Как объектов разрушения

Основные физико-механические свойства горных пород

1. Разрушение грунтов, горных пород и углей осуществля­ется:

- механическим способом, когда рабочие органы непосредственно отделяют породу от массива; энергоемкость его, т. е. расход энергии на единицу объема разрушенной породы, примерно составляет 0,05—0,3 кВт ч/м³;

- гидравлическим способом, когда порода отделяется от массива струей воды под высоким давлением; энергоемкость этого способа разрушения составляет от 0,4 до 4 кВт ч/м³ при работе гидромонито­ров и в 1—1,5 раза меньше при работе земснарядов (без учета транс­портирования);

- взрывным способом, когда породы разрушаются под давлением газов, выделяемых при воспламенении взрывчатых веществ; энерго­емкость только бурения скважин составляет 0,8—1,1 кВт ч/м³.

Применяются и комбинированные способы, например когда основное рыхление породы производится рыхлителем, а оконча­тельное рыхление и захват разрушенной породы производится мехлопатой, скрепером или землесосом.

Другие способы разрушения горных пород (с помощью вибрации, токов высокой частоты, термических и химических способов) нахо­дятся главным образом в стадии освоения.

Наиболее распространенными являются механические способы. На них приходится до 85% всего объема работ.

Сопротивление пород разработке и устойчивость их как основа­ния, на котором стоит горная машина, определяются физико-механическими свойствами пород, поэтому учение о физико-механических свойствах и способах их определения является неотъемлемой частью теории разрушения горных пород.

2. Физико-механическими свойствами горной породы называют совокупность свойств, из которых к физическим относят объемный и удельный веса, гранулометрический состав, плотность, пористость, связность, липкость, пластичность, тепло- и электропроводность и др., а к механическим — крепость, прочность, твердость, сопроти­вление породы (грунта) вдавливанию, абразивность и др., т. е. свойства, определяющие поведение горной породы в процессе де­формации.

Подробное изучение свойств пород является объектом горной науки «Физика горных пород».

Сопротивление пород разработке зависит от их физико-механи­ческих свойств. Наиболее важными из них с точки зрения сопроти­вления резанию и копанию являются:

Объемная масса (вес) — отношение массы породы к ее объему при естественной влажности (для грунтов — 1,5 — 2 т/м³).

Гранулометрический состав — процентное содержание по весу частиц различной крупности.

Угол естественного откоса φ₀ — угол у основания конуса, кото­рый образуется при отсыпке разрыхленной породы с некоторой вы­соты (табл. 1.1).

Таблица 1.1 - Угол естественного откоса φ₀, град

Величина этого угла зависит от категории грунта, коэффициента внутреннего трения, гранулометрического состава, связности и влажности породы. Для несвязных грунтов угол естественного откоса равен углу внутреннего трения.

Коэффициент трения породы о породу колеблется от 0,58 до 0,9; коэффициент трения породы о сталь — от 0,73 до 1,0.

Разрыхляемостъ — отношение объема разрыхленной породы к первоначальному объему (в целике). Величина коэффициента разрыхления К_р зависит от категории грунта, крупности рабочего органа (уменьшаясь с его увеличением) и изменяется от 1,25 до 1,5.

Сопротивление грунта вдавливанию — коэффициент сопроти­вления смятию р₀, т. е. величина нагрузки на 1 см², под действием которой опорная поверхность погрузится на 1 см. Допустимые на­грузки для ходовых частей горных машин предусматривают погруже­ние до 12 см.

Величины удельных сопротивлений различных пород смятию р₀ в зависимости от категории породы колеблются от 0,05 до 1,3 кг/см². Величины допускаемых давлений р_д на ходовую часть машины составляют 0,4—15 кг/см².

Твердость — способность породы оказывать сопротивление про­никновению в нее другого, более твердого тела, не испытывающего при этом каких-либо остаточных деформаций. Твердость породы ха­рактеризуется сопротивлением ее поверхностного слоя воздействию внешней силы (например, бурового инструмента) и зависит от крепости минеральных зерен, слагающих породу, и состава цемента связывающего зерна между собой.

Абразивность — способность горной породы изнашивать инстру­мент, ее разрушающий. Существуют различные методы оценки абразивности, однако все они пока еще являются относительными так как величина износа зависит от удельных давлений, скорости взаимного перемещения, твердости и прочности.

Трещиноватость пород — наличие в горных породах трещин, образующих разрыв внутренних связей в породном массиве; трещиноватость оказывает значительное влияние на буримость, в некоторых случаях усложняя процесс бурения заклиниванием или отклонением в сторону бурового инструмента. В то же время трещиноватость понижает прочность породы, облегчая ее скалывание при бу­рении.

Плотность пород — степень заполнения минеральным веществом данного объема породы; определяется отношением объемного веса к удельному; в некоторых случаях также характеризует прочность пород. Особенно это относится к одноименным породам с различным Объемным весом, у которых, чем больше плотность, тем выше проч­ность.

Крепость — сопротивление горной породы общему разрушению. Если одна горная порода крепче другой по буримости в ƒ раз, то и по всем другим своим механическим характеристикам (взрываемое™, временному сопротивлению на сжатие и др.) она будет в ƒ раз пре­восходить ее. На основании этого предположения проф. М. М. Про­тодьяконов составил шкалу крепости, разбив все горные породы на десять категорий с коэффициентами от ƒ = 20 для I категории до ƒ = 0,3 для X категории.

Ориентировочно коэффициент крепости равен 0,01 от предела прочности горной породы при одноосном сжатии σ_сж, кг\см².

Шкала крепости проф. М. М. Протодьяконова получила широкое распространение в горном деле, но так как она не полностью отра­жает механические свойства горных пород, то впоследствии появи­лось несколько классификаций горных пород, приспособленных для частных случаев ведения горных работ в зависимости от типов машин. Например, существует классификация горных пород по бу­римости, определяющая скорость бурения горной породы в зависи­мости от способа бурения.

3. Большинство горных машин производит разрушение пород и углей последовательным отделением «стружки»*. Перемещение сре­занной породы по рабочему органу и скопление в нем породы вызы­вают в ряде случаев значительные сопротивления на исполнительном органе, подчас более высокие, чем собственно от разрушения.

Копание — процесс отделения породы от массива, включающий резание, перемещение отделенной породы по рабочему органу и впереди последнего, а в отдельных случаях и перемещение ее внутри рабочего органа (в частности, в ковшах экскаваторов).

Резание - процесс отделения стружки от массива при помощи режущей части рабочего органа, обычно имеющей вид клина. Режу­щая часть (рис. 1.1) характеризуется углом заострения а, задним углом γ и углом резания δ = α+ γ.

Рабочий орган перемещается чаще всего в двух направлениях. Одно из них — главное движение, при котором производится отделе­ние стружки, а второе изменяет толщину (ширину) стружки (движе­ние подачи).

Скорость подачи значительно меньше скорости главного движе­ния. Соотношение этих двух скоростей и определяет траекторию движения рабочего органа.

В одних случаях лезвие рабочего органа сначала перемещается в глубь горной породы, а затем движется вперед для отделения стружки (струг, скрепер, бульдозер), а в других — эти два переме­щения осуществляются в течение всего процесса резания или большей его части (экскаваторы, бурильные машины). Усилия и наивыгод­нейшие (оптимальные) режимы подбираются на основе экспери­мента.

Рис. 1.1. Образование стружки в различных породах: а — пластичных; б — сухих малосвязных; в — твердых хрупких

Различают следующие условия резания: блокированное, полу­блокированное (полусвободное) и свободное. При блокированном резании режущая часть рабочего органа разрушает породу передней и двумя боковыми режущими кромками, при полусвободном — пе­редней и одной боковой режущими кромками, при свободном — только передней режущей кромкой. Величина сопротивлений на ра­бочем органе при резании зависит от того, в каких условиях осущест­вляется резание.

На практике осуществляется чаще всего полусвободное резание.

При отделении стружки от массива возникают следующие сопро­тивления:

1. В направлении по касательной к траектории главного движения рабочего органа

, кг, (1.1)

где Р_р — сила сопротивления внедрению передней грани рабочего органа в породу. Эта сила зависит от ширины и толщины стружки, геометрии рабочего инструмента и категории породы.

Принято оценивать силу P_рпо величине так называемого удельного сопротивления породы резанию, отнесенного к площади стружки,

, кг/см² (1.2)

или, как это принято для многочерпаковых экскаваторов, к пери­метру ковша, находящегося в контакте с породой,

, кг/см; (1.3)

Р_т – сила трения рабочего органа о породу,

, (1.4)

N — нормальное усилие со стороны рабочего органа на породу, кг;

μ — коэффициент трения рабочего органа о породу.

Сила Р_т возрастает с увеличением затупления режущей части в связи с увеличением потребного усилия подачи, необходимого для заглубления рабочего органа в породу;

Р_п — сила сопротивления от перемещения породы вдоль или поперек грани рабочего органа или от перемещения (волочения) призмы грунта впереди рабочего органа, а также сопротивление от заполнения рабочих органов породой.

2. В направлении, нормальном к траектории:

Р₀₂ — сила сопротивления внедрению режущего лезвия рабочего органа в породу (эквивалентна усилию подачи) может быть направлена либо в сторону рабочего органа, либо в сторону массива грунта.

В зависимости от типа машины, конструкции рабочего органа, величины площадки затупления лезвия, траектории и других пара­метров нормальную силу копания Р₀₂ определяют:

, (1.5)

где К₁ — коэффициент, равный 0,1—0,95 — большие значения для более изношенного инструмента и более твердых пород.