CC BY
33
© ЮЛ. Красников, Е.Е. Шешко, A.B. Бурляев, 2002
УЛК 622.232.74
ЮЛ. Красников, Е.Е. Шешко, A.B. Бурляев
О HETPAAHUMOHHOM СРЕЛСТВЕ МАССОВОГО ЭФФЕКТИВНОГО БЕЗВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОЛ
Проблема создания высокопроизводительного крупномасштабного безвзрывного способа послойного разрушения горных пород любой крепости весьма актуальна. С созданием такого способа появятся новые эффективные экологически чистые технологии непрерывного разрушения пород как при проведении горных выработок и добыче полезных ископаемых под землей, так и ведения горных работ на открытых разработках.
Мелкомасштабные способы механического разрушения крепких горных пород давно известны и весьма распространены, например, способ ударноповоротного бурения шпуров и скважин, в котором ударное разрушение позволяет скалывать породы на определенную глубину и с определенным шагом. При этом, чем больше энергия единичного удара, тем больше может быть глубина внедрения инструмента и больше шаг (расстояние между соседними сколами), что и определяет более высокую производительность процесса.
Крупномасштабное разрушение горных пород с большой производительностью происходит в дробилках, в том числе и в дробилках ударного действия. При этом разрушение пород происходит инструментом, не армированным твердосплавными вставками.
Если объединить идею пошагового разрушения пород в массиве, используемую при ударноповоротном мелкомасштабном бурении с идеей крупномасштабного разрушения пород, используемой в дробилках, то можно получить способ крупномасштабного высокопроизводительного разрушения горных пород любой крепости.
Бонд (1952 г.) установил [1], что эффективность ударного разрушения зависит от числа критических пороков в породе. Наши исследования послойного разрушения крепких горных пород с энергией удара до 3000 Дж показали, что сопротивляемость разрушению нижележащего под пройденным ударным способом слоем более чем на 30% ниже вышележащего за счет резкого увеличения числа и длины трещин, а скорость распространения упругой волны в нижнем слое, естественно, также резко снижается [2].
Ранее Войцеховской Ф.Ф.
(1991 г.) было показано, что ударная дробилка с энергией удара Е = 1400 Дж при частоте удара X = 20 уд/мин будет в 10 раз производительнее, чем дробилка с той же ударной
мощностью, но с энергией удара Е = 14 Дж и частотой X = =2000 уд/мин.
Что касается энергоемкости ударного разрушения горных
пород в массиве, то получены данные, которые приведены на рис. 1. Обращает
на себя внимание факт, что энергоемкость удар-
ного разрушения в дробилках при энергии импульса до 138000 Дж составляет примерно 8,4 Дж/см3 (2,34 квт-ч/м3). Последнее обстоятельство очень важно с точки зрения экономии электроэнергии.
Наши исследования показывают, что при ударном пошаговом разрушении существуют оптимальные параметры шаговой толщины разрушаемого слоя (рис. 2), при которых энергоемкость процесса будет минимальной.
Хартман (1963 г.) Синг и Джонсон (1965 г.) для ударной отбойки пород в монолите дают следующую формулу, связывающую объем V разрушаемых в монолите пород с энергией удара Е:
V ъБ12 (1)
расчеты по которой дают завышенные значения. Так, например, при энергии удара Е=106 Дж объем разрушенной породы за цикл согласно расчетам составит V ъ 15 м.
Рис. 1. Зависимость энергоемкости разрушения пород от энергии удара (1 - бурильный молоток фирмы «Джой», 2 -падающие бабы, 3 - гидравлические дробилки)
Рис. 2. Зависимость энергоемкости разрушения породы от шага Ь и энергии удара
Рис. 3. Общий вид гидромолота с пневмопружиной:
1 - ресивер, 2 -
пневмопружина, 3 -корпус, 4 - нож
(била), 5 - гидроцилиндр, 6 - упор
Существовавшие до настоящего времени ударные установки, состоявшие из ударника (бойка) и инструмента, имеют ограничения по скорости соударения (12-15 м/с) этих деталей, что ограничивало их энергию удара (6000-9000 Дж). Однако этот существенный недостаток устраняется в конструкции ударных установок метательного типа, где ударник (боек) является одновременно и рабочим инструментом.
В Московском государственном открытом университете (МГОУ) разработан один из вариантов конструкции, создан и испытан макетный образец ударной машины такого типа (рис. 3), у которой ударник является одновременно и инструментом, а роль пружины (аккумулятора энергии) выполняет наполненная воздухом силовая оболочка из резино-корда, полностью герметичная и коррозионностойкая. Полный цикл работы машины состоит из нескольких этапов. Вначале гидроцилиндры ставят ударник в исходное положение, сжимая воздушную пружину, и затем возвращают свои штоки. Удержание ударника в исходном предударном положении осуществляет специальной конструкции упор, срабатывающий: от концевого включателя, по команде оператора, в автоматическом режиме. Работоспособность конструкции упора проверена на стенде.
После срабатывания упора пневмопружина разгоняет инструмент, который и наносит удар по забою. При такой конструкции ударник может быть выполнен любой формы, в том числе в виде плоского широкого ножа, пики, кольца и т.п.
Каждый из приведенных этапов описывается своей математической зависимостью, что вместе составляет математическую модель работы гидромолота.
С точки зрения повышения эффективности процесса разрушения горных пород, мерзлых грунтов, льда и т.п. наибольший интерес представляют ножи гильотинного типа в форме широкого лезвия, при котором, как показывают эксперименты, существенно увеличивается производительность процесса разрушения среды за счет предварительного в процессе движения ножа формирования в монолите «балок» шириной Ь (рис. 2) и значительной длины, момент сопротивления которых невелик, и они затем легко ломаются внедряющимся инструментом при минимальных затратах энергии.
Установка по схеме (рис. 3) может быть создана на большую энергию удара. Так, например, если пневмопружина (оболочка) имеет в плане размер опорной поверхности 1,5х1,0 м, то при среднем давлении воздуха в оболочке, стабилизируемом ресивером, 1 МПА (10 кг/см2) и сжатии этой пневмопружины гидроцилиндрами на величину 1 м, то запасенная потенциальная энергия, переходящая в кинетическую энергию удара, составит:
ЕъБ р •И = 1,5 • 106 Дж (150 тыс. кГм) где Б - опорная площадь оболочки, см2; р -давление воздуха в оболочке, кг/см2; И - ход сжатия оболочки, м.
Такой энергии удара согласно графику на рис. 1 соответствует энергоемкость разрушения пород около 5 Дж/см3 (1,38 квт-ч/м3), чему соответствует объем отбитой породы около 0,3 м3.
Из сравнения такого удельного показателя, как отношение энергии удара Е(Е = 1,5^ 106 Дж) к суммарной длине Ь разрушающей кромки инструмента (принимаем Ь = 1500 мм) с аналогичным показателем наиболее мощного пневмоударника, работающего на открытых разработках, у которого Е = 420 Дж, Ь = 2x200 мм, следует, что в первом случае такое отношение будет в 103 раз больше, чем у существующих мощных пневмоударников.
Можно считать реальной частоту удара такого гидромолота порядка до 0,5 с-1. При этом часовая расчетная производительность одного такого гидромолота составит около 500 м3/час. Для непрерывного послойного разрушения горных массивов агрегатами на открытых разработках возможна установка нескольких гидромолотов с шириной захвата соответственно 3; 4,5 и 6 метров.
Так как давление в воздушной пружине можно непрерывно регулировать, то тем самым можно регулировать и энергию удара, что важно иметь при изменяющихся свойствах разрушаемой среды. При этом установка может работает при любом ее положении в пространстве, что проверялось на стенде. При таких высоких энергиях удара и пошаговой схеме разрушения забоя, возможно создание технологии разрушения пород без применения буровых и взрывных работ, т.е. экологически чистым способом.
Разработано техническое задание на создание гидропневмомолота с энергией удара 106 Дж для разрушения пород. Ширина билы принята 1500 мм, толщина ее - 100 мм. Ниже рассмотрены два варианта использования гидропневмомолотов.
Возможна компоновка гидромолота и базовой машины таким образом, что такая установка позволит согласно расчетам проходить по крепким породам без применения взрыва подземные выработки диаметром, например, 3500 мм. При этом скорость подвигания забоя достигнет около 50 м за час непрерывной работы. Расположение установки и порядок обработки забоя с шагом Ь при-
Рис. 4. Схема изменяющегося под углом а положения гидромолота в пространстве забоя и порядка обработки забоя с шагом Ь при проведении подземных выработок
Рис. 5. Компановочная схема установки для послойной разработки с шагом Ь и глубиной разрушаемого слоя И горного массива с применением гидромолотов
ведены на рис. 4. Установка может быть расположена под углом а относительно продольной оси выработки, что позволяет компенсировать реакцию со стороны стенок выработки и износ инструмента в кутковой части забоя в зависимости от крепости пород, изменять диаметр выработки. Мощность гидромолота с энергией удара 1,5-106 Дж, при этом составит 750 кВт.
Проработаны технические предложения установок для послойного безвзрывного разрушения пород на открытых разработках. На рис. 5 приведен вариант такой установки, оснащенной четырьмя гидропневмомолотами. При коэффициенте машинного времени, равном 0,5, производительность установки за 8 часов работы составит согласно расчетам около 8000 м3 или 20000 тонн в смену. Мощность приводов при этом составит не менее 3000 кВт. В конструкциях указанных установок предусмотрено использование серийно выпускаемых гидравлических и пневматических узлов (насосы, гидроцилиндры, блоки управления и др.).
В заключение следует отметить, что спроектированный и изготовленный макетный образец импульсного привода по рассмотренной выше схеме прошел стендовые испытания и подтвердил правильность заложенных в ней идей. Испытания показали, что использование формулы 2 при расчетах энергии удара установки дает вполне удовлетворительные результаты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Войцеховская Ф.Ф. Некоторые эмпирические зависимости ударного разрушения горных пород. ФТПРПИ №6, 1991.
2. Красников Ю.Д. и др. Разрушение горного массива машинами взрыво-импульсного действия. - М.: Наука, 1974, 228 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Красников Ю.Д. - профессор, Московский государственный открытый университет. Шешко Е.Е. - профессор, Московский государственный горный университет. Бурляев А.В. - инженер, Московский государственный открытый университет.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
КРАСНИ~1
в:\По работе в универе\2002\Папки 2002\giab8_02 С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коаті^\Місго80й\ШаблоньіШогта1Ло1т О СОЗДАНИИ СРЕДСТВ ЭФФЕКТИВНОГО БЕЗВЗРЫВНОГО РАЗРУ-
ШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Содержание:
Автор:
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки:
Дата печати:
При последней печати страниц: слов:
Alexandre Katalov
08.07.2002 11:44:00 19
28.11.2008 18:37:00 Таня
56 мин.
28.11.2008 18:59:00
3
знаков:
1 550 (прибл.) 8 837 (прибл.)
