Фізико-технічні основи видобутку корисних копалин з енергоощадним руйнуванням молекулярних зв'язків гірських порід

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

”Київський політехнічний інститут”

УДК 622.01:539.63

Фізико-технічні основи видобутку корисних копалин з енергоощадним руйнуванням молекулярних зв'язків гірських порід

05.15.03 - відкрита розробка родовищ корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Терентьєв Олег Маркович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України ”Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра електромеханічне обладнання енергоємних виробництв.

Захист відбудеться «26» листопада 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.22 в Національному технічному університеті України ”Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, вул. Борщагівська, 115/3, ауд. 702.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України ”Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, бібліотека КПІ.

Автореферат розісланий «21» жовтня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор І.А. Лучко

АНОТАЦІЯ

Терентьєв О.М. Фізико-технічні основи видобутку корисних копалин з енергоощадним руйнуванням молекулярних зв'язків гірських порід. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.03 - відкрита розробка родовищ корисних копалин. Національний Технічний Університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2008.

Наукова новина роботи полягає у: встановлені функціональних закономірностей критеріальних параметрів виробничих граничних умов функціонування гірничих систем при видобутку корисних копалин з урахуванням фізико-механічних властивостей породного масиву, параметрів робочого органу і привода гірничої системи.

В роботі запропоновано критеріальний метод створення гірничих систем класу "Породний масив - робочий орган - привід" для руйнування корисних копалин при їх видобутку. Метод заснований на системному аналізі вихідних даних, параметричному й аксіоматичному синтезі виробничих граничних умов реального функціонування систем. Оригінальність математичних моделей полягає в поданні їх через єдиний параметр - висоту ядра ущільнення. Особливістю математичного аналога об'єму елементарної стружки є використання рівняння Касіні, що дозволило урахувати будь - які просторові форми елементів руйнування масиву робочим органом гірничої машини.

Загальний фактичний економічний ефект від впровадження результатів роботи становить 1218396,5 руб. Росії та 1706053 грн.

Ключові слова: виробничі граничні умови, внутрішня енергія середовища, молекулярно-хвильовий підхід, питома поверхнева енергія, процес руйнування, резонансні явища, трансформація частоти.

АННОТАЦИЯ

Терентьев О.М. Физико-технические основы добычи полезных ископаемых с энергосберегающим разрушением молекулярных связей горных пород. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.03 - открытая разработка месторождений полезных ископаемых. Национальный Технический Университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2008.

Диссертация посвящена созданию физико-технических основ добычи полезных ископаемых с использованием энергосберегающего разрушения молекулярных связей горных пород за счет управляемой трансформации частот колебаний внешних и внутренних источников энергии до уровня их субрезонансного взаимодействия с породным массивом. Научная новизна роботы заключается в: установлении функциональных закономерностей критериальных параметров производственных граничных условий функционирования горных систем при добыче полезных ископаемых с учетом физико-механических свойств породного массива, параметров рабочего органа и привода горной системы; разработке метода создания горных систем, который предусматривает определение параметров системы на классическом и молекулярно-волновом уровнях.

Существующие методики расчета силового нагружения разных горных пород при их разрушении используют эмпирические формулы. В известных математических моделях не учтена функциональная связь между такими важными элементами горной системы как параметры привода машины, рабочего органа и массива, а также - отсутствие учета молекулярной структуры и физико-механических характеристик массива, который подлежит разрушению. Наличие указанных недостатков приводит к уменьшению КПД и повышению удельной энергоемкости процесса разрушения массива. Устранение указанных недостатков делает это исследование актуальным.

В работе предложено критериальный метод создания горных систем класса "Породный массив - рабочий орган - привод" (ПМРОП) для разрушения полезных ископаемых при их добыче. Метод основан на системном анализе исходных данных, параметрическом и аксиоматическом синтезе производственных граничных условий (ПГУ) реального функционирования системы. Составленные и апробированные математические модели объемов ядра уплотнения и элементарной стружки, которая отделяется от массива за один акт разрушения. Оригинальность математических моделей заключается в представлении их через единый параметр - высоту ядра уплотнения. Особенностью математического аналога объема элементарной стружки есть использования уравнения Кассини, что позволило учесть наиболее вероятные пространственные формы элементов разрушения забоя рабочим органом горной машины. Разработана новая методика расчета ПГУ, которая предусматривает классический и молекулярно-волновой подходы при их анализе. Ее особенностью являются управления наиболее энергоемким процессом формирования ядра уплотнения при разрушении породного массива по его молекулярно-волновым характеристикам, удельной поверхностной энергии, постоянной кристаллической решетки и радиусу действия межмолекулярных сил, на основании модели Гилмана. Проведено сравнения ПГУ функционирования на классическом и молекулярно-волновом уровне для разных классов горных машин для разрушения породних массивов, таких как: колесный экскаватор ЕО-4321, роторный экскаватор СРС- 2000-28/3.5, шагающий экскаватор драглайн ЭШ-6,5/45У, шарошечный буровой станок 2СБШ-200Н.

В производственных условиях ОАО ”Кварцит” и ОАО”Прионежский карьер” (Республика Карелия, Россия) проведена экспериментальная апробация ПГУ при бурении буровых скважин в гранитах с пределом прочности на сжатие - 200…250 МПа, коэффициентом Пуассона - 0,23…0,25, с показателем буримости (10...11) и экскавация горной массы после взрывных работ. В результате установлено, что высота ядра уплотнения на твердосплавных вставках шарошки имела одинаковую высоту (4…6) мм, не в зависимости от рядности размещения твердосплавных вставок. Объем ядра уплотнения колебался от 3510-9 до 4610-9 м3, объем стружки - от 1310-8до 2810-8 м3. Производительность бурения изменялась от 0,6 до 1,78 м3/ч, что обеспечивало вариацию удельной энергоемкости бурения от 4 до 11 кВтч/м3, техническую скорость бурения от 11 до 50 мм/мин.

Созданы и использованы в производстве гидроимпульсные устройства (ГУБ) обеспечения прохождение горной массы по трактам подачи сырья цементного производства, импульсно-волновые трансформаторы (ИВТ), кавитационно-волновые генераторы (КВГ) и генераторы акустических колебаний (ГАК) на пъезокерамических элементах для нагружения среды. Очистка трактов подачи сырья в производственных условиях ОАО «Подольский цемент» осуществлялась при энергии единичного удара ГУБ (800...1000) Дж, частоте (4,8...5,0). Гц с производительностью (4...10) м3/с при температуре (-8...-12) °С. Использование ИВТ обеспечило: снижение удельной энергоемкости очистки насосно-компрессорных труб от механических отложений, повышение суточной производительности нефтяных скважин на (3...5) т/сут с продолжительностью (2...3) месяца, двукратное повышение КПД очистки, за счет использования волновой энергии. Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил 1218396,5 руб. России и 1706053 грн.

Ключевые слова: внутренняя энергия среды, молекулярно-волновой подход, производственные граничные условия, процесс разрушения, резонанс, трансформация частоты, удельная поверхностная энергия.

ABSTRACT

Terentev О.М. Fiziko-technical bases of mining with energooschadnim destruction of molecular connections of mountain breeds. Manuscript.

Dissertation on getting of graduate degree of doctor of engineering's sciences after specialty 05.15.03 - openwork of deposits of minerals. National Technical University of Ukraine is the «Kyiv polytechnic institute», Kyiv, 2008.

The scientific novelty of work consists of establishment of functional conformities to the law of destruction of slope on classic and molecular-wave levels taking into account the interconnection of parameters of working organ and drive of mountain machine.

In work the criteria's method of creation of the mountain systems of class is offered "Slope - Working organ - Drive" for destruction of hard minerals. A method is based on the analysis of the systems of basic data, parametric and axiomatic synthesis of production scope operating of the systems conditions. Originality of mathematical models consists in presentation them through a single parameter - height of kernel of compression. The feature of mathematical analogue of volume of the elementary shaving are the uses of equalization of Cassini, that allows to take into account the most credible spatial forms of elements of destruction of slope the working organ of mountain machine.

General actual economic effect from introduction of results robots made 1218396,5 ryb of Russia and 1706053 Uah.

Keywords: internal energy of environment, molecular-wave approach, process of destruction, production maximum terms, resonance phenomena, specific superficial energy, transformation of frequency.

видобування корисний копалина гірничий

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Темпи зростання економіки України на сучасному етапі в значній мірі залежать від об'єму видобутку корисних копалин. Розвиток вітчизняної гірничої справи має базуватися на сучасних енергоефективних технологіях і процесах руйнування гірських порід. Оскільки продуктивність видобутку корисних копалин є похідною від ефективності способу відділення гірської маси від породного масиву в гірничий науці приділяється особлива увага розвитку технологічних прийомів руйнування гірських порід. Критичний аналіз теорій як статичного, так і динамічного руйнування порід при видобутку корисних копалин показав, що у відомих теоріях руйнування не враховується функціональний зв'язок між такими важливими елементами гірничої системи, як породний масив, робочий орган і привід машини. Відсутнє урахування молекулярної структури породного масиву, який підлягає руйнуванню. Наявність вказаних недоліків приводить до зменшення продуктивності і коефіцієнта корисної дії (ККД) руйнування породного масиву та підвищенню питомої енергоємності процесу його руйнування. Відсутність урахування функціонального зв'язку між фізико-механічними властивостями породного масиву, параметрами робочого органу і приводу машини, витратами енергії на формування ядра ущільнення і руйнування породного масиву не дає можливості використовувати результати проведених промислових випробувань у конкретних умовах без додаткового коригування цих параметрів.

На сьогодні відсутній єдиний критерій, який надавав би можливість забезпечувати руйнування різних породних масивів з максимальною продуктивністю і ККД при мінімальних питомих енерговитратах і вартості руйнування. У існуючих теоріях руйнування для розрахунку силового навантаження різних породних масивів використовують емпіричні формули. Вони потребують подальшого уточнення та наукового обґрунтування.

В зв'язку з викладеним створення та впровадження фізико-технічних основ видобутку корисних копалин і високопродуктивної техніки з енергоощадним руйнуванням молекулярних зв'язків гірських порід за рахунок використання сукупної дії енергетичних потоків зовнішніх джерел і внутрішньої енергії середовища та концентрації її у місцях резонансної модуляції породного масиву без його енергетичного перенасичення є актуальною науковою проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. На підставі аналізу Закону України «Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні на 2003-2013 роки» від 16 січня 2003 року, № 433-IV обрана наукова проблема, на рішення якої спрямована дисертація. Базовими для підготовки дисертаційної роботи були НДР, що виконувалися відповідно до Державних програм наукових досліджень Міністерства освіти і науки України і наукових програм Національного технічного університету України “КПІ “ по пріоритетному напрямку науки і техніки: «Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології, розділ 4». Тема № 23: «Дослідження і розробка енергозберегаючої технології та обладнання для молекулярно-хвильового впливу на гірські породи». (№ ДР 0196U007039); тема № 25: «Дослідження і розробка енергозберегаючої технології та обладнання для молекулярно-хвильового впливу на гірські породи», (№ ДР 0197U013998); тема № 2-25: «Розробка глибинного генератора молекулярно-хвильових коливань і кавітаційних процесів резонансної дії і технології обробки породного масиву.» (№ ДР 0197U013867); тема № 31: «Розробка і впровадження дослідно - промислового устаткування і пристроїв на основі кавітаційно-хвильового трансформатора максимальної енергії» (№ ДР 0194U013395), у яких автор був відповідальним виконавцем.

Ідея роботи: Забезпечення концентрованого імпульсно-хвильового впливу зовнішніх і внутрішніх джерел енергії на породний масив.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка фізико-технічних основ енергоощадного видобутку корисних копалин за рахунок руйнування молекулярних зв'язків гірських порід при узгодженні частот коливань зовнішніх і внутрішніх джерел енергії.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні завдання:

визначити закономірності формування критеріальних параметрів, які дозволять встановлювати виробничі граничні умови функціонування гірничих систем при видобутку корисних копалин;

розробити критеріальний метод створення гірничих систем класу «Породний масив - робочий орган - привід» (ПМРОП) і математичні моделі елементарної стружки, ядра ущільнення породного масиву, які на функціональному рівні враховують взаємний вплив фізико-механічних властивостей породного масиву, параметрів робочого органу і приводу системи;

розробити методику розрахунку через єдиний параметр - висоту ядра ущільнення - виробничих граничних умов (ВГУ) функціонування гірничих систем та провести їх порівняння на класичному і молекулярно-хвильовому рівні;

розробити високопродуктивну техніку й енергозберігаючі технології для ефективного видобутку і переробки корисних копалин з використанням механічних імпульсно-хвильових трансформаторів частоти, як первинних низькочастотних джерел коливань, що активізують внутрішній енергетичний потенціал середовища і сприяють руйнуванню молекулярних зв'язків масиву.

Об'єкт дослідження - процеси руйнування молекулярних зв'язків гірських порід при спрямуванні енергії зовнішніх джерел на активізацію і корисне використання внутрішніх потенційних джерел енергії корисних копалин для зниження енерговитрат при їх видобутку.

Предмет дослідження - енергоощадні методи видобутку корисних копалин за рахунок ослаблення молекулярних зв'язків у твердих корисних копалинах для зниження питомої енергоємності, підвищення продуктивності, ККД та якості функціонування гірничих систем.

Методи дослідження. При виконанні роботи використані наступні методи: аналітичний - для встановлення закономірностей формування силових і енергетичних потоків зовнішніх і внутрішніх джерел при розриві молекулярних зв'язків породного масиву і визначення впливу фізико-механічних властивостей породного масиву на технологічні параметри функціонування гірничої системи; математичного моделювання - для складання математичних моделей ядра ущільнення породного масиву та виробничих граничних умов видобутку корисних копалин; системного аналізу, що дозволив на основі вхідних параметрів конструювання, технології виготовлення, експлуатації, ремонту і відновлення визначити показники життєвого циклу гірничої системи “Породний масив - робочий орган - привід”; планування експериментальних досліджень - для обрання найраціональнішого шляху проведення експериментів з обґрунтуванням необхідної і достатньої кількості чинників, що впливають на продуктивність, питому енергоємність, ККД і якість процесу видобутку корисних копалин при класичному і молекулярно-хвильовому підходах; експериментальної апробації теоретичних положень роботи в лабораторних, стендових і виробничих умовах; техніко-економічного аналізу отриманих результатів.

Наукові положення, які виносяться на захист:

1. Нові адекватні теоретичні моделі анізотропних і неоднорідних за фізико-механічними властивостями породних масивів дозволяють перейти від використання емпіричних показників (модуль пружності, межа міцності, коефіцієнт Пуассона) до функціональних показників: питомої поверхневої енергії, відстані між сусідніми площинами спайності кристалічних структур гірських порід, радіусу дії міжмолекулярних сил притягання.

2. Підвищення енергоозброєності технологічних процесів розробки корисних копалин досягається використанням імпульсно-хвильових генераторів у ковшах екскаваторів, бурових долотах та трактах подачі сировини через активізацію середовища та трансформацію низькочастотних коливань зовнішніх джерел енергії до високочастотних коливань міжмолекулярних зв'язків гірських порід та концентрації їх у місцях резонансної модуляції породного масиву, що ліквідує енергетичне перенасичення технологічних процесів.

3. Оптимальне функціонування гірничих систем “породний масив - робочий орган - привід” базується на зменшенні обсягу єдиного показника - ядра ущільнення масиву, який визначає об'єм елемента стружки і входить у вперше розроблені моделі продуктивності, питомої енергоємності і ККД технологічного процесу з використанням молекулярно - хвильового підходу, що покращує технологічні показники механічного руйнування породного масиву.

4. Зниження на 10…12 % питомої енергоємності руйнування породного масиву та енерговитрат на формування ядра ущільнення, майже 2-х разове підвищення продуктивності і ККД технологічних процесів буріння, екскавації та перевантаження гірської маси при її транспортуванні досягається за рахунок активізації коливань електромагнітних зв'язків кристалічних решіток масиву імпульсно - хвильовим їх навантаженням.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

встановлені закономірності формування критеріальних параметрів виробничих граничних умов (П, q, ККД, К) функціонування гірничих систем при видобутку корисних копалин, які враховують фізико-механічні властивості породного масиву, параметри робочого органу і приводу гірничої системи на класичному і молекулярно-хвильовому рівні;

обґрунтовані залежності виробничих граничних умов функціонування гірничих систем від вхідних параметрів при системному аналізі, параметричному і аксіоматичному синтезі технологічних показників, які визначають логіку функціонування, теоретичні моделі гірничих систем, формалізацію та аксіомізацію їх оптимального функціонування;

встановлені функціональні залежності між технологічними показниками видобутку корисних копалин та питомою поверхневою енергією, постійною кристалічних ґрат, радіусом дії міжмолекулярних сил гірських порід, для ефективного керування найбільш енергоємним процесом формування ядра ущільнення при руйнуванні породного масиву, які використанні у новому методі створення гірничих систем класу ПМРОП;

визначені залежності продуктивності, питомої енергоємності, ККД і якості видобутку корисних копалин від висоти ядра ущільнення породного масиву, при класичному і молекулярно-хвильовому підходах для різних класів гірничих систем;

встановлені закономірності навантаження молекулярних зв'язків корисних копалин електромагнітними коливаннями субрезонансного діапазону, які надали змогу узгодження низькочастотних коливань зовнішніх джерел енергії і високочастотних коливань молекул породного масиву.

Наукове значення роботи полягає у теоретичному обґрунтуванні технології, параметрів і режимів відкритої розробки родовищ корисних копалин з енергоощадним руйнуванням молекулярних зв'язків гірських порід.

Практичне значення одержаних результатів:

розроблено інженерні методики розрахунку критеріальних ВГУ функціонування гірничих систем типу ПМРОП, як на класичному, так і на молекулярно-хвильовому рівні для енергоощадного буріння свердловин, екскавації гірських порід. Методики розрахунку критеріальних ВГУ використана при підготовці і проведені експериментальних досліджень у виробничих умовах АТ «Кварцит» та ВАТ «Прионежський кар'єр» (Росія, республіка Карелія) з фактичним економічним ефектом 1218396,5 рублів;

розроблено способи і засоби механічної трансформації частоти зовнішніх джерел енергії (акустичної, електромагнітної, гравітаційної) до рівня субрезонансних коливань молекулярних зв'язків породного масиву, забезпечення проходження гірської маси по трактах подачі сировини у вугільному і цементному виробництві. Гідроударники бункерні впроваджені у виробничих умовах Криворізького гірничо-цементного комбінату (4 шт), ВАТ «Павлоградвугілля» (6 шт), ВАТ «Подільський цемент» (12 шт). Фактичний економічний ефект склав 1470488 грн.;

розроблені технологічні схеми енергоощадного видобутку корисних копалин за рахунок використання керованих енергетичних потоків та імпульсно-хвильових систем, що знижує питому енергоємність та підвищує ефективність видобутку корисних копалин. Імпульсно-хвильові трансформатори для попередження налипання сировини на робочі поверхні труб на замовлення ВАТ «Укрнафта» впроваджені у нафтогазовидобувному управлінні «Охтирканафтогаз» з фактичним економічним ефектом 235565 грн.

Особистий внесок здобувача в роботах, які написані разом із співавторами полягає в наступному: [1] - написані розділи 4, 6 і 7; [8] - запропоновано спосіб перемикання стану антифазного ударника; [13] - обґрунтовані технологічні параметри функціонування гірничих систем; [14] - експериментально підтверджена ефективність хвильового очищення робочих поверхонь; [15] - визначені критерії енергоощадного руйнування гірських порід; [16] - обґрунтовані ВГУ функціонування гірничих систем; [17] - запропоновано визначати ВГУ через об'єм стружки; [18] - надано аналітичне обґрунтування вибору розміщення різців; [19] - визначені ознаки оцінки ефективності гірничих систем за ВГУ; [20] - розроблено математичну модель об'єму стружки; [21] - обґрунтовані технологічні параметри зміцнення робочої поверхні гідронасоса; [22] - визначені технологічні аспекти лазерного зміцнення поверхні гідронасоса; [23] - розроблені математичні моделі продуктивності, питомої енергоємності, ККД і якості функціонування гірничої системи; [24] - проведено параметричний синтез ВГУ гірничої системи; [25] - визначені показники життєвого циклу гірничої системи; [26] - сформульовано принцип керування антифазним ударником; [27] - сформульовані задачі керування ударником; [28] - належить технічне рішення кріплення робочого органа; [29] - обгрунтовано технічне рішення ударного вузла; [30] - обґрунтування хвильової передачі енергії; [31] - запропоновано принцип зміни кута навантаження поверхні бункера; [32] - визначені принципи підвищення ефективності проведення гірничих виробок; [33] - обґрунтовано технічне рішення зменшення енергії віддачі; [34] - обґрунтовано схему розміщення різців на робочому органі; [35] - належить аналітичне обґрунтування передачі енергії робочому органу; [36] - аналітичне визначення об'єму ядра ущільнення масиву; [37] - обґрунтовано енергоощадний принцип проходки гірничих виробок; [38] - складені математичні моделі технологічних показників бурових машин; [39] - розроблено схему активізації робочого органа; [40] - обґрунтовано принцип активізації робочого органу; [41] - експериментально підтверджено обрану технологічну схему руйнування породного масиву; [42] - розроблено алгоритм розрахунку ядра ущільнення породного масиву; [43] - обґрунтування математичної моделі міцності гірничих порід; [44] - складено молекулярно-хвильову модель міцності гірських порід; [45] - обґрунтовано режим зміцнення робочих поверхонь гідронасосів; [46] - створено пристрій для хвильової передачі енергії імпульсу породі; [47] - сформульовано принцип керування пристроєм; [48] - обґрунтовано режим лазерного обробки гідроприводу; [49] - експериментально підтверджено епіциклоїдні форми епюр навантаження породного масиву; [50] - проведено розрахунок енергетичних параметрів імпульсного вузла.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались на: 7 міжнародних науково-технічних конференціях у період з 1993 -2007 років, які відбувалися як на теренах України та Росії, так і у далекому зарубіжжі; 6-ти науково-практичних конференціях у 1991-1996 рр.; науково-технічних нарадах ВАТ “Подільский цемент” (Кам'янець-Подільський, 1990-1996 рр.); ВАТ “Укрнафта” (Київ, 1994, 1998, 2001- 2007 рр.); міжнародній науково-технічній конференції “Використання у ВАТ “Укрнафта” технологій та технічних засобів молекулярно-хвильових дій у різних технологічних процесах нафтовидобутку та переробки газу” (Алушта, 2000 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Стан і перспективи впровадження технології інтенсифікації видобування газу та нафти на родовищах України" (Івано-Франківськ, 2001 р.); 1-й міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (Львів, 2001 р.); 7-мій міжнародній науково-практичній конференції "Оцінка техногенного впливу на довкілля. Нові технології очищення промвідходів зворотних вод, переробки відходів". (Кременчук, 2002 р); 6-му міжнародному конгресі і Технічній виставці «Екологія - Технологія - Економіка - Водопостачання - Каналізація ЕТЕВК» (Ялта, 2007); вчених радах ГТФ та ІЕЕ, НТУУ “КПІ” (Київ, 2002-2007 рр.)

Публікації. За матеріалам дисертації опубліковано 50 наукових робіт, у тому числі один навчальний посібник з грифом Міністерства освіти і науки України, 23 статті в наукових фахових виданнях, з них 11 без співавторів, 17 тез доповідей, 8 патентів і 1 авторське свідоцтво.

Об'єм і структура роботи. Дисертація викладена на 284 сторінках, складається із вступу, 6 розділів, заключення і додатків на 124 сторінках, уміщує 68 рисунків, 65 таблиць, список використаних джерел із 204 найменувань на 20 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відмічено, що продуктивність видобутку корисних копалин є похідною від ефективності способу відділення гірської маси від породного масиву, тому у гірничий науці необхідно приділяти особливу увага розвитку технологічних прийомів руйнування гірських порід. Визначено наукову проблему, на розв'язання якої направлена дисертаційна робота, зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, мету і завдання дослідження, об'єкт, предмет та методи дослідження, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача в роботах, які написані разом із співавторами. Викладено дані щодо апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі наведено аналіз сучасних теорій руйнування породних масивів. Фундаментальний внесок у розвиток теорії енергоощадного руйнування гірських порід при розробці корисних копалин внесли дослідження виконані вченими ІГТМ НАНУ, ДНГУ, ДонНТУ, Донгіпровуглемаш, ІГС ім. А.О. Скочинського, КРТУ, МДНУ, ДДТУ, ДГМІ, інститутів Механобр, УкрНДІпроект, НДГРІ. Разом з тим, практично немає досліджень по обґрунтуванню і взаємному узгодженню елементів гірничої системи «Породний масив - робочий орган - привід» з урахуванням руйнування молекулярних зв'язків гірських порід. У існуючих теоріях руйнування для розрахунку силового навантаження різних середовищ використовують емпіричні формули. Різноманіття й зміни фізико-механічних властивостей гірських порід, непорівнянні умови проведення експериментальних досліджень, відсутність єдиних методик досліджень не забезпечують придатності накопичених знань для інженерних розрахунків і не дають можливість адекватної кількісної оцінки результатів досліджень різних авторів. У відомих теоріях руйнування не враховано функціональні зв'язки між такими важливими елементами гірничої системи як: привід машини, робочий орган і породний масив, а також відсутнє урахування молекулярної структури породного масиву, який підлягає руйнуванню.

Окремі дослідники процес руйнування представляють як випадкову послідовність елементарних відколів, якою характеризується формою відколів і їх кількісними показниками. Недоліком такого представлення процесу руйнування породного масиву є те, що не враховані параметри ядра ущільнення, яке коригує параметри стружкоутворення при видобутку корисних копалин. Як встановлено багатьма дослідженнями, (80…90) % роботи руйнування витрачається на формування ядра ущільнення.

Наявність вказаних недоліків приводить до зменшення ККД руйнування породного масиву і підвищення питомої енергоємності процесу руйнування. Відсутність урахування параметрів приводу, робочого органу і фізико-механічних властивостей гірських порід не дає можливості використовувати результати промислових випробувань у конкретних умовах без додаткового коригування з урахуванням зміни вказаних параметрів. На підставі проведеного аналізу сучасних досягнень науки і практики по даному напрямку сформульовані вищевказані мета і завдання дослідження.

У другому розділі розглянуто методологічні аспекти процесів руйнування молекулярних зв'язків корисних копалин. Для систематизації наявних науково-технічних досягнень з вказаної вище проблеми створено критеріальний метод дослідження. На основі наукового підходу з використанням відомих фундаментальних теорій, законів, відкриттів, винаходів, експериментальних, конструкторських, технологічних і експлуатаційних досягнень виконується системний аналіз і формуються чинники, що визначають життєвий цикл гірничої системи. Вхідні чинники розділені на три групи: перша група - вхідні чинники конструювання, технології виготовлення, експлуатації і ремонту машин; друга група - вихідні чинники, що безпосередньо визначають процеси руйнування породного масиву робочим органом при заданих характеристиках приводу гірничої системи, вхідні чинники конструювання, технології виготовлення, експлуатації, ремонту; третя група - вихідні показники життєвого циклу системи. Для прогнозування різних гірничих систем і синтезу подібних класів, мінімізації узагальнених показників виробничих граничних умов використано теорію матриць. Узагальнена математична модель усієї системи розробляється на базі синтезу окремих диференціальних моделей підсистем. Останні, у свою чергу, формуються при аналізі.

Функціонування систем ПМРОП ще не вивчалося з використанням критеріального синтезу як методу досліджень. Для складання математичних моделей ВГУ функціонування елементів системи, на етапі аксіоматичного синтезу, обрано єдиний параметр - об'єм ядра ущільнення, який визначає об'єм елемента стружки, що відокремлюється від породного масиву за один акт руйнування. Узагальнюючим цей параметр є тому, що він входить у всі математичні моделі ВГУ (продуктивність, питома енергоємність руйнування, якість системи, як відношення продуктивності до вартості робіт та ККД) функціонування системи ПМРОП.

Експериментальні дослідження, які проводилися у даній роботі, розглядалися з двох точок зору. З однієї сторони, попередньо передбачалося проведення експерименту з використанням комп'ютерної програми ”Math CAD” з визначення оптимальної відстані між різцями робочого органу при навантажені гірських порід. З другої сторони, планувалося проведення експерименту як самостійного дослідження з вивченням впливу на руйнування породного масиву основних чинників з використанням математичних методів планування багатофакторних експериментів. Експериментальні дослідження проводилися у виробничих умовах ТОВ ”Кварцит” та кар'єру «Прионежський» (Карелія, Росія) з вибору ВГУ функціонування екскаваторів ЕКГ-5А і бурових верстатів 2СБШ-200Н та впровадження практичних рекомендації.

Для зниження трудомісткості підготовки експерименту і порівняно великої протяжності проведення одного досліду у реальних умовах необхідно обрання планів з найменшим достатнім числом дослідів і виконання оптимізаційних задач. У даному дослідженні оптимізаційна задача полягає у тому, щоб одержати максимальну продуктивність і ККД видобутку корисних копалин при мінімальних питомих енерговитратах і якості ведення робіт. Для вирішення поставленої задачі доцільно було б обрати критерій D - оптимальності. Йому відповідає мінімальний об'єм еліпсоїда розсіяння помилок - мінімальний добуток всіх дисперсій полінома. Такий план мінімізує очікувану помилку передбачення функції відгуку. Але він є насиченим планом і використовується коли кількість чинників більше кількості точок плану. По співвідношенню між кількістю оцінюваних невідомих чинників математичної моделі і кількістю точок плану експерименту доцільно використовувати ненасичені плани. Цим умовам відповідають В-плани, які трохи поступаються D-оптимальним за величиною визначника інформаційної матриці, але за усіма іншими показниками не поступаються їм.

З багатьох чинників, що впливають на ефективність руйнування породного масиву, після ретельного ранжирування, відібрано чотири чинники: кількість різців на робочому органі; відстань між різцями, яка забезпечує однорідність поля навантаження; кут нахилу різців (кут між напрямком поля і нормаллю до поверхні контуру); площа контакту різця з породним масивом. Обрані чинники взаємно пов'язані, тому поверхню відгуку описує поліном другого степеня.

На підставі методичної сітки, з урахуванням прийнятих рівнянь і границь варіювання, побудовано матрицю планування в умовних змінних і у явному вигляді і матрицю обчислення коефіцієнтів регресії. При цьому черга проведення дослідів встановлюється таким чином, щоб перенастроювання експериментального оснащення при переході від одного досліду до іншого була мінімальною. Критерій оцінки приймався для рівня вірогідності (90…95) %, що не суперечить ГОСТ 26449.1-85, ДСТУ 4046:2001.

В третьому розділі проведено аналіз тисків під інструментом для синтезу просторових форм та математичних аналогів формування ядра ущільнення та стружкоутворення при руйнуванні породного масиву. Виконано оптимізацію параметрів функціонування системи ПМРОП та обґрунтовані ВГУ функціонування енергоощадної технології видобутку корисних копалин.

Занурення інструменту у масив супроводжується ущільненням елементів породного масиву з наступним обтіканням утвореного ядра ущільнення породою, що руйнується. На підставі моделі навантаження пружно-пластичного породного масиву для розриву контуру у вершині ядра необхідний тиск:

,

де Рк - контактна міцність породного масиву, Па;

f=10/hв - коефіцієнт загасання тиску при збільшенні глибини занурення інструменту в породний масив, в.о.;

hв - глибина занурення інструменту в породний масив, м;

hя і h1 - відповідно висота ядра ущільнення і стрілка округлення крайки інструмента, м.

Рішення рівняння відносно hя з розкриттям всіх складових дозволило встановити залежність висоти ядра ущільнення від фізико-механічних властивостей породного масиву, параметрів робочого органа і привода:

,

де Nп, Np - відповідно, потужність привода подачі і різання гірничої системи, Вт;

Рк - контактна міцність породного масиву, Па;

- коефіцієнт Пуассона, в.о;

- відповідно, межа міцності породного масиву на розрив та стиснення, Па;

Е- модуль пружності першого роду породного масиву, Па;

- напівширина різця робочого органу, м;

- ККД руйнування породного масиву, в.о;

Nі - кількість різців на робочому органі, шт.;

Vп, Vр - відповідно, швидкість приводу подачі та різання, м/с.

В основу розрахунку параметрів стружкоутворення у процесі руйнування гірських порід покладено те, що елемент відділення (стружка) обмежений з боку відкритої поверхні лінією Касіні:

,

де сhя - фокусна відстань лінії, яка пропорційна висоті ядра ущільнення породного масиву, мм;

а - параметр рівняння.

Різні співвідношення параметру рівняння і фокусної відстані дозволяють визначати різні форми стружок, які відокремлюються від масиву при його руйнуванні. Співвідношення a = 1.1 hя - охоплює форми стружки, що найчастіше зустрічаються. На рис. 1 показано розрахункову схему для визначення параметрів стружки і ядра ущільнення при руйнуванні породного масиву.

Елементарний об'єм руйнування (стружки) Vc є найбільш вагомим чинником, на базі якого формуються всі ВГУ. Він визначений після переведення останнього рівняння у циліндричну систему координат і інтегрування в обраних межах:

.

Для визначення Vc обрано метод чисельного інтегрування Сімпсона.

Вихід магістральної тріщини Хс на відкриту поверхню визначає об'єм стружки і представляється через єдиний параметр - висоту ядра ущільнення hя.

.

З обраних ВГУ потребує лише пояснення залежність ККД від параметрів стружки і ядра ущільнення. Залежність інших ВГУ від вказаних параметрів очевидна.

Коефіцієнт корисної дії при руйнуванні породного масиву:

,

де Ас, Ая - відповідно, робота на утворення ядра ущільнення породного масиву і стружки, Дж;

- відповідно, щільність стружки і ядра породного масиву, т/м3;

Vc, Vя - відповідно об'єм стружки та об'єм ядра ущільнення породного масиву, м3;

- відповідно прискорення різця робочого органа при утворенні стружки і ядра ущільнення породного масиву, м/с2.

Складені і апробовані математичні моделі об'ємів ядра ущільнення й елементарної стружки, яка відокремлюється від породного масиву за один акт руйнування. Ці моделі дали змогу визначати ВГУ функціонування гірничих систем на класичному рівні.

У четвертому розділі розглянуті закономірності функціонування системи ПМРОП при молекулярно-хвильовому підході у порівнянні з класичним підходом. Усі закономірності розглядалися відповідно критеріальному методу створення систем класу ПМРОП, який представлено структурою (рис. 2).

При молекулярно-хвильовому підході явище руйнування породного масиву оцінюється межею міцності на розрив міжмолекулярних електромагнітних зв'язків:

,

де m, і V - відповідно маса, кг, частота коливань, Гц і швидкість молекули, м/с;

h - постійна Планка, Джс;

d - діаметр молекули, м;

= 2b - критична відстань між молекулами породного масиву, при перевищенні якої слабне міжмолекулярна електромагнітна взаємодія, м;

Важливим чинником енергоощадного руйнування породного масиву є руйнування його міжмолекулярних зв'язків. Відомі й загальновизнані моделі взаємозв'язку між молекулами: Максвела, Фойгта, Кельвіна, Пойнтінга, Томпсона, Приндтля, Вінера, Бургаса та інших. Вони припускають сталість фізико-механічних констант матеріальних середовищ, що руйнуються. На сьогодні початі спроби розглядати фізико-механічні константи середовищ не як емпіричні уявлення з набором констант, а як функціональні аналітичні моделі, що змінюються в залежності від зовнішніх умов.

Так, межу міцності гірських порід на розрив представлено як:

.

Поверхнева енергія молекули гірської породи, Дж/м2:

,

де m - маса молекули породи, кг;

V- швидкість впливу на породу робочим органом, м/с;

dm - діаметр молекули, м.

Швидкість впливу на породний масив робочим органом:

де = h/(m·с) - довжина хвилі, м;

с - швидкість світла, м/с;

- маса молекули в стані спокою, кг;

- власна частота коливання молекули, Гц.

Для визначення відстані між двома сусідніми взаємодіючими молекулами використане наступне рівняння:

,

де N - загальне число атомів (іонів) в упакуванні кристалів породного масиву.

Аналіз результатів показує достатню відповідність результатів розрахунків за пропонованою методикою з експериментальними даними (табл.1).

Таблиця 1 Порівняння розрахункових і експериментальних значень межі міцності на розрив для деяких гірських порід

Гірська порода	Розрахунок , МПа	Експеримент , МПа
Гіпс	20,19	19,88
Вапняк	76,36	76,77
Пісковик кварцовий	121,02	122,24

Енергетичний стан кристалічних структур можна описати рівнянням Шредінгера. Відповідно до положень теорії відносності у всіх процесах зберігається повна енергія часток. Таким чином, частина енергії спокою може перетворюватися в кінетичну енергію.

Аналіз електромагнітних зв'язків, їх структури, умов розриву виконано на прикладі граніту. Визначена енергія молекулярних електромагнітних зв'язків підсистеми “ Породний масив ”:

, Дж .

Розглянуто вплив на електромагнітні зв'язки граніту, що оброблюється керованими енергетичними потоками. Для цього використано ультразвукові коливання. Для рішення задач ефективної обробки породних масивів із високою власною частотою достатнє розкладання рівняння коливань зовнішнього джерела в ряд Фур'є й вплив на масив коливаннями, частоти яких рівні або близькі до частот у другій або наступній гармоніках ряду Фур'є. У результаті резонансу відбувається розрив електромагнітних зв'язків породного масиву. Розрахунок власних коливань породного масиву проводиться за допомогою матричного обчислення.

Складено і вирішено рівняння частоти власних коливань молекулярних зв'язків породного масиву, що підлягає руйнуванню. Перевагою запропонованих математичних моделей є урахування як пружних, так і пластичних властивостей породного масиву на молекулярно-хвильовому рівні. Ця математична модель розглядає поздовжні коливання породного масиву і придатна для розглянутого випадку без істотної втрати точності й адекватності реальним процесам. З урахуванням того, що сила пружності представлена силами Кулона й гравітаційної взаємодії, можемо записати:

,

де - середня довжина молекулярного зв'язку, м;

q1 q2 i m1 m2 - відповідно заряди і маси молекул, Кл і кг;

G=6,67 10-11- гравітаційна стала, м3/(кгс2);

- довжина хвилі, м.

Після підстановки чисельних значень в наведене рівняння отримано спектр коливань. Тобто для кожного значення довжини хвилі одержано своє значення частоти власних коливань . В роботі наведені приклади числових розрахунків власних частот коливань різних видів молекулярних зв'язків.

За допомогою програмного пакета MathCAD v7.0 Pro побудований графік функції резонансного впливу на міжмолекулярні зв'язки оброблюваного середовища, наприклад, граніту (рис. 3).

Промисловість ще не налагодила випуск генераторів на частоти діапазону сотень ГГц. Тому необхідно використовувати метод механічної трансформації частоти. Суть методу полягає в тому, що використовується первинне зовнішнє “низькочастотне” джерело коливань, наприклад ультразвукової частоти. Коливання первинного “низькочастотного” джерела з ультразвуковою частотою передаються у породний масив, трансформуються в “високочастотні ”коливання, і збуджують коливання вторинного внутрішнього джерела. Таким високочастотним, вторинним внутрішнім джерелом коливань є молекули породного масиву. Якщо розглядати молекули як мембрани, то їхні коливання можуть досягати надвисоких частот. Ці частоти будуть визначатися часом релаксації внутрішніх мембранних осциляторів. Коливання молекул забезпечують змінні навантаження в міжмолекулярних зв'язках. Таким чином, забезпечується механічна трансформація частоти, тому що утворено коливальну систему з “низькочастотним” первинним зовнішнім джерелом і вторинним високочастотним внутрішнім джерелом коливань. Якщо енергії зовнішнього джерела досить для приведення коливальної системи в резонансний режим, то забезпечуються розрив того міжмолекулярного зв'язку, власна частота якого збігається або наближається до однієї з гармонік коливань зовнішнього джерела.

В цьому розділі розглянуто також вплив трансформованих енергетичних потоків на структуру різних породних масивів. Спільний і одночасний вплив на породний масив фізико-механічних імпульсних навантажень змінює питому поверхневу енергію молекулярних структур і забезпечує розрив міжмолекулярних зв'язків масиву. Кількісне значення поверхневої енергії при впливі на молекулярну структуру зовнішніх енергетичних потоків визначено за формулою:

,

де m - маса молекули породного масиву, кг;

V - швидкість руху молекули при розриві електромагнітних зв'язків, м/с;

b - відстань між молекулами при їхньому рівноважному стані, м.

У розділі 5 проведено порівняння класичного і молекулярно-хвильового підходу визначення ВГУ функціонування гірничих систем. Порівнянність, або кількісний збіг мікро- і макрорівневих результатів дослідження забезпечують підготовку більш об'єктивних практичних рекомендацій і ряд інших переваг.

У кристалічному тілі атоми утворюють правильно повторювані конфігурації. У різних напрямках щільність атомів різна. У гранецентрованій і в об'ємно центрованій системах є три головні площини з індексами (100), (110) і (111). Таке позначення назване індексами площин або індексами Міллера. Гірські породи являють собою неоднорідні анізотропні тіла. Стійкість дії зовнішніх навантажень визначають сили адгезії. Ступінь адгезійної взаємодії твердих тіл, а також їхня взаємодія з навколишнім середовищем визначається поверхневою енергією твердого тіла, тобто роботою, необхідною для створення нових поверхонь.

Гілманом (1932) запропоновано, а Обреімовим І.В.(1932…1934 рр.) експериментально підтверджено вираз для обчислення поверхневої енергії площин спайності різних тіл:

, Дж/м2 ,

де Е - модуль пружності тіла, Па;

Yо - відстань між сусідніми площинами розщеплення, м;

а0 - радіус дії міжмолекулярних сил притягання, м.

Це дало змогу представити класичні математичні моделі на молекулярно-хвильовому рівні

Визначені залежності продуктивності і питомої енергоємності (рис.4, а), ККД і якості функціонування (рис.4, б), екскаватора ЕО-4321 при керуванні швидкістю подачі (класичний підхід).

Площини спайності мають мінімальну поверхневу енергію. Об'ємно центровані кубічні решітки різних матеріалів розщеплюються уздовж площин з індексами Міллера (110), тобто поводяться відповідно до гіпотези про мінімальну поверхневу енергію площин спайності.

Модуль пружності підсистеми “Породний масив” у площині з індексом Міллера (110):

.

Теоретично встановлена й експериментально підтверджена наявність функціональних зв'язків між питомою поверхневою енергією , модулем пружності першого роду Е породного масиву, радіусом дії міжмолекулярних сил притягання ао й відстанню між сусідніми площинами розщеплення Yо.

На підставі досліджень зазначених авторів вдалося представити математичну модель висоти ядра ущільнення на мікрорівні у вигляді:

.

Після підстановки кількісних даних в останнє рівняння можна визначати об'єм одиничної стружки за елементарний акт руйнування породного масиву. А оскільки ВГУ є функціями об'єму стружки і ядра ущільнення, можливо встановити функціональні залежності між ними на мікрорівні, використовуючи молекулярно-хвильовий підхід. Складена програма розрахунку ВГУ екскаватора ЕО-4321. Побудовані графічні залежності висоти й об'єму ядра ущільнення, об'єму стружки (рис.5, а) і продуктивності, питомої енергоємності, ККД та якості екскавації мерзлих суглинків (рис.5, б) від швидкості подачі екскаватора ЕО-4321 (молекулярно-хвильовий підхід).

Отримані залежності висоти ядра ущільнення, об'єму стружки, продуктивності, питомій енергоємності, ККД і якості екскавації від зміни швидкості подачі мають 3 характерних режими (ділянки на графіках): перший - у діапазоні швидкостей подачі від 0.2 до 0.4 м/с; другий - у діапазоні від 0.4 до 0.5 м/с і третій - при швидкості подачі вище 0.5 м/с. Рекомендованим режимом роботи є другий. У цьому режимі при збільшенні швидкості подачі в 1.25 рази від 0.4 до 0.5 м/с висота ядра ущільнення зменшилася на 6 % (з 5.12 до 4.83 см); питома енергоємність зменшувалась більш інтенсивно в 2.25 рази (з 3754,9 до 1669,9 Вт год/м3). При цьому продуктивність зросла в 2.25 рази (з 22.37 до 50.30 м3/год), тому що в 2.12 рази збільшився об'єм елементарної стружки (з 12.589Е-5 до 26.693Е-5 м3). Максимальний ККД (28,44 % ) досягнуто при швидкості подачі 0.5 м/с з подальшим його зниженням до 27.83 % при збільшенні швидкості подачі до 0.8 м/с. Найбільше значення якості екскавації 4.01 м3/(год.грн.) досягається також при швидкості 0.5 м/с із подальшим її падінням до значення 3.73 м3 /(годгрн) при рості швидкості подачі до 0.8 м/с.

Порівняння виробничих граничних умов функціонування екскаватора ЕО-4321, при розробці мерзлих суглинків, на макро- і мікрорівнях показало, що розбіжність кількісних значень ВГУ й основних параметрів системи ПМРОП перебуває в діапазоні: висоти ущільнення hя - від 4,63 до 5,19 %; довжини елемента руйнування Хр - від 4,71 до 5,62 %; продуктивності П екскаватора ЕО-4321- від 9,72 до 9,75 %; питомої енергоємності q екскавації - від 9,67 до 9,75%; ККД екскавації ґрунтів V-VIII категорії - від 2,53 до 14,41 %; якості екскавації К=П/С - від 9,70 до 9,76 %.

Аналогічні порівняльні дослідження проведені також для:самохідного бурового верстату шарошкового буріння 2СБШ-200Н; роторного екскаватора СРС- 2000-28/3,5; крокуючого екскаватора ЕШ-6,5/45У; бурової установки УБК-2000/3000-8; колонкового свердла ЕБГП-1; ручного свердла СЕР-19; штрипсового верстата СМР-043; механізованого прохідницького щита ПМЩ-2.1Б комплексу КЩ-2.1Б. Проведено аналіз робочих режимів і підготовлені практичні рекомендації по вибору оптимальних ВГУ для вказаних гірничих машин.

У розділі 6 наведені результати промислової реалізації критеріального методу створення гірничих систем ПМРОП. Створено і впроваджено у виробництво імпульсно-хвильові трансформатори (ІХТ), кавітаційно-хвильові генератори (КХГ) й генератори акустичних коливань (ГАК) на п'єзокерамічних елементах для навантаження середовища. Випробування і впровадження наукових розробок з вибору і підтримання оптимальних значень ВГУ функціонування проводилося у виробничих умовах України та і у інших регіонів. Руйнування породних масивів виконавчими органами бурових станків і кар'єрних екскаваторів проводилися у виробничих умовах відкритого акціонерного товариства ”Кварцит” та ВАТ ”Прионежський кар'єр”(республіка Карелія, Росія). Перед проведенням виробничих випробувань визначались фізико - механічні властивості породного масиву. На кар'єрі ВАТ ”Кварцит” породний масив представлено гранітами з: межею міцності на стискання - 200…250 МПа; коефіцієнтом Пуассона - 0,23...0,25; буримісттю (10…11). На підставі складених моделей, які визначають оптимальні значення з точки зору досягнення максимальної продуктивності при мінімальних енергетичних втратах, рекомендовано оптимальні режими буріння, з швидкістю подачі (1,6…2.3) м/хв. Пробурено 10 свердловин діаметром 200 м і глибиною 12 м.