Excavation of a layered rock mass with the use of transverse cutting heads of a roadheader in the light of computer studies

• Autorzy: Cheluszka P.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2018.124981

Warianty tytułu

PL

Urabianie górotworu o budowie warstwowej głowicami poprzecznymi kombajnu chodnikowego w świetle badań symulacyjnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Rock excavation is a basic technological operation during tunnelling and drilling roadways in underground mines. Tunnels and roadways in underground mines are driven into a rock mass, which in the particular case of sedimentary rocks, often have a layered structure and complicated tectonics. For this reason, rock strata often have highly differentiated mechanical properties, diverse deposition patterns and varied thicknesses in the cross sections of such headings. In the field of roadheader technology applied to drilling headings, the structure of a rock mass is highly relevant when selecting the appropriate cutting method for the heading face. Decidedly differentiated values of the parameters which describe the mechanical properties of a particular rock layer deposited in the cross section of the drilled tunnel heading will influence the value and character of the load on the cutting system, generated by the cutting process, power demand, efficiency and energy consumption of the cutting process. The article presents a mathematical modelling process for cutting a layered structure rock mass with the transverse head of a boom-type roadheader. The assumption was made that the rock mass being cut consists of a certain number of rock layers with predefined mechanical properties, a specific thickness and deposition pattern. The mathematical model created was executed through a computer programme. It was used for analysing the impact deposition patterns of rock layers with varied mechanical properties, have on the amount of cutting power consumed and load placed on a roadheader cutting system. The article presents an example of the results attained from computer simulations. They indicate that variations in the properties of the rock cut – as cutting heads are moving along the surface of the heading face – may have, apart from multiple other factors, a significant impact on the value of the power consumed by the cutting process.

PL

Urabianie skał jest podstawową operacją technologiczną podczas drążenia tuneli oraz wyrobisk korytarzowych w kopalniach podziemnych. Tunele w budownictwie inżynieryjnym oraz wyrobiska korytarzowe w kopalniach podziemnych drążone są w górotworze, który szczególnie w przypadku skał osadowych ma budowę warstwową o niejednokrotnie tektonice. Stąd, w przekroju poprzecznym tego rodzaju wyrobisk występują warstwy skalne o niejednokrotnie silnie zróżnicowanych własnościach mechanicznych, różnym sposobie zalegania oraz miąższości. W technologii kombajnowej budowa górotworu ma istotne znaczenie ze względu na odpowiedni dobór sposobu urabiania powierzchni czoła przodku. Duże zróżnicowanie wartości parametrów opisujących własności mechaniczne poszczególnych warstw skalnych zalegających w przekroju poprzecznym drążonego tunelu czy wyrobiska korytarzowego wpływać będzie przy tym istotnie na wielkość i charakter obciążenia dynamicznego układu urabiania generowanego procesem urabiania, zapotrzebowanie mocy, wydajność i energochłonność urabiania. W artykule omówiono sposób modelowania matematycznego procesu urabiania górotworu o budowie warstwowej głowicą poprzeczną wysięgnikowego kombajnu chodnikowego. Założono, iż urabiany masyw skalny złożony jest z pewnej liczby warstw skalnych o zadanych własnościach mechanicznych, określonej miąższości oraz sposobie zalegania. Utworzony model matematyczny zaimplementowany został w programie komputerowym. Wykorzystany on został do analizy wpływu sposobu zalegania warstw skalnych o zróżnicowanych własnościach mechanicznych na przebieg obciążenia układu urabiania kombajnu chodnikowego oraz moc zużywaną na urabianie. W artykule zaprezentowano przykładowe wyniki symulacji komputerowych. Wskazują one na to, iż zmienność własności urabianych skał w miarę przemieszczania się głowic urabiających po powierzchni czoła przodku, obok wielu innych czynników może mieć silny wpływ na wielkość mocy zużywanej do realizacji procesu urabiania.

Słowa kluczowe

EN

mathematical modelling; computer simulations; roadheader; excavation; rock mass with layered structure

PL

modelowanie matematyczne; kombajn chodnikowy; proces urabiania; górotwór o budowie warstwowej; symulacje komputerowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 63, no. 4
• Strony: 871--890
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Cheluszka P.

• Silesian University of Technology, Falculty of Mining and Geology, Department of Mining Mechanisation and Robotisation, 2 Akademicka Str., 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Avunduk E., Tumac D., Atala A.K., 2014. Prediction of roadheader performance by artificial neural network. Tunnelling and Underground Space Technology 44, 3-9.
• [2] Chen C.-S., Liu Y.-C., 2007. Methodology for evaluation and classification of rock mass quality on tunnel engineering. Tunnelling and Underground Space Technology 22, 377-387.
• [3] Dolipski M., Cheluszka P., 1999. Dynamic model of a roadheader’s cutting system which incorporates transverse cutter heads. Archives of Mining Sciences 44, 1, 113-146.
• [4] Dolipski M., Cheluszka P., Sobota P., Remiorz E., 2017. New computer simulation procedure of heading face mining process with transverse cutting heads for roadheader automation. Archives of Mining Sciences 62, 1, 83-104.
• [5] Ebrahimabadi A., Goshtasbi K., Shahriar K., Cheraghi Seifabad M., 2011. A model to predict the performance of roadheaders based on the Rock Mass Brittleness Index. The Journal of The Southern African Institute of Mining and metallurgy 111 (5), 355-364.
• [6] Famur, 2015. http://famur.com.pl/oferta/kompleksy-chodnikowe/kombajny-chodnikowe /fr-250-954.html.
• [7] Frenyo P., Lange W., 1993. The design of cutter heads for optimum cutting powers. Gückauf 129 (7), 524-531.
• [8] Fries J., Hapla T., Neumann T., 2014. Opt imum parameters of mining machines for specific conditions. In proceedings of SGEM 2014 GeoConference on Ecology, Economics, Education and Legislation, Volume III – Exploration and mining mineral processing. STEF92 Technology Ltd., Sofia, 435-442. DOI: 10.5593/SGEM2014/B13/S3.057.
• [9] Galperin A.M., Zaytsev V.S., Norvatow Yu.A., 1993. Hydrogeology and engineering geology. A.A. Balkema Publishers, 377.
• [10] Gunnarrsson G.A., 2008. Rock mass characterization and reinforcement strategies for tunnels in Iceland. Master’s thesis, Technical University of Denmark, 230.
• [11] Heiniö M. (ed.), 1999. Rock excavation ha ndbook. Sandvik Tamrock Corp., 364.
• [12] Hjálmarsson E.H., 2011. Tunnel Support. Use of Lattice Girders in Sedimentary Rock. University of Iceland, 94.
• [13] Jamie M.C., 2011. Numerical modeling of rock cutting and its associated fragmentation process using the finite element method. Doctoral thesis, University of Pittsburgh, pp. 260.
• [14] Jonak J., Rogala-Rojek, J., 2012. Advisory s ystem supporting roadheder operator. KOMAG, Prace Naukowe – Monografie, No 38, pp. 132.
• [15] Knissel W., Wiese, H.-F., 1981. Improving th e extractive action of selective roadheaders. Glückauf 117 (20), 1360-1366.
• [16] Li X., Huang B., Li C., Jiang S., 2012. Dynam ics Analysis on Roadheader Cutting Head Based on LS-DYNA. Journal of Convergence Information Technology 7 (23), 333-340.
• [17] Peng S., Zhang J., 2007. Engineering geology for underground rocks. Springer-Verlag, 315.
• [18] Rojek J., 2007. Discrete element modeling of rock cutting. Computer Methods in Material Science 7 (2), 224-230.
• [19] Sanyhe, 2015. http://sanyhe.com/company/zz/en-us/products/EBZ260HRoadheader.htm.
• [20] Sikora W. (ed.), 2000. Determination of forces and energy consumption of excavation with conical picks. Silesian University of Technology Publishing House, 331.
• [21] Sobota P., 2015. The impact of the roadheader boom settings and pics position on the cutting depth. 34th International Conference “Technical diagnostics of machines and manufacturing equipment DIAGO 2015”, 249-257.
• [22] Sun Y., Li X.S., 2014. Ineffective Rock Breaking and its Impacts on Pick Failures. The 31st International Symposium on Automation and Robotics in Construction and Mining (ISARC 2014), Sydney, 754-760.
• [23] Weber Mining, 2015. http://www.weber-mining.c om/page146-wzmacnianie-przodkow-chodnikowych-i-przekopow.html.
• [24] Wiese H.-F., 1982. Basic research to optimize the cutting process of the transverse cutter head of roadheaders. Doctoral thesis, TU Clausthal, 125.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019)