Авторы:
В.А. Мельников, Е.Н. Бойко, О.В. Федоров, Н.Г. Бойко.
Аннотация:
В работе рассмотрено разрушение крепкой горной породы типа песчаника очистными комбайнами в том случае, когда происходит полное или частичной замещение пласта этой породой.
Актуальность вопроса:
Разрабатываемые в настоящее время угольные пласты иногда замещаются пустой породой. В основном это крепкая горная порода с коэффициентом крепости по шкале проф. М. Протодьяконова не менее 8. И чем глубже залегают пласты, тем чаще происходит такое замещение пласта. В некоторых случаях чис- ло замещений пласта по длине лавы бывает и более одного. Длина замещения достигает 30 м. Добыча угля из таких лав происходит следующим образом. При подходе комбайна к месту замещения работы по добыче угля остана- вливаются. Производится бурение шпуров на глубину, как правило, двойной ширины захвата комбайна с последующим взыванием и очи- сткой от породы этого участка лавы. Это процедура занимает до двух рабочих смен в сутки. В случае, когда таких замещений два или три по длине лавы, добыча угля может быть остановлена на сутки. В этой связи, создание такого режущего инструмента, который позволял бы производить выемку угля и породы существующими очистными комбайнами, является актуальным.
Проблема и ее связь с научными или практическими задача- ми.:
Попытки производить разрушение крепких пород замещения су- ществующим режущим инструментом (резцами радиального или тан- генциального типа) не дали положительного результата. Из-за боль- шой абразивности породы режущий инструмент довольно быстро выходит из строя – происходит его интенсивный износ. Основная причина этого явления заключается в том, что при разрушении мас- сива пласта (угля или породы) существующий режущий инструмент скользит задней гранью относительно неразрушенной части пласта. При этом на задней грани резца формируется усилие пропорциональ- ное сопротивляемости угля или породы резанию, точнее, разрушению и проекции площадки затупления задней грани резца на плоскость, перпендикулярную вектору скорости резания, рис. 1. Это обусловливает интенсивный износ режущего инструмента как радиального, так и тангенциального типа, рис. 2. Характерной особенностью износа резцов тангенциального типа при повороте их в процессе разрушения – образование «грибка», рис. 2,б. Регламентированный расход режущего инструмента для шахт Донбасса составляет до 26 резцов на 1000 тонн добытого угля [ 1 ]. Расход же режущего инструмента при разрушении крепких пород ни- какими документами не регламентируется. Это обусловлено тем, что при добыче угля современными очистными комбайнами допускается наличие пустой породы с коэффициентом крепости по шкале проф. М. Протодьяконова до 4 и по мощности не более 10 % от мощности пласта. Это в основном глинистые сланцы, аргиллиты и алевролиты. Поэтому, создание такого режущего инструмента, который обе- спечивал бы работу комбайна в лаве, как по углю, так и по крепкой породе, является актуальной и сложной научной задачей.
Анализ исследований и публикаций.:
Вопросу износа режущего инструмента горных машин посвящено очень мало работ. Среди из- вестных работ по этому вопросу - работы школы проф. М.Г. Крапи- вина [ 1 ], работы ИГД им. А.А. Скочинского [ 2, 3 ] (Россия) и неко- торые работы авторов этой статьи [ 4, 5 ]. Во всех указанных и др. ра- ботах, посвященных вопросу износа режущего инструмента, износ инструмента описывается детерминированными зависимостями с применением ряда поправочных коэффициентов, полученных экспе- риментально. Поскольку экспериментально практически возможно получение данных для ограниченных условий, следует полагать, что эти зависимости если и дают приемлемые результаты, то только для тех условий, в которых проведены экспериментальные исследования. Это, во-первых. И во-вторых, все разработки относятся к режущему инструмента типа «резец», который перемещаясь относительно нера- зрушенной части пласта, формирует на гранях, в основном, задней грани, силы трения скольжения. Это и является основной причиной интенсивного износа инструмента. Для разрушения крепких горных пород необходимо иметь такой режущий инструмент, у которого трение скольжения заменено трени- ем качения. Поскольку силы перекатывания инструмента значительно (примерно на порядок) меньше сил трения скольжения, надо пола- гать, что и износ такого режущего инструмента будет значительно меньше, а ресурс его, соответственно, больше.
Постановка задачи:
Задача повышения износостойкости (ре- сурса) режущего инструмента, обеспечивающего возможность одно- временной работы очистного комбайна (без замены инструмента) как по углю, так и крепкой горной породе, должна решаться, в первую очередь, с определения сил, формирующихся на гранях такого режу- щего инструмента при разрушении крепкой породы.
Изложение материала и результаты:
Результаты экспериме- нтальных тензометрических исследований процесса разрушения кре- пкой породы (песчаника) подтвердили гипотезу о том, что разруше- ние и крепких пород режущим инструментом горных машин проис- ходит «сколами», рис. 3. Силы, формирующиеся на гранях инструме- нта, имеют явно выраженный динамический характер с крутыми фронтами, как нарастания, так и спада. Пренебрегая малыми сколами, мгновенные значения усилий, формирующиеся на режущем инструменте с вращающейся режущей частью, и их линеаризации, рис. 4, представим в виде [ 5 ]: Распределение частоты длины сколов породы, по данным экспе- риментальных исследований, носит характер, близкий к закону Вей- булла, рис. 5. Распределение частоты или статистической вероятности сил, одновременно зависящих от ряда параметров, имеющих случайный характер, весьма близок к нормальному распределению, рис. 6. Спектральная плотность сил, формирующихся на гранях инст- румента, имеет явно выраженную частоту, равную 2…2,5 Гц, рис.7. Это означает, что на указанных частотах имеет место наибольшая ди- сперсия. Дисперсия сил на указанных частотах обусловлена скоро- стью движения режущего инструмента, т.е. частотный спектр сил обусловливается скоростью резания – с увеличением скорости реза- ния частотный спектр сил, надо полагать, будет увеличиваться..
Выводы и направление дальнейших исследований:
В дальней- шем необходимо проведение исследований по разрушению твердых пород при других параметрах режущего инструмента и параметрах резания, установление законов распределения вероятностей как сил, формирующихся на гранях резца, так и износа инструмента, а также их аналитического описания.
Список литературы:
1. Крапивин М.Г. Горные инструменты // М.Г. Крапивин, И.Я. Раков, Н.И. Сысоев. – 3-е изд. – М.: Недра, 1990. – 256 с.
2. Берон А.И. Исследование и выбор режущего инструмента для шнековых исполнительных органов / А.И. Берон, Е.З. Позин, В.В. Тон. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1969.
3. Протодьяконов М.М. Исследование хрупкости и пластичности углей / М.М. Протодьяко- нов // В кн. «Разрушение углей и пород». – М.: Углетехиздат, 1968. – С. 3 – 10.
4. Бойко Н.Г. Очистные комбайны для тонких пологих пластов / Н.Г. Бойко. – Донецк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2010. – 476 с.