Копание и резание горных пород

Характеристика буримости горных пород

Разработка горных пород и углей начинается с их разрушения и может осуществляться следующими способами:

механическим, когда рабочие органы сосредоточенным силовым воздействием рабочего инструмента (как правило, кли нообразной формы) непосредственно отделяют породу от мас сива. Энергоемкость способа (расход энергии на единицу объ--ема разрушенной породы) в зависимости от крепости породы, типа, размеров и крупности рабочего органа составляет 0,72— 6,12 МДж/м³;

гидравлическим, когда порода отделяется от массива напорной струей воды, подаваемой из гидромонитора, или когда порода со дна водоема вместе с водой всасывается земснарядом. Энергоемкость разрушения породы напорной струей составляет 1,44—14,4 МДж/м³, а при работе земснаряда она в 1,5—2 раза меньше (без учета транспортирования);

взрывным, когда породы разрушаются под давлением газов, выделяемых при воспламенении взрывчатых веществ. Энергоемкость только бурения 1 м взрывной скважины составляет 14,4—36 МДж/м³.

Применяют и комбинированные способы разрушения, например когда основное рыхление породы производится рыхлителем; а окончательное рыхление и захват разрушенной породы осуществляются механической лопатой, погрузчиком, скрепером, бульдозером или земснарядом.

Наибольшее распространение получил механический способ разрушения породы — до 85 % всего объема горных и земляных работ.

Механический способ разрушения прочных пород при малой (до 5 м/с) скорости силового воздействия называется статическим, тогда как вибрационное, ударное, высокоскоростное и импульсное разрушения — динамическими.

Большинство горных машин производит разрушение массива последовательным отделением стружки. Перемещение срезан ной породы по рабочему органу, а также скопления породы перед ним вызывают в ряде случаев значительные усилия со противления на рабочем органе, подчас более высокие, чем собственно от разрушения.

Копание — процесс отделения породы от массива (или от штабеля) — включает в себя резание, перемещение отделенной породы по рабочему органу (в частности, в ковшах экскаваторов) и трение рабочего органа о породу.

Резание — процесс отделения стружки от массива режу щей частью рабочего органа.

Рабочий орган перемещается чаще всего в двух направлениях. Одно из них — главное движение, при котором происходит отделение стружки, а другое, при котором изменяется толщина(ширина) стружки, является движением подачи. Скорость по дачи значительно меньше скорости главного движения, а соотношение этих двух скоростей определяет траекторию движения рабочего органа.

В одних случаях лезвие рабочего органа сначала перемещается в глубь горной породы, а затем движется вперед для отделения стружки (струг, скрепер, бульдозер), а в других — эти два перемещения осуществляются в течение всего процесса резания или большей его части (экскаваторы, бурильные машины). Усилия и рациональные режимы чаще подбираются экспериментальным путем.

Различают следующие условия резания: блокированное, полусвободное (полублокированное) и свободное.

При блокированном резании режущая часть рабочего органа разрушает породу передней и двумя боковыми режущими кромками, при полусвободном — передней и одной боковыми режущими кромками, при свободном — только передней режущей кромкой. Величина сопротивлений на рабочем органе при резании зависит от того, в каких условиях осуществляется резание. На практике чаще всего осуществляется полусвободное резание.

При отделении стружки от массива возникают следующие со противления.

1. В направлении по касательной к траектории главного движения рабочего органа действует сила

где Р_Р, Р_Т и Р_п — составляющие касательной силы сопротивления копанию; Р_Р — сила сопротивления внедрению передней грани рабочего органа в породу, зависящая от ширины и толщины стружки, геометрии рабочего инструмента и категории породы. Силу Р_р принято оценивать по величине коэффициента сопротивления породы резанию K_f и площади стружки

t и b —соответственно толщина и ширина стружки; Р_т — сила сопротивления трению рабочего органа о по роду; возрастает с ростом усилия подачи, необходимого для заглубления (особенно затупленного) рабочего органа в по роду; Р_п — сила сопротивления от перемещения по роды вдоль или поперек грани рабочего органа или от перемещения (волочения) призмы породы впереди рабочего органа, а также сопротивления от заполнения рабочего органа породой.

В зависимости от вида и состояния породы, а также угла резания отделяемая клиновидной частью режущего органа стружка имеет различную форму. В пластичных по родах острые кромки отделяют сливные стружки, поступающие в ковш в виде неразделенного на входе потока. С увеличением крепости породы, а также угла резания и затупления кромок возрастает степень дробления стружки, апроходимость ее в ковш ухудшается. И наконец, в малосвязных сыпучих породах разрушенная при резании часть стружки (небольшая в связных породах) или вся стружка (в малосвязных породах) образует перед рабочим органом призму волочения, величина которой зависит от траектории движения.

При существенном наклоне траектории (более 45°) призма сползает в ковш, образуя «шапку» при отрыве рабочего органа от забоя. При горизонтальной траектории в малосвязных сухих и взорванных породах объем призмы волочения может достигать 0,5 Е (Е- объем или вместимость рабочего органа), а в связных крепких породах до (0,15…0,2) Е. По достижении предельных для данных условий размеров призмы излишек по роды из последней будет уходить в валики, образующиеся сбоку от рабочего органа. Работа, расходуемая на перемещение породы в призме волочения, как правило, теряется, так как При подъеме ковша призма волочения остается в забое.

Величина силы Р₀₁ и относительная величина трех ее составляющих зависят от крепости горной породы и конструкции ковша. С увеличением крепости горной породы абсолютная ве личина силы возрастает, в то время как силы Р_т и Р_п увеличиваются незначительно, что и вызывает уменьшение их относительной величины. Более благоприятные условия работы ковша лопаты (большой наклон траектории ковша к горизонту при его подъеме) способствуют значительному уменьшению величины силы Р_п по сравнению с ее значением при работе драглайна.

В направлении, нормальном к траектории, действует Р₀₂ – сила сопротивления внедрению режущего лезвия рабочего органа в породу (эквивалентна усилию подачи), направленная либо в сторону рабочего органа, либо в сторону массива.

В зависимости от типа машины (конструкции рабочего органа, величины площадки затупления лезвия, траектории и других факторов) нормальную реакцию со стороны породы Р₀₂ определяют из выражения

где К ₁=0,14…0,95 — коэффициент пропорциональности (большие значения для более затупленного инструмента и более твердых пород).

Полное усилие сопротивления копанию на ковше Р₀₁ складывается из касательной к траектории составляющей сопротивления горной породы разрушению P₀₁ и нормальной его составляющей Р₀₂. Последняя, будучи направлен ной от массива, равна нормальной составляющей напорного уси лия. При ее направленности в сторону массива породы сила Р₀₂ способствует заглублению рабочего органа. Выглубление ковша наблюдается при отделении сравнительно тонких стружек затупленными зубьями (режущими кромками), а также при углах резания больше 60°, заглубление — при отделении толстых стружек, срезаемых острой кромкой при небольших углах резания.

При рациональной форме режущей кромки и однородных пластичных породах сила Р₀₂ не превышает (0,1…0,15) Р ₀₁Сила сопротивления Р₀₂ может возрастать в 1,5—2 раза и более по отношению к P₀₁ при работе в плохо взорванных скальных забоях и затупленной режущей кромке.

Затупление и износ режущего инструмента оказывают самостоятельное влияние на сопротивление пород разрушению. Даже допускаемый нормативами износ режущего инструмента может вызвать увеличение сопротивления сил копанию в 1,5—2 раза. Сила сопротивления внедрению изношенного инструмента в по роду замедленно возрастает с увеличением толщины среза и не равна нулю при практически нулевой его толщине. Накладываясь на силу основных сопротивлений внедрению ножа, дополнительная сила вызывает значительное увеличение силы сопротивления копанию P₀₁ и существенно изменяет нормальную со ставляющую Р₀₂.