Введення

            Цілі та завдання

            Актуальність і наукова новизна теми

            Основний зміст

                        Визначення коефіцієнта крiпостi (опірності) гірської породи

                        Акустичні параметри гірських порід

            Висновок

            Список літератури

 

ВВЕДЕННЯ

            Вугільна промисловість України є основою паливно-енергетичного комплексу країни, а основним вугледобувним регіоном країни є Донбас. Вугілля використовується в теплоенергетиці, металургіній та хімічній промисловості і для комунальних потреб.

            В умовах переходу країни до ринкової економіки потрібна стабільність роботи вугільної промисловості і нарощування вуглевидобутку. Цьому буде сприяти поліпшення умов праці шахтарів, підвищення продуктивності і машинного часу вугледобувного комплексу, зниження собівартості готової продукції, а також поліпшення якості вугілля і збільшення обсягу його збагачення.

Цілі та завдання:

            Найважливішим завданням вугільної промисловості є подальше технічне переозброєння та реконструкція шахт Донбасу на базі передової техніки і технології видобутку вугілля. Для цих цілей необхідно переозброєння вугільних шахт, розробка й освоєння виробництва машин для комплексної механізації очисних робіт та проведення гірських виробок; забезпечення приросту обсягу видобутку в основному за рахунок підвищення продуктивності праці.

Мета дипломного проектування:

            Створення електронної системи визначення коефіцієнта опірності вугілля різанню для контролю швидкості подачі вугільного комбайна.

Постановка завдання:

            Розробити електронну систему визначення коефіцієнта опірності вугілля різанню і залежно від чисельного значення даного коефіцієнта регулювати швидкість подачі вугільного комбайна.

Актуальність і наукова новизна теми:

            В даний час швидкість подачі вугільного комбайна, майже у всіх випадках, контролюється вручну. Для підвищення продуктивності і машинного часу вугледобувного комплексу необхідно в процесі його роботи враховувати мінливість коефіцієнта опірності вугільного пласта різанню. З цією метою в даний час маркшейдерські служби шахт згідно плану ведення гірських робіт виконують заміри ділянок неоднорідності вугільного пласта з подальшим обчисленням коефіцієнта опірності. На підставі цих відомостей встановлюється діапазон зміни швидкості подачі вугледобувного комбайна. У випадку якщо ріжучий інструмент наткнеться на тверду породу і його швидкість подачі не буде змінена, він швидко зношуватиметься, також це призводить до втрат видобутку і до зменшення швидкості просування лінії забою.

Рисунок 1 – Комбайн очисний узкозахватний Кузбас 500Ю

 

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Визначення коефіцієнта крiпостi (опірності) гірської породи:

            Шкала Протод'яконова – шкала коефіцієнта кріпості гірської породи. Розроблена на початку XX століття Протод'яконовим М.М. Є однією з перших класифікацій порід, грунтується на вимірюванні трудомісткості їх руйнування при добуванні.

Таблиця 1 – Коефіцієнт крiпостi f за шкалою проф. М.М. Протод'яконова

Категорія	Ступінь крiпостi	Порода	f
I	Надзвичайно міцні породи	Найбільш міцні, щільні і в'язкі кварцити і базальти. Виняткові по крiпостi інші породи.	20
II	Дуже міцні породи	Дуже міцні гранітні породи: кварцовий порфір, дуже міцний граніт, крем'янистий сланец, менш міцні, ніж вказані вище кварцити. Найміцніші пісковики і вапняки.	15
III	Міцні породи	Граніт (щільний) і гранітні породи. Дуже міцні пісковики і вапняки. Кварцові рудні жили. Міцний конгломерат. Дуже міцний залізняк.	10
IIІ (а)	Те ж саме	Вапняки (міцні). Неміцний граніт. Міцні пісковики. Міцний мармур, доломіт. Колчедани. Звичайний пісковик.	8
IV	Досить міцні породи	Залізняк. Піскуваті сланци.	6
IV (a)	Те ж саме	Сланцевi пісковики.	5
V	Середні породи	Міцний глинистий сланец. Неміцний глинистий сланец і вапняк, м'який конгломерат.	4
V (a)	Те ж саме	Різноманітні сланци (неміцні). Щільний мергель.	3
VI	Досить м'які породи	М'який сланец, дуже м'який вапняк, крейда, кам'яна сіль, гіпс. Мерзлий грунт: антрацит. Звичайний мергель. Зруйнований пісковик, зцементована галька і хрящ, кам'янистий грунт.	2
VI (a)	Те ж саме	Міцне кам'яне вугілля.	1,5

            Протод'яконів припускав покласти подібну класифікацію в основу оцінки праці робочого при здобичі вугілля і руд, нормування праці. Він вважав, що при будь-якому методі руйнування породи і способі її здобичі, можливо оцінити породу по усередненому коефіцієнту добиваємості. Якщо один з двох типів порід більш трудомісткий при руйнуванні, наприклад, енергією вибуху, то порода буде міцнішою при будь-якому процесі її руйнування, наприклад, зубком комбайна, лезом головки бура при бурінні і т.д.

            При розробці подібної шкали М.М. Протод'яконів ввів поняття крiпостi гірської породи. На відміну від прийнятого поняття міцність матеріалу, оцінюваною по одному з видів напруженого її стану, наприклад, тимчасовому опорі на стиснення, на розтягування, на кручення і т.д., параметр «крiпость» дозволяє порівнювати гірські породи по трудомісткості руйнування, по добиваємості. Він вважав, що за допомогою цього параметра можливо оцінити сукупність діючих при руйнуванні породи різних за характером напруг, як це має місце, наприклад, при руйнуванні вибухом.

            М.М. Протод'яконів розробив шкалу коефіцієнта крiпостi породи. Одним з методів визначення цього коефіцієнта було запропоновано випробування зразка породи на його міцність на стиснення в кг/см2, а значення коефіцієнта визначалося як одна сота тимчасового опору на стиснення. Цей метод досить добре корелює з шкалою крiпостi, запропонованою М.М. Протод'яконовим для порід різної крiпості вугільної формації, порід середньої крiпостi, але мало придатний при визначенні цим методом коефіцієнта крiпості дуже міцних порід. Шкала крiпості обмежується коефіцієнтом 20, тобто породами з тимчасовим опором на стиснення 2000 кг/см2, а у зливного базальту, наприклад, цей параметр рівний 3000 кг/см2. Проте, в Радянському Союзі шкала крiпостi М.М. Протод'конова мала широке застосування при оцінці трудомісткості руйнування гірської породи і використовується до теперішнього часу. Вона зручна для відносної оцінки крiпостi гірської породи при її руйнуванні за допомогою буропідривних робіт.

            Коефіцієнт крiпостi порід по М.М. Протод'яконову розраховується по формулі:

fкр = 0.1σсж (1),

де σсж - межа міцності на одноосне стиснення (МПа).

            Опірність різанню вугільних пластів в умовах Донбасу розподілена по усіченому нормальному закону [2] (математичне очікування 173 Н/мм; середньоквадратичне відхилення 70,5 Н/мм). Вугілля більше 50% пластів в'язкий, тому в подальшому аналізі показник ступеня крихкості вугілля Е був прийнятий рівним 1,65. Розподіл вірогідності тимчасових опорів одноосному стисненню вміщаючих порід вугільних пластів Донбасу приведений в табл. 2 [3].

Таблиця 2

σсж, МПа	Доля, %	Прийнята доля, %
10–40	26–40	26
40–70	45–50	49
70–100	15–21	21
100–120	1–4	4

Рисунок 2 – Принцип визначення коефіцієнта опірності вугілля різанню

(анімація: 100Кбайт, 18 кадрів, 7 циклів; для запуску відновите сторінку)

            Там же приведені середні значення вірогідності для інтервалів, прийняті з урахуванням того, що із збільшенням глибини залягання пластів є тенденція до збільшення частки міцних вміщаючих порід [3]. Аналіз виду розподілу вірогідності тимчасових опорів одноосному стисненню вміщаючих порід дозволив припустити усічений (при σсж=10 МПа) нормальний закон розподілу з математичним очікуванням 55,7 МПа і середньоквадратичним відхиленням 23,3 МПа (див. рис. 3).

Рисунок 3 – Щільність розподілу тимчасових опорів одноосному стисненню вміщаючих порід вугільних пластів Донбасу (Україна)

            Для сумісного аналізу розподілу показників міцності вугілля і вміщаючих порід необхідне їх приведення до єдиного показника (таким показником прийнята контактна міцність) і знання співвідношення за об'ємом між вугіллям і породою в прохідницькому забої. Середня частка вугілля в прохідницькому забої визначалася з урахуванням запропонованої в роботі [4] імовірнісної оцінки умов експлуатації прохідницького комбайна. При характерних для поворотних різців, якими оснащуються виконавські органи сучасних прохідницьких комбайнів, параметрах зрізу з умови рівності питомих енерговитрат з використанням [5, 6] була отримана залежність опірності різанню вугілля Ap від контактної міцності породи pк: Ap = 1,79pк. Також використовувалася приведена в [7] кореляційна залежність тимчасового опору одноосному стисненню від контактної міцності:

σсж = 6,3(рк/9,8)0,6 (2)

            За допомогою цих залежностей був отриманий закон розподілу вірогідності контактної міцності руйнованої породи:

 (3)

де f1, f2 – функції розподілу вірогідності опірності різанню і тимчасового опору одноосному стисненню відповідно.

            На рисунку 4 проілюстровано приведення опірності різанню до контактної міцності по питомих енерговитратах (лінія 1) і приведення приватних функцій розподілу вірогідності (лінія 2) до єдиної функції (3).

Рисунок 4 – Приведення приватних функцій розподілу вірогідності показників міцності вугілля і породи до єдиної функції

            Аналіз приведеної функції розподілу вірогідності дозволяє зробити висновок, що в умовах Донбасу (Україна) мінімальна контактна міцність близько 20–50 МПа, максимальна – до 1300–1400 МПа, велика частка слабких порід: близько 50% порід має контактну міцність до 300 МПа.

 

Акустичні параметри гірських порід:

            Акустичні параметри гірських порід залежать від физико-механічних властивостей, складаючих мінералів, пористості, а також структури, стану, температури і інших внутрішніх та зовнішніх чинників. Коефіцієнт затухання акустичної хвилі збільшується із зростанням частоти із-за розсіювання на кристалах, проте чіткої функціональної залежності не встановлено. В основному залежність лінійна, для гранітів в інтервалі частот 10-1000 КГц - квадратична. У осадкових породах коефіцієнт затухання дорівнює 1,3-2 м⁻¹ для поперечних хвиль, він в 1,1-2 рази більше коефіцієнта затухання подовжніх хвиль, але у високопластичних вологих глин і водонасичених пісків ця відмінність може досягати 5 і більше разів, оскільки в рідині сдвіговi хвилі не розповсюджуються. Затухання пружних хвиль обмежує базу контролю, проте сприяє виділенню в акустичному сигналі в сукупності різних типів хвиль тільки тих з них, які резонують з блоковими і плоськопараллельнимі структурами масиву. У акустичному хвилеводі можна порушити безліч резонуючих мод, з довжинами хвиль що відрізняються номером n.

λ = λкр = vn/2a, (4)

            Із збільшенням n амплітуда моди, як правило, зменшується, тому істотний вплив на хвильову картину роблять в основному перша та друга моди. Це підтверджується і експериментальними даними. У разі зіставлення амплітуд першої і другої моди нормальних поперечних хвиль можлива помилкова інтерпретація аналізу спектрограм акустичних імпульсів, оскільки по спектрограмі неможливо визначити, яким модам відповідають пiки спектральної щільності.

Для виключення неоднозначності слід враховувати, що:

• для того, щоб плоскопараллельний шар порід виступав як акустичний волновод, база прослуховування повинна бути не менше товщини шару;

• із збільшенням бази прослуховування відношення амплітуд вищих мод до амплітуди першої моди зменшуються;

• з пониженням верхньої межі частотного діапазону вимірювання розширюється діапазон можливих баз прослуховування, в межах якого реєструється тільки перша мода нормальних резонансних коливань, а його межі зміщуються у бік збільшення абсолютного значення.

            Наприклад, при прослуховуваннi бетонних конструкцій із застосуванням фільтру низьких частот з частотою зрізу 4 КГц перша мода нормальних резонансних коливань реєструється для плит завтовшки не менш 0,5 м, друга мода – для плит завтовшки не менш 1 м (рис. 5, цифрами позначені номери мод). Таким чином, пік спектральної щільності нормальних хвиль на частоті до 4 КГц при базі прозвучиванія до 1 м однозначно відповідає першій моді.

            По взаємному розташуванню випромінювача та приймача акустичних коливань схеми глибинного контролю аналогічно електрометрії [1] підрозділяються на: векторні, квадропольні, кругової профілізації, лінійного і кругового зондування, змішані або їх окремі випадки і модифікації. По аналогії з методами контролю електрометрії запропоновані і апробовані наступні методи віброакустічеського контролю: подовжнього і взаїмноперпендікулярного профілізації на одній або різних рівновеликих базах; вертикального акустичного зондування з трьома можливими варіантами (зсув ударника, зсув приймача, зсув ударника і приймача одночасно і симетрично); кругового зондування. Подовжня акустична профілізація також виконується в трьох варіантах, а саме: напрями бази і профілізації співпадають; напрями бази і профілізації взаїмоперпендікулярни; напрями бази і профілізації розташовані під кутом, наприклад, профіль направлений уздовж вироблення, а прослуховування проводиться уздовж або перпендикулярно шаруватості порід, не співпадаючого з напрямом вироблення. Подовжня акустична профілізація може виконуватися уздовж криволінійного профілю, наприклад, уздовж арочної крепі. Детальність контролю визначаються гірським завданням і конкретними гірничо-геологічними умовами, їх мінливістю. Вертикальне акустичне зондування по своєму завданню співпадає з вертикальним електричним зондуванням, проте істотно відрізняється не тільки по фізичній суті процесів, що відбуваються, але і по методиці його проведення та інтерпретації результатів вимірювань.

 

Рисунок 5 – Зони акустичної чутності нормальних резонансних мод з використанням октавних проникних фільтрів низьких частот для плоскопараллельних структур різних матеріалів (частоти зрізу фільтрів позначені горизонтальними суцільними лініями): а) бетон; б) аргилліт; в) гіпс; г) залізо

 

ВИСНОВОК

            Визначення коефіцієнта опірності вугілля різанню, отже, і оптимальної швидкості подачі вугільного комбайна дозволить підвищити продуктивність вугледобувного комплексу, безпеку роботи, збільшити термін експлуатації ріжучих органів. Також це зробить вагомий внесок у розвиток автоматизованих систем видобутку вугілля. 

На даному етапі робота знаходиться в розробці. Закінчення роботи планується в грудні 2009 р.

 

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Глушко В.Т., Ямщіков В.С., Яланський А.А. Геофізичний контроль в шахтах і тунелях. – М.: Недра, 1987. – 278 с.

2. Методика оцінки і класифікації показників разрушаємості вугільних пластів основних басейнів СРСР. Частина 1. – М.: ІГД ім. А.А. Скочинського, 1978. – 47 с.

3. Кошелев К.В., Петренко Ю.А., Новіков А.О. Охорона і ремонт гірських вироблень. – М.: Недра, 1990. – 218 с.

4. Семенченко А.К., Хиценко Н.В. Оцінка ефективності способів регулювання навантаження привіда різання комбайна типа П110 в умовах Донбасу//Вісті Донецького гірничого інституту. – 2004. – № 2 – С. 109–115.

5. ОСТ 12.44.258 – 84. Комбайни очисні. Вибір параметрів і розрахунок сил різання та подачі на виконавських органах. Методика. – М., 1985. – 107 с.

6. ОСТ 12.44.197 – 81. Комбайни прохідницькі із стрілоподібним виконавським органом. Розрахунок експлуатаційної нагруженності трансмісії виконавського органу. Методика. – М., 1981. – 48 с.

7. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Губенков Е.К. Руйнування гірських порід прохідницькими комбайнами. – М.: Наука, 1968. – 218 с.

8. Семенченко А.К., Семенченко Д.А., Хиценко Н.В., Шабаев О.Е. – «Перспективи розвитку прохідницьких комбайнів».

9. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теорiя хвиль. – М.: Наука. Гол. ред. фiз.-мат. лiт., 1990. – 432 с.

10. Васючков Ю.Ф. Гірська справа. – М.: Недра, 1990.

11. Яцьких В.Г., Спектор Л.А., Кучерявий А.Г. Гірські машини і комплекси. – М.: Недра, 1984.

12. А.К. Порцевський. Підземна розробка вугільних родовищ. – М.: Навчальний посібник з курсу лекцій для студентів «Технологія і комплексна механізація підземної розробки родовищ корисних копалин», 1998 г.

 

                                                                                                      Вгору  

© ДонНТУ, Терещенко Олексій Сергійович, 2009