Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса,задачи и методы исследования 13
1.1. Краткие сведения о средствах проведения подготовительных выработок в массивах с зональным проявлением выбросов породы и газа 13
1.2. Современные направления интенсификации процесса разрушения крепких, в том числе выбросоопасных пород 22
1.3. Анализ основных закономерностей процесса разрушения горных пород механическими инструментами . 33
1.4. Задачи исследований 40
Выбор и обоснование рациональной геометрии исполни тельного органа проходческого комбайна сплошного действия для горных массивов с зональным проявлением выбросов породы и газа 44
2.1. Основные положения методики оптического модели
рования напряженного состояния пород призабой-
ной зоны 44
2.2. Результаты оптического моделирования напряженного состояния пород призабойной зоны 52
2.3. Исследование устойчивости пород призабойной зоны выработки 61
2.4. Обоснование рациональной формы исполнительного органа комбайна 80
2.5. Выводы 85
Исследование основных закономерностей процесса разрушения напряженных горных пород дисковыми шарошками 86
3.1. Методика проведения лабораторных исследований, стенды и аппаратура 86
3.2. Исследование показателей сопротивляемости напряженных горных пород механическому разрушению 93
3.3. Зависимость сопротивляемости горных пород разрушению от степени их напряженности и нарушений сплошности 98
3.4. Влияние напряженного состояния на показатели эффективности разрушения горных пород дисковыми шарошками 107
3.5. Определение силовых параметров процесса разрушения напряженных горных пород 115
3.6. В ы в о ды 123
4. Результаты промышленных исследований процесса раз рушения напряженных горных пород проходческими комбайнами роторного типа 125
4.1. Методика шахтных исследований 125
4.2. Распределение показателей контактной прочности напряженных горных пород по площади забоя выработки 128
4.3. Влияние показателей сопротивляемости напряженных пород на силовые параметры исполнительного органа комбайна 132
4.4. В ы в о ды 136
5. Основные методические положения расчета и рекомевдации по совершенствованию исполнительных органов проходчес ких комбайнов 138
5.1. Методика расчета 138
5.1.1. Выбор геометрии исполнительного органа 138
5.1.2. Определение сопротивляемости напряженных горных пород разрушению 139
5.1.3. Определение рациональной скорости проведения выработок 141
5.1.4. Расчет силовых и энергетических параметров 143
5.2. Расчет основных параметров исполнительного органа комбайна КРТ 148
5.3. Рекомендации по совершенствованию исполнительного органа комбайна, предназначенного для проведения выработок в массивах с зональным проявлением выбросов породы 157
Заключение 161
Список использованных источников
- Современные направления интенсификации процесса разрушения крепких, в том числе выбросоопасных пород
- Результаты оптического моделирования напряженного состояния пород призабойной зоны
- Исследование показателей сопротивляемости напряженных горных пород механическому разрушению
- Влияние показателей сопротивляемости напряженных пород на силовые параметры исполнительного органа комбайна
Введение к работе
"Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года" планируется к 1990 году довести добычу угля до I млрд. тонн в год / I /. Решающим условием выполнения этой важнейшей народнохозяйственной задачи является переход к массовому применению высокоэффективных машин и технологических процессов, обеспечивающих комплексную механизацию и автоматизацию производства, безопасность условий труда.
В постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по ускорению технического перевооружения шахт Министерства угольной промышленности СССР" отмечается, что одним из сдерживающих факторов дальнейшего развития добычи угля подземным способом является отсутствие серийно выпускаемых комбайнов роторного типа для проведения подготовительных горных выработок / 2 /. Дальнейший рост добычи угля подземным способом связан с переходом горных работ на глубокие горизонты действующих и строительством новых глубоких шахт. Так, в настоящее время на 119 шахтах страны глубина разработки достигла 700 м, на 66 шахтах Донбасса она превышает 800 м, а на 18 - 1000 м. Производится разведка ряда шахтных полей с нижней отметкой рабочих горизонтов 1800 - 2000 м / 47,83 /.
Накопленный опыт строительства и эксплуатации шахт свидетельствует о том, что выработки, расположенные в слабых породах,деформируются и требуют больших затрат на их поддержание еще в период строительства. Например, расходы на содержание и ремонт выработок шахт Донецкой и Ворошиловградской областей составляют около 75 млн. рублей в год. Вследствие этого горные выработки проводятся по породам выше средней крепости и крепким. Однако, начиная с глубины 700 м, при проведении в крепких породах полевых, капитальных и подготовительных выработок стали появляться внезапные выбросы породы и газа. Выбросы инициируются буровзрывными работами, при ко 7 торых в выработанное пространство из кровли, боков и почвы выработки выносятся значительные объемы породы и газа. Интенсивность выбросов изменяется от I до 6230 т / 13,47,89 /. Это явление приводит к нарушению вентиляционного режима шахты, повреждениям и поломке крепей, проходческих машин и механизмов. В результате этого в 2 - 3 раза снижаются темпы проведения выработок и ухудшается безопасность ведения горных работ. Выбросы породы и газа приводят к значительным задержкам сроков сдачи в эксплуатацию новых шахт и горизонтов и увеличению стоимости сооружаемых объектов.
Анализ работ, в которых рассматриваются причины возникновения выбросов породы и газа в подготовительных выработках, показал, что выбросы приурочены к определенным типам крепких пород, их проявление имеет зональный характер и обусловлено напряженным состоянием горного массива, его физико-механическими свойствами и действием газа / 49,78,80,85,89 /. По данным ИГД им.А.А.Скочинского, протяженность выбросоопасных зон составляет 37 % от общей длины проходимых выработок / 132 /.
Выбросы породы и газа зарегистрированы при разработке Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского, Воркутинского, Верхнекамского, Старобинского и других месторождений полезных ископаемых /89,131/. Аналогичные явления наблюдаются при ведении горных работ и в ряде зарубежных стран: ГДР, Чехословакии, Польше, Болгарии, Франции, Англии, ФРГ, США / 5,14,22,33,37,38,69,88,89,130 /.
Как показывает опыт, наиболее приемлемым способом, позволяющим предотвращать выбросы породы и газа, является использование проходческих комбайнов / 49,93,96,99 /. Однако в настоящее время нет серийно выпускаемых комбайнов с исполнительными органами,способными обеспечить безопасность ведения горных работ в выбросоопасных зонах и эффективно разрушать крепкие горные породы. Создание их сдерживается отсутствием научно обоснованных методов расчета, которые позволяли бы при заданных условиях проходки определять рациональную форму исполнительного органа, тип породоразрушающего инструмента, рассчитать рациональные режимы разрушения, а также необходимые силовые и энергетические параметры приводов.
Целью работы является разработка метода определения основных параметров исполнительного органа проходческого комбайна роторного типа,обеспечивающего безопасное и эффективное проведение выработок в массивах с зональным проявлением выбросов породы и газа.
Идея работы заключается в использовании эффекта снижения сопротивляемости горных пород механическому разрушению при увеличении их напряженного состояния и степени нарушений сплошности для выбора рациональных параметров и режимов работы исполнительных органов проходческих комбайнов роторного типа.
Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна выполненных исследований формулируются следующим образом:
впервые разработаны зависимости основных геометрических параметров роторного исполнительного органа комбинированной формы, состоящей из конической и торовой частей, от физико-технических характеристик разрушаемых пород и напряженного состояния горного массива;
установлено впервые, что распределение показателей контактной прочности пород по поверхности забоя комбинированной формы имеет четыре зоны их повышенных значений, а характер этого распределения определяется геометрией забоя и полем напряжений, действующим в массиве;
впервые получена зависимость сопротивляемости горных пород разрушению дисковыми шарошками от напряженного состояния и степени нарушений сплошности призабойной части массива, что позволяет повысить надежность выбора силовых и энергетических параметров породоразрушающих инструментов и исполнительных органов •комбайнов;
установлено, что рациональные значения режимных параметров процесса разрушения пород зависят от напряженного состояния и степени нарушений сплошности призабойной части массива.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения, выводы и рекомендации установлены в результате аналитических исследований с использованием теории упругости, механики горных пород, статистической теории прочности; физического моделирования изучаемых процессов с применением математической статистики и планирования экспериментов; проведения исследований в шахтных условиях. Кроме того, использовался метод обобщения систематизации и анализа литературных и экспериментальных данных.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в работе, подтверждается результатами выполненных автором экспериментальных и теоретических исследований, сопоставлением их с данными других авторов, использованием апробированных методов исследований, сравнением результатов аналитического изучения с данными лабораторных и шахтных экспериментов, объем которых достаточен для того, чтобы с вероятностью 0,9 отклонение результатов не превышало 15 %.
Научное значение работы состоит в следующем:
получены зависимости для определения рациональных значений основных геометрических параметров роторных исполнительных органов комбинированной формы, состоящих из периферийной конической и центральной торовой частей; установлена зависимость сопротивляемости горных пород механическому разрушению от их напряженного состояния и степени нарушений сплошности; установлен характер распределения показателей контактной прочности пород по поверхности "забоя комбинированной формы, образуемого в напряженном горном мае-сиве, получены корреляционные зависимости силовых параметров процесса разрушения горных пород дисковыми шарошками исполнительного органа проходческого комбайна от степени напряженности нарушений сплошности призабойной зоны массива.
Практическое значение работы:
разработан метод определения геометрических, силовых и энергетических параметров исполнительного органа комбайна, предназначенного для проведения выработок в горных массивах с зональным проявлением выбросов породы и газа; разработаны рекомендации по выбору рациональных режимов разрушения горных пород дисковым шарошечным инструментом, а также по эффективному использованию напряженного состояния массива, имеющего нарушения сплошности, при разрушении его роторными исполнительными органами проходческих комбайнов.
Реализация выводов и рекомендаций работы. На основании результатов проведенных исследований выполнено "Научно-техническое обоснование параметров исполнительного органа проходческого комбайна типа КРТ для напряженных горных пород с зональным проявлением выбросоопасности". Эти материалы приняты институтом Донгипроугле-маш и использованы при разработке технического задания (ТЗ) на проходческий комплекс КРТ, предназначенный для проведения выработок протяженностью более 800 м, арочной формы, сечением в проходке не менее 16,5 УГ по породным забоям крепостью f = 6-Ю, в том числе по выбросоопасным. Серийное производство проходческого комплекса планируется начать в 1985 году на Копейском машзаводе им. С.М.Кирова.
Годовой экономический эффект от использования одного проходческого комплекса КРТ в массивах с зональным проявлением выбросов породы и газа составит 568,9 тыс.руб.
Результаты работы могут быть использованы научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями, а также предприятиями, которые занимаются созданием проходческих комбайнов.
Основные положения работы докладывались и получили одобрение на Ш Всесоюзной научно-технической конференции "Термомеханические методы разрушения горных пород" (г.Днепропетровск, ИГТМ АН УССР, 1976 г.), в СКВ ЯМЗ (г.Ясиноватая, Донецкой обл., Машза-вод, 1979 г.), на Всесоюзном семинаре "Физические свойства пород в массиве" (г.Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1980 г.), на УП и УШ Всесоюзных научных конференциях ВУЗов СССР с участием НИИ "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов" (г.Москва, МГИ, 1981, 1984 гг.), на Ш Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение горных пород при бурении скважин" 5г.Уфа, 1982 г.), в ИГД им. А.А.Скочинского (г.Люберцы, Московской обл., I98I-I983 гг.), в отделе буровых и нарезных машин Дон гипроуглемаша (г.Донецк, I98I-I983 гг.), на объединенном семинаре ИГТМ АН УССР по специальности "Горные машины" (г.Днепропетровск, 1984 г.).
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, получено одно авторское свидетельство на изобретение.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 129 страницах машинописного текста и содержит 7 таблиц, 39 рисунков, список использованных источников из 145 наименований и 10 приложений.
Работа выполнена в отделе процессов выемки и погрузки горных пород ИГТМ АН УССР.
Проведенные по теме диссертации исследования соответствуют научной тематике ИГТМ АН УССР "Разработать способы и создать средства для механизированного безвзрывного проведения выработок по крепким, в том числе выбросоопасным породам, со скоростью до 200 м в месяц" (выполняется по Постановлению СМ УССР № 520 от 12 ноября 1976 г. и Постановлению Президиума АН УССР № 437 от 29 ноября 1974 г.) и "Исследование процессов взаимодействия породо-разрушающих инструментов и рабочих органов проходческих комбайнов с горными породами, в том числе выбросоопасными, и разработать научные основы их расчета" (выполняется по Постановлению Президиума АН УССР № 510 от 12 ноября 1980 г.), а также теме института Донгипроуглемаш "Создать и внедрить комплекс КРГ для проведения выработок арочной формы сечением 16,5 иг по породам крепостью j - 6-Ю, в том числе выбросоопасным" (выполняется по Постановлениям Коллегии Минуглепрома СССР № 6 от 18.02.1982 г. и № 9 от 10.02.1983 г.), в которой ИГТМ АН УССР является соисполнителем.
Современные направления интенсификации процесса разрушения крепких, в том числе выбросоопасных пород
Результаты поиска путей расширения области применения проходческих и добычных машин, а также опыт отечественного и зарубежного комбайностроения свидетельствуют о том, что создание высокоэффективных рабочих органов комбайнов, предназначенных для проведения выработок в крепких горных породах, должно базироваться на качественно новых, прогрессивных методах разрушения. Известно, что эффективность разрушения породы рабочим органом горной машины прямо пропорциональна величине удельной энергии, передаваемой забою, и обратно пропорциональна величине удельной энергоемкости процесса разрушения
Количество энергии, подводимое к забою, зависит от условий работы и энерговооруженности комбайна и ограничивается прочностными свойствами материала элементов породоразрушающего инструмента, передающего воздействие на забой. Удельная энергоемкость процесса разрушения определяется, главным образом, физико-механическими свойствами породы, горно-геологическими условиями её залегания и способом разрушения.
Поэтому работы по интенсификации процесса разрушения крепких, в том числе выбросоопасных пород, ведутся в направлении повышения надежности породоразрушающего инструмента, изыскания новых путей ввода энергии в массив и снижения прочностных показателей горных пород.
Разработкой и изготовлением породоразрушающего инструмента для оснащения исполнительных органов проходческих комбайнов занимаются многие отечественные организации и зарубежные фирмы. К настоящему времени достаточно четко определились рациональные границы использования различных типов породоразрушающего инструмента. Так, для работы в породах выше средней крепости и крепких целесообразно использовать дисковые шарошки лобового и тангенциального действия / 39,42,52,65,67,68,98,137 /.
Одним из наиболее важных показателей работы исполнительного органа комбайна является износ и аварийность дисковых шарошек. Советскими учеными Л.И.Бароном, Л.Б.Глатманом, С.Л.Загорским, К.Ф.Деркачем, М.Г.Крапивиным и другими / 14,40,42,65,101,117 / установлено, что затупление дисковых шарошек ведет к значительному снижению интенсивности процесса разрушения горных пород и скорости проведения выработок. В этой связи важное значение приобретают вопросы износостойкости дисковых шарошек с учетом горно-геологических условий их работы. Однако имеющиеся в литературе данные по износу шарошек в большинстве случаев получены при изучении работы одиночной шарошки на стендах, что не всегда с достаточной полнотой отражает реальный процесс. Вследствие этого определенный интерес представляют исследования износа инструмента при работе его в натурных условиях.
Вопросы износа дискового породоразрушающего инструмента исследовались также и автором в ходе испытаний проходческого комбайна "Ясиноватец-2М", которые осуществлялись совместно институтами НИГРИ, ИГТМ АН УССР, ВНИПИрудмаш и Ясиноватским машиностроительным заводом / 52,107 /. Разрушаемые породы были представлены хлорито-аспидными сланцами с коэффициентом крепости J- = 6-8 по шкале проф. М.М.Протодьяконова с прослоями мартито-магнетито-вых роговиков J = 10-12. В качестве основного инструмента использовались дисковые шарошки, кованные из стали 35ХГСА с по следующей термообработкой, твердость рабочих кромок составляла 48-52 НРС. Схема расстановки дисковых шарошек на рабочем органе комбайна "Ясиноватец 2М" представлена на рис.1.1.
Анализ состояния шарошек показал, что характер износа их был различным и изменялся в зависимости от расположения на рабочем органе. Инструмент, разрушающий породу на периферии забоя, находился под воздействием значительной нагрузки, приложенной со стороны забоя к породоразрушающей кромке диска и направленной к центру рабочего органа. В результате этого обод шарошки отгибался в том же направлении (рис.1.2, позиция 4). Шарошки, находящиеся в центре забоя, кроме абразивного износа, испытывали воздействие осевых нагрузок, вызывающих деформацию обода диска в направлении от центра к периферии рабочего органа (рис.1,2, позиции 1,5). Такая деформация дисковой шарошки объясняется тем, что диаметр породораз-рушающего инструмента (Д = 310 мм) превышает диаметр линии резания (Д = 160 - 300 мм), и за счет этого возникают изгибающие усилия, направленные перпендикулярно к линии перемещения инструмента и приложенные к гребню диска.
В соответствии с техзаданием Ясиноватского машзавода Кемеровским институтом МНИИПТМАШ была разработана технология изготовления дисковых шарошек к рабочему органу комбайна "Ясиноватец-2М" методом литья из комплексно-легированных штамповых сталей марок 55Х6ВЗМФСН и 6Х4М2ФСН. Твердость рабочих кромок шарошек, изготовленных по этой технологии, составляла 55-61 НЙС, что превышало твердость кромок шарошек, кованых из 35ХГСА.
Испытания показали, что данные шарошки имели более высокие показатели по износостойкости в сравнении с шарошками из стали 35ХГСА, однако и они не могли обеспечить высоких технико-экономических показателей проведения выработок в крепких породах / 57 /.
Результаты оптического моделирования напряженного состояния пород призабойной зоны
Обработка данных, полученных поляризационно-оптическим методом, осуществлялась путем сравнения картин распределения максимальных касательных напряжений впереди забоев различных форм (рис .2.3) и подсчета объемов породы, заключенной между поверхностью забоя и полосами распределения равных максимальных касательных напряжений (изохромами) одного порядка. Массив, охватываемый изохромами одно Распределение изолиний максимальных касательных напряжений в моделях призабойной зоны выработки
Формы забоев: I- плоский, 2- плоскоконический, 3- конический ступенчатый, 4- полусферический 5 и 6 -комбинированные го порядка, которые замыкаются на поверхности забоя и не пересекают контур проводимой выработки, при определенной величине напряжений может либо находиться в состоянии предразрушения, либо самопроизвольно разрушаться. Поэтому величины объемов породы, склонной к разрушению, могут служить характеристикой напряженного состояния призабойной зоны выработки. Для плоского, плоскоконического, конического ступенчатого (типа "Ясиноватец") и полусферического забоя они определялись по формулам вычисления объема шарового сегмента. Для забоев комбинированной формы рассматриваемые объемы породы представляли сочетание цилиндра и полусферы и вычислялись по соответствующим формулам. Геометрические размеры вычисляемых объемов, необходимые для расчетных формул, определялись по фотографиям моделей забоев. Результаты исследований представлены в виде графиков зависимости коэффициента объема породы,склонной к разрушению К » от напряженного состояния массива и формы забоя выработки. Коэффициент V V„,3 (2.6) где У - объем породы, склонной к разрушению, для произволь-ного забоя при каждом фиксированном значении коэффициента напряженности К; Vns - объем породы, склонной к разрушению,для плоского забоя при максимальной величине К.
Анализ картин распределения максимальных касательных напряжений для моделей цилиндрических выработок с различными формами забоев (рис.2.4) показал, что объем породы, склонной к разрушению, зависит от формы забоев и увеличивается по мере возрастания степени напряженности массива. Максимальной величины этот объем достигает для плоской формы забоя (рис.2.4, график I), которая и является наименее устойчивой. Наибольшую устойчивость имеет полусферическая форма, ей соответствует минимальное значение объема по 55
Зависимость относительных объемов породы, склонной к разрушению, от напряженного состояния для различных форм забоев выработок роды, которая обладает пониженной прочностью (рис.2.4,график 6). Остальные графики, характеризующие устойчивость забоев плоскоконической (рис.2.4,график 4) и комбинированных форм (рис.2.4,графики 3,5), а также забоя комбайна "Ясиноватец" (рис.2.4, график 2), располагаются между этими линиями.
Из приведенных результатов следует, что по величине объема породы, склонной к разрушению, наиболее близкими к полусферической являются комбинированная и плоскоконическая формы забоев.Они обеспечивают устойчивое состояние пород, предрасположенных к выбросам. Однако анализ этих форм забоев с позиции эффективности разрушения породы различной степени напряженности (см.параграф I.I) показывает, что полусферическая и плоскоконическая формы забоев не являются рациональными при проведении выработок в массивах с зональным проявлением выбросов породы и газа. Лучшей для работы в этих условиях является комбинированная форма забоя с периферийной конической и центральной торовой частью (рис.2.I, график 5). Она обеспечивает устойчивое состояние пород, предрасположенных к выбросам, а наличие конической и торовой поверхностей позволяет реализовать малоэнергоемкий режим разрушения.
Определив таким образом рациональную форму забоя,в дальнейшем исследовалось влияние ее геометрических параметров - углов наклона образующей конической части оС и радиуса описанной полусферы А торовой части на напряженное состояние массива в окрестности забоя. В процессе эксперимента длина образующей конической части забоя и диаметр выработки не изменялись.
Этот этап исследований осуществлялся с использованием моделей, у которых угол наклона образующей конической части забоя составлял 30, 45, 60 и 75. Схемы моделей представлены на рисунке 2.5.
Исследование показателей сопротивляемости напряженных горных пород механическому разрушению
Как уже отмечалось, важной характеристикой сопротивляемости горных пород разрушению является показатель контактной прочности Рк . Исследования пород на контактную прочность проводились в соответствии с методикой, изложенной в параграфе 3.1. Керны для изготовления образцов выбуривались на шахтах им.А.Г.Стаханова ПО "Красноармейскуголь" и им. ХХУ съезда КПСС ПО "Макеевуголь" из массивов различной степени напряженности, в том числе разгруженных. Необходимое число опытов устанавливалось с учетом коэффициента вариации, средневзвешенное значение которого достигает 23 % / II /. При заданной надежности 0,9 и допускаемой ошибке 10-15 %у для получения достоверных результатов эксперимента необходимо проводить 4-7 опытов. Поэтому для определения величины показателя Р , число опытов принималось равным 5. к На рис.3.4 показаны в качестве примера графические зависимости контактной прочности двух разновидностей песчаников ( Рк = 1400 МПа и гк 1800 МПа) от степени их напряженности. Графики построены в осях гк и К= ое/[ ос к]; где б - текущее значение напряжений в испытуемом образце; [ сж] - предел прочности материала образца на одноосное сжатие.
Анализ результатов,приведенных на рис.3.4, показывает, что зависимость контактной прочности песчаников, извлеченных из разгруженного массива, от степени напряженности имеет сходственный характер и описывается нелинейным законом.
В процесе экспериментов установлено, что при достижении напряжениями в образце величин, приближающихся к пределу прочности материала ( К = 0,7-0,8), наступает неустойчивое состояние породы, которое приводит к интенсивному ее разрушению даже при незначительных воздействиях индентора. В целом, график полученной зависимости имеет крутопадающий характер.
Иной характер изменения зависимости г от степени напряженности породы наблюдается для образцов, выбуренных из напряженных выбросоопасных массивов (рис.3.5). Контактная прочность пород составляет 1050 МПа и 1480 МПа. Полученный вид зависимости объясняется тем, что выбросоопасные породы в условиях их естественного залегания подвержены действию значительных напряжений и имеют нарушения сплошности. Поэтому образцы горной породы, поме P Зависимости показателей г от степени напряженности образцов,выбуренных из разгруженного массива в камеру высокого давления, имеют максимальную контактную прочность при некотором значении воздействующих на них внешних сил. Так, например, максимальные значения Р исследуемые образ-цы песчаников приобретают при напряжениях, находящихся в интервале от 0,25 до 0,45 предела прочности материала на одноосное сжатие. Характер зависимостей, приведенных на рис.3.5, объясняется тем, что при воздействии напряжений происходит закрытие имеющихся в породе различных трещин. Образцы становятся более плотными (приближаются к монолиту), и контактная прочность их повышается. Это подтверждается исследованиями и других авторов / 8,73,104 /.
Такое монотонное увеличение контактной прочности песчаника происходит до тех пор, пока значения наводимых в нем напряжений не достигнут величин 0,25-0,45 предела прочности материала на одноосное сжатие. При дальнейшем росте напряжений в образце происходит образование новых трещин, в результате чего контактная прочность породы снижается.
При увеличении прикладываемой к образцу нагрузки до значений напряжений в нем, равных 0,75 и более предела прочности породы на одноосное сжатие, происходит интенсивный рост трещин, нарушается целостность структуры материала и в результате этого, значительно уменьшается контактная прочность пород. Обобщенные результаты исследований приведены на рис.3.6 (сплошные линии) в виде графических зависимостей Рк/ к =/( ) з графиков видно, что зависимость относительной контактной прочности от напряженного состояния горных пород имеет ярко выраженный максимум, который с увеличением количества нарушений сплошности материала уменьшается по величине и сдвигается в сторону больших значений коэффициента напряженности.
Влияние показателей сопротивляемости напряженных пород на силовые параметры исполнительного органа комбайна
С целью изучения влияния распределения показателей сопротивляемости пород разрушению по поверхности забоя выработки на силовые параметры исполнительного органа был выполнен расчет и построены графические зависимости, отражающие характер изменения боковых усилий Р , усилий подачи Р и усилий перекатывания Р , действующих на дисковые шарошки проходческого комбайна КРТ. Эти зависимости построены для инструмента конического расширителя и секторов торовой части исполнительного органа.
При определении значений Рх, Р и г в расчетных формулах (3.33-3.35) использовались величины контактной прочности, соответствующие реальному распределению этого показателя по поверхности забоя выработки на 246 м первого западного полевого откаточного штрека, проводимого комбайном KFT.
Принцип построения графических зависимостей, отражающих изменение усилий Р , Р , Р за один оборот исполнительного ор-гана, заключается в следующем. На схему распределения показателей контактной прочности по поверхности комбайнового забоя (рис.4.4), наносились линии резания шарошек конического расширителя и центральной торовой части, перемещаясь по которым и производился съем фактических значений показателей контактной прочности, используемых в расчетных формулах. За начало отсчета принято исходное положение шарошек, соответствующее расположению их в верхней части забоя на линии вертикального диаметра выработки.
Перемещение по линиям резания производилось против часовой стрелки и соответствовало направлению вращения исполнительного органа комбайна.
В качестве примера, иллюстрирующего характер изменения усилий Р , Р , Р , произведен расчет их значений для трех шарошек конического расширителя .11 = 1810 мм, I = 1992 мм и Z =2190 мм) и трех шарошек центрального сектора торовой части исполнительного органа комбайна КРТ. На график расчетные точки наносились через 30. На рис.4.5 представлены графики изменений усилий Р , Р , ос у Р для дисковых шарошек конического расширителя, на рис.4.6 для шарошек торовой части исполнительного органа.
Анализ данных (рис.4.5) показывает, что изменение усилий, прикладываемых к забою породоразрушающим инструментом, соответствует колебаниям показателей сопротивляемости напряженных пород механическому разрушению. Перепад значений г , Ру и Pg для шарошек конического расширителя, работающих в четвертой и седьмой линиях резания С Ч ц = 1992 мм, %7 = 2190 мм), за один оборот исполнительного органа достигает 18-20 %. При этом усилия подачи Ру , действующие на забой, изменяются в пределах 42-51 кН для четвертой и 41-50 кН для восьмой шарошек конического расширителя. Колебание величин нагрузок на породоразрушающем инструменте периферийной части исполнительного органа происходит с одинаковой частотой.
Характер изменения усилий Р %Р и Р на одиночных ша-рошках (1,2,3) центрального сектора показан на рис.4.6.
Анализ графиков свидетельствует о том, что периферийная шарошка I (рис.4.6, кривая I) центрального сектора исполнительного органа, разрушающая породу на границе торовой и конической части забоя, воздействует на массив с усилиями Р , Ри и Р„ , вели-чина которых в процессе обкатывания инструмента изменяется в среднем на 14-16 %. Характеры изменения значений Р , Р и Р для периферийной шарошки центрального сектора и шарошек конического расширителя совпадают.
На рис.4.6 (кривые 2,3) приведены графики изменения усилий бокового, перекатывания и подачи, действующих на шарошки 2 и 3 центральных секторов. Анализ зависимостей (рис.4.6, кривые 2,3) показывает, что максимальный перепад усилий Рх , г и Р составляет до 16 %, колебание их происходит с частотой, отличающейся от частоты колебаний соответствующих параметров на шарошке I (рис.4.6, кривые I) и полностью соответствует характеру распределения показателей контактной прочности по поверхности забоя.
Таким образом, исследования силовых параметров процесса разрушения с учетом изменения прочностных показателей естественно напряженных пород позволили установить следующее:
- силовые параметры процесса разрушения горного массива исполнительным органом комбайна зависят от контактной прочности пород, изменение которой обусловлено напряженным состоянием массива;
- в процессе работы комбайна динамическая нагруженность конического расширителя и центральной торовой части исполнительного органа помимо других факторов обусловлена перепадом величин естественных напряжений по забою проходимой выработки.
