РГВ, Пилипец В.И. Часть 1

Внедрение резцов в горную породу происходит в момент прихода ударного импульса. Под резцами, в зоне наибольших напряжений, начинает расти ядро уплотнения смятой, раздавленной породы.

В массиве образуется нарастающий объем сжатия. По достижении напряжения предельного для данной горной породы значения в зоне, примыкающей к ядру, начинают зарождаться трещины, которые, развиваясь по линиям скалывания, освобождают часть упругой энергии и вызывают отщепление от объема сжатия некоторого слоя. Но отдельный слой, в результате его защемления погружающейся поверхностью лезвия, остается на месте, частично переходя в ядро уплотнения в своей нижней части.

Учитывая изложенное, при определении величины углубки резцов коронки можно пользоваться формулой

h =k Rу /2 d i σсж (tg α/2 +f),

где k - коэффициент, учитывающий уменьшение величины углубки в связи с затуплением лезвия резца, k = 0,7; Rу –сила удара, передаваемая породе; d - ширина твердосплавного резца, м; i –число резцов в породоразрушающем инструменте, шт; σсж

–сопротивление породы сжатию, Па; α –угол заточки резца,град; f –коэффициент трения резцов о породу.

Необходимо стремиться к уменьшению ширины твердосплавного резца, чтобы увеличить углубку, но при этом, учитывая прочностные свойства твердых сплавов, из которых изготавливаются резцы, необходимо ограничивать силу удара, передаваемую горной породе, что ухудшит проходку. Обычно ширина твердосплавного резца берется по размеру стандартных.

Вращательно-ударный способ разрушения породы

При вращательно-ударном способе разрушение происходит главным образом за счет резания непрерывно вращающимся инструментом (скорость вращения 100 об/мин) к которому постоянно прикладывается незначительное осевое усилие до 0,5 кН, достаточное только для преодоления силы отдачи и сильная периодическая ударная нагрузка частотой 2800 ударов в минуту. Такой способ обычно применяется в породах средней

21

крепости и очень крепких (f 10).

В силу того, что характер разрушения пород ударными способами быстротечен и очень сложный, то существует несколько гипотез, с различной степенью точности описывающих механизм разрушение пород. Эти гипотезы предлагались в различное время и дополняют друг друга.

Первыми исследователями механизма разрушения пород этим способом были Шпарре и Долежалек. В 1913 году их гипотезу математически развил и дополнил Н.С.Успенский. Согласно его теории, резец под действием силы P при каждом ударе внедряется в породу на глубину h (рис. 2.7).

При втором и последующих ударах и при соответствующих поворотах резца, кроме внедрения его, происходит скалывание двух секторов породы õ под действием горизонтальной силы H.

Рис.2.7 Схема разрушения горных пород по Н.С.Успенскому

Глубина внедрения резца в породу определяется по формуле

где Р - сила удара инструмента по породе, Н; D - диаметр инстру-

мента, м; - сопротивление породы раздавливанию, Н/м2; - угол заострения лезвия инструмента, град.; φт.- угол трения граней резца о породу, град.

Горизонтальная скалывающая сила определяется по формуле

По этой гипотезе процессы внедрения резца в породу и скалывания ее представлены упрощенно, т.к. сила удара породо-

22

разрушающего инструмента о породу и скорость разрушения

одним резцом приняты постоянными, то есть лезвие резца считается идеально острым.

Вдействительности лезвие резца постепенно тупится в процессе работы. Наличие притупленного лезвия, влияние структуры породы, упругих свойств материала породоразрушающего инструмента и породы и другие факторы делают характер процесса разрушения значительно сложнее.

И. Е. Черкасов и К. Б. Шляпин, исходя из теории скольжения, считают, что разрушение погоды под действием удара резца состоит из последовательно чередующихся процессов дробления и скалывания. Параметры этих процессов зависят от фи- зико-механических свойств пород и геометрии резца, который рассматривается как клин или совокупность клиньев (в зависимости от формы породоразрушающего инструмента). Считается, что такой резец-клин, внедряясь в породу, одновременно сжимает ее боковыми гранями лезвия. В начале сжатия порода

улезвия резца уплотняется и дробится, по мере углубления резца часть уплотненной породы вытесняется и скользит вверх по граням лезвия. При этом между раздробленной породой и гранями лезвия возникает трение, которое увеличивается до момента скалывания породы. Одновременно возрастает сопротивление внедрению породоразрушающего инструмента.

Вмомент скалывания сопротивление породы внедрению резца резко снижается за счет уменьшения площади контакта между лезвием резца и породой и уменьшения сил трения, так как раздробленная порода в этот момент беспрепятственно вытесняется за пределы зоны уплотнения. Каждая порода скалывается под определенным углом к направлению сжимающей силы.

Проф. Л. А. Шрейнер считает, что при ударном способе разрушения порода разрушается только вследствие вдавливания резца и что других факторов, вызывающих разрушение породы, нет. Сопротивление породы в таком случае характеризуется динамической твердостью, т.е. сопротивлением породы вдавливанию инструмента при ударном характере приложения внешних сил, которая приблизительно в 1000 раз меньше, чем

статическая твердость пород.

23

Поверхность забоя при ударном разрушении шероховата, вследствие чего величина сопротивления вдавливанию является переменной. Роль трения в процессах ударного разрушения во много раз меньше, чем при вращательном разрушении, что повышает к. п. д. разрушения и уменьшает износ долот.

Проф. И.А.Остроушко считает, что при действии внешней силы на цилиндрический пуансон (резец) порода под ним и объеме аов, названном автором главным объемом давления (рис. 2.8а), подвергается всестороннему сжатию. Вследствие этого происходит смятие породы в объеме аов с одновременным скалыванием породы в объеме пот.

Формирование главного объема давления происходит путем нарушения целости породы сдвигами, проходящими по его образующей поверхности и условиях многоосного сжатия.

После отделения первого объема скалывания резец погружается в материал и действует на освободившуюся поверхность.

Рис.2.8 Схема разрушения породы по И.А.Остроушко

24

Вначале происходит уплотнение зажатой под резцом породы, а затем формируется новый главный объем давления (рис. 2.8б), окруженный вспомогательными объемами давления (II и III) и объемами скалывания кас и к'а'с'. Выдавливание этих объемов сопровождается смятием некоторого количества породы за пределами внешних граней конусов скалывания. После второго цикла разрушения происходит третий цикл и т. д. Отделение мелких объемов скалывания продолжается до тех пор, пока боковые грани резца не придут в точное соприкосновение с породой, после чего произойдет oтделение большого объема скалывания.

Углы 0 и 0 не зависят от угла приострения инструмента и определяются только свойствами породы.

Угол приострения инструмента, а следовательно, угол на-

клона граней инструмента и (рис. 2.9) оказывает значительное влияние на эффект разрушения.

Рис.2.9 Влияние углов наклона граней на эффективность разрушения

При и< 0 , после отделения первого и последующих объемов скалывания поверхность соприкосновения инструмента с породой

возрастает, поэтому погружение инструмента сопровождается повторным зажимом разрушенной породы и ее дополнительным дроблением.

При и= 0 острая часть инструмента, при отделении больших объемов скалывания, полностью выполняет роль главного объема давления. При дальнейшем увеличении угла наклона

граней инструмента ( и> 0) увеличивается глубина погружения инструмента в течение каждого цикла разрушения.

Пренебрегая уменьшением расхода энергии из-за перекрытия площадей в центре забоя при повторных ударах (см. рис. 2.4), И.А.Остроушко считает, что общая площадь скалываемых секторов с учетом боковых поверхностей может быть определена по формуле

25

S 0,0044 d 2 0,0175 dh ,

где S - площадь скалывания секторов с учетом боковых поверх-

ностей; - угол поворота резца; h - глубина внедрения инструмента; d - длина лезвия резца.

Возникающие при скалывании секторов сопротивления преодолеваются силой, равной Р/2.

Расход мощности на разрушение определяется по формуле

P ihnу

N заб 2 60 75 3 и в , кВт,

где i - число резцов; nу- число ударов инструмента по породе в минуту; з - коэффициент затупления резцов; и - коэффи-

циент угла заточки и конструкции инструмента; в - коэффициент вредных сопротивлений движению инструмента.

Коэффициенты 3 и н учитывают работу, затрачиваемую на дополнительное измельчение сколотой породы.

Работа объемного разрушения определяется по формуле

где 0 - сопротивление породы разрушению; - коэффициент Пуансона.

Для наиболее благоприятных условий, когда d = , а коэффициенты з= и= в=1, работа объемного разрушения равна

Эта работа соответствует разрушению на свободной поверхности инструментом, у которого и< 0.

Теория проф. И.А. Остроушко не полно отражает картину процесса разрушения породы инструментом сложной, например Т-образной, формы, который обеспечивает высокую скорость проходки.

26

3. ТЕРМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Термические способы разрушения основаны на прямом или косвенном нагреве породы, приводящем к ее разрушению.

При прямом нагреве разрушение породы происходит в результате передачи ей непосредственно тепловой энергии. В зависимости от методов передачи тепловой энергии породе раз-

личают следующие способы прямого воздействия на породу:

-огневой (огнеструйный) - разрушение породы происходит за счет термонапряжений, возникающих при быстром нагреве поверхности породы потоками раскаленных газов (t == 2000° С), вылетающих из сопел со скоростью до 2000 м/с и более;

-плазменный - разрушение породы происходит от воздействия тепла от плазмы, возникающей при прохождении электрического тока через газы (воздух, кислород, водород, аргон, гелий, неон, водяной пар, метан, пропан) и выдувании ее из сопла с помощью давления сжатого воздуха.

Источником плазмы является плазмотрон, в котором между двумя электродами создается устойчивая электрическая дуга, выдуваемая через сопло сжатым воздухом (рис. 3.1)./4/.

Рис. 3.1 Плазмотрон

1-расширитель; 2-охлаждающая жидкость; 3-газ (гелий или аргон); 4- электрическая дуга; 5-плазма

Для интенсивного разрушения породы оптимальными считаются температура газов (плазмы) 5500— 6000 °С и скорость истечения 2000 м/с. Под действием плазменных струй на горные

породы последние быстро плавятся и частично испаряются. На выходе из сопла происходит догорание ионизированной смеси (Н2+О2). Этот процесс может быть значительно усилен введением в газовую смесь керосина. Недостаток этого способа в

27

том, что температура газовой струи резко уменьшается с удалением от забоя до торца сопла. Поэтому необходима высокоточная регулировка зазора;

-плазменноогнеструйный - разрушение породы происходит от воздействия тепла от плазмы, возникающей при прохождении электрического тока через пары топлива;

-электродуговой - разрушение породы происходит от воздействия тепла от электрической дуги;

-электронагревательный - разрушение породы происходит от воздействия тепла, образующегося при преобразовании в породоразрушающем инструменте электрической энергии в тепловую. Рабочий торец породоразрушающего инструмента нагревается до 1200-1600 0С (рис.3.2). Такая температура обеспечивает плавление гранитов и базальтов. Для охлаждения инструмента используется вода.

Рис.3.2 Схема электронагревательной установки

1-вольфрамовый наконечник; 2- расплавленная порода; 3-нагревательная спираль; 4-охлаждающая жидкость; 5- электрический кабель

Благодаря вогнутой форме торца, расплавленная порода движется к центру забоя;

-циклический - разрушение породы происходит от воздействия тепла и холода.

При косвенном нагреве разрушение породы происходит в результате их нагрева электромагнитной или лучевой энергией. В зависимости от методов нагрева породы различают следующие способы косвенного воздействия на породу:

-электротермический - разрушение происходит в результате диэлектрического нагревания электропроводящих пород с

28

использованием токов низкой, высокой и сверхвысокой частоты, проходящим через породу между электродами (рис.3.3).

Рис.3.3 Схема высокочастотного породоразрушающего инструмента

1-канал пробоя; 2-электроды; 3- электрический кабель; 4-промывочная жидкость

Диэлектрическое нагревание пропорционально частоте тока, поэтому для разрушения пород с высоким электрическим сопротивлением необходимы токи высокой частоты.

Нагревание также пропорционально квадрату разности потенциалов электродов, поэтому используются высокие напряжения до 10 кВ. С увеличением температуры, в породе, между

контактирующими с нею электродами образуется раскаленный токопроводящий канал (канал пробоя). После образования канала пробоя электрическое сопротивление между электродами резко снижается, температура породы в сечении канала увеличивается, и в результате термонапряжений происходит разрушение породы.

В качестве промывочной, используется жидкость с высокими диэлектрическими свойствами (трансформаторное или соляровое масло);

-электроиндукционный - разрушение породы происходит от воздействия тепла от высокочастотных магнитных полей. Индукционное нагревание вызывается потерями гистерезиса и вихревыми потоками пропорционально квадрату магнитной проницаемости, поэтому этим способом можно нагревать и разрушать породы, имеющие высокую магнитную восприимчивость к индукционному нагреванию;

-лазерный –разрушение породы происходит за счет нагревания и создания термических напряжений в породе путем передачи ей лучевой энергии лазерным лучом, который создается в оптических квантовых генераторах (лазерах). Лазерный луч

29

получается посредством возбуждения группы атомов в кристалле или газе до их высокоэнергетического состояния, после чего атомы начинают излучать фотоны, образуя когерентный световой луч, в виде очень слабо расходящегося пучка электромагнитных волн (рис.3.4)./4/.

Рис.3.4 Схема лазерного породоразрушающего инструмента

1-кристалл; 2-жидкость; 3-отражающая поверхность; 4-расширитель; 5-когерентный световой луч

Кристаллические лазеры создают высокую концентрацию энергии и могут плавить любые породы, но могут использоваться только короткими по 1мс вспышками через интервал не менее чем 2с, т.к. 99% энергии теряется в охлаждающей жидкости и рассеивается значи-

тельное количество тепла.

При разрушении пород применяются кристаллические и газовые лазеры. Газовые лазеры более эффективны и имеют более высокий выход мощности.

При воздействии лазерного луча на некоторые породы происходит их испарение с выделением ядовитых газов.

Данный способ найдет широкое практическое применение в случае увеличения выходной мощности лазерной установки и обеспечения безопасности работ;

-электронно-лучевой - разрушение породы происходит от воздействия потоков электронов, которые ускоренно движутся между катодом и анодом при напряжении от 5 до 150 кВ. Электроны, эмиссированные с катода, фокусируются на забое при помощи смещающего напряжения, а также электростатических и электромагнитных линз.

Из всех этих способов нагрева породы промышленное применение получил огневой, при котором порода разрушается в результате интенсивного воздействия на нее высокотемпературной газовой струи со сверхзвуковой скоростью. Вследствие

30