бурении, то она будет крепче при любом другом процессе ее добывания (зубком комбайна, кайлой, взрывом).

При разработке подобной классификации М. М. Протодьяконов ввел понятие крепость горной породы. Он полагал, что с помощью этого параметра возможно оценить совокупность действующих при разрушении по­ роды различных по характеру напряжений, как это имеет место, например, при разрушении взрывом или при бурении.

Кроме этого, если по прочности материал оценивают по его способно­ сти не разрушаться при заданных нагрузке и времени его службы, то крепость характеризует породу по затратам энергии на ее разрушение.

М. М. Протодьяконов разработал шкалу коэффициента крепости поро­ ды. Для определения коэффициента крепости предложен рад методов и большое число эмпирических формул. Один из наиболее известных мето­

дов — испытание образца породы на его прочность на сжатие, кг/см2, а

значение коэффициента определяется как одна сотая а ^ . Этот метод доста­ точно хорошо коррелирует со шкалой крепости, предложенной М. М. Протодьяконовым для пород угольной формации, пород средней крепости, но мало пригоден при определении этим методом коэффициента крепости очень крепких пород. Шкала крепости ограничивается коэффициентом 20, т. е. по­ родами с ст,^ = 2000 кг/см2, а у сливного базальта, например, этот параметр > 3000 кг/см2. В целом, шкала крепости позволяет получить только качест­ венную характеристику трудоемкости разрушения горной породы.

2.2. Основные показатели физико-механических свойств соляных пород

Для Верхнекамского и Старобинского месторождений свойства пород исследовали в ИГД им. А. А. Скочинского, ВНИИГе, Гипроуглегормаше, Горном институте УрО РАН и других организациях (табл. 2.1).

В результате многих исследований также выявлено, что соляные поро­ ды газоносны. В состав газов входят метан, углекислый газ, тяжелые уг­ леводородные газы(СпН2я+2), водород, сероводород, азот. Наличие в поро­ дах и в рудничной атмосфере взрывоопасных газов привело к переводу руд­ ников на режим, аналогичный для угольных шахт, опасных по взрыву газа или пыли.

Кроме того, газоносность пород часто сопровождают газодинамиче­ ские явления.

К технологическим и эксплуатационным недостаткам соляных пород относят гигроскопичность и слеживаемость при хранении. При растворе­

нии соли в воде образуется электролит, коррозирующий контактирующие с ним металлы.

Следует отметить и некоторые положительные качества солей: высо­ кая сорбционная способность по отношению к вредным газам (выхлопным газам ДВС), способность насыщать воздух целебными электрически заря-

Углы падения в целом по месторождению не превышают 5°, в пределах блока или панели 1 —2°.

В результате исследований получены средневзвешенные значения со­ противляемости соляных руд (табл. 2.2) с учетом их пластичности и измен­ чивости.

Разрабатываемые пласты полезного ископаемого неоднородны по сво­ ему составу, имеют большое число также неодинаковых пропластков. Практически каждый пропласток и пласт имеет свой вещественный состав, что определяет значительное разнообразие физико-химических свойств солевых пород (см. табл. 2.1 и 2.2).

Примечание: А„ Ах— пределы среднего значения параметра; В,нВп — значения па­ раметра без учета и с учетом пластических свойств породы; о , и стр — изменчивость сопротивляемости.

Породы покровной и подстилающей каменной соли по своим прочност­ ным показателям аналогичны крепким и особо крепким углям. Абразив­ ность этих пород весьма невысокая, но они характеризуются повышенной вязкостью, что требует дополнительных энергозатрат при их разрушении.

Сравнительно невысокая крепость, весьма малая абразивность и хоро­ шая буримость солевых пород создают хорошие возможности для исполь­ зования при их разработке как буровзрывных методов, так и механических способов разрушения массива с помощью комбайнов.

2 .3 .0 разрушении калийных пород взрывным способом

Как известно, в горном деле энергия взрыва используется для отделе­ ния от массива заданного объема руды или породы, дробления горной мас­ сы и перемещения ее в заданном направлении. Взрывчатое вещество (ВВ) помещается в специально пробуренные шпуры или скважины. Шпуры обычно бурятся в тупиковых забоях (рис. 2.2), по пласту, например мощно­ стью Я = 3 м и сечением Н х В (где В — ширина, В = 6 м).

Рис. 2.3. Веерная отбойка руды скважинами

Достоинство метода взрывной отбойки в том, что за доли секунды отби­ вается и дробится большой объем горной породы, измеряемый часто десят­ ками сотен кубометров.

На рудниках Верхнекамского калийного месторождения (ВКМ ) буро­ взрывной способ добычи руды применялся с начала пуска рудников в экс­ плуатацию. За период применения этого метода накоплен большой опыт ведения взрывных работ в солевых породах, проведен большой объем ис­ следований и рекомендованы оптимальные параметры взрывных работ при проведении горных выработок и в очистных забоях рудников [47].

При переходе на комбайновый способ добычи руды учитывались техно­ логические недостатки буровзрывного метода. При бурении шпуров в тот период применялись ручные сверла и, соответственно, тяжелый ручной труд на них, не были механизированы операции заряжания шпуров.

Транспортировка сотен килограммов ВВ к месту зарядки и ручная за ­ рядка шпуров и скважин являлись не только трудоемкими, но и весьма опасными операциями.

Технологический цикл добычи руды — прерывный, с большими затра­ тами времени на операции заряжания и взрывания зарядов взрывчатых ве­ ществ и на длительное проветривание забоев от газов взрыва.

Однако в последние десятилетия, к началу XXI века в технологии буро­ взрывного метода произошли существенные изменения.

Для механизации бурения применяются автоматизированные бурильные машины и агрегаты. Процесс бурения шпуров и скважин управляется посред­

ством бортовых компьютеров. Операции заряжания шпуров и скважин взрывчатыми веществами полностью механизированы. Для зарядов взрывча­ тых веществ применяются абсолютно безопасные в обращении порошкооб­ разные простейшие составы. Для возбуждения зарадов к взрыву с интервала­ ми в одну тысячную секунды применяются специальные безопасные системы и электронные детонаторы, управляемые компьютерными системами.

При буровзрывной выемке калийных руд применение автоматических систем бурения и взрывания в сравнении с использованием таких систем в крепких рудах имеет преимущества. Бурение шпуров и скважин в соле­ вых породах мощными бурильными машинами — операция весьма произ­ водительная. Стоимость взрывных работ на калийных рудниках значитель­ но снижается, если простейшее по составу взрывчатое вещество готовится на руднике, а основой для производства его служат добываемая руда и де­ шевые горючие добавки (отходы производства).

Конкурентоспособность метода по сравнению с комбайновым спосо­ бом добычи руды растет, если учесть крайне большую энергоемкость раз­ рушения руды комбайном и высокую цену поставляемой на рудники энер­ гии и оборудования комбайновых комплексов.

Характерным примером в этом отношении может служить калийный руд­ ник в Шотландии, где бурение шпуров и скважин производится бурильной ус­ тановкой с компьютером на борту, позволяющей программировать парамет­ ры комплекта шпуров в зависимости от горно-геологической характеристики забоя. Полностью механизируются и другие операции в добычном цикле.

После внедрения на руднике программного автоматического бурения скважин и других мер добыча руды возросла в 2,5 раза за счет увеличения числа добычных циклов [45].

2 .4 .0 разрушении калийных пород резанием

При механических способах разрушение массива осуществляется за счет воздействия на горную породу породоразрушающего инструмента, к которому с помощью приводов через специальные устройства подводятся внешние нагрузки, характеризующиеся определенными силовыми и скоро­ стными параметрами.

В связи с тем, что калийные руды имеют сравнительно невысокую кре­ пость и весьма малую абразивность, исполнительные органы горных ма­ шин оснащаются породоразрушающим инструментом режущего типа. К этому инструменту относятся буровые коронки (резцы) для буровых ма­ шин вращательного действия и стержневые радиальные или тангенциаль­ ные резцы исполнительных органов комбайнов.

и Радиальные резцы устанавливаются на исполнительных органах ком­ байнов, чаще всего выполненных в виде барабанов или резцовых дисков таким образом, что продольная ось резца примерно совпадает с линией ра­ диуса барабана (диска), а при установке тангенциальных резцов их продоль­ ная ось по отношению к линии радиуса находится примерно под углом 90°

которые обобщены в результате исследований, проведенных учеными М ос­ ковского горного института [43, 48, 71 и др.].

На рис. 2.6 показаны процесс разрушения горной породы резцовым ин­ струментом и формирующиеся при этом силы. Установлено, что при взаимо­ действии резца с горной породой перед его передней гранью формируется уплотненное ддро из мелко разрушенного материала. На переднюю, заднюю

ибоковые грани резца передается давление разрушаемого массива породы. Для разрушения породы к резцу необходимо приложить усилие резания Z

иусилие подачи У, которые главным образом определяют внешние нагрузки на исполнительном органе машины, а следовательно, и выбор мощности приводов исполнительного органа и механизма подачи машины.

Аналитическими и экспериментальными исследованиями установлено, что на резец в процессе резания действуют следующие силы (см. рис. 2.6)

Qn — усилие, действующее на переднюю грань резца и перпендикулярное к ней; Q3— усилие, действующее на заднюю грань резца и перпендикуляр­ ное к площадке износа по задней грани; Q6 — усилие, действующее на боковую грань резца и перпендикулярное к ней.

А - А

<?бcos -|-

H<?6cos Р

Рис. 2.6. Схема процесса разрушения горной породы резцовым инструментом:

/уплотненное ядро; 2 — зона смятия; 3 — зона упругих деформаций

На передней, задней и боковых гранях резца от действия указанных усилий формируются силы трения: ц(?л) ц(?3, ц(?б.

Исполнительный орган машины должен работать в таком режиме, что­ бы передать на резец усилия Z (резания) и Y (осевое подачи). Эти усилия

должны быть равны, но противоположно направлены результирующим внешних сил.

Силы, действующие на резец, по осям Z и Упрямоугольной системы ко­ ординат составляют

2

где p — угол между векторами абсолютной скорости движения резца Va

и скорости резания Vp; ц — коэффициент трения резца о породу.

Ввиду того, что в режимах работы исполнительных органов выемочных и проходческих машин скорости резания в 40—100 раз больше скорости по­ дачи, угол р имеет весьма незначительную величину. Поэтому для практиче­ ских расчетов величины, содержащие sin р, исключают. С учетом этого:

В соответствии с приведенными зависимостями в формировании уси­ лий Z и Y, кроме сопротивляемости породы разрушению, весьма значитель­ ную роль играют силы трения, действующие по всем площадкам контакта резца с породой.

Усилие на передней грани резца ф п затрачивается в основном на дроб­ ление материала, создание напряженного состояния в прилегающих частях массива и формирование уплотненного ядра перед передней гранью резца.

Находясь перед резцом, уплотненное ядро как бы изменяет действи­ тельную геометрию резца. В результате давления, передаваемого поверх­ ностью ядра, обращенной в сторону обнажения разрушаемого массива, происходит отделение элементов угля или породы. Давление нижней по­ верхности ядра вызывает смятие и упругое деформирование породы в глу­ бине массива и подрезцовой зоне. Восстановление упругих деформаций по­ роды в подрезцовой зоне со стороны задней грани резца вызывает появле­ ние контактного усилия Q3, а следовательно, и осевого усилия У.

Боковое усилие ф б имеет ту же физическую природу, что и усилие Q3. Уплотненное ядро формируется в местах контакта с породой режущих кромок инструмента, являющихся концентраторами напряжений. При пе­ ремещении резца площадка контакта его передней грани с породой увели­ чивается, и тем самым в зону разрушения включаются новые участки мас­ сива — происходит увеличение объема уплотненного ядра и усилий ф п и Q3,

вызывающих одновременный рост усилий Z и У.

На рис. 2.7 в виде ломаной линии показано изменение усилий Z и Уза отдельный цикл резания, в течение которого формируется уплотненное яд­ ро и происходит отделение крупной частицы (элемента).

В начале цикла, в точке А контакт резца с разрушаемым массивом, а также усилия Z и Уимеют минимальную для данного цикла резания вели­

сохраняется, как правило, контакт режущих кромок инструмента с разру­ шаемой породой. Поэтому считается, что процесс разрушения породы ме­ жду отдельными циклами резания не прекращается и представляет собой практически непрерывное дробление, сопровождающееся повторяю­ щимся отделением крупных элементов.

Таким образом, для элементарного цикла резания горной породы рез­ цовым инструментом характерны две стадии: с продвижением резца с по­ степенным нарастанием усилия до максимальной для данных условий вели­ чины и быстрым его падением до некоторой величины в период непосредст­ венного отделения элемента. При этом характерно, что интенсивность как нарастания усилия, так и его падения при прочих равных условиях для дан­ ного материала постоянна, и в каждом конкретном случае характеризует количественные показатели процесса, зависящие от физико-механических свойств разрушаемой породы.

Силы, действующие на резец, и удельные энергозатраты на процесс разрушения, зависят от числа и взаимного расположения поверхностей об­ нажения разрушаемого массива-породы. При работе резцы образуют в по­ роде бороздки. Размеры и взаимное расположение бороздок зависят от глубины резания h, ширины бороздки у основания, равной ширине резца Ь, средней величины её развала В и шага резания t.

Ш аг резания определяется расстоянием между центрами или одно­ именными точками соседних бороздок. В зависимости от размеров h и / и их соотношения, а также от расположения поверхностей обнажения разру­ шаемого массива различают несколько видов резания (рис. 2.8):

— щелевое (см. рис. 2.8, а) — резание в глубине щели при таком уда­ лении от свободной поверхности, когда стенки щели имеют устойчи­ вую форму и процесс происходит в условиях максимальной блоки­ ровки;

— угловое (см. рис. 2.8, б) — резание в углу щели при одной устойчи­ вой боковой стенке;

— блокированное (см. рис. 2.8, в) — резание при отсутствии боко­ вых обнаженных поверхностей или при таком их удалении, когда они не оказывают влияния на проведение соседнего реза;

— полублокированное (см. рис. 2.8, г) — резание при наличии од­ ной боковой поверхности обнажения от предыдущего реза, ослабля­ ющей массив в зоне проводимого реза;

— полусвободное (см. рис. 2.8, д) — резание при одной свободной боковой грани резца, т. е. расстояние между соседними резами очень близко или равно ширине резца;

— свободное (см. рис. 2.8, е) — резание при наличии двух боковых плоскостей обнажения при двух свободных боковых гранях резца;

— шахматное (см. рис. 2.8, ж) — резание при удалении от свобод­ ной поверхности на глубину, большую глубины двух соседних резов, сочетает в себе свободное и полублокированное резание;

где Zcp — сила резания, кН;

А — сопротивляемость породы резанию, кН/м; h — глубина резания, м.

Удельные энергозатраты на процесс разрушения характеризуют собой величину энергии, необходимой для разрушения единицы объема породы,

Величина развала бороздки реза при известных значениях угла развала v(/p (рис 2.8) находится из выражений:

при двустороннем развале бороздки (блокированные резы)

Влияние условий работы резцов (типов резов) на величину усилия ре­ зания оценивается обычно с помощью коэффициента К6, учитывающего влияние степени блокированности резов на величину усилия резания.

При изменении t в области полусвободных и полублокированных резов в случае h = const сила резания растет медленнее изменяемого параметра и достигает своего максимума в области блокированных резов, когда t = b + (5...6)/z. Далее при значениях шага резания / > b + (5...6)/i условия работы резцов не изменяются (блокированное резание) и усилия резания для каждого значения /г,- = const стабилизируются.

Сростом глубины резания h удельные энергозатраты Нтснижаются,

ас ростом шага резания / при h = const они сначала в области полусвобод­ ных и полублокированных резов также снижаются, достигая своего мини­

мума для каждого значения глубины резания h в области полублокированных резов, а затем снова возрастают и стабилизируются в области блоки­

рованных резов.

Значение шага резания, для которого энергозатраты на процесс разру­ шения имеют минимальное значение, называется оптимальным. Оно свя­ зано с шириной резца и глубиной резания следующим соотношением;

( 2. 11)

Основными геометрическими параметрами резцов (см. рис. 2.4), влияющими на величину действующих на них нагрузок, являются: ширина резца (длина режущей кромки) Ь, угол резания 5, задний угол а , угол заост­ рения Р и угол между боковыми режущими кромками а 6.

При увеличении ширины резца b сила резания при прочих равных усло­ виях возрастает медленнее изменяемого параметра, а удельные энергоза­ траты на процесс разрушения снижаются.

Увеличение угла резания 8 при прочих равных условиях вызывает рост силы резания, происходящий с повышающейся интенсивностью, особенно

ощутимой при углах резания 8 > 90.

Задний угол резца а оказывает влияние на величину усилий Z и Столь­ ко при изменении в пределах от 0 до 8 —10° При уменьшении угла а в ука­ занной области силы резания и подачи существенно возрастают. Поэтому применение задних углов менее 8° нецелесообразно.

Влияние угла между боковыми режущими кромками резца а 8 наиболее заметно при его значениях а 6 > 20° и глубине резания h > 2 см при резании вязких пород.

При разрушении массива исполнительными органами в виде барабанов или резцовых дисков каждый зубок снимает (рис. 2.9, а) серповидную стружку, которая начинает формироваться от нулевого значения в точке

ечивая при этом более качественный выход руды и равномерную на-

ки Айгр ^езце' КР0Ме этого, при равенстве площадей серповидной струж- и прямоугольной АА{В{В, когда отбиваются одинаковые объемы