Направленный разрыв природного камня ударным воздействием через пластичное вещество в шпуре

Актуальность темы

В последние годы в России интенсивно развивается промышленность природного камня, что связано с возрастающей потребностью использования его в строительстве и архитектуре. Основные затраты в камнепроизводстве ложатся на добычные работы. В настоящее время природный камень добывают в основном буровзрывным, камнерезным и буроклиновым способами. Этим технологиям в разной степени свойственны известные недостатки — значительные потери и повреждения камня, высокая себестоимость продукции, большая трудоемкость работ. В последние годы в практику внедряется, разработанный коллективом ученых ИГД СО РАН под руководством д.т.н. Чернова О. И. — метод добычи блоков с использованием ориентированного гидроразрыва, однако его применение затруднительно в трещиноватых породах. Попадая в случайные трещины, жидкость легко меняет направление разрыва, образуя неровные поверхности. В этом отношении перспективным является создание магистральных трещин в породе путем ударного внедрения инструмента в шпур, заполненный пластичным веществом. Благодаря высокой вязкости пластичное вещество игнорирует случайные трещины и распространяется по магистральной, обеспечивая качественный разрыв камня.

Первые предложения по разрушению твердых пород ударным воздействием через пластичное вещество в шпуре сделаны в ИГД СО РАН д.т.н. Кю Н. Г. Различные варианты этого способа защищены патентами, однако, широкого практического признания данное направление пока не получило. В известной мере это обусловлено недостаточной изученностью особенностей ударного воздействия на породу через столб пластичного вещества, а также отсутствием специализированных устройств для промышленного использования метода. Поэтому задача его развития и совершенствования весьма актуальна.

Цель диссертационной работы состоит в обосновании и разработке технических средств, обеспечивающих применение метода направленного разрыва природного камня ударным воздействием через пластичное вещество в шпуре.

Основная идея работы заключается в осуществлении направленного разрыва породы ударным воздействием через пластичное вещество клиновидным инструментом без применения дополнительных средств для образования концентраторов напряжений.

Задачи исследования:

1. Экспериментально определить особенности передачи энергии удара инструмента на стенки шпура через пластичное вещество и разработать расчетную схему оценки энергии удара, необходимой для образования трещины в породах камня.

2. На основе экспериментов выявить основные факторы, определяющие направленность разрыва.

3. Обосновать тип ударной машины для воздействия на рабочий инструмент, исследовать особенности работы ее базовых узлов, на основе моделирования динамики ее привода сформулировать последовательность инженерного расчета.

4. Испытать опытный образец ударного устройства в лабораторных условиях и провести полевые испытания нового метода направленного разрыва на крупногабаритном гранитном блоке.

Методы исследований. Стендовые эксперименты на физических моделях и образцах, математическое моделирование динамики ударного устройства, обработка и анализ результатов, лабораторные испытания и полевые эксперименты.

Основные научные положения:

1. Ударный импульс давления в каждом поперечном сечении столба пластичного вещества уменьшается по мере удаления сечения от передней кромки инструмента по экспоненциальному закону. Энергия удара, необходимая для образования трещины в породе, при воздействии инструментом через пластичное вещество в шпуре, пропорциональна площади поперечного сечения шпура, квадрату предела прочности на растяжение породы и возрастает с увеличением длины шпура, экспоненциально приближаясь к предельному значению.

2. Ударное воздействие клинового рабочего инструмента на стенки шпура через пластичное вещество обеспечивает направленный разрыв породы, ориентированный по передней кромке клина, причем направленность разрыва ухудшается с уменьшением угла заострения клина ниже 40° и с понижением вязкости пластичного вещества. С увеличением угла заострения клина требуемая для образования трещины энергия удара снижается.

3. В базовом узле пневмомолота с кольцевой мембраной без жесткого центра, работающей с наибольшим суммарным прогибом, увеличение отношения радиуса ограничительной поверхности ударника к радиусу защемления мембраны вызывает уменьшение кинетической энергии, сообщаемой ударнику. Для обеспечения экономичного рабочего цикла мембранного пневмомолота при конструктивно предпочтительных соотношениях между массами и рабочими площадями ударника и золотника (соответственно 87,5 и 2,8) необходимо, чтобы значение безразмерного комплексного параметра /?, отражающего соотношение между массой, рабочей площадью, ходом ударника и рабочим давлением энергоносителя, находилось в пределах 408−412.

Достоверность научных положений подтверждена сопоставлением теоретических и экспериментальных исследований на физических моделях, натурных образцах и в реальных условиях.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Установлена закономерность распределения давления по длине столба пластичного вещества, при ударном нагружении и раскрыта взаимосвязь между значением энергии удара, при котором начинается образование трещины в массиве природного камня, размерами шпура, свойствами породы и пластичного вещества.

2. Экспериментально доказано, что ударное воздействие клинового инструмента через пластичное вещество в шпуре обеспечивает направленный разрыв камня вдоль передней кромки клина. Установлено влияние угла клина и вязкости пластичного вещества на качество разрыва.

3. Получены расчетные зависимости для определения эффективной площади кольцевой мембраны без жесткого центра, являющейся основным элементом пневмопривода молота гравитационного типа. Исследована динамика и определены соотношения конструктивных параметров устройства, обеспечивающие рациональный режим его работы.

Личный вклад автора заключается в постановке и проведении экспериментов по исследованию процесса направленного разрыва горной породы через столб пластачного веществав обработке и интерпретации экспериментальных данныхв разработке конструкции мембранного пневмомолота и технических решений устройств для образования направленных трещин в шпурах породы.

Практическая ценность. Полученные результаты составляют основу для разработки технологического процесса создания направленных трещин в массиве природного камня для отделения монолитов и их пассировки.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы приняты ИГД СО РАН для изготовления технических средств и дальнейшей реализации направленного разрыва природного камня на карьерах.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлялись на 3-й международной научно-практической конференции, ИГД СО РАН, Новосибирск, 2003; докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (МГГУ, Москва) в 2004, 2005 и 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, в том числе три патента на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Содержит 103 страницы машинописного текста, включая 53 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 81 наименования.

Выводы.

1. Экспериментальные исследования показали, что разработанная схема расчета мембранного узла обеспечивает приемлемые для практики результаты, расчетный ход ударника отличается от экспериментального не более чем на 10%.

2. Экспериментально установлено, что коэффициент передачи энергии ударника инструменту в исследованной ударной системе «ударник-боек-инструмент» составляет 38%.

3. Полевые испытания по ударному разрушению крупногабаритного гранитного блока подтвердили способность образования направленной трещины и, соответственно, направленного разрыва блока без нарезания концентраторов, исключительно за счет применения клинового инструмента, воздействующего на столб пластилина в шпуре.

4. До возникновения трещины заглубление инструмента Зинс в шпур за удар не превышает 1 мм, в процессе развития трещины внедрение инструмента увеличивается в зависимости от величины раскрытия трещины и находится в пределах 5и не =(2−50)мм.

5. С образованием раскрытой трещины {Зтр > 2мм) отскока наковальни от торца инструмента не наблюдается.

6. Расчетная (Аа =490 Дж) оценка нижней границы значения энергии единичного удара на инструменте, необходимой для создания начальной трещины в граните, соответствует экспериментальной =515 Дж).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны, заключающиеся в решении задачи создания направленного разрыва крепких горных пород, основанное на применении ударного воздействия на породу через пластичное вещество в шпуре.

Основные научные и практические результаты состоят в следующем:

1. Доказано, что при ударном воздействии на горную породу клиновым инструментом через пластичное вещество в шпуре расположение передней кромки клина определяет направление образования и развития трещины. Определены условия, обеспечивающие достижение этого эффекта.

2. Разработана расчетная схема ударного нагружения горной породы через пластичное вещество в шпуре, которая позволяет оценить энергию удара, необходимую для образования трещины.

3. Показано, что для ударного разрыва горных пород через пластичное вещество предпочтительна пневмоударная машина гравитационного типа с мембранным приводом. Разработан мембранный пневмомолот с энергией удара 1500 Дж, отличающийся простотой конструкции и отсутствием силы отдачи.

4. На основе результатов математического моделирования динамики пневмо-молота определены рациональные значения его конструктивных параметров. Предложен метод инженерного расчета машины. Испытан опытный образец мембранного узла.

5. Проведены полевые испытания по разрыву крупногабаритного гранитного блока. В испытаниях реализован направленный разрыв без использования дополнительных концентраторов напряжений. Испытания показали, что реальное значение энергии удара, обеспечивающей появление начальной трещины, хорошо согласуется с расчетным значением.

6. Получено три патента на пневмоударную машину и устройства для образования направленных трещин. Результаты работы приняты ИГД СО РАН для реализации направленного разрыва горных пород на карьерах.