Введение к работе
Актуальность работы. Для предприятий, осуществляющих добычу калийных руд подземным способом, актуальными остаются задачи снижения удельных энергозатрат процесса разрушения массива резцами исполнительных органов добычных горных машин, улучшения качества добываемой руды по гранулометрическому составу, уменьшения затрат на ее обогащение.
На сегодняшний день добыча калийной руды осуществляется выемочными машинами, которые разработаны в 80-х годах XX века. Создание более совершенных выемочных машин, оснащенных режущими исполнительными органами нового технического уровня, обеспечивающих как рост производительности, так и снижение удельного расхода энергии и уменьшение выхода мелких классов руды, может быть основано на результатах исследований закономерностей формирования рациональных параметров последовательных элементарных сколов, составляющих срез и отражающих физическую сущность процесса резания калийного массива.
Известны перспективные конструкции планетарно-дисковых исполнительных органов, реализующих перекрестную схему резания калийного массива, но не изучены процесс формирования и сама возможность активного влияния на геометрические параметры последовательных элементарных сколов, в частности, при использовании перекрестной схемы резания. Обоснование рациональных параметров исполнительных органов, реализующих перекрестную схему резания, посредством исследования закономерностей формирования последовательных элементарных сколов калийной руды, составляющих срез, представляет теоретический и практический интерес.
Изучению процесса разрушения горных пород резцами выемочных горных машин посвящены многочисленные работы Берона А.И., Позина Е.З., Слободкина М.И., Брусиловского Д.В., Бреннера В.А., Шмакина И.Г., Деветьева В.З., Старкова Л.И., Харламовой Н.А. и др.
Цель работы. Повышение эффективности отделения руды от калийного массива резцами исполнительных органов добычных машин приданием поверхности забоя формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений и обоснованием рациональных параметров последовательных элементарных сколов, составляющих срез.
Идея работы. Увеличение выхода крупных классов руды, снижение удельных затрат энергии на отделение калийной руды от массива, уменьшение доли необогатимых фракций в продуктах отбойки и снижение динамических нагрузок на резцах исполнительных органов добычных машин обеспечивается созданием на поверхности разрушаемого калийного массива пересекающихся областей ослаблений и наведенных трещиноватостей, что достигается применением шахматной симметричной перекрестной схемы резания.
Научная новизна работы:
1. Теоретически установлена и экспериментально подтверждена возможность активного влияния на геометрические параметры последовательных элементарных сколов (формирование которых до настоящего времени объяснялось только случайными факторами) изменением формы поверхности забоя и созданием пересекающихся областей концентрации напряжений и наведенных трещиноватостей.
2. Снижение средних значений и дисперсии нагрузок на резце, уменьшение удельных энергозатрат процесса резания достигается приданием поверхности калийного массива формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений, оказывающих существенное влияние на процесс формирования последовательных элементарных сколов в срезе.
Основные задачи исследований:
1. Анализ результатов исследований процесса разрушения горных пород резцами исполнительных органов добычных машин.
2. Теоретические исследования процесса формирования последовательных элементарных сколов при реализации шахматной и шахматной симметричной перекрестной схем разрушения калийного массива.
3. Разработка экспериментального лабораторного стенда для изучения процесса формирования последовательных элементарных сколов при разрушении калийной руды одиночным резцом.
4. Проведение экспериментальных исследований процесса формирования последовательных элементарных сколов при резании калийной руды полноразмерным резцом и анализ их результатов.
5. Оценка эффективности процесса формирования последовательных элементарных сколов при реализации шахматной и шахматной симметричной перекрестной схем разрушения калийного массива.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ применимости известных теорий разрушения горных пород к исследованию процесса резания, анализ основных положений механики образования и развития трещин, экспериментальные исследования процесса резания калийной руды на лабораторном стенде и спектральный анализ полученных результатов.
Защищаемые научные положения:
1. Повышение эффективности отделения калийной руды от массива резцами исполнительных органов добычных машин достигается формированием заданных геометрических параметров элементарных сколов приданием поверхности разрушаемого массива формы с наличием чередующихся регулярных выступов и зон ослаблений с использованием шахматной симметричной перекрестной схемы резания, что обеспечивает по сравнению с шахматной схемой при соотношении параметров резания снижение удельных энергозатрат в 1,15 раза и уменьшение выхода необогатимых классов руды в 2 раза.
2. При разрушении калийного массива шахматными симметричными перекрестными резами при соотношении параметров срезов средние нагрузки на резец снижаются на 34% по сравнению с шахматной схемой за счет рационального расположения зон ослаблений и наведенных трещиноватостей по нижнему контуру основания регулярных выступов, сформированных на поверхности массива.
3. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при шахматной симметричной перекрестной схеме резания калийного массива при соотношении параметров резания дисперсия нагрузок на резец, по сравнению с шахматной схемой резания, снижается в 1,41 раза, при этом реализуется устойчивая чередующаяся регулярность образования крупных сформированных сколов заданной формы, частота реализации которых прямо пропорциональна скорости резания и обратно пропорциональна шагу резания, и мелких промежуточных сколов, частота реализации которых прямо пропорциональна скорости резания и ширине режущей кромки резца и обратно пропорциональна величине заглубления резца в массив относительно поперечных резов.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается результатами экспериментальных исследований реального процесса резания калийной руды полноразмерным резцом на лабораторном стенде. Основные выводы теоретических исследований согласуются с ключевыми положениями современных теорий разрушения горных пород.
Практическая ценность диссертации:
1. Установлена возможность активного влияния на гранулометрический состав продуктов отбойки и на изменение силовых и энергетических показателей процесса резания калийных руд формированием параметров последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при использовании шахматной симметричной перекрестной схемы резания;
2. Проведены экспериментальные и теоретические исследования процесса формирования последовательных элементарных сколов, составляющих срез, при разрушении калийной руды с использованием шахматной и шахматной симметричной перекрестной схем резания;
3. Разработан и изготовлен лабораторный стенд, позволяющий исследовать процесс формирования последовательных элементарных сколов при резании блоков калийной руды полноразмерным одиночным резцом;
4. Предложена конструкция исполнительного органа проходческо-очистного комбайна для добычи калийных руд, реализующего шахматную симметричную перекрестную схему резания.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований процесса разрушения калийной руды резанием переданы в ОАО «ВНИИ Галургии». Разработанный стенд по разрушению калийных солей резанием используется при подготовке студентов по направлению 130400 – Горное дело. Изданы два методических указания к лабораторным работам по изучению конструкции и принципа действия проходческо-очистных комбайнов с планетарно-дисковыми исполнительными органами.
Личный вклад автора. Произведен анализ основных теоретических представлений о разрушении горных пород резанием, как последовательности элементарных сколов. Сформулированы цель и задачи исследований. Исследован механизм формирования последовательных элементарных сколов с устойчивыми геометрическими параметрами при реализации шахматной симметричной перекрестной схемы резания калийного массива. Спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд, проведены стендовые исследования и обработка результатов экспериментов. Обоснована большая эффективность использования шахматной симметричной перекрестной схемы резания калийной руды по сравнению с шахматной схемой. Предложена конструкция исполнительного органа проходческо-очистного комбайна для добычи калийных руд, реализующего шахматную симметричную перекрестную схему резания.
Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, 2009), международной научно-технической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: Проблемы и решения» (г. Воркута, 2010), международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010), международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2010).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации, получен один патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 159 страницах, содержит 61 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 88 наименований и одно приложение.
