Механический способ разрушения горных пород когда

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