Введение к работе
Актуальность работы. Тенденция развития современного горного производства подтверждает неуклонный рост общего объема добычи твердых полезных ископаемых механическим способом. Длительным опытом горных работ подтверждается эффективность механического разрушения углей и горных пород крепостью до 80-90 МПа и дальнейшее его развитие рассматривается как наиболее перспективное. Однако на современном этапе увеличение добычи достигается повышением энерговооруженности горных машин, что увеличивает их массу и габариты, а с ростом производительности повышается выход мелких классов и пыли в добытой горной массе.
Создание горных машин нового технического уровня, способных отделять полезное ископаемое от массива (добывать) заданного гранулометрического состава, с меньшими выделением пыли и энергопотреблением, возможно только с необходимым научным обоснованием, которое опирается на фундаментальные положения теории механического разрушения и глубокое понимание сущности процесса резания углей.
В создание классической экспериментально-статистической теории резания углей большой вклад внесли ученые А.И. Берон, А.С. Казанский, Б.М. Лейбов, З.И. Позин, М.И. Слободкин, В.Н. Гетопанов, А.Г. Фролов и многие другие.
Однако некоторые положения теории резания не согласуются с кинетической теорией трещинообразования при разрушении горных пород, а показатель сопротивляемости резанию углей является осредненной характеристикой по реализациям (нагрузкам по срезам), мощности пласта и длине лавы, что делает его более достоверным в общем, но и маскирует, а по сути ограничивает возможности поиска новых нетрадиционных направлений совершенствования собственно процесса резания. Поэтому необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования процесса резания для совершенствования методик расчетов, используемых при проектировании, конструировании и эксплуатации горных машин.
Исследование процесса резания углей резцами горных машин как последовательности элементарных сколов является новым, позитивным направлением в углублении теории резания и актуальным на современном этапе исследований взаимодействия резца с горным массивом.
Цель исследований - выявление закономерностей отделения угля от массива одиночным эталонным резцом при введении запаса потенциальной энергии в его привод для снижения динамических нагрузок, сокращения удельного расхода энергии и выхода мелких классов отделяемого угля, а также повышения точности оценки сопротивляемости угля резанию.
Задачи исследований:
1. Анализ процесса отделения угля от массива резцами горных машин.
2. Проведение теоретических исследований процесса отделения угля от массива последовательными сколами.
3. Проведение экспериментальных исследований зависимости сил резания на одиночном резце от объема гидроаккумуляторов в его приводе.
4. Обоснование рациональных параметров устройства для определения сопротивляемости углей резанию.
5. Обоснование области применения резцов с запасом потенциальной энергии в их приводе.
Метод исследований: в работе используется комплексный экспериментально-теоретический метод исследований, включающий анализ известных результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса резания углей; приборов для определения сопротивляемости резанию; теоретические исследования процесса резания углей последовательными элементарными сколами; экспериментальные стендовые исследования процесса резания углей одиночным эталонным резцом со спектральным анализом результатов.
Научная новизна:
1. Установлено экспоненциальное снижение среднего значения сил резания при отделении углей эталонным резцом при постоянной толщине среза на 10-15% с увеличением объема гидроаккумуляторов в его приводе.
2. Установлено снижение значений дисперсии нагрузки на одиночном резце с увеличением объема гидроаккумуляторов в его приводе, которое асимптотически приближается к минимальному значению, зависящему от трещиноватости, слойчатости и степени хрупкости угля.
3. Научно обоснована структура и параметры устройства для определения сопротивляемости угля резанию в шахтных условиях на принципе постоянного силового воздействия.
Защищаемые научные положения:
1. Экспериментально установлено, что среднее значение сил на одиночном резце при отделении угля от массива эталонными срезами уменьшается с увеличением объема гидроаккумуляторов в его приводе по экспоненциальной зависимости от значений, определяемых в режиме резания с постоянной скоростью, до значений, определяемых в режиме с постоянным силовым воздействием.
2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при отделении угля от массива эталонными срезами дисперсия сил на одиночном резце с увеличением объема гидроаккумуляторов в его приводе асимптотически снижается до минимальных (фоновых) значений, обусловленных трещиноватостью, хрупкостью угля, жесткостью резца и узла его установки.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается: результатами экспериментальных исследований резания угольных блоков эталонным резцом; достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований не менее 90%; непротиворечивостью выводов классическим теориям разрушения пород механическим способом.
Практическое значение работы состоит: в предложенных методиках выбора параметров устройства для определения сопротивляемости углей резанию и исполнительного органа выемочного модуля; в разработанном и изготовленном опытном образце устройства для определения сопротивляемости угля резанию в шахтных условиях.
Реализация результатов работы.
- приняты к использованию: в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт угля Сибирского отделения РАН; в институте «Печорниипроект» ОАО «Воркутауголь»;
- используются в учебном процессе в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» и его филиале (ВГИ, г. Воркута) при подготовке специалистов по направлению 130400 «Горное дело» по профилю «Горные машины и оборудование».
Личный вклад автора:
- Разработан способ и изготовлен стенд для определения сопротивляемости углей резанию при движении резца с «постоянным силовым воздействием» на массив.
- Проведены экспериментальные исследования по определению влияния потенциальной энергии в приводе резца на среднее значение и дисперсию сил резания, сформулированы научные положения.
- Разработано и изготовлено устройство для определения сопротивляемости углей резанию в шахтных условиях.
Апробация работы
Основные положения диссертации и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на ежегодном научном симпозиуме «Неделя горняка – 2010» (МГГУ, 2010), г. Москва; научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (ВГИ филиал СПГГИ (ТУ), 2009, 2010, 2011) г. Воркута.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 6 работ, в том числе 3 статьи в сборниках, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы
Диссертационная работа содержит 157 страниц текста, 63 рисунка, 7 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 наименований.
