Курс Технология и оборудование горного производства Лекция 3 ОСНОВЫ РАЗРУШЕНИЯ УГЛЕЙ. РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ ПОДЗЕМНЫХ ВЫЕМОЧНЫХ МАШИН

- объемный и удельный вес, - плотность, - пористость, - влажность, - трещиноватость, - кливаж и др. Физические свойства горных пород

Прочность - свойство горных пород в определенных условиях не разрушаться, воспринимать воздействия механических нагрузок. Твердость - свойство горных пород оказывать сопротивление внедрению в них других тел при сосредоточенном контактном силовом воздействии. Хрупкость - способность горных пород к разрушению без заметных пластических деформаций (не более 5 % от величины деформации разрушения). Механические свойства горных пород

Вязкость - способность горных пород необратимо поглощать энергию в процессе их деформирования. Вязкость обусловлена пластической деформацией и неупругостью горных пород. Абразивность - способность горных пород изнашивать контактирующие с ними твердые тела (детали горных машин, инструменты и т. п.). Обусловлена в основном прочностью, размерами и формой минеральных зерен, слагающих породу. Механические свойства горных пород

Сопротивляемость резанию - способность горных пород (в основном углей) противостоять механическим воздействиям при резании их рабочим инструментам. Крепость - совокупность механических свойств горных пород, проявляющихся в различных технологических процессах при добыче и переработке полезных ископаемых. Механические свойства горных пород

Коэффициент крепости горных пород, предложенный профессором М.М. Протодьяконовым характеризует относительную сопротивляемость разрушению горной породы при ее добывании Механические свойства горных пород За единицу коэффициента крепости принимается предел прочности породы при одноосном сжатии, равный σ сж = 10 МПа.

На базе коэффициента крепости f разработана классификация горных пород, по которой они все разделены на 10 категорий с коэффициентом f от 0,3 до 20. Значение f можно определить по величине работы, затрачиваемой на дробление породы, сопротивляемости бурению (или скорости бурения), расходу взрывчатых веществ на отбойку и др.ископаемых. Механические свойства горных пород

Средняя сопротивляемость резанию угля и породы A (кН/см) определяет усилие, необходимое для снятия среза (стружки толщиной 1 см) резцом ДСК-2 в блокированных условиях. Показатель сопротивляемости A достаточно хорошо коррелирует с коэффициентом крепости f, имея зависимость Механические свойства горных пород

Основное назначение рабочего инструмента горных машин – эффективно разрушать массив угля или породы. Горный инструмент находится в постоянном контакте с углем или породой и определяет характер взаимодействия машины с забоем.

Способы разрушения углей и пород Режущий инструмент отделяет стружку от забоя горной породы в результате непрерывного статического воздействия и перемещения инструмента. К режущему инструменту относятся резцы выемочных, проходческих и буровых машин, алмазные пилы и коронки.

Способы разрушения углей и пород Дробящий инструмент внедряется (вдавливается) в породу под действием ударной нагрузки. При этом под лезвиями инструмента порода дробится в пыль и образуется лунка. После каждого удара инструмент перемещается в новое положение. В промежутках между лунками порода скалывается. К дробящему инструменту относят коронки перфораторов и долота станков ударного бурения.

Способы разрушения углей и пород Раздавливающий инструмент по принципу воздействия на горную породу отличается от дробящего статическим приложением нагрузки. К раздавливающему инструменту относят шарошки всех видов и дробовые коронки. Дробовые коронки используют только при разведочном бурении нисходящих скважин.

Способы разрушения углей и пород Комбинированный инструмент предназначен для бурения шпуров и скважин способом, объединяющим основные свойства ударного и вращательного воздействия.

Способы разрушения углей и пород Отбойный инструмент представлен изготовленными из стали с последующей термообработкой пиками отбойных молотков, которые забиваются в массив горной породы с помощью ударного механизма отбойного молотка. Для отламывания кусков породы пику наклоняют.

По способу разрушения углей и пород различают: резцовый инструмент, разрушающий массив резанием; шарошечный инструмент, разрушающий массив раздавливанием или подрезанием и раздавливанием.

Процесс резания угля процесс образования ядра процесс перемещения резца Резание угля носит цикличный, скачкообразный характер и состоит из двух стадий дробления и скалывания. При резании угля взаимодействуют не два тела (резец и уголь), а три: резец, уплотненное ядро из мелко раздробленного угля и не разрушенный массив угля

Процесс резания породы

Резцовый инструмент Предназначен для разрушения углей и пород путем отделения стружки от массива в результате постоянного статического воздействия на него. Различают радиальные и тангенциальные резцы.

Резцовый инструмент Радиальные резцы 1 размещаются в резцедержателях 2 по радиусу R перпендикулярно вектору скорости резания При этом ось державки резца перпендикулярна линии резания

Радиальные резцы

Резцовый инструмент Тангенциальные резцы 1 размещаются в резцедержателях 2, устанавливаются под острым углом к радиусу R корпуса исполнительного органа 3, и к вектору скорости резания

Тангенциальные резцы

Радиальные резцы Радиальный резец состоит из державки 1 и головки 2, снабженной твердосплавной пластинкой 3. Основные геометрические параметры: конструктивный вылет к радиальный вылет р, угол заострения γ, задний угол α, угол резания δ, передний угол β, боковой задний угол ε, ширина режущей части b к.

Радиальные резцы Конструкции радиальных резцов

Тангенциальные резцы Тангенциальный резец состоит из державки 1, головки 2, твердосплавной вставки 3 (керна). Державка 1 размещается в термически обработанной втулке 5, которая вставляется в резцедержатель 4. Резец фиксируется стопорным кольцом 6.

Конструкции тангенциальных резцов Тангенциальные резцы Предназначены для крупного скола и применяются на очистных комбайнах при углях не выше средней крепости, так как при крепких углях вследствие возникающих больших динамических усилий комбайн теряет свою устойчивость.

Виды резания породного массива А – блокированный, б - Полублокированный, в - Вид резания с выровненной поверхности, г - Полублокированный повторный срез, д - Шахматный (сотовый) срез, е - Тангенциальный (подрезной) сред

Шарошечный инструмент Шарошечный инструмент обеспечивает непрерывность процесса разрушения при низких затратах энергии на трение. Это позволяет применять его в проходческих комбайнах, предназначенных для проведения выработок по породам средней и выше средней крепости (f > 6) и абразивностью до 45 мг. Шарошки могут быть дисковыми и с вооружением в виде штырей или зубьев

Основное назначение исполнительных органов выемочных машин – эффективно разрушать массив угля на транспортабельные куски с наименьшими измельчением, пылеобразованием и удельным расходом энергии.

Исполнительные органы классифицируют по: фланговые по схеме отработки забоя фронтальные углевыемочные комбайны струги врубовые машины выемочные и проходческие агрегаты

Исполнительные органы классифицируют по: прорезающие в массиве угля щели (плоские, кольцевые, концентрические) с последующим разрушением межщелевых пачек угля по схеме разрушения массива угля забоя разрушающие скалыванием с поверхности забоя комбинированная схема разрушения забоя

Исполнительные органы классифицируют по: с узким захватом 0,5; 0,63; 0,8 и 1,0 м на узкозахватных комбайнах, работающих на пологих и наклонных пластах, и 0,9 м на крутых; по ширине захвата с широким захватом, т. е. более 1,0 м, обычно 1,6; 1,8; 2 м на широкозахватных комбайнах, работающих на пологих и наклонных пластах угля

Исполнительные органы классифицируют по: с разворотом в горизонтальной плоскости по способу крепления к корпусу выемочной машины закрепляемые неподвижно врубовые машины широкозахватные комбайны узкозахватные комбайны

Исполнительные органы классифицируют по: с регулированием посредством гидродомкратов по способу регулирования по вынимаемой мощности пласта без регулирования

Исполнительные органы классифицируют по: самозарубающиеся по схеме образования первоначального вруба несамозарубающиеся (требуют подготовки заходных ниш)

К исполнительным органам предъявляются основные требования -разрушение массива угля на транспортабельные куски с одновременной погрузкой разрушенной горной массы на доставочные средства при простых конструктивных решениях; - небольшое измельчение угля при малом удельном расходе энергии; - малое пылеобразование; - высокая производительность по разрушению и погрузке угля; - устойчивое положение выемочной машины; - высокий механический к. п. д.;

К исполнительным органам предъявляются основные требования - высокая надежность и долговечность; - легкое регулирование исполнительного органа по вынимаемой мощности пласта на ходу машины; - самозарубка исполнительного органа в пласт; - работа как по челноковой, так и по односторонней схеме; - прямоугольная форма забоя при выемке угля; - надежное крепление резцов и быстрая их замена; - простота конструкции и технологичность изготовления; - безопасное применение в шахтах, опасных по газу и пыли.

Шнековые исполнительные органы

Шнеки бывают нескольких разновидностей: литой и сварной конструкции, с правым и левым направлением навивки спирали, применительно к правому или левому забоям, для обеспечения погрузки разрушенного угля на забойный конвейер; по числу и типу спиралей – одно (редко), двух и трехзаходные, с постоянным и переменным шагом; по типу режущего инструмента – с радиальными и тангенциальными резцами или в комбинации из них; по диаметру – для тонких и средней мощности пластов обычно – 0,56; 0,63; 0,71; 0,8; 1,0; 1,12; 1,25; и 1,4 м; для мощных пластов диаметром – 1,6; 1,8 и 2,0 м; по ширине захвата – 0,5; 0,63 м для пластов мощностью более 1 м и 0,8 м пластов мощностью менее 1 м.

Шнековые исполнительные органы Преимущества: широкая область применения – пологие и наклонные пласты мощностью от 0,7 до 5 м при сопротивляемости угля разрушению до 2,5 – 3,0 кН/см; обеспечение высокой производительности комбайна; сочетание в одном органе функций разрушения и погрузки угля; большой диапазон плавного регулирования по вынимаемой мощности пласта; самозарубка в пласт угля; возможность работы по челноковой или односторонней схеме без перемонтажа и реверса шнеков; простота конструкции и технологии изготовления.

Шнековые исполнительные органы Недостатки: снижение погрузочной способности при уменьшении диаметра шнека; сложность замены резцов.

Конструктивные параметры шнека Диаметр ступицы шнека, мм где – диаметр исполнительного органа, мм

Конструктивные параметры шнека Диаметр исполнительного органа, мм где – диаметр шнека по краю винтовой лопасти, мм

Конструктивные параметры шнека Угол подъема лопасти шнека, град где S – текущее значение хода витка шнека, мм

Конструктивные параметры шнека при постоянном ходе витка шнека (Dи.о. > 1 м), мм при переменном ходе витка шнека (Dи.о. < 1 м), мм

Конструктивные параметры шнека Схема набора резцов выполнена «елочкой». Она состоит из: - линейных нулевых резцов, которые обычно устанавливаются по два, три в каждой линии резания, и - кутковых с углом наклона 10, 30 45°, устанавливаемых с меньшим шагом резания (25, 33, 42 мм). При более тяжелых условиях работы по прорезанию массива в каждой линии резания устанавливается по три, четыре нулевых резца

Конструктивные параметры шнека Принципиальная конструктивная схема очистного узкозахватного комбайна резца

Барабанные исполнительные органы Барабанный исполнительный орган представляет собой цилиндр, на внешней поверхности которого в определенной последовательности закреплены кулаки с резцами Барабанный исполнительный орган с вертикальной осью вращения (комбайны МК-67, КА-80 ) Барабанный исполнительный орган с горизонтальной осью вращения (комбайны А70, КНД, "Темп" "Поиск")

Барабанные исполнительные органы с вертикальной осью вращения Достоинства: - возможность разрушения крепких, вязких углей и антрацитов; - возможность самозарубки в пласт угля Область использования – добыча крепких, вязких углей и антрацитов на пологих и наклонных пластах Недостатки: - сложность устройства для плавного регулирования выдвижного барабана по мощности пласта; - трудность удаления и погрузки разрушенного угля из зоны работы нижнего барабана Комбайн очистной КА 200

Барабанные исполнительные органы с вертикальной осью вращения Ширина захвата и диаметр вертикального барабана находятся в соотношении D б =(1,12...1,25) B з, мм

Барабанные исполнительные органы с горизонтальной осью вращения Достоинства: - возможность разрушения крепких, вязких углей и антрацитов, в том числе и на пластах с малыми мощностями Область использования – добыча крепких, вязких углей и антрацитов на крутонаклонных наклонных пластах Недостатки: - невозможность самозарубки в пласт угля; - невозможность погрузки отбитого угля на конвейер.

Форма реза, образуемого резцом шнекового, барабанного или дискового исполнительных органов Стружка имеет форму, близкую «серповидной». Ее толщина (глубина резания) не остается постоянной в зависимости от угла поворота исполнительного органа, а изменяется в пределах от 0 до частота вращения исп. органа, с -1 скорость подачи, м/с число резцов в линии резания

Корончатые исполнительные органы Разрушают забой - путем прорезания глубоких кольцевых щелей с последующим взламыванием межщелевых целиков; -с его поверхности. Многочисленные конструктивные варианты корончатых исполнительных органов комбайнов можно условно разделить на два типа: 1. Буровые коронки роторного типа, разрушающие одновременно всю площадь забоя 2. Буровые коронки циклического действия

Бураскалывающие исполнительные органы Буровые коронки роторного типа разрушающит одновременно всю площадь забоя при продольной подаче, прорезают глубокие концентрические щели с последующим взламыванием межщелевых целиков Применяются на комбайнах БКТ, БК52 Применяются на комбайнах ПКС-8М, ПК10

Бураскалывающие исполнительные органы Достоинства: -обеспечивают высокую сортность угля (выход класса 06 мм составляет 1525 %); - низкие удельные энергозатраты (0,20,6 к Вт ч/т); - совмещение процессов разрушения и погрузки угля; - компактность конструкции; - возможность применения на крепких углях и антрацитах.

Бураскалывающие исполнительные органы Недостатки: - ограниченная производительность; - сложность замены резцов; - невозможность самозарубки в пласт; - необходимость комбинации с другими исполнительными органами для получения прямоугольной формы забоя; - невозможность регулирования по вынимаемой мощности пласта.

Коронки циклического действия Разрушают забой с его поверхности с осью вращения, перпендикулярной к забою, работающие при поперечной подаче Бывают с осью вращения, параллельной поверхности забоя, совершающие перемещения вдоль оси при дуговой подаче в вертикальной плоскости

Коронки циклического действия Разрушают забой с его поверхности Бывают с осью вращения, перпендикулярной к поверхности забоя, работающие при дуговой подаче с осью вращения, параллельной поверхности забоя, работающие при дуговой подаче

Коронки циклического действия Получили широкое применение на проходческих комбайнах.

Баро-цепные исполнительные органы Баро-цепной исполнительный орган представляет собой плоскую, кольцевую или другой формы раму (бар), в направляющих которой перемещайся режущая цепь, состоящая из звеньев с резцедержателями, в гнездах которых закреплены резцы.

Баро-цепные исполнительные органы Основные типы врубов, образуемых врубовыми органами разрушения. Форма вруба соответствует форме цепного бара или других отбойных элементов. Глубина вруба Н зависит от свойств угольного массива и окружающих его пород и может составлять 1…2 м.

Баро-цепные исполнительные органы Плоские бары применяются в основном на врубовых машинах «Урал» и образуют в пласте угля зарубную щель длиной до 2 м и высотой мм, что облегчает последующее разрушение угла посредством буровзрывных работ.

Баро-цепные исполнительные органы Кольцевые бары прорезают в массиве угля кольцевую или близкую к ней щель, отделенный целик угля разрушается установленными за баром дисковыми скалывателями. Разрушенный уголь грузится на забойный конвейер скребковым погрузчиком, имеющимся в составе комбайна. Применялись на очистных комбайнах «Донбасс-1 Г», «Кировец»

Баро-цепные исполнительные органы Достоинства : - возможность работы на вязких и крепких углях, - возможность работы на пластах малой мощности. Недостатки: - низкий к. п. д. (0,30,4); - высокие удельные энергозатрагы (24 к Вт-ч/т); - малый срок службы (34 мес); - невозможность регулирования положения бара по высоте при работе машины; - значительное измельчение угля в зарубной щели; - низкая транспортирующая способность режущей цепи; - значительный шум во время работы; - трудоемкость замены резцов.

Струговые исполнительные органы Область применения таких стругов ограничена в связи с возможностью разрушения углей не выше средней крепости при спокойной гипсометрии пласта и постоянной его мощности.

Струговые исполнительные органы Достоинства: - простота и надежность конструкции; - возможность отделения угля с поверхности забоя в зоне наибольшего отжима; - совмещение функций отбойки и погрузки угля; - работа в режиме крупного скола; - лучшая по сравнению с комбайновой выемкой сортность угля; - меньшее по сравнению с другими типами исполнительных органов пылеобразование. Недостатки: - эффективная работа стругов возможна при разрушении хрупких углей с сопротивляемостью резанию не более 3 кН/см, -плохая управляемость в вертикальной плоскости; - сложность регулировки исполнительного органа по мощности пласта; - относительно низкий к. п. д.

Бурошнековые исполнительные органы Исполнительные органы предназначены для выемки угля по безлюдной технологии без крепления выработанного пространства методом выбуривания скважин длиной до 85 м из пластов мощностью 0,5…0,8 м, с углом залегания до 12° по восстанию и до 9° по падению, с сопротивлением резанию до A = 350 кН/см, залегающих в породах не ниже средней устойчивости. Комплекс БШК - 2Д БУРАН - ШНЕК

Планетарные органы Планетарные органы разрушения нашли применение в проходческих комбайнах и агрегатах для проходки вертикальных стволов. Комбайн проходческий «Караганда-7/15»

Планетарные органы Достоинства: разрушают большие площади забоя; передают на каждый инструмент значительную мощность; имеют относительно невысокую энергоемкость процесса разрушения; требуют небольших осевых (напорных) усилий; имеют незначительный опрокидывающий реактивный момент.

Планетарные органы Недостатки: сложная конструкция редуктора привода; большой рабочий путь инструмента за один оборот водила в плоских и сферических органах разрушения; сложность кинематических расчетов и правильного выбора параметров траекторий движения инструментов