§ 2. Определение сопротивляемости угля резанию и процесс резания угля

Сопротивляемость углей резанию зависит не только от их фи­зико-механических свойств, но и от различных горных факторов. Так, горное давление на пласт вызывает отжим угля по длине очистного забоя на глубину, равную 1/3—1/2 мощности пласта, что снижает сопротивляемость угля разрушению в зоне отжима. Газонасыщенность, миграция газа, омывание пласта вентиля­ционной струей, предварительное нагнетание через скважины воды на пласт под высоким давлением, применение предварительного вруба также способствуют ослаблению массива угля.

Для расчета нагрузок на рабочий инструмент очистных ком­байнов, стругов, агрегатов необходимо сопротивляемость угля резанию определять непосредственно в условиях забоя с учетом горных факторов. Для этой цели ИГД им А. А. Скочинского предложены специальные приборы: динамометр крупного скола ДКС-2, динамометрическое сверло СДМ-1 [27], а в последнее время универсальная аппаратура АСР. Принцип действия этих приборов близок к процессу разрушения угля исполнительными органами выемочных машин.

Д инамометр крупного скола ДКС-2 (рис. 8.1) состоит из рас­порной стойки / с державкой 2, закрепленной на стойке в по­воротной обойме 3, и эталонногорезца 4. Резец имеет угол реза­ния 50°, задний угол 10° и ши­рину режущей кромки b == 20 мм. Резец может бытьвыдвинут из державки на рас­стояние т_р = 210 мм. Державкавместе с обоймой может быть установлена на необходимой высоте по мощности пласта и поворачиваться вокруг распор­ной стойки посредством лебед­ки 5 с приводом от ручного электросверла и тягового троса. Лебедка крепится к распорной стойке 6. В рассечку троса вставлен гидравлический ди­намометр 7 с гибким рукавом, по которому рабочая жидкость передает усилия резания Z на самописец 8 с приводом 9. В стандартном режиме (рассмот­рен в предыдущем издании учеб­ника) производят несколько прорезов в пласте на разной высоте. По данным опытов

Рис. 8.1. Динамометр крупного скола дКС-2

76

строят график усилий резания в функции толщины среза Z = •= / {h)_ (рис. 8.2, а) и опреде­ляют Z_cp. Установлено: Z_cp = = Ah, откуда А — Zcp/h.

Таким образом, А (кН/см) является показателем сопротив­ляемости угля резанию и опре­ деляет усилие, необходимое для _{Рис 8 2}_ _{Основные закономерноСти} снятия среза (стружки) толщи- процесса резания угля:

НОЙ 1 СМ реЗЦОМ ДКС-2 В 6Л0- а - усилия резания Z = / (ft); б — энерго" КИрОВЭННЫХ УСЛОВИЯХ. затраты H_w = / (ft)

Зная величину А, можно определить удельные энергозатраты H_w (кВт ч/м³) по эмпириче­ ской формуле _

где ф — угол бокового развала борозды при резании.

Для упрощения расчета, чтобы сохранить численные значения сопротивляемости резанию, измеренные ранее в кгс/см, здесь це­лесообразно принять размерность А — в кН/м.

При резании в стандартном режиме удельные энергозатраты гиперболически снижаются с увеличением толщины среза (рис. 8.2, б). Зависимости Z = f (h) и H_w = f (h) являются ос­новными, характеризующими процесс резания угля.

Показатель сопротивляемости резанию А (кН/м) достаточно хорошо коррелирует с коэффициентом крепости /, имея зависимость А = 150/ [19]. В случае использования для замеров прибора СДМ-1 или других полученные при этом показатели приводят с использованием переводных коэффициентов к показателям при­бора ДКС-2, который принят за эталон [18].

Угольные пласты с сопротивляемостью резанию до 180 кН/м благоприятны по этому фактору для применения стругов; 180 — 240 кН/м (средней крепости) — для очистных комбайнов и стру­гов отрывного действия с высокой энерговооруженностью; 240— 360 кН/м (крепкие и весьма крепкие) — для очистных комбайнов высокой энерговооруженности. В дальнейшем принята размерность кН/см, что более отвечает физическому смыслу.

Процесс резания угля. При резании угля перемещающимся режущим инструментом от забоя отделяется срез (стружка). Резание угля носит цикличный, скачкообразный характер и со­стоит из двух стадий — дробления и скалывания. При резании острым резцом в месте его контакта с массивом возникают высокие контактные напряжения, уголь дробится на мелкие фракции, об­разуя уплотненное ядро впереди резца. По мере движения резца ядро увеличивается в размерах, при этом напряжения возра­стают. Однако ядро не может получить значительного развития

77

Рис. 8.3. Схемы разрушения угля резцом:

а — схема резания; 6 — схема образования уплотненного ядра

в глубь массива, так как сопротивление массива объемному сжатию велико. Увеличивается ядро лишь вблизи обнаженной поверхно­сти — вверх и частично в стороны.

При движении резца происходит скалывание небольших ку­сочков угля (I, II и /// рис. 8.3); при этом усилие резания Z падает. Мелкие частицы из уплотненного ядра частично получают выход наружу, однако большая их часть зажимается между передней гранью резца и массивом.

Дальнейший процесс резания сопровождается непрерывным увеличением площади контакта с массивом, ростом размера ядра и силы резания Z, появлением у вершины ядра трещины. На этом увеличение уплотненного ядра прекращается и оно начинает дей­ствовать как клин, который, перемещаясь вместе с резцом, рас­ширяет трещину и отделяет более крупные кусочки угля IV. Этот этап имеет характер взрыва — кусочки угля с силой раз­летаются вверх и в стороны, ядро разрушается, образуя облако пыли; сила резания падает почти до нуля. Далее цикл резания повторяется.

Итак, при резании угля взаимодействуют не лва тела — резец и угол, а три — резец, уплотненное ядро из мелко раздроблен­ного угля и неразрушенный массив угля.

Основные виды резания. Срез характеризуется толщиной, ши­риной, углом бокового развала и формой (рис. 8.4).

Толщина среза h — это глубина резания, измеренная по нор­мали от предыдущей линии резания.

Ширина среза t соответствует расстоянию между осями рез­цов двух соседних срезов.

Угол бокового развала Р = 25ч-85* — это угол между боко­вой поверхностью борозды резания и плоскостью, проходящей по оси резца и перпендикулярной к поверхности забоя. Для вязких углей его значение меньше, чем для хрупких.

Различают основные виды резания:

щелевое (рис 8.4, а) — в глубине щели в условиях мак­симальной блокировки, т. е. при отсутствии боковых обнаженных

78

поверхностей, когда развал борозды отсутствует; усилия резания и энергозатраты максимальны; применяется в редких случаях;

угловое (полублокированное, рис. 8.4, б) — резание в углу щели при одной устойчивой боковой поверхности; развал борозды возможен только в одну стороны; применяется, например, при работе резцов, занимающих крайнее положение со стороны забоя в шнековых исполнительных органах очистных комбайнов;

блокированное (рис. 8.4, в) — при отсутствии боко­вых обнаженных плоскостей с выравненной поверхности забоя; развал борозды в обе стороны; применяется в качестве эталонного для сравнения с другими видами резания;

полублокированное (рис. 8А, г) — при одной бо­ковой поверхности обнажения, что ослабляет массив при про­ведении реза; применяется в большинстве исполнительных орга­нов выемочных машин;

полусвободное (рис. 8.4-, д)— при одной обнаженной боковой грани резца, когда расстояние между соседними резами равно ширине резца или очень близко;

свободное (рис. 8.4, ё) — при двух обнаженных боко­вых плоскостях или при двух свободных боковых гранях резца; практического значения не имеет;

ш а хматно,& (рис. 8.4, ж} — при удалении от свободной поверхности на глубину h_m, большую глубины двух соседних резов, сочетает в себе свободное и полублокированное резание; особых преимуществ не имеет;

тангенциальное (подрезное — 8.4, з) —отличается от полублокированного (см. рис. 8.4, г) расположением оси резца (шарошки) под углом ср к поверхности разрушения; значительная часть среза Я скалывается под действием силы F, приложенной по нормали к верхней боковой грани резца; удельные затраты примерно в 1,& раза меньше, чем при полублокированном срезе; применяется при работе выемочных и проходческих горных машин и является перспективным.

Рис. 8.5. Усилия, действующие на резец:

а — при движении по прямолинейной траектории; 6 — при движении по окружности; в — силы, действующие на резец

Усилия, действующие на резец. При взаимодействии резца с углем или породой перед его передней гранью, как это было показано на рис. 8.3, образуется уплотненное ядро / из мелко диспергированной разрушенной горной массы. На переднюю, зад­нюю и боковые грани резца передается давление разрушаемого горного массива 2 и 3. Общую реакцию на резец со стороны за­боя можно условно разложить по трем осям координат на состав­ляющие: Z — силу резания, действующую по прямолинейной траектории резца (рис. 8.5, а) или по касательной к траектории при движении резца по окружности (рис. 8.5, б); Y — силу по­дачи резца на забой; X — боковое усилие, образующееся за счет разности сил справа и слева от резца.

Нагрузки, действующие на исполнительный орган машины, зависят в основном от усилия резания Z и усилия подачи (осевое усилие) Y, которые определяют мощности приводов исполнитель­ного органа и механизма подачи машины.

При движении резца (рис. 8.5, в) на его переднюю грань дей­ствуют по нормали сила N и сила трения разрушенного угля о пе­реднюю грань резца fN. Равнодействующая этих сил R может быть разложена на две составляющие: сопротивление резанию передней гранью резца Z₀ и сопротивление подачи резца на забой Y. При затуплении резца на его торцовую площадку действуют сила Y₀ и сила трения fY₀. На боковые грани резца действуют нормальные и касательные силы, которые также могут быть разложены на составляющие в направлении осей х, у, г.

Геометрическая сумма проекций всех действующих сил на ось г представляет собой силу резания Z, на ось у — силу по­дачи Y и на ось х — результирующую боковую силу X, действу­ющую на резец.

80

Из всех действующих сил только сила Z совершает полезную работу, разрушая уголь. Для уменьшения остальных сил резцы должны быть заточены, иметь рациональную форму и размеры; кроме того, должен быть выбран рациональный режим работы машины.