Лекція 1. Зміст та задачі курсу «Гірничі машини».

Основні поняття та термінологія. Класифікація гірничих машин. Властивості та способи руйнування порід.

Основні поняття та термінологія.

Гірничі породи - це природні щільні або пухкі мінеральні агрегати, що виникли в результаті геологічних процесів і складові земної кори у вигляді самостійних геологічних тіл.

Фізико-механічними властивостями гірничої породи називають сукупність фізичних і механічних властивостей, що визначають поводження гірської породи в процесі її деформації й розробки.

Нижче наведені фізико-механічні властивості, якими характеризуються гірничі породи, і їхнього визначення.

Фізичні властивості

Щільність - це відношення маси породи до її обсягу при природній вологості. Позначається γ_n (кг/м³ або т/м»).

Зв’язність - визначається зчепленням окремих часток породи між собою й характеризує здатність останньої пручатися їхньому поділу.

Зчеплення - сила зв'язків між частками, обумовлена молекулярними цементаційними, структурно-колоїдними, водо адсорбними механічними зв’язками й взаємодіями; визначається як дотична напруга, необхідна для подолання безпосереднього зчеплення між частками породи при зрушенні С_м (МПа).

Липкість - здатність породи прилипати до різних предметів. Характеризується питомим налипанням (Н/м²).

Теплопровідність – величина, що характеризує теплопровідні властивості породи і залежна від її хімічних властивостей і стану. Позначається λ (Вт/м∙К).

Вологість - відношення маси води в зразку до маси його твер- дих часток. Характеризується коефіцієнтом вологості.

Пористість - відношення об’єму, зайнятого порами, до всьому об’єму породи. Характеризується коефіцієнтом пористості.

Механічні властивості

Твердість - здатність породи чинити опір проникненню в неї іншого, більше твердого тіла.

Міцність - опір породи загальному руйнуванню. Характеризується коефіцієнтом міцності f по шкалі проф. М. М. Протод’яконова. Шкала міцності розбиває всі гірничі породи на 10 категорій з коефіцієнтами від 20 і більше для 1категорії до 0,3 для 10 категорії. Ця шкала не є досконалою та може в подальшому удосконалюватись в напрямку більш точного відображення фізико-механічних властивостей гірничих порід. Для окремих гірничих порід існують класифікації, в яких ведення гірничих робіт пристосовують до різних класів машин, наприклад, є класифікація гірничих порід по бурінню, в якій визначаються швидкості буріння в них свердловин глибиною 1м (породи ділять на 11 категорій).

Гранулометричний склад - зміст по масі часток різної крупності (розміру). В гірничий породі по крупності шматків розрізняють: валуни і каміння (220 мм і більше), галька, щебінь (20…200 мм), гравій (2…20 мм), піщані фракції (до 2 мм)

Кут природного укосу - кут у основи конуса, що утвориться при відсипанні розпушеної породи з деякої висоти. Позначається φ₀ (градус). Величина кута φ₀ залежить від категорії, коефіцієнта внутрішнього тертя μ₂, гранулометричного складу зв’язаності та вологості породи. Для незв’язаних порід кут природнього відкосу рівний куту внутрішнього тертя φ₂. μ₂=tg φ₂≥tg φ_0. Коефіцієнт внутрішнього тертя породи μ₂ = 0,58…1,1. Зв'язок між μ₁ (коефіцієнт тертя породи по сталі) та μ₂ визначається залежність μ₁≈0,75 μ₂

Розпушуваність - відношення об’єму розпушеної породи до початкового його об’єму (у цілику). Характеризується коефіцієнтом розпушення Кр. Цей коефіцієнт знаходиться в межах від 1,02 для зв’язаних до 1,5 для сипучих порід.

Опір породи до вдавлювання – характеризується коефіцієнтом опору зминання р₀ (Н/см³ або Н/м³), обумовленим величиною навантаження, під дією якої стрижень із опорною поверхнею 1 см² вдавлюється в породу на 1 см. Величина коефіцієнта р₀ знаходиться в межах від 2 МПа/м для рихлого піску до 13 МПа/м для щільної глини.

Тріщинуватість - характеризується наявністю в гірській породі тріщин, утворених при розриві внутрішніх зв'язків у породному масиві.

Абразивність - здатність породи інтенсивно зношувати руйнуючий її інструмент. Випробовування на абразивність проводиться на еталонному стрижні при його дотику до зразку природньої поверхні породи. По величині показника абразивності всі міцні породи діляться на 8 класів: від мало абразивних(мармур, апатит та інше) до високо і у найвищій мірі абразивних(граніти, діорити та інші).

Опір різанню - здатність породи пручатися механічному впливу, що викликає певну сукупність напруг стиску, розтягання і здвигу, подолання яких завершується руйнуванням породи й відділенням від масиву шматків або шарів. Характеризується опором різанню k (МПа), тобто зусиллям, віднесеним до одиниці площі поперечного перерізу шару добуваємої породи.

Класифікуються гірничі породи по декількох показниках: міцності, опору руйнуванню і бурінню, ступеня важкості екскавації й т.д. Кожна класифікація має своє прикладне значення, і тому зв'язати їх по якому-небудь одному з показників не завжди є можливим.

Найбільше поширення одержала класифікація гірничих порід по міцності, запропонована проф. М. М. Протод’яконовим (табл. 1.1). Міцність породи оцінюється коефіцієнтом міцності f=0,3-20.

Акад. В. В. Ржевский запропонував класифікацію гірничих порід по відносним значенням важкості руйнування П_р і буріння П_б. Всі породи по цій класифікації діляться на п'ять класів (табл. 1.2), кожний з яких містить породи п'яти категорій, об'єднаних однією загальною ознакою. Таким чином, всі породи діляться на 25 категорій, а показник категорії збігається з величиною П_р або П_б. Породи, що рідко зустрічаються з П_р>25 і П_б>25 відносяться до поза категорійних. Акад. В. В. Ржевский рекомендує приймати відносний показник важкості руйнування породи _Пр за емпіричною залежністю

П_р=0,5К_тр(σ_стисн+σ_здавл+σ_розтяг)+0,5γ (1.1)

де К_р=0,05…1 – коефіцієнт, що враховує тріщинуватість гірничих порід, σ_стисн = 34…450, σ_здавл = 0,01…75, σ_розтяг = 0…43 - межі міцності на стиснення, здвиг та розтяг, МПа, γ=1,2…4,8 - щільність породи, т/м³.

В «Єдиних нормах і розцінках» (ЕНіР) на земляні роботи всі гірничі породи залежно від важкості їхнього руйнування розділені на дев'ять груп, перші п'ять із яких розробляються без застосування буровибухових робіт (табл. 1.3).

Професорами Н. Г. Домбровським, Ю. И. Беляковим і іншими дослідниками для різних машин експериментально визначені по кожній групі порід опору копанню k_F або різанню k_р.

Для скальних і напів скальних порід із щільністю γ=1.8…2.4 т/м³, К_F визначається виразом

К_F= 0,16+1,25∙10^-4γv_пр (1.2)

Для роторних екскаваторів визначити К_F можна використовуючи вираз проф. В.М.Владимирова

Таблиця 1.1

Класифікація гірничих порід по шкалі проф. М. М. Протод’яконова

Катего­рія	Ступінь міцності	Породи	Коефіцієнт міцності
1	2	3	4
I	До вищої степені міцності породи	Найбільш міцні, щільні й в’язкі кварцити і базальти. Виняткові по міцності інші породи	20
II	Дуже міцні породи	Дуже міцні гранітові породи. Самі міцні піщаники і вапняки	15
III	Міцні породи	Граніт щільний, дуже міцні піщаники і вапняки	10
ІІІ а	Те ж	Вапняк міцний, неміцний граніт, міцний піщаник, мармур, доломіт, колчедан	8
IV	Досить міцні породи	Звичайні піщаники, залізні руди	6
IV a	Те ж	Піщанисті сланці, сланцеві піщаники	5
V	Породи середньої міцності	Міцний глинистий сланець, неміцні піщаники й вапняки, конгломерати	4
V a	Те ж	Неміцні сланці, щільний мергель	3
VI	Досить м'які породи	М'який сланець, дуже м'який піщаник, крейда, кам'яна сіль, гіпс, звичайний мергель, зруйнована піщаник, кам'янистий ґрунт	2
VІ a	Те ж	Щебенистий ґрунт, зруйнований сланець, міцне кам'янисте вугілля, отверділа глина	1,5

продовження табл. 1.1

1	2	3	4
VII	М'які породи	Щільна глина, міцні наноси, м'яке кам'яне вугілля	1
VІІ a	Те ж	Легка піщаниста глина, ліс, гравій	0,8
VIII	Земляні породи	Рослинна земля, торф, м'який суглинок, вологий пісок	0,6
IX	Сипучі породи	Пісок, осипи, насипна земля, крейдяний гравій	0,5
X	Пливучі породи	Пливуни, болотистий ґрунт, розріджений ліс й інші розріджені породи	0,3

К_F= 0,16+0,1С (1.3)

де С – число ударів щільноміра. Товщина стружки t=b=0,25…0,3м, кількість ковшів на колії 8…10.

Способи руйнування гірничих порід. Копання і різання гірничих порід.

В більшості випадків гірничі машини проводять руйнування масиву послідовним відділенням «стружки», яка переміщується по робочому органу. Копання – процес відділення породи від масиву, що включає в себе різання, переміщення відділеної породи по робочому органу і тертя робочого органу по породі. Різання – процес відділення стружки від масиву ріжучою частиною робочого органу.

Руйнування і видалення з вибою порід у процесі гірничих робіт є дуже трудомісткими операціями.

Руйнування гірничих порід може здійснюватися такими способами:

- механічним, коли робочі органи безпосередньо відділяють породу від масиву. Витрата енергії на одиницю об'єму зруйнованої породи (енергоємність) становить приблизно 0,2— 1,7 кВт-год/м³;

- гідравлічним, коли порода відокремлюється від масиву напірним струменем води, що подається з гідромонітора, або коли порода разом з водою всмоктується земснарядом із дна водойми. Енергоємність руйнування породи напірним струменем становить 0,4—4 кВт-год/м³, а при роботі земснаряда 0,2—2 кВт-год/м³;

Таблиця 1.2

Класифікація гірничих порід по важкості їх руйнування і буріння

Руйнування			Буріння
Клас породи і його характеристика	Показник Пр	Клас породи і його характеристика		Показник Пб
1	2	3		4
I — напівскельні, щільні й зв'язані м'які породи II — легко руйнуючі скельні породи III — середньої важкості руйнування скальні породи IV — високої важкості руйнування скальні породи V — досить важкої складності руйнування скальні породи Поза категорні породи	1 … 5 5,1 … 10 10,1 … 15 15,1 … 20 20,1 … 25 >25	I — легкобуримі II — середньої буримості III — важкобуримі IV — досить важкобуримі V — винятково важко буримі Поза категорні породи		1 … 5 6 … 10 11 … 15 16 … 20 21…25 >25

- підривним, коли порода руйнується під тиском газів, які виділяються вибуховими речовинами (ВР). Енергоємність тільки бурильних підривних шпар становить 0,8—1,1 кВт-год/м³;

- фізичним, коли руйнування або зменшення міцності гірських порід досягається за допомогою ультразвуку, струму високої частоти, теплового впливу;

- хімічним, коли для відділення порід від масиву їх переводять у рідкий або газоподібний стан;

- комбінованим, наприклад, гідравлічний спосіб може комбінуватися з механічним.

Механічний спосіб руйнування гірських порід може здійснюватись з різними швидкостями силового впливу. Прийнято вважати, що при швидкостях впливу до 2,5 м/с механічний спосіб називається статичним, а при швидкостях вище 2,5 м/с - динамічним.

До динамічного способу руйнування відносяться наступні види:

- вібраційний, коли для руйнування породи створюють примусове вібрування робочого органа, що приводить до зменшення сил внутрішніх зв'язків порід і відповідно до зниження тягового опору переміщенню машини;

- ударний, коли руйнування породи здійснюється за допомогою ударника, що має певну масу й швидкість, тобто енергією удару;

- високошвидкісний, коли руйнування міцних порід здійснюється за допомогою високошвидкісних робочих органів (швидкість різання вище 5 м/с), наприклад, кільцевою фрезою (рис. 1.1);

- імпульсний, коли руйнування порід здійснюється за допомогою імпульсної техніки, заснованої на застосуванні енергії вибуху в машинах і механізмах. При цьому руйнування може здійснюється рідкими, твердими і газоподібними передавальними середовищами, що безпосередньо впливають на гірську породу і реалізуючими в імпульсній формі енергію вибуху.

В електрогідроімпульсних системах використовується принцип електрогідравлічного ефекту, тобто створюється електричний розряд в середовищі – рідині. В пнемо, або пневмогідроімпульсних системах застосовуються пневматичні акумулятори енергії (газ, як робоче тіло стискається під високим тиском для розгону рухомої маси, яка діє на середовище). В магнітоімпульсних системах використовується магнітне поле з феромагнітним тілом, що знаходиться в магнітному полі. В гідроімпульсних системах на матеріали діє високо напірна струмина води під тиском 1…1,5Гпа, яка виривається із насадки. Навісні гідравлічні та пневматичні бутобої використовують для дроблення негабаритів, мерзлих порід, забивки паль, трамбування та інше. В якості ударного механізму використовується поршень. Гідравлічні бутобої мають масу до 900кг, енергію удару до 2,3 кДж, тиск в гідросистемі 12…17,5МПа. (в навісних бутобоях застосовують азотні акумулятори). Типи інструмента для бутобоя мають різну форму, із загостреним наконечником, долотоподібний, круглий, лопатний та інше (рис. 1.2). Навісний бутобой для дроблення негабаритів УДН-2 зображений на рис. 1.3.

На гірничих підприємствах найбільше поширення одержав механічний спосіб руйнування порід - до 85 % усього обсягу гірничих і земляних робіт.

Фізичний і хімічний способи перебувають у стадії експериментальних розробок, випробування й освоєння.

Загальна класифікація гірничих машин для відкритих робіт

У гірничодобувній промисловості в цілому й, зокрема, на підприємствах, що здійснюють видобуток корисних копалин відкритим способом, зосереджена велика кількість різноманітної техніки, за допомогою якої ведуться видобуток і переміщення значних обсягів гірничої маси. На гірничих підприємствах постійно вводиться нове, високопродуктивне гірничотранспортне і збагачувальне устаткування, впроваджуються нові засоби автоматизації та механізації технологічних процесів, у тому числі допоміжних робіт.

Рис. 1.2. Типи інструменту для бутобоїв:

а - загострений для розбивання бетону і шматків породи; б-долотоподібний для розбивання залізобетону; в —круг­лий тупоконічний для разбивания породи і мерзлого грунту; г - тампонажна по­душка- д - лопастний для розбивання залізобетону і асфальту; е - захват для за­бивки деревяного або стального шпунта; ж - для землерійних робіт в мерзлому грунті в траншеях

Класифікація устаткування. Для відкритих гірничих робіт з технологічної ознаки, можна виділити наступні сім класів:

- машини для підготовки гірничих порід до виїмки; виїмно-навантажувальні машини;

- машини виїмно-транспортуючі;

- транспортні машини;

- відвалоутворюючі машини;

- сортувально-збагачувальне устаткування;

- машини для допоміжних робіт.

Машини кожного класу діляться на групи, у кожній групі розрізняють типи машин, що відрізняються не характером виконуваної роботи, а тільки конструкцією машини або вузлів. Кожен тип машин може мати кілька типорозмірів, що відрізняються по параметрах, але збігаються по конструкції.

Рис. 1.3. Навісний бутобой для дроблення негабаритів УДН-2 (ІГД ім. А. А. Скочинского)

Так, клас виїмно-навантажувальних машин ділиться на групи: одноковшеві екскаватори і багатоковшеві екскаватори. Група одноковшевих екскаваторів підрозділяється на типи: пряма й зворотна лопати, драглайн, грейфер. Типи машин класифікуються по наступних ознаках: призначенню і роду роботи, місткості ковша, виду робочого устаткування, роду ходового устаткування, роду силового устаткування й ін.

Контрольні запитання. 1. Які основні поняття та термінологія в курсі «Гірничі машини»? 2. Які основні фізико-механічні властивості гірничої породи? 3. Як класифікуються гірничі породи? 4. Способи руйнування гірничих порід. 5. На які класи можна поділити за технологічними ознаками устаткування для відкритих гірничих робіт?

Лекція 2. Бурильні машини: загальні відомості, стан і напрямки розвитку, класифікація.

Устаткування обертового буріння долотами, різцевими коронками, комбінованого буріння, ударно-обертового буріння. Нові методи руйнування гірничих порід.