Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія:"Гірничо-електромеханічна". Випуск 99. - Донецьк: ДонНТУ, 2005

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОМОЩИИ ГИДРОСТРУЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Бреннер В.А., докт. техн. наук, проф., Жабин А.Б., докт. техн. наук, проф., Пушкарев А.Е. докт. техн. наук, доц.

За последние несколько лет на кафедре геотехнологий и геотехники сложилось научное направление по решению проблем, связанных с исследованием, разработкой и совершенствованием гидроструйных технологий для различных отраслей народного хозяйства, в том числе и горной промышленности.

Гидроструные технологии основаны на использовании энергии высокоскоростных струй воды, которые, вырываясь из струеформирующего устройства под большим давлением (до 300 МПа, а иногда и выше), взаимодействуют с материалом и создают в нем напряжения, соизмеримые и даже превышающие пределы прочности, осуществляя таким образом работу по его разрушению самостоятельно или в комбинации с другими воздействиями (например, с механическими). Высокоскоростные струи являются универсальным режущим и обрабатывающим (очистка и удаление нарушенного или инородного слоя мптериала и его полировка) иинструментом (свыше 1500 таких систем используют более чем в 30 странах мира в высокотехнологичных отраслях и машиностроении [1]) и могут быть применены в частности для разрушения углей и горных пород.

Большое количество появившихся в последнее время разработок, направленных на расширение области применения гидроструйных технологий, свидетельствует о возрастающей популярности струй как инструмента, что обусловлено с одной стороны их достоинствами (отсутствие пыли или ее минимальное количество; высокая скорость резания или обработки; отсутствие притупления и износа инструмента, а также термических напряжений в обрабатываемом материале и, как следствие, исключение возникновения опасности пожара; низкий уровень реактивных нагрузок, что позволяет изготавливать технологический инструмент небольшой массы, а системы его перемещения достаточно простыми и надежными), а с другой – возросшим общим уровнем техники. Причем, если для высокотехнологичных отраслей промышленности характерен поиск технологий на основе пока еще экзотических криогенных струй и струй воды с частицами льда , а также струй сжиженных газов, то для традиционных отраслей, в том числе горнодобывающей и подземного строительства, перспективным является использование водяных и гидроабразивных струй (струй воды с частицами абразива) [2].

Особое место среди гидроструйных технологий, используемых в горнодобывющей промышленности, занимает гидромеханический способ разрушения горных пород [3,4], основанный на комбинации механического резцового или шарошечного инструмента с высокоскоростной струей воды (сущность способа заключается в том, что струя воды, ориентированная тем или иным образом относительно механического инструмента обеспечивает в основном снижение его нагруженности) и являющийся базой при создании гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов с целью расширения области применения последних для разрушения более крепких пород или повышения их производительности. Необходимо отметить, что промышленные испытания гидромеханического исполнительного органа, проведенные при нашем участии на каменном карьере Суворовского филиала фирмы АКДОРОС (Тульская область), открывают возможность использования такой техники и на открытых горных работах при разработке, например, известняка с целью получения из него природного отделочного камня или щебня, что в последнем случае существенным образом позволит сократить объемы буровзрывных работ и дробления.

Наиболее перспективными являются исполнительные органы со встроенным в режущую коронку преобразователем (повысителем) давления и автономным источником воды высокого давления (преобразователем давления с приводным насосным блоком или насосом высокого давления), размещенным на раме комбайна или в выработке [3,4] . При этом оба исполнительных органа имеют зонную подачу высоконапорной воды к режущему инструменту в зависимости от того, какая часть его контактирует с забоем. Если в исполнительном органе со встроенным в режущую коронку преобразователем давления зонная подача воды осуществляется на участке гидросистемы с низким давлением рабочей жидкости (до 25 МПа), то на исполнительном органе с автономным источником воды высокого давления используется специальное устройство управления зонным распределением воды высокого давления, состоящее из гидроуправляемых клапанов. Фирмой “НИТЕП” при участии ННЦ ГП – ИГД им. А.А. Скочинского и Тульского государственного университета были разработаны и изготовлены экспериментальные и опытные образцы таких исполнительных органов, испытания которых подтвердили их эффективность.

Теоретические и экспериментальные исследования различных схем гидромеханического способа разрушения горных пород [3,4] позволили раскрыть особенности и механизм разрушения горных пород, установить расчетные зависимости для определения силовых и энергетических показателей процессов, а также рациональных параметров разрушения, инструмента и его ориентации и предложить методы расчета и проектирования (в том числе и оптимального) гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов избирательного действия. Особенность данных исследований заключается в том, что здесь, в частности, впервые (по крайней мере в области гидромеханического разрушения горных пород) использованы современные представления о разрушении материалов, а именно: методы механики разрушения, рассматривающей разрушение как процесс распространения трещины. Кроме того, при разработке методов расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов с автономным источником воды высокого давления учитывались установленные закономееских колебаний воды в гидросистеме высокого давления исполнительных органов проходческих комбайнов в зависимости от ее параметров и режимов работы, а также компоновки последних, обусловленной взаимным расположением источника воды высокого давления, устройства управления ее зонным распределением и режущей коронки, позволившие выявить их наилучшие конструктивные решения, исключающие в частности резонансные явления в гидросистеме [5].

Гидроабразивное резание горных пород основывается на совместном воздействии на материал непрерывных высокоскоростных струи воды и абразивных частиц, находящихся внутри этих струй [2]. В результате такого воздействия в породе прорезается щель определенной глубины и ширины. Причем, глубина щели в этом случае в 5-8 раз превышает глубину щели, получаемую при резании обычными высокоскоростными струями воды без добавления абразивного компонента.

Выполненные нами экспериментальные исследования по резанию горных пород различной крепости гидроабразивным инструментом (резаком) позволили разработать методику расчета его основных параметров, а теоретические исследования заключались в построении как простейшей математической модели, основанной на энергетическом принципе и установлении соотношения между объемной скоростью удаления (разрушения) породы и энергией, подводимой с гидроабразивным потоком, так и более сложных моделей процессов формирования гидроабразивной струи и эрозии горных пород [2[. Одна из главных теоретических задач, которую ставили перед собой авторы, заключалась в создании численного метода, позволяющего связать плотность, объем и скорость подлетающей абразивной частицы, а также прочность пород с возможностью появления и величиной трещин, а также их слияния. То есть, необходимо было определить характеристики процесса удара, при которых происходит частичный выкол поверхности, и рассчитать объем отколовшейся части. А зная частоту и поверхностную плотность ударов, нетрудно подсчитать и скорость эрозии. Многие теоретические положения указанных процессов, кстати сказать сформулированные на основе тщательного анализа существующих подходов к решению их как в фундаментальных, так и прикладных науках, являются новыми.

В качестве примера использования гидроабразивных струй на практке нами предложена.технологическая схема проходки подземной выработки, основанная на нарезании гидроабразивным резаком в породном массиве щелей с последующим скалыванием межщелевых целиков механическим инструментом [6]. Вариант конструктивного выполнения проходческого комбайна, реализующего предложенную схему, представлен на рис. 1, а. Базовая машина представляет собой комбайн 1 с комбинированным породоразрушающим исполнительным органом в виде двухповоротного трехзвенного манипулятора 2, оснащенного агрегатированным с преобразователем давления гидроабразивным резаком 3 (рис.2), и гидроударником 4. Комбайн также оснащен погрузочным устройством 5 и блоком привода 6 ходовой части и исполнительного органа. Приводной насосный модуль источника воды высокого давления, модуль подачи воды, подготовки и подачи абразива, а также энергоблок и блок автоматики источника воды высокого давления размещаются в выработке на некотором удалении от комбайна и на рис.1, а условно не показаны. Доставка рабочих жидкостей (вода и масло) и абразива осуществляется по гибким рукавам 7. Манипулятор (рис.1, б) выполнен с возможностью кругового поворота первого звена 8 относительно оси выработки О1. При этом осуществляется переносное движение звеньев второго 9 и третьего 10 звена относительно оси О2. В результате инструмент описывает спираль в плоскости забоя (рис. 1, в) с вершиной на оси выработки. При этом гидроабразивный резак нарезает щель (рис. 1, г), а ударник, движущийся с фазовым отставанием, скалывает межщелевые породные целики (рис. 1, д) с высотой равной глубине прорезанной щели h и шириной B равной шагу спирали. Учитывая тот факт, что при работе гидроабразивных резаков и гидроударников нет необходимости в реализации значительных усилий на исполнительном органе, комбайн будет иметь облегченную конструкцию и небольшие габариты.

Рис. 1. Проходческий комбайн с гидроабразивным резаком: а- схема комбайна с комбинированным породоразрушающим исполнительным органом; б- двухповоротный трёхзвенный манипулятор; в- траектория движения инструмента по спирали; г- нарезание щели гидроабразивным резаком; д- скалывание межщелевых целиков ударником

Рис. 2. Гидроабразивный резак, агрегатированный с преобразователем давления: I – полость высокого давления; II и III – штоковая и поршневая полости соответственно; 1,12 и 13 – корпус; 2 и 3 напорный и всасывающий клапаны соответственно; 4 – цилиндр высокого давления; 5 – уплотнения высокого давления; 6 – шток; 7 поршень; 8 – промежуточный корпус; 9 – уплотнения низкого давления; 10 – корпус распределителя; 11 шпильки; 14 – струеформирующая насадка; 15 камера смешивания воды с абразивом; 16 – коллиматор (фокусирующая труба); 17 – трубопровод подвода абразива; 18 – распределительная гильза; 19 – гидродвигатель; 20 и 22 – звездочка; 21 – цепная передача; 23 – цапфа; 24 и 25 - напорный и сливной трубопроводы соответственно; 26 – трубопровод системы взвода; 27 – дренажный трубопровод; 28 - кожух

Разработанная технологическая схема и идея конструктивного исполнения комплекта оборудования принята за основу фирмой «НИТЕП» и используется при разработке проходческой техники.

Широкое использование гидроструйных технологий предполагает наличие эффективного и надежного высоконапорного гидравлического оборудования. С учетом анализа опыта создания такого оборудования для реализации гидроструйных технологий нами разработана схема компоновки, основной отличительной особенностью которой является исполнение преобразователя давления в едином агрегате с технологическим инструментом – гидроабразивным резаком (см. рис. 2) [2] . Такая схема компоновки позволяет отказаться от использования протяженных рукавов высокого давления и свести до минимума потери гидравлической мощности, т.е. в качестве гидравлических параметров инструмента могут приниматься выходные характеристики источника воды высокого давления, что в значительной степени упрощает процедуру принятия конструктивных решений и подбора оборудования.

Впервые схема компоновки источника воды высокого давления со встроенным в технологический инструмент преобразователем давления была реализована нами совместно с ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского при создании гидромеханического исполнительного органа для серийно выпускаемого проходческого комбайна 1ГПКС.

Вместе с тем встраивание преобразователя давления в конструкцию конкретного инструмента ограничивает область его применения рамками данного технологического процесса, тогда как существуюет необходимость в разработке универсального источника воды высокого давления, для которого, как раз, характерно исполнение автономного преобразователя давления, независящего от конструкции инструмента и особенностей технологического процесса в целом. В связи с этим совместно ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского и фирмой “НИТЕП” разработана конструкция универсального источника воды высокого давления, в которой преобразователь давления, приводная насосная станция, фильтр очистки воды, подпиточный водяной насос и электрический пульт управления смонтированы на единой раме и образуют автономный агрегат [6].

На основании установленных закономерностей процесса гидроабразивного резания горных пород разработаны параметрический и типоразмерный ряды источников воды высокого давления, представленные в табл.1.

Таблица 1
Параметрический и типоразмерные ряды источников воды высокого давления

Параметрический ряд источников воды высокого давления (см. табл.1) образован из восьми исполнений преобразователя давления (по признаку кратности преобразуемого низкого давления масла в высокое давление воды - коэффициенту мультипликации) и шести типоразмеров приводных насосных станций (в зависимости от мощности привода).

Таким образом, значения выходных параметров источников воды высокого давления (давления и расхода высоконапорной воды) определяют его типоразмер. Кроме того, реализованный блочный принцип позволяет достигнуть требуемых значений выходных параметров за счет сочетания различных типоразмеров приводных насосных станций и преобразователей давления, которые выполнены с возможностью замены гидромультипликаторов по исполнениям.

Новые технические решения высоконапорного гидравлического оборудования, заключающиеся в разработке преобразователей давления агрегатированных с гидроабразивным резаком и режущей коронкой проходческого комбайна и универсальных источников воды высокого давления с автономным преобразователем яваляются важным шагом в направлении создания и совершеноствования такой техники. Это тем более актуально, что наличие широкой номенклатуры высоконапорного оборудования послужит тем фундаментом, который позволит обеспечить всесторонние исследования, разработку и скорейшее внедрение на российском рынке других гидроструйных технологий.

Список литературы

1. Summers D.A. Water Jet Technology. – Oxford: Alden Press, 1993. – 630 p.

2. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидроабразивное резание горных пород / В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. – М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2003. – 279 с.

3. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород./ В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. - М.: Изд-во АГН, 2000.- 343 с.

4. Гидроструйные технологии в промышленности. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов/ Н.М. Качурин, В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, М.М. Щеголевский, И.М. Лавит. - М.: Изд – во МГГУ, 2003. – 293 с.

5. Щеголевский М.М. Особенности компоновки гидравлических систем гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов с автономным источником воды высокого давления // Науч. сообщ. / ННЦ ГП – ИГД им. А.А. Скочинского. – М., 2003. - № 323. – С. 228 – 235.

6. Перспективы развития гидроструйных технологий в горно-добывающей промышленности и подземном строительстве/ В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев и др.// Горные машины и автоматика. – 2002. - № 5. – С. 2 – 10.