Исследование процесса резания угля как термогазомеханического

ГОРНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

УДК 622.23.01:622.236.22

А.В.БЕЛЮТИН

Воркутинский горный институт (филиал Санкт-Петербургского

горного института), ассистент кафедры горной электромеханики

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ УГЛЯ КАК ТЕРМОГАЗОМЕХАНИЧЕСКОГО

Проведен анализ современного представления о процессе разрушения углей резцами горных машин. Целью исследований является изучение ядра уплотнения и его воздействия на процесс резания. Обозначены новые факторы, которые ранее не учитывались в формулах, описывающих процесс резания. Сформулирована гипотеза, качественно по-новому раскрывающая процесс образования ядра уплотнения, его воздействия на процесс резания и дифференциацию зонной структуры ядра при его формировании. Описаны результаты экспериментальных и теоретических исследований зависимости вязкости ядра уплотнения от температуры ядра при заданном давлении. Сформулированы задачи дальнейших исследований.

Made analysis of modern presentation of destroying an coal by incisors of mountain machines. Take aim studies is a study of kernel of compaction and its influence on the process of cutting. Marked new factors which earlier were not taken account into formulas, describing process of cutting. Worded hypothesis qualitative on the new revealing process of forming a kernel of compaction, its influence on the process of cutting and destruction zoned structure of kernel under its shaping. Brought results of experimental and studies of dependency of viscosity of kernel of compaction from the temperature of kernel under the given pressure. Presented results of preliminary experimental studies and worded problems of further studies.

настоящее время инженерные расчеты нагрузок на резцы основаны на положении, что равнодействующая сил приложена к центру ядра уплотнения, а давление распределено по площади ядра, которое прилегает к передней поверхности резца [3].

Исследования, выполненные Н.Г.Картавым на динамометре с разрезными резцами, показали, что давление на грани резца имеет максимум вблизи от режущей кромки и резко убывает по кривым гиперболического вида при удалении от нее. В связи с этим в практике расчетов обычно ограничиваются заменой распределенных сил сосредоточенными и приложенными к передней режущей кромке, с разложением последних по осям прямоугольных координат [3].

Сила резания регистрируемая трех-компонентным динамометром, является

i>

о

геометрической суммой проекции равнодействующих сил по передней (7П) и боковым граням. При измерениях регистрируется также результирующая сила подачи V и ее составляющие, а также боковая сила X представляющая собой алгебраическую сумму сил Хп и ХЛ; действующих соответственно на правую и левую грани резца.

В общем случае при резании затупленным резцом средние значения составляющих сил резания и подачи определяются по формулам вида

2 = Zn + Mi + (Хп ^Xn)lxx/ cos

y = r1±r2+(zn+zJI)tg

(<рч v2y

х - хи+Хл ,

152 __

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.152

III II

I

Строение ядра уплотнения

где 71 - отжимающая сила; Л^.п и А^л - силы, действующие по нормали к правой и

левой боковым поверхностям резца; <р -угол заострения резца, градусы; \Лу и \хх -коэффициенты трения задней и боковых поверхностей резца об уголь; ц - коэффициент трения разрушенного угля о переднюю поверхность резца [1,3].

В этом случае принимается, что свойства ядра зависят только от механических усилий, прилагаемых резцом к ядру уплотнения. Но известны факты, которые не учитываются в этих формулах:

• объем газов, выделяющихся из ядра уплотнения при резании, значительно больше объема ядра уплотнения;

• температура резца в зоне передней режущей кромки существенно влияет на формирование ядра и силу его трения о переднюю грань резца.

В процессе исследований резания была сформулирована гипотеза состояния ядра уплотнения: ядро уплотнения можно рассматривать как зонную структуру по последствиям механического разрушения и как фазовую структуру по температуре, выделению и содержанию свободных газов, причем действие всех этих факторов на процесс резания

необходимо изучать совместно как термога-зомеханический процесс.

Рабочие поверхности резца, особенно вблизи режущих кромок, при резании нагреваются. При нагревании мелкораздробленного угля из него выделяются газы и пары воды. Наиболее интенсивно это явление протекает при разрушении углей в Но это же явление наблюдается при разрушении образцов угля (прошедших дегазацию) при стендовых экспериментальных исследованиях.

В ядре уплотнения четко выделяются три зоны, которые различаются по качественному составу и по динамике фазовых изменений (см. рисунок).

К I зоне можно отнести слой спрессованной пластичной части ядра с наибольшей температурой, располагающийся непосредственно на передней грани резца. Движение этого слоя по передней грани затруднено, что на практике подтверждается отсутствием износа передних граней резцов выемочных машин. Зона характеризуется весьма малым остаточным содержанием газа и наибольшей температурой, что может приводить к преобразованию угля, выражающемуся в изменении его цвета.

_ 153

Санкт-Петербург. 2002

Ко II зоне отнесен участок ядра с максимальным газовыделением и подвижностью газа. Здесь связанные формы под действием высокого давления и температуры превращаются в летучие газы и пары воды. Многократно увеличиваясь в объеме, газ выходит в зоне II ядра на поверхность, попутно захватывая с собой мельчайшие частички (¿/<0,01 мм) угля (выброс частиц замечен на ускоренной киносъемке) [1].

Зона III характеризуется проникающей в массив трещиноватостью, которая образуется под действием механических сил и давления газов, выделяющихся в зонах II и III. Процесс образования мелких трещин сменяется образованием одной или нескольких, так называемых генеральных, трещин, развитие которых приводит к образованию последовательно осуществляющихся сколов в процессе резания. Энергетический баланс процесса резания угля среднезатупленным резцом следующий, % [2]:

Диспергирование при дроблении передней гранью, включая образование пылевого ядра

Диспергирование при трении резца об уголь

Образование трещин и отрыв элементов от массива, не более ": "

Упругие деформации угля, не более

Упругие деформации элементов машин

78-50 20-46*

V

1 1

0,3-2

Большие значения соответствуют увеличенной степени затупления резца.

Уже первые установочные эксперимен ты подтвердили следующие положения ги потезы:

• процесс ооразования ядра сопровождается выделением газов с вытеснением их к периферии ядра;

• плотность ядра увеличивается по направлению от периферии ядра к передней поверхности резца [3];

• вязкость ядра зависит от изменения температуры резца почти линейно.

дальнейших исследований определены следующим образом:

экспериментальной установки для измерения количества выделяемых из ядра уплотнения газов;

• выяснение качественного состава этих газов и их влияния на процесс резания;

• уточнение зависимости сил трения при движении ядра по поверхности резца от температуры.

Если в результате экспериментальных исследований гипотеза подтвердится, то принципы построения структуры резцов для резания углей и методика выбора их рациональных режимов работы могут быть скорректированы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Верой Л,И. Резание угля / Л.И.Берон, А.С.Казанский, Б.М.Лейбов, Е.З.Позин. М: Госгортехиздат, 1962.

2. Берон А.И. Об оценке энергетического баланса процесса резания углей / А.И.Берон, Е.З.Позин // Труды Ин-та горного дела им. А.А.Скочинского. 1972. Вып. 93.

3. Позин Е.З. Разрушение углей выемочными машинами / Е.З.Позин, В.З.Меламед, В.В.Тон. М.: Недра, 1984.

• • ?

Научный руководитель д.т.н. проф. В.В.Габов

I

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.152

УДК 622.236.2

В.Е.БОЛЬШАКОВ

Воркутинский горный институт (филиал Санкт-Петербургского горного института), старший преподаватель кафедры горной электромеханики

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПРОЦЕССА ДИСКРЕТИЗАЦИИ УГЛЯ ПРИ ДОБЫЧЕ

И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

В ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ

Произведен анализ существующих методов оценки состояния угольного массива по характеру электромагнитных излучений (ЭМИ). Выдвинута гипотеза о большей информативности электромагнитного потока, чем в настоящее время предполагается. Результаты серии лабораторных экспериментов по изучению ЭМИ как потока информации о разрушении угольного массива резанием при различных значениях параметров внешних электромагнитных полей, характеристиках снимаемой стружки могут быть использованы для оценки реального состояния призабойной части массива, что будет способствовать повышению эффективности очистных работ путем оперативного регулирования режимов работы выемочных машин. / / __ "

The analysis of existing methods of an estimation of a condition of a coal file on character of electromagnetic radiations is made. The hypothesis about the contents of a lot of the information in an electromagnetic flow is put forward, than it is supposed now. Expected to conduct a series of laboratory experiments on studying electromagnetic radiations as a flow information when destroying an coal array by cutting under different values of parameters of external electromagnetic radiations, features of removing shaving. Results of studies can be used for the evaluation of real condition an face part of the array that will promote a raising efficiency of mining by the way of operative regulation of states of working mining machines.

Эффективность очистных работ и, как следствие, эффективность отделения угля от массива зависят от соответствия режимов работы горных машин состоянию массива в призабойной части. В настоящее время состояние угольного массива оценивается только коэффициентом отжима, но единой методики его оценки в конкретной точке забоя неТе Расчет дает, как правило, интегральное значение, постоянное для всего забоя, а не значение для конкретных зон забоя в момент приближения к ним выемочной машины в процессе выемки угля. В отраслевом стандарте [5] рекомендуется определять значение коэффициента отжима по формуле

k xk , (Д,/яп)-с

от от° (ВJ Hu) + d'

где

0 значение коэффициента отжима на

кромке забоя; Ни - мощность пласта, м; В3 -ширина захвата комбайна, м; с и с1 - коэф-

:, зависящие от свойств угля и горно-технологических условий выемки.

Согласно методике ВНИМИ [1], ожидаемое значение отжима

ь = 0,02КкНпуНГ с-о,оозр

о2

сж

где Кк - коэффициент концентрации напряжений, значения которого зависят от класса кровли; уН - давление на глубине Я; асж -сопротивление пласта одноосному сжатию; Р -усилие распора крепи.

Как видно из формул (1) и (2), в них не учитываются фактор времени, структура и степень трещиноватости пласта.

Санкт-Петербург. 2002

Итак, можно констатировать, что удовлетворительного способа оценки ослабления пласта в зоне отжима в настоящее время нет, а сложность процесса отжима и влияние на ослабление пласта большого количества факторов заставляет искать косвенные пути его оцткя.

В естественном состоянии призабой-ная часть массива, кровля и почва разрушаются под действием горного давления и ряда других факторов. Разрушение происходит в электромагнитных, гравитационных полях, которые влияют на этот процесс. Все это отражается в изменениях потоков электромагнитных излучений (ЭМИ), акустических колебаний и др. [3]. Например, исследованиями ВНИМИ была установлена зависимость числа импульсов ЭМИ от предела прочности образцов угля при одноосном сжатии, которая имеет почти линейный характер. Электромагнитная эмиссия реализуется в виде быстро еле-

дующих друг за другом серии импульсов с частотой 10-102 Гц. Число импульсов в единицу времени соответствует активности локальных процессов нарушений сплошности массива и его необратимым деформациям. Все эти излучения можно считать естественным информационным полем, которое в настоящее время не расшифровывается и не используется при анализе состояния призабойной части массива.

Целью исследований является выяснение зависимости интенсивности ЭМИ от состояния призабойной части массива угля как одного из наиболее информативных факторов. Следовательно, объектом исследования являются ЭМИ, возникающие в массиве под влиянием горного давления и при разрушении массива резцами выемочных машин. Если будет известна интенсивность ЭМИ естественного поля и интенсивность ЭМИ в процессе разрушения выемочными машинами, то эти данные могут быть использованы для корректировки режимов работы горных машин.

Учитывая особенности объекта, в нашей работе принят экспериментально-теоретический, стендовый метод исследования на физической модели. Физической моделью

разрушаемого массива является блок угля, взятый из пласта Воркутского месторождения. Параметры резца приняты эталонными для обеспечения сравнения результатов исследований с известными [3, 4]. Для анализа результатов используются общепринятые статистические оценки с привлечением методик спектрального анализа, так как процесс разрушения характеризуется случайными значениями основных его параметров.

При проведении эксперимента для изучения ЭМИ необходимо задаться рядом известных параметров и получить возможность их регулирования. К таким параметрам относятся скорость резания, толщина стружки, форма среза, интенсивность внешних электромагнитных полей.

При исследованиях ЭМИ угольные образцы обычно подвергались сжатию. В планируемом нами эксперименте угольный образец предполагается разрушать резанием эталонным резцом, что по физической сущности полностью соответствует процессу отделения угля от массива выемочными машинами. В результате экспериментов необходимо было определить зависимости параметров излучений от напряженности внешних электрических и магнитных полей при постоянных параметрах среза и параметров электромагнитных излучений от характеристик процесса резания при постоянных внешних полях.

Знание этих зависимостей необходимо для более четкого разделения состояния

части массива и процесса отделения угля от массива в реальных условиях. Но для решения этих задач необходимо провести аналогичные исследования в производственных условиях. Этот этап исследований может быть выполнен после проведения стендовых исследований и на данном этапе не планируется.

Стенд для исследования процесса резания выполнен в виде металлической конструкции. В состав стенда входит угольный блок и измерительная аппаратура. Исполнительным органом является эталонный резец, жестко закрепленный на штоке гидродомкрата. При проведении эксперимента кон-

156 __

0135-3500. Записки Горного института. ТЛ52

тролируются следующие параметры: усилие на резце, давление рабочей жидкости в основных участках гидросистемы, скорость и перемещение резца, параметры снимаемой стружки. Регистрация излучений осуществляется с использованием аппаратуры типа «Ангел» [2].

Результаты исследований могут быть использованы для оценки реального состояния призабойной части массива, что будет способствовать повышению эффективности очистных работ путем оперативного регулирования режимов работы выемочных машин.

ЛИТЕРАТУРА

1. Временные указания по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах мощностью до 3,5 м с углом падения до 35° / ВНИМИ. Л., 1982.

2. Исаев Ю.С. Контрольно-измерительная аппаратура для исследования геомеханических процессов / Ю.С.Исаев, МДИльянов, С.Н.Мулев / ВНИМИ. СПб, 1999.

3. Малышев Ю.Н. Техногенная геодинамика. М.: Недра, 1996. КнЛ.

А. Малышев Ю.Н. Цепная дезинтеграция горных пород / Ю.Н.Малышев, О.И.Сагалович, А.В.Лисуренко. М.: Недра, 1997.

5. Позин КЗ, Разрушение углей выемочными машинами / Е.З.Позин, В.З.Меламед, В.В.Тон. М.: Недра, 1984.

*

У

I

/

Ч

Санкт-Петербург. 2002