Циклическое разрушение крепких пород инструментами горных машин, формирующими трещины нормального разрыва

Подземная и открытая отработка угольных пластов и песчано-глинистых руд осложняется присутствием крепких пород, представленных твердыми включениями и породными прослойками. Комплексно-механизированные забои на пластах сложного строения, содержащие крепкие породные прослойки и твердые включения, имеют низкие технико-экономические показатели по сравнению с отработкой пластов простого строения. Работа очистных и проходческих комбайнов характеризуется низкой производительностью, высокими динамическими нагрузками и большим удельным расходом рабочего инструмента.

Современное состояние теории разрушения крепких пород горными инструментами очистных и проходческих комбайнов, основанная на использовании горно-технологических показателей прочности для описания реакции горных пород на механические воздействия, исчерпала свои возможности и требуются новые научно обоснованные подходы, исходящие из физической сущности процесса трещинообразования, взаимодействия и роста трещин в крепких породах, способные разработать математические модели этих процессов. В практике отработки пластов сложного строения необходим переход к концепции, заключающейся в направленном разрушении крепких пород пересекающимися магистральными трещинами нормального разрыва, и позволяющей с минимальной энергоемкостью не дробить горную породу, а раскалывать ее на блоки. Практическая реализация такого подхода к решению проблемы разрушения крепких пород механическим способом требует создания и широкого применения качественно новых математических методов и моделей развития трещин под лезвием инструментов, нагруженности инструментов от роста трещин и способов управления направленным разрушением, основанных на объединении и прорастании микро и макротрещин в крепких породах.

В настоящее время вопросы развития математических методов, применяемых в моделировании процессов трещинообразования, объединения, прорастания микротрещин и развития устойчивых и неустойчивых трещин в крепких породах под лезвием инструментов, в научном плане разработаны недостаточно глубоко, далеки от использования в практике разрушения крепких пород и поэтому решение этих вопросов приобретает особую актуальность, имеет большое научное и практическое значение в установлении новых и более точных фундаментальных моделей и результатов по раскалыванию крепких пород трещинами нормального разрыва.

Цель работы — установление основных закономерностей и рациональных параметров взаимодействия рабочего инструмента горных машин с массивом, обеспечивающих реализацию режима циклического разрушения крепких пород с минимальными энергозатратами.

Идея работы — заключается в использовании закономерностей образования и развития трещин нормального разрыва в крепких породах при их циклическом нагружении для обоснования конструктивных и режимных параметров рабочего инструмента и исполнительных органов горных машин, обеспечивающих расширение области применения очистных и проходческих комбайнов.

Задачи исследований:

— разработать математическую дискретную модель зернистых горных пород с целью установления основных закономерностей образования и развития микротрещин по границам зерен горных пород от воздействия инструментов в зависимости от диаметра зерна, упругих характеристик зерна, меж-зеренного цементного заполнителя и геометрической формы горных инструментов;

— разработать модели устойчивого роста микротрещин нормального разрыва в моделях плоской деформации, зависящие от коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород, длины трещины и угла заострения;

— разработать объемные модели устойчивого развития магистральных трещин в крепких породах от воздействия конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов, зависящих от равнодействующего усилия на оси дисковых инструментов, геометрии инструментов, геометрических размеров и коэффициента интенсивности первого рода крепких пород;

— разработать модели неустойчивого развития объемных трещин на основе интегрального метода траекторий трещин, которые позволяют оценить геометрические и режимные параметры дисковых инструментов на объемы осколков горных пород в свободном и уступном режимах разрушения;

— разработать модели перехода устойчивых трещин нормального разрыва в неустойчивое состояние с целью установления влияния геометрических и режимных параметров дисковых инструментов в процессе раскалывания крепких горных пород;

— разработать математическую модель скоростного движения дисковых инструментов по разрушаемым породам в зависимости от скорости контакта, глубины внедрения и прочности породыразработать модель и алгоритм для установления времени образования осколков породы в зависимости от скорости контакта, глубины внедрения, геометрии дискового инструмента и прочности породы;

— разработать модели скорости роста устойчивых трещин нормального разрыва в крепких породах в процессе циклического нагружения их дисковыми инструментами;

— разработать метод расчета нагруженности конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов в процессе циклического разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва, включающего в себя геометрию дискового инструмента, площадь трещины, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

— разработать модели режимов нагружения крепких пород дисковыми инструментами, позволяющие установить влияние геометрических и прочностных характеристик пород, режимных параметров, геометрии инструментов, максимальной величины и количество циклов нагружения на величину суммарной подачи дискового инструмента, при которой осуществляется раскалывание крепких пород магистральными трещинами;

— разработать методику прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах в зависимости от их расположения в забое, геометрических и прочностных характеристик, которая позволяет проводить инженерные расчеты по оценке эффективного раскалывания твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Методы исследований. В теоретических исследованиях применялись численные методы математической теории упругости, вязкопластичности, механики хрупкого разрушения и математической статистики. Из численных методов граничных элементов использовались: метод фиктивных нагрузок и интегральный метод расчета траекторий трещин для моделирования осколков пород под лезвием резцовых и дисковых инструментовметоды разрывных смещений в моделях плоской деформации для моделирования образования, слияния и развития микротрещинметод разрывных смещений в объемной постановке для установления критериев роста устойчивых магистральных трещинметод фиктивных нагрузок в вязкопластической постановке для разработки моделей скоростного внедрения инструментов в разрушаемые породы. Расчеты методами граничных элементов в моделях плоской деформации и объемных постановках задач выполнены по алгоритмам и программам, разработанным автором. Расчеты коэффициентов интенсивности напряжений первого рода для плоских и объемных трещин выполнены по методу, алгоритму и программам, разработанным автором. Обработка экспериментальных данных в лабораторных и производственных исследованиях осуществлялась методами математической статистики.

Научные положения, защищаемые автором:

— процесс образования микротрещин под лезвием горных инструментов, формирующих медианную трещину нормального разрыва, регулируется углом заострения инструмента, диаметром зерна породы и физико-механическими характеристиками зерна и цементного заполнителя по границам зерен породы, а величина прорастания микротрещин в медианную трещину разрыва прямо пропорционально зависит от отношения касательных к нормальным напряжениям на границе контакта инструмента с породой;

— критерии разрушения крепких пород, моделирующие развитие медианных устойчивых трещин нормального разрыва под лезвием конических, асимметричных и симметричных инструментов, зависят от углов заострения инструментов, длины трещины и коэффициента интенсивности напряжений первого рода;

— критерии разрушения крепких пород в объемной постановке, моделирующие развития медианных устойчивых магистральных трещин нормального разрыва под лезвием конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов, зависят от углов заострения инструментов, площади трещины, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

— масштабный эффект, возникающий при разрушении крепких пород ограниченной длины, устанавливает изменения нагруженности дисковых инструментов от длины разрушаемой породымаксимальная длина устойчивой магистральной трещины, при которой осуществляется переход трещины в неустойчивое состояние, в крепких породах в процессе циклического разрушения зависит от угла заострения дискового инструмента и расстояния от линии движения инструмента до свободной боковой поверхностинаправления развития магистральных неустойчивых трещин в процессе циклического разрушения крепких пород зависят от угла заострения дискового инструмента, шага разрушения и высоты обнажения свободной боковой поверхности;

— механизм разрушения крепких пород дисковыми инструментами в процессе циклического нагружения представляет собой трехстадийный процесс: образование микротрещин по границам зерен пород, прорастание и объединение их в устойчивые трещинырост устойчивых магистральных трещин до предельных величин, зависящих от геометрии дискового инструмента и расстояния до свободной боковой поверхностиразвитие неустойчивых магистральных трещин, раскалывающих крепкие породы;

— модель скорости движения дисковых инструментов по разрушаемой породе учитывает прочность горной породы, глубину внедрения и начальную скорость контакта для установления временных интервалов, в пределах которых осуществляется образование осколков породы под лезвием дисковых инструментов;

— объемные модели роста усталостных устойчивых магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах в процессе циклического нагружения учитывают геометрию инструмента, режимы нагружения, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

— модели формирования нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких пород учитывают геометрические размеры объемных трещин, геометрию инструментов, геометрические и прочностные характеристики крепких пород;

— суммарная глубина подачи дискового инструмента в процессе циклического разрушения, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины, переходит в неустойчивое состояние, зависит от reoметрических размеров крепких пород и максимальной предельной величины устойчивой трещины, размер которой зависит от шага разрушения и угла заострения дискового инструмента;

— методика прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах в зависимости от их расположения в забое, геометрических и прочностных характеристик позволяет проводить инженерные расчеты по оценке эффективного раскалывания крепких пород магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Достоверность научных положений. выводов и рекомендаций подтверждается:

— корректностью постановки задач на основе фундаментальных методов механики деформируемого твердого тела, механики разрушения, математической статистики и методов их решения;

— сопоставимостью результатов исследований с лабораторными и производственными данными;

— количественной сопоставимостью результатов моделирования с независимыми экспериментальными данными других исследователей;

— сопоставимостью сравнительных результатов исследований серийных исполнительных органов с экспериментальными, оснащенными дисковыми инструментами, при отработке пластов с твердыми включениями и породными прослойками. Производственные испытания подтвердили работоспособность разработанных конструкций и правильность научных положений, выводов и рекомендаций;

— количественной сопоставимостью методики прогнозирования направленного развития неустойчивых трещин с независимыми шахтными данными других исследователей.

Новизна работы заключается в том, что в ней:

— разработана модель зернистых пород, отличающаяся тем, что представляет собой набор зернистых упорядоченных дискретных элементов, скрепленных между собой дискретными элементами цементирующего вещества, позволяет исследовать местоположение и раскрытие микротрещин по границам зерен пород и установить влияние угла заострения инструментов, диаметра зерна, физико-механических характеристик зерен и цементирующего вещества на процесс образования, прорастания и слияния микротрещин в процессе разрушения;

— впервые разработаны модели плоской деформации роста микротрещин от воздействия клиновых инструментов, имеющих коническую, асимметричную и симметричную формы, которые позволяют установить влияние угла заострения, диаметра зерна и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород на нагруженность инструментов;

— впервые разработаны объемные модели развития магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах от воздействия конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов, которые позволяют исследовать рост магистральных трещин при раскалывании крепких пород и установить влияние на развитие трещин геометрической формы инструментов, режимов нагружения, геометрических размеров и коэффициента интенсивности первого рода разрушаемых крепких пород;

— впервые установлены: масштабный эффект, который возникает при разрушении твердых включений с ограниченной длиной, и закономерности изменения нагруженности дисковых инструментов от длины твердого включениязакономерности изменения максимальной величины устойчивой трещины от угла заострения дискового инструмента и шага разрушениязакономерности направления развития неустойчивых трещин от углов заострения конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов;

— впервые установлен трехстадийный механизм разрушения крепких пород дисковыми инструментами: образование микротрещин по границам зерен пород, прорастание и объединение их в устойчивые трещинырост устойчивых магистральных трещин до предельных величин, зависящих от геометрии дискового инструмента и расстояния до свободной боковой поверхностиразвитие неустойчивых магистральных трещин, раскалывающих крепкие породы;

— впервые разработана модель скорости движения дисковых инструментов по разрушаемой породе, которая позволяет исследовать влияние прочности горной породы, глубины внедрения и начальной скорости контакта на изменение скорости движения в процессе разрушения и установить временные интервалы, в пределах которых осуществляется образование осколков породы под лезвием дисковых инструментов;

— впервые разработаны объемные модели роста усталостных устойчивых магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах, образованных при последовательных проходах дисковых инструментов по одному и тому же следу, которые позволяют исследовать рост усталостных устойчивых трещин до неустойчивого состояния, и установить влияние на развитие трещин геометрии инструментов, режимов нагружения дисковых инструментов, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород;

— разработаны модели формирования нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких пород, отличающиеся тем, что в них впервые введены геометрические размеры трещин и геометрические и прочностные характеристики крепких пород;

— впервые установлены закономерности суммарной глубины внедрения дискового инструмента, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины, переходит в неустойчивое состояние, от геометрических размеров крепких пород, максимальной предельной величины устойчивой трещины, размер которой зависит от шага разрушения и угла заострения дискового инструмента;

— впервые разработана для угольных пластов и песчано-глинистых руд, засоренных твердыми включениями и породными прослойками, методика прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах в зависимости от их расположения, геометрических и прочностных характеристик, которая позволяет проводить инженерные расчеты по оценке эффективного раскалывания твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Личный вклад автора состоит: в разработке модели зернистых горных пород и ее реализации методом разрывных смещенийв разработке метода определения коэффициентов интенсивности напряжений первого рода для трещин нормального разрыва под лезвием дисковых инструментов в объемной и плоской постановкахв разработке и обосновании моделей развития устойчивых микротрещин под лезвием дисковых инструментовв разработке и обосновании объемных моделей развития устойчивых магистральных трещин под лезвием дисковых инструментовв установлении масштабного эффекта при циклическом разрушении ограниченных по длине крепких породв установлении закономерностей изменения максимальной критической величины устойчивой трещины от углов заострения дисковых инструментов и шага разрушенияв установлении закономерностей направленного развития неустойчивых трещин от углов заострения дисковых инструментовв разработке и обосновании моделей скоростного контакта инструментов с горными породами с ее реализацией методами граничных уравнений в вязкопластической постановкев разработке и обосновании модели скорости движения дисковых инструментов по разрушаемой породе и в установлении временных интервалов образования осколков породы под лезвием горных инструментовв разработке и обосновании объемных моделей роста усталостных трещин при циклическом разрушении крепких пород дисковыми инструментамив разработке моделей формирования нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких пород трещинами нормального разрывав разработке моделей режимов разрушения крепких пород дисковыми инструментами в процессе циклического разрушенияв разработке методики прогнозирования направленного развития неустойчивых магистральных трещин в крепких породах для проведения инженерных расчетов по оценке эффективного раскалывания твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбора конструктивных и режимных параметров исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Практическая ценность. Методы, модели, критерии и закономерности направленного развития устойчивых и неустойчивых трещин нормального разрыва в крепких породах в процессе циклического нагружения позволяют на новом качественном и количественном уровнях получить модели процесса разрушения, которые имеют принципиально важное значение для прогнозирования раскалывания породных прослойков и твердых включений и расчета нагруженности инструментов от роста трещин и исполнительных органов при проектировании их для отработки пластов сложного строения.

Результаты выполненных исследований позволяют:

— моделировать в процессе циклического нагружения раскалывание крепких пород ограниченной длины трещинами нормального разрыва;

— моделировать в процессе циклического нагружения откалывание блоков от неограниченных по длине крепких пород трещинами нормального разрыва;

— определять режимы подачи исполнительных органов для эффективного раскалывания крепких пород трещинами нормального разрыва;

— на стадии проектирования исполнительных органов в зависимости от расположения, геометрических размеров и физико-механических свойств твердых включений выбирать рациональные режимные, конструктивные параметры дисковых инструментов и исполнительных органов в целом и устанавливать область эффективного их применения при обработке пластов сложного строения.

Разработанные методы, алгоритмы и программы моделей роста объемных трещин в крепких породах могут быть использованы для этих же целей, но применительно к другим режимам разрушения, а также и видам инструментов.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Методики расчета нагрузок на дисковом инструменте и исполнительных органах, оснащенных дисковыми инструментами, утверждены предприятием п/я М-5703 и использованы предприятием п/я А-1372 при проектировании и создании рабочих органов очистных комбайнов.

Результаты исследований включены в рабочие программы курса «Горные машины и комплексы» для студентов направления Т18 «Технологические машины и оборудование». Алгоритмы, программы и методики внедрены в учебный процесс КузГТУ для выполнения лабораторных, курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладывались и получили одобрение на: Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г.Москва, ИГД им. А. А. Скочинского, 1983 г.) — областной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г.Кемерово, 1982, 1983 гг.) — научном семинаре кафедры горных машин и комплексов Московского государственного горного университета (г.Москва, 1985 г.) — Всесоюзной конференции «Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производительных сил Кузбасса» (г.Кемерово, 16−18.05.88 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития технологии и средств бурения» (г.Кемерово, 1995 г.) — научно-практической конференции (г.Кемерово, 12−14.11.96 г.) — научном семинаре.

ИУУ СО РАН (г.Кемерово, 2000 г.) — ежегодных научных конференциях Куз басекого государственного технического университета (г.Кемерово, 1983 2000 гг.).

Выводы.

1.Разрушение твердых включений и породных прослойков исполнительными органами с дисковыми инструментами всегда осуществляется повторно-блокированным и полусвободным режимами разрушения. Количество зон полусвободных режимов разрушения и величина их протяжения в забое зависят от шага разрушения, глубины внедрения, скорости подачи и диаметра исполнительного органа. Границы зон полусвободных и свободных режимов разрушения ограничены углом поворота исполнительного органа относительно плоскости его движения 27°-30° < ср < 150°-153°.

2.Разработанная методика, основанная на образовании и развитии трещин нормального разрыва в зависимости от расположения в забое, геометрических размеров и прочностных характеристик крепких пород, позволяет проводить инженерные расчеты по оценке разрушения твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

3.Разработанная теория образования и развития магистральных трещин нормального разрыва в процессе циклического нагружения позволила установить следующие области применения исполнительных органов, имеющих два дисковых инструмента в линии резания:

— все разработанные конструкции исполнительных органов с дисковыми инструментами применимы для разрушения твердых включений, имеющих длину, меньшую 0,35 м;

— разрушение породных прослойков мощностью ш< 0,4−0,9 м в центральной части исполнительного органа очистного комбайна возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения;

— разрушение породных прослойков мощностью т< 0,4−0,5 м в центральной части исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения.

4.Методикой установлено, что исполнительные органы очистного комбайна с дисковыми инструментами эффективно разрушают:

— в условиях Кузнецкого угольного бассейна породные прослойки мощностью m < 0,20−0,26 м и твердые включения, когда мощность и длина m= L< 0,18−0,24 м;

— в условиях ш. «Кызыл-Кумская» породные прослойки мощностью m < 0,26−0,30 м и твердые включения m= L< 0,24 — 0,30 м.

5.Методикой установлено, что исполнительные органы проходческого комбайна избирательного действия с дисковыми инструментами эффективно разрушают в условиях месторождений Восточного рудоуправления и ш/у «Кок-Янгак»:

— породные прослойки мощностью m < 0,4−0,5 м;

— твердые включения, когда мощность и длина m = L< 0,35 м;

— твердые включения, расположенные на почве выработки, мощностью m < 0,2 м и длиной L >0,13 м.

6.Методика выбора конструктивных и режимных параметров исполнительных органов с дисковыми инструментами, основанная на образовании и.

494 направленном развитии магистральных трещин нормального разрыва, подтверждена результатами производственных исследований исполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, при проведении очистных и проходческих выработок на пластах сложного строения, имеющих различные геометрические и прочностные параметры твердых включений и породных прослойков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основании фундаментальных и экспериментальных исследований разработаны теоретические положения разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва в процессе циклического нагружения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в развитии научных основ взаимодействия исполнительных органов с разрушаемым горным массивом.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные научные результаты и выводы:

1 .Производственные исследования рабочих органов с дисковыми инструментами в очистных забоях установили существование опережающих трещин до 1,2 м в породных прослойках и твердых включениях, а проведенный анализ лабораторных работ установил, что циклическое нагружение крепких горных пород в 10 раз снижает удельные энергозатраты по сравнению со свободным режимом разрушения. Создание теории разрушения крепких пород трещинами нормального разрыва в процессе циклического нагружения позволит осуществить на ее основе выбор конструктивных и режимных параметров инструментов и исполнительных органов для отработки пластов сложного строения.

2.Разработанные дискретные модели зернистых крепких пород с плотной упаковкой зерен и реализованные в виде программ на ЭВМ позволили получить механизм образования, объединения и слияния микротрещин в зависимости от угла заострения инструментов, диаметра зерна, физико-механических характеристик зерен и цементирующего вещества. Угол заострения инструмента на стадии образования микротрещин по границам зерен пород оказывает влияние на величину и картину раскрытия микротрещин по границам зерен пород. Инструменты с углами заострения 90° < ф < 180° образуют ядро уплотнения под лезвием инструмента, состоящее из зерен с нарушенными по их границе связями, боковые микротрещины и микротрещины перед уплотненным ядром. Инструменты с углами заострения 30° < ф <45° образуют систему медианных микротрещин, берущих свое начало от лезвия инструмента в глубь породы. Инструменты, для которых угол заострения ф < 30°, образуют медианные трещины, длины которых зависят от диаметра зерна материала и угла заострения инструмента. Все это справедливо для произвольного размера зерна и физико-механических свойств цемента, скрепляющего зерна крепких пород. Изменение диаметра зерна материала и упругих свойств цементного заполнителя не изменяют картину образования микротрещин. Величина раскрытия микротрещин по границам зерен материала зависит от упругих свойств цементного заполнителя микротрещин и диаметра зерна материала. Увеличение диаметра зерна материала увеличивает раскрытие микротрещин и уменьшает прочность зернистого материала.

3.Разработанные модели плоской деформации роста микротрещин нормального разрыва в крепких породах от воздействия клиновых инструментов, имеющих коническую, асимметричную и симметричную формы, включают в себя: нагрузки на инструменте, длину микротрещины, коэффициент интенсивности напряжений первого рода и угол заострения инструментов. Микротрещины, образованные от воздействия клиновых инструментов, развиваются устойчивым образом по границам зерен крепких пород.

4.Разработанные объемные модели развития магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах от воздействия конических, асимметричных и симметричных дисковых инструментов включают в себя: нагрузки на оси дискового инструмента, геометрию инструмента, площадь трещины, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород. Трещины нормального разрыва, образованные в крепких породах под лезвием дисковых инструментов, имеют устойчивый и неустойчивый характер развития. Берега трещины нормального разрыва от воздействия дисковых инструментов с углами заострения, меньших 45°, раскрываются под действием только нормальных напряжений. Нагрузка на дисковых инструментах в процессе развития устойчивых трещин нормального разрыва зависит от площади трещины, геометрических размеров и коэффициента интенсивности напряжений первого рода крепких пород, углов заострения инструментов и шага разрушения.

5.Разработанные критерии перехода устойчивых трещин в неустойчивое состояние под лезвием конических и асимметричных дисковых инструментов в процессе циклического нагружения зависят от углов заострения дисковых инструментов и шага разрушения. Направления развития магистральных неустойчивых трещин в процессе циклического нагружения зависят от угла заострения дисковых инструментов, шага разрушения и высоты обнажения свободной боковой поверхности. Длина неустойчивых магистральных трещин нормального разрыва в крепких породах без учета боковых свободных поверхностей стабилизируется в пределах 0,35 м. Установлен масштабный эффект, который возникает при разрушении твердых включений, имеющих ограниченную длину Ь< 0,35 м.

6.Разработанная модель скоростного контакта инструментов с горными породами на основе метода граничных элементов с вязкопластическими деформациями в объемной постановке позволяет определять скорости дисковых инструментов в процессе их перемещения по разрушаемым горным породам. Разработанная модель скорости движения дискового инструмента по разрушаемой породе позволяет прогнозировать временные интервалы, в пределах которых осуществляется образование осколков горной породы под лезвием дисковых инструментов. Скорость движения дискового инструмента по разрушаемой горной породе прямо пропорционально зависит от начальной скорости контакта и ограничена прочностью породы и глубиной внедрения. Прочность горной породы является предельной характеристикой, которая ограничивает глубину внедрения дискового инструмента в процессе его движения по разрушаемому материалу.

Установлено, что процесс развития устойчивых трещин при циклическом нагружении в крепких породах носит усталостный характер. Время роста устойчивых магистральных трещин до неустойчивого состояния в крепких породах под лезвием дисковых инструментов на два порядка превышает время образования боковых поверхностных трещин.

7.Разработанный метод расчета скорости развития устойчивых усталостных трещин в крепких породах позволяет проводить инженерные расчеты скорости развития устойчивых усталостных трещин в крепких породах в процессе циклического нагружения горных пород дисковыми инструментами и выбирать рациональные геометрические и режимные параметры дисковых инструментов в зависимости от геометрических и прочностных характеристик крепких пород.

Установлено, что скорость роста усталостных трещин в породных прослойках имеет прямую пропорциональность от размаха циклической нагрузки и обратную пропорциональность от коэффициента интенсивности напряжений первого рода. Возрастание прочности горных пород приводит к уменьшению скорости роста усталостных трещин нормального разрыва. Скорость усталостных трещин зависит от мощности породного прослойка, мощности и длины твердого включения.

8.Разработанный метод расчета нагрузок на дисковых инструментах для циклического разрушения крепких горных пород трещинами нормального разрыва, включающий в себя объемные геометрические размеры трещин, геометрические размеры и коэффициент интенсивности напряжений первого рода крепких пород и геометрические параметры дисковых инструментов, позволяет проводить инженерные расчеты усилий на дисковых инструментах очистных и проходческих комбайнов и выбирать рациональные геометрические и режимные параметры дисковых инструментов.

— для эффективного разрушения пород трещинами нормального разрыва при циклическом нагружении горных пород необходимо применять конические дисковые инструменты диаметром D= 0,24- 0,28 м с углами заострения ф = 40° - 45° и задними углами у = 10° - 12°;

— для эффективного разрушения пород трещинами нормального разрыва в условиях уступного режима разрушения при циклическом нагружении горных пород необходимо применять конические дисковые инструменты диаметром D= 0,16- 0,2 м с углами заострения ф = 35° - 40°.

9.Суммарная глубина внедрения дискового инструмента, при которой устойчивая трещина, достигнув своей максимальной величины переходит в неустойчивое состояние, есть функциональная зависимость, включающая в себя геометрические размеры твердых включений и породных прослойков и максимальную величину устойчивой трещины, размер которой зависит от шага разрушения и угла заострения дискового инструмента.

Разработанная теория образования и развития магистральных трещин нормального разрыва под лезвием дисковых инструментов с минимальными энергозатратами позволяет прогнозировать развития магистральных трещин в твердых включениях и породных прослойках в зависимости от геометрических, прочностных характеристик горных пород, геометрической формы дисковых инструментов, режимных параметров — шага разрушения и глубины внедрения и величины размаха циклической нагрузки, зависящей от величины подачи дискового инструмента.

Время, в течение которого устойчивая трещина, достигнув максимальной величины, переходит в неустойчивое состояние в процессе циклического нагружения крепких горных пород, зависит от геометрических, кинематических и режимных параметров дисковых инструментов, геометрических и прочностных свойств твердых включений и породных прослойков.

10.Разработанная методика, основанная на образовании и развитии трещин нормального разрыва в зависимости от расположения в забое, reoметрических размеров и прочностных характеристик крепких пород, позволяет проводить инженерные расчеты по оценке разрушения твердых включений и породных прослойков магистральными трещинами с минимальной энергоемкостью и выбирать на этой основе конструктивные и режимные параметры исполнительных органов с дисковыми инструментами.

Разработанная теория образования и развития магистральных трещин нормального разрыва в процессе циклического нагружения позволила установить следующие области применения исполнительных органов, имеющих два дисковых инструмента в линии резания:

— все разработанные конструкции исполнительных органов с дисковыми инструментами применимы для разрушения твердых включений, имеющих длину, меньшую 0,35 м;

— разрушение породных прослойков мощностью т< 0,4−0,9 м в центральной части исполнительного органа очистного комбайна возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения;

— разрушение породных прослойков мощностью ш< 0,4−0,5 м в центральной части исполнительного органа проходческого комбайна избирательного действия возможно путем ослабления породы магистральными неустойчивыми трещинами с последующим разрушением породы по схеме уступного режима разрушения.

Установлено, что исполнительные органы очистного комбайна с дисковыми инструментами эффективно разрушают:

— в условиях Кузнецкого угольного бассейна породные прослойки мощностью т < 0,20 — 0,26 м и твердые включения, когда мощность и длина ш-Ь< 0,18−0,24 м;

Установлено, что исполнительные органы проходческого комбайна избирательного действия с дисковыми инструментами эффективно разрушают в условиях месторождений Восточного рудоуправления и ш/у «Кок-Янгак»: -породные прослойки мощностью m < 0,4 — 0,5 м- -твердые включения, когда мощность и длина m= L< 0,35 м- -твердые включения, расположенные на почве выработки, мощностью m < 0,2 м и длиной L > 0,13 м.

11 .Методика выбора конструктивных и режимных параметров исполнительных органов с дисковыми инструментами, основанная на образовании и направленном развитии магистральных трещин нормального разрыва, подтверждена результатами производственных исследований исполнительных органов, оснащенных дисковыми инструментами, при проведении очистных и проходческих выработок на пластах сложного строения, имеющих различные геометрические и прочностные параметры твердых включений и породных прослойков.