Механическое рыхление горных пород

Механическое рыхление — послойное отделение породы от массива и разделение ее на куски при помощи механических рыхлителей. Размеры кусков породы, отделенных от массива, должны обеспечивать высокую производительность выемочно-погрузочного и транспортного оборудования при разработке пластов различной мощности.

Применяемые рыхлители по способу крепления рабочего органа разделяются на навесные и прицепные. Основным преимуществом навесных рыхлителей по сравнению с прицепными является возможность использования массы тягача для заглубления рабочего органа рыхлителя. Прицепные рыхлители осуществляют рыхление на глубину не более 0,5 м, а навесные — на глубину до 2 м.

Техническая характеристика рыхлителей приведена в табл. 3.4, а бульдозерно-рыхлительных агрегатов (тракторы, комплектно поставляемые с навесным оборудованием бульдозеров и рыхлителей)— в табл. 3.5.

Конструктивная схема навесного рыхлителя показана на рис. 3.6.

Основными параметрами, характеризующими рабочий угол рыхлителя, являются угол резания у, угол заострения w, задний угол ф, толщина и длина зуба и расстояние между зубьями (рис. 3.7).

Угол резания оказывает существенное влияние на силу резания. Увеличение угла резания (рыхления) с 40 до 60° повышает лобовое сопротивление режущему органу (зубу) в 2 раза. Чрезмерное уменьшение угла резания (до 30° и менее) может сопровождаться увеличением сопротивления породы рыхлению (особенно при резании вдоль напластования). Рациональные значения угла рыхления при разработке скальных, полускальных и мерзлых пород находятся в пределах 30—45° При разработке глин с включением валунов угол рыхления несколько увеличивается.

Угол заострения наконечников находится в пределах 20—30°. Во всех случаях угол заострения должен быть таким, чтобы при любом заглублении зубьев задний угол ф был не менее 5° при рыхлении полускальных и скальных пород. При меньшем значении заднего угла ф происходит смятие породы задней гранью наконечника, в результате чего возрастает сопротивление породы рыхлению и повышается износ наконечника.

Толщина стоек рыхлителя должна быть минимальной при достаточной прочности. У рыхлителей она составляет 60—100 мм.

Длина стоек должна быть на 250—300 мм больше максимального заглубления зуба рыхлителя, что обеспечивает беспрепятственный проход рамы рыхлителя над разрыхленной породой.

Вынос стоек относительно гусениц тягача Lс = (1,5-2)hэ, где hэ — максимальное заглубление зуба рыхлителя.

Механическое рыхление пород осуществляется при движении тягача с заглубленным зубом. При создании значительных усилий на режущей кромке зуба происходит отрыв кусков породы от массива и разрушение породы в пределах трапециевидной прорези (рис. 3.8). Разрушение породы происходит в результате развития в ней сложного напряженного состояния. В разных частях прорези разрушение идет разными путями. Порода разрушается преимущественно путем сжатия и сдвига перед лобовой гранью зуба, отрыва и сдвига — в боковых расширениях прорези и среза — у боковых ребер зуба возле режущей кромки. Кроме того, затупленной режущей кромкой или изношенным наконечником осуществляется смятие породы.

Удельное сопротивление породы разрушению при рыхлении К' изменяется в зависимости от свойств породы и формы наконечника Его значение близко к пределу сопротивления пород растяжению, т.е К' = (1,3 - 1.5)ор, что свидетельствует о том, что данный способ разрушения наименее энергоемкий

При рыхлении монолитного массива в нижней его части образуется щель (рис. 3.9), ширина которой соответствует ширине применяемого наконечника, а глубина составляет 15—20 % от заглубления зуба. Угол наклона боковых стенок борозды а изменяется в зависимости от состояния рыхлимого массива в пределах 30 — 80°. При рыхлении сложнотрещиноватого массива (см. рис. 3.9) разрушение происходит по плоскостям ослабления его трещинами. Внедрение зуба в массив при этом сопровождается интенсивным разрушением стенок по всей глубине борозды.

Рыхление массива производится параллельными смежными проходами рыхлителя. Расстояние между двумя смежными проходами Ссп выбирается из условия обеспечения требуемой кусковатости и глубины рыхления массива. При параллельных проходах рыхлителя между двумя смежными бороздами в нижней части последних образуются целики, которые затрудняют выемку породы на полную глубину внедрения (см. рис. 3.9). Поэтому глубина эффективного рыхления массива hэ меньше заглубления зуба hэ. Разрушение целиков может производиться перекрестными проходами рыхлителя, перпендикулярными (диагональными) к первоначальным (параллельным смежным) проходам.

Расстояние между перекрестными проходами равно, м:

Перекрестные проходы в ряде случаев позволяют добиться лучшей кусковатости горной массы.

Область применения и эффективность механического рыхления определяются степенью рыхлимости массива Быстрое и сравнительно недорогостоящее получение необходимой информации о свойствах разрабатываемого массива дают сейсмоакустические методы исследований, основанные на изучении характера распространения упругих колебаний в массиве. Установлено, что скорость распространения упругих волн достаточно полно коррелируется с прочностью и трещиноватостью массива и может служить в качестве обобщенного показателя, учитывающего изменение этих факторов. С увеличением прочности породы скорость распространения упругих волн увеличивается, а с увеличением трещиноватости — уменьшается.

Скорость распространения сейсмических волн, полученная при измерениях на базе 5—30 м в нарушенном массиве, определяется не столько составом и свойствами пород, сколько условиями их залегания (трещиноватостью, слоистостью и др.). Чтобы исключить влияние собственно свойств слагающих массив пород на скорость распространения сейсмических волн, целесообразно пользоваться отношением скоростей однотипных волн (например, продольных), полученных при измерениях на больших базах (5—50 м) и на базах порядка нескольких сантиметров в монолитных участках этого же массива. В первом случае измерения удобно производить методами высокочастотной сейсмики, а во втором — ультразвуковыми методами. Если полученные скорости обозначим соответственно Vс = Vy, то отношение этих скоростей будет акустическим показателем трещиноватости, т.е. R = Vc/Vy. Показателем, учитывающим в основном прочностные характеристики рыхлимых пород, может служить Vy. Оценка массива по двум показателям R и Vу наиболее полно учитывает взаимосвязи между рыхлимостью и физико-техническими характеристиками массива. Классификация пород по степени рыхлимости приведена в табл. 3.6.