НДБ. Пособие по лабораторным / ЛБ3. Внецентренные удары

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЦЕНТРАЛЬНЫХ И ВНЕЦЕНТРЕННЫХ УДАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Цель работы: Изучить процесс разрушения горных пород под действием ударных импульсов; оценить влияние основных параметров ударного нагружения на объем и энергоемкость разрушения горной породы.

Объем работы – 4 часа.

Методика выполнения работы

Работа выполняется на установке, схема которой приведена на рис. 3.1. Установка включает направляющую трубу 1, установленную вертикально, ударник 2, долото 3 с шариком 4 и плоскопиленный блок горной породы 5. Долото 3 оснащено 8 породоразрушающими вставками из сплава ВК со сферическими рабочими поверхностями и располагаемые по периметру торца долота 3 с равным шагом. Ударный импульс от ударника 2 к породе передается через шарик 4, что позволяет, меняя положение шарика 4 на поверхности долота 3, менять эксцентриситет приложения удара.

Ударное воздействие на породу производится в виде серии опытов, путем сбрасывания ударника 2 с определенной высоты Н. Эксперименты производятся в соответствии с планом полного факторного эксперимента (ПФЭ) с двумя влияющими факторами:

• высота сбрасывания ударника Н, которая задает значение энергии удара А;

• эксцентриситет приложения удара Е.

План эксперимента приведен в таблице. При проведении экспериментов в качестве откликов измеряется объем разрушения породы.

Таблица

Номер опыта	Факторы			Отклик V, см3
	Н	Е	НЕ
1	+	-	-
2	-	+	-
3	+	+	+
4	-	-	+

Высота сбрасывания ударника 2 задается в пределах 2 и 2,85 м. Данные натуральные значения H соответствуют кодовым значениям -1 и +1. Эксцентриситет приложения удара задается в пределах от 0 мм (центральный удар) до 20-27 мм. Здесь первое число соответствует значению в кодовом обозначении –1, а второе, выбранное предварительно, +1.

В соответствии с планом эксперимента (табл. 2) проводится 4 опыта, а затем измеряется объем разрушения в блоке породы для каждого опыта. Объем разрушения определяется по зависимости:

,

где М – масса пластилина, которым были заполнены лунки разрушения в породе, г.

γ – удельный вес пластилина, г/см³.

Результаты экспериментов используются для построения математической модели процесса в соответствии с методикой планирования полного факторного эксперимента. Полученная модель воспроизводится графически в пределах заданного поля значений факторов (рис. 3.2).

Используя графики на рис. 3.2, производится анализ энергоемкости разрушения горных пород. С этой целью строятся графики зависимости энергоемкости разрушения (q) от энергии удара при различных значениях эксцентриситета приложения ударов.

Энергия удара рассчитывается по формуле:

где Q – вес ударника 2, Н;

Н – высота сбрасывания ударника 2, м;

Δ – угол вектора ударного импульса по отношению к оси направляющей трубы 1 (рис. 3.3), градус.

Угол Δ рассчитывается по формуле:

где Е – эксцентриситет приложения удара, м;

l – высота ударника 2, м.

Энергоемкость определяется по формуле:

Графики вида q = f(A) при различных значениях эксцентриситета приложения удара строятся в единой системе координат при трех значениях «Е»: min, med, max, которые могут совпадать со значениями эксцентриситета равных в кодовых обозначении величинам -1, 0 и +1 (на рис. 3.3 – вертикальные линии поля значений факторов).

Полученные экспериментальные данные анализируются и делаются основные выводы о механизме разрушения породы при её нагружении центральным и внецентренным ударами.

Анализ напряженного состояния породы производится путем расчетов напряжений в породе под породоразрушающими вставками, поскольку зависимость объема и энергоемкости разрушения породы от эксцентриситета приложения удара определяется особенностями механизма разрушения пород внецентренными ударами.

Главная особенность внецентренного удара состоит в том, что в породе под различными породоразрушающими вставками напряжения в момент удара равны. Действительно, если проанализировать зависимости напряжений в породе от эксцентриситета приложения удара в соответствии со схемой реализации внецентренного удара, то можно получить ряд формул на основные положения теории Буссинеска.

Нормальные σ_i и касательные τ_i напряжения рассчитываются из формул:

где i – номер породоразрушающей вставки, определяющий значения r_i и ;

r_i – расстояние от точки приложения удара до разрушающей вставки, см;

_i – угол между вертикалью и направлением от центра приложения удара к i породоразрушающей вставке, градус;

Р – сила удара, Н.

Угол _i рассчитывается из формулы:

где h – высота долота с шариком, см.

Расстояния r_i для каждой из 8 породоразрушающих вставок, начиная от ближайшей к центру удара вставки А, рис. 3.3 (i = l) и до самой удаленной вставки 8 (i =8), определен из зависимостей:

;

;

;

;

,

где R – радиус размещения породоразрушающих вставок на торце долота, см.

Значения напряжений σ_i и τ_i для каждой из 4 породоразрушающей вставки долота воспроизводятся в виде графиков (рис. 3.4 а, б). Полученные расчетные данные сопоставляются со значениями глубины лунок разрушения. Последние определяются путем измерения индикатором часового типа, а данные измерений представляются в виде графика, показанного на рис. 3.5. Значения напряжений σ_i и τ_i также сопоставляются с результатами определения объема разрушения породы и с другими геометрическими параметрами лунок разрушения, например, с асимметрией лунок разрушения.

Расчетный и графический материал, а также результаты его анализа оформляются в виде отчета по лабораторной работе.

22