Геомеханическое обоснование повышения производительности драглайнов с учетом межремонтных периодов в различных горно-технологических условиях

Антонов, Кирилл Викторович

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование повышения производительности драглайнов с учетом межремонтных периодов в различных горно-технологических условиях"

На правах рукописи

Антонов Кирилл Викторович

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДРАГЛАЙНОВ С УЧЕТОМ МЕЖРЕМОНТНЫХ ПЕРИОДОВ В РАЗЛИЧНЫХ ГОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальности: 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово- 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Паначев Иван Андреевич.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

старший научный сотрудник Кортелев Олег Борисович;

Ведущая организация - ОАО УК «Кузбассразрезуголь».

Защита состоится 5 мая 2006 г. в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».

Автореферат разослан марта 2006 г.

- доктор технических наук Сысоев Андрей Александрович.

Ученый секретарь диссертационного совета

а,оо€А

££04

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время на угольных разрезах Кузбасса получала широкое распространение разработка взорванной горной массы с использованием экскаваторов-драглайн. Шагающие экскаваторы составляют около 35% всего экскаваторного парка угледобывающих предприятий.

Эффективность такой разработки в существенной мере зависит от продолжительности межремонтных периодов. Продолжительность межремонтных периодов, в свою очередь, определяется объемом взорванной горной массы, в процессе разработки которого обеспечивается безаварийная эксплуатация экскаватора. На величину этого объема значительно влияет протекание процесса черпания взорванной горной массы ковшом экскаватора, в частности распределение размахов усилия черпания (под размахом понимается разность экстремальных значений какого-либо силового фактора в пределах одного нагрузочного цикла).

Дальнейшее повышение эффективности открытой разработки угольных месторождений с использованием шагающих экскаваторов требует определения рациональных межремонтных сроков с учетом фактических горно-технологических условий проведения открытых горных работ.

Кроме того, на сегодняшний день большей частью шагающих экскаваторов угольных предприятий Кузбасса исчерпан нормативный объем переработки горной массы за весь период эксплуатации. В то же время опыт ведения открытых горных работ свидетельствует о возможности их дальнейшего успешного использования. Вопрос определения объемов породы, после выработки которых применение таких экскаваторов становится действительно неэффективным, стоит весьма остро. Его решение требует учета фактических физико-технических параметров разрабатываемой горной массы и непосредственно связано с расчетом рациональной продолжительности межремонтных периодов.

Математическое описание процесса черпания взорванной горной массы драглайнами, направленное на получение распределений размахов усилий черпания и последующий расчет рациональной продолжительности межремонтных периодов, является сложной научно-технической задачей. Ее сложность обусловлена, в первую очередь, нестационарным характером рассматриваемого процесса, особенно при тяге. Кроме того, на этот процесс оказывает значительное влияние качество взрывной подготовки, связанное с условиями разработки пород.

Разработка соответствующих математических моделей, позволяющих описать процесс черпания, предполагает решение задач, связанных с исследованием поведения взорванной горной массы под нагрузкой с учетом специфики ее взаимодействия с ковшом драглайна и необходимостью вычисления размахов усилий черпания, а также выявлением характеристик

горных пород количественно определяющих это поведение и изучением влияния на них взрывного дробления.

Несмотря на весьма большой объем исследований черпания взорванной горной массы и смежных вопросов, отсутствуют решения указанных задач, пригодные к непосредственному использованию для определения рациональной продолжительности межремонтных периодов.

Работа выполнена в рамках хоздоговорных научно-исследовательских работ на тему «Экспериментально-теоретические основы оценки прочности и долговечности металлоконструкций шагающих -экскаваторов с учетом влияния условий угольных разрезов Кузбасса» и в соответствии с программой НОК-4.

Цель работы заключается в повышении производительности работы драглайнов путем определения рациональной продолжительности межремонтных периодов с учетом физико-технических характеристик взорванной горной массы.

Идея работы заключается в установлении количественной связи между физико-техническими характеристиками взорванной горной массы и параметрами циклического изменения усилий черпания ковшом драглайна.

Задачи исследований:

- изучить упругие и прочностные характеристики взорванных скальных и полускальных пород;

-установить зависимость размаха усилия черпания взорванной горной массы от ее физико-технических характеристик;

- оценить изменение производительности работы драглайнов с учетом влияния физико-технических характеристик взорванной горной массы на продолжительность межремонтных периодов.

Методы исследований:

- анализ и обобщение литературных источников;

-лабораторные статические испытания образцов горных пород на

осевое сжатие;

-физическое моделирование поведения взорванной горной массы;

-проверка расчетных распределений размахов усилий черпания в лабораторных условиях, а также в условиях угольных разрезов;

-натурные хрономегражные наблюдепия за развитием трещин в металлоконструкциях драглайнов;

- обработка данных методами математической статистики, численные расчеты на ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту:

- в результате взрывной подготовки к экскавации при степени дробления 1,5-4 упругие и прочностные характеристики скальных и полускальных пород в образце снижаются в 1,3-1,6 раза, соответственно;

- при взаимодействии ковша драглайна с куском породы размах усилия черпания линейно зависит от глубины упругого вдавливания куска во

взорванную горную массу, величина размаха составляет 50 - 600 кН в зависимости от гранулометрического состава и упругих характеристик взорванной породы;

-учет влияния физико-технических характеристик взорванной горной массы на продолжительность межремонтных периодов драглайнов при наличии трещин в зонах их металлоконструкций, нагружаемых в процессе черпания, обеспечивает повышение годовой эксплуатационной производительности в 1,2-1,35 раза.

Научная новизна работы заключается:

- в количественной оценке изменения упругих и прочностных характеристик взорванных скальных и полускальных пород;

- в определении размаха усилия черпания взорванной горной породы с учетом ее гранулометрического состава и упругих характеристик;

- в оценке изменения производительности работы драглайнов с учетом влияния физико-технических характеристик взорванной горной массы на продолжительность межремонтных периодов при наличии трещин в зонах их металлоконструкций, нагружаемых в процессе черпания.

Достоверность и обоснованность научных исследований базируется

на:

- использовании апробированных методов механики деформируемого твердого тела, в том числе сыпучего;

- экспериментальной проверке результатов в лабораторных и производственных условиях;

- использовании статистических методов обработки результатов эксперимента для проверки адекватности полученных математических моделей.

Личный вклад автора состоит:

- в получении уравнений регрессии, описывающих изменение упругих и прочностных характеристик взорванных скальных и полускальных пород;

- в установлении зависимостей, позволяющих количественно оценить размах усилия черпания взорванной горной массы по ее физико-техническим характеристикам;

- в определении влияния физико-технических характеристик взорванной горной массы на распределение размахов усилия черпания драглайнами.

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют:

- количественно оценить время работы драглайов до постановки их на текущий ремонт с учетом физико-технических характеристик взорванной горной массы;

- повысить производительность драглайнов при разработке взорванной горной массы путем определения рациональной продолжительности межремонтных периодов.

Результата работа реализованы в виде: рекомендаций по обоснованию качества взрывной подготовки горных пород и продлению межремонтных периодов работы экскаваторов и сроков эксплуатации, выданных филиалу «Ерунаковский угольный разрез» ОАО УК «Кузбассразрезуголь».

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и получили одобрение на Ш-ей Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Новосибирск, 2003г.), П-ой Международной научно-практической конференции «Геотехнология 2004: Современное состояние и перспективы развития горнодобывающих отраслей промышленности» (г. Рудный, Казахстан, 2004г.), международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: Новые подходы к развитию угольной промышленности. »(Кемерово, 2004г.), Х-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004» (Кемерово, 2004г.), China-Russia Simposium on Underground Engineering of City and Mine «New Progress of Civil Engineering and Architecture (Qingdao, China, 2004)».

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 13 научных статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 140 страниц машинописного текста, содержит 9 таблиц, 29 рисунков, список использованной литературы из 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору и анализу существующих моделей сыпучей среды и взаимодействия взорванной горной массы с рабочими органами землеройно-транспортных машин. Кроме того, глава содержит обзорное рассмотрение характеристик скальных и полускальных пород, требующих наибольшего внимания при определении рациональной продолжительности межремонтных периодов.

Изучению процесса изменения усилия черпания взорванной горной массы ковшами посвящены многочисленные исследования, в частности выполненные такими учеными как Н.Г. Домбровский, Д.П. Волков, А Н. Зеленин, Р.Ю. Подэрни, Ю.И. Беляков, В.И. Баловнев, Я.Б. Кальницкий, Н.В. Тихонов, В.Р. Кубачек, В.И. Сайтов, С.С. Музгин, О.Б. Кортелев и др Однако эти исследования были направлены, в первую очередь, на определение средних либо максимальных характеристик рассматриваемого процесса. Кроме того, в ходе выполненных исследований в недостаточной мере учтено влияние качества взрывной подготовки на черпание взорванной

горной массы. Эти обстоятельства не позволяют получать распределения размахов усилия черпания, отражающие нестационарный дискретный характер рассматриваемого процесса. Определение рациональной продолжительности межремонтных периодов с использованием существующих моделей является весьма приближенным.

Изучение проблемы математического моделирования поведения сыпучих тел под нагрузкой в настоящее время развивается в двух основных направлениях. Первое - описание среды как однородной, базирующееся, главным образом, на решениях теории упругости, Второе - описание среды как зернистой, при котором используется аппарат теории вероятности и математической статистики Значительным вкладом в развитие первого направления являются труды таких ученых как ШКулон, Ж. Буссинеск, Э. Винклер, К. Терцаги, А. Кезди, Н.ППузыревский, Н.М Герсеванов, В.Г. Березанцев, М.Н. Гольдпггейн, В.А.Флорин, В.В. Соколовский, H.A. Цыто-вич и др. Применение ко взорванной горной массе существующих моделей сыпучей среды, описывающих ее как однородную, представляется излишне упрощенным подходом. Причина этого заключается в ярко выраженном неоднородном и дискретном характере ее структуры.

Наиболее видными представителями второго направления являются Г. Дерисевич, И.И. Кандауров, В.А. Дидух и др.

Решение вопроса о правомерности использования какой-либо модели сыпучей среды применительно к процессу взаимодействия ковша драглайна со взорванной горной массой требует дополнительных исследований.

Согласно выполненным ранее исследованиям наибольшее влияние на поведение взорванной горной массы в процессе ее нагружения, в частности посредством ковша драглайна оказывают такие ее характеристики, как параметры гранулометрического состава до и после взрывной подготовки, коэффициент разрыхления, прочностные и упругие характеристики.

Важнейшей технологической характеристикой породного массива, определяющей его гранулометрический состав и оказывающей значительное влияние на качество взрывного дробления пород, является блочность массива. Она обуславливается интенсивностью его трещиноватости. Основным параметром, характеризующим гранулометрический состав взорванной породы, является средний диаметр куска в развале. Изучению гранулометрии геоматериалов посвящена научная деятельность таких ученых как Л.И. Барон, М.А. Садовский, В В Белоусов, А В Королев, Б.Н. Кутузов и др.

Обширные исследования блочности породных массивов и гранулометрического состава взорванных пород на угольных разрезах Кузнецкого бассейна выполнены A.B. Бирюковым, И.А. Паначевым, Н.Я. Репиным, A.C. Таппсиновым, Ю.А Рыжковым, Ю.В.Лесиным, А.А.Сысоевым

В сфере исследования прочностных и упругих характеристик горных пород накоплен значительный объем экспериментального и теоретическо-

го материала. Этому посвящены труды таких ученых, как Л.И. Барон, ММ. Протодьяконов, В В Ржевский, Г.Я. Новик, Е С. Ватолин, МП. Мохначев, А.К. Матвеев, М.И. Койфман, Ю.М. Карташов и др.

Значительный вклад в изучение физико-механических характеристик горных пород Кузбасса, в том числе прочностных и упругих, внесен Ю.А. Рыжковым, Г.Г. Штумпфом, В.А. Шаламановым, В.В. Першиным, П.В. Егоровым, В.А. Гоголиным.

Однако, несмотря на многочисленные исследования по изучению прочностных и упругих характеристик горных пород в настоящее время отсутствуют в достаточной мере сведения, необходимые для решения рассматриваемых задач. В частности, остается открытым вопрос о влиянии взрывной подготовки пород на эти характеристики.

Во второй главе рассматриваются исследования, касающиеся влияния взрывной подготовки на прочностные и упругие характеристики скальных и полускальных пород и исследования по установлению закономерностей поведения взорванной горной массы под нагрузкой.

С целью исследования влияния взрыва на прочностные и упругие характеристики пород испытаниям были подвергнуты образцы пород угольных разрезов, изготовленных из кернов, выбуренных из кусков взорванной породы и массива.

Испытания проводились на вертикальной универсальной машине первого класса с гидравлическим приводом и гидравлическим силоизмери-телем (типа ЦИМ-50М). Поперечные и продольные деформации при испытаниях образцов измерялись одновременно. Поперечные деформации определялись с помощью четырех индикаторов часового типа с пеной деления 0,0001мм.

В результате проведенных экспериментов были получены значения характеристик пород в образце: предела прочности на сжатие до взрывной подготовки по, предела прочности на сжатие после взрывной подготовки о, модуля продольной упругости до взрывной подготовки Ео, модуля продольной упругости после взрывной подготовки Е, коэффициента Пуассона до взрывной подготовки цо, коэффициента Пуассона после взрывной подготовки д.

С использованием критерия Вилкоксона установлено, что для всех исследованных пород различия значений пределов прочности на сжатие и модулей продольной упругости значимы, коэффициентов Пуассона - незначимы.

На рис 1 приведены зависимости отношений прочностных и упругих характеристик пород до и после взрывной подготовки от степени дробления (обозначения на рис. 1: с1е - средний диаметр естественной отдельности породы в массиве; (¡¡у - средний диаметр куска в развале).

а)

б)

а

Ео

Е

1 6 1.5 1.4 1.3 1.2

о

>

у

<

1.5

2.5 3 3.5 4 (1,

1.6

1.5

1.4

<<е 1.3

(1 1.2

пер

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 а.

СР

Рис. 1. Зависимости отношений характеристик горных пород до и после взрывной подготовки от степени дробления: а) для предела прочности на сжатие; б) для модуля упругости.

Уравнения регрессии, описывающие изменение предела прочности на сжатие и модуля упругости в рассмотренном диапазоне степени дробления, имеют вид, соответственно .

- 0,12 ■ <1,

а **

а

0 = 0,06 *

Е \1 чр

+ 1,17;

(1)

Доверительные интервалы со статистической надежностью 0,95 для коэффициентов 0,12; 1,17; 0,06; 1,23 в уравнениях (1) составляют, соответственно, (0,117; 0,123), (1,14; 1,2), (0,058; 0,062), (1,2; 1,26). Коэффициенты корреляции для зависимостей, описывающих изменение предела прочности и модуля упругости равны, соответственно, 0,85 и 0,83.

С целью определения величины максимально возможной нагрузки, прикладываемой к штампу, вдавливаемому во взорванную горную массу, проведены лабораторные эксперименты, направленные на моделирование поведения взорванной горной массы с учетом специфики ее взаимодействия с ковшом драглайна. Численное значение этой нагрузки непосредственно влияет на величину размахов усилия черпания.

Исследования выполненные в этой части работы связаны, главным образом, с динамическим вдавливанием штампов в зернистую сыпучую среду. С этой целью применялся маятниковый копер КМ-30 для испытаний на ударную вязкость металлов и сплавов. Для моделирования взорванной горной массы служили куски мелких фракций горных пород, отобранные из развалов на угольных разрезах В ходе эксперимента отслеживались

величины: сила отпора со стороны сыпучей среды и деформация сыпучего тела под подошвой штампа, то есть перемещения штампа вглубь сыпучего материала. Соответствующие измерения осуществлялись с помощью осциллографа Н-117, тензоусилителя ТОПАЗ-4 и тензорезиторов. В результате обработки экспериментальных данных получена зависимость между двумя измеряемыми величинами (рис. 2).

а) б)

Р Р

Рис. 2. Зависимость силы отпора, действующей на штамп, со стороны сыпучей среды, от ее деформаций: а) фактическая; б) аппроксимирующая.

Наибольший интерес представляет упругая стадия. Поведение сыпучего тела в пределах упругих деформаций удовлетворительно описывается гипотезой Винклера, то есть равнодействующая сила отпора, действующая на штамп, прямо пропорциональна перемещению штампа (деформации сыпучего тела):

р = Са-А-Р, (2)

где р - равнодействующая сила отпора, действующая на штамп; Са - коэффициент упругого сжатия при динамическом вдавливании; А - перемещение штампа; ^ площадь штампа

Установлено, что наибольшее значение равнодействующей силы отпора Реьмлх определяется величиной максимальной упругой деформации Ьешах под подошвой штампа, которая составляет 0,01-0,04 размера штампа в зависимости от отношения его максимального размера к среднему диаметру куска.

В результате обработки экспериментальных данных получена зависимость коэффициента пропорциональности кд между размером штампа и деформацией сыпучей среды от отношения размера штампа с1 к среднему диаметру куска с1ср (рис. 3).

и

5 «Ц,

Рис. 3. Зависимость коэффициента кд от отношения размера штампа к среднему диаметру куска.

Выражение для определения максимальной упругой деформации зернистого сыпучего тела имеет вид

где

Лешах = ^

, 0,0045 <1 ,

кл - -—-^г,— > I;

(3)

Ч^Р )

кл = 0,0045,— < /.

Лср

(4)

Для коэффициентов 0,6 и 0,0045 зависимости (4) доверительные интервалы при статистической надежности 0,95 составляют, соответственно, (0,58; 0,62) и (0,0044; 0,0046).

Основной характеристикой сыпучей среды при использовании гипотезы Винклера является коэффициент упругого сжатия, то есть коэффициент пропорциональности, связывающий деформации сыпучего тела под штампом (перемещение штампа вглубь сыпучего тела) и силу отпора.

Установлено, что коэффициент упругого сжатия С</ взорванной горной массы может определяться по известной формуле теории упругости при введении в нее дополнительного множителя кс, зависящего от коэффициента разрыхления

С Е

(5)

где Е, ц - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала частиц, слагающих сыпучее тело; со - коэффициент, учитывающий соотношение размеров штампа.

В результате обработки данных экспериментов по динамическому вдавливанию штампов в сыпучую среду получена зависимость, позволяющая определить значение коэффициента кс при заданном разрыхлении (рис. 4).

к „ • 103

1 N ! 1

Ж Ч

N

| |

КрО

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3

Рис. 4. Зависимость коэффициента кс от критического коэффициента разрыхления сыпучей среды.

Эта зависимость описывается уравнением

кс=-0,01-Крй+0,018, (6)

где Кр_о - критический коэффициент разрыхления сыпучей среды.

Доверительные интервалы для коэффициентов -0,01 и 0,018 в уравнении (6) со статистической надежностью 0,95 составляют, соответственно, (-0,0103; -0,0097) и (0,017; 0,019). Коэффициент корреляции для этого уравнения равен 0,92.

Упругая стадия деформирования сыпучей среды протекает при ее критическом коэффициенте разрыхления. Под критическим коэффициентом разрыхления в работе понимается его значение, соответствующее критической плотности сыпучей среды. Им определяется величина коэффициента кс.

С целью выявления зависимости критического коэффициента разрыхления сыпучей среды от гранулометрического состава проводился эксперимент по уплотнению сыпучего материала в стальном коробе путем вибрирования с пригрузкой.

Получена зависимость критического коэффициента разрыхления от отношения максимального и среднего диаметров кусков сыпучего материала ¿4(рис.5).

КрО

1.3

1.2 1.1 1

Г

V * о < > Л

4тах

1 1.5 2 2.5 3 <1,

Ч>

Рис. 5. Зависимость критического коэффициента разрыхления сыпучей среды от отношения диаметров максимального и среднего кусков.

Зависимость, приведенная на рис. 5, аппроксимируется формулой

Кр.0 - у

0,24

+ 1,03

V ^<>р J

(?)

где 4«к - максимальный диаметр куска сыпучей среды.

Для коэффициентов 0,24; 8 и 1,03 зависимости (7) доверительные интервалы при статистической надежности 0,95 составляют, соответственно, (0,23; 0,25), (7,6; 8,4) и (0,98; 1,08).

Моделирование поведения взорванной горной массы осуществлялось в соответствии с теорией размерностей и подобия. Количественными характеристиками, требующими оценки изменения своих значений при переходе от модели к натуре, являлись коэффициенты кд, кс. Этот переход осуществляется на основании равенства безразмерных комплексов, составленных из параметров, входящих в соответствующие зависимости. Такими безразмерными комплексами являются сами уравнения для вычисления коэффициентов. Это позволяет непосредственно использовать полученные зависимости при рассмотрении взаимодействия ковша со взорванной горной массой. Таким образом, масштабный коэффициент при переходе от модели к нагуре равен 1.

Зависимости (1) - (7) были подвергнуты статистической проверке. Установлено, что для всех регрессионных моделей остаточная дисперсия меньше дисперсии случайности. Это указывает на адекватность моделей.

Согласно расчетам, выполненным на основании полученных зависимостей, максимально возможная нагрузка, прикладываемая к штампу, вдавливаемому во взорванную горную массу, составляет 50-600 кН в за-

висим ости от гранулометрического состава и упругих характеристик взорванной породы.

Третья глава посвящена математическому описанию черпания взорванной горной массы ковшом драглайна в процессе тяги.

Из числа нагрузок действующих на ковш драглайна в процессе тяги можно выделить те, которые отличаются наибольшим непостоянством, а следовательно оказывают наибольшее влияние на изменение усилия черпания и распределение размахов этого усилия. Именно такие нагрузки учитывались в ходе выполнения работы. В число этих нагрузок входят: усилие сопротивления взорванной горной массы внедрению в нее режущей кромки ковша и усилие, обусловленное наличием призмы волочения (рис.6\

Рис. 6. Нагрузки, действующие на ковш при его движении под действием

усилий в тяговых канатах, учитываемые в ходе выполнения работы: N1 - усилие в тяговом канате; Р01 - горизонтальная составляющая усилия сопротивления внедрению режущей кромки в развал; Тов. - усилие сопротивления движению ковша, обусловленное наличием призмы волочения.

В результате анализа черпания взорванной горной массы ковшом драглайна с позиций механики сыпучей среды в ходе выполнения представленной работы сформулирована общая концепция этого взаимодействия, применимая при рассмотрении обоих наиболее значимых силовых факторов. Ее суть состоит в следующем: процесс взаимодействия ковша драглайна со взорванной горной массой при отношении диаметра среднего куска породы в развале к ширине ковша равном 0,1-0,9 представляет собой последовательность вдавливания жестких штампов в сыпучую среду.

В качестве штампов рассматриваются куски взорванной горной массы различных фракций. Число (частота) соударений ковша с кусками каждой фракции равно числу кусков, принадлежащих ей. Оно вычисляется на

основании статистических моделей гранулометрии геоматериалов, в частности формул, полученных коллективом авторов в составе: А.В Бирюкова, И.А. Паначева, Н.Я. Peinraa, A.C. Ташкинова.

F(x)^x*(3-2x), (8)

п(x0)=v[l-4-(3-2x0)\, (9)

где F(x) - функция гранулометрического состава от размера куска; х - размер куска; V - переработанный объем горной массы; хо - заданный размер фракции; п(х0) число кусков фракции +хо в переработанном объеме.

Размах усилия черпания при взаимодействии ковша с куском зависит от величины максимально возможной нагрузки, прикладываемой к штампу, вдавливаемому во взорванную горную массу.

С использованием сформулированной общей концепцией и полученных зависимостей разработан алгоритм расчета рациональной продолжительности межремонтного периода драглайна при экскавации взорванной горной массы. При этом рациональная продолжительность межремонтного периода выражается в циклах черпания. Схема алгоритма представлена на рис.7

Рис. 7. Алгоритм расчета рациональной продолжительности межремонтного периода драглайна при разработке взорванной горной

массы.

По заданным физико-техническим характеристикам взорванной горной массы алгоритм позволяет, применяя математический аппарат механики разрушения, вычислять сроки, до истечения которых трещины в металлоконструкциях драглайнов не достигают критических размеров а^ (критическим размером трещины в механике разрушения называется ее размер, достижении которого приводит к разрушению). Эти сроки определяют продолжительность безаварийной эксплуатации металлоконструкций экскаваторов.

Четвертая глава посвящена анализу результатов, полученных с использованием разработанного комплекса математических моделей для различных условий.

Расчеты, выполненные с использованием этих моделей, в том числе связанные с получением распределений размахов усилия черпания, были экспериментально проверены. Эксперименты проводились в лабораторных условиях с использованием изготовленного в ходе выполнения работы стенда, имитирующего систему «развал - ковш» и в условиях угольных разрезов. Сопоставление результатов, полученных расчетным путем, с экспериментальными данными осуществлялось с использованием критериев Лорда и Пиллаи, в результате чего доказано соответствие результатов расчетов экспериментальным данным.

Па основании результатов выполненных расчетов установлено, что при разработке взорванной горной массы драглайнами распределение раз-махов усилия черпания аппроксимируется экспоненциальным законом. Причем плотность относительной частоты размаха составляет 0,2-5 Б"1.

Получены значения пофракционного прироста трещин в металлоконструкциях драглайнов, то есть доли прироста трещин, происходящего в результате взаимодействия ковша с кусками заданной фракции Да^ в общем приросте трещин Да (рис. 8).

а) б)

0 0.5

Рис. 8. Куммулятивная кривая пофракционного прироста трещин в металлоконструкциях драглайнов: а) при хо/сЦр«' 4; б) при х0/с!Ср< 0,25.

Эти значения необходимы для обеспечения достаточной точности расчетов рациональной продолжительности межремонтного периода для экскаваторов.

Из рис. 8 видно, что прирост трещин, вызванный взаимодействием ковша с фракцией кусков с диаметром менее 0,184,,, не превышает 5% от общего прироста трещин. Куски этой фракции могут не учитываться в расчетах.

Для экскаваторов ЭШ 10/70 и ЭШ 15/90 расчетным путем установлены зависимости рациональной продолжительности межремонтных периодов от гранулометрического состава при наличии трещины в опоре блока наводки тягового каната (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость допускаемого числа циклов черпания от среднего диаметра куска породы в развале для экскаватора ЭШ 10/70 при начальной длине трещины аов опоре блока наводки тягового каната: 1 - 0,005м; 2 - 0,035м; 3 - 0,075м; 4 - 0,01м; 5 - 0,03м; 6 - 0,05м.

Представленные зависимости согласуются с экспериментальными данными, полученными в ходе хрономегражных наблюдений, проведенных на угольных разрезах Кузбасса.

Сокращение времени ремонтных простоев, достигнутое благодаря использованию результатов, полученных с помощью созданного комплекса моделей, позволяет повысить годовую эксплуатационную производительность драглайнов в 1,2 - 1,35 раза.

Разработанный в ходе выполнения работы комплекс математических моделей является неотъемлемой частью общей системы оценки влияния параметров взорванной горной массы на эффективность ее разработки драглайнами", созданной на кафедре сопротивления материалов ГУ «Кузбасский государственный технический университет».

Полученные результаты внедрены на разрезе «Ерунаковский» УК ОАО «Кузбассразрезуголь».

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов, полу-ченпых с использованием разработанных моделей, составил 239 - 3301 тыс. руб. в год в зависимости от себестоимости 1т угля. Фактический экономический эффект от внедрения рекомендаций, выданных филиалу «Еру-наковский угольный разрез» ОАО УК «Кузбассразрезуголь», составил 350 тыс. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена задача по установлению количественных связей между С1епенью дробления, физико-техническими характеристиками взорванных, горных пород и параметрами циклического изменения усилия черпания, а также изложены технические решения, заключающиеся определении продолжительности межремонтных периодов для драглайнов на основании этих связей, вносящие существенный вклад в повышение эффективности открытой разработки угольных месторождений.

Основные научные результаты и выводы сводятся к следующему.

1. Получены зависимости изменения в результате взрывной подготовки предела прочности при сжатии и модуля упругости скальных и полускальных пород в образце от степени дробления.

2. В процессе тяги определяющее влияние на изменение усилия черпания взорванной горной массы драглайна оказывают его составляющие: усилие сопротивления внедрению в развал режущей кромки ковша и усилие, обусловленное наличием призмы волочения. Черпание взорванной горной массы при описании каждой из этих составляющих может рассматриваться как последовательность динамического вдавливания жестких штампов в сыпучую среду. Причем в качестве штампов рассматриваются куски взорванной горной массы.

3. Возрастание равнодействующей силы отпора со стороны взорванной горной массы при динамическом вдавливании в нее штампа удовлетворительно описывается гипотезой Винклера Наибольшее значение этой силы определяется величиной максимальной упругой деформации под подошвой штампа, которая составляет 0,01-0,04 размера штампа в зависимости от отношения его максимального размера к среднему диаметру куска.

4. Размах усилия черпания горной массы ковшом драглайна составляет 50-600 кН в зависимости от гранулометрического состава и модуля упругости взорванной породы.

5. Расчетным путем установлено, что при разработке взорванных скальных и полу скальных пород драглайнами распределение размахов

усилия черпания аппроксимируется экспоненциальным законом Плотность относительной частоты размаха составляет 0,2-5 Н"1.

6. Разработан алгоритм определения рациональной продолжительности межремонтных периодов при экскавации взорванной горной массы драглайнами с учетом фактических физико-технических характеристик

7. Получены зависимости, описывающие влияние гранулометрического состава взорванной породы и ее категории по блочности на рациональную продолжительность межремонтных периодов для драглайнов ЭШ 10/70 и ЭШ 15/90 при наличии трещин в опоре блока наводки тягового каната.

8. Применение комплекса разработанных математических моделей позволяет увеличить годовую эксплуатационную производительность драглайнов в 1,2-1,35 раза.

9. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов, полученных с его использованием, составил 239 - 3301 тыс. руб. в год в зависимости от себестоимости 1т угля. Фактический экономический эффект от внедрения рекомендаций, выданных филиалу «Ерунаковский угольный разрез» ОАО УК «Кузбассразрезуголь», составил 350 тыс. руб в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Паначев, И.А. Влияние качества взрывной подготовки на процесс трещинообразования в металлоконструкциях шагающих экскаваторов / И.А.Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых»: Материалы ПТ Международной научно-практической конференции. - Новосибирск, 2003. - С.126-128.

2. Паначев, И.А О стопорении ковшей шагающих экскаваторов при взаимодействии со взорванной горной породой / И.А.Паначев, M Ю. Насонов, К.В Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та. - 2003. - № 6. -С .47 -50.

3. Паначев, И.А. О поведении крупнокусковой сыпучей среды при вдавливании в нее жестких штампов / И.А.Паначев, М.Ю Насонов, К В Антонов // Вестп. Кузбасс, гос. техн. ун-та. - 2004. -№ 1. - С.9-13.

4. Паначев, И. А. К разработке модели взаимодействия режущей кромки ковша шагающего экскаватора со взорванной горной породой / И.А Паначев, M Ю. Насонов, К В Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. унта. - 2004. -№ 2. - С.37-40.

5. Паначев, И.А. О некоторых аспектах взаимодействия ковша драглайна со взорванной скальной породой / И А.Паначев, M Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та. - 2004. № 5. С. 13-17.

6. Паначев, И. А. О влиянии призмы волочения на режим нагружения металлоконструкций драглайнов / И А. Паначев, МЮ Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та. - 2004. -№ 5. - С.17-22

7. Паначев, И. А. Оценка долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов при разработке взорванных скальных пород на угольных разрезах Кузбасса / И.А.Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // «Современное состояние и перспективы развития горнодобывающих отраслей промышленности»: Материалы П Международной научно-практической конференции - г.Рудный, Республика Казахстан, 2004. -С.220-223.

8. Паначев, И.А. Об учете неоднородности разрыхления развала взорванной горной массы при оценке долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов / И.А. Паначев, МЮ. Насонов, К.В. Антонов // «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности»: Материалы Международной научно-практической конференции. Кемерово, 2004. - С.67-69.

9. Паначев, И. А. Об использовании математических моделей поведения взорванной горной массы под нагрузкой в рамках методики оценки ресурса металлоконструкций драглайнов/ И.А.Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири Сибресурс 2004»: Материалы X международной научно-практической конференции -Кемерово, 2004. - С.162-164.

10. Антонов, К.В. О методике определения структуры напряжений в металлоконструкциях драглайнов при экскавации взорванной горной массы // «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004»: Материалы X Международной научно-практической конференции. - Кемерово, 2004. - С.162-164.

11. Паначев, И. А. Об исследовании некоторых аспектов режима нагружения металлоконструкций драглайнов / И.АПаначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004»: Материалы X Международной научно-практической конференции. - Кемерово, 2004. - С.164-166.

12. Паначев, И.А Об учете влияния взрывной подготовки на упругие характеристики горных пород при оценке долговечности металлоконструкций драглайнов / И.А.Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та. - 2006. -№ 1. С. 51-54.

13. Panachev I.A. Effect of joint size of blasted rock on crack formation of metallic structures of excavator/ I.A. Panachev, M.Y. Nasonov, K.V. Antonov // «New progress on civil engineering and architecture-Proceedings of Third China-Russia Symposium of underground engineering of city and mine».- Quangdao, China. - 2004. - P.177-180.

Подписано в печать 14.03.2006 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе Печ. л. 1. Тираж 0 экз. Заказ ГУ КузГТУ, 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28 Типография ГУ КузГТУ, 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А

Подписано в печать 14.03.2006 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе Печ. л. 1. Тираж экз. Заказ ГУ КузГТУ, 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28 Типография ГУ КузГТУ, 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4А

GGöA

Ц" 6 6 О 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Антонов, Кирилл Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Общая характеристика процесса разработки взорванных 11 горных пород драглайнами.

1.2. Свойства горной массы и их характеристики.

1.3. Исследования влияния параметров взорванной горной 28 массы на усилие черпания.

1.4. Существующие модели сыпучих сред, 32 применимые к описанию поведения горной массы.

1.5. Цель и задачи исследований 40 Выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЗИКО

ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗОРВАННОЙ ГОРНОЙ МАССЫ

НА ЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЧЕРПАНИЮ.

2.1. Влияние взрыва на прочностные и упругие характеристики пород.

2.2. Влияние гранулометрического состава и коэффициента разрыхления взорванной горной массы на нагрузку ее локального разрушения.

2.3. Влияние скорости нагружения на силу отпора со стороны взорванной горной массы.

2.4. Статистическая проверка полученных регрессионных мо- 75 делей.

Выводы

3. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЧЕРПАНИЯ ВЗОРВАННОЙ ГОРНОЙ МАССЫ КОВШОМ ДРАГЛАЙНА.

3.1. Общая концепция описания черпания взорванной горной 78 массы ковшом драглайна в процессе тяги.

3.2. Исследование сил инерции, действующих при взаимо- 83 действии ковша драглайна с кусками взорванной горной массы.

3.3. Математическое описание изменения усилия сопротивле- 86 ния взорванной горной массы внедрению режущей кромки ковша.

3.4. Математическое описание изменения усилия сопротивле- 90 ния взорванной горной массы черпанию, обусловленное наличием призмы волочения.

3.5. Разработка алгоритма расчета рациональной продолжи- 96 тельности межремонтного периода драглайна при экскавации взорванной горной массы.

Выводы

4. АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ

РАЗРАБОТАННОГО КОМПЛЕКСА МОДЕЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ ПОРОДЫ.

4.1. Сравнение распределений размахов усилий черпания, по- 104 лученных с помощью разработанных моделей, с экспериментальными данными.

4.2. Оценка пофракционного прироста трещин в металлокон- 108 струкциях драглайнов.

4.3. Определение рациональной продолжительности 109 межремонтных периодов при экскавации взорванной горной массы драглайнами.

4.4. Оценка изменения производительности работы драглайнов 112 при учете влияния физико-технических характеристик взорванной горной массы на продолжительность межремонтных периодов.

4.5. Экономическая эффективность использования 116 разработанного комплекса математических моделей.

Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геомеханическое обоснование повышения производительности драглайнов с учетом межремонтных периодов в различных горно-технологических условиях"

Актуальность работы

В настоящее время на угольных разрезах Кузбасса получила широкое распространение разработка взорванной горной массы с использованием экскаваторов-драглайн. Шагающие экскаваторы составляют около 35% всего экскаваторного парка угледобывающих предприятий.

Эффективность такой разработки в существенной мере зависит от продолжительности межремонтных периодов. Продолжительность межремонтных периодов, в свою очередь, определяется объемом взорванной горной массы, в процессе разработки которого обеспечивается безаварийная эксплуатация экскаватора. На величину этого объема значительно влияет протекание процесса черпания взорванной горной массы ковшом экскаватора, в частности распределение размахов усилия черпания (под размахом понимается разность экстремальных значений какого-либо силового фактора в пределах одного нагрузочного цикла).

Дальнейшее повышение эффективности открытой разработки угольных месторождений с использованием шагающих экскаваторов требует определения рациональных межремонтных сроков с учетом фактических горно-технологических условий проведения открытых горных работ.

Кроме того, на сегодняшний день большей частью шагающих экскаваторов угольных предприятий Кузбасса исчерпан нормативный объем переработки горной массы за весь период эксплуатации. В то же время опыт ведения открытых горных работ свидетельствует о возможности их дальнейшего успешного использования. Вопрос определения объемов породы, после выработки которых применение таких экскаваторов становится действительно неэффективным, стоит весьма остро. Его решение требует учета фактических физико-технических параметров разрабатываемой горной массы и непосредственно связано с расчетом рациональной продолжительности межремонтных периодов.

Математическое описание процесса черпания взорванной горной массы драглайнами, направленное на получение распределений размахов усилий черпания и последующий расчет рациональной продолжительности межремонтных периодов, является сложной научно-технической задачей. Ее сложность обусловлена, в первую очередь, нестационарным характером рассматриваемого процесса, особенно при тяге. Кроме того, на этот процесс оказывает значительное влияние качество взрывной подготовки, связанное с условиями разработки пород.

Разработка соответствующих математических моделей, позволяющих описать процесс черпания, предполагает решение задач, связанных с исследованием поведения взорванной горной массы под нагрузкой с учетом специфики ее взаимодействия с ковшом драглайна и необходимостью вычисления размахов усилий черпания, а также выявлением характеристик горных пород количественно определяющих это поведение и изучением влияния на них взрывного дробления.

Несмотря на весьма большой объем исследований черпания взорванной горной массы и смежных вопросов, отсутствуют решения указанных задач, пригодные к непосредственному использованию для определения рациональной продолжительности межремонтных периодов.

Работа выполнена в рамках хоздоговорных научно-исследовательских работ на тему «Экспериментально-теоретические основы оценки прочности и долговечности металлоконструкций шагающих экскаваторов с учетом влияния условий угольных разрезов Кузбасса» и в соответствии с программой НОК-4.

Цель работы заключается в повышении производительности работы драглайнов путем определения рациональной продолжительности межремонтных периодов с учетом физико-технических характеристик взорванной горной массы.

Идея работы заключается в установлении количественной связи между физико-техническими характеристиками взорванной горной массы и параметрами циклического изменения усилий черпания ковшом драглайна.

Задачи исследований:

- изучить упругие и прочностные характеристики взорванных скальных и полускальных пород;

-установить зависимость размаха усилия черпания взорванной горной массы от ее физико-технических характеристик;

- оценить изменение производительности работы драглайнов с учетом влияния физико-технических характеристик взорванной горной массы на продолжительность межремонтных периодов.

Методы исследований:

- анализ и обобщение литературных источников;

-лабораторные статические испытания образцов горных пород на осевое сжатие;

- физическое моделирование поведения взорванной горной массы;

-проверка расчетных распределений размахов усилий черпания в лабораторных условиях, а также в условиях угольных разрезов;

-натурные хронометражные наблюдения за развитием трещин в металлоконструкциях драглайнов; обработка данных методами математической статистики, численные расчеты на ЭВМ.

Научные положения, выносимые на защиту:

-в результате взрывной подготовки к экскавации при степени дробления 1,5-4 упругие и прочностные характеристики скальных и полускальных пород в образце снижаются в 1,3-1,6 раза, соответственно;

-при взаимодействии ковша драглайна с куском породы размах усилия черпания линейно зависит от глубины упругого вдавливания куска во взорванную горную массу, величина размаха составляет 50 - 600 кН в * зависимости от гранулометрического состава и упругих характеристик взорванной породы;

-учет влияния физико-технических характеристик взорванной горной массы на продолжительность межремонтных периодов драглайнов при наличии трещин в зонах их металлоконструкций, нагружаемых в процессе черпания, обеспечивает повышение годовой эксплуатационной производительности в 1,2-1,35 раза. i> Научная новизна работы заключается:

- в количественной оценке изменения упругих и прочностных характеристик взорванных скальных и полускальных пород;

- в определении размаха усилия черпания взорванной горной породы с учетом ее гранулометрического состава и упругих характеристик;

- в оценке изменения производительности работы драглайнов с учетом влияния физико-технических характеристик взорванной горной массы на продолжительность межремонтных периодов при наличии трещин в зонах их металлоконструкций, нагружаемых в процессе черпания.

Достоверность и обоснованность научных исследований базируется на:

- использовании апробированных методов механики деформируемого твердого тела, в том числе сыпучего;

- экспериментальной проверке результатов в лабораторных и производственных условиях;

- использовании статистических методов обработки результатов эксперимента для проверки адекватности полученных математических моделей.

Личный вклад автора состоит:

- в получении уравнений регрессии, описывающих изменение упругих и прочностных характеристик взорванных скальных и полускальных пород;

- в установлении зависимостей, позволяющих количественно оценить размах усилия черпания взорванной горной массы по ее физико-техническим характеристикам;

- в определении влияния физико-технических характеристик взорванной горной массы на распределение размахов усилия черпания драглайнами.

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют:

- количественно оценить время работы драглайов до постановки их на текущий ремонт с учетом физико-технических характеристик взорванной горной массы;

- повысить производительность драглайнов при разработке взорванной горной массы путем определения рациональной продолжительности межремонтных периодов.

Результаты работы реализованы в виде: рекомендаций по обоснованию качества взрывной подготовки горных пород и продлению межремонтных периодов работы экскаваторов и сроков эксплуатации, выданных филиалу «Ерунаковский угольный разрез» ОАО УК «Кузбассразрезуголь».

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и получили одобрение на Ш-ей Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (Новосибирск, 2003г.), П-ой

Международной научно-практической конференции «Геотехнология 2004: Современное состояние и перспективы развития горнодобывающих отраслей промышленности» (г. Рудный, Казахстан, 2004г.), международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России: Новые подходы к развитию угольной промышленности.»(Кемерово, 2004г.), Х-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004» (Кемерово, 2004г.), China-Russia Simposium on Underground Engineering of City and Mine «New Progress of Civil Engineering and Architecture (Qingdao, China, 2004)».

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 13 научных статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения общим объемом 140 страниц машинописного текста, содержит 9 таблиц, 29 рисунков, список использованной литературы из 106 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Антонов, Кирилл Викторович

ВЫВОДЫ.

1. Путем расчетов с использованием полученных математических моделей, описывающих черпание взорванной горной массы, установлено, что при разработке взорванных горных пород драглайнами распределение размахов усилия черпания аппроксимируется экспоненциальным законом. Плотность относительной частоты размаха составляет 0,2-5 Н"1.

2. Взаимодействие с ковшом кусков взорванной горной массы размером менее 0,18 диаметра среднего куска в развале вызывает 5% общего прироста трещин в металлоконструкциях драглайнов. Допустимо не учитывать эти куски при определении рациональной продолжительности межремонтных периодов.

3. Установлены зависимости, описывающие влияние гранулометрического состава взорванной горной породы и ее категории по блочности на рациональную продолжительность межремонтных периодов для экскаваторов ЭШ 10/70 и ЭШ 15/90 при наличии трещин в опоре блока наводки тягового каната.

4. Увеличение межремонтных периодов, достигнутое благодаря использованию результатов полученных с применением разработанного комплекса математических моделей, позволяет повысить годовую эксплуатационную производительность драглайнов в 1,2 - 1,35 раза.

5. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов, полученных с использованием разработанного комплекса математических моделей, составил 239 - 3301 тыс. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена задача по установлению количественных связей между степенью дробления, физико-техническими характеристиками взорванных горных пород и параметрами циклического изменения усилия черпания, а также изложены технические решения, заключающиеся определении продолжительности межремонтных периодов для драглайнов на основании этих связей, вносящие существенный вклад в повышение эффективности открытой разработки угольных месторождений.

Основные научные результаты и выводы сводятся к следующему.

1. Получены зависимости изменения в результате взрывной подготовки предела прочности при сжатии и модуля упругости скальных и полускальных пород в образце от степени дробления.

2. В процессе тяги определяющее влияние на изменение усилия черпания взорванной горной массы драглайна оказывают его составляющие: усилие сопротивления внедрению в развал режущей кромки ковша и усилие, обусловленное наличием призмы волочения. Черпание взорванной горной массы при описании каждой из этих составляющих может рассматриваться как последовательность динамического вдавливания жестких штампов в сыпучую среду. Причем в качестве штампов рассматриваются куски взорванной горной массы.

3. Возрастание равнодействующей силы отпора со стороны взорванной горной массы при динамическом вдавливании в нее штампа удовлетворительно описывается гипотезой Винклера. Наибольшее значение этой силы определяется величиной максимальной упругой деформации под подошвой штампа, которая составляет 0,01-0,04 размера штампа в зависимости от отношения его максимального размера к среднему диаметру куска.

4. Размах усилия черпания горной массы ковшом драглайна составляет 50600 кН в зависимости от гранулометрического состава и модуля упругости взорванной породы.

5. Расчетным путем установлено, что при разработке взорванных скальных и полускальных пород драглайнами распределение размахов усилия черпания аппроксимируется экспоненциальным законом. Плотность относительной частоты размаха составляет 0,2-5 Н"1.

6. Разработан алгоритм определения рациональной продолжительности межремонтных периодов при экскавации взорванной горной массы драглайнами с учетом фактических физико-технических характеристик.

7. Получены зависимости, описывающие влияние гранулометрического состава взорванной породы и ее категории по блочности на рациональную продолжительность межремонтных периодов для драглайнов ЭШ 10/70 и ЭШ 15/90 при наличии трещин в опоре блока наводки тягового каната.

8. Применение комплекса разработанных математических моделей позволяет увеличить годовую эксплуатационную производительность драглайнов в 1,2-1,35 раза.

9. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов, полученных с его использованием, составил 239 - 3301 тыс. руб. в год в зависимости от себестоимости 1т угля. Фактический экономический эффект от внедрения рекомендаций, выданных филиалу «Ерунаковский угольный разрез» ОАО УК «Кузбассразрезуголь», составил 350 тыс. руб. в год.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Антонов, Кирилл Викторович, Кемерово

1. Беляков Ю.И. Выгрузочно-погрузочные работы на карьерах . -М.: Недра, 1987.-268с.

2. Музгин С.С. Экскавация крупнокусковой горной массы. Алма-Ата: 1973.- 121с.

3. Анкудинов Д.Т. К вопросу исследования взаимодействия ковша большой емкости с горной массой. Сборник трудов НИПИГОРМАШ, вып. 6. 1968.

4. Гаевская К.С. Статистическое исследование нагрузок на рабочее оборудование и механизмы карьерного экскаватора. Сборник трудов МИСИ. № 31, 1960.

5. Волков Д.П. Исследование экскаваторов в эксплуатационных условиях. / Раннев А.В. //Труды ВНИИСтройдормаш, сборник 8, 1953.

6. Домбровский Н.Г., Панкратов С.А. Землеройные машины. М.: Госстройиздат, 1961.

7. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М. «Машиностроение», 1968.

8. Иванов О.П. Определение необходимого веса породопогрузочных машин. Новочеркасск, Труды Новочеркасского ПТИ, т. 214, 1970.

9. Кубачек В.Р. Оценка кусковатости горной массы при исследовании режимов нагружения одноковшовых экскаваторов./ Касьянов П.А.// «Известия ВУЗов. Горный журнал», 1970, № 1.

10. Кальницкий Я.Б. Основы коренного совершенствования и создания рационального ряда шахтных погрузочных машин. J1. Автореферат диссертации, 1961.

11. Машины для землеройных работ. Под ред. Бромберга. М. 1964.

12. Подерни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ.М. Издательство Московского государственного горного университета, 2001.

13. Баловнев В.И. Вопросы подобия и физического моделирования землеройно-транспортных машин. М., 1968.

14. Мельников Н.В., Трубецкой К.Н., Леонов Е.Р. Одноковшовые погрузчики на открытых разработках. М., «Недра», 1971.

15. Родионов Г.В. Экспериментальное и теоретическое исследование породопоргузочных машин периодического действия. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1957.

16. Родионов Г.В. К вопросу об определении усилий сопротивления внедрению ковша погрузочной машины в породу. / В.Ф. Сытник //«Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых», 1965.

17. Родионов Г.В., Костылев А.Д. О геометрической форхме ковшей породопогрузочных машин. «Уголь», 1955, № 9.

18. Соловьев А.А. Исследование взаимодействия рабочего органа погрузочных машин с горной массой. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1958.

19. Стеснин E.JI. Исследование режимов работы погрузочной машины ПМЛ-3. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1959.

20. Стогов В.Н. Одноковшовые погрузочные машины. М., Металлу ргиздат, 1959.

21. Сытник В.Ф., Семко Б.П. О моделировании рабочего процесса горных погрузочных машин. Сборник «Горные строительные и дорожные мащины». Киев, 1965, № 2.

22. Тихонов Н.В. Погрузочные машины на рудниках. М.: «Ме-таллургиздат», 1955.

23. Кортелев О.Б. О новых методах оценки эффективности открытого способа добычи полезных ископаемых./ А.С. Ташки-нов, В.И. Ческидов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та. 2002.- №1-с.14-18.

24. Сайтов В.И. Исследование особенностей рабочего процесса драглайна при верхнем черпании и влияние их на его основные параметры. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Свердловск, 1975.

25. Паначев И.А., Насонов М.Ю., Беленко М.В. Трещинообразо-вание в металлоконструкциях экскаваторов. Известия вузов. Горный журнал. 2000, № 5, с. 117-122.

26. Бирюков А.В. Статистические модели в процессах горного производства. А.В. Бирюков, В.И. Кузнецов, А.С. Ташкинов. Кемерово: Кузбассвузиздат, 1996.-228 с.

27. Батугин С.А., Бирюков А.В., Кылатчанов P.M. Гранулометрия геоматериалов. Новосибирск: Наука, 1989. - 172 с.

28. Репин Н.Я., Бирюков А.В., Паначев И.А., Ташкинов А.С. Временная методика расчета параметров взрывной отбойки пород на угольных разрезах. М.: типография ИГД им. А.А. Ско-чинского, 1976,48 с.

29. Методическое руководство по выбору схем ведения взрывных работ на угольных разрезах с учетом физико-технических свойств пород и использования средств механизации. Челябинск: 1981.-97 с.

30. Барон Л.И. Горно-технологическое породоведение. М.: «Наука», 1977-324с.

31. Барон Л.И. Кусковатость пород и методы ее измерения. М.: Издательство АН СССР, 1960. - 124 с.

32. Барон Л.И., Личели Г.П. Трещиноватость горных пород при взрывной отбойке. М.: Недра, 1966. - 136 с.

33. Михайлов А.Г. Крупность кусков породы в зависимости от дробления при взрыве и влияние ее на погрузочные работы. «Золотая промышленность», 1958, №12.

34. Бирюков А.В. Ташкинов А.С., Шелепов В.В. Гранулометрия и процессы дробления. Кемерово: типография ГУ Кузбасский государственный технический университет, 1999. - 55с.

35. Бирюков А.В. Вероятностно-статистическое исследование кусковатости горных пород. / Н.Я Репин, В.М. Семенычев, А.С. Ташкинов //Математические методы в механике горных пород. Сборник научных трудов КузПИ, № 28.-Кемерово. 1970.

36. Мечиков О.С. Фотограмметрический способ оценки результатов взрывных работ и влияния естественной трещиноватости.

37. Научные доклады высшей школы, «Горное дело» №3, 1958. -с. 15-16.

38. Сысоев А.А. Оценка граничного коэффициента вскрыши на стадии проектных исследований // Вестн. Кузбасс, гос. техн. унта. 2004.- №4.- с.46-47.

39. Бирюков А.В. Об оценках кусковатости взорванной породы./ И.А. Паначев //Технология, механизация и организация строительства горных выработок: Межвузовский сборник научных трудов. Кемерово: КузПИ. 1988, с. 71-76.

40. Белоусов В.В. Тектонические разрывы, их типы и механизм образования // Труды геофизического института АН СССР,17, 1952.-с. 17-21.

41. Васильев JI.B., Малинин С.И. Влияние основных геологических факторов на поведение пород в горных выработках. М.: Госгортехиздат, 1960. - 96 с.

42. Мюллер JI. Инженерная геология: Механика скальных массивов. М.: Мир, 1977. ~ 255 с.

43. Батугин С.А. Анизотропия массива горных пород. Новосибирск, 1988, 80 с.

44. Багринцева К.И. Трещиноватость осадочных пород. М.: Недра, 1982.- 175 с.

45. Эфрос АЛ. Физика и геометрия беспорядка. М.: Наука, 1982.- 175 с.

46. Вылегжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашев В.И. Структурные модели горного массива в механике геомеханических процессов. Новосибирск: Наука, 1990. - 290 с.

47. Временная классификация горных пород по степени трещино-ватости в массиве. М.: ИГД им. Скочинского, 1968. — 17 с. (Информационный выпуск № В-199).

48. Кутузов Б.Н. Рубцов В.К. Физика взрывного разрушения горных пород. М.: Недра, 1976. - с. 200-204.

49. Садовский М.А. О механике блочного горного массива/ Г.Г. Кочарян, В.Н. Родионов // Докл. АН СССР, 1988, т. 302 ,№ 2. -с. 306-308.

50. Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы// Докл. АН СССР, 1979, т. 247 № 4. с. 829-831.

51. Садовский М.А. О расперделении твердых отдельностей // Докл. АН СССР, 1983, т. 269 № 1. с. 69-72.

52. Паначев И.А. Управление процессом взрывной подготовки пород при открытой разработке свиты угольных пластов. // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Кемерово, 1992. - 281с.

53. Репин Н.Я. Графоаналитический метод определения интенсивности трещиноватости горного массива/ А.В. Бирюков, И.А. Паначев // Проблемы механики горных пород. Новосибирск: Наука, 1971.-с. 425-429.

54. Репин Н.Я. Определение гранулометрического состава массива горных пород/ А.В. Бирюков, И.А. Паначев, А.С. Ташкинов // Известия ВУЗов. Горный журнал, 1970, №7. с. 37-41.

55. Журков С.Н. Физические основы прогнозирования механического разрушения/ В.С.Куксенко, В.А.Петров // Докл. АН СССР, 1981, т. 259, №6, с. 1350-1353.

56. Штумпф Г.Г., Рыжков Ю.А., Шаламанов В.А., Петров А.И. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник. М.: Недра, 1994. - 447 с.

57. Шаламанов В.А. Результаты исследований некоторых своств горных пород юга Кузбасса // Сб.: Повышение эффективности горнопроходческих работ Кемерово: Издательство Кузбасского политехнического института, 1987, с. 125-131.

58. Штупф Г.Г. Физико-механические свойства горных пород нижних горизонтов Кузбасса // Уголь. 1979. - №2. с. 58-60.

59. Штупф Г.Г. Плотностные свойства горных пород Кузнецкого бассейна и основные факторы, влияющие на них // Сб.: Разработка угольных месторождений открытым способом. Кемерово: Издательство Кузбасского политехнического института, 1980, с. 24-28.

60. Штупф Г.Г. Некоторые закономерности изменения физических свойств горных пород Кузнецкого угольного бассейна // Сб.: Совершенствование технологии сооружения горных выработок. Кемерово: Издательство Кузбасского политехнического института, 1986, с. 45-50.

61. Штупф Г.Г. Сравнительная оценка прочности горных пород, определяемой различными методами/ Н.М.Молов // Уголь Украины. 1992. - №2. - с. 10-15.

62. Штупф Г.Г. Инженерно-геологические условия строительства и эксплуатации разрезов/ В.А. Шаламанов // Сб.: Проблемы открытой добычи угля в Кузбассе. Кемерово: Родник, 1990.с. 177-183.

63. Геология СССР. Том XIV, Кн. 1. М.: Недра, 1982. - 446 с.

64. Матвеев А.К., Власов В.А., Голицын А.В. Геология угольных месторождений СССР. М.: МГУ, 1990. - 358 с.

65. Ольховатенко В.Е. Инженерно-геологические условия строительства крупных карьеров в Кузнецком угольном бассейне. -Томск: Издательство Томского университета.

66. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В. .Прочность и деформируемость горных пород. М.: Недра, 1980. - 431с.

67. Берон А.И., Ватолин Е.С., Койфман М.И., Мохначев М.П. Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения. М.: Недра, 1984. - 276с.

68. Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С., Кунтыш М.Ф. Свойства горных пород и методы их определения. М.: Недра, 1969.-392 с.

69. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.: Недра, 1982. - 282 с.

70. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. -М.: Недра. 359с.

71. Ягодкин Г.И., Мохначев М.П., Кунтыш М.Ф. Прочность и деформируемость горных пород в процессе их нагружения. М.: Наука, 1971.-148с.

72. Черкасов И.И. Механические свойства грунтовых оснований. М.: Госстройиздат, 1958. - 312 с.

73. Гольдштейн М.В. Механические свойства грунтов. — М.: Госстройиздат, 1979. 304 с.

74. Флорин В.А. Основы механики грунтов. М.: Госстройиздат, ч. I, 1959, 256 е., ч. II, 1961, 263 с.

75. Зенков P.JI. Механика насыпных грузов. М., 1964.

76. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М.: «Наука», 1990 -271с.

77. Снитко Н.К. Статическое и динамическое давление грунтов и расчет подпорных стенок. JL: Стройиздат, Ленинградское отделение. 1972. - 207 с.

78. Соболевский Ю.А. Механика грунтов. Минск: Вышэйшая школа, 1986. - 176с.

79. Терцаги К. Теория механки грунтов. М.: Госстройиздат, 1961.-507с.

80. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983. -288с.

81. Малышев М.В. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. -М.: Стройиздат, 1994. 228 с.

82. Кандауров И.И. Механика зернистых сред и ее применение в строительстве. Л.: Издательство литературы по строительству, 1966.-319 с.

83. Дидух Б.И. Упругопластическое поведение грунтов. М.: Госстройиздат, 1990. - 142 с.

84. Бирюков А.В. Эксперимент. Кемерово: типография ГУ Кузбасский государственный технический университет, 2004. 25 с.

85. Кирпичев М.В. Теория подобия. М.: АН СССР. 1953. - 95 с.

86. Дидух Б.И., Каспэ И.Б. Практическое применение методов теории размерностей и подобия в инженерно-строительных расчетах. М.: Стройиздат. 1975. - 49 с.

87. Паначев И.А. О стопорении ковшей шагающих экскаваторов при взаимодействии со взорванной горной породой / М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та. 2003. -№ 6. С. 47-50.

88. Справочник механика открытых горных работ // Под ред. Подерни Р.Ю. -М.: Недра, 1988. 654 с.

89. Проноза В.Г. Обоснование структур эффективных технологических комплексов перевалки вскрышных пород. // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Кемерово: КузПИ. 1992. - 286 с.

90. Броек Д. Основы механики разрушения. Пер. с анг. М.; Высш. школа, 1980.-368 с.

91. Хеллан К. Введение в механику разрушения. Перевод с английского. М.: Мир. 1988. 364 с.

92. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. / Под ред. Ю. Мураками. -М.: Мир, 1990. Т. 1,2. 1016 с.

93. Паначев И.А. О поведении крупнокусковой сыпучей среды при вдавливании в нее жестких штампов / М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та- 2004. -№ 1. С. 913.

94. Паначев И.А.К разработке модели взаимодействия режущей кромки ковша шагающего экскаватора со взорванной горной породой / М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та.- 2004. -№ 2. С. 37-40.

95. Паначев И.А. О некоторых аспектах взаимодействия ковша драглайна со взорванной скальной породой / М.Ю. Насонов,

96. К.В. Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та. 2004. —№ 5. С. 13-17.

97. Паначев И.А. О влиянии призмы волочения на режим нагружения металлоконструкций драглайнов / М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та. 2004. —№ 5. С. 1722.

98. Паначев И.А. Об исследовании некоторых аспектов режима нагружения металлоконструкций драглайнов / М.Ю. Насонов,

99. К.В. Антонов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004: Материалы X международной научно-практической конференции Кемерово, 2004. - С. 164-166.

100. Паначев, И.А. Об учете влияния взрывной подготовки на упругие характеристики горных пород при оценке долговечности металлоконструкций драглайнов / И.А.Паначев, М.Ю. Насонов, К.В. Антонов // Вестн. Кузбасс, гос. техн. ун-та. 2006. - № 1. С. 51-54.