МЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Под механическим разрушением горных пород принято понимать технологическое отделение от массива и дробление твердого вещества литосферы за счет использования механической энергии.
В современной горнодобывающей индустрии механическое разрушение горных пород производится за счет ударных нагрузок или усилий резания.
На разрушении массива за счет энергии удара основываются основные способы бурения прочных горных пород — ударно-вращательное, ударно-поворотное и шарошечное.
В результате удара инструмента по забою шпура (скважины) кинетическая энергия инструмента (энергия ударного импульса) затрачивается на дробление породы и вытеснение отделившихся частиц из образующейся лунки. Очевидно, чем большая доля энергии затрачивается на поступательное движение инструмента, тем большее значение приобретают удары для разрушения. При ударных способах бурения вследствие принудительного вращения инструмента при последующих ударах разрушаются новые участки забоя скважины.
При ударном и ударно-вращательном способах бурения разрушение породы происходит в основном в результате последовательных ударов инструмента по забою. Инструмент движется возвратно-поступательно и вращается, при этом обеспечивается разрушение породы по всей площади забоя. В машинах ударного бурения, как правило, принудительный поворот инструмента осуществляется только при его возвратном движении, поэтому такие машины иногда называют ударноповортными.
При вращательно-ударном бурении инструмент вдавливается в породу под действием динамических нагрузок, как при вращательном способе.
Бурение шарошечными долотами может быть отнесено к ударному, если разрушение происходит только в результате перекатывания шарошки по забою, и к вращательно-ударному, если, кроме того, наблюдается скольжение зуба шарошки по забою.
Разрушение горных пород за счет усилий резания составляет основу вращательного способа бурения малопрочных горных пород, разработки этих пород экскаваторами непрерывного действия (роторными или многоковшовыми), а также комбайновой и струговой добычи горючих полезных ископаемых — углей и горючих сланцев.
В мировой практике открытых горных работ наиболыпее распространение получили роторные экскаваторы, позволяющие обеспечивать большие усилия копания и высоту уступов. Эти экскаваторы отличаются высоким КПД, относительно небольшим износом элементов рабочего оборудования, универсальностью. Производительность этих экскаваторов колеблется от 200 до 19000 м3/ч при высоте уступов от б до 50 м.
Многоковшовые цепные экскаваторы применяются при разработке относительно мягких горных пород с удельным сопротивлением копанию до 0,6 — 0,7 МПа. Цепные экскаваторы, применяемые на горнодобывающих предприятиях, имеют производительность от 300 — 400 до 6000 м3/ч.
На открытых горных работах широко используются специализированные машины для механического рыхления горных пород. Бульдозеры используются для послойной разработки горных пород с пределами прочности на сжатие до 40 МПа.
Рыхлители на базе мощных промышленных тракторов применяются для безвзрывной подготовки к выемке и погрузке разрабатываемых горных пород с пределом прочности на сжатие до 90 МПа, а также мерзлых и трещиноватых скальных пород.
Колесные скреперы применяются для послойной разработки горных пород с пределами прочности на сжатие до 40 МПа с последующим транспортированием и укладкой этих пород.
Достаточно широко применяется механическое разрушение горных пород в процессе вторичного дробления крупногабаритных кусков, образующихся при взрывном дроблении горного массива.
Для этих целей в крановых бутобоях используют энергию удара падающего груза массой до 3 — 5 т.
Для дробления негабарита созданы также различные типы пневматических и гидропневматических бутобоев, выполняемых либо как стационарные установки на перегрузочных пунктах, либо как навесное оборудование к экскаваторам.
Наиболее широкое применение механического разрушения пород непосредственно на добыче полезных ископаемых имеет место в угледобывающей промышленности.
Эффективность механического разрушения угля зависит прежде всего от его прочности и крепости. Интегральным показателем усилия резания является сопротивляемость угля резанию.
Сопротивляемость угля резанию — характеристика сопротивления, оказываемая углем разрушению режущим инструментом. Показателем сопротивляемости резанию А (кН/см) является приращение силы резания на один сантиметр толщины стружки.
Между сопротивляемостью угля резанию А и коэффициентом крепости / существует корреляционная зависимость вида А = 1,5/.
Угольные пласты с сопротивляемостью резанию до 1,8 кН/см благоприятны для применения стругов; 1,8 — 2,4 кН/см — для обычных комбайнов и стругов отрывного действия с высокой энерговооруженностью; 2,4 — 3,6— для очистных комбайнов высокой энерговооруженности.
Механическое разрушение при добыче угля осуществляется исполнительным органом очистного комбайна. Очистной угольный комбайн — машина, одновременно выполняющая в забое операции по отделению угля от массива, дроблению его до кусков транспортабельного размера и навалке на забойный конвейер. Угольный комбайн как выемочная машина состоит из электродвигателя, подающей части, исполнительного органа, погрузочного устройства и других узлов.
Действие исполнительных органов большинства комбайнов основано на принципе механического разрушения угля. Наиболее эффективными являются такие исполнительные органы, при работе которых в угле возникают растягивающие напряжения без образования объемного напряженного состояния.
Струговая установка — выемочная машина, предназначенная для механической отбойки, погрузки и доставки угля в очистных забоях. Исполнительным органом установки является струг. При движении вдоль забоя прижимаемого к нему струга снимается стружка угля толщиной 100—150 мм. Отбитый таким образом уголь корпусом струга грузится на конвейер. В отече-ственной практике струговые установки распространения не получили.
Механическое разрушение углей и пород при проходке выработок осуществляется исполнительным органом проходческого комбайна. Распространены исполнительные органы с коническими резцовыми коронками или шаровыми фрезами, установленными на стреле.
К механическому способу разрушения по сути своей относится и гидравлическое разрушение.
Гидравлическое разрушение горных пород основано на использовании кинетической энергии струи воды, выбрасываемой из гидромонитора. Считается, что эффективная отбойка происходит при напоре, развиваемом гидромонитором.
Гидравлическое разрушение применяют на открытых работах при разработке наносных отложений (вскрышные работы) и в отдельных случаях при подземной добыче угля. В зависимости от крепости угля применяют гидравлическое, взрывогидравлическое и гидромеханическое разрушение.
Гидромонитор — устройство, служащее для создания (формирования) плотной летящей с большой скоростью водяной струи и управления ею при размыве и отбойке полезного ископаемого или породы.
На шахтах, где осуществляется гидродобыча, для выемки угля и проведения горных выработок применяются гидромониторы, развивающие давление воды 12-16 МПа.
Наиболее широкое распространение гидравлический способ разрушения массивов приобрел при разработке рассыпных месторождений полезных ископаемых.
Кроме этих основных способов разрушения горных пород в той или иной степени готовности к массовому применению находятся разработки по использованию тепловой энергии сред разрушения горных пород за счет эффекта теплового расширения твердых тел. Здесь можно выделить также принципиальные направления:
нагревание породы внешним источником тепла;
нагревание породы за счет электрофизических излучений.
Эти направления представлены единичными экспериментальными работами по созданию специализированного горного оборудования с инфракрасными или высокочастотными излучателями. Полученные результаты, пока только обнадеживают технологов своими дальними перспективами, но не дают оснований для разработки полупромышленных и тем более промышленных установок.
Дата добавления: 2015-07-14 ; просмотров: 6422 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Механические методы разрушения горных пород
Разрушение твердых тел происходит вследствие их деформирования под действием предельных растягивающих, сжимающих и касательных напряжений. Если тело подвергнуто действию нагрузки, при которой происходит рост трещин и нарушается его целостность, то наступает необратимое разделение тела на части. Под разрушением твердого тела понимается исчерпание его несущей способности, которое происходит вследствие развития трещин. Способность горной породы сопротивляться деформированию без нарушения сплошности будем называть прочностью,а способность сопротивляться росту трещин — трещиностойкостью.
Взависимости от характера распределения напряжений процесс разрушения, т.е. явление, когда монолитное тело теряет сплошность и разделяется на отдельные составляющие, бывает только двух типов: отрывоми сдвигом.Следует иметь в виду, что на образованных при разрушении свободных поверхностях обязательно действовали растягивающие или касательные напряжения; при этом внешняя нагрузка могла быть сжимающей. В качестве примера можно привести лабораторные испытания образцов горных пород в условиях сжатия между плитами пресса, при которых определяют базовую прочностную характеристику — предел прочности на сжатие. Несмотря на то что внешняя нагрузка является сжимающей, образец разрушается под действием касательных и растягивающих напряжений, действующих на площадках разрушения. Что касается варианта с компонентами сжимающих напряжений на этих площадках, то их действие препятствует разрушению и, по существу, обусловливает упрочняющий эффект.
Разрушение отрывомявляется, как правило, хрупким, возникает в результате приложения растягивающих нагрузок, происходит по определенным плоскостям, характерным для кристаллической решетки твердого тела, а поверхность разрушения нормальна к растягивающему главному напряжению.
Разрушение сдвигомявляется вязким, связано с преимущественным действием касательных напряжений, происходит по плоскости скольжения частей твердого тела относительно друг друга до полного их разделения, а поверхность сдвига ориентирована под углом более 45° к направлению действия главных напряжений.
Отметим, что разрушение отрывом может наступать при отсутствии или наличии пластической деформации, а сдвиговое разрушение — только при наличии пластической деформации, сопровождающей акт скольжения. В общем случае любому типу разрушения предшествует пластическое деформирование материала — незначительное локальное или существенное объемное.
На процесс разрушения пород влияют: распределение напряжений в пространстве, характер изменения нагрузки во времени, температура тела, скорость деформации, физико-механические свойства и наличие дефектов сплошности, определяющих концентрацию напряжений.
Выделяют два основных, существенно различающихся вида разрушения: хрупкоеи вязкое.
Хрупкое разрушениевозникает, как правило, при низких температурах, а также при динамическом приложении растягивающих напряжений поперечно плоскости трещины. Для хрупкого разрушения типична острая, ветвящаяся трещина (рис. 3.1, а), которая распространяется с высокой скоростью и движение которой поддерживается за счет потребления накопленной в процессе деформирования потенциальной энергии деформаций. Хрупкое разрушение требует малых затрат энергии и продолжается до тех пор, пока накопленной энергии деформаций достаточно для образования новых поверхностей разрушения. Трещина распространяется, пока местные напряжения, возникающие в вершине трещины, не окажутся ниже теоретического предела прочности.
Вязкое разрушениесвязано с высокими температурами и происходит при малых скоростях деформаций. Оно реализуется в условиях как сжимающих, так и растягивающих внешних механических нагрузок. Вязкое разрушение сопровождается значительным пластическим деформированием и относительным скольжением двух областей среды. Для вязкого разрушения типична тупая, раскрывающаяся трещина (рис. 3.1, в), распространяющаяся с малой скоростью. Вязкое разрушение требует для своего развития значительных затрат энергии и характеризуется пластическим течением в условиях, когда касательное напряжение превышает предельное значение. В этом случае тело разделяется на части, ограниченные плоскостями сдвига.
Рис. 3.1. Вид трещин:
а — хрупкая трещина; б — распределение растягивающих напряжений в вершине хрупкой трещины; в — вязкая трещина; г— распределение напряжений в вершине вязкой трещины; 1 — область пластического деформирования
Скол— это разновидность хрупкого разрушения, при котором направление плоскости трещины связано с ориентацией кристаллической структуры, а именно с положением ее кристаллографических плоскостей.
Под нагружением понимается процесс приложения к твердому телу внешних сил, поверхностных или объемных, характеризуемых определенным законом изменения во времени. Процесс нагружения количественно описывается временем возрастания нагрузки до максимального значения. По фактору времени возрастания и действия нагрузки механическое нагружение условно делят на статическое, квазистатическоеи динамическое.
Статическое нагружение реализуется при бесконечно медленном приложении нагрузки. В буквальном смысле слова статическое нагружение возможно лишь теоретически, поскольку любое реальное нагружение осуществляется за конечное время. Предполагается, что при статическом нагружении фактор времени действия нагрузки не оказывает существенного влияния на основные показатели процесса разрушения.
Квазистатическимназывается нагружение, при котором время возрастания нагрузки до максимального значения превышает время двойного пробега звуковой волны до рассматриваемого элемента. Главным в определении понятия квазистатического нагружения является то, что к моменту достижения максимальной нагрузки все рассматриваемые элементы вовлечены в движение и действующие напряжения зависят от закона изменения нагрузки в месте ее приложения.
Динамическимназывается нагружение, при котором время возрастания нагрузки до максимума меньше времени прихода волны до рассматриваемого элемента. Таким образом, время является значимым фактором и необходимо учитывать особенности, когда одни части тела деформируются с временной задержкой относительно приложенной нагрузки.
В физике взрывных и ударных процессов используют понятие ударно-волнового нагружения.Ударно-волновое нагружение связано с распространением в теле волн напряжений. При этом тело частично поглощает энергию волны напряжений, которая расходуется на неупругое деформирование, реализуемое в форме пластического течения, образования микротрещин и повышения температуры. При таком нагружении может возникать ударная волна,для которой характерно движение элементов среды со сверхзвуковой скоростью, вызванной внешней нагрузкой.
Вид необратимых деформаций горной породы при ударно-волновом нагружении во многом определяется ее механическими свойствами, зависящими от минерального состава, температуры, условий деформирования, интенсивности нагружения и других факторов. Эти факторы имеют значение на протяжении всего процесса деформирования и разрушения тела, причем одни пластические деформации и микротрещины возникают сразу после приложения ударной нагрузки, другие — постепенно, с течением времени. Большинство твердых тел при ударно-волновом распространении нагрузки утрачивают способность к вязкому разрушению и становятся более хрупкими.
В соответствии с механизмами разрушения можно выделить три типа тел:
1) хрупкиетела — это классический объект линейной механики разрушения, в которой рассматриваются закономерности развития трещин;
2) полухрупкиетела; проявляют хрупкие и пластические свойства;
3) пластичные (вязкие)тела; склонны к большим деформациям и существенно изменяют свою первоначальную форму. Об этих телах нельзя сказать, что они разрушаются в режиме образования трещин, однако при определенных условиях проявляют черты хрупкого разрушения.
Источник