Materiały pomocnicze do ćwiczenia Badania oporów urabiania skał zwięzłych nożami o różnym ukształtowaniu 1. Skały

Transkrypt

1 Materiały pomocnicze do ćwiczenia Badania oporów urabiania skał zwięzłych nożami o różnym ukształtowaniu 1. Skały Skała jest naturalnym zespołem minerałów, rzadziej także bezpostaciowych składników nieorganicznych i organicznych, powstałym w wyniku działania określonych procesów geologicznych i kosmologicznych, stanowiącym zwykle geologicznie możliwą do wyodrębnienia jednostkę strukturalną. Z punktu widzenia genezy powstawania skał, można je podzielić na: magmowe, osadowe i metamorficzne. Skały magmowe powstają w wyniku zestalania lawy/magmy. Skały osadowe powstają w wyniku sedymentacji, np. w zbiornikach wodnych. Skały metamorficzne powstają w wyniku procesów metamorficznych (wysokie ciśnienie lub temperatura) zachodzących w istniejących już skałach. Skały z punktu widzenia mechanicznego można podzielić również na sypkie, zwięzłe i lite. Poznanie i eksploatacja nagromadzeń minerałów i skał (złóż) wpisane są w działalność człowieka od tysięcy lat. Eksploatacja wielu z nich przynosi korzyść w postaci, przede wszystkim, wydobycia drogocennych metali i kamieni, rud żelaza, cynku, miedzi itp., a także węgla. Do istotnych wskaźników właściwości fizycznych skał należą: gęstość właściwa, wytrzymałość na ściskanie, twardość, ścieralność. Klasyfikację skał ze względu na ich wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie przedstawiono w tab. 1. Tab. 1. Kryterium oceny skał na podstawie wytrzymałości na ściskanie (wg wytycznych USDA) Wytrzymałość na ściskanie jednoosiowe UCS [MPa] Ocena twardości <0,6 Grunt 0,6-1,25 Bardzo miękka 1,25-5,0 Miękka 5,0-12,5 Średnio miękka 12,5-50 Średnio twarda Twarda Bardzo twarda >250 Ekstremalnie twarda Innym powszechnie stosowanym kryterium oceny jest skala twardości Mohsa (tab. 2). Metodą tą twardość wyznacza się poprzez rysowanie minerału innym minerałem. Tab. 2. Kryterium oceny twardości skał. Minerał Skala twardości Mohsa Talk 1 Gips 2 Kalcyt 3 Fluoryt 4 Apatyt 5 Szpat 6 Kwarc 7 Topaz 8 Korund 9 Diament 10

2 2. Urabianie Urabianiem nazywamy proces oddzielania części ośrodka skalnego od calizny złoża lub od zwału ośrodka rozdrobnionego. Pierwotne sposoby urabiania skał sprowadzały się do ręcznego ich kruszenia i łupania. Współcześnie stosuje się głównie metody urabiania mechanicznego lub materiałami wybuchowymi. Sposoby urabiania skał: - ręczne, - mechaniczne, - materiałami wybuchowymi, - hydrauliczne, - metodami specjalnymi. Rys. 1. Klasyfikacja sposobów mechanicznego urabiania skał i ośrodków rozdrobnionych [1] Rys. 2. Sposoby mechanicznego urabiania skał i ośrodków rozdrobnionych: a - wykruszanie, b - skrawanie, c - zrywanie, d - kopanie, e - spychanie, f - zgarnianie, g - nabieranie, h - nagarnianie [1]

3 Najczęściej stosowanym sposobem urabiania skał zwięzłych są metody mechaniczne. Względem urabiania materiałami wybuchowymi mają kilka zalet, w tym prawdopodobnie największą - umożliwiają prowadzenie ciągłego procesu urabiania, podczas gdy materiały wybuchowe wymagają pracy w cyklach: wiercenie, detonacja, oczyszczanie, przygotowanie. Poza tym, detonacje wywołują wstrząsy, które naruszają otaczający górotwór, a także, w przypadku prac podziemnych, utrudniają otrzymanie chodnika o pożądanym kształcie. a) Wykruszanie Skały zwięzłe najczęściej urabia się mechanicznie poprzez wykruszanie lub skrawanie. Wykruszanie polega na nacisku narzędzia na skałę, w wyniku czego, w jego obrębie następuje miażdżenie skały: niszczenie spójności i odrywanie cząstek od calizny. Można wyróżnić wykruszanie statyczne lub dynamiczne. Rys. 3. Schemat wykruszania narzędziem działającym prostopadle do skały: a - narzędzie z płaską powierzchnią, b - narzędzie z klinowym ostrzem, 1 - narzędzie klinowe, 1 - klin ze sprasowanej skały, 2 - strefa sprasowania, 3 - odłam skalny b) Skrawanie W porównaniu do procesu wykruszania proces skrawania różni się przede wszystkim tym, że oddziaływanie strefy sprasowania, wytworzonej narzędziem, jest ukierunkowane częściowo w stronę wolnej (osłabionej) powierzchni ośrodka skalnego, co ułatwia oddzielenie go od całości. Narzędzie (nóż) wykonuje ruch w przybliżeniu styczny do powierzchni skały, wycinając w niej bruzdę. Niszczenie struktury powstaje głównie w wyniku działania naprężeń ściskających/rozciągających jak i ścinających. W skrawanej skale, pod wpływem działania narzędzia, w pobliżu styku jego czołowej powierzchni z ośrodkiem, powstaje strefa sprasowania, której wielkość zależy głównie od kąta nachylenia czołowej ścianki narzędzia (kąt skrawania). Strefa ta oddziałuje na kolejne partie skały, wywołując w nich na określonych płaszczyznach graniczny stan naprężeń powodujący utratę spójności i odrywanie partii skały od calizny (rys. 4). Skrawanie uznaje się za najbardziej efektywną metodę urabiania mechanicznego skał zwięzłych. Rys. 4. Schemat skrawania ośrodków skalnych: a - z kątem skrawania α s < π/2, b - z kątem skrawania α s > π/ narzędzie, 2 - strefa sprasowania ośrodka, 3 - strefa utraty spójności ośrodka [1]

4 Skrawanie można zasadniczo podzielić na: - struganie - noże skrawające mocowane są w głowicy, która otrzymuje podstawowy ruch roboczy prostoliniowy i cykliczny ruch posuwowy prostopadły do kierunku ruchu głównego realizowany po zakończeniu skrawania jednej warstwy; - wrębienie - noże skrawające mocowane są do cięgna elastycznego prowadzonego w prowadnicy wrębnika i otrzymują ruch roboczy prostoliniowy zgodny z kierunkiem przemieszczania się cięgna i ruch posuwowy w przybliżeniu prostopadły do kierunku roboczego; - frezowanie - noże skrawające mocowane są na głowicy z podstawowym obrotowym ruchem roboczym oraz ruchem posuwowym w przybliżeniu prostopadłym do osi obrotu głowicy; - wiercenie - noże skrawające mocowane są na elemencie o obrotowym ruchu roboczym i ruchu posuwowym równoległym do osi obrotu (rys. 5). Rys. 5. Zasady pracy zespołów skrawających: a - struganie, b - wrębienie, c - frezowanie, d - wiercenie [1] Struganie Struganie polega na przeciąganiu głowicy wyposażonej w zestaw noży skrawających, wzdłuż urabianej ściany (wzdłuż przenośnika taśmowego). Głowica struga przeciągana jest przez cięgno łańcuchowe, prowadzona wzdłuż prowadnic przytwierdzonych do ramy przenośnika. Po skrojeniu warstwy głowica zatrzymuje się i następuje dosunięcie przenośnika i głowicy o głębokość skrawu do ściany. Głowica po wykonaniu skrawu jest obracana tak, aby noże uprzednio pracujące zostały odsunięte od calizny. Strug węglowy przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Strug węglowy [2]

5 Wrębienie Wrębienie polega na urabianiu przez zespół wrębnika w formie łańcucha wyposażonego w noże skrawające, prowadzonego i przemieszczanego w prowadnicach. W procesie urabiania nożom nadawany jest ruch styczny do calizny, natomiast wrębnikowi ruch posuwisty w kierunku normalnym do powierzchni calizny. Wrębiarki obecnie zostały prawie zupełnie wyparte przez kombajny urabiające. Rys. 7. Wrębiarka [3] Frezowanie Frezowanie polega na urabianiu głowicą wyposażoną w noże skrawające umieszone na obwodzie obrotowej bryły. Występują różne postacie bryły: półkula, bęben/walec lub stożek. Głowica urabiająca ma zadanie zarówno odspajać materiał jak i usuwać urobek ze ściany na przenośnik. Funkcję odspajania spełniają odpowiednio rozłożone na powierzchni noże. Ich ułożenie powinno umożliwiać skrawanie w przybliżeniu takiej samej wielkości skrawu od calizny, co ma wpływ na uziarnienie urobku. Funkcję usuwania urobku spełnia najczęściej ślimakowo uformowana powierzchnia głowicy, która przemieszcza urobek poza głowicę. Do frezowania wykorzystuje się kombajny ścianowe oraz chodnikowe: tarczowe, głowicowe lub łańcuchowe. Wśród kombajnów chodnikowych można również wyróżnić kombajny wiercące, urabiające cały przekrój chodnika równocześnie. Rys. 8. Kombajn górniczy ścianowy [4]

6 Wiercenie Wiercenie ośrodków skalnych może odbywać się przy pomocy głowic wiercących o dużych średnicach lub wierteł o niezbyt dużych średnicach, stosowanych w wiertnicach. Istnieje różne rozwiązania konstrukcyjne głowic wiercących, najczęściej jednak można je podzielić na te o ramionach ułożonych osiowo (wzdłuż kierunku urabiania) i promieniowych (poprzecznie do kierunku urabiania). W kombajnach wiercących urabiających cały przekrój chodnika zwykle stosuje się dodatkowe głowice frezujące, wyrównujące spąg i strop chodnika (rys. 9). Rys. 9. Kombajn wiercący o ramionach promieniowych, urabiający cały przekrój chodnika [5] 3. Noże skrawające Najpopularniejszą metodą skrawania ośrodków skalnych jest frezowanie. Wspólną cechą różnych typów frezowania jest zastosowanie noży skrawających umieszczonych na głowicy skrawającej. Wyróżniamy trzy główne typy noży (rys. 10): promieniowe - o podłużnej osi noża ułożonej równolegle do promienia głowicy, styczne - o podłużnej osi noża nachylonej pod kątem do promienia głowicy, z nożem o płaskim kształcie, styczno-obrotowe - o podłużnej osi noża nachylonej pod kątem do promienia głowicy, z nożem kołowo-symetrycznym (tzw. noże samoostrzące).

7 Rys. 10. Noże kombajnów frezowych: a - promieniowy, b- styczny, c - styczno-obrotowy [1,6] c) 4. Proces skrawania Ze względu na maszyny urabiające, a zwłaszcza dobór narzędzi urabiających i mocy napędowej, wymaganej do realizacji procesu urabiania, podstawową wielkością wyjściową jest sumaryczna wartość oddziaływania ośrodka na narzędzie, czyli tzw. opór urabiania. Na przebieg procesu skrawania, a co za tym idzie na opór skrawania, ma wpływ szereg czynników. Niektóre z nich związane są z urabianym materiałem, niektóre z narzędziem, a niektóre z parametrami procesu. Należą do nich m.in.: właściwości skały, takie jak: rodzaj skały (wytrzymałość na ściskanie/rozciąganie, spoistość, kąt tarcia wewnętrznego i zewnętrznego) oraz jej tekstura (uławicenie, spękanie, defekty, odprężenie), a także inne cechy geotechniczne, które mogą utrudniać proces urabiania, kąt ostrza oraz promień jego krawędzi tnącej, kąt natarcia, kąt skrawania, kąt przyłożenia (rys. 11), szerokość noża, parametry procesu takie jak: prędkość urabiania, kierunek urabiania, głębokość i typ skrawu (rys. 12), szerokość skrawu. Rys. 11. Ostrze skrawające ośrodek skalny: α s - kąt skrawania, β - kąt ostrza, γ - kąt natarcia, δ - kąt przyłożenia, ψ - kąt bocznego rozkruszenia skrawu, b - szerokość noża, h - głębokość skrawu, A s - powierzchnia przekroju poprzecznego skrawu [1]

8 Rys. 12. Podstawowe typy skrawów: a - otwierający, b - półotwarty, c - otwarty, d - wgłębiony, e - półwgłębiony Dotychczas brak jest sprawdzonych zależności między wielkościami fizycznymi, a oporami urabiania, w postaci związków konstytutywnych. Stąd też, w praktyce opór skrawania określa się w przybliżeniu, metodami analitycznymi, bądź doświadczalnymi. W literaturze znaleźć można wiele opisów procesu niszczenia struktury skał zwięzłych narzędziami mechanicznymi. Jeden z modeli analitycznych opisujących proces skrawania nożem klinowym symetrycznym poprzez odrywanie materiału zwięzłego (model Evansa) przedstawiono poniżej. Zakłada on, że niszczenie skały spowodowane jest przekroczeniem naprężeń rozciągających na powierzchni cylindrycznej oddzielanego od calizny elementu (rys. 13). Na jego podstawie możliwe jest określenie siły skrawania jako: gdzie: b - szerokość ostrza noża, h - głębokość skrawania, R r - wytrzymałość skały na rozciąganie, β - kąt ostrza, φ z - kąt tarcia między skałą, a narzędziem. F s = 2bhR rsin (β + φ z ) 1 sin (β + φ z ) Rys. 13. Model procesu skrawania przez odrywanie zwięzłego materiału kruchego klinowym narzędziem symetrycznym, 1 - narzędzie, 2 - odrywany element materiału

9 Należy pamiętać, że powyższy model zakłada szereg uproszczeń i uwzględnia on jedynie jednostkowe zdarzenie, a nie proces losowy przebiegający w czasie, jednakże umożliwia on na oszacowanie oporów skrawania, co jest istotne z punktu widzenia doboru narzędzi czy mocy maszyny roboczej. Metody doświadczalne wyznaczania oporów urabiania nie wnikają w fizyczną naturę procesu, a jedynie określają pewne korelacje między oporami urabiania, a czynnikami mającymi wpływ na ich wartości. Rzeczywisty proces skrawania skały jest bardzo złożony. W przybliżeniu wygląda on następująco: narzędzie naciskając na skałę miażdży jej strukturę, najpierw w miejscu styku, a następnie pod wpływem działania skruszonych uprzednio cząstek, odrywa kolejne większe elementy calizny. W wyniku tego procesu na nożu występuje zmienna siła, przedstawiona na rys. 14. W miarę przemieszczania się ostrza w głąb calizny skały opór zwiększa się, a następnie, w chwili oderwania się większej cząstki, siła ta maleje. W skałach o większej plastyczności, przebieg ten jest bardziej równomierny. Złożoność procesu skrawania nie pozwala na dokładne określenie oporów i scharakteryzowanie urabialności skały jednym wskaźnikiem. W rzeczywistości, stopień urabialności skały zależeć będzie m.in. od: jednostkowego oporu skrawania, odnoszonego do powierzchni przekroju skrawu lub jego głębokości, kąta bocznego rozkruszenia skrawu ψ, współczynnika nierównomierności sił skrawania, wyrażonego stosunkiem wartości sił maksymalnych do średnich, ścieralność skały, wyrażona stopniem zużycia narzędzia skrawającego, pracującego określony czas. Rys. 14. Schemat współpracy ostrza skrawającego ze skałą zwięzłą: a - kolejne położenia noża 1,2,3,4 i płaszczyzny poślizgu (1-1, 2-2, 3-3, 4-4 ), b - przekrój skrawu otwierającego, c - wykres sił oporu skrawania [1] Z doświadczeń wynika, że średni opór skrawania skały zwięzłej zależy od jednostkowego oporu skrawania k A i powierzchni przekroju skrawu A s: F s = k A A s

10 5. Energochłonność procesu odspajania Z punktu widzenia opłacalności procesu odspajania (skrawania), jednym z najistotniejszych wskaźników opisujących ten proces jest energochłonność. Jej miarą może być jednostkowa praca odspajania, definiowana jako praca konieczna do odspojenia jednostki masy urobku: gdzie: K m - jednostkowa praca odspajania, W o - praca odspajania, m - masa urobku. K m = W o m Wartość pracy odspajania wyznacza się jako: gdzie: F o - siła odspajania, s - droga odspajania. s W o = F o ds 0 Na opory skrawania, a co za tym idzie, energochłonność procesu, wpływ ma wiele czynników. Wśród nich są zarówno właściwości samej skały (na które wpływu nie mamy) oraz parametry narzędzia i procesu urabiania (na które wpływ z reguły mamy). Poniżej kilka przykładów zależności jednostkowego oporu skrawania od różnych parametrów procesu. Rys. 15. Jednostkowy opór skrawania k A węgla kamiennego w funkcji kąta skrawania α s [1] Rys. 16. Zależność jednostkowego oporu skrawania k A węgla kamiennego o wskaźniku energetycznym f od prędkości skrawania u s [1]

11 Rys. 17. Zależność jednostkowego oporu skrawania k A piaskowca od głębokości skrawania h s [1] Rys. 18. Zależność jednostkowego oporu skrawania k A węgla kamiennego od szerokości noża b [1]

12 Literatura: 1. Kazimierz Pieczonka, Inżynieria Maszyn Roboczych, Część I. Podstawy urabiania, jazdy, podnoszenia i obrotu, Oficyna Wydawnicza PWr, %20/Kombajn%20%C5%9Bcianowy%20KSW_460NE1.jpg Opracowano na podstawie: Kazimierz Pieczonka, Inżynieria Maszyn Roboczych, Część I. Podstawy urabiania, jazdy, podnoszenia i obrotu, Oficyna Wydawnicza PWr, 2007 D. Vogt, A review of rock cutting for underground mining: past, present, and future, The Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, V. 116, 2016, pp J. Podgórski, J. Jonak, Numeryczne badania procesu skrawania skał izotropowych, Lubelskie Towarzystwo Naukowe, Lublin 2004 National Engineering Handbook, Chapter 4: Engineering Classification of Rock Materials, United States Department of Agriculture, 2012 Materiały producentów maszyn urabiających