Metody badania ścieralności są znacznie częściej wykorzystywane, zwłaszcza na potrzeby przemysłu budowlanego, np. w celu określania ścieralności kamieni naturalnych stosowanych na posadzki [59]. Metody te są sprawdzone i powszechnie stosowane. Natomiast określanie ścierności nie jest tak popularne, dlatego też metod jej badania jest znacznie mniej. Aktualnie znane metody określania ścierności, o których wspomniano powyżej, są tylko częściowo regulowane przez zagraniczne normy i stąd wynikają różnice w sposobie ich przeprowadzania, co powoduje otrzymywanie zróżnicowanych wyników. Natomiast w Polsce nie ma znormalizowanej, a nawet przyjętej ujednoliconej metody jej określania.
Przeprowadzona analiza powyższych metod pomogła w ustaleniu założeń do nowej metody badania ścierności skał oraz konstrukcji stanowiska laboratoryjnego, na którym badania będą przeprowadzane. Wykorzystano tutaj zalety poszczególnych metod, natomiast ich wady zmusiły do znalezienia lepszych rozwiązań. Ostatecznie sformułowano następujące założenia: ‒ badania laboratoryjne na próbkach pobranych z wyrobisk górniczych w postaci
rdzeni;
‒ minimalizacja wielkości i ilości próbek;
34
‒ przedmiotem badania wzorcowy, stalowy próbnik; ‒ pomiar zużycia masowego próbnika i próbki skalnej; ‒ jednostajny ruch próbnika po okręgu;
‒ stała siła docisku próbki skalnej do wzorcowego próbnika; ‒ minimalizacja czasu badania;
‒ proponowane parametry zadawane:
• prędkość obrotowa próbnika 0 – 70 obr/min; • siła docisku 0 – 400 N;
• czas pojedynczej próby 0 – 15 min;
‒ możliwość ustalenie korelacji pomiędzy wytrzymałością skały na jednoosiowe ściskanie i zawartością SiO2 a zużyciem próbnika.
Badania powinny być wykonywane w warunkach laboratoryjnych, a nie in-situ, aby były realizowane w tych samych warunkach, a wyniki były wiarygodne, powtarzalne i porównywalne. Próbki do badań powinny być pobrane bezpośrednio z wyrobiska górniczego w postaci rdzeni, gdyż to zapewnia minimalizację ich wymiarów oraz łatwość pobrania. Oprócz próbek do badań ścierności skały, należy przygotować próbki do badań wytrzymałościowych zgodnie z normą [61] oraz do określenia zawartości SiO2.
Ze względu na różnorodność aktualnie stosowanych narzędzi urabiających, do badania powinien być stosowany zawsze taki sam wzorcowy stalowy próbnik, dzięki czemu wyniki będą porównywalne. Zastosowanie małego próbnika oraz jego ruch po okręgu zmniejszą również gabaryty stanowiska. Próbnik w trakcie badania powinien obracać się ze stałą prędkością (dla uproszenia w dalszej części pracy nazywaną „prędkością obrotową”) i jednocześnie powinien być w kontakcie z próbką skalną ze stałą siłą docisku przez określony czas. W wyniku badań wstępnych powinny zostać ustalone ich ostateczne wartości tak, aby nie dochodziło do wykruszania próbki skalnej i nagrzewania się próbnika, powodującego zmiany jego właściwości materiałowych.
Do określenia ścierności należy uwzględniać ubytek masy próbnika i próbki skalnej, gdyż pomiar masy jest zdecydowanie najbardziej dokładny. Dodatkowo parametry zadawane powinny być tak dobrane, aby zapewniony był mierzalny ubytek masy próbnika i próbki.
Sposób przeprowadzania badania powinien być tak zaplanowany, aby w czasie testu nie była wymagana ingerencja operatora, poza przygotowaniem testu i pomiarem mas po jego wykonaniu.
35
Na podstawie powyższych założeń wymaganym jest zaprojektowanie i wykonanie nowego stanowiska badawczego, gdyż żadne z obecnie dostępnych nie nadaje się do wykorzystania. Stanowisko to między innymi musi zapewnić:
‒ ruch próbnika po okręgu, co zmniejszy gabaryty stanowiska; ‒ docisk próbki skalnej do próbnika ze stałą siłą;
‒ zatrzymanie próbnika po zadanym czasie;
‒ możliwość regulacji powyższych parametrów zadawanych w celu ustaleniach ich ostatecznych wartości;
‒ unieruchomienie próbki skalnej;
‒ odprowadzanie startego materiału z miejsca kontaktu próbnika z próbką skalną; ‒ łatwość przeprowadzenia badań.
Powyższe założenia pozwoliły na zaprojektowanie nowego stanowiska laboratoryjnego oraz opracowanie nowej metody badawczej do oceny ścierności skał, co przedstawiono w rozdziale czwartym niniejszej pracy.
36
3 Cel i zakres pracy
Głównym celem pracy jest opracowanie laboratoryjnej metody wyznaczania wskaźnika ścierności skał na podstawie oceny masowego zużycia ściernego wzorcowego stalowego próbnika i próbki skalnej, jak również ustalenie zależności pomiędzy wartością wskaźnika a wytrzymałością skały na jednoosiowe ściskanie i zawartością SiO2.
Wartość wskaźnika ścierności skał oraz wartość wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie umożliwi dobór odpowiedniego rodzaju ochrony części roboczej noży kombajnowych, zwiększającej ich trwałość.
Osiągniecie założonego celu wymagało zrealizowania szeregu działań, które określają zakres przedmiotowej pracy. Zakres pracy obejmuje:
‒ opracowanie metody badań przy wykorzystaniu dotychczasowego stanu techniki; ‒ projekt stanowiska laboratoryjnego do badania ścierności skał;
‒ przeprowadzenie badań wstępnych określających ścierność trzech skał zróżnicowanych pod względem właściwości fizykomechanicznych i zawartości SiO2, zgodnie z przyjętym planem eksperymentu;
‒ analizę statystyczną wyników badań wstępnych oraz wyznaczenie wartości parametrów wejściowych, takich jak prędkość obrotowa, czas badania oraz siła docisku do badań zasadniczych;
‒ przeprowadzenie badań sprawdzających i określenie wskaźnika ścierności dla wybranych skał;
‒ przeprowadzenie badań zasadniczych na próbkach skał z wybranych wyrobisk podziemnych oraz określenie ich wskaźników ścierności;
‒ wyznaczenie jednostkowego zużycia noży styczno-obrotowych stosowanych na organach kombajnów, pracujących w wyrobiskach, z których zostały pobrane próbki do badań zasadniczych;
‒ analizę wyników badań oraz sformułowanie wniosków o charakterze poznawczym, a także zaleceń mających znaczenie utylitarne.
37
4 Ocena ścierności skał
Dla oceny ścierności skał opracowano nową autorską metodę, którą przedstawiono w niniejszym rozdziale. Zdefiniowano parametr charakteryzujący ścierność skał, czyli wskaźnik ścierności. Określono przedmiot badań oraz sposób pobrania i przygotowania próbek skalnych. Zaprezentowano koncepcję oraz model stanowiska do badań ścierności skał, na podstawie którego zostało ono wykonane i opisane. Następnie przedstawiono procedurę przeprowadzenia badania oraz plan i metodykę badań.