RU2171374C1

RU2171374C1 - Device for hydromechanical breakage of rocks

Info

Publication number: RU2171374C1
Application number: RU99125810A
Authority: RU
Inventors: И.В. Кондратов; А.А. Рогачев; В.В. Сенкус
Original assignee: Кондратов Игорь Владимирович; Рогачев Александр Александрович; Сенкус Витаутас Валентинович
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2001-07-27

Abstract

FIELD: devices for hydromechanical breakage of rocks; applicable in actuating members of mining machines. SUBSTANCE: device includes cutting tool and jet-forming nozzles for supply of water jets onto rock mass to be broken in direction of cutting. Nozzles are rigidly secured to cutter sides and directed to side of point of intersection of main cutting edge with side cutting edges of cutter. Longitudinal axes of nozzles are away from said points at distance equaling half of diameter of nozzles. EFFECT: reduced energy input in process of hydromechanical breakage of rocks. 5 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам гидромеханического разрушения горных пород и может быть использовано в исполнительных органах горных машин. The invention relates to devices for hydromechanical destruction of rocks and can be used in the executive bodies of mining machines.

Эффективность совместного воздействия на горный массив струй воды и механического режущего инструмента зависит от их взаимной ориентации в процессе разрушения. The effectiveness of the joint impact on the rock mass of water jets and a mechanical cutting tool depends on their mutual orientation in the process of destruction.

Известны устройства для гидромеханического разрушения горных пород (Храмешкин С. И. Исследование закономерностей и выбор параметров схем гидромеханического резания угля. //Автореф. дисс. канд. техн. наук / ИГД им. А. А. Скочинского, - М., 1977. - 12 с.; Гольдин Ю.А. и Фролов B.C. Выбор рациональных параметров гидромеханического способа разрушения горных пород.: Науч. тр. /ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 1982, вып. 207.//Разрушение углей и горных пород и их физико-механические свойства. - С. 55-62), включающие режущий инструмент (резец) и струеформирующее сопло для подачи воды. В этих устройствах струеформирующее сопло расположено так, что струя воды высокого давления нарезает опережающую щель в массиве или перед резцом (струя воды и резец располагаются в одной линии резания), или в плоскости боковой поверхности скола, или сбоку от резца в направлении изображенной части массива. При использовании таких устройств снижаются нагрузки на режущий инструмент, повышается выход крупного класса продукта разрушения и значительно снижается запыленность рудничной атмосферы. Known devices for hydromechanical destruction of rocks (S. Khrameshkin. Study of patterns and selection of parameters of schemes for hydromechanical coal cutting. // Abstract of thesis. Candidate of Technical Sciences / IHD named after A. A. Skochinsky, - M., 1977. - 12 p .; Goldin Yu.A. and Frolov BC The choice of rational parameters of the hydromechanical method of rock destruction .: Scientific TR / IGD named after A. A. Skochinsky. - M., 1982, issue 207.// Destruction coals and rocks and their physical and mechanical properties. - P. 55-62), including a cutting tool (cutter) and a jet-forming nozzle for the hearth chi water. In these devices, the jet forming nozzle is positioned so that a high-pressure water jet cuts the leading gap in the array or in front of the cutter (the water jet and the cutter are located in the same cutting line), or in the plane of the side surface of the cleavage, or to the side of the cutter in the direction of the depicted part of the array. When using such devices, the load on the cutting tool is reduced, the yield of a large class of the destruction product is increased, and the dust content of the mine atmosphere is significantly reduced.

Недостатком этих устройств является то, что для нарезки щели струей воды требуются большие затраты энергии, связанные с высокими скоростями резания механических исполнительных органов (до 5 м/с), что приводит к необходимости применения сверхвысоких давлений, следовательно, к высокой энергоемкости процесса разрушения в целом. The disadvantage of these devices is that for cutting a slit with a water jet, large energy costs are required associated with high cutting speeds of mechanical actuators (up to 5 m / s), which leads to the need for ultrahigh pressures, and therefore to a high energy intensity of the fracture process as a whole .

Известно устройство для бесщелевого гидромеханического разрушения горных пород (Хеннеке Ю. Резание крепких горных пород резцами и струями воды высокого давления. : Глюкауф, 1977, N 14, - С. 33-35), включающее режущий инструмент и одно или два струеформирующих сопла, расположенных таким образом, что истекающие из сопел струи воды воздействуют на горный массив непосредственно перед резцом, в зоне его контакта, где со стороны резца на массив действуют максимальные давления. При этом струи воды не нарезают опережающие щели, а влияют на разрушение массива за счет проникновения воды в возникающие перед резцом волосные трещины и с помощью гидравлического клина отделяют частицы материала от массива. Отмечается, что оптимальными местами воздействия струй воды являются зоны перед внешними углами резца, в которых возникают максимальные напряжения с соответствующим интенсивным трещинообразованием. При этом значительно снижаются нагрузки на режущий инструмент и повышается его стойкость, а энергозатраты струй значительно меньше, чем в устройствах, когда струя воды должна образовывать в массив опережающую щель или дополнительную плоскость обнажения. A device for gapless hydromechanical destruction of rocks (Hennecke U. Cutting of strong rocks with cutters and high-pressure water jets.: Gluckauf, 1977, N 14, S. 33-35), including a cutting tool and one or two jet-forming nozzles located so that the jets of water flowing from the nozzles act on the rock mass immediately before the cutter, in the zone of its contact, where the maximum pressure acts on the massif from the side of the cutter. In this case, jets of water do not cut leading slots, but affect the destruction of the array due to the penetration of water into the hair cracks that appear before the cutter and, using a hydraulic wedge, separate material particles from the array. It is noted that the optimal places of impact of water jets are the zones in front of the external corners of the cutter, in which the maximum stresses arise with the corresponding intense cracking. This significantly reduces the load on the cutting tool and increases its durability, and the energy consumption of the jets is much less than in devices when the water jet should form an advancing slit or an additional exposure plane in the array.

Недостатком устройства является то, что струи воды, воздействующие на массив в зоне контакта с резцом, направлены встречно к градиенту напряжения растяжения, возникающего в материале при воздействии на него резца. Это приводит к дополнительному всестороннему сжатию предрезцового объема материала, следовательно, к увеличению энергоемкости разрушения. The disadvantage of this device is that the water jets acting on the array in the contact zone with the cutter are directed counter to the gradient of tensile stress arising in the material when the cutter is exposed to it. This leads to additional comprehensive compression of the pre-cutter volume of the material, therefore, to an increase in the energy intensity of fracture.

Известно устройство (Патент ФРГ N 3543016, опубл. 1987), обеспечивающее оперативную замену режущего инструмента и сопел посредством штекерного соединения и включающее комплект одновременно работающих резцов, закрепленных в одной держалке, и сопла для подачи высоконапорной воды. Сопла установлены так, что истекающие из них струи воды могут воздействовать на разрушаемый массив перед резцом и с его тыльной стороны. Однако в патенте не указано конкретное направление струй. A device is known (German Patent No. 3543016, publ. 1987), which provides for the rapid replacement of cutting tools and nozzles by means of a plug-in connection and includes a set of simultaneously working cutters fixed in one holder and a nozzle for supplying high-pressure water. Nozzles are installed so that streams of water flowing from them can act on the destructible mass in front of the cutter and on its back side. However, the patent does not indicate the specific direction of the jets.

Недостатком устройства является то, что как и в предыдущем случае струи, истекающие перед резцом, направлены встречно к градиенту растяжения, возникающего в материале при воздействии на него резца, а струи, истекающие с тыльной стороны, воздействуют на уплотнение объемно-сжатое ядро материала, образующееся при взаимодействии резца с горной породой. Это приводит к необходимости применения сверхвысоких давлений, следовательно, к высокой энергоемкости разрушения. The disadvantage of this device is that, as in the previous case, the jets flowing in front of the cutter are directed counterclockwise to the gradient of tension that occurs in the material when the cutter is exposed to it, and the jets flowing from the back affect the seal of the body-compressed core of the material formed when the cutter interacts with the rock. This leads to the need to use ultra-high pressures, therefore, to a high energy intensity of fracture.

Известны устройства для гидромеханического разрушения горных пород (Патент США N 4254995, действует с 1981 г., заявка N 2420643, Франция, опубл. 1979). Они включают режущий инструмент и несколько сопел для подачи воды под высоким давлением, расположенных в теле резца по его ширине в непосредственной близости к режущей кромке. Оси сопел наклонены под острым углом к поверхности резания забоя с таким расчетом, что эти оси пересекают продолжение поверхности резания впереди режущей кромки резца, а струи воздействуют на массив в направлении резания. Отмечается, что использование таких устройств увеличивает срок службы режущего инструмента, расширяет область его применения на крепкие и абразивные породы и повышает производительность без увеличения потребляемой энергии. В этих устройствах высоконапорные струи воды под высоким давлением подаются через резец напротив нижней части вруба, образующегося при внедрении резца в массив, в область уплотненного ядра. Благодаря тому, что вода подается под высоким давлением, она проникает в трещины раздробленного материала и выполняет роль гидравлического клина, а также удаляет продукты разрушения из ядра, что значительно снижает трение между режущим инструментом и разрушаемым массивом. Эти устройства приняты за прототип. Known devices for hydromechanical destruction of rocks (US Patent N 4254995, valid from 1981, application N 2420643, France, publ. 1979). They include a cutting tool and several nozzles for supplying water under high pressure, located in the body of the cutter along its width in close proximity to the cutting edge. The nozzle axes are inclined at an acute angle to the face cutting surface so that these axes intersect the continuation of the cutting surface in front of the cutting edge of the cutter, and the jets act on the array in the cutting direction. It is noted that the use of such devices increases the life of the cutting tool, extends the scope of its application to strong and abrasive rocks and increases productivity without increasing energy consumption. In these devices, high-pressure jets of water under high pressure are fed through the cutter opposite the lower part of the cut formed during the introduction of the cutter into the array, into the region of the densified core. Due to the fact that water is supplied under high pressure, it penetrates into the cracks of the crushed material and acts as a hydraulic wedge, and also removes the products of destruction from the core, which significantly reduces friction between the cutting tool and the destructible mass. These devices are taken as a prototype.

Недостатком указанных устройств является то, что струи воды воздействуют на уплотненное объемно-сжатое ядро мелко диспергированного материала, возникающее в области контакта передней поверхности резца с разрушаемым материалом. Поэтому энергетические параметры струй должны быть очень высокими, чтобы они могли преодолеть сопротивление со стороны уплотненного ядра мелко раздробленного материала, в котором возникает высокое давление. Это приводит к высокой энергоемкости процесса гидромеханического разрушения. The disadvantage of these devices is that water jets act on the densified space-compressed core of finely dispersed material that occurs in the contact area of the front surface of the cutter with destructible material. Therefore, the energy parameters of the jets must be very high so that they can overcome the resistance from the side of the densified core of finely divided material in which high pressure arises. This leads to a high energy intensity of the hydromechanical destruction process.

Целью настоящего изобретения является снижение энергоемкости процесса гидромеханического разрушения горного массива. The aim of the present invention is to reduce the energy intensity of the hydromechanical destruction of the rock mass.

Цель достигается тем, что сопла установлены по бокам резца и направлены в сторону точек пересечения главной режущей кромки с боковыми режущими кромками резца, при этом продольные оси сопел удалены от указанных точек на расстоянии равные половине диаметра сопла. The goal is achieved by the fact that the nozzles are mounted on the sides of the cutter and directed towards the points of intersection of the main cutting edge with the side cutting edges of the cutter, while the longitudinal axis of the nozzles are removed from these points at a distance equal to half the diameter of the nozzle.

Такая ориентация сопел позволяет существенно уменьшить энергетические параметры струй воды, истекающих из этих сопел. Поскольку они воздействуют на разрушаемый массив вне зоны уплотненного объемно-сжатого ядра диспергированного материала, а в зоне действия максимальных растягивающих напряжений, возникающих в материале на его контуре с уплотненным ядром и обеспечивающих разрушение массива. Чтобы истекающие из сопел струи воды воздействовали на разрушаемый массив нужно как можно ближе приблизить их к точкам пересечения главной режущей кромки с боковыми режущими кромками резца, при этом струи не должны разрушаться об резец. Для этого оси сопел удалены от указанных точек на расстояния равные половине диаметра сопла, только в этом случае струи воды создают напряженную область вне ядра и обеспечивают концентрацию напряжений растяжения в материале около уплотненного резцом этого ядра разрушения. Годографы напряжений растяжения от воздействия на массив струй и резца совпадают по направлению, а проникновение воды в микротрещины массива дополнительно с помощью эффекта гидравлического клина облегчает разрушение массива режущим инструментом. Предлагаемая в изобретении взаимная ориентация струеформирующих сопел и режущего инструмента позволяет уменьшить энергию водяных струй, а следовательно и снизить энергоемкость процесса гидромеханического разрушения горных пород, или при том же потреблении энергии увеличить производительность горнодобывающих машин. This orientation of the nozzles can significantly reduce the energy parameters of the jets of water flowing from these nozzles. Since they act on the destructible mass outside the zone of the compacted volumetric compressed core of the dispersed material, and in the zone of action of the maximum tensile stresses that arise in the material on its circuit with the compacted core and ensure the destruction of the mass. In order for the jets of water flowing out from the nozzles to act on the destructible mass, it is necessary to bring them as close as possible to the points of intersection of the main cutting edge with the side cutting edges of the cutter, while the jets should not collapse on the cutter. For this, the nozzle axes are removed from these points by distances equal to half the nozzle diameter, only in this case the water jets create a stressed region outside the core and provide a concentration of tensile stresses in the material near the fracture compacted by the cutter of this core. The hodographs of tensile stresses from the impact on the array of jets and cutters coincide in direction, and the penetration of water into the microcracks of the array, additionally using the effect of a hydraulic wedge, facilitates the destruction of the array by a cutting tool. The mutual orientation of the jet nozzles and the cutting tool according to the invention makes it possible to reduce the energy of water jets and, consequently, to reduce the energy intensity of the hydromechanical destruction of rocks, or, at the same energy consumption, to increase the productivity of mining machines.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - сечение по А-А фиг. 1; на фиг. 3 - сечение по Б-Б фиг. 1; на фиг. 4 - вид сбоку; на фиг. 5 - повернутое сечение А-А фиг. 4. In FIG. 1 shows the proposed device, a General view; in FIG. 2 is a section along AA of FIG. 1; in FIG. 3 is a section along BB of FIG. 1; in FIG. 4 is a side view; in FIG. 5 is a rotated section AA of FIG. 4.

Устройство для гидромеханического разрушения горных пород включает резец 1, с тыльной стороны которого установлены два сопла 2, жестко связанные с резцом 1 (на фиг. 1 эта связь условно не показана). A device for hydromechanical destruction of rocks includes a cutter 1, on the back of which two nozzles 2 are mounted, rigidly connected to the cutter 1 (in Fig. 1 this connection is not shown conditionally).

Устройство работает следующим образом. По мере движения резца 1 и вместе с ним и сопел 2 (из которых истекают струи 3) в направлении указанном на фиг. 1 стрелкой, нарастает усилие резания и возникают высокие контактные напряжения, при достижении которыми предельного значения происходит дробление разрушаемого материала на весьма мелкие фракции. В зоне контакта передней грани резца с разрушаемым горным массивом 4 формируется объемно-сжатое ядро 5 мелко раздробленного материала. Продвижение резца сопровождается непрерывным нарастанием нагрузки на резец и увеличением размеров ядра 5. Это ядро выполняет роль клина при воздействии на массив. В результате давления, передаваемого поверхностью ядра в пограничной с ядром зоне, в материале возникают напряжения растяжения. Отрыв от массива крупного элемента произойдет тогда, когда в пограничной с ядром зоне материала, вблизи контакта с резцом (точки 6), растягивающие напряжения достигнут критического значения, при котором зарождаются магистральные трещины разрушения. Поскольку именно в эти места 6, где возникают наибольшие напряжения, воздействуют струи воды, являющиеся в этом случае концентраторами напряжений и создающие дополнительные растягивающие напряжения. Разрушение материала произойдет при меньших усилиях в резце. После отрыва крупного элемента цикл разрушения повторяется. The device operates as follows. As the cutter 1 and with it the nozzles 2 (from which the jets 3 flow out) move in the direction indicated in FIG. 1 by the arrow, the cutting force increases and high contact stresses arise, when they reach the limit value, the destructible material is crushed into very small fractions. In the contact zone of the front face of the cutter with the destructible mountain range 4, a volume-compressed core 5 of finely divided material is formed. The advancement of the cutter is accompanied by a continuous increase in the load on the cutter and an increase in the size of core 5. This core acts as a wedge when exposed to the array. As a result of the pressure transmitted by the surface of the core in the zone adjacent to the core, tensile stresses arise in the material. Detachment from the massif of a large element will occur when tensile stresses reach a critical value in the boundary zone of the material near the contact with the cutter (points 6), at which the main fractures crack. Since it is precisely in these places 6, where the greatest stresses arise, that water jets act, which in this case are stress concentrators and create additional tensile stresses. The destruction of the material will occur with less effort in the cutter. After the separation of a large element, the destruction cycle is repeated.

На фиг. 4 показан вариант предлагаемого устройства для гидромеханического разрушения горных пород, в котором струеформирующие сопла расположены в резце. Это устройство представляет собой резец 1 с размещенными в его боковых поверхностях соплами 2, подвод воды к которым осуществляется по каналам 3, выполненным в теле резца. При этом истекающие из сопел 2 струи воды воздействуют на разрушаемый массив с тыльных боковых сторон резца вблизи точек пересечения главной режущей кромки с боковыми режущими кромками резца. In FIG. 4 shows a variant of the proposed device for hydromechanical destruction of rocks, in which the jet nozzles are located in the cutter. This device is a cutter 1 with nozzles 2 located in its lateral surfaces, the water supply to which is carried out through channels 3 made in the body of the cutter. At the same time, streams of water flowing from the nozzles 2 act on the destructible mass from the rear sides of the cutter near the intersection points of the main cutting edge with the side cutting edges of the cutter.

Использование изобретения позволит снизить энергоемкость гидромеханического разрушения горных пород, следовательно, повысить производительность горных машин без увеличения потребления энергии. The use of the invention will reduce the energy consumption of hydromechanical destruction of rocks, therefore, to increase the productivity of mining machines without increasing energy consumption.

Claims

A device for hydromechanical destruction of rocks, including a cutting tool and jet forming nozzles for supplying jets of water to a destructible array in the cutting direction, characterized in that the nozzles are rigidly fixed on the sides of the cutter and directed towards the intersection points of the main cutting edge with the side cutting edges of the cutter, the longitudinal axis of the nozzles are removed from these points at distances equal to half the diameter of the nozzles.