CC BY
35
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каталог угольных пластов мощностью до 3,5 м и углом падения до 35о с тяжелыми кровлями. - Л.: ВНИМИ, 1985. - 74с.
2. Временные методические указания по оценке структуры, свойств
и напряженного состояния труднооб-рушаемых кровель угольных пластов. Кемерово, 2002. 41с.
3. Каталог пологих угольных пластов в угольных бассейнах СССР. - Л.: ВНИМИ, 1976. - 16с.
4. Егоров П.В., Иванов В.В. и др. «Справочное пособие для служб прогноза и предотвращения горных ударов на шахтах и рудниках». - М.: Изд-во «Недра», 1995.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------------
Иванов Вадим Васильевич - профессор, доктор технических наук, Кузбасский государственный технический университет (КузГТУ).
Зюзин Евгений Александрович- аспирант кафедры ТиГМ КузГТУ.
Волков Николай Николаевич - начальник Беловского горно-технического отдела, горный инженер.
© Г.Ш. Хазанович, Ю.М. Ляшенко, 2003
УЛК 622.02:622.619
Г.Ш. Хазанович, Ю.М. Ляшенко
О РАЗРАБОТКЕ ОСНОВ ТЕОРИИ КУСКОВОЙ СРЕЛЫ ЛЛЯ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОЛЕЙСТВИЯ ПОГРУЗОЧНЫХ ОРГАНОВ С ГОРНОЙ МАССОЙ*
Г
лавное место в рабочем процессе проходческих погрузочных машин занимают функции, предусматривающие взаимодействие исполнительных элементов с горной массой: формирование объема захвата; обеспечение транспортирования горной массы.
Для описания процессов взаимодействия погрузочных органов с горной массой принята совокупность физико-механических (горно-технологических) свойств кусковой среды:
• форма и размеры1 штабеля;
• средний диаметр частиц погружаемого материала;
• гранулометрический состав;
• угол естественного откоса штабеля;
• угол внутреннего трения сыпучего материала;
• крепость горных пород и др.
Общеизвестны научно-методические подходы к
установлению свойств кусковой среды, основоположника науки «Горно-технологическое породоведе-ние» проф. Л.И. Барона [1, 2]. Им принципиально разделены характеристики геотехнических свойств
пород, относящиеся к связным массивам, и «характеристики сыпучих пород и раздробленных или самообрушенных породных масс». Более того, последняя совокупность характеристик разделена на две группы: одиночные куски и раздробленные массы. В первую группу включены показатели формы, поверхности и объема, во вторую - гранулометрический состав, абразивность, коэффициент внешнего трения, угол естественного откоса, степень разрыхления и слеживаемости
Возникает вопрос, являются ли геотехнические характеристики, приведенные Л.И. Бароном, фундаментальными или они есть следствие некоторых, более общих, свойств горных пород, определяемых, например, минеральным составом?
Необходимо отметить, что такие характеристики кусковой среды как углы внутреннего трения, внешнего трения, естественного откоса определяются фрикционным состоянием контактирующих поверхностей, а последние зависят от формы поверхности кусков и от содержания частиц кварца, других компонент, влияющих на взаимное сцепление при передаче нагрузки от куска к куску в массиве штабеля.
Важнейшим принципиальным вопросом построения теории кусковой среды является возможность переноса в качестве аналогов свойств сыпучей среды. Как известно, в работах по статике сыпучих сред последняя рассматривается как сплошная с размерами частиц пренебрежимо малыми. В этой среде формируются напряжения нормальные и касательные непрерывные в локальных областях; могут быть выделены бесконечно малые площадки произвольной ориентации, в которых направления определя-
*Подготовлена к печати и издана при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации (конкурс грантов по фундаментальным исследованиям в области технических наук - ТОО-4.5-27.52)
ются известными методами теории сопротивления материалов, а нарушение равновесия происходит по линиям (поверхностям) скольжения, в каждой точке которой касательные напряжения достигают предельных значений, равных произведению нормальных напряжений и коэффициента внутреннего трения. Таким образом, фундаментальными свойствами сыпучей среды являются плотность у и угол внутреннего трения р (для влажных условий - дополнительно коэффициент сцепления).
В кусковой среде в общем случае между частицами происходит многоточечный контакт. Чем крупнее размер куска, тем меньше точек контакта в рассматриваемом объеме и тем значительнее различия в свойствах сыпучей и кусковой сред. На это обратил внимание проф. С.С. Музгин [3] при исследованиях процесса экскавации крупнокусковых горных пород.
Вместе с тем, изучение физических явлений при погрузке кусковых материалов показывает, что по аналогии с сыпучей средой при нарушении сплошности возникают линии (поверхности) скольжения, хотя и не гладкой формы. Отличительной особенностью является то, что положение поверхностей скольжения меняется от опыта к опыту, т.е. носит характер некоторой стохастической закономерности. Кроме того, поверхности скольжения приобретают форму зон скольжения, внутри которых происходит хаотическое перемещение кусков. Это вызывает формирование соответствующего характера усилий при перемещении в кусковой среде элементов исполнительных органов - ковшей, лап, гребков, клиньев и др. Усилия имеют вид случайных функций от линейных или угловых перемещений. Показатели изменчивости случайных функций зависят, прежде всего, от характеристик крупности среды: среднего размера куска и гранулометрического состава штабеля.
В теории механизированной погрузки преобладает два подхода к описанию процессов взаимодействия с раздробленной горной массой, имеющей форму штабеля (по другой терминологии - навала [3]), рабочих органов:
1) базирующийся полностью на результатах экспериментальных измерений в лабораторных или производственных условиях сопротивлений внедрению, черпанию и объемов сдвижения и захвата;
2) с использованием методов статики идеально сыпучей среды, разработанной в трудах профессоров В.В. Соколовского и С.С. Голушкевича [4, 5].
В ряде научных школ используется комбинация указанных методик - математические модели разрабатываются на базе теории сыпучей среды с последующей корректировкой их на основе экспериментальных данных, полученных при погрузке кусковых материалов.
Основоположником первого направления является проф. Г.В. Родионов [6]; им и его учениками созданы научные основы механизированной погрузки (главным образом, ковшовым рабочим органом), путем обобщения большого объема опытных данных по внедрению, зачерпыванию и наполнению ковшей.
Развитие этих направлений получило в научной школе Новочеркасского политехнического института (ныне Южно-Российского государственного тех-
нического университета), где на базе полноразмерных стендов проведены масштабные исследования рабочих процессов ковшовых и с нагребающими лапами погрузочных органов [7-9], а позднее - погрузочных органов с клиновыми нагребающими лапами [10, 11]. Главным результатом этих исследований стало создание научно-методических основ расчета и выбора параметров шахтных погрузочных машин.
Характерной особенностью результатов упомянутых исследований явилась их жесткая «привязанность» к условиях проведения опытов, а также недостаточно информативное описание влияния стохастических свойств кускового материала. С одной стороны, всеми исследователями признается изменчивость свойств погружаемого материала, его особенности в сравнении с идеально сыпучей средой, с другой - фундаментальные свойства кусковой среды в математических моделях отражены не полностью. В частности, вид погружаемого материала учитывается дискретными значениями коэффициентов для отдельных разновидностей пород [6], размеры кусков - средним значением [9]. Попытки исследования закономерностей взаимодействия элементов ковша с кусковой горной массой с учетом стохастического характера расположения кусков предпринимались в ЮРГТУ (НПИ) доц. О.Д. Гагиным [8]. Однако, эта работа не получила продолжения.
Вместе с тем, многочисленные серии опытов по внедрению днищ и стенок ковшей, нагребающих лап свидетельствуют о вероятностном характере закономерностей формирования усилий, крутящих моментов, объемов захвата. Причем значения коэффициентов вариации в отдельных точках достигают 0,4-0,6.
Данные исследований позволяют качественно оценить влияние еще одного важнейшего фактора -масштабного - на свойства кусковой среды. Действительно, характеристики среды проявляются только во взаимодействии с опорными элементами -подпорными стенками, днищами и боковыми стенками ковшей, нагребающими лапами и т.д. По-видимому, соотношение К1 линейных размеров опорного элемента 1 и куска ! определяют возможность интерпретации свойств среды в виде сплошной сыпучей или дискретной кусковой. При малых К1 дискретные свойства за счет многоточечных контактов кусков будут проявления более отчетливо, чем при больших К/. Если К/ велико, то даже для штабеля из кусков, имеющих значительные размеры, может быть использована гипотеза поведения как сыпучего. Это явление объясняется усреднением процессов, которые происходят по всей области скольжения. При малых К/ проявляются индивидуальные взаимодействия кусков и рассмотрение процесса аналогично происходящему в сыпучей среде, некорректно. С этим явлением сталкивались многие исследователи, особенно отчетливо эта закономерность наблюдалась проф. С.С. Музгиным [3] при погрузке ковшом экскаватора кусков, размер которых соизмерим с шириной ковша. Им предложено перейти даже на схему взаимодействия со штучным грузом. При К1 = 4-5 происходит заклинивание кусков между стенками ковшей, траекториями лап. Следовательно, для описания среды с К1 <5 пригодна
только концепция кускового материала. Это значение может быть принято на данном этапе в качестве критериального. В качестве базового линейного размера необходимо принимать длину стенки, высоту лапы, клина, диаметр основания прибора для измерения угла откоса, размер ящика трибометра и т.д. В качестве ! необходимо использовать средний размер куска.
При К/ > 10 среду, по-видимому, можно относить к сыпучей. Эти допущения нуждаются в экспериментальной проверке. Вместе с тем, другим критерием возможности моделирования штабеля свойствами сыпучей или кусковой среды является коэффициент вариации размера куска КТ.
В самом деле, при одном и том же ! разброс размеров кусков может быть весьма различен. При К= 0 имеем случай строго сортированного груза. Для общего случая с достоверностью р = 0,99
I Ке = ! (1+3К) а Кетах=—------= ‘ .
^пах 1 + 3КТ
Для признания груза кусковым Кетах < 5, тогда Кетах < 5(1+3КТ). Например, если для рядовых грузов после буровзрывных работ Кетах = 0,5, то ограничение принимает вид: К/ < 12,5.
Эти ограничения в первом приближении можно использовать при определении физико-механических свойств кусковой среды или при проектировании измерительных приборов, которые наряду с общеизвестными характеристиками (размер и форма куска, распределение по крупности, плотность, трибометрические свойства) должны учитывать мине-
ралогический состав и масштабный фактор.
Таким образом, анализ результатов исследований многих авторов - специалистов в области механизированной погрузки свидетельствует о необходимости переосмысления полученных данных на основе стохастической теории кусковой среды. Идентификация свойств среды как сыпучей или кусковой должна производиться не по показателю абсолютного среднего или максимального размера частицы штабеля, а по соотношению линейного размера активного элемента и среднего размера куска с учетом гранулометрического состава. Закономерности рабочих процессов при взаимодействии со штабелем кускового материала должны представлять собой математические модели на основе теории вероятностей и теории случайных функций. Это позволит создать математический аппарат для более полного учета свойств погружаемого материала, уточнить методы расчета нагрузок и производительности погрузочных и транспортных машин.
Сформулированная задача характеризуется мно-гоаспектностью. Во-первых, какой совокупностью свойств необходимо характеризовать кусковую среду применительно к процессам погрузки и транспортирования; во-вторых, какова методика аппаратурного определения свойств кусковых материалов, взятых в виде проб из штабеля; в-третьих, каким образом свойства кусковых материалов должны быть отражены в базовых закономерностях и математических моделях рабочих процессов погрузочных и транспортных устройств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барон Л.И. Горно-технологическое породоведение. Предмет и основы исследований. - М.: Изд-во «Наука», 1977.-324 с.
2. Барон Л.И. Кусковатость и методы ее измерения. - М.: Изд-во АН СССР, 1960.
3. Музгин С.С. Экскавация крупнокусковой горной массы. - Алма-Ата: Изд-во «Наука» Каз. ССР, 1973.-106 с.
4. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. - М.: Физматгиз, 1960.243 с.
5. Голушкевич С.С. Плоская задача теории предельного равновесия сыпучей среды. - Л. -М.: ГГТИ, 1948.
6. Погрузочные машины для сыпучих и кусковых материалов / К.С. Гур-ков, А.Д. Костылев, Я.Б. Кальницкий, Г.В. Родионов и др. - М.: ГНТИ машино-
строительной лит-ры, 1962.-288 с.
7. Сильня В.Г., Гагин ОД, Хаза-нович Г.Ш. Экспериментальное исследование модели ковшового погрузочного органа в условиях уклонной выработки // Тр. Новочерк. политехн. ин-та. - Новочеркасск, 1961.-Том 130. - С. 19-34.
8. Гагин ОД, Иванов О.П, Симонов Н.Н. Определение сопротивлений внедрению ковша в штабель крупнокускового материала // Вопросы теории и расчета подъемно-транспортных и погрузочных машин: Тр. Новочерк. политехн. ин-та. - Новочеркасск: РИО НПИ, 1969.-Том 186. -С. 71-74.
9. Ерейский ВД. Определение сопротивлений зачерпывания сыпучего материала ковшовым погрузоч-
ным органом // Грузоподъемные и транспортные установки / Тр. Новочерк. политехн. ин-та. - Новочеркасск: РИО НПИ, 1975. - Том 313 (вып. II). - С. 96-101.
10. Носенко А.С., Хазанович Г.Ш. Результаты экспериментальных исследований модели погрузочного органа с клиновыми нагребающими лапами // Межвуз. сб.: Грузоподъемные и погрузочные машины. - Новочеркасск: РИО НПИ, 1985. -С. 125-131.
11. Ляшенко Ю.М. К определению сопротивлений внедрению погрузочного органа в виде рамки с клиновым носком в сыпучий материал // Грузоподъемные и погрузочные машины: Сб. межвуз. - Новочеркасск, 1985. -С. 120-124.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------------------------------
Хазанович Г.Ш. - профессор, доктор технических наук, Шахтинский институт, филиал Южно-российского государственного технического университета.
Ляшенко Ю.М. -Шахтинский институт, филиал Южно-российского государственного технического университета.
