от интенсивности трещиноватости и объема монолита

 

Оптимальное направление развития фронта горных работ должно обеспечить максимально возможный коэффициент выхода товарных блоков при данной технологии и естественной трещиноватости. Теоретическое направление подразумевает по каким направлением фронта горных работ коэффициент выхода блоков будет выше по отношению к простиранию определенных систем трещин.

В табл.3.3-3.5 представлены данные, соответствующие двум системам естественных трещин на Коелгинском месторождении (звено № 5), которые для изучения интенсивности трещиноватости представлены с различным межтрещинным расстоянием.

 

 

Таблица 3.3

 

Исходные данные при интенсивности трещиноватости 0,4 1/м

 

Номер трещины	Азимут простирания, град.	Угол падения, град.	Координата, м
Х	У
			0,17
			2,68
			5,31
			7,11
			0,4
			4,42
			8,11
			7,42

 

Таблица 3.4

 

Исходные данные при интенсивности трещиноватости 0,61/м

 

Номер трещины	Азимут простирания, град.	Угол падения, град.	Координата, м
Х	У
			0,17
			1,87
			3,61
			5,26
			6,97
			8,69
			0,23
			3,32
			6,61
			6,7
			4,86
			8,68

Таблица 3.5

 

Исходные данные при интенсивности трещиноватости 0,8 1/м

 

Номер трещины	Азимут простирания, град.	Угол падения, град.	Координата, м
Х	У
			0,17
			1,32
			2,57
			3,82
			5,07
			6,32
			7,57
			8,84
			0,23
			3,32
			6,63
			9,94
			13,24
			13,78
			11,47
			9,58

 

 

Рис.3.11. Выход блоков в зависимости от азимута

фронта горных работ

На рис.3.11 представлен график выхода товарных блоков от азимута фронта горных работ при различной интенсивности трещиноватости, из которого видно, что при добыче блочного камня с применением алмазно-канатного оборудования, независимо от интенсивности трещиноватости и групп блочности, определенное сочетание систем естественных трещин с фронтом горных работ обеспечивает наибольший выход товарных блоков. В данном случае азимут фронта горных работ около 90°.

В табл. 3.6. приведены расчетные значения коэффициента выхода блоков в зависимости от размеров отделяемых монолитов (в расчетах принято Vmin =1,0 м³, интенсивность трещиноватости массива 0,4 1/м).

 

Таблица 3.6

Изменение коэффициента выхода товарных блоков

от размеров отделяемых монолитов

 

Высота монолита H, м	Коэффициент выхода товарных блоков, Кв
L x B 6x1,8 м	L x B 8x2,2 м	L x B 10x2,5 м
0,5	0,07	0,09	0,1
	0,11	0,13	0,15
	0,17	0,2	0,23
	0,21	0,25	0,29
	0,25	0,3	0,34
	0,29	0,34	0,39
	0,32	0,38	0,44
	0,35	0,42	0,48
	0,38	0,45	0,52
	0,41	0,49	0,56
	0,44	0,52	0,6
	0,46	0,55	0,63
	0,49	0,58	0,67

 

 

4. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОУСТУПНОЙ

ДОБЫЧИ БЛОКОВ МРАМОРА

 

4.1. Расчет режимных показателей процессов разрушения горной породы алмазно-абразивным инструментом

 

Алмазно-абразивный метод разрушения горной породы на сегодня является одним из наиболее прогрессивных и перспективных в горном деле и в промышленности строительных материалов. К процессам алмазно-абразивного разрушения относятся геологоразведочное бурение, распиловка природногокамня при его добыче и последующей разделке, обработка облицовочных изделий из декоративного камня путём фрезерования и шлифования, при этом применяют буровые станки с алмазными коронками, дисковые, полосовые (штрипсовые), канатные пилы и шлифовально-полировальные установки. Преимущества использования алмазно-абразивного породоразрушающего инструмента заключаются в высокой производительности при относительно низкой удельной стоимости работ, существенном повышении точности и качества обработанной поверхности, в снижении потерь сырья.

Процесс разрушения горной породы необходимо рассматривать во взаимодействии системы «порода-алмазно-абразивное зерно-инструмент», в которой одновременно путем многократно повторяющихся на микроуровне актов взаимодействия происходит разрушение как породы, так и инструмента. В зависимости от условий контактирования в системе возможно упругое или упругопластическое взаимодействие с последующим отделением микрообъёмов материала в виде скалывания (хрупкое разрушение) или резания (вязкое разрушение). Момент разрушения материала породы (инструмента) наступает при достижении предельной удельной энергии, которую способна поглотить кристаллическая решётка. В этом случае можно констатировать, что разрушение происходит тогда, когда кристаллическая решетка перестаёт поглощать подводимую извне энергию. Поэтому, с точки зрения энергетической теории, механизм алмазно-абразивного разрушения с качественной стороны носит общий характер и отличается только количественными показателями, зависящими от физико-механических свойств породы и инструмента и технологических особенностей процесса, из которых следует выделить условия выноса шлама из зоны резания (разрушения) и условия охлаждения инструмента.

Следовательно энергетический подход позволяет с единых позиций рассматривать и проводить расчеты таких взаимосвязанных критериев, достаточно характеризующих процесс разрушения, как производительность, удельные затраты энергии, стойкость (наработку) инструмента.

Показатели производительности могут быть определены из энергетического принципа, постулирующего линейную пропорциональность количества диспергированного материала от механической энергии сил алмазно-абразивного разрушения (резания) [33], т.е.

(4.1)

где

- объём разрушенного материала, м3; - ширина, высота (глубина) и длина зоны разрушения или пропила, м; - сила резания, Н; - коэффициент алмазно-абразивного резания породы; - сила нормального давления инструмента на породу, Н; - суммарный путь резания, м; - скорость резания (линейная скорость пе­ремещения инструмента относительно поро­ды), м/с; - время взаимодействия, с; - коэффициент пропорциональности, м3/Дж.

Коэффициент пропорциональности К - величина обратная энергоёмкости разрушения материала породы , т.е. физической константе материала, характеризующей его вязко-прочностные свойства.

Из уравнения (4.1) определяем три взаимосвязанных показателя производительности процессов алмазно-абразивного разрушения породы:

- объёмная производительность разрушения

(4.2)

- производительность распиловки

(4.3)

- скорость подачиинструмента

(4.4)

Первый показатель производительности (4.2) применяется для характеристики процесса шлифования, а также для сравнительной оценки эффективности при распиловке природного камня различными способами (дисковыми, полосовыми, канатными пилами и др.). Второй показатель характеризует производительность распиловки алмазно-абразивных пил, а третий, наряду с характеристикой процессов распиловки, применяется как показатель интенсивности алмазного бурения.

Направленное разрушение горной породы идёт при непрерывном износе режущего инструмента, поэтому необходимо исследование и расчет закономерностей протекания износа инструмента во времени. Как правило, определяют интенсивность износа инструмента, выраженную в виде массовой (объёмной) скорости изнашивания. Всё вышесказанное относительно расчета показателей производительности разрушения породы в равной степени относится и к расчету интенсивности износа инструмента. Так, показатель скорости объёмного износа инструмента определяется как:

(4.5)

где	- энергоемкость разрушения материала инструмента, Дж/м3; - коэффициент разрушения инструмента.

Критерием же эффективности взаимодействия системы «порода-режущий инструмент» является удельный расход инструмента, представляющий собой отношение интенсивности износа инструмента к показателю производительности процесса, наиболее полно (качествен­но) характеризующему данный способ разрушения, т.е.

(4.6)

Учитывая соотношения (3.2) и (3.5), запишем в следующем виде:

(4.7)

Величина обратная расходу инструмента представляет его удельную наработку:

.

Одновременное разрушение породы и инструмента сопровождается поглощением внешней энергии. Показателем энергетического баланса исследуемого процесса служит мощность распиловки, бурения, шлифования, которая представляет собой мощность непосредственного разрушения породы и мощность, связанную с непроизводительными затратами энергии на трение, а также износ инструмента, т.е.

(4.8)

где	- коэффициент трения; - коэффициент распиловки; - сила распиловки.

Результирующая сила нормального давления инструмента на породу будет представлять сумму соответствующих элементарных сил , действующих вдоль линии контакта [34]:

где - удельная нормальная нагрузка, Н/м²;

- коэффициент прерывистости режущей поверхности инструмента (b_э - длина алмазорежущего элемента; b_с – расстояние между алмазорежущими элементами).

- коэффициент приведения длины контакта инструмента с породой к высоте пропила ( - угол охвата гибким инструментом распиливаемого объема камня).

Однако, наиболее показательно энергетические затраты при взаимодействии системы «порода-инструмент» отражает удельная работа процесса, определяемая как отношение мощности к объёмной производительности, т.е.

(4.9)

Данный критерий устанавливает взаимосвязь между интенсивностью (темпом) изменения мощности и производительности процесса и поэтому является контрольным показателем энергетической эффективности процесса и его режимов. Также как и мощность, удельная работа процесса включает в себя производительные и непроизводительные затраты энергии, что может быть выражено с учетом (4.2) (4.8) следующим образом:

(4.10)

Как видим распределяется соотношением сил трения, сил резания породы и сил разрушения инструмента таким образом, что минимальному значению удельной работы процесса соответствует ми­нимум отношения непроизводительных сил к силам резания породы, т.е.

при .

При этом величина отношения

(4.11)

может быть принята в качестве энергетического коэффициента полезного действия (КПД) технологического процесса (режимов), т.к. оценивает его энергетический уровень в сравнении с энергоёмкостью разрушения горной породы. Характер силового взаимодействия инструмента с породой, как выше было отмечено, разделяют на стадии упругого, упругопластического контактирования и микро резания (скалывания). Для выбора рациональных силовых режимов разрушения породы и эксплуатации инструмента целесообразно характеризовать стадии силового взаимодействия пары «режущий инструмент-порода» по комплексному показателю , т.е. через расчет граничных условий каждой стадии по энергетическому КПД [35].

Из анализа зависимости (4.11) вытекает физическая сущность коэффициента как доли энергии, расходуемой на разрушение единицы объёма породы по отношению к суммарной удельной энергии, характеризующей взаимодействие системы "порода-инструмент". Аналогично определяется и коэффициент разрушения инструмента. Таким образом удельная энергия, расходуемая на разрушение породы , инструмента и взаимное трение . распределяется в общем ее балансе согласно значению соответствующих коэффициентов , , . Как увидим в дальнейшем, данное положение позволяет решить ряд практических задач по расчету показателей производительности алмазно-абразивного разрушения породы и стойкости инструмента [36].

Рассмотренные критерии являются интегральными показателями достаточно оценивающими количественно и качественно процесс взаимодействия алмазно-абразивного инструмента с породой. В основу единого методологического подхода при расчете критериев положена энергетическая теория, согласно которой алмазно-абразивное разрушение характеризуется энергоёмкостью материала и коэффициентом разрушения . Несмотря на очевидную простоту полученных показателей производительности они до сих пор не нашли применения по причине отсутствия данных по критериям энергоемкости разрушения различных горных пород. При этом неопределенным остаётся и коэф­фициент алмазно-абразивного резания породы . Параметры и непосредственно из экспериментальных данных путем моделиро­вания процесса разрушения получить не удаётся, т.к. не удаётся практически разрушить породу не затратив при этом непроизводительную часть энергии, связанную с трением. Диаграммы растяжения (сжатия) материала породы также не дают возможности оценить удельные энергозатраты разрушения, т.к. являются характеристиками прочности образца на макроуровне, когда на его прочность существенное влияние оказывает неоднородность свойств и нарушение сплошности, т.е. прослеживается зависимость прочности от размеров образца.

Так сравнение энергоёмкости разрушения по диаграммам сжатия образцов горной породы (гранит, мрамор и др.) с удельной работой алмазно-абразивных процессов бурения, распиловки и шлифовании этих материалов показывает на существенное расхождение данных величин. Наблюдаемое расхождение в 10³ - 10⁴ раз связано с отклонением от условий подобия, которое неизбежно при испытании образца конечных размеров (макроуровень) и процессов алмазно-абразивного разрушения (микроуровень). Только при полном соблюдении условий подобия (геометрического, механического, структурного, кинетического, температурного и т.д.) свойства материала будут не зависимы от уровня его процесса разрушения. Но поскольку отклонение от условий подобия при испытании образцов на растяжение, сжатие, сдвиг и реальными условиями нагружения при алмазно-абразивном разрушении неизбежно, то неизбежно и проявление масштабного фактора.

Наряду с вышесказанным все же возможен полностью экспериментальный метод нахождения и по показателям производительности разрушения породы, стойкости инструмента и затрачен­ной при этом энергии [42, 46, 47]. Однако в этом случае определяется не каждая в отдельности величина и , а их соотношение из выражений (4.7) и (4.11), т.е.:

(4.12)

для чего необходимо располагать экспериментальными зависимостями удельной работы разрушения удельного расхода инструмента и коэффициента от режимных параметров процесса для каждой конкретной пары «порода-инструмент». Полученные в результате исследо­ваний и обработки экспериментальных данных, корреляционные зависимости и позволяют установить обобщающие закономерности алмазно-абразивного разрушения горной породы, на основе которых возможен точный расчет и прогноз эффективности применения существующих и разрабатываемых способов, устройств и инструмента в горном производстве.

В практике камнедобычи и обработки, наряду с приведенными критериями оценки, существуют технологические показатели камня, предопределяющие степень эффективности его обработки под воздействием рабочего инструмента. Наиболее распространенным критерием оценки технологических свойств камня является его обрабатываемость, т.е. трудоёмкость конкретной операции обработки (пилимость, шлифуемость, буримость и т.п.). Как правило обрабатываемость определяют в сравнении технологической производительности оборудования при обработке эталонного и испытуемого камня. Обрабатываемость одних и тех же горных пород неодинакова в связи с применением различных видов инструмента, а также режимов обработки (разрушения), т.к. на производительность процесса, помимо показателя энергоемкости разрушения породы Э_п, оказывает влияние коэффициент разрушения ,который зависит от свойств породы, инструмента и от режимов разрушения. Поэтому производительность процесса обработки является показателем производства продукции, так как отражает уровень техники и технологии на данный период времени.

Таким образом, за показатель обрабатываемости строительных горных пород алмазно-абразивным инструментом, на основании выражения (4.12) принимаем соотношение /А_уд или обратную величину А_уд / , определяемые для конкретных (оптимальных) режимов обработки. При этом оптимальным режимам разрушения должны соответствовать следующиемини- максимальные условия: Q —> тах при А_уд —> min или R —> min. В качестве объединяющего все три технологических критерия эффективности процесса разрушения (Q; А_уд; R) может быть использовано экономическое условие минимальных удельных затрат C_s, связанных непосредственно с конкретной операцией обработки продукции. Тогда показатель обрабатываемости /А_уд (или А_уд/ ) конкретной горной породы будет находиться для режимов разрушения, которым соответствуют минимальные удельные затраты на обработку C_s —> min.

Экономико-математическая модель поверхностного разрушения горной породы алмазно-абразивным инструментом составлена на основе взаимосвязанных через режимные параметры резания и геометрические параметры забоя критериев процесса взаимодействия системы «порода-интсрумент», достаточно характеризующих эффективность применения инструмента в технологическом комплексе добычи и обработки природного камня различной прочности. Полученное уравнение имеет вид [37]

, (4.13)

где С_о, С_э и С_и – стоимости соответственно работы канатной пилы, р/ч; электроэнергии, р/кВт×ч; алмазов в инструменте, р/карат;

К_ио - коэффициент использования оборудования во времени;

V_п- скорость подачи инструмента на забой, м/ч;

А_уд - удельная работа распиловки, Дж/м³;

R_уд- удельный расход алмазного инструмента;

_а - содержание алмазов в единице объема алмазонесущего слоя инструмента, карат/м³;

h, b_п – высота и ширина щели пропила, м.

 

 

4.2. Методика расчета оптимальной высоты монолитов,