^{Кафедра}Нефтепромысловойгеологии,горногоинефтегазовогодела

Курслекций

подисциплине«Горныемашиныиоборудование»

Преподаватель:МастоновР.А.

Курслекцийпо дисциплине «Горныемашиныиоборудование»

Лекция-1.Физико-механическиесвойствагорныхпород

Лекция-2.Бурильныемашины: общиесведенияиклассификация

Лекция-3.Буровойинструмент

Лекция-4.Экскаваторы.Общиесведения,классификацияЛекция-5.РабочееоборудованиеодноковшовыхэкскаваторовЛекция-6.Рабочиемеханизмыэкскаваторов

Лекция-7.Ходовоеоборудованиегорныхмашин

Лекция-8.Комплексыгорныхмашиндляоткрытыхработ

Лекция-9.Выемочно-транспортирующиемашины.Базовыемашины

Лекция-10.Рабочееоборудованиебульдозеровирыхлителей

Лекция-11.РабочееоборудованиескреперовиодноковшовыхпогрузчиковЛекция-12.Производительностьвыемочно-транспортирующихмашинЛекция-13.Оборудованиедлякрепленияиуправлениякровлей

Лекция-14.Очистныекомбайны

Лекция-15.Исполнительныеорганыочистныхкомбайнов

Лекция-16.Струговыеустановки

Лекция-17.Горнопроходческоеоборудование

Лекция-18.Комплексыподземныхгорныхработ

Лекция-19.Производительностькомбайнов,комплексовиагрегатов

Лекция-20.Оборудованиедлягидромеханизации

Рекомендательныйбиблиографическийсписок

1. 1.ПодэрниР.Ю.Горныемашиныикомплексыдляоткрытыхработ.В2-хчастях.М.:МГГУ,1999

2. ПодэрниР.Ю.Горныемашиныикомплексыдляоткрытыхработ.М.:Недра,1985.

3. ГетопановВ.Н.,ГудилинН.С.,ЧугреевЛ.И.Горныеитранспортныемашиныикомплексы.М.:Недра

4. ГорныйвестникУзбекистана.2001– 2005год.

5. Горныйжурнал.М.:МГГУ,1999 –2005год.

6. ПодэрниР.Ю.Горныемашиныикомплексыдляоткрытыхработ.В2-хчастях.М.:МГГУ,1999

7. ПодэрниР.Ю.Горныемашиныикомплексыдляоткрытыхработ.М.:Недра,1985.

8. Иванов К.И.,ЛатышевВ.А.,АндреевВ.Д.Техникабуренияприразработкеместорожденийполезныхископаемых.М.:Недра.

9. СафохинМ.С.,КатановБ.А.Машинистбуровогостанканакарьере.М.:Недра.

Лекция№1 Физико-механическиесвойствагорныхпород План занятия

1. Основныефизико-механические свойствагорных пород.

2. Классификацияпородпотрудностиразрушения.

3. Классификацияпородпотрудностибурения.

Опорныесловаитермины

Способыразрушения,скальныеиполускальные;плотные,мягкие(связные)исыпучиепороды,крепость,твердость,плотность,гранулометрическийсостав,коэффициентвнутреннеготрения,разрыхляемость,сопротивлениепородывдавливанию,абразивность,трещиноватость,сопротивлениерезанию,показательтрудностиразрушенияпороды,коэффициентсопротивлениякопанию,показательтрудностибуренияпороды.

Разработкагорныхпородиуглейначинаетсясихразрушенияиможетосуществлятьсяследующими способами:

механическим,когдарабочиеорганысосредоточеннымсиловымвоздействиемрабочегоинструмента(какправило,клинообразнойформы)непосредственноотделяютпородуотмассива.Энергоемкостьспособа(расходэнергиинаединицуобъемаразрушеннойпороды)взависимостиоткрепостипороды,типа,размеровикрупностирабочегоорганасоставляет0,72—6,12МДж/м³;

гидравлическим,когдапородаотделяетсяотмассиванапорнойструейводы,подаваемойизгидромонитора,иликогдапородасоднаводоемавместесводойвсасываетсяземснарядом.Энергоемкостьразрушенияпородынапорнойструейсоставляет1,44—14,4МДж/м³,априработеземснарядаонав1,5—2разаменьше(безучетатранспортирования);взрывным,когдапородыразрушаютсяподдавлениемгазов,выделяемыхпривоспламенениивзрывчатыхвеществ.Энер-

гоемкостьтолькобурения1мвзрывнойскважинысоставляет14,4—36МДж/м;

комбинированнымспособомразрушения,например,когдаосновноерыхлениепородыпроизводитсярыхлителем,аокончательноерыхлениеизахватразрушеннойпородыосуществляютсямеханическойлопатой,погрузчиком,скрепером,бульдозеромилиземснарядом.

Наибольшеераспространениеполучилмеханическийспособразрушенияпороды—до85%всегообъемагорныхиземляныхработ.Механическийспособразрушенияпрочныхпород прималой(до5м/с)скоростисиловоговоздействияназываетсястатическим,тогдакаквибрационное,ударное,высокоскоростноеиимпульсноеразрушения—динамическим.

Сопротивлениеразработкеиустойчивостьгорныхпородкакоснования,накоторомстоитгорнаямашина,определяютсяихфизико-механическимисвойствами.Поэтомуознакомлениесфи-зико-механическимисвойствамигорныхпороднеобходимодлязнаниятеорииихразрушения(подробноеизучениефизико-механическихсвойствпородявляетсяобъектомгорнойнауки«Физикагорныхпород»).

Физико-механическимисвойствамигорнойпородыназываютсовокупностьсвойств,изкоторыхкфизическимотносятплотность,пористость,связность,липкость,пластичность,тепло-иэлектропроводностьидругие,акмеханическим—крепость,твердость,сопротивлениевдавливанию,абразивность,разрыхляемостьидругие,т.е.свойства,определяющиеповедениегорнойпородывпроцессе деформации.

Свойствапородизменяютсявширокихпределах,поэтомупринятообъединятьпородывгруппыикатегориисопределеннымдиапазономсвойствихарактеристик(см.табл.1.3).

Применительнокоткрытойразработкевсегорныепородыподразделяютнагруппы:скальныеиполускальныевестественномихсостоянии;разрушенные(искусственноилиестественно)скальные

иполускальные;плотные,мягкие(связные)исыпучие.Рассматриваягорныепородыкакобъектразработки,надоотметитьследующие наиболеехарактерныеихсвойства.

Крепость—сопротивлениегорнойпородыобщемуразрушению.Предположив,чтоеслиоднагорнаяпородакрепчедругойпобуримостивfраз,тоиповсемостальныммеханическимхарактеристикам(взрываемости,пределупрочностинасжатиеидр.)онабудетвfразпревосходитьее,проф.М.М.Протодьяконовсоставилшкалукрепости,разбиввсегорныепородынадесятькатегорийскоэффициентамиотf=20иболеедляIкатегориидоf=0,3дляXкатегории.

Ориентировочнокоэффициенткрепостиfравен0,1пределапрочностигорнойпородыприодноосномсжатииσ_{сж(МПа)*.}

Хотяшкалакрепостипроф.М. М.Протодьяконоваполучилаширокоераспространениевгорномделе,онанедостаточнополноотражаетфизико-механическиесвойствагорныхпород.Существуюттакжеклассификациигорныхпород,приспособленныедлячастныхслучаевведениягорныхработприменительнокразличнымклассаммашин.Например,имеетсяклассификациягорныхпородпобуримости,определяющаяскоростьбурениявнихскважиныглубиной1м.Согласноэтойклассификации,породы делятсянаодиннадцатькатегорий.

Твердость—способностьпородыоказыватьсопротивлениепроникновениювнеедругого,болеетвердоготела,неиспытывающегоприэтомкаких-либоостаточныхдеформаций.Твердостьпородыхарактеризуетсясопротивлениемееповерхностногослоявоздействиювнешнейсилы(например,буровогоинструмента).Статическаятвердостьгорныхпород,получаемаяврезультатеприложениястатическихсил,обычнонапорядоквыше,чемдинамическая.Этоучитываетсяприсозданиибурильныхидругихмашин,использующихэффектударногоивибрационноговоздействийнапороду.

Плотностьγ(кг/м^3илит/м³)-отношениемассыпородыкееобъемуприестественнойвлажности.

Связностьопределяетсясцеплениемотдельныхчастицпородымеждусобойихарактеризуетееспособностьсопротивлятьсяихразделению.Отсвязностизависятпрочностьпородыиеесопротивлениесдвигу,деформациииразрушению.

Уголестественногооткосаφ₀,градус

Таблица1.1.

Состояниепороды	Песок			Гравий	Суглинок	Глина	Растительныйслой	Торф	Скала,Руда
	Мелкий	Средний	Крупный
Сухая	25	28	30	40	50	45	40	40	42
Влажная	30	35	32	40	40	35	35	25	42
Мокрая	20	25	27	35	30	15	25	14	42

Гранулометрическийсостав—процентноесодержаниепомассечастицразличнойкрупности(размера).Вгорнойпородепокрупностикускаразличают:валуныикамни(220ммиболее),галькуищебень(20—200мм),гравий(2—20мм)ипесчаныефракции(до2 мм).

Уголестественногооткосаφ_0-уголуоснованияконуса,которыйобразуетсяприотсыпкеразрыхленнойпородыснекоторойвысоты(табл.1.1).

Величинауглаφ_{0зависит}откатегории,коэффициентавнутреннеготренияμ₂,гранулометрическогосоставасвязностиивлажностипороды.Длянесвязныхпородуголестественногооткосаравенуглувнутреннеготренияφ₂.

Устойчивостьоткосабудетобеспеченапринарушениисцеплениямеждучастицамипороды,если

μ₂₌tgφ_2≥tgφ₀

Коэффициентвнутреннеготренияпородыμ₂₌0,58 -1,1.

Коэффициенттрения породыостальμ_{1зависит}отвидаисостоянияпороды,атакжеотсостоянияповерхностисталиисоставляет0,25-1,0,уменьшаясьсповышениемвлажностиистепенинарушенияструктурыпороды.Междукоэффициентамиμ_2иμ_{1имеется}связь,определяемаязависимостьюμ_{1≈ 0,75}μ₂.

Разрыхляемость—отношениеобъемаразрыхленнойпородыкпервоначальномуееобъему(вцелике).ВеличинакоэффициентаразрыхленияКрзависитоткатегориипороды,параметроврабочегооргана(уменьшаясьсихувеличением)иизменяетсявпределах1,05—1,5.

Горныепороды,слагающиемассив,послерыхлениявзрывомвзависимостиотстепенисвязимеждусмежнымикусками(связности)имеютследующиекоэффициентыразрыхления:связанные(Кр=1,02-1,5),связно-сыпучие(Кр=1,24-1,3)исыпучие(Кр=1,35-1,5).Притранспортированииимногократнойперевалкепородкоэффициентихразрыхленияобычноувеличиваетсяидлясыпучихпородможетдостигать1,7.

Сопротивлениепородывдавливаниюхарактеризуетсякоэффициентомсопротивлениясмятиюр_0(Н/см^3илиМПа/м),которыйопределяетсясилой(Н),поддействиемкоторойстерженьсопорнойповерхностьюторца1см^{2погрузится}на1см.Допустимыедавленияподопорнымиповерхностямиходовыхустройствгорныхмашинустанавливаютсясучетомвоз-можногоихпогруженияна6-12смвгрунтихарактеризуютсясреднимдавлениемнагрунтр_{ср(МПа).}

Величиныкоэффициентовсопротивленийразличныхпородсмятиюр_0взависимостиоткатегориипородыизменяютсяот2Н/см³⁽²МПа/м)длямокройглиныирыхлогопескадо13МПа/мдлясухихмергеляиплотнойглины.Величинысреднихдавленийходовыхчастеймашинынагрунтмогутдостигать 0,5МПа.

Абразивность—способностьгорнойпородыинтенсивноизнашиватьразрушающийееинструмент. Вследствиеизносанарушаются проектныеусловиявзаимодействиямашиныспородой,существенноувеличиваютсясопротивлениепородыкопаниюиэнергоемкостьразработки,возрастаютнагрузкинамашину.Поэтомуприсозданиииэксплуатациигорныхмашинобязательнодолжнаприниматьсявовниманиеабразивность.Испытаниенаабразивностьзаключаетсявистиранииэталонногостержняобестественнуюповерхностьпородногообразца.Повеличинепоказателяабразивностивсепрочныепородыподразделяютсянавосемьклассов:отвесьмамалоабразивных(известняки,мрамор,апатит)довысокоабразивныхиввысшейстепениабразивных(граниты,диоритыикорундосодержащиепороды).

Трещиноватость—наличиевгорныхпородахтрещин,образуемыхприразрывевнутреннихсвязейвпородноммассиве.Трещиныслинейнымиразмерами8-10смопределяютсо-противляемостьпородбурению,измельчениювдробилках,выемкемногоковшовымиэкскаваторами,тогдакакболеепротяженныетрещиныоказываютнаиболеесущественноевлияниенавыемкуодноковшовымиэкскаваторами,механическоерыхлениеивзрывноеразрушение.Придвухпоследнихвидахразрушенияпроисходитразделениегорнойпородынаструктурныеотдельно-сти(блоки,куски).ВэтомслучаепрочностьпородывмассивеС_м(посцеплению)можетоказатьсянапорядокменьшепрочностипородывкускеС_к(табл.1.2).Снижениепрочностипородывмассивехарактеризуетсякоэффициентомструктурногоослабленияλ,равнымотношениюС_мкС_к.

Сопротивлениерезанию—способностьгорнойпородысопротивлятьсямеханическомувоздействию,вызывающемувнейсовокупностьнапряженийсжатия,растяженияисдвига,преодолениекоторыхзавершаетсяразрушениемпородыиотделениемотмассивакусковилислоев.

Подразделениепородпопрочности

Таблица1.2.

Парада	Коэффициенткрепостиf	Прочностьпороды, МПа
		вкускеСк	oмассивеCм

Мягкая	0,6 именее	0,03 именее	0,03 именее
Плотная	0,6 -1,9	0,07 -0,3	0,03 -0,15
Полускальная	1,9 -6	0,3 -4,0	0,15 -0,8
Скальная	Более6	Более4	Более0,8

Сопротивлениепородырезаниюусловилисьвыражатьчерезкоэффициентсопротивления

p

чистомурезаниюК_F

(МПа),эквивалентномусреднемудавлению,котороеразвиваетсявзоне

разрушенияпривоздействииусилия(МН),приложенногочерезрежущийэлементкпоперечномусечению(м²)отделяемойимстружкиилипластапороды.

p

ВеличинаК_F

изменяетсявширокихпределах,таккакзависитотрежимаработы,

параметроврабочегоорганаифизико-механическихсвойствпороды.

Сопротивлениекопаниюявляетсяобобщеннымсопротивлением,учитывающимсопротивления:резанию,продвижениюгорноймассывковшприегозаполненииитренияпородыоковшиковшаопороду.ОнохарактеризуетсякоэффициентомсопротивлениякопаниюK_F.

Вкачествефизико-механическойосновысопоставлениягорныхпородпотрудностиихразработки,зависящейтолькоотсвойствпород,акад.В.В.Ржевскийрекомендуетприниматьотносительный(безразмерный)показательтрудностиразрушенияпородыПрпоэмпирическойзависимости

П_р=0,5К_тр(σ_сж+σ_сдв+σ_раст)+0,5γ, (1.1)

гдеК_тр=0,05-1,0-коэффициент,учитывающийтрещиноватостьгорныхпород;(σ_Сж=34-450,σ_Сдв=0,01-75,σ_раст=0–43-соответственнопределыпрочностигорныхпороднасжатие,сдвигирастяжение,МПа;γ=1,2-4,8—плотностьпороды,т/м³.Всегорныепороды,подвергаемыеразрушениюмеханическимспособом,сточкизрениятрудностиразрушенияделятсянапять

классов:Iкласс—легкоразрушаемые(П_p=1-5);IIкласс—среднейразрушаемости(П_р=5,1-10);IIIкласс—трудноразрушаемые(П_р=10,1-15);IVкласс—весьматрудноразрушаемые(П_р=15,1-20);Vкласс—исключительнотрудноразрушаемые(П_р=20,1-25).ПородысП_р>25относятсяквнекатегорным.

Взависимостиоттрудностиразрушенияпород«Единыминормамиирасценками»установленаклассификациягорныхпород,состоящаяиздевятигрупп,пятьизкоторыхразрабатываютсябезприменениябуровзрывныхработ.ДлякаждойгруппыпородпрофессорамиН.Г.ДомбровскимиЮ.И.БеляковымбылиэкспериментальноустановленыкоэффициентысопротивлениякопаниюK_F(МПа)основнымивидамиэкскавационногооборудования.

ГрунтыиполускальныепородывзависимостиотпрочностиотнесеныкI-VIIкатегориям;угли-кIII-VIкатегориям;скальныепородыируда-кV-VIIIкатегориям;квнекатегорнымотнесеныпороды,которыенемогутразрабатыватьсяэкскаваторамибезвзрывныхработ.ПослерыхлениявзрывомкI-IVкатегориямссоответствующимизначениямикоэффициентаK_{Fотносятся}различныепородыпримаксимальномихразрыхлении.ВеличиныK_{Fсоответствуют}полублокированнойсхемекопания,адлявзорванноймассы-блокированнойсхеме.

ДляодноковшовыхэкскаватороввеличинуK_Fвмассиведляневскрытыхгоризонтовпроф.Ю.И.БеляковрекомендуетопределятьпозависимостиK_F=φ(См).Так,дляаргиллитов,алевролитов,песчаниковиуглейдлясрезатолщинойt=0,25миширинойb до2мимустановленазависимостьвида(коэффициенткорреляцииr=0,9)

K_F=(1,54См+0,17)μ_э,

гдеСм-см.табл.1.2;μ_э-коэффициент,учитывающийразницувовместимостиЕ(м³)ковша(μ_{эизменяется}от 1,1 до 0,7привместимостяхковшейЕ от 2 до 20 м³) .

КоэффициентсопротивлениякопаниюK_F(МПа)взорванныхпород(f≥6)проф.Ю.И.Беляковрекомендуетопределять поуравнению

К_F=0,4(2,8K_р^-1-3,9 +1,4К_р)*(0,3S^-1+9,2)*(0,4+3d_ср)*(1,1-0,9f^-1)

гдеК_р–коэффициентразрыхления;S–глубина внедрениязубьевковша,м;d_ср–среднийлинейныйразмеркуска,м.

Дляскальныхиполускальныхпородсплотностьюγ=1,8-2,4т/м₃,скоростьюраспространенияпродольныхволн υ_пр=500-3000м/свеличинаK_{Fаппроксимируется}уравнениемвида(r=0,85)

К_F=0,16+1,25·10^-4γv_пр

ДляроторныхэкскаваторовмогутбытьрекомендованысредниевеличинытекущихзначенийK_F

=f(F),полученныеэкспериментальнорядомисследователейдляразличныхместорождений(рис.1.1)иучитывающиеотношениеетолщиныстружкиtкееширине(ε=t/b).Длямягкихиплотныхпород,относительнаяплотностькоторыхможетбытьохарактеризованачисломударовСплотномераконструкцииДорНИИ,проф.В.М.Владимироврекомендуетвыражениевида(r=0,86)

K_F=0,16 +0,1C

притолщинеиширине стружкиt = b=0,25-0,3 мичисле ковшейнаколее8—10.

Дляплотныхиполускальныхпород,атакжекрепкихуглейвеличинуK_{Fследует}определятьсучетомконкретныхструктурно-прочностныхпоказателейпородвмассиве(С_к,С_м,σ_сжиσ_раст)повыражению

K_F=125

^раст

^сж

0,067_2С_м_2.

ВеличинуK_FможнотакжеопределитьвфункцииС_к(см.табл.1.2)итеоретическойпроизводительностиэкскаватораQ_T(м³/ч)сучетоммаксимальнодопустимогоразмеракускапо-роды d_cpвэкскавируемоймассе(дляС_{к≥ 0,5}МПа)извыражения

D

K_F=А+ВС_к+ 5С_к,

Q_т

гдезначениякоэффициентовА,ВиDдляd_cp≤0,3;0,5и0,7мсоответственнопринимаютсяА=0,5; 0,4 и0,3; В =0,15;0,11 и 0,1;D=40; 60 и70.

Эффективностьбурениявзрывныхскважинвпервуюочередьопределяетсяскоростьюбурения,котораязависитотспособностипородыразрушатьсяподвоздействиембуровогоинструмента(основнойфактор);отвидаиформыбуровогоинструмента,атакжеспособа,усилияискоростиеговоздействияназабойскважины;диаметраскважиныиврядеслучаевотееглубины;способа,скоростиитщательностиудаленияиззабояскважиныбуровоймелочи,препятствующейразрушениюпороды.

Все перечисленныефакторыопределяюттехнологическиепараметрыбуровыхстанков.

Длясопоставленияпородпобуримости(механическимспособом)поаналогиисформулой(1.1)относительныйпоказательтрудностибуренияпородыП_брекомендуетсяприниматьисходяизэмпирическоговыражения

П_б=0,07(σ_сж+σ_сдв)+0,7γ,(1.2)

Всегорные породыпримеханическихспособахбуренияпоаналогииспоказателемП_р(см.формулу1.1)ивсоответствиисвеличинойП_{бподразделяются}побуримостинапятьклассов:Iкласс—легкобуримые(П_б=1-5);IIкласс—среднейбури-мости(П_б=5,1-10);IIIкласс—труднобуримые(П_б=10,1-15);IVкласс—весьматруднобуримые(П_б=15,1-20);Vкласс—исключительнотруднобуримые(П_б=20,1-25).ПородыспоказателемП_б>25относятсяквнекатегорным.

Удельноесопротивлениегорнойпородыразрушениюприбурениишарошечнымишнекобуровымспособамиможетбытьоцененопосреднемуприведенномупределупрочностипороды приразрушениимеханическимспособомбуренияσ_{м.б(МПа)}извыражения

σ_м.б=0,5(σ_сж+σ_ск)

илипосправочнику.

Эффективностьтермическогобурениягорныхпородвпервуюочередьопределяетсяихсклонностьюкхрупкомутермическому

разрушениюизависитотструктуры,текстуры,прочностных,упругихитеплофизическихпоказателейпород.Этипоказателиопределяютнеобходимыедляразрушенияпородытепловойпотокитемпературу.КоличественнотермобуримостьхарактеризуетсяпоказателемтермобуримостиП_т.б(см³/кал) итемпературойразрушенияТ_р(°С):

_тЕу

^Пт.б⁼

• раст^Ст

1,5

_Тр= сж

1

п^

_тЕу

гдеβ_Т-коэффициентлинейноготепловогорасширенияпороды,1/°С;Е_у—модульупругости,Па;С_Т-объемнаятеплоемкостьпороды,кал/(см³°С);γ_п-коэффициентПуассона.

ПоказательП_{т.бопределяет}объемразрушеннойгорнойпороды,приходящейсянаединицуколичестватепла(П_{т.бсоставляет}от0,65дляхорошотермобуримыхдо0,1длятруднотермо-буримыхпород).Дляоперативногонормированиябуровзрывныхработпользуютсяклассификациейпобуримости.

Контрольныевопросы

1. Перечислите основныефизико-механические свойствагорных пород.

2. Относительныйпоказательтрудностиразработки.

3. Относительныйпоказательтрудностибурения.

4. Относительныйпоказательтрудноститермобурения.

5. Коэффициентсопротивленияпородрезанию.

6. Коэффициентсопротивленияпородкопанию.

Литература