Экскавируемость горных пород в массиве

Выемка (копание) породы производится последовательным отделением стружек в слое выемки. Процесс копания включает резание (скол) стружки и перемещение срезанной породы по поверхности экскавирующего органа. Расчетная площадь поперечного сечения стружки Fр = tрb, где tр - расчетная толщина стружки (глубина внедрения экскавирующего органа), м; b – ширина стружки, м.

Форма поперечного сечения стружек (тел выкола) и их фактические размеры зависят от схемы копания (рис. 3.5), типа и структуры экскавируемых пород.

Рисунок 13.5 Схемы копания: а – блокированная; б – полусвободная; в – свободная.

Рисунок 13.6 Формы и параметры стружек

Равномерно, при примерно равных усилиях происходит копание пластичных связных пород с образованием «сливной» стружки постоянного сечения (рис. 13.6, а); при этом фактическая площадь поперечного сечения стружки Fф Fр В суглинках, супесях, а также в мерзлых глинах отделение «элементной» стружки отличается от образования сливной стружки небольшим расширением ( = 60 -7 0°) и значительным дроблением породы по естественным микроповерхностям ослабления (рис. 13.6, б); при этом Fф 1,1 Fр . Плотные породы, а также мерзлые суглинки, супеси и уплотненные глины экскавируются стружками отрыва (рис. 13.6, в, г) с боковым и опережающим выколом ( °, °) и дроблением породы на мелкие и средние куски; Fф 1,2 Fр.

Отдельными типами выемочных машин возможно производить копание трещиноватых полускальных пород. Обычно разрушение трещиноватого массива при выемке происходит сразу по нескольким направлениям, и порода экскавируется отдельными структурными телами выкола – происходит «разборка» массива. При этом фактическая толщина тел выкола tф = 0.1 – 1.5 м.

Процесс копания принято характеризовать величиной удельного сопротивления копанию (МПа)

КF = Рк· 10^-3 /Fф Рк· 10^-3 /(btр), (13.1) где Рк – касательная сила сопротивления пород копанию, кН; Fф выражается в квадратных метрах, b и tр – в метрах.

Общее и удельное сопротивление копанию зависит в первую очередь от показателей породы Gсж, Gсдв, Gраст и . Например, при выемке механической лопатой рыхлых сухих песков Кр = 0.016 – 0.025 МПа, при выемке тяжелых влажных глин Кр = 0.2 – 0.3 МПа, при полускальных пород К_F достигает 1 МПа и более.

Для процесса копания полускальных пород характерно резкое изменение усилий и скорости движения экскавирующего органа. Величина К_F зависит не только от прочности породы в куске, но и от трещиноватости массива, характеризуемой коэффициентом его структурного ослабления непосредственно поверхности копания. Копание по самим поверхностям ослабления массива ведет к уменьшению величин К_F в 3 - 30 раз по сравнению с копанием перпендикулярно, к трещинам, что зависит в первую очередь от вида трещин. Минимальное уменьшение К_F характерно при сомкнутых шероховатых трещинах, а максимальное – при раскрытых трещинах. При копании под углом и параллельно трещинам величина К_F уменьшается соответственно в 1.1 – 1.6 и 1.3 – 3 раза. Копание под углом к трещинам является наиболее типичным случаем, при этом = 0.6 – 0.9.

Удельное сопротивление копанию мерзлых мягких и плотных, а также промерзших полускальных пород значительной влажности (W = 14—17%) в несколько раз выше, чем сопротивление тех же пород в талом состоянии зависит от глубины промерзания массива (рис. 13.7). увеличение К_F при малой влажности мерзлых пород (W = 2—6%) незначительно.

На величину К_F влияет и тип применяемой выемочной машины (экскавирующего органа). Удельное сопротивление копанию одной и той же породы неодинаково при использовании различного выемочного оборудования. Например, при выемке суглинков и легких глин мехлопатой, драглайном, роторным экскаватором и скрепером оно находится соответственно в пределах 0.06 – 0.13; 0.1 – 0.19; 0.15 – 0.29 и 0.095 – 0.18 МПа.

Рисунок 13.7 График изменения удельного сопротивления копанию при промерзании массива:

1 – глина; 2 –аргиллит при W =14—17%; 3 – аргиллит при W = 8—9%; 4 – уголь; 5 – песчаник; КFм и КFТ – удельное сопротивление пород копанию соответственно в мерзлом и талом состояниях; hпр – глубина промерзания массива

Величина К_F при экскавирующем органе определенного типа зависит также от его конфигурации, толщины режущих кромок, угла и схемы копания, размеров стружки.

Рисунок 13.8 График зависимости КF пород в массиве от глубины внедрения t ковша мехлопаты (b = 200 см):

1 – песчаники на кремневом цементе; 2 – алевролит; 3 – прочный уголь; 4 – суглинок

Уменьшение удельного и общего сопротивления копанию плотных и мерзлых пород достигается использованием у одноковшевых и многоковшевых экскаваторов ковшей полукруглой формы с острой режущей кромкой, выпуклой в плане и профиле (К_F снижается на 10—20%), а при выемке роторными экскаваторами – увеличением числа одновременно режущих ковшей и установкой дополнительных режущих кромок или рыхлителей (Кр снижается на 8—15%). Затупление зубьев ведет к росту К_F на 10—30%. Максимальное значение К_F соответствует углу копания в профиле забоя 30--50°. Скорость копания в пределах до 2.5—4 м/с практически не влияет на величину К_F.

Влияние схемы копания на величину К_F зависит от структуры массива. При полусвободном и свободном копании удельное сопротивление ниже, чем при блокированном копании соответственно на 10—40 и 30---70%. Максимальная разница характерна для пород с резко выраженной блочностью (слоистостью).

При увеличении до определенных пределов площади (толщины) стружки К_F уменьшается вследствие снижения степени дробления породы и удельного значения зоны уплотнения. Величина и предел уменьшения К_F при увеличении толщины стружки тем больше, чем выше прочность экскаваируемой породы ( рис. 13.8), и зависит от трещиноватости массива. Рациональным при выемке мехлопатами является отношение толщины и ширины стружки t : b = 0.1—0.33, а при выемке роторными экскаваторами t:b 1.

Каждая модель выемочной машины (например, мехлопаты с ковшами различной емкости) характеризуется расчетным (номинальным) усилием копания Рн , а следовательно, и номинальными размерами стружек при необходимом усилии копания Рн. При Рк>Рн (Fф = const) для превышения определенной величины К_F (следовательно, и определенной прочности пород) необходимо уменьшать площадь (толщину) срезаемой стружки. Для маломощных выемочных машин, у которых малы Рн и расчетная толщина стружки, уменьшение последней не позволяет наполнять ковш на пути черпания. Это сужает диапазон пород, которые можно экскавировать из массива маломощными машинами. С увеличением мощности выемочных машин уменьшается влияние сопротивление пород экскавации на техническую возможность выемки и производительность оборудования.

Снижение требуемого усилия копания, помимо уменьшения толщины стружек, достигается:

- применением свободной схемы копания, особенно при выемке скальных включений, для чего создаются дополнительные поверхности их обнажения;

- использованием силы тяжести породы в верхней части забоя для ее самообрушения или образования зоны предразрушения (пластических деформаций);

- многократными резами экскавируемого органа в пределах одной стружки, что увеличивает структурное ослабление близлежащего участка массива;

- уменьшением длины стружек, то при выемке машинами цикличного действия достигается выводом экскавируемого органа из забоя, а у машин непрерывного действия – увеличением числа режущих органов с уменьшением расстояния между ними.

Таким образом, на эффективность выемки влияют как физико-технические характеристики горных пород, так и тип применяемой выемочной машины, а также технологиеские параметры забоя. Тип выемочной машины, ее модель и параметры забоя должны соответствовать физико-техническим характеристикам разрабатываемой породы, прежде всего ее экскавируемости, определяемой сопротивлением копанию. Вместе с тем экскавируемость породы, как показано выше зависит от механизации и технологии выемки.

В качестве физико-технической основы сопоставления пород по экскавируемости, зависящей только от свойств и состояния пород, может использоваться относительный показатель трудности экскавации породы Пр.

Для мягких, плотных и полускальных пород (выемка из массива) этот показатель определяется по эмпирической формуле

Пэ.м = К₁ (0.2Gсж + Gсдв + Gраст) + К₂ g, (13.2) где Gсж, Gсдв, Gраст принимаются в МПа ; - в кг/ м³; g – в м/с² ; К₁ и К₂ – эмпирические коэффициенты.

По величине Пэ.м горные породы, экскавация которых из массива возможна существующими и перспективными выемочными машинами, разделяют на пять классов (табл. 13.1). Породы у которых П`э.м>25, относятся к внекатегорийным.

Таблица 13.1. Классификация пород в массиве по экскавируемости

Классы

Горные породы

Сопротивление пород сжатию Gcж, МПа

Пэ.м

І     ІІ     ІІІ   ІV   V

Сплошные песчаные и неуплотненные мягкие Плотные: средней трещиноватости сильнотрещиноватые Плотные: сплошные (практически монолитные) средней трещиноватости Полускальнве породы чрезвычайно трещиноватые Плотные сплошные Полускальные: сильнотрещиноватые чрезвычайно трещиноватые Полускальные: средне трещиноватости сильнотрещиноватые чрезвычайно трещиноватые Полускальные: малотрещиноватые средней трещиноватости сильнотрещиноватые

Менее 1.5 –5   5 –10 8 –12   5 – 12 10 –18 20 – 30   12 – 18   20 – 30 30 -- 40   20 – 30 30 – 40 40 – 50   20 –30 30 – 40 40 -- 50   1 – 5     От 6 до 10     От 11 до 15     От 16 до 20   От 21 до25

Примечания: 1 Каждый класс включает и мерзлые породы предыдущих классов при равной глубине промерзания.

2. Нижние и верхние пределы Gсж соответствуют минимальным и максимальным Gсж : Gсдв и G сж : Gраст.

Расчетная величина П`э.м, учитывающая конкретный вид и типоразмер применяемой выемочной машины (а следовательно, и параметры черпания), определяется на основе Пэ.м:

П`э.м = КвКтрПэ.м, где Кв и Ктр - эмпирические коэффициенты, учитывающие соответственно конкретный вид выемочного оборудования ( таблица 13.2) и его типоразмер.

Таблица 13.2 Среднее значение коэффициента Кв