Разрушение крепких горных пород динамическими способами

С точки зрения теории, способ разрушения горных пород не влияет на количество энергии, которое будет на него потрачено. Ключевыми параметрами, влияющими на этот показатель, являются первоначальное состояние массива и степень его дробления до и после разрушения. Таким образом, выбор между статическим и динамическим способом разрушения не влияет на энергоемкость этого процесса.

Вибрационное разрушение

Статическое и динамическое разрушение

При динамическом разрушении на рабочий орган воздействуют два источника: тяговый двигатель машины-носителя и двигатель вибратора.

Суть динамического эффекта состоит в том, что при копании (резании) сопротивление породы перемещению снижается от вибрации рабочего органа.

Некоторые свойства механизма динамических воздействий

Выявлены следующие закономерности, связанные с вибрацией рабочего органа:

1. Динамический эффект возрастает при колебаниях в сторону движения рабочего органа.
2. Чем выше скорость резания (поступательная скорость движения рабочего органа), тем ниже динамический эффект.
3. Эффект от вибрирования повышается при постоянной частоте колебаний с повышением амплитуды (и наоборот: при постоянной амплитуде динамический эффект растет от возрастания частоты колебаний рабочего органа).
4. 4. Динамический эффект от колебаний отсутствует, если их амплитуда слишком низкая; до достижения определенных пределов амплитуды даже при высокой частоте вибрации тяговое усилие не снижается.

Преимущества статического и динамического воздействий

При равных скоростях разрушения общая полезная мощность рабочего органа при динамическом и статическом разрушении приблизительно одинакова: снижение тяговых усилий за счет эффекта вибрации восполняется появившимся усилием вибратора.

И хотя энергоемкость динамического и статического разрушения одинакова, суммарная энергоемкость каждого из этих процессов может различаться. Дело в том, что КПД вибрационного воздействия составляет всего 0,35-0,55, в то время как коэффициент полезного действия тягового механизма — 0,8-0,85. Следовательно, вибрационное разрушение — более энергоемкий процесс, чем статическое.

Преимущество динамического воздействия состоит в повышении производительности (скорости работы) техники.

Характеристики вибрационного воздействия

Момент импульса вибратора прямо пропорционален амплитуде его колебаний и величине возмущающей силы.

Динамический эффект проявляется по-разному в зависимости от вибрационного воздействия рабочего органа.

• Эффект вибрирования незначительно увеличивается с ростом сопротивления породы разрушению и ее жесткости (при прочих равных).
• Если при постоянных скорости резания и размере возмущающей силы возрастают частота колебаний и масса рабочего органа, динамический эффект снижается.
• Увеличение вибрационной возмущающей силы при прочих равных ведет к повышению динамического эффекта.

Примером практического применения динамической нагрузки служат виброрыхлители, с помощью которых разрушаются прочные горные породы в выработках.

Ударное разрушение (механический способ)

Столкновение твердых предметов, которое сопровождается частичным или полным переходом их кинетической энергии в энергию деформаций, называют ударным разрушением механическим способом.

Бурение как пример ударного разрушения механическим способом

Ударное бурение прочных горных пород — наиболее распространенный метод применения ударного разрушения механическим способом.

Критически важные параметры при бурении:

• шаг скола;
• масса ударника;
• скорость приложения нагрузки;
• энергия единичного удара.

Каждому показателю энергии единичного удара соответствует свой наиболее благоприятный режим работы. Но при увеличении нагрузки избыточная энергия единичного удара будет потрачена полностью: либо ее поглотит массив, либо разрушаемый материал будет переизмельчен.

Деформирование под воздействием удара

Нагрузка, приложенная к предмету в момент удара, постепенно переносится на все его части в форме волны. Скорость, с которой распространяются напряжения и деформация, определяется твердостью горной породы и может доходить до нескольких тысяч метров в секунду для самых твердых пород, хотя для мягких составляет несколько сот метров в секунду.

В массивах горных пород неограниченного размера возмущение от воздействия нагрузок передается в двух направлениях: продольная безвихревая волна действует по направлению удара, а поперечная сдвиговая волна сжатия — перпендикулярно ему.

Скорость распространения поперечных и продольных волн определяется плотностью материала и упругими постоянными (модулем упругости и коэффициентом Пуассона).

Скорость волн, модуль упругости, предел прочности на сжатие и плотность взаимосвязаны, что позволяет рассчитать нужные характеристики, зная упругие или механические константы породы.

Распространение акустических волн

Прочность горной породы коррелирует со скоростью распространения акустической волны в ней. Это явление используется на практике: если скорость прохождения волны в грунте составляет 1700-2850 м/с и ниже, породу считают предположительно рыхлимой (например, гусеничными тягачами с навесными клыками-рыхлителями). Нужно также учесть, что чем мощнее базовая машина и ее двигатель, тем больше зона эффективной рыхлимости.

Например, скорость звука в граните достигает 6000 м/с, в базальте — уже 4000 м/с, а в воздухе — всего 300-350 м/с.

Высокоскоростное разрушение

Высокая скорость резания характеризуется уменьшением зоны действия пластической деформации.

Механизм разрушения с использованием высокой скорости

Под действием ускорения твердое тело можно разрушить, как хрупкое (квазихрупкое). Это явление активно используется при разработке пластов глины. Мерзлая глина под действием мгновенной импульсной или ударной нагрузки распадается на отдельные куски, словно хрупкое тело.

Тогда как при медленном воздействии инструментом — всего лишь пластически деформируется.

Разрушение прочных пород и углей с помощью высокоскоростных инструментов (со скоростью резания более 5 м/с) позволяет значительно увеличить эффективность производства.

Принцип работы с высокими скоростями применяются при разрушении горных пород камнерезными машинами, скорость резания которых может составить 80 м/с, что в сочетании с использованием алмазного инструмента позволяет достичь отличного результата. Рабочим органом такой камнерезной машины могут стать режущие цепи, торцовые и кольцевые фрезы, дисковые пилы.

Некоторые характеристики высокоскоростного разрушения

На производительность высокоскоростного разрушения прочных пород оказывают влияние следующие факторы:

• размеры и геометрия резцов;
• условия их внедрения в породу;
• сопротивление пород разрушению;
• частота вращения и подачи рабочего органа;
• величина стружки.

Всего выделяют три вида высокоскоростного резания:

1. блокированное;
2. полублокированное;
3. свободное.

Блокированное резание

Самым распространенным видом высокоскоростного разрушения является блокированное резание. Примером данного процесса служит пропиливание горного массива в ходе добычи каменных блоков на карьерах.

При пропиливании горных пород камнерезными машинами специалисты зачастую сталкиваются со следующими негативными явлениями:

• концентрация пыли у рабочих мест;
• высокая вероятность заклинивания инструмента (цепной бары, дисковой пилы и кольцевой фрезы, например) в прорезаемой ими узкой щели;
• большие затраты на расходные материалы, которые выходят из строя из-за высоких температур и выкрашивания режущих пластин;
• большие энергопотери при преодолении сил трения для выгребания штыба из пропила.

Импульсное разрушение

Использование энергии взрыва в машинах и механизмах, на котором основана импульсная техника, широко распространено в настоящее время.

Например, при обработке металлов применяют взрывоимпульсные системы для сварки и штамповки.

Импульсное разрушение в горной отрасли

В горной промышленности импульсная техника широко востребована для работ по бурению скважин и дробления негабарита, в машинах для землеройных работ (взрывные бульдозеры, рыхлители и так далее).

На горных выработках широко распространены гидроимпульсные, пневмоимпульсные и пневмогидроимпульсные системы.

Характеристики импульсных систем

Принцип действия гидроимпульсной системы: материал разрушается под действием высоконапорных (давление 1-1.5 Гпа) струй воды.

Принцип действия пневмоимпульсной системы: сжатые под высоким давлением газы разгоняют промежуточную массу, которая передает этот импульс во внешнюю среду.

Принцип действия пневмогидроимпульсных систем: для концентрации энергии используются пневматические аккумулятроы. При расширении газа энергия через жидкость (которая является промежуточной средой) передается на разрушаемый материал.

Оборудование на основе импульсных систем

Для дробления негабарита и мерзлых пород, а также трамбовки, забивки свай и других задач широко используются навесные гидравлические и пневматические молоты (бутобои). Для увеличения быстродействия ударного механизма в гидромолотах зачастую используют азотные аккумуляторы.

Популярны на горных выработках и взрывоимпульсные системы (ВИС). Принцип их действия основан на том, что передающая среда (жидкая, твердая или газообразная) реализует в импульсной форме энергию взрыва для разрушения горных пород. Основой машин взрывоимпульсного действия является импульсный двигатель (или генератор импульсов), в котором высвобождается энергия взрыва.

Взрывоимпульсные системы, которые наиболее часто используются для ведения горных работ, — это отбойные молотки (источник энергии — сжатый воздух от компрессора) и машины со взрывоимпульсным двигателем (скреперы, струги, рыхлители, бульдозеры и др.).