Методы и способы их оценки

Знание физико-механических свойств горных пород является главным и необходимым условием при выборе типа горной машины, расчете и обосновании оптимальных режимных параметров её работы. К основным физико-механическим характеристикам горных пород, определяющим условия и возможности работы горных машин, относятся прочность, крепость, твердость, вязкость, абразивность и др. Кроме того, применительно к разрушению углей исполнительным органом комбайна имеется комплексный показатель оценки их прочностных свойств - сопротивляемость резанию.

Прочность - свойство горных пород воспринимать воздействие механических, термических, электрических и других нагрузок, не разрушаясь. Основными показателями, характеризующими прочность горных пород, являются пределы прочности на сжатие δ_сж, растяжения δ_р и сдвиг δ_сдв. Эти показатели применительно к углю имеют примерно следующие соотношения δ_сж: δ_р: δ_сдв = 1: 0.3: 0.1. Наиболее выгодно с позиции энергоемкости разрушения в подрезцовом пространстве создавать напряжения растяжения или сдвига, нежели сжатия. Это осуществляется выбором соответствующей формы резца, оптимального угла резания, конструкции резца и исполнительного органа. Так, при углах резания меньших 90° в подрезцовом пространстве формируются в основном напряжения сдвига и растяжения, увеличение угла влечет за собой переход к напряжению сжатия. Прочность углей при одноосном сжатии колеблется в значительных пределах - от 1 МПа у бурых углей до 35 МПа - у антрацитов. При объемном напряженном состоянии прочность угля значительно возрастает.

Крепость - сопротивляемость горных пород объемному разрушению. В горной практике наиболее широко используется классификация пород по крепости, предложенная проф. М.М. Протодьяконовым (старшим). Все горные породы разделяются на 10 категорий и оцениваются коэффициентом крепости f от 0.3 (плывуны) до 20 (крепкие и вязкие базальты). Коэффициент крепости - относительная величина. За единицу крепости (f=l) была принята порода, временное сопротивление одноосному сжатию которой составляет 10 МПа. При оценке крепости М.М. Протодьяконов исходил из условия, что разрушение происходит в основном посредством преодоления сопротивляемости пород на сжатие. М.М. Протодьяконовым (младшим) был предложен экспериментальный метод определения коэффициента крепости, основанный на относительной оценке работы на дробление пород (ГОСТ 21153.1-75). В целом метод оценки крепости пород по М.М. Протодьяконову не учитывает разнообразия разрушающих способов воздействия на забой и формируемых в подрезцовом пространстве напряжений, влияние давления боковых пород и отжима угля, насыщенности угля газом и ряда других факторов. Поэтому, наряду с коэффициентом крепости, в горной практике используется показатель трудности разрушаемости пород, учитывающий сжимающие, растягивающие и скалывающие усилия, показатели буримости, дробимости, экскавируемости и т.п. Для оценки крепости угля при разрушении его режущим инструментом необходим специальный и более точный показатель, учитывающий влияние всех побочных факторов.

Твердость - свойство пород оказывать сопротивление при местном контактном воздействии. Имеются методы оценки твердости по Бринеллю, Роквеллу, Шору и т.д. Применительно к горным породам чаще используются показатели контактной прочности, которые определяются по методу Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана путем вдавливания в породу цилиндрического индентера диаметром 2-5 мм. По величине контактной прочности (Рк), измеряемой в МПа, горные породы разделяются на шесть категорий: слабые (до 400 МПа), ниже средней крепости (400-650 МПа), средней крепости (650-1250 МПа), крепкие (1250-2450 МПа), очень крепкие (2450-4500 МПа), крепчайшие (более 4500 МПа). Показатели твердости наиболее часто применяются при оценке возможности использования буровых машин, шарошечного инструмента и т.д.

Классификация пород по контактной прочности

горный порода производительность

Хрупкость - способность горных пород разрушаться без предварительной пластической деформации. В основе явления хрупкости лежит неоднородность структуры материала и возможность развития в нем хрупкой трещины, на остром кончике которой формируются значительные концентрации напряжений, поэтому разрушение, как правило, происходит мгновенно при сравнительно невысоком уровне нагрузок. Хрупкость пород можно оценить коэффициентом хрупкости Кхр, определяемым как отношение удельной энергии упругой деформации к величине удельной энергии разрушения пород при одноосном сжатии. Идеально пластичные и хрупкие породы имеют соответственно 1 коэффициент хрупкости, равные Кхр =0 и Кхр =1.0. Более просто хрупкость углей и пород можно оценить по величине развала борозды при проведении в массиве единичного пробного реза. Больший угол развала борозды, измеряемый от вертикали до плоскости фактического ее значения, характеризует большую хрупкость угля. Этот показатель используется при формировании схемы набора резцов в исполнительном органе, при расчетах нагрузки на исполнительном органе комбайна. Большинству углей свойственна повышенная хрупкость. При разрушении хрупких углей можно использовать более разряженные схемы набора резцов в исполнительном органе комбайна, тем самым снижая энергозатраты на разрушение.

Абразивность - способность породы изнашивать контактирующие с породой твердые тела (индентеры). Зависит в основном, от прочности, размеров и формы минеральных зерен, слагающих породу, и является основным показателем, по которому нормируется расход породоразрушающего инструмента. Существует методика оценки абразивности, разработанная Л.И. Бароном и А.В. Кузнецовым. В основу оценки степени абразивности положена потеря массы прутка стали-серебрянки, вращающегося с частотой 400 мин^-1 в контакте с испытуемой породой (при усилии прижатия в 150 Н). Оценка показателя абразивности породы производится в мг за время испытания продолжительностью в 10 мин. Установлено 8 классов абразивности пород: малоабразивные - до 5 мг (мрамор, глинистые сланцы), в высшей степени абразивные - более 90 мг (корундосодержащие породы, порфит, кварцит, гранит и др.).

Сопротивляемость угля резанию - наиболее обобщенный показатель оценки крепости углей, используемый для выбора возможности применения определенного типа комбайна и расчета нагрузок на рабочем органе машины. Определяется непосредственно в забое специальным режущим инструментом с учетом влияния на крепость углей дополнительных факторов таких, как отжим угля, насыщение его газом и т.д. Методика разработана в ИГД им А.А. Скочинского А.И. Бероном и Е.З. Позиным. Возможна оценка сопротивляемости резанию с помощью струговой установки ДКС, либо динамометрического сверла СДМ-1.

Литература

1 Агошков М.Я., Борисов С.С, Боярский В.А. Разработка рудных и нерудных месторождений. М., Недра, 2003.

. Баранов А.О. Расчет параметров технологических процессов подземной добычи руд. М., Недра, 2005.

. Барите Е.Г. Взрывные работы на подземных рудниках. М., Недра, 2005.

. Борисов С.С, Клоков М.Я., Горновой Б.А. Горное дело М Мир, 2008.

. Вороновский К.Ф., Пухов Ю. С, Шелоганов В.И. Горные, транспортные и стационарные машины. М., Недра, 2005.