CC BY
31
- © С.А. Толстунов, С.П. Мозер, 2015
УДК 622.362.2
С.А. Толстунов, С.П. Мозер
ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ГОРНОГО КОМБАЙНА ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД КРУПНЫМ СКОЛОМ
Разработка месторождений многолетнемерзлых пород подземным способом характеризуется низкими технико-экономическими показателями. Специально приспособленные горные комбайны для разработки многолетнемерзлых россыпей в номенклатуре машиностроительных отечественных и зарубежных предприятий отсутствуют. В связи с этим рассмотрены различные образцы горных комбайнов, изготавливаемых для угольной промышленности. Однако, полная зачистка почвы пласта исполнительным органом комбайна невозможна из-за значительного вы-ступания резцов за пределы шнека. Определена наиболее вероятная эффективная конструкция исполнительного органа комбайна. Для разрушения многолетнемерзлых пород исполнительный орган должен содержать элементы скалывающей полосы, имеющей чередующиеся свободные участки. Для обеспечения эффективной зачистки плотика свободное пространство должно быть закрыто такими же скалывающими сегментами-ножами, но только установленными с обратной стороны винтовой поверхности шнека. Рабочая поверхность исполнительного органа должна представлять собой скалывающую спираль, состоящую из двух рядов сегменов-ножей, располагаемых в шахматном порядке.
Ключевые слова: многолетнемерзлые породы, горные комбайны, сегменты-ножи, скол мерзлого грунта, породоразрушающий инструмент, шнек.
Разработка месторождений многолетнемерзлых пород подземным способом характеризуется низкими технико-экономическими показателями. Такое положение объясняется большими трудозатратами на буровзрывную отбойку и погрузку горной массы, несовершенством систем разработки и технологической цепи, включающей поддержание кровли целиками и ручное крепление очистных забоев. В последние годы Санкт-Петербургским горным институтом разработаны и испытаны в подземных условиях пневмобаллонные крепи «Лена-2» в сочетании с частичной закладкой выработанного пространства [8]. Применение таких крепей дает возможность существенно повысить надежность и эффективность процессов крепления и управления кров-
лей. Крепи «Лена-2» могут работать в очистном забое при наличии буровзрывной отбойки горной массы и ее погрузки погрузочно-транспортными машинами или горными комбайнами. Специально приспособленных горных комбайнов для разработки многолет-немерзлых россыпей в номенклатуре машиностроительных отечественных и зарубежных предприятий нами не обнаружено.
Наибольший интерес представляют образцы горных комбайнов, изготавливаемых для угольной промышленности [6, 7]. Большинство конструкций горных комбайнов работает с базы скребкового забойного конвейера. Они производят отделение горной массы от массива и погрузку ее на конвейер. Сложность работы комбайна заключается в специфи-
ческих свойствах разрабатываемого массива. Мерзлые рыхлые отложения представляют собой многокомпонентную среду с твердыми включениями крупностью до 300 мм и более в виде гранитов, гнейсов, кварцевых песчаников и других пород, сцементированных глинисто-илистым материалом. Прочность такого массива зависит от его вещественного состава, наличия свободной воды и температуры. В среднем по данным работы [2], прочность таких пород на одноосное сжатие колеблется от 2,0 до 15 МПа при температуре до -8 °С. Такие условия не позволяют использовать существующие комбайны по их прямому назначению, так как становится невозможным осуществление процесса резания массива исполнительным органом комбайна. Однако предварительное разупрочнение мерзлых пород дает возможность использовать горные комбайны для дальнейшего дробления и погрузки горной массы на конвейер. Экономическая целесообразность применения горных комбайнов должна определяться с учетом комплексного решения других вопросов (применение столбовой системы разработки, необходимой длиной очистного забоя и др.). Кроме того, при разработке многолетнемерзлых россыпей существует необходимость подрубки коренных пород плотика на 150-200 мм и необходима практически полная зачистка почвы при-забойного пространства для последующего актирования выработанного пространства. Полная зачистка почвы пласта исполнительным органом комбайна также становится невозможной из-за значительного выступания резцов за пределы шнека. В противном случае операции по полной зачистке плотика необходимо производить вручную, что совершенно не стыкуется с работой высокопроизводительной техники и занимает мно-
го рабочего времени. Для решения этой проблемы институтом ВНИИ-1 предложено и испытано в производственных условиях устройство в виде накладки из конвейерной ленты, устанавливаемой на шнек по линии резцов [1]. Испытания таких устройств в производственных условиях показали их низкую надежность из-за быстрого износа конвейерной ленты. В связи с вышеизложенным появляется необходимость в изыскании новых, специально приспособленных к разработке россыпей исполнительных органов комбайнов. Поэтому при выборе месторождений с комбайновой выемкой и погрузкой горной массы неизбежно встает вопрос о максимально возможной крупности твердых включений в разрабатываемом массиве.
Зубки на исполнительном органе комбайна устанавливают по специальной схеме в зависимости от конструкции зубков и исполнительного органа расстояние между зубками на винтовой линии шнека составляет примерно 120-150 мм, что соответствует расстоянию между линиями резания 20-30 мм. Таким образом кусок предельных размеров не может превышать это расстояние. При встрече серийного зубка с крупным и крепким включением происходит, как правило, его поломка. Таким образом, серийно изготавливаемые шнековые исполнительные органы комбайнов могут быть использованы для отбойки и погрузки горной массы, имеющей твердые включения не более 30 мм. Предельная крупность отбиваемых и погружаемых на конвейер кусков породы определяется высотой свободного пространства (клиренсом) между конвейером и корпусом комбайна. Современные конструкции комбайнов имеют клиренс 200-250 мм, что является верхним пределом кускова-тости горной массы. При попадании твердых включений больше указан-
ных размеров комбайн должен быть остановлен и валун вручную должен быть переброшен через конвейер. Поэтому при выборе месторождения, предназначенного к отработке с применением комбайнов, следует ориентироваться на указанные размеры валунов и крупнообломочных включений.
С энергетической точки зрения наименьшие затраты энергии при отбойке горной массы происходят при наличии крупного скола. Крупный скол наиболее предпочтителен для отбойки крепких и вязких пород. Получить крупный скол с использованием обычных радиальных либо тангенциальных резцов затруднительно. На наш взгляд заслуживает внимания опыт отбойки угля с применением режуще-скалывающего исполнительного органа СШО [3, 4]. Важной особенностью такого исполнительного органа комбайна является замена всех режущих зубков сплошной скалывающей спиралью, состоящей из отдельных сегментов-ножей [5]. Сегменты-ножи армируются пластинами из твердого сплава для повышения износостойкости. Режуще-скалывающий сегмент-нож представляет собой широкую Г-образную клиновидную конструкцию, с помощью которой производит-
Рис. 1. Схема действия сил при внедрении в горную породу осесимметричного клина
ся скалывание породы щеками клина. Различные конструкции СШО испыты-вались на комбайне «Урал 2м» на шахте «Центральная» ПО «Воркутауголь» в 1973 г., долее на шахте «Комсомольская» в 1975 г. Более совершенная конструкция СШО испытывалась на шахте «Северная» ПО «Воркутау-голь в 1978-1982 гг. с использованием комбайна КШ-1 кг. Испытание СШО производилось на пласте Тройном мощностью 2,7 м и углом падения 8-9 градусов на глубине 680 м. Уголь пласта Тройной крепкий, сопротивление угля резанию составляло 180-220 Кн/м. На основании этих испытаний отмечалось значительное снижение энергопотребления (более 5 раз) и практически полная зачистка поверхности призабойного пространства. Выход крупных фракций угля также значительно повысился. Значительный выход крупных фракций угля становится возможным при скорости подачи комбайна 5-6 м/мин. При более низких скоростях подачи комбайна снижается выход крупных фракций, происходит переизмельчение кусков угля. Форма отбиваемой полосы угля представлена сегментом окружности, поэтому при малой скорости подачи в местах входа-выхода СШО происходит переизмельчение угля. Производственные испытания СШО показали его существенное преимущество перед обычным исполнительным органом, оснащенным серийными резцами.
Теоретически и практически крупный скол мерзлого грунта с применением клиновидных конструкций исследован также А.Н. Зелениным [2]. Мерзлые грунты представляют собой упруго-пластические породы, сцементированные льдом. Такие породы оказывают достаточно высокое сопротивление породоразрушающему инструменту. Схема действия сил при крупном сколе показана на рис. 1.
Силе Р противодействуют равнодействующие реакции породы N, нормальные к щекам клина, и силы трения Т, вызванные наличием силы N в процессе движения клина. Процесс скола таких пород делят на две фазы: I - внедрение скалывающего клина в породу и появление первых трещин; II - распространение трещин в глубину и отделение скалываемого объема грунта от массива. В первой фазе внедрение рабочего инструмента в породу сопровождается уплотнением породы под щеками клина. Если инструмент располагается достаточно близко от открытой поверхности, то при внедрении клина перед ребрами его передней грани появляются две трещины. Во второй фазе трещины распространяются к открытой поверхности забоя и в глубину массива. Объем грунта, оконтуренный трещинами, отделяется от массива. Величина скалываемого объема породы определяется расстоянием скалывающего клина от груди забоя, длиной лезвия клина, а также физико-механическими свойствами откалываемой горной породы. При изменении влажности, температуры и вещественного состава горной породы изменяются элементы скалываемого объема: углы распространения трещин, глубина скола и форма скола. При затуплении клина в первой фазе начинает формироваться уплотненное ядро из горной породы, которое по мере внедрения клина в горную породу передвигается вместе с клином.
Рассмотрение схемы сил при движении сегмента-ножа в массиве показывает, что при движении сегмента-ножа участвуют три составляющие вместо двух при резании массива зубками. Третья составляющая способствует отделению (выворачиванию) крупных включений из массива. При установке широкого клина на поверхность шнека дополнительно появля-
ется составляющая сил, вызванных вращением шнека и составляющая от движения материала перпендикулярно поверхности торцевой клина.
Разрушение многолетнемерзлых пород клиновыми конструкциями более предпочтительно в сравнении с режущими конструкциями, так как при крупном сколе разрушение идет по наиболее слабому контакту. При этом механизме разрушения горной породы трещины распространяются за пределами контакта инструмента с горной породой.
Заслуживают также внимания исследования [2] по определению удельной энергоемкости скола мерзлого грунта от расстояния рабочих органов от открытой стенки. Исследования разрушения мерзлых грунтов производилось в полевых условиях с применением передвижной копровой установки на мерзлом суглинистом грунте. Удары падающего груза передавались рабочему органу, выполненному в виде разборной конструкции (по типу «гребенки») с пятью зубьями клиновидной формы. Такая конструкция позволяла устанавливать в корпусе «гребенки» различное число зубьев - от одного до пяти. Высота каждого зуба 22 см, ширина 10 см, угол заострения 30°. При установке пяти зубьев ширина общего клина составляла 50 см. Температура пород составляла -3 °С.
На рис. 2 приводится зависимость удельной энергоемкости скола для различных типов рабочих органов. Приняты следующие обозначения: один средний зуб (условное обозначение «3»); два средних зуба («2-4»); два крайних зуба («1-5»); три зуба («1-3-5»); пять зубьев («1, 2, 3, 4, 5»). Анализ полученных зависимостей показывает, что для любых сочетаний зубьев формы кривых идентичны. Зависимости имеют характерные области экстремумов. При удалении
Рис. 2. Зависимость удельной энергоемкости скола от расстояния рабочих органов различных типов от открытой стенки: 1 - один зуб (3-ий); 2 - два зуба (2 и 4); 3 - три зуба (1, 3, 5); 4 - два зуба (1 и 5)
Рис. 3. Схема установки скалывающих клиньев на исполнительном органе комбайна - шнеке: 1 - барабан шнека; 2 - лопасть шнека; 3 - ось вращения; 4 - скалывающие сегменты-ножи
рабочего органа на определенное расстояние от забоя достигается минимальная удельная энергия скола. При дальнейшем удалении рабочего органа на расстояние, превышающее увеличивается удельная энергоемкость скола. При этом, в зависимости от свойств горных пород удельная энергоемкость крупного скола зависит от комбинации скалывающих зубьев. При повышении температуры мерзлой породы выше -2 °С крупный скол вообще становится невозможным одиночными зубьями. В этих условиях в связи с увеличением пластичности горной породы более эффективным является сплошной скалывающий орган.
Таким образом, рассмотренные нами случаи разрушения горной породы крупным сколом являются крайними положениями.
На основании вышеизложенного представляется возможным определить в общих чертах наиболее вероятную эффективную конструкцию исполнительного органа комбайна. Для разрушения многолетнемерз-лых пород исполнительный орган должен содержать элементы скалывающей полосы, имеющей чередующиеся свободные участки. Для обеспечения эффективной зачистки плотика свободное пространство должно быть закрыто такими же скалывающими сегментами-ножами, но только
установленными с обратной стороны винтовой поверхности шнека. Иными словами, рабочая поверхность исполнительного органа должна представлять собой скалывающую спираль, состоящую из двух рядов сегменов-ножей, располагаемых в шахматном порядке. Передние скалывающие сегменты-ножи должны исполнять функцию скалывания, а задние должны обеспечивать дальнейшее отделение кусков от массива и хорошее качество зачистки плотика.
Схема установки скалывающих сегментов-ножей показана на рис. 3.
Параметры скалывающей спирали (размеры А и углы заточки сегментов-ножей, размеры свободного пространства на полосе В, расстояние между скалывающими элементами С
1. Емельянов В.И., Мамаев Ю.А, Куд-лай Е.Д. Подземная разработка многолетне-мерзлых россыпей. - М.: Недра, 1982.
2. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. - М.: Машиностроение, 1968. - 373 с.
3. Модестов Ю.А., Морозов B.C. Исполнительный орган горной машины // Бюллетень изобретений. - 1973. - № 14.
4. Модестов Ю.А., Ефремов А.В., Морозов B.C. и др. Рабочий орган горных машин // Бюллетень изобретений. - 1977. -№ 35.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
и др.) должны выбираться исходя из вещественного состава массива, конструктивных размеров шнека и др. Исходя из реальных размеров шнеков комбайнов 1-ГШ-68, КШ-3м и возможностей установки на них сегментов-ножей максимальный размер твердых включений не должен превышать 150-170 мм. В связи с тем, что сегмент-нож конструктивно более прочен, чем стандартный зубок комбайна, встреча с крупным включением не приведет к его поломке. Проведение исследований в этом направлении на базе предлагаемой конструкции позволит создать реальную эффективную конструкцию шнеково-го исполнительного органа комбайна, пригодного для работы в условиях многолетней мерзлоты.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Модестов Ю.А., Морозов B.C. Новый исполнительный орган СШО угольного комбайна // Уголь Украины. - 1980. - № 2.
6. Солод В.И., Зайков В.И., Перов К.М. Горные машины и автоматизированные комплексы. - М.: Недра, 1981.
7. Яцких В.Г., Спектор Л.А., Кучерявый А.Г. Горные машины и комплексы. - М.: Недра, 1984.
8. Толстунов С.А., Модестов Ю.А., Мон-тиков А.В. Гибкая технология отработки пластов многолетнемерзлых пород // Горный журнал. - 1990. - № 7. - C. 29-31. ЕШ
Толстунов Сергей Андреевич - кандидат технических наук, доцент, Мозер Сергей Петрович - кандидат технических наук, доцент,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», e-mail: rectorat@spmi.ru.
UDC 622.362.2
THE CHOICE OF EFFECTIVE EXECUTIVE BODY OF THE MOUNTAIN HARVESTER FOR THE DESTRUCTION OF PERMAFROST ROCKS BIG CLEAVAGE
Tolstunov S.A., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,
Mozer S.P., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,
National Mineral Resource University «University of Mines», e-mail: rectorat@spmi.ru.
Underground mining in permafrost formations features low engineering-and-economical performance. Russian and foreign machine-building plants do not manufacture application-specific cutting machines for permafrost. Various coal shearers are discussed from this viewpoint. The shearers do not ensure total cleaning-up since cutters slightly project beyond the contour of the worm.
The article describes the maximum efficient design of the working member of a shearer. The working member to cut permafrost should have elements of shearing belt with alternating clear spans. For the effective cleaning-up of bedding rocks, the clear spans should be closed with shearing blades installed on the back side of the worm. The working face of the working member should be a shearing spiral composed of two rows of chequered blades.
Key words: permafrost formations, shearers, segments-blades, permafrost shear, rock-cutting tool, worm. REFERENCES
1. Emel'yanov V.I., Mamaev Yu.A, Kudlai E.D. Podzemnaya razrabotka mnogoletnemerzlykh rossypei (Underground mining of permafrost placers), Moscow, Nedra, 1982.
2. Zelenin A.N. Osnovy razrusheniya gruntov mekhanicheskimi sposobami (Basic principles of mechanical fracture of soil), Moscow, Mashinostroenie, 1968, 373 p.
3. Modestov Yu.A., Morozov B.C. Ispolnitel'nyi organ gornoi mashiny (Working member of a mining machine), Byulleten' izobretenii, 1973, no 14.
4. Modestov Yu.A., Efremov A.V., Morozov B.C. Rabochii organ gornykh mashin (Working members of mining machines), Byulleten' izobretenii, 1977, no 35.
5. Modestov Yu.A., Morozov B.C. Ugol' Ukrainy. 1980, no 2.
6. Solod V.I., Zaikov V.I., Perov K.M. Gornye mashiny i avtomatizirovannye kompleksy (Mining machines and automated equipment sets), Moscow, Nedra, 1981.
7. Yatskikh V.G., Spektor L.A., Kucheryavyi A.G. Gornye mashiny i kompleksy (Mining machines and equipment sets), Moscow, Nedra, 1984.
8. Tolstunov S.A., Modestov Yu.A., Montikov A.V. Gornyi zhurnal. 1990, no 7, pp. 29-31.
_ ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
МЕТОДЫ И ИНСТРУМЕНТЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИННОВАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Ле Бинь Зыонг - аспирант, e-mail: leduong80@gmail.com,
Попов Сергей Михайлович - доктор экономических наук, профессор,
e-mail: s.popov@inbox.ru,
Савин Константин Сергеевич - аспирант,
Савон Диана Юрьевна - доктор экономических наук, профессор, e-mail: di199@yandex.ru, НИТУ «МИСиС»;
Попов Евгений Михайлович - аспирант, e-mail: 2086ramblerru1@rambler.ru, Донской государственный технический университет;
Калачева Лариса Викторовна - кандидат экономических наук, докторант, e-mail: кalacheva@mail.ru,
Петров Иван Васильевич - доктор экономических наук, профессор, директор, e-mail: piv1961@inbox.ru, ОАО «ЦНИЭИуголь».
Представлены статьи научных сотрудников, преподавателей и аспирантов образовательных учреждений и промышленных предприятий, посвященные вопросам эколого-экономи-ческого обоснования вариантов и параметров инновационной деятельности.
Ключевые слова: инновационная деятельность, механизм, ущерб, охрана водных ресурсов, добыча угля, шахта, эколого-экономическая эффективность, месторождения торфа.
METHODS AND TOOLS FOR ASSESSING THE EFFECTIVENESS OF INNOVATIVE ACTIVITY
Le Binh Duong, Graduate Student, e-mail: leduong80@gmail.com, Popov S.M., Doctor of Economical Sciences, Professor, e-mail: s.popov@inbox.ru, Savin K.S., Graduate Student, Savon D.Yu., Doctor of Economical Sciences, Professor, e-mail: di199@yandex.ru, National University of Science and Technology «MISiS»; Popov E.M., Graduate Student, e-mail: 2086ramblerru1@rambler.ru, Don State Technical University; Kalacheva L.V., Candidate of Economical Sciences, Doctoral Candidate, e-mail: кalacheva@mail.ru, Petrov I.V., Doctor of Economical Sciences, Professor, Director, e-mail: piv1961@inbox.ru, JSC «TsNIEIugol».
Presents articles researchers, teachers and graduate students of educational institutions and industrial enterprises devoted to ecological and economic assessment of options innovation.
Key words: innovative activity, mechanism, damage, protection of water resources, coal mining, mine, ecological and economic efficiency, deposits of peat.
