания и подачи и определения рациональных параметров и режимов работы гидромеханических исполнительных органов очистных комбайнов, оснащенных резцовым или шарошечным инструментом.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- обоснована и экспериментально подтверждена эффективность ра
боты гидромеханических исполнительных органов очистных и проход
ческих комбайнов. Применение высокоскоростных струй воды в сочета
нии с механическим инструментом способствует повышению произво
дительности очистной и проходческой техники без существенного уве
личения их габаритов и массы; значительному снижению усилий на ин
струменте; расширению области применения проходческих комбайнов
по крепости и абразивности разрушаемых пород; снижению запыленно
сти рудничной атмосферы до уровней, близких к ПДК, и обеспечению
условий пылевзрывозащиты;
разработана методика расчета и созданы малогабаритные струе-формирующие устройства, генерирующие компактные высокоскоростные струи воды с высокой разрушающей способностью давлением до 250 МПа для исполнительных органов очистных и проходческих комбайнов;
разработан параметрический ряд и созданы источники воды высокого давления до 250 МПа;
созданы гидромеханические исполнительные органы для очистных и проходческих комбайнов, разработана методика определения их рациональных параметров, расчета силовых и энергетических показателей и установлена область их эффективного применения.
Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы в отраслевой "Методике определения рациональных параметров и режимов работы гидромеханических исполнительных органов горных машин", утвержденной Минтопэнерго РФ (1998 г.) и принятой к использованию ОАО "ЦНИИподземмаш", ОАО "ПНИУИ", ОАО "Скуратов-ский экспериментальный завод", ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского, фирмой "НИТЕП".
Основные положения методики и результаты исследований использованы:
при разработке, изготовлении и испытаниях в стендовых и промышленных условиях экспериментальных и опытных образцов гидромеханических исполнительных органов для проходческих комбайнов 1ГПКС, 4ТШ-2М и КП-25 с встроенными и автономными источниками гидравлической энергии. По результатам испытаний скорректирована конструкторская документация на опытный образец гидромеханического исполнительного органа с встроенным источником гидравлической энергии для проходческого комбайна 1ГПКС и принята к производству Скуратовским экспериментальным заводом для изготовления опытной партии;
при разработке источников воды высокого давления (преобразователей давления мультипликаторного типа) и малогабаритных струефор-мирующих устройств. Разработаны параметрические ряды на струефор-мирующие устройства и источники воды давлением до 250 МПа. Разработаны, изготовлены, испытаны и приняты к производству преобразователи давлений ПД (давлением 180 МПа ) и ПД-2 (давлением 120 МПа);
при разработке системы высоконапорного орошения СВО-1 с преобразователем давления ПД-1 (20 МПа) для проходческих комбайнов избирательного действия;
- при разработке, изготовлении и опытно-промышленных испытаниях на очистных комбайнах КШ-3 и 1КШЭ экспериментальных и опытных образцов гидромеханических шнековых исполнительных органов. По результатам испытаний и выполненных исследований ОАО "ПНИУИ" разработана конструкторская документация на опытный образец очистного гидромеханического комбайна с встроенными источниками воды высокого давления.
Для определения области применения гидромеханических шнековых исполнительных органов выемочных машин используется разработанная с участием автора "Отраслевая инструкция по выбору шнековых исполнительных органов очистных комбайнов".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов угольной промышленности (Москва, 1979, 1987 гг.); научно-технических совещаниях Минуглепрома СССР по рассмотрению результатов шахтных испытаний гидромеханических исполнительных органов для очистных комбайнов 1КШЭГ и КШЗГ (Москва, 1978, 1987 гг.); VII Международном симпозиуме по технологии струйного резания (Англия, Дарем, 1986 г.); Международном симпозиуме "Горная геомеханика - 89" (ЧССР, Острава, 1989 г.); Международном симпозиуме "Горная геомеханика - 90" (ЧССР, Старые Смаковицы, 1990 г.); Международном симпозиуме "Новые технологии добычи полезных ископаемых" (С.-Петербург, 1993 г.); Международном семинаре "Проблемы и перспективы развития горной техники" (Москва, 1995 г.); Международном симпозиуме по горной механизации и автоматизации (США, Голден, 1995 г.); I Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (Тула, 1996 г.); XI Российской конференции по механике горных пород (С.-Петербург, 1997 г.); Научном симпозиуме "Неделя горняка - 98" (Москва, 1998 г.); ежегодных заседаниях НТС Миннауки РФ при рассмотрении итогов выполнения государственной научно-технической программы "Недра России" (Москва, 1993-1999 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликована самостоятельно и в соавторстве 81 работа, в том числе 2 монографии, 2 брошюры и 16 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения. Основные положения диссертации отражены в 54 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, изложенных на 298 страницах машинописного тек-