Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве

Статья

Наименование Пинч-эффект при разрушении породы клиновым горным инструментом
Авторы Литвинский Г. Г., д. т. н., проф.
Раздел Науки о земле
Год 2018 Выпуск 52 Страницы 5 - 20
УДК 622.243.2
Аннотация Освоение подземного пространства и добыча сырьевых ресурсов предполагают применение разнообразных технологий, горных машин и инструментов для разрушения пород. Это сдерживается отсутствием теоретических основ геомеханики разрушения. Данная работа нацелена на создание теории разрушения пород клиновым горным инструментом. Основная идея работы состоит в использовании феномена пинч-эффекта при сжатии горной породы для определения параметров трещин раскола. Рассмотрена задача теории упругости Фламана о сжатии плоского клина погонной нагрузкой, приложенной к его вершине. Изучены особенности напряжённо-деформированного состояния (НДС) в породном клине. Впервые теоретически обоснован феномен пинч-эффекта при разных типах НДС. Получены расчётные формулы проявлений пинч-эффекта (глубина и наклон трещин отрыва) под лезвием клинового инструмента при плоском и угловом породном обнажении. Результаты исследований развивают теоретические основы геомеханики разрушения пород горным инструментом.
Реферат Цель. Разработка математической модели образования раскольных трещин под лезвием режуще-скалывающего инструмента.
Методика. Состоит в изучении проявления феномена пинч-эффекта при образовании трещин раскола при сжатии хрупких материалов и в использовании закономерностей напряжённо-деформированного состояния (НДС) породного массива под клиновым режущим инструментом для расчёта глубины и наклона трещин раскола.
Результаты. Выполнен анализ закономерностей НДС породного клина при действии произвольно ориентированной погонной нагрузки. Впервые исследована локализация максимума радиальных напряжений в зависимости от угла раскрытия клинового пространства и наклона погонной нагрузки, установлен факт и условия отклонения максимума напряжений от направления погонной нагрузки. Впервые установлено, что максимальное воздействие на плоскую породную поверхность оказывает клиновой инструмент, направленный по нормали к ней. Рассмотрен феномен пинч-эффекта, приводящего к расколу материала при разных вариантах его объёмного НДС: от обобщённого растяжения (схема нагружения Кармана, когда параметр Лоде μ = -1) и обобщённого сжатия (схема нагружения Беккера, когда параметр Лоде μ = +1). Рассмотрена ранее теоретически необъяснимая особенность продольного раскола породных образцов при их сжатии и доказана определяющая роль в этом феномена пинч-эффекта, установлены критерии его проявлений. Впервые предложена математическая модель пинч-эффекта, основанная на рассмотрении предельных деформаций растяжения по главным площадкам НДС в точке, получены аналитические зависимости для их расчёта. Установлены условия появления феномена пинч-эффекта в зависимости от упругих постоянных и прочности породы при одноосных растяжении и сжатии. На основании анализа совокупности известных горных технологий и процессов впервые дан их перечень, где возможно существенное влияние феномена пинч-эффекта, что открывает новые перспективные направления исследований физических процессов горного производства.
Научная новизна. Изучены закономерности проявлений феномена пинч-эффекта и впервые определены условия образования трещин раскола, наклон и глубины их проникновения в породу при действии клинового горного инструмента на плоское и угловое по форме породное обнажение в забое.
Практическая значимость. Результаты исследований направлены на развитие теории и методов проектирования эффективных параметров разрушения пород горными инструментами. Базовые положения могут быть использованы как теоретические основы геомеханики разрушения пород, в том числе в учебном процессе при подготовке инженеров и аспирантов горных специальностей.
Ключевые слова пинч-эффект, теория резания, горный инструмент, задача Фламана, напряжённое состояние, этапы разрушения, модель раскола, трещина раскола, глубина и наклон трещины.
Полный текст