Содержание к диссертации
Введение
1. Современный этап развития техники и технологий открытой разработки месторождений известняков 8
1.1. Анализ современного уровня знаний в области техники и технологий разрушения скальных пород 8
1.2. Анализ структурных особенностей геологического строения месторождений известняков ... 16
1.3. Анализ хозяйственной деятельности предприятий по добыче и переработки известняков тульской области 25
1.4. Цель, идея и задачи исследования 27
2. Экспериментально-теоретические исследования работы комбайна ПК-9Р 30
2.1. Вводные положения 30
2.2. Стенд экспериментальных работ 31
2.2.1. Экспериментальная технология ведения работ комбайном ПК-9р при декомпозиции массива известняка 31
2.2.2. Анализ экспериментальных данных 32
2.3. Обоснование влияния структурных элементов на энергоёмкость процесса разрушения известняков 48
2.4. Исследование влияния структурных элементов на энергоёмкость процесса разрушения известняков 53
3. Обоснование рациональных параметров манипуляционной системы выемочного комбайна 56
3.1. Постановка задачи 56
3.2. Общие уравнения метода начальных параметров для элемента расчётной схемы манипулятора 58
3.3. Методика исследования на эвм напряжённо - деформированного состояния механической системы выемочного комбайна 73
3.3.1. Вводные положения 73
3.3.2. Расчетная модель напряженно-деформированного состояния манжуляционной системы комбайна 75
3.3.3. Структура программы расчета на ЭВМ. 79
3.4. Компьютерное моделирование и выбор параметров манипуляционной системы выемочного комбайна 90
3.4.1. Расчёт сил на резцах и нагрузки на исполнительном органе проходческого комбайна 90
3.4.2. Конструирование сечения манипуляционной системы 97
3.5. Исследование напряжённо-деформированного состояния стрелы идеализированного сечения 105
ГЛАВА 4. Обоснование технологических решений ведения выемочных работ комбайном избирательного действия на месторождениях известняков 111
4.1. Вводные положения 111
4.2.Алгоритм методики повышения эффективности разработки известняков 112
4.3. Исследование технологических факторов, влияющих на эффективность работы карьера при переходе от бвр к комбайновой выемке 114
4.4. Обоснование параметров забоя проходческого комбайна 120
4.5. Расчёт производительности проходческого комбайна при разработке известняков 123
4.6. Определение эффективности технологических схем работы комбайна в забое 127
Заключение 132
Список литературы 134
Приложения 141
- Анализ структурных особенностей геологического строения месторождений известняков
- Обоснование влияния структурных элементов на энергоёмкость процесса разрушения известняков
- Методика исследования на эвм напряжённо - деформированного состояния механической системы выемочного комбайна
- Исследование напряжённо-деформированного состояния стрелы идеализированного сечения
Анализ структурных особенностей геологического строения месторождений известняков
На ппочностные и легЬопмапионные свойства массивов гопных попол влияют структурные особенности (резкостные границы), которые можно подразделить на два основных Aj,i:jjri9 JTX /XX JJVXX\-/X v./i поверхностями, по которым может происходить скольжение одной части деформируемого массива относительно другой; - ко второму типу относят структурные ослаоления по площадкам огпяниченньтх пязмепов кякотшми являются тпетттаны пятничного происхождения: тектонические, кливажные, гравитационные, выветривания, технологические и другие.
Системы структурных ослаблений второю тина взаил-тпо опиентиг ованы в массиве и п и ают ему строение со слабыми связями между структурными отдельностями. Размеры этих трещин и размеры структурных отдельностей породного массива обычно меньше размеров разрабатываемого массива. Трещиноватость массива крепких пород представляет собой определенным образом ориентированные системы трещин в породном массиве. Хорошо представлена информация о системах трещин в работе К.В. Pvn-пенейта Г73"1 и обобщена И. В-. Баклашовьш ГЛ1 применительно к деформированию и разрушению массива пород. Каждая отдельная трещина характеризуется длиной, шириной, ТТТ Различают трещины открытые (зияющие, незаполненные) и заполненные. По протяжённости выделяют _f % _ ,_ ____ \ . .. yCJi ObHO ііЯТЬ KJiixcCOH ірСІДі Ш! ДСфСК ГЬЇ КрРіСТоЛЛИЧССКОгі р СШСТКЇЇ, миклотоегаины ия vnoRHe разменов минеральных яёпен МаКПОттіятттин ЬГ АХ1 ,/ X А X ........ X 2 і " і разрывы и крупные тектонические разрывы. Имея в виду размеры забоев проходческих комбайнов избирательного ЛГРТТР.ттэттсг XT ТТГН " о ттртіЧЛЛРГі т/-і7ЯСР.т г Ьї/П/ ЯІтт;гю р.тч-»\гтжп шх.у у ГЇ ТТЯ ЇТРЛТИТ ТТРГЖЇ..1"3 два класса трещин (дефекты кристаллической решётки и микротрещины на уровне размеров минеральных зёрен) можно не Разрывы имеют длину от І 00 м до І 0 км, а крупные тектонические разрывы измеряются длиной от І0 до iuu км. поэтому последние два класса относятся к структурным ослаблениям по поверхностям большой протяжённости и МОГУТ не X X J рассматриваться при оценке влияния их в забое на энергоёмкость разрушения массива крепких пород комбайном. Таким образом, предметом ПЯРР.МПТПРНИСТ ЯНпдтлТСЯ МЯТтПТПеТТТгТНТЛ ЇГПТППТЛР ЛТТСГ К-ПЯТТ4ПСТМ ТТЯЧТчТТг.ЯТОТ трещинами, условно ограничивая их размеры от ОД до 100 м. Можно предположить, что значительное влияние на количество ОатЧМЛТПТОСи ЛЖПТХ принято классифицировать на системные, полигональные и хаотические. Системная сеть трещин образована нескольким ! системами трещин - группа трещин, принадлежащих одному генеральному направлению. Системы со значительной густотой трещин чаще всего встречаются в комбинации по три в одной точке массива, образуя три основных системы, обычно пересекающиеся под углами, близкими к прямым. Такие сети трещин наблюдаются в основном в осадочных породах, причём одна из систем трещин следует параллельно породным слоям. В этом случае породные массивы, будучи анизотропными по механическим свойствам, представляют в каждой точке ортотропную среду [3]. Полигональная сеть трещин состоит из одной системы трещин и множества второстепенных трещин, перпендикулярных к одной общей оси. Полигонштьньте сети трещин возникают при первичном растрескивании эффузивов, полуглубинных интрузивов и в других случаях.
Породные массивы с такой сетью трещин представляют траневерсально изотропную среду. При этом плоскость изотропии- ориентирована по направлению плоскости единственной системы трещин [3]. Хаотическая сеть трещин составлена трещинами неупорядоченной ориентировки. Такая сеть трещин чаще всего встречается в массивах горных пород, испытавших многократные смены полей напряжений (например, в метаморфических горных породах) или подверженных интенсивному воздействию процессов выветривания. Породные массивы с хаотической трещиноватостью представляют квазиизотропную среду по механическим свойствам [3]. Обобщая существующие генетические классификации трещин, можно выделить: трещины первичные, образовавшиеся в момент формирования горной породы; тектонические, образовавшиеся на протяжении длительной истории существования горной породы под воздействием тектонических процессов; экзогенные, образовавшиеся на последнем этапе развития горной породы под воздействием процессов выветривания,
Обоснование влияния структурных элементов на энергоёмкость процесса разрушения известняков
Добычи твёрдых полезных ископаемых, заключающийся в отделении от массива кусков горной породы и дробления их до кондиционной крупности. ТГя-жтгяа nriintucia ГІГІПЛТТЯ П$ЛПЇІПЖ»Т пппечхрттрггнптк imnuunri-in ТТмг»ігттг»гГ"гі. характеризуется пределами сопротивления породы при сжатии, растяжении, изгибе и ударе. Поэтому при разрушении куска на несколько частей пород снижают их поочность. пои этом снижается и энеогия. идущая на разрушение. Массив горных пород, как известно, ооладает меньшей прочностью, ЧЄМ Образец ГОДНОЙ ПОВОДЫ, Вследствие ИМеЮЩИХСЯ Т ЯЗЛИЧНЫХ CTtWKTVT.Hfclx дефектов [3, 69, 53]. Таким образом, для исследования влияния структурных элементов при разработке породных массивов в пределах одной литологической разности или в пределах выемочного слоя необходимо рассмотреть общую IVIVS WLD ivia.vwj iJDa. jjj iv.i-. u /, аиіирал о xvcnwijov iictpciiviuірил U A I ni\jixv/icnj хаоактеоистики механических свойств пооодных обоазпов и хапактеоистики структурных элементов. Как было отмечено в главе 1 массив известняка - это дискретная соеда. л. х которая представляет собой генетически заданную геоупаковку отдельностей, разделенных резкостными границами — системами трещин напластований (плоскость 2). Расстояния между трещинами в системах и мощности слоев напластований определяют размеры отдельностей, т.е. природный гранулометрический состав. Здесь необходимо ввести понятие выемочного слоя (рис.2.13, б) — это объём породы, разрушаемый рабочим органом комбайна за один рабочий ход. ІУІОДСЛЬ выемочного слоя известняка, состоящего ИЗ її олоков можно описать следующим образом, т.е. определить существующие секущие поверхности ПЇ ЄПОП НЇПЛЯЮЩИ блочность и о6,,,л/ю прочность массива; - поверхности между блоками с заполнителем или без заполнителя, количество, которых равно (2 п +2) площадью (а2 а3); поверхности контактов напластований площадью {2Lec из), где Е — ТТТЇІТІТЯ выемочного слоя в основном контакт слоев происходит по заполнителю, но возможен вариант и без заполнителя; поверхность выемочного слоя внутри массива площадью \СІ2 e.c.j? поверхность в плоскости забоя площадью (Q-У Lec .
Энергия, затрачиваемая на разрушение выемочного слоя массива известняка, будет меньше в сравнении с монолитным массивом ввиду заполненных породами (например, глиной или раздробленным известняком) или без заполнителя. меньшего объёма из ю/ска большого объёма, пнопоштионалъна поверхности раздробленных частиц: где А - удельная энергоёмкость разрушаемого тела; (S} -S0) - вновь образованная поверхность. i.viwi\iiv iij v/i iiv vivyAYJtJLl о? хх\j /J xsi X\JX v? "liwui iiuviuuvvm АЭАМ V1VAA\.\ известняка из массива и получить при этом определённый гранулометрический состав необходимо затратить энергию затрачиваемая на разрушение блока известняка; Ерсе -энергия, затрачиваемая на разрушение связей между блоками; к - количество выемочных слоев в плоскости забоя. кусок породы с заданным гранулометрическим составом и объёмом Vj с суммой площадей поверхностей S , тогда количество получаемых кусков полученных кусков оудет равна z о . І іозтому энергию нсооходимую для DasovnifНІІЯ бщжа известняка можно пггоелепить пп (Ьопмутте вторая свободная плоскость (плоскость 2), для этого варианта для получения 5 при расчётах необходимо просуммировать площади плоскостей І и 2. При Энергия, затрачиваемая на разрушение естественных контактов соседних выемочных слоев внутри массива Для эффективной разработки крепких горных пород необходимо выдерживать режим и настраивать параметры энергораспределения так, разработке известняка комбайном необходимо стремиться к возможно меньшей степени первоначального дробления породы рабочим органом, что Yonwiwn дгіобіго, из«е їн«к только ло разменов необходимых для эффективной работы оборудования на последующих стадиях дробления и первоначально разрушать те выемочные слои, которые наиболее ослаблены. где ?! - средняя длина отдельности (шаг трещиноватости) в выемочном слое. оііаЧСНйЯ КОЗірСрШХйСНТа ОСЛаОЛСпйЯ БЬІСМОЧНЬіХ СЛОСБ ПріхгіцЦСНЬЇ В табл. 2.2. Согласно полученным экспериментальным данным энергоёмкость отбойки известняков рабочим оріаном комбайна уменьшается но проходка щели — разработка целика с двумя свободными поверхностями 3T7V Это связано с имеющимися (ппи ппохолке Іпели) и обпачованнмми (целик) свободными поверхностями. Они изменяются таким образом щель : целик 2П: целик ЗП как 1:2:3. Зависимость удельной энергоёмкости от тт гЬгЬиттидтття ослабления выемочного слоя К-1. ппи шипине захвата 0 55 м и 0,75 м приведены на рис. 2.14.
Методика исследования на эвм напряжённо - деформированного состояния механической системы выемочного комбайна
Предлагаемого выемочного комбайна предъявляется основное требование X X А она должна обладать минимальной массой. Она должна бать не массивной литой конструкцией, как у серийных проходческих комоайнов, а тонкостенной свяпной из шюкатных ппоЖидей. Прокатные профили (стандартный двутавр, широкополочный двутавр, швеллер, уголок, желобчатый профиль и др.) отличаются большим vv АХ»_7 \J A xubrviviu A Vi»-»- A iw ЛА-_»А xiv A A I/IVH IIVII ii. .v vivvv ». VJL A A nxvwiuiiTi vvnp _» x 3ii iviiiivi. i действию нагрузок, вызывающих сложный (косой) изгиб и кручение. Этот недостаток в значительной мере можно устранить постановкой ДvlUic пctJДrxv xxпl i/v vo/iovi i D r iri/j,v jux/is.\j\j\ja XL lijicirx /jv, ociivpvi-иіліх/і-Ці іл. iM_»jirvjri шосЬиля от взаимных ПРОДОЛЬНЫХ переметений ПРИ кручении, а также хі. х- х- xxv установкой поперечных связей, увеличивающих пространственную жесткость конструкции, г аспределение связей, а также их размеры зависят от л р.йстн уйм і іди HarnvsKii и конструктивных особенностей манип лят0 з. Поэтому для анализа напряженно-деформированного состояния механической системы манипулятора из тонкостенных элементов тірлЛл/л TTTnkf\ тж-кгруггт \,ГТЛХТ12 f Y\CСі ТТТ ТТ\ПҐ\ іЛЯОЇХі ТЧСЗЛ/ Т/Л \.ff\ влияние депланапионных связей, поперечных связей и реакции массива пород. Расчетная модель механической системы манипулятора должна состоять из расчетной схемы и уравнении для определения неизвестных силовых и кинематических (Ьактопов (см. выше! Используемая нами А Л X J V расчетная схема (рис.3.1) представляет собой произвольную плоскопространственную систему, состоящую из произвольного числа кривизны и жесткости, произвольно нагруженных, имеющих произвольное количество депланационных и поперечных связей. Система находится в скоростям и ускорениям. Такая расчетная схема универсальна и позволяет представить любую механическую систему как конструктивно дискретную, состоящую из укрупненных КРУГОВЫХ и тгоямолинейных конечных элементов. Рассматривается общий случай системы из N элементов. При составлении уравнений равновесия и совместности перемещений факторы в конечном сечении /-го элемента выражаются через начальные параметры (/ + /)-го элемента, при этом, чтобы не нарушать общность прртсоединен фиктивный элемент, имеющий нулевую длину и не несущий нагрузки, начальные параметры, которого соответствуют реакциям и ПСрСМСщСИИЯМ На КиКСпНОМ ОПОрС ИЛИ Ііа ОСИ СИММСТрИИ (ДЛЯ СиММСТрйЧНЫХ замкнутой расчетной схемы). При построении расчетной модели произвольная нагрузка, как и при сил, приложенных в точках деления элементов системы на участки [84].
Считается, что в этих же точках установлены связи (упругие опоры), Универсальные уравнения внутренних усилий и перемещений [33] ПОЗВОЛЯЮТ СиСТШШТЬ СИСТСМу ураВНСНИй, КОі ОрсШ В ООІЦСМ СлуЧсіС СОдсрЖИ і а также уравнения перемещений, вследствие которых реализуются реакции массива пород, поперечных и депланахтионных поперечных связей поперечных связей), В частном случае, напряженно-деформированное состояние механической системы манипулятора из элементов с массивным манищ7ляционной системы комбайна, выражает для каждого из них 12 условий: 6 условий равновесия и 6 условий совместности перемещений, записанные в форме уравнении метода начальных параметров, матричные г атшения П 18Y C3.19Y f 3 20Y П 2П оппеяепяют силы инепттии звеньев и сопротивления среды соответственно при нормальных, касательных и бинормальных перемещениях, а также при вращении звеньев вокруг условия - условия в начальных сечениях первого и (ІУ+УІ-го звеньев расчётной схемы и в сочленениях звеньев. вектор рдиі, л (у), у [у), z \ю) начальных параметров; Sx = \SX0, Sxl, ,,,, SX.J - вектор нормальных (по оси х) реактивных сил в сечениях /-го звена; г у Ьуо,г у1,...,оуГ11 - вектор нормальных (по оси у) реактивных сил в сечениях /-го звена; кинематических скачков (углов поворотов сечений относительно осей х и у, угла закручивания вокруг оси zPOP ТТХ-ЇІТРТЛ П Ї 7=ГП Ч ЇРТТЯ с (Я-1); матрицы и векторы, элементы которых вектппами заданных нагтзуюк полностью оповдетяют чаттяжённо-деформированное состояние всех элементов манипуляционной системы комоайна. система уравнений (j.i /) — yj.zj) в данном случае включает две Расчётные модели: QNHV -ітя расчета мяниш/лято а п и плоской схеме натттужения, а другую для расчета манипулятора на нагрузки, действующие из вертикальной плоскости. Эти модели, в зависимости от характера
Исследование напряжённо-деформированного состояния стрелы идеализированного сечения
Предельным состоянием стрелы можно назвать такое состояние, при достижении которых она перестаёт удовлетворять заданным Установлено лве ГПУПТТЬТ ппелетгьных состояний Г82 но потере несущей способности и по непригодности к эксплуатации, осуществляемой в соответствии с технологическими требованиями (т.е. иметь в нашем случае .). Расчёт по первой группе предельных состояний имеет целью не пггт7г гг1!яггх. гъ З эгъттттт хттття т,л/"ъттг»т,г-ът;7х-ттт;гт;г Т г утгйт ттг% TiTwrsrvii ТТЬЛЛГЇТТ Ї гтгг тт ттт: ттх ЇЛ." состояний имеет целью не допустить чрезмерных деформаттий. котором напряжения в каждом волокне сечения равны поеледу текучести х ., Это состояние называется пнястическим шяониоом При чистом пластическом изгибе предельный изгибающий момент, соответствующий образованию пластического шарнира: Были исследованы радиальные перемещения и изгибающие моменты в испсгШлл vipvjibi При paOuiC В і QpIOuHiaJibriQM ііЛОСКОСіРі. іірИ Hal pyiiXC 119.8 кН (Ъабочая нагоузка 120.6 кШ в сечении 1 обпазуется пластический шарнир.
Максимальный изгибающий момент при этом составляет 1292,8 Kii-M, а радиальные перемещения на конце стрелы составляют 0,55 м. вызывают значительных радиальных перемещений. При этом масса стрелы должна быть минимальной. приведены в табл.3.4. і. Создана компьютерная расчётная модель, позволяющая: проводить многовариантные исследования напряжённо-деформированного состояния и перемещений всех звеньев манипуляционнои системы комбайна в процессе его работы: оценивать точность позиционирования исполнительного опгана с учётом VTTOVTHX ле(1 ог маиий звеньев ± j J і її" j \jyi CinU JH ClDAVAlV.lta.-li lOJ ipVAOtiljD у llptiDJlVXll lV VI О / DiXawnjriVlVl. 2. ГТолученьт зависимости внутренних сил и перемещении в сечениях элементов манипуляционнои системы комбайна от нагрузок на исполнительном органе, собственного веса звеньев системы, мест расположения гидроцилиндров, высоты разрабатываемого забоя. 3. Обоснованы прочностные и деформационные параметры поперечных ССце.ННЫ "34fiHKfiR МЯНИПЛ/ІТЯІІИОННОЙ C.MCTP.MUf ІСОмбяЙНЯ МЧ УСПОйИИ "ак было отменено выше анализ деятельности ГОРНЫХ предприятий выявил существующие проблемы подготовительных и выемочно-погрузочных работ в технологическом комплексе выемки и переработке большинстве случаев снижает качество выпускаемой продукции (переизмельчение горной массы, снижение прочностных характеристик ЇЇЕь\їЛЇ О . ГЬСЇЇЗЇЛ ІЛЇДЗЛ . ГЇЇЬЛЯЛ ЛЯЇЛ ЄЛГЇ Df». vrua IT О Г»ТЧлЛ«Оииї_їУ !,! Іі.І іЛЛїЛП З T-O XT JLTl ЛИСІ XJJ \S\JXXfX iJf VJ-ZW-i i-XV/XXriXi V AJLL/WWiMJt Jtljil VV 1 il/lIVUj V1 W/pUAllIi«/V 11 7 ITiCtVVllJLJLJCty, 1U1UXVV V/i накладывает ограничения на возможное расширение ассортимента выпускаемой предприятием продукции. Что касается предприятий, раЗраОаТЫВаЮЩИХ ИЗВССТНЯК На ШТуЧНЫИ КаМСНЬ, ТО И ЗДССЬ С ИЗМСНСНИСМ тяхникм Ч ТРХНОПОГИН некоторы ттпттР!ССО К МОЖНО повысить ттпоттент ЫХОпа готовой продукции с объёма горной массы. Применение комбайна избирательного действия позволит вести комплексную селективную rsatnaftrmcv и тем гяш.тм повысить TTOTTHOTV отпяпотіктт пя ттяьтггттллг яттягот месторождения, а также уменьшить проектные потери в бортах карьера (уменьшается угол откоса нерабочего борта на конец отработки) за счёт вскрыши: средний, текущий, промышленный.
Уменьшение отходов переработки позволит снизить площади, отводимые под внешние отвалы. В СВЯЗИ С аТйМ Ї СХИОЛОГЙЯ і ОрііЬіХ pauGT С ПрИМСНСІШСМ KOMOaTIHOB НарЯДу С экономичностью и экологичностью позволит снизить землеёмкость ГОРНЫХ объектов, т.е. снизить расход земельных ресурсов на единицу добытого минерального сырья. Стреловые комбайны позволят сохранить традиционную систему роЗраООТКИ ДЛЯ КарЬСрОВ ПО ДООЫЧС НСруДНЫХ ПОлСЗНьїХ ИСКОііаСМЬІХ. J.VOK пои "экскаваторной выемке наиболее ПРОСТОЙ и удобной во все отношениям является уступная технология ведения горных работ. Анализ физико-механических, химических свойств, а также і]-/ЄІЦЇіх10ВаТиСій МиССйіісі Hjr vvTH/iKOb ни мсеіОриЖДЄнйЯл і\лЬскии иоЛсісТи показывает, что. учитывая эти Факторы, можно повысить эффективность применения комбайнов избирательного действия. Для этого разработана мсіидшш, ішлвилмшщал шірсдслиіь ішслсдсшаїсльпинь разрушения маееиіш ИЗВРСТНЯКЯ В чябор комбаЙН—М МчбмтПЯТРПЪНОГО ЧРЙ—ТВЧЯ С- "РПЬЮ —ЧИЖ—нчч энергетических затрат по технологическим процессам. Реализация данной схемы включает в себя пять основных этапов, Ї. Сбор необходимой информации о породном массиве участка работ ІрїїЗЇІКи-МсХііНі ЇЧсСКіґІС И ХИМИЧС КЙС viiGiiCiBci ііирОД . і іоЦ ирМиЦиЯ о Физико-механических свойствах разрабатываемого массива по геологическим горизонтам берётся из отчётов геологоразведки месторождения или анализ производится карьером Самостоятельно. Оппс лс гіяются ххімичсокий г.остяв и пппчш" —тны свойства известняков по геологическим горизонтам (Тарусский, Венёвский, Михайловский, Алексинский). W. А. »-Ї_/ І ІОЛІЛІ_»,І ХЛІ V X iw»C -3 V XXJL XVC XvCwxXyL VX \-Г І V vJl VI 1І AVVJ-Vvl \s x vwn.»viiivv известняков на уступы в соответствии с техническими характеристиками машины и условиями безопасного ведения і UpribiA pciUUi. LjbiyJKJLd VvTyiia Нч ДиЛЖНа ПрСііЬІііІсііЬ MaKv/WiviciJibxiyrv/
