Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Направления повышения эффективности технологий добычи и обработки природного камня на Урале

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Направления повышения эффективности технологий добычи и обработки природного камня на Урале"

На правах рукописи

Бычков Геннадий Васильевич

НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ДОБЫЧИ И ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ НА УРАЛЕ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 2003

Работа выполнена в Уральской государственной горно-геологической академии.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Хохряков Владимир Степанович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зотеев Вадим Гаврилович,

доктор технических наук, профессор Косолапое Александр Иннокентьевич,

доктор технических наук, профессор ГТершин Геннадий Дальтонович.

Ведущая организация - Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук.

Защита диссертации состоится 18 декабря 2003 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральской государственной горно-геологической академии по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральской государственной горно-геологической академии.

Автореферат разослан 18 ноября 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Багазеев В.К.

2ооЗ-А

общая характеристика работы

Актуальность работы. В период экономической нестабильности в стране в 1990 - 1999 гг., охватившей и камнеобрабатывающий комплекс России, на Урале, вопреки всему, многие предприятия, находящиеся рядом с сырьевой базой, оснастились новым высокопроизводительным оборудованием для добычи блоков и производства изделий из камня. Ежегодный прирост объемов производства изделий из камня в период с 1996 по 1999 гг. достиг рекордной величины - 62,6 %. По показателям добычи и обработки природного камня Урал устойчиво занял ведущее положение в России.

В последующем пятилетии производственный потенциал камнеобрабаты-вающих предприятий Урала начинает постепенно снижаться. Достигнутые темпы ежегодного прироста объемов производства сменились застоем и даже снижением по отдельным позициям. Качественный уровень сырьевых блоков, готовых изделий из камня и номенклатура выпускаемой продукции не достигли уровня зарубежных аналогов. Имеющиеся на камнеобрабатывающих предприятиях производственные мощности на основе высокопроизводительного импортного оборудования освоены на уровне 50 - 60 %. Урал длительное время не может выйти на внешний рынок камня из-за низкой декоративности и качества изделий, несоответствия их не только жестким требованиям зарубежных норм, но и внутренним стандартам. По изделиям из цветных разновидностей гранитов, мраморов и других высокодекоративных горных пород российский рынок природного камня в значительной степени занят зарубежными поставщиками.

При богатстве и неэффективном использовании собственной сырьевой базы отдельные камнеобрабатывающие предприятия Урала импортируют высокодекоративное сырье из Италии, Украины и других стран.

Оборудование и инструмент для добычи и обработки камня закупаются преимущественно за рубежом. В то же время мощности гигантского машиностроительного комплекса Урала в значительной степени недогружены.

В связи с этим возникла необходимость детально проанализировать ситуацию на предприятиях по добыче и обработке природного камня, выявить слабые звенья и научно обосновать рекомендации по повышению эффективности отрасли на Урале.

Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования теоретических основ и подготовки принципиально новых технологических решений по добыче и обработке природного камня. В связи с этим необходимо выполнить исследования по сырьевой базе для обеспечения в перспективе уральских камнеобрабатывающих предприятий высокодекоративным сырьем. Для перевода карьеров природного камня и камнеобработки на современные высокотехнологичные схемы производства и постепенного перехода уральских предприятий на отечественное оборудование и инструментальную базу необходимо выполнить комплекс исследований в области добычи и обработки камня.

В результате этого можно реально увеличить объемы производства на Урале изделий из природного камня к 2010 году в 2,5 - 3 раза. Таким образом, рассматриваемая тема исследования актуальна как в научном, так и в прикладном плане.

Объектом исследования в диссертации являются технологические процессы на добыче и обработке природного камня на уральских предприятиях.

Предметом исследований являются закономерности развития сырьевой базы, способов подготовки к выемке вскрышных пород, добычи блочного камня и производства изделий из него.

Тема диссертации соответствует приоритетному направлению Государственной программы «Направления увеличения объемов валового продукта в Российской Федерации к 2010 году в 2 раза», высказанному в ежегодном послании президента РФ 16.05.03 г.

Цель работы заключается в исследовании закономерностей развития сырьевой базы и технологий добычи и обработки природного камня для разработки оптимальных направлений повышения эффективности отрасли, обеспечения стабильного роста объемов производства изделий из природного камня на Урале.

Основная идея работы заключается в установлении рациональных технологических параметров на подготовке к выемке вскрышных пород и блоков, в разработке предохранительных мероприятий, обеспечивающих сохранность продуктивного массива блочного камня на основе изучения закономерностей затухания волн напряжений в массиве, с учетом коэффициентов выхода блоков из массива, плит из блоков и производительности, применяемых технологических комплексов на добыче и обработке камня.

Задачи исследования:

1. Исследовать возможности и состояние развития минерально-сырьевой базы для камнеобработки и определить направления развития ее на ближайшую перспективу.

2. Исследовать возможность подготовки к выемке вскрышных пород на месторождениях природного камня буровзрывным способом.

3. Разработать специальные предохранительные мероприятия, обеспечивающие сохранность продуктивного массива блочного камня при взрывной подготовке к выемке вскрышных пород и доказать их эффективность.

4. Обосновать необходимость нового подхода к расчету сопротивления по подошве и основных параметров взрыва для эффективного дробления горных пород в ограниченном контуром массиве.

5. Исследовать возможности применения стандартных и новых взрывчатых веществ на отделении блоков от массива.

6. Доказать необходимость применения новых высокопроизводительных технологических схем на добыче и обработке природного камня и разработать направления повышения эффективности работы отрасли на Урале.

Методы исследований. В работе использован комплекс теоретических и опытно-производственных исследований, в том числе:

- изучение состояния керна на различной удаленности от зарядов ранее произведенных взрывов на карьерах, отработанных взрывным способом без предохранительных мероприятий;

- экспериментальные исследования новых технологических схем взрывной подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород для определения эф-

фективности предохранительных мер, обеспечивающих сохранность охраняемого массива, отрабатываемого на блочный камень;

- оценка ультразвуковым методом и лабораторными испытаниями с построением паспортов прочности горных пород, подвергнутых взрывному воздействию в сравнении со свежими, добытыми буроклиновым способом;

- использование фото- и видеосъемки объектов исследования, опытных взрывов и изучение по ним результатов экспериментов;

- статистический анализ и научная обработка данных по отечественным предприятиям и зарубежным аналогам с использованием ЭВМ.

Научные положения, представляемые к защите:

1. Максимальное значение начального давления продуктов взрыва зависит от плотности заряжания, объема газов и возникающей при этом температуры. Изменяя плотность заряжания и объем взрывной камеры, можно управлять действием взрыва на окружающую среду.

2. Величина зоны разрушения горных пород при массовых взрывах в горных породах зависит от формы волнового фронта и составляет для сферической волны напряжений вдоль оси заряда вниз 32 34 радиуса скважины, д для волны цилиндрической формы - 64,4 радиуса скважины или шпура - в перпендикулярном направлении. За этими пределами разрушения отсутствуют и возможна добыча блоков природного камня.

3. Снижение разрушающего действия взрыва на охраняемый массив до безопасной величины обеспечивается за счет применения комплекса предохранительных мер, включающих: создание экранирующих щелей по контуру массового взрыва, устройство демпфера с высоким волновым сопротивлением в нижней части скважины, раздельное действие зарядов рыхления и равномерное размещение взрывчатого вещества в разрыхляемом массиве.

4. Величина сопротивления по подошве зависит от высоты уступа, диаметра скважины, линейной плотности заряжания, длины заряда и способа размещения его в пространстве.

5. При отделении блочного камня от массива расстояние между соседними зарядами определяется по условиям пробоя промежутка между ними и по минимально необходимой ширине раскрытия щели.

Научная новизна:

1. Впервые систематизированы основные данные, включающие выход блоков из горной массы, декоративность и радиоактивность горных пород, качественно-коммерческую оценку их, с указанием зарубежных аналогов, спроса на внешнем рынке камня, по обширному комплексу месторождений природного камня, представляющему минерально-сырьевую базу Урала для перспективного развития камнеобработки региона.

2. Установлена зависимость параметров зоны разрушения горных пород при массовых взрывах от радиуса заряда, физических свойств горных пород и формы волнового фронта, обусловленного конструкцией взрывной скважины для сферической волны в направлении вдоль оси заряда вниз и цилиндрической - в перпендикулярном направлении.

3. Установлена возможность эффективной защиты продуктивного массива на месторождении природного камня при использовании взрывания на подго-

товке к выемке выветрелых вскрышных пород и проходке горно-капитальных выработок. ■

4. Установлена зависимость максимальной расчетной величины сопротивления по подошве от высоты уступа, диаметра скважины, параметров заряда и забойки в диапазоне высот от 1,0 до 10,0 м.

5. Доказано, что при отделении блочного камня от массива расстояние между соседними зарядами определяется по условиям пробоя промежутка между ними и по минимально необходимой ширине раскрытия щели.

6. Разработаны базовые технологические комплексы оборудования для добычи природного камня и методы оценки их эффективности, на основе которых выполнена классификация способов подготовки блочного камня к выемке и выбраны наиболее оптимальные для применения в перспективе.

7. Разработаны технологические схемы обработки природного камня на базе ленточнопильных, канатных и дисковых камнеобрабатывающих станков, учитывающие вид горных пород, тип изделий и фактуру их поверхности для последующего расчета производственных мощностей предприятий и подбора оптимальных вариантов обработки камня.

8. Определены направления дальнейшего развития камнеобрабатывающе-го комплекса Урала на основе целенаправленного использования сырьевой базы камнеобработки, перехода на высокопроизводительные технологические схемы производства вскрышных работ, добычи и обработки природного камня и адаптации отрасли к потребностям Российского и мирового рынков камня.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- значительным объемом экспериментальных исследований в области добычи и обработки природного камня, проведенных в лабораторных и производственных условиях;

- проверкой и внедрением с положительным эффектом разработанных технологических и технических решений на карьерах природного камня и камнеобрабатывающих предприятиях Урала. Результаты теоретических исследований, опытно-промышленных испытаний и экспериментов имеют расхождение не более 5 + 7 %.

Практическая значимость работы. В результате выполненных исследований стало возможньм:

- оценить состояние и реальные возможности по эффективному использованию минерально-сырьевой базы природного камня Урала;

- разработать перспективные направления развития отрасли на Урале с использованием передовых технологий в процессе добычи и переработки природного камня;

- реально определить границы разрушений в массиве, возникающих при взрывах промышленных взрывчатых веществ, что позволило прийти к выводу о возможности разработки вмещающих пород на природный камень на карьерах, ранее разрабатываемых на другие полезные ископаемые;

- разработать и внедрить специальные предохранительные мероприятия, позволяющие при подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород с исполь-

зованием взрывания, предотвратить разрушения в продуктивном массиве на месторождениях природного камня;

- разработать новый метод расчета технологических параметров взрывания на рыхление, отличающийся от известных учетом высоты уступа, длины демпфера, длины заряда и способа размещения его в пространстве, обеспечивающий сочетание качественного дробления и сохранности продуктивного массива, разрабатываемого на блоки природного камня;

- разработать рекомендации по развитию машиностроения и инструментальной базы камнеобработки.

Реализация результатов работы.

Основные научные положения и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, использованы при подготовке и реализации проектов разработки, строительства и реконструкции Коелгинского (центрального), Южно-Коелгинского, Верхне-Тагильского, Полевского, Ново-Ивановского, Глинского, Верхне-Уфалейского, Хамитовского и Походиловского месторождений мрамора и мраморизованных известняков, при проходке опытных карьеров в период проведения геологоразведочных работ на Рыскужинском и Амангильдинском месторождениях мрамора. По результатам исследований подготовлены учебно-методические пособия для использования в учебном процессе: «Качественная и коммерческая оценка готовой продукции из природного камня», «Расчет и выбор технологического оборудования для добычи блоков», «Расчет технологических процессов на добыче блочного камня», «Общие вопросы проектирования камнеобрабатывающих производств» и «Расчет и выбор технологического оборудования для обработки природного камня».

Рекомендации по развитию машиностроения для отрасли использованы при организации производства оборудования для добычи природного камня на машиностроительном заводе имени М.И. Калинина в г. Екатеринбурге и Режев-ском экспериментальном заводе в г. Реже, Свердловской области.

Фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 30 млн. руб. в действующих ценах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на десяти научно-технических конференциях по тематике научного, практического и информационного обеспечения добычи и обработки природного камня, организуемых Центром Камня на базе ООО «Экспериментальный завод» (г. Реж) в 1993 - 2002 гг., на региональных и Международных научно-технических конференциях по проблемам добычи и обработки камня в Уральской государственной горно-геологической академии (г. Екатеринбург) в 1992 - 1998 гг., на научно-технической конференции по проблемам развития камнеобработки на Урале в УГГГА (2000 г.), на Республиканской научно-практической конференции, посвященной 80-летию геологической службы Башкортостана (2000 г.) в г. Уфе, на конференции «Все о камне» в 2000 г. (г. Челябинск), на международной конференции «Добыча, обработка, применение природного камня» в Магнитогорском горно-металлургическом университете (2001 г.), на научно-практической конференции на тему «Эффективность использования минерально-сырьевой базы природного камня Свердловской области» в министерстве по природным ресурсам правительства Свердловской

области (2001 г.), на специализированной конференции «Камнедобыча и камне-обработка в XXI веке: Современное оборудование, технологии добычи и обработки», проводимой в рамках XI Международной выставки «Уралстрой-2001» в г. Уфе, на научно-практической конференции «Природный камень в России» на 3-й Международной выставке «Экспокамень-2002» в г. Москве.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано - 24 научных работы.

Личный вклад автора:

- научно обоснованы и разработаны методы расчета предохранительных мероприятий при ведении буровзрывных работ на охраняемых массивах месторождений природного камня;

- научно обоснованы и разработаны методы расчета технологических параметров взрывов на выветрелых вскрышных породах и добыче блочного камня на месторождениях природного камня;

- разработаны базовые технологические комплексы оборудования для добычи природного камня, на основе которых выполнена классификация способов подготовки блочного камня к выемке и выбраны наиболее оптимальные для перспективы;

- на основе исследований разработаны методы расчета производительности технологического оборудования для добычи и обработки природного камня.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложена на 385 страницах машинописного текста, имеет 39 таблиц, 118 рисунков и список использованной литературы из 241 наименования.

Исследования, выполненные в настоящей работе, базируются на общих положениях, изложенных в многочисленных трудах академиков Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого и их последователей.

Специфические требования к сырью и готовым изделиям из природного камня не позволяют вести вскрытие и разработку месторождений этого типа традиционными способами, широко применяющимися в практике ведения открытых горных работ. В связи с этим в настоящей работе детально рассмотрены вопросы применения предохранительного взрывания на вскрытии месторождений природного камня и на подготовке блочного камня к выемке. Именно эти вопросы являются базовыми в защищаемых научных положениях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние проблемы

Несмотря на небывалый по масштабам экономический кризис, поразивший Россию в конце второго тысячелетия, именно в этот период произошла переоценка ценностей, и на Урале сформировался крупный промышленный комплекс по добыче и обработке природного облицовочного камня, равного которому в России не было.

По показателям добычи и обработки природного камня Урал устойчиво занял ведущее положение в России. На начало 2002 года в Уральском регионе

эксплуатируется и находится в стадии детальной разведки с проходкой опытных карьеров 27 месторождений природного камня, на которых добывается более 110 тыс. м3 блоков. На 18 камнеобрабатывающих предприятиях выпускается около 0,75 млн. м2 облицовочных, архитектурно-строительных и других изделий из природного камня. Это самый крупный добывающий и камнеобрабаты-вающий регион в России. На Урале добывается 58 % блоков и производится около 40 % изделий из камня от общего объема производства в России. Однако в мировом объеме производства изделий из камня это не выходит за пределы одного процента.

Наиболее интенсивно ведется разработка месторождений мрамора и мра-моризованных известняков, однако значительная часть разведанных месторождений облицовочного камня не разрабатывается. Камнеобрабатывающий комплекс Урала представлен в настоящее время двумя типами предприятий: первый тип - это старые предприятия, находящиеся в различном экономическом состоянии, второй тип - новые предприятия, сформировавшиеся в период перестройки и экономической нестабильности.

Анализируя динамику производства мраморных блоков на предприятиях Урала, необходимо отметить, что в последние годы имеет место снижение темпа роста объемов добычи блоков. Внутреннее потребление отмечается снижением в последние два года спроса на Урале и прилегающих регионах на плиты с низкой декоративностью.

В то же время высокими темпами растет объем реализации мраморных блоков за пределы Уральского региона. В 2001 году он составил 52,71 % от объема производства. Собственные предприятия использовали менее половины добытых мраморных блоков.

Объем производства гранитных блоков в последние годы растет, однако здесь имеет место парадоксальная ситуация, при которой в 2001 году только 10,2 % добытых на Урале гранитных блоков используется собственными камне-обрабатывающими предприятиями. Это составляет 42,2 % от потребности гранитных блоков для производства облицовочных изделий уральскими камнеоб-рабатывающими заводами. Оставшаяся часть - 89,8 % добытых на Урале гранитных блоков - была поставлена в другие регионы, хотя на Урале постоянно ощущается дефицит в изделиях из прочных горных пород. В то же время было поставлено на Урал 57,8 % от потребности гранитных блоков с месторождений, находящихся в других регионах России (Карелия), ближнем и дальнем зарубежье (Украина, Казахстан, Италия). Эти разновидности гранита имеют высокие показатели декоративности и пользуются большим спросом на российском рынке камня.

По облицовочным изделиям стабильный рост объемов производства с 1997 по 1999 гг. сменился застоем в 2000 - 2001 гг. В то же время объем производства облицовочных плит из гранита растет постоянно. Эта тенденция сохранится, видимо, и на перспективу, так как рынок камня по граниту на Урале и по России в целом не наполнен.

В 2001 году ежегодный прирост объемов производства плит снизился до 1,8%. Это объясняется снижением в регионе спроса на коелгинский, уфалей-

ский, мраморский и походиловский мраморы и серые граниты с относительно невысокой декоративностью.

Добыча и обработка природного камня сформировались в стране в важную и значимую отрасль народного хозяйства. Значительный вклад в развитие добычи и обработки природного камня, геолого-промышленной и технологической оценки месторождений внесли известные ученые в отрасли Н.Т. Бакка, А.И. Косолапов, Ю.Г. Карасев, A.M. Орлов, Г.Д. Першин, Б.М. Родин, Ю.И. Сычев. Физические процессы действия взрыва в горных породах широко и разносторонне освещены в работах М.Ф. Друкованного, В.И. Комащенко, Б.Н. Кутузова, А.Н. Ханукаева, С.А. Христиановича и Е.И. Шемякина. В то же время в области добычи природного камня и производства вскрышных работ с использованием взрывания решались лишь отдельные локальные вопросы без разработки теоретического обоснования проблемы в целом.

Исследование сырьевой базы камнеобработки

В диссертационной работе рассмотрены вопросы, связанные с развитием сырьевой базы для уральских камнеобрабатывающих предприятий. Несмотря на богатство минерально-сырьевой базы природного камня Урала, осваивается она медленными темпами и не в тех направлениях, которые продиктованы сегодня рынком камня. Количество добываемого на Урале сырья значительно превышает потребности камнеобрабатывающих предприятий региона, что подтверждают выполненные нами расчеты возможностей по добываемому сырью, исходя из выхода готовых плит из блоков.

Расчет возможностей по добываемому сырью выполнен в пересчете на готовую продукцию — плиты облицовочные толщиной 20 мм - по выражению

i I

где Квс - коэффициент выхода плит из блоков для горных пород средней прочности, м2/м3; Qsc - объем добычи блоков средней прочности, м3; Кт - коэффициент выхода плит из блоков для прочных горных пород, м2/м3; Qe„ - объем добычи блоков прочных горных пород, м3. Согласно данным исследованиям выход плит из блоков прочных горных пород составил 20,06 м2/м3, а по породам средней прочности -

14,57 м^м3.

Анализ данных по камнеобрабатываюгцим предприятиям Урала (рис. 1) показывает, что возможности по добываемому сырью количественно превышают производственные мощности по плитам (Рпл), которые возрастали по зависимости (R2= 0,9979)

Рт = 18,988tfJ -59,583^ + 907,5, (2)

где N- расчетный год от базового 1995 года.

На конец 2001 года производственные мощности камнеобрабатывающих предприятий Урала использовались на 52,25 % при перепроизводстве блоков.

Изучение этих зависимостей показывает, что обеспеченность в сырье значительно превышает потребности в нем камнеобрабатывающих предприятий.

Добываемые горные породы представлены в основном серыми и серо-белыми разновидностями со средним показателем декоративности 25 и, поэтому, как показал приведенный выше анализ, камнеобрабатывающие предприятия Урала используют собственное сырье только на 39,6 %. Остальное реализуется за пределы Уральского региона. Не повысится декоративность и с вводом в действие новых разведываемых месторождений. Поэтому проблема сырья стоит не в количестве, а в его качестве из-за низкой декоративности.

„ 2000

' 1800 з 1600

• 1400

| 1200

| 1000

? 800 600

3 400

§ 200

С 0

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Годы

Производственные мощности по плитам

— '— Полиномиальный (Производственные мощности по _ппитам)_

Рис. 1. Сравнение возможностей по сырью с объемом выпуска и производственной мощностью по плитам

Повысить качество сырья можно только разведкой и вводом в действие месторождений природного камня с высокой декоративностью. Для улучшения качества сырья по цвету и декоративности автором отобрано 90 месторождений наиболее ценных разновидностей горных пород. Все они находятся в освоенных районах и отвечают качественным требованиям по выходу кондиционных блоков из горной массы, радиоактивности и расцветке. По всем 90 месторождениям в диссертации произведена качественно-коммерческая оценка, определены зарубежные аналоги, спрос на внешнем рынке камня, приведена их литотека.

Средний показатель декоративности добываемого сырья достигнет в этом случае величины 30.

Для значительного увеличения объемов производства изделий из природного камня необходимо:

- увеличить объемы добычи блочного сырья по действующим карьерам мрамора и мраморизованных известняков с высокой декоративностью - Полев-скому, Сарапульскому, Коркодинскому, Инзерскому, Полоцкому, Черновскому, Янгельскому, Нижне-Тагильскому; гранитов - Мансуровскому, Сибирскому, Исетскому, Суховязскому, Западно-Султаевскому, Южно-Султаевскому; серпентинитов - Южно-Шабровскому;

- приступить к добычным работам на ранее разведанных Октябрьском, Починковском, Нижне-Тагипьском, Верхне-Тагильском, Ново-Ивановском и Фоминском месторождениях мрамора и мраморизованных известняков; Голо-выринском, Малышевском и Камышевском месторождениях гранита, Чернов-ском месторождении гранодиоритов.

Для расширения цветовой гаммы добываемого сырья необходимо ускорить разведку наиболее, ценных цветных горных пород - габбро, пироксенитов, пор-фиритов, доломитов, магнезитов, амфиболитов и лиственитов.

Исследование способов вскрытия месторождений природного камня

Характерной особенностью разработки месторождений природного камня Урала является относительно небольшая глубина карьеров и незначительный годовой объем добываемой горной массы. Рабочие горизонты карьеров облицовочного камня вскрыты капитальными траншеями внутреннего или внешнего заложения, а также скользящими съездами внутреннего заложения. Применение этих схем значительно увеличивает затраты на вскрытие и сроки строительства опытных и эксплуатационных карьеров.

Схемы вскрытия месторождений природного камня, применяемые в зарубежной практике, отличаются большим разнообразием. Широко распространены бестраншейные схемы вскрытия с использованием для транспортной связи деррик-кранов (рис. 2). При дефиците территории под карьер или в стесненных условиях бестраншейное вскрытие может осуществляться углубляющимся забоем небольшого сечения с размерами в ширину и длину до 30+60 м (рис. 2, а). При более высоких объемах добываемой горной мас;сы и значительной ширине карьера применяется схема с двумя и более деррик-кранами, расположенными на одном или нескольких бортах карьера (рис. 2, б).

Рис. 2. Схемы вскрытия месторождений природного камня с использованием для транспортной связи деррик-кранов: а - одного; б - двух и более; в - с перегрузкой кранами на транспортный горизонт снизу вверх или сверху вниз; 1 - деррик-кран; 2 - грузовой автомобиль; 3 - тяговая лебедка; 4 -пассажирский лифт для спуска-подъема людей; 5 - лестница на новый горизонт

На труднодоступных участках в горной местности связь забоев с поверхностью может осуществляться по схеме без вскрывающих выработок с последовательной перегрузкой блоков деррик-кранами на транспортный горизонт снизу вверх или сверху вниз (рис. 2, в). Эти схемы широко применяются на карьерах

Италии при отработке высокогорных участков, доступ к которым колесными транспортными средствами невозможен.

Для транспортной связи с рабочими зонами карьеров можно использовать также стреловые самоходные краны (рис. 3, а).

При разработке крутопадающих месторождений природного камня относительно небольшой ширины (до 35 - 40 м) для транспортной связи с рабочими горизонтами могут успешно применяться козловые краны (рис. 3, б). Приведенные выше способы вскрытия применимы к небольшим месторождениям природного камня, как в период разведки, так и при эксплуатации. Применение схем вскрытия 2,а и 3,6 возможно только при устойчивых вмещающих породах и полезном ископаемом.

Рис. 3. Схемы вскрытия месторождений природного камня с использованием для транспортной связи специальных кранов: а - передвижного стрелового; 6 -козлового; 1 - стреловой кран; 2 - козловой кран; 3 - грузовой автомобиль; 4 -пассажирский лифт; 5 - лестница

Максимально возможная высота вертикального уступа (борта карьера) (ку, м) не должна превышать предельной, определенной при благоприятном залегании поверхности ослабления (Р<р')'

где Кр - расчетный коэффициент сцепления, Па; у - плотность горных пород, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; р - угол внутреннего трения для данного вида горных пород, град.

Более сложной будет ситуация при неблагоприятном залегании поверхностей скольжения, когда угол наклона поверхностей скольжения будет больше расчетного угла трения по контактам Р>р' (рис. 4).

Высота уступа с вертикальным отрывом при неблагоприятном залегании плоскостей напластования определяется по выражению

а

б

(3)

где р- угол наклона поверхностей скольжения; рр' - расчетный угол внутреннего трения по контактам, =^р/т}; 77 - коэффициент запаса устойчивости; Кр -расчетное сцепление по контактам; Па

к:

К„

Н ' ( 1 + а1п— >7

(5)

где а - коэффициент, зависящий от трещиноватости пород массива; Н - высота откоса, м; I - среднее расстояние между трещинами; Ктп- минимальное значение коэффициента сцепления, Па.

ш = 45 + р'/2

Рис. 4. Расчетная схема при неблагоприятном залегании поверхностей скольжения ((5>р')

Устойчивая высота борта (Я;, м) при условии /? >р' определяется по выражению

(6)

Я "1

где А/ - высота уступа с вертикальным откосом при неблагоприятном залегании, ми /3>р'\ а- угол откоса борта, град.

Учитывая особенности Урала, необходимо широко использовать зарубежный опыт вскрытия малых месторождений природного камня. Особенно актуально это для месторождений природного камня Республики Башкортостан, находящихся в горной местности.

Исследование технологии подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород

В работе исследовано влияние массовых взрывов на горные породы за пределами взорванного массива, проверена эффективность предохранительных мероприятий при подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород на месторождениях природных камней. Кроме того, были исследованы параметры буровзрывных работ при взрывании в ограниченном массиве над свежими горными породами и внутри их.

Сведения о влиянии взрывов на массив весьма противоречивы. В некоторых публикациях влияние взрыва на массив необоснованно преувеличено. Результаты проведенных нами в 1976 - 1992 гг. экспериментальных взрывов в лабораторных условиях на оптически прозрачных моделях и серии взрывов в производственных условиях на месторождениях природного камня позволили

прийти к заключению, что давления, возникающие при взрывах, не настолько велики, чтобы вызвать разрушения на значительном расстоянии от заряда.

Автором настоящей работы была разработана методика расчета начального давления при взрывах стандартных промышленных взрывчатых веществ.

Максимальное значение начального давления (Л^МПа) достаточно точно рассчитывается по выражению

Л™ =3,48-/?„ -Vt -Tg -10м; (7)

или по выражению

=0,101325-(К, рту. (8)

Показатель адиабаты взрыва п определяется из выражения

_ 18(9,869/^)

W.-AJ ' { )

где рев - плотность взрывчатого вещества, кг/м3; Уг - объем газов, образующихся при взрыве промышленных взрывчатых веществ, м3/ кг; Т„ - температура взрыва, °К.

Рассчитанные по выражениям (7) и (8) значения давлений продуктов взрыва промышленных химических взрывчатых веществ имеют величину от 106 до 2193 МПа. Этих давлений недостаточно для того, чтобы произвести глобальные разрушения в окружающей среде. Известно, что волновой фронт прогрессивно затухает по мере удаления волны напряжений от заряда в результате геометрического расхождения волны и диссипативных потерь в среде.

Автором настоящей работы были проведены исследования по оценке влияния взрыва на массив по Кошкарихинскому, Полевскому, Коелгинскому и Южно-Коелгинскому мраморным карьерам.

Исследования на Кошкарихинском месторождении были произведены после очередного массового взрыва. Скважины имели диаметр 146 мм, глубину 8,5+9,0 м, перебур 0,8+1,0 м. Удельный расход взрывчатого вещества - 0,8 кг/м . Длина зарядов 5,2-5,5 м, вес отдельных зарядов составлял 83 - 88 кг. Вес взрывчатого вещества в серии составлял 880 кг. Взрывчатое вещество - аммонит № 6ЖВ в патронах диаметром 90 мм. Для выявления размеров зоны влияния взрывных работ на массив мрамора в днище карьера была пробурена контрольная скважина № 70 глубиной 28,0 м.

Вынутый из скважины керн задокументирован и тщательно изучен. Изучение полированных образцов плиток, вырезанных из керна, показало, что, когда горная порода была подвергнута значительному высокоскоростному динамическому нагружению, на полированной поверхности четко просматривается се-ченность в виде светлых волосяных полос. Если же величина динамической нагрузки была относительно невысокой, то сеченность на образцах отсутствовала.

В этом случае просматриваются только трещины тектонического происхождения, но они отличаются по цвету: имеют темную или бурую окраску окислами алюминия или железа. Учитывая, что взрывные скважины бурились до отметок +202,0, а наведенная трещиноватость заканчивалась на отметке 199,5 м, максимальная величина зоны необратимых деформаций

метке 199,5 м, максимальная величина зоны необратимых деформаций составила 2,5 м.

В 1996 году на Полевском карьере, ранее разрабатывающемся на щебень и песок декоративный, было пробурено две скважины на дне карьера и две на различном расстоянии от борта карьера (рис. 5).

По контрольным скважинам, пробуренным на дне карьера, наведенная вторичная трещиноватость имела место на образцах №№ 1 и 2. На образцах №№ 1а и 2а наблюдалась только естественная трещиноватость, обусловленная региональным метаморфизмом, со следами окислов железа и алюминия на изломах. На пробах №№ 4, 4а контрольной скважины № 4 и пробах №№ 3, За контрольной скважины №3 наведенная трещиноватость отсутствовала.

Зона наведенной трещиноватости, вызванной производством буровзрывных работ без каких-либо предохранительных мероприятий, составляет по кровле уступа 3,38 м от оси взорванной скважины в горизонтальном направле-

Рис. 5. Схема бурения контрольных скважин и взятия проб на Полевском мраморном карьере

По результатам исследований было окончательно установлено, что затухание волны напряжений в вертикальном направлении вниз происходит по закону г-(1+а') (сферическая форма волнового фронта), а в горизонтальном направлении - по закону г'(0,1*а*) (цилиндрическая форма волнового фронта).

Это затухание связано, во-первых, с геометрическим расхождением волны (первая часть показателя) и, во-вторых, с диссипативным затуханием волны в среде (вторая часть показателя затухания). Показатель диссипативного затухания в среде в обоих случаях одинаков, и значение его а* всегда < 1. Это хорошо согласуется с данными работ профессора Ханукаева АЛ. и академика Христиа-новича С.А. Последний предложил рассчитывать значение показателя диссипативного затухания в среде с внутренним трением через коэффициент Пуассона (v):

a=vl{\~v). (10)

Выполненные исследования позволили выявить зависимости для определения расчетных размеров зон необратимых деформаций:

- высота разрушенного слоя горных пород ниже днищ взорванных скважин (Н,дц м), определенная из условия затухания сферической волны напряжений

= , (И)

- максимальный радиус зоны разрушения (R34i м) вокруг заряда цилиндрической формы

-dc, (12)

где /гс и ¡Лц - коэффициенты затухания соответственно сферической и цилиндрической волн напряжения; <трэ - динамический предел прочности на растяжение в условиях воздействия внешней среды и динамического нагружения, МПа

(13)

где ар - предел прочности горной породы на растяжение при статическом нагружении, МПа; Кс - коэффициент влияния среды; RK - радиус кривизны днища скважины, м; RK l,ldc\ Р^ - максимальное расчетное давление продуктов взрыва, МПа; для Кошкарихинского карьера взрывчатое вещество -аммонит № 6ЖВ в патронах диаметром 90 мм; Р^ ~ 1300 МПа; для Полевского - скальный аммонит № 3, для которого Р^ = 1260 МПа; КА - коэффициент динамичности нагружения.

Приведенные в табл. 1 фактические данные показывают, что необратимые деформации при массовых взрывах зарядами диаметром 0,105 и 0,146 м достигают, соответственно, 1,7 и 2,5 м вдоль оси заряда вниз, что составляет Нзд= (32 т 34) rc, а в перпендикулярном направлении - 3,38 м, или R,4 = 64,4 гс - радиуса скважины. Полученные в экспериментах фактические данные хорошо согласуются с расчетными.

На основе этих исследований было принято решение о закладке опытного карьера блочного камня на нижележащих горизонтах Полевского карьера. В настоящее время карьер полностью переориентировался на добычу блочного мрамора. В связи с этим весьма перспективно возобновление горных работ по добыче блочного камня на заброшенных территориях бывших карьеров различных полезных ископаемых, где наблюдаются выходы высокодекоративных горных пород. Особое внимание следует обратить на группу карьеров: Асбестов-ская, Качканарская, Нижне-Тагильская, Верхне-Уфалейская, Саткинская, Злато-устовская, Миасская, Режевская, Полевская, Екатеринбургская, Магнитогорская, Абзелиловская.

Исследованиями было установлено, что при мощности выветрелых горных пород до 2,0 м взрывная подготовка их к выемке нецелесообразна. В этом случае более предпочтителен добычной способ в один уступ. У большей части ме-

сторождений природного камня Уральского региона выше продуктивной толщи всегда имеется сильно трещиноватый слой выветрелых вскрышных пород мощностью 4,0ч-10,0 м. Разработка его добычным оборудованием трудоемка и затягивается во времени. Буровзрывной способ подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород более производителен, но опасен в связи с возможностью возникновения вторичной трещиноватости в нижележащем массиве, разрабатываемом на блочный камень.

Таблица 1

Расчетные и фактические данные по массовым взрывам

Направление и вид волнового фронта Тип ВВ Ртах. МПа Ас или N (Тр, (¡с или кд Кс Орд, Размер зон деформаций, м

расчетный фактический

Кошкарихинский мраморный карьер

Вдоль оси заряда вниз, сферический Ы Аммонит № 6 жа 1300 1,32 9,0 0,164 1,00 3,5 31,50 2,73 2,5

Полевской мраморный карьер

Вдоль оси заряда вниз, сферический Ы Скальный аммонит №3 1260 1,30 13,0 Я, = 0,118 1,00 3,5 45,50 1,52 1,7

Перпендикулярно оси заряда, цилиндрический (Ми) 1260 0,80 13,0 <*с = 0,107 1,00 6,3 45,50 3.39 3.38

Исследованиями установлено, что уменьшить амплитуду волны напряжений вдоль оси заряда вниз можно путем: а) применения низкоэнергетических взрывчатых веществ; б) уменьшения радиуса сферического днища скважины; в) устройства в нижней части скважины демпфера с высоким волновым сопротивлением; г) создания на пути движения взрывной волны щелевых экранов или использования естественных дефектов массива горных пород; д) применения принципа независимого действия взрываемых зарядов.

При использовании взрывчатых веществ с пониженными энергетическими показателями глубина проникновения вторичной трещиноватости в массив уменьшается с понижением величины максимального расчетного давления продуктов взрыва (Р^) и скорости детонации до 1800 2000 м/с. Из отечественных взрывчатых веществ целесообразно использование серийно выпускающихся угленитов 13П и Э-6. Они рекомендуются вместо традиционно применяемого для этих целей черного дымного пороха, чрезвычайно опасного в обращении.

Установлено, что буровой инструмент должен иметь диаметр не более 105+110 мм и создавать в скважине днище сферической формы с возможно меньшим радиусом сферы.

Повышение затухания волны напряжений вдоль оси заряда вниз возможно размещением на пути волны напряжений демпфера из материала с высоким волновым сопротивлением. Наиболее подходящим материалом будет мягкая глина, у которой v = 0,49, показатель диссипативного затухания, рассчитанный по выражению (8), имеет значение а* = 0,96, а суммарный показатель затухания волнового фронта сферической формы в глине будет иметь значение цд = цег = 1,96. Для буровой мелочи цд = /jc = 1,93.

Используя волновое уравнение, рассчитаем для аналогичных условий, как и в примере выше, длину демпфера (Ld, м), на которой амплитуда волны напряжений понизится до безопасной величины:

Подставив все значения параметров в формулу (14), получаем, что для данных условий и при диаметре скважины dc = 0,105 м, длина демпфера должна быть не менее Ьд= 0,457 м.

Создание на пути движения взрывной волны щелевых экранов возможно камнерезными машинами или взрывным способом. Использование естественных дефектов массива горных пород (раскрытых трещин напластования и тектонических) дает аналогичный эффект. При большой мощности выветрелых вскрышных пород часть трещиноватого массива также может использоваться в качестве естественной защиты от разрушения свежих пород.

Независимое действие зарядов обеспечивается за счет применения неэлектрической системы инициирования зарядов типа СИНВ-Ш (СИНВ-С) с индивидуальными замедлителями на каждую скважину и СИНВ-П для замедления между сериями. Так, например, взрыв, произведенный для создания разрезной траншеи на новом горизонте Южно-Коелгинского карьера 24.05.02 г., был разделен на 14 серий-рядов. Между сериями были приняты замедлители в 25 мс, а два соседних заряда взрывались с замедлением в 1000 мс. Скважинные замедлители имели замедления от 1000 до 7000 мс. Взрывание производилось поперечными рядами по 6, 9, 10 и 13 зарядов в серии. Изучение результатов взрыва показало, что независимое действие зарядов обеспечило хорошее рыхление внутри ограниченного контурной щелью массива при полном отсутствии разрушений вдоль оси заряда вниз.

На основе ранее проведенных опытных взрывов и теоретических выводов была предложена расчетная формула для определения предельного сопротивления по подошве (fV м) при взрывании с демпферной защитой вдоль оси заряда вниз

где /,С1М - длина скважины, м; Ь^ - длина забойки, м; Яу - высота уступа, м; т -коэффициент сближения скважин; дП1> - проектный удельный расход взрывчатого вещества, кг/м3; Д - плотность заряжания, кг/дм3; К„ - коэффициент пересчета для используемого взрывчатого вещества по отношению к эталонному.

(14)

(15)

В плане заряды должны размещаться по шахматной сетке. Исходя из равномерности размещения взрывчатого вещества в массиве горной породы, длина заряда должна быть не менее

£„,>(0,75 + 0,8 ).Н,. (16)

Если условие (16) не соблюдается, заряд следует конструировать рассредоточенным с промежутками, заполненными забоечным материалом, либо уменьшить диаметр скважины.

Таблица 2

Сравнение расчетных данных, полученных автором с известными методиками

Расчетный параметр Расчет по формуле С.А. Давыдова Расчет по формуле Союзвзрывпрома Расчет по формуле автора

IV Ну = 2,0 м 3,21 3,38 1,70

Ну'3.0м 3,21 3,38 2,94

а Ну = 2,0 м 2,89 3,04 1,53

Ну = 3,0 м 2,89 3,04 2,64

Сравнение, приведенное в табл. 2, показывают, что при высоте уступа Ну = 2,0 * 3,0 м расчетные данные Ж по формулам С.А. Давыдова и Союзвзрывпрома получаются завышенными и неприменимы на практике.

Исследование технологии добычи природного камня

В работе приведена классификация способов подготовки к выемке природного камня по основным признакам, которыми являются: резание, сплошное щелевое бурение, откол с предварительным бурением шпуров по контуру, разборка по естественным трещинам и комбинации из перечисленных способов. На основе предложенной классификации способов подготовки к выемке было создано 16 базовых технологических комплексов оборудования для добычи природного камня и даны основные рекомендации по их применению.

Исследованиями установлено, что на добыче блочного камня средней прочности наиболее перспективны высокоуступные технологические схемы на базе алмазоканатного резания или комбинированного с горизонтальной подрезкой машинами с цепным баром (рис. 6). Мировая практика добычи блочного камня убедительно показала преимущества высокоуступного двухстадийного способа получения блоков, когда от массива отделяется крупный монолит, который делится затем на блоки. В этом случае лучше используется природная трещиноватость массива и выход блочного камня из массива на породах средней прочности увеличивается до 60 -г- 80 %, в то время как при низкоуступной одностадийной добыче в аналогичных условиях он не превышает 25 - 34 %.

За период эксплуатации камнерезных машин всех типов накоплена исчерпывающая информация, позволяющая сравнить различные способы резания горных пород средней прочности. Исследованиями установлена устойчивая зависимость производительности резания горных пород малой и средней прочности от предела прочности на сжатие (рис. 7).

Рис. 6. Технологический комплекс добычи блоков высокими наклонными уступами комбинацией камнерезных машин с алмазным канатом и баровым режущим органом: 1 - кран стреловой на гусеничном ходу; 2 - алмазная канатная машина; 3 - буровая установка; 4 - гидродомкрат; 5 -баровая камнерезная машина; 6 - автосамосвал

Наиболее производительным является алмазоканатное резание, для которого зависимость производительности (Я**, м2/ч) от прочности горных пород (<?сж, МПа) имеет вид

= 0,0354<т^ -1,553стс, + 20,072. (17)

Прочность на сжатия, МПа

Рис. 7. Производительность резания на добыче блоков камнерезными машинами

Выполненные нами исследования по месторождениям мраморизованных известняков показали, что выход блоков из массива снижается, если направление резания не совпадает с направлением преобладающей системы трещинова-тости. Коэффициент выхода блоков с учетом снижения его при несовпадении направления резания с основной системой трещиноватости

К; = КГ ■ К? [1 - 0,6 • сов(90 - 2а)\ (18)

где К" - коэффициент, учитывающий удельный вес основной системы трещи-новатости по отношению к остальным системам; а - угол между плоскостью резания монолита и направлением преобладающей природной трещиноватости массива по геологическим данным. Наиболее неблагоприятен случай, когда угол несоответствия а = 45°.

Средний теоретический выход блоков для месторождения (К?) определяется на основе данных, полученных для соответствующих интервалов глубин при разведке месторождения

(19)

где / - количество интервалов глубины скважины; К" - расчетный выход для интервала.

На уральских мраморных карьерах по добыче блоков применялись два типа канатов, однако экономически оправдалось применение электродепозитного каната только на верхних уступах на Коелгинском мраморном карьере, где стойкость каната достигала 50-60 м2 реза на 1 м каната. На всех других мраморных карьерах применяется исключительно синтеризованный канат.

Изучив приведенную на рис. 8 зависимость, необходимо отметить, что в дальнейшем следует отдавать предпочтение синтсрцзованному канату, как более надежному и долговечному.

Рис. 8. Стойкость синтеризованного и электродепозитного каната

Резание алмазным канатом в прочных породах целесообразно только в случае высокой вязкости и плохой раскалываемости их. На хорошо раскалывающихся горных породах более эффективен буроклиновой способ в сочетании с первичным отделением монолита зарядами «мягкого взрывания». Эта технология широко применяется в зарубежной практике и начинает внедряться в Рос-сии.Здесь более рационально применение двухстадийных технологических схем с бурением на глубину 2 - 6 м. Сравнение производительности буровых установок (рис. 9) показало, что на бурении целесообразно применение автоматизиро-

ванных буровых машин с гидравлическим буровым инструментом, выпускаемых в настоящее время финской фирмой «Бапёуйе Татгоск».

♦ Однолерфор.

строчечная установка

ш Ручное бурение

А Двухперф строчечная установка

А Строчечная установка ТВ 602

Ж Уст Кворри Коммандо t10

<0° R*• в67J9 у- (904IÜKX)*!

• Уст Триммер 240 СП

■Линейный (уст Кворри Коммандо 110)

20 40 60 во 100 120 140 100 1Ю 200 220 240 200 2В0 300

Прочность пород, МПа

Линейный (уст Триммер 240 СП)

Рис. 9. Производительность бурения на добыче природного камня

Автором исследованы технологические параметры взрывных работ при подготовке к выемке блочного камня из прочных пород газодинамическими зарядами ГДК-2 и зарядами «мягкого взрывания» ЗМВ-10-2.

Исследованиями установлено, что применение взрывания на добыче блоков должно быть ограничено до минимума и в основном целесообразно только на первой стадии - при отделении от массива крупного монолита, с последующей разделкой его на блоки буроклиновым способом.

Расстояние между соседними зарядами определяется по двум условиям: а) по условию пробоя промежутка между шпурами (а, м)

б) по условию минимально необходимой ширины раскрытия щели. Для этого использовано известное уравнение состояния взрывных газов Л.Д. Ландау и К.П. Станюковича prV" =Рг- У2" = Const ■ Решая уравнение относительно окончательного объема камеры с учетом сдвига монолита и представив объем образовавшейся щели через ее геометрические размеры, получим значение расстояния между зарядами (арщ, м)

vW-Stfc • <»>

где Рср - среднее расчетное давление взрыва; Рср = 0,5 Р^; МПа; п - показатель адиабаты взрыва; цч - коэффициент затухания цилиндрической волны напряжения; du„ - диаметр шпура, м; d, - диаметр заряда, м; къ - высота, соответст-

(20)

венно, заряда и щели, м; Ьщ - ширина раскрытия щели, принимается обычно Ьщ = 0,07-0,1 м.

На взрывных работах должны применяться специальные низкоэнергетические взрывчатые вещества типа ГДК-2 и заряды «мягкого взрывания» ЗМВ-10-2, подготавливаемые к серийному производству ФГУТТ НМЗ «Искра», наведенная трещиноватость от которых в массиве и монолите минимальна.

При использовании буроклинового способа, необходимо правильно выбрать оптимальную схему бурения шпуров, так как от этого будет зависеть эффективность его. Качество отделяемого блока или монолита зависит от величины ослабления плоскости раскалывания.

Удельная величина ослабления плоскости раскалывания (р) при подготовке блока к отколу определяется по соотношению

где 1Ш и п„ - соответственно, глубина бурения шпуров (м) и их количество (шт.) по линии раскола; - диаметр шпура, м; Ьр и Яр, соответственно, длина линии раскола и высота откалываемого монолита или блока (м).

л

Исследование технологических схем обработки природного камня

Для систематизации технологических схем на основе последовательности и особенностей обработки камня, исключения параллельных и встречных операций, с учетом физико-механические свойства горных пород, была выполнена их классификация, в основу которой положены базовые камнеобрабатывающие станки и вид обработки получаемых изделий из камня. По базовым распиловочным станкам все технологические схемы разделены на два вида: первый основан на ленточнопильных и канатных машинах и предназначен для производства крупноразмерных изделий из камня (14 схем), второй основан на дисковых кам-нераспиловочных станках и предназначен для производства изделий относительно небольших размеров (10 схем). Всего в классификации приведено 24 базовые технологические схемы, охватывающие производство всех основных изделий из камня.

В последние годы в камнеобработке появились многоканатные алмазные камнераспиловочные машины. Итальянская фирма «В1с1езе 1тр1апй Б.гЛ.» создала многоканатный камнераспиловочный станок с 50 алмазными канатами. Максимальная месячная производительность многоканатной машины «В1ёеБ-50» по гранитам Ш класса достигла 20000 м2.

Из представленных на рис. 10 графических зависимостей видно, что производительность 50-канатного стационарного станка в 2,86 -г 3,3 раза превышает производительность рамного станка со 140 стальными ленточными пилами и чугунной дробью (рис.10).

Сравнение стационарного 50-канатного распиловочного станка с распиливанием мраморных блоков станком с 80 алмазными ленточными пилами также показывает, что производительность многоканатного станка выше рамного в 2 раза. Приведенные выше сравнительные данные показывают, что в перспективе

следует делать ставку на технологические схемы с головными многоканатными стационарными станками с алмазным канатом.

Класс гранита

Станок с 50 алмазными канатами

Станок на 140 штрипсовых ! пил с дробью |

Полиномиальный (станок с 50 алмазными канатами)

. Полиномиальный (станок на 140 штрипсовых лил с дробью)

Рис. 10. Сравнение производительности многоканатного станка со станком рамного типа на распиливании гранита •

В последние годы некоторые итальянские фирмы значительно обновили ассортимент камнеобрабатывающего оборудования. Появился ортогональный станок нового поколения для производства гранитных плит. Фирмами «Эипес» и «Рес1пт Б.р.а.» созданы новые модели ортогональных станков с независимо работающими вертикальными и горизонтальными дисками, размещенными на раздельных порталах. Такая схема резания полосовых заготовок за счет совмещения вертикального и горизонтального резания гранитных полос позволит ликвидировать технологический разрыв между ортогональными станками и остальной частью обрабатывающей линии, создать полностью автоматизированную линию по производству гранитных плит производительностью 100 - 120 тыс. м2плит в год.

Изучение геологических данных по месторождениям Урала показывает, что высокодекоративное сырье будет добываться в основном мелкоблочным. Для производства из него плит не подходит технологическое оборудование, производимое всеми ведущими иностранными и отечественными машиностроительными фирмами. Поэтому в перспективе целесообразно организовать серийное производство комплектных линий по схеме, разработанной Санкт-Петербургским ООО «Камнеобрабатывающий завод-автомат». Особенно актуально это для месторождений цветных мраморизованных известняков -Нижнетагильского, Исовского, Коркодинского, Фоминского и ряда других высокодекоративных месторождений природного камня, имеющих мелкоблочную структуру массива.

Комплексный показатель, характеризующий эффективность способа добычи или обработки камня, получится путем суммирования удельных показателей по основным элементам затрат

где <„с;„с;„,с; -удельные затраты на единицу производственной мощности (руб./м3), соответственно, по оборудованию, материалам и инструменту, на электрическую и пневматическую.энергию и заработную плату.

Несмотря на то, что показатель эффективности технологического комплекса не учитывает всего спектра прочих затрат, входящих в себестоимость, он позволяет дать объективную оценку принимаемому способу добычи или обработки камня путем расчета укрупненных показателей основных затрат. Расчет показателя экономической эффективности намного проще, выполнить его можно оперативно для нескольких способов добычи в короткие сроки и выбрать наиболее эффективный, характеризующийся минимумом удельных затрат

lim £ f{c? )Дх -> min. (24)

i

Основные направления дальнейшего развития добычи и обработки природного камня на Урале

Выполненная нами компьютерная обработка фактических данных показала, что рост добычи блоков природного камня (тыс. м3/год) в 1995-2001 годах происходил по зависимости

Я™" = l,4301JV2-4,9106^ + 79,251, (25)

где N - расчетный год от базового 1995 года. *

Если эта тенденция сохранится, то зависимость (25) с прогнозом на 10 лет будет иметь вид, представленный на рис. 11. К концу прогнозируемого периода объем производства блоков достигнет 366,79 тыс. м /год, или 990,23 тыс. т/год. С учетом выхода плит из этих блоков можно произвести 6125 тыс. м2/год облицовочных изделий толщиной 20 мм.

Рис. 11. Объемы производства блоков из природного камня на Урале с прогнозом до 2010 года

Увеличение объема производства блоков за прогнозируемый период составит 3,31 раза. В том числе по породам средней прочности - 2,54 раза, а по проч-

ным породам - 6,41 раз. Это соответствует тенденции, существующей сегодня в мире на рынке камня.

Более сложно обстоит ситуация с облицовочными изделиями из камня.

Компьютерная обработка данных показала, что если динамика производства плит в 1995-2001 гг. не изменится, то перспективное развитие будет идти по варианту 1 (рис. 12). В этом случае перспектива для Уральского региона будет складываться неблагоприятно. К концу расчетного периода в 2010 году объемы производства упадут до уровня 595,79 тыс. м2/год. Это грозит полной потерей контроля внутреннего рынка камня, наполнением его изделиями, импортируемыми из Китая, Италии, Испании, Индии и ряда других стран.

Во втором варианте все добытое сырье перерабатывается на уральских камнеобрабатывающих заводах. К концу расчетного периода в 2010 году объем производства плит к приведенной толщине 20 мм может достигнуть 6111,9 тыс. м2/год.

7000 6000 5000 -4000 3000 2000 1000 о

♦ Плиты всего, вар 1 А Плиты всего, вар 2 ■ Плиты всего, вар 3

Годы

Рис. 12. Возможные варианты производства плит из природного камня на Урале с прогнозом до 2010 года

Рост объемов выпуска плит к 2000 году составит почти 8 раз. Средний ежегодный прирост объемов - 596,22 тыс. м2/год, или 80 %, чего трудно достигнуть в реальности.

Считая, что на уральских предприятиях будет обрабатываться 60 % добываемого сырья, получаем вариант 3. Рост объемов будет идти по зависимости

П^ =14,272ЛГг -24,818//+ 439,46. (26)

В этом случае объем производства плит к 2010 году достигнет 3667,143 тыс. м2/год. Объемы возрастают в 4,78 раза, что составит 47,8 % ежегодно. Следует отметить, что в период с 1996 по 1999 гг. рост объемов производства плит составлял 62,6 % ежегодно.

Из приведенных на рис. 13 графических зависимостей следует, что более интенсивный рост объемов производства будет по изделиям из гранита, что подтверждается мировой статистикой потребления природного камня.

Объем производства изделий на одного жителя Уральского региона составит в 2010 году 0,264 м2, или 14,28 кг, что составит 22,1 % от сегодняшнего уровня потребления камня на душу населения в Греции. Эту задачу на перспективу следует считать минимально необходимой.

Рис. 13. Объемы производства на Урале плит из природного камня по видам с прогнозом до 2010 года (вариант 3)

Если перевести весь расчет на единый показатель в мире - в тонны, то объем производства облицовочных плит на Урале составит 198,0 тыс. т/год. С учетом других видов продукции из камня, объем которых составляет приблизительно 30 % от объема плит, или 59,4 тыс. т/год, и добытых блоков в количестве 990,32 тыс. т/год общий объем изделий, который будет выпускаться в 2010 году на Урале, составит 1247,72 тыс. т/год. Мировой объем производства достигнет к этому времени уровня 393178,24 тыс. т/год. Объем Урала составит в 2010 году к мировому всего 0,32 %.

Как видно из табл. 3, в перспективе необходимо с опережением развивать производство изделий из гранита (в 16,16 раза) и осваивать месторождения с повышенной декоративностью.

Предложенная автором программа (вариант 3) является минимально необходимой, которая позволит лишь сохранить внутренние рынки камня и приблизиться к ведущим странам по производству изделий из камня без выхода на экспорт. Экспортироваться может только высококачественное сырье из природного камня.

В первую очередь должны осваиваться разведанные месторождения, работы по которым в настоящее время приостановлены по различным причинам и они находятся на временной консервации. Для пуска их в эксплуатацию требуются минимальные затраты.

Во вторую очередь вводятся в эксплуатацию разведанные, но не эксплуатирующиеся месторождения.

В третью очередь вводятся месторождения, находящиеся в настоящее время в стадии разведки и перспективные на разведку.

Таблица 3

Расчетные мощности по перспективным производствам на карьерах и камнеобрабатывающих предприятиях Урала

Наименование производства Производственные мощности

ед. изм. 2001 г. расчетная зависимость 2010 г.

Добыча блочного камня на карьерах тыс. м3 110,40 =I,4301W!-4,9106/^ + 79,251 (27) R2 = 0,9984 366,78

Производство изделий из гранита (прочных пород) тыс. м2 105,97 П = 9,3866W: - 43,698N + 49,968 (28) R1 = 0,9953 1712,83

Производство изделий из мрамора (пород средней прочности) тыс. м2 640,00 nt* =5,098W2 -Н8,188W +356,94 (29) R2 = 0,9915 1954,31

В таком порядке следует выделять капитальные вложения на развитие карьеров. Развитие производственных мощностей на крупных базовых камнеобрабатывающих предприятиях может осуществляться за счет использования собственных средств и кредитования на срок в 1 - 2 года. Развитие остальных камнеобрабатывающих предприятий и карьеров должно производиться с использованием привлеченных капиталов с участием правительств Челябинской, Свердловской областей и Республики Башкортостан.

Для успешного развития добычи и обработки камня на Урале необходимо параллельно развивать машиностроение и инструментальную базу для отрасли. Анализ фактических данных и контрактов показывает, что в среднем на производство 100 тыс. м2 изделий из камня требуется алмазный и абразивный инструмент на сумму 1375 тыс. USD для гранита и 300 тыс. USD для мрамора. Постоянный расход запасных частей составляет 55 тыс. USD на тот же объем изделий из камня.

Размеры затрат на инструмент и запасные части для карьерного оборудования приняты по усредненным данным фактических расходов предприятий и контрактам с инофирмами.

Для создания карьера мощностью 5000 м3 блоков в год требуется основного и вспомогательного оборудования в среднем на 1,2 млн. USD, на создание мощности в 100 тыс. м2 для производства изделий из гранита требуется затратить 2,65 млн. USD, а 100 тыс. м2 мраморных плит - 1,85 млн. USD. С учетом этого в табл. 4 приведены расчетные мощности по технологическому оборудованию, запасным частям и рабочему инструменту для карьеров и камнеобраба-тывающего производства Уральского региона.

Учитывая, что часть оборудования, запасных частей и инструмента будет изготавливаться для других регионов России, рассчитанные для Урала мощности следует увеличить примерно на 30 %.

Исходя из опыта итальянских машиностроительных фирм, целесообразно создать на Урале:

- два предприятия по производству карьерного оборудования и запчастей для добычи блочного камня мощностью 6,50 млн. USD каждый;

- два предприятия по производству камнеобрабатывающего оборудования и запчастей мощностью по 7,50 млн. USD каждый;

- одно предприятие по производству рабочего инструмента для карьеров мощностью 7,00 млн. USD;

- четыре предприятия по производству рабочего инструмента для камне-обрабатывающих предприятий мощностью 10,00 млн. USD каждый.

Таблица 4

Расчетные мощности по перспективным производствам по машиностроению и инструментальной базе для добычи и обработки камня на Урале

Наименование производства Производственные мощности по машиностроению

ед. изм. 2001 г. расчетная формула 2010 г.

Производство карьерного оборудования и запчастей для него млн. USD 2,99* З^ =0,036NJ+0,?655tf+ 2,6317 (30) R2 =0,9999 9,90

Производство камнеобрабатывающего оборудования и запчастей млн. USD 3,62* З^Г =0,0022W! + 0.8245W+2,8161 (31) R2 = 0,9995 11,29

Производство инструмента для карьеров млн. USD 1,58* 3Z =0-019N% + 0,1932^ + 1,3909 (32) R2 =0,9999 5,23

Производство инструмента для обработки камня млн. USD 5,98* 3~ = 0,0496N1 +1,9483N+4,6253 (33) R2 =0,9973 29,41

'Мощности включают отечественное производство с импортными поставками.

Наиболее приемлемой формой хозяйствования на вновь создаваемом производстве было бы создание холдинга с прямыми внутренними производственно-экономическими связями между карьерами, камнеобрабатывающими предприятиями, машиностроительными и инструментальными заводами. Общим связывающим звеном холдинга должен стать собственный акционерный банк реконструкции и развития камнеобработки, на котором будут сконцентрированы все свободные средства предприятий, входящих в холдинг. Все внутренние обороты внутри холдинга не облагаются налогом на добавленную стоимость. Облагается налогом на добавленную стоимость только продукция - блоки товарные, изделия из камня, оборудование и инструмент - реализуемая предприятиям, не входящим в холдинг. Это позволит высвободить значительную часть средств на развитие предприятии, входящих в холдинг, - карьеров, камнеобра-батывающих, дробильно-сортировочных, машиностроительных и инструментальных заводов.

В системе холдинга будут находиться базовые склады сырья и готовой продукции, на которых будут сосредоточены материалы, реализация которых непосредственно предприятиями-производителями по каким-либо причинам будет затруднена.

Всего в Уральский комплекс будут входить 29 камнеобрабатывающих предприятий, 76 карьеров блочного камня, 6 дробильно-сортировочных предприятий, 6 базовых складов сырья и готовой продукции, 9 машиностроительных заводов по изготовлению оборудования и инструмента, обслуживающих добычу и обработку камня, и акционерный банк реконструкции и развития камнеобра-ботки, размешенный в центре региона.

Заключение

В диссертационной работе на основе выполненных исследований и теоретических обобщений обоснованы технологические решения по подготовке вы-ветрелых вскрышных пород на месторождениях природного камня буровзрывным способом с предохранительными мероприятиями, внедрение которых позволяет повысить эффективность технологии добычи природного камня за счет повышения качества изделий из камня, роста производительности труда, снижения затрат и в совокупности способствующих поступательному развитию камнеобработки на Урале. Это вносит значительный вклад в развитие экономики страны в области производства облицовочных материалов из природного камня.

Основные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Установлено, что расчетная величина давления продуктов взрыва зависит от плотности заряжания, объема газов и возникающей при этом температуры. Изменяя плотность заряжания можно управлять действием взрыва на окружающую среду.

2. Установлена зависимость размеров зоны разрушения при массовых взрывах в горных породах от формы волнового фронта и радиуса заряда в направлениях вдоль оси заряда вниз - для сферической волны и цилиндрической волны - в перпендикулярном направлении, а также наличия дефектов в виде раскрытых трещин в горных породах. Необратимые деформации при взрывах зарядами диаметром 105 и 146 мм достигают, соответственно, 1,7 и 2,5 м вдоль оси заряда вниз, что составляет Нзд = (32 - 34) гс, а в перпендикулярном направлении - 3,38 м, или Язц = 64,4гс - радиуса скважины. В связи с этим весьма перспективно возобновление горных работ по добыче блочного камня на заброшенных территориях бывших карьеров различных полезных ископаемых, где наблюдаются выходы высокодекоративных горных пород.

3. Доказано, что снижение разрушающего действия взрыва на охраняемый массив до безопасной величины обеспечивается за счет применения комплекса предохранительных мер: устройства демпфера с высоким волновым сопротивлением в нижней части скважины, создания экранирующих щелей по контуру массового взрыва, раздельного действия зарядов рыхления и равномерного размещения взрывчатого вещества в разрыхляемом массиве. Это позволило разработать эффективные защитные мероприятия, предупреждающие возникновение

трещиноватости в продуктивном массиве при взрывании вскрышных пород на месторождениях природного камня.

4. Установлена новая зависимость расчетного значения сопротивления по подошве от высоты уступа, диаметра скважины, длины заряда и способа размещения его в пространстве. На основе проведенных опытных взрывов и теоретических выводов была предложена расчетная формула для определения сопротивления по подошве (IV, м) при взрывании с демпферной защитой вдоль оси заряда вниз на месторождениях природного камня.

5. Разработан новый метод производства буровзрывных работ, обеспечивающий раздельное действие каждого заряда на массив с замедлением между скважинами в ряду до 1 с, что обеспечило снижение разрушающего и сейсмического действия взрыва на массив при повышении качества дробления в ближней зоне и сохранность продуктивного массива, разрабатываемого на блоки за пределами этой зоны.

6. Разработан метод расчета расстояния между соседними зарядами при отделении блочного камня от массива по условиям пробоя промежутка между шпурами и обеспечения минимально необходимой ширины раскрытия щели.

7. Установлено, что для дальнейшего развития сырьевой базы камнеобра-батьшающих предприятий Урала и пополнения цветовой гаммы добываемого сырья целесообразно ускорить освоение 90 рекомендуемых к разработке наиболее ценных месторождений, имеющих высокий показатель декоративности - от 28 до 34 баллов и повышенный спрос на рынке камня. С вводом в эксплуатацию этих месторождений появится возможность уверенно выйти на мировой рынок камня по сырьевым блокам.

8. Разработаны базовые технологические комплексы оборудования для добычи природного камня и классификация способов подготовки блочного камня к выемке. На их основе был выполнен выбор наиболее эффективных перспективных технологических схем добычи блоков на горных породах средней и высокой прочности.

9. Разработаны технологические схемы обработки природного камня на базе ленточнопильных, канатных и дисковых камнеобрабатывающих станков, и выбраны наиболее эффективные из них. Установлено, что наиболее перспективными являются технологические схемы на базе многоканатных камнераспи-ловочных станков с алмазными режущими элементами.

10. Определены направления дальнейшего развития камнеобрабатывающе-го комплекса Урала на основе целенаправленного развития сырьевой базы кам-необработки, перехода на высокопроизводительные технологические схемы производства вскрышных работ, добычи и обработки природного камня и адаптации отрасли к потребностям российского и мирового рынков камня.

11. На основе компьютерной обработки данных установлены зависимости для расчета мощностей по перспективным производствам на карьерах и камнеобрабатывающих предприятиях Урала, а также расчетных мощностей по вновь организуемому машиностроению и инструментальной базе для добычи и обработки камня.

12. Исследованы возможности и даны рекомендации по применению стандартных и новых взрывчатых веществ на отделении блоков от массива.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бычков Г.В. Исследование разрушающего действия взрыва при рыхлении и щелеобразовании// Изв. вузов. Горный журнал. - 1985.-№ 4. - С. 50-

2. Бычков Г.В. Проектирование буровзрывных работ на месторождениях природных облицовочных камней // Изв. вузов. Горный журнал. - 1985. - № 2. -С. 44-48.

3. Бычков Г.В. Прочность горных пород в массиве // Изв. вузов. Горный журнал. - 1985. - № 1. - С. 7 - 10.

4. Бычков Г.В. К вопросу о расчете начального давления продуктов взрыва // Изв. вузов. Горный журнал. - 1992. - № 9. - С. 117 - 122.

5. Бычков Г.В. Динамика ударного разрушения горных пород // Изв. УГИ. Вып. 3. Серия: Горное дело. - 1993. — С. 52 - 57.

6. Бычков Г.В. Добыча и обработка облицовочного камня на Урале // Изв. вузов. Горный журнал. - 1994. - № 11 - 12. - С. 109 - 128.

7. Бычков Г.В., Чеботарев И.А., Кононихин Н.П. Добыча блоков на Коел-гинском мраморном карьере // Изв. вузов. Горный журнал. - 1994. -№11 — 12. — С. 128- 136.

8. Бычков Г.В. Эволюция технологии добычи блоков на Коелгинском мраморном карьере // Камень и бизнес. - 1997. - № 3/12. - С. 4 - 7.

9. Бычков Г.В. Проблемы сырьевой базы камнеобрабатывающих предприятий Урала// Изв. УГГГА. Вып. 7. Серия: Горное -дело. - 1998.-С. 35 -49.

10. Берсенев Г.П., Бычков Г.В., Белов С.Н., Артамонов O.A., Метельков A.B. Буровзрывные работы на карьерах штучного камня // Изв. вузов. Горный журнал. - 1999. - № 7-8. - С. 69 - 73.

11. Бычков Г.В. Добыча и обработка облицовочного камня // Вклад Урала в горное производство России за 300 лет /Под ред. B.C. Хохрякова. - Екатеринбург: Изд-во УГГТА, 2000. - С. 613 - 631.

12. Бычков Г.В. Машиностроение Урала для добычи и обработки камня // Вклад Урала в горное производство России за 300 лет /Под ред. B.C. Хохрякова. - Екатеринбург: Изд-во УГТГА, 2000. - С. 176 - 182.

13. Бычков Г.В. Тенденция развития сырьевой базы облицовочного камня в Башкортостане // Геологическая служба и горное дело Башкортостана на рубеже веков: Материалы Республиканской научно-практической конференции. - Уфа: Tay, 2000.-С. 383-388.

14. Бычков Г.В. Уральский природный камень на рынке России // Камень и бизнес. - 2000. - № 3. - С. 10 - 12.

15.Бычков Г.В., Чупахин A.A., Рочняк J1.B. Исследование зависимости выхода кондиционных блоков от способа добычи и направления резания массива на Першинском карьере блочных известняков // Изв. УГГТА. Вып.11. Серия: Горное дело. - 2000. - С. 143 - 150.

16.Бычков Г.В. Добыча и обработка уральского природного камня на рубеже тысячелетий // Горный журнал. -

54.

09 МО я кг

\

17. Бычков Г.В. Эксплуатирующиеся месторождения природного камня Урала // Добыча, обработка, применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С. 6 - 36.

18. Бычков Г.В., Чеботарев И.А. Базовое добычное и камнеобрабатываю-щее предприятие Урала - ЗАО «Коелгамрамор» // Горный журнал. - 2001. - № 3. -С. 27 - 3419. Бычков Г.В., Чупахин А.А., Барышев И.С. Исследования влияния взрыва на массив и возможностей производства буровзрывных работ на подготовке к выемке скальных вскрышных горных пород на месторождениях природных облицовочных камней // Горный журнал. - 2001. - № 3. - С. 42 - 45.

20. Бычков Г.В., Чупахин А.А., Кокунин Р.В. Особенности расчета параметров буровзрывных работ на месторождениях природных облицовочных камней // Добыча, обработка, применение природного камня: сб. науч. тр. -Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С. 141 - 148.

21. Бычков Г.В. Производство природного камня на Урале: состояние и перспективы // Камень и бизнес. - 2002. - № 2. - С. 3 - 5.

22. Бычков Г.В. Управление взрывным рыхлением вскрышных горных пород на месторождениях природного камня // Итоги и проблемы производства, науки и образования в сфере добычи полезных ископаемых открытым способом: Материалы к Международной научно-технической конференции 10-11 октября 2002 г. - Екатеринбург: УГГГА, 2002. - С. 142 * 146.

23. Бычков Г.В., Латышев О.Г. Исследование влияния на массив нового взрывчатого вещества ГДК-2(ГПК-2) // Добыча, обработка, применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 74 - 88.

24. Бычков Г.В. Нетрадиционные схемы вскрытия месторождений природного камня и их классификация // Добыча, обработка, применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 41 - 56.

Подписано в печать 14.11.2003 г. Формат 60 х 90/16

Объем 2.0 п. л._Тираж 100 экз._Заказ № /<5У

Ротапринт Уральской государственной горно-геологической академии

120539

* л г,,ij 2оо?-Д

Содержание диссертации, доктора технических наук, Бычков, Геннадий Васильевич

Введение.

1. Состояние добычи и обработки камня на Урале.

1.1. Краткая справка о развитии технологии добычи и обработки камня на Урале.

1.2. Базовые добывающие и камнеобрабатывающие предприятия Урала.

1.3. Состояние изученности сырьевой базы Урала, вопросов добычи и обработки природного камня. Направления исследований

2. Состояние и перспективы развития сырьевой базы камнеобра-ботки.

2.1. Оценка минеральных ресурсов природного камня Урала.

2.1.1. Месторождения мраморов, мраморизованных известняков и доломитов.

2.1.2. Месторождения гранитоидов.

2.1.3. Месторождения габброидов.

2.1.4. Месторождения серпентинитов.

2.1.5. Месторождения пироксенитов.

2.1.6. Месторождения порфиритов.

2.1.7. Месторождения лиственитов.

2.1.8. Прочие разновидности природного камня.

2.2. Освоение сырьевой базы природного камня и потребности камнеобработки.

2.3. Направления дальнейшего развития сырьевой базы для камнеобработки Урала.

Выводы.

3. Исследование способов вскрытия месторождений природного камня.

3.1. Схемы вскрытия рабочих горизонтов на месторождениях природного камня Урала.

3.2. Схемы вскрытия месторождений природного камня, применяемые в зарубежной практике.

3.3. Особенности применения бестраншейных схем вскрытия

3.4. Классификация способов вскрытия месторождений природного камня.

3.5. Перспективные способы вскрытия месторождений природного камня.

Выводы.

4. Исследование технологии подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород.

4.1. Способы подготовки к выемке вскрышных пород, традиционно применяемые на карьерах природного камня Урала.

4.2. Краткая характеристика возможных способов подготовки к выемке выветрелых вскрышных горных работ.

4.2.1. Механическое рыхление вскрышных пород.

4.2.2. Рыхление вскрышных пород с использованием НРС.

4.2.3. Отработка вскрышных пород с использованием добычного оборудования.

4.3. Исследование состояния продуктивного массива при подготовке вскрышных пород к выемке взрывным способом.

4.3.1. Максимальные давления, возникающие при взрывах промышленных взрывчатых веществ.

4.3.2. Физические аспекты разрушения горных пород взрывом.

4.3.3. Исследование влияния массовых взрывов на окружающие горные породы.

4.4. Перспектива дальнейшего использования заброшенных карьеров для добычи блочного камня.

4.5. Исследование эффективности защиты продуктивного массива при взрывной подготовке к выемке вскрышных пород.

4.6. Исследование технологических параметров при взрывном рыхлении горных пород на месторождениях природного камня.

Выводы.

5. Исследование технологии добычи природного камня.

5.1. Краткая характеристика технологических схем добычи природного камня, применяющихся на Урале

5.2. Исследование камнерезного способа добычи блочного камня.

5.3. Исследование алмазоканатного резания.

5.4. Исследование буроклинового способа добычи блоков.

5.5. Исследование буровзрывного способа отделения монолитов и блоков от массива.

5.5.1. Исследование влияния на массив нового взрывчатого вещества ГДК-2.

5.5.1.1. Анализ прочностных свойств гранита.

5.5.1.2. Анализ результатов ультразвукового про-звучивания образцов гранита.

5.5.1.3 Исследование параметров взрывания при отделении монолитов зарядами ГДК-2.

5.5.2. Исследование технологии отделения монолитов от массива зарядами «мягкого взрывания».

5.6. Способы подготовки к выемке и технологические комплексы для добычи блочного камня.

5.7. Технико-экономическая оценка технологических комплексов карьерного оборудования.

5.7.1. Расчет производительности основного технологического оборудования на добыче камня.

5.7.2. Расчет технико-экономических показателей для

Т оценки технологических комплексов карьерного оборудования.

5.8. Перспективные технологические схемы добычи блочного камня.

5.8.1 Перспективные технологические схемы добычи блочного камня средней прочности.

5.8.2. Перспективные технологические схемы добычи блоков из прочных горных пород.

Выводы.

6. Исследование технологических схем обработки природного камня.

6.1. Существующий камнеобрабатывающий комплекс Урала.

6.2. Классификация технологических схем обработки камня.

6.3. Расчет производительности и подбор оборудования для кам-необрабатывающего технологического комплекса.

6.3.1. Основное назначение технологических схем обработки природного камня.

6.3.2. Производственные мощности камнеобрабатывающеи го комплекса Урала и их освоение.

6.4. Перспективные технологические схемы обработки природного камня.

Выводы.

7. Основные направления дальнейшего развития добычи и обработки природного камня на Урале.

7.1. Прогнозы производства изделий из камня на Урале в сравнении с мировым производством.

7.2. Прогнозы по сырьевой базе для камнеобработки.

7.3. Организация обработки природного камня.

7.4. Состояние и перспективы развития машиностроительной и инструментальной базы для добычи и обработки камня.

7.5. Организационная структура вновь создаваемого камнеобрабатывающего и машиностроительного производств.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Направления повышения эффективности технологий добычи и обработки природного камня на Урале"

Актуальность работы. В период экономической нестабильности в стране в 1990 - 1999 гг., охватившей и камнеобрабатывающий комплекс России, на Урале, вопреки всему, многие предприятия, находящиеся рядом с сырьевой базой, оснастились новым высокопроизводительным оборудованием для добычи блоков и производства изделий из камня. Ежегодный прирост объемов производства изделий из камня в период с 1996 по 1999 гг. достиг рекордной величины - 62,6 %. По показателям добычи и обработки природного камня Урал устойчиво занял ведущее положение в России.

В последующем пятилетии производственный потенциал камнеобра-батывающих предприятий Урала начинает постепенно снижаться. Достигнутые темпы ежегодного прироста объемов производства сменились застоем и даже снижением по отдельным позициям. Качественный уровень сырьевых блоков, готовых изделий из камня и номенклатура выпускаемой продукции не достигли уровня зарубежных аналогов. Имеющиеся на кам-необрабатывающих предприятиях производственные мощности на основе высокопроизводительного импортного оборудования освоены на уровне 50 - 60 %. Урал длительное время не может выйти на внешний рынок камня из-за низкой декоративности и качества изделий, несоответствия их не только жестким требованиям зарубежных норм, но и внутренним стандартам. По изделиям из цветных разновидностей гранитов, мраморов и других высокодекоративных горных пород российский рынок природного камня в значительной степени занят зарубежными поставщиками.

При богатстве и неэффективном использовании собственной сырьевой базы отдельные камнеобрабатывающие предприятия Урала импортируют высокодекоративное сырье из Италии, Украины и других стран.

Оборудование и инструмент для добычи и обработки камня закупаются преимущественно за рубежом. В то же время мощности гигантского машиностроительного комплекса Урала в значительной степени недогружены.

В связи с этим возникла необходимость детально проанализировать ситуацию на предприятиях по добыче и обработке природного камня, выявить слабые звенья и научно обосновать рекомендации по повышению эффективности отрасли на Урале.

Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования теоретических основ и подготовки принципиально нобых технологических решений по добыче и обработке природного камня. В связи с этим необходимо выполнить исследования по сырьевой базе для обеспечения в перспективе уральских камнеобрабатывающих предприятий высокодекоративным сырьем. Для перевода карьеров природного камня и камнеобработки на современные высокотехнологичные схемы производства и постепенного перехода уральских предприятий на отечественное оборудование и инструментальную базу необходимо выполнить комплекс исследований в области добычи и обработки камня.

В результате этого можно реально увеличить объемы производства на Урале изделий из природного камня к 2010 году в 2,5 - 3 раза. Таким образом, рассматриваемая тема исследования актуальна как в научном, так и в прикладном плане.

Объектом исследования в диссертации являются технологические процессы на добыче и обработке природного камня на уральских предприятиях.

Предметом исследований являются закономерности развития сырьевой базы, способов подготовки к выемке вскрышных пород, добычи блочного камня и производства изделий из него.

Тема диссертации соответствует приоритетному направлению Государственной программы «Направления увеличения объемов валового продукта в Российской Федерации к 2010 году в 2 раза», высказанному в ежегодном послании президента РФ 16.05.03 г.

Цель работы заключается в исследовании закономерностей развития сырьевой базы и технологий добычи и обработки природного камня для разработки оптимальных направлений повышения эффективности отрасли, обеспечения стабильного роста объемов производства изделий из природного камня на Урале.

Основная идея работы заключается в установлении рациональных технологических параметров на подготовке к выемке вскрышных пород и блоков, в разработке предохранительных мероприятий, обеспечивающих сохранность продуктивного массива блочного камня на основе изучения закономерностей затухания волн напряжений в массиве, с учетом коэффициентов выхода блоков из массива, плит из блоков и производительности применяемых технологических комплексов на добыче и обработке камня.

Задачи исследования:

1. Исследовать возможности и состояние развития минерально-сырьевой базы для камнеобработки и определить направления развития ее на ближайшую перспективу.

2. Исследовать возможность подготовки к выемке вскрышных пород на месторождениях природного камня буровзрывным способом.

3. Разработать специальные предохранительные мероприятия, обеспечивающие сохранность продуктивного массива блочного камня при взрывной подготовке к выемке вскрышных пород и доказать их эффективность.

4. Обосновать необходимость нового подхода к расчету сопротивления по подошве и основных параметров взрыва для эффективного дробления горных пород в ограниченном контуром массиве.

5. Исследовать возможности применения стандартных и новых взрывчатых веществ на отделении блоков от массива.

6. Доказать необходимость применения новых высокопроизводительных технологических схем на добыче и обработке природного камня и разработать направления повышения эффективности работы отрасли на Урале.

Методы исследований. В работе использован комплекс теоретических и опытно-производственных исследований, в том числе:

- изучение состояния керна на различной удаленности от зарядов ранее произведенных взрывов на карьерах, отработанных взрывным способом без предохранительных мероприятий;

- экспериментальные исследования новых технологических схем взрывной подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород для определения эффективности предохранительных мер, обеспечивающих сохранность охраняемого массива, отрабатываемого на блочный камень;

- оценка ультразвуковым методом и лабораторными испытаниями с построением паспортов прочности горных пород, подвергнутых взрывному воздействию в сравнении со свежими, добытыми буроклиновым способом;

- использование фото- и видеосъемки объектов исследования, опытных взрывов и изучение по ним результатов экспериментов;

- статистический анализ и научная обработка данных по отечественным предприятиям и зарубежным аналогам с использованием ЭВМ.

Научные положения, представляемые к защите:

1. Максимальное значение начального давления продуктов взрыва зависит от плотности заряжания, объема газов и возникающей при этом температуры. Изменяя плотность заряжания и объем взрывной камеры, можно управлять действием взрыва на окружающую среду.

2. Величина зоны разрушения горных пород при массовых взрывах в горных породах зависит от формы волнового фронта и составляет для сферической волны напряжений вдоль оси заряда вниз 32 -г 34 радиуса скважины, а для волны цилиндрической формы - 64,4 радиуса скважины или шпура - в перпендикулярном направлении. За этими пределами разрушения отсутствуют и возможна добыча блоков природного камня.

3. Снижение разрушающего действия взрыва на охраняемый массив до безопасной величины обеспечивается за счет применения комплекса предохранительных мер, включающих: создание экранирующих щелей по контуру массового взрыва, устройство демпфера с высоким волновым сопротивлением в нижней части скважины, раздельное действие зарядов рыхления и равномерное размещение взрывчатого вещества в разрыхляемом массиве.

4. Величина сопротивления по подошве зависит от высоты уступа, диаметра скважины, линейной плотности заряжания, длины заряда и способа размещения его в пространстве.

5. При отделении блочного камня от массива расстояние между соседними зарядами определяется по условиям пробоя промежутка между ними и по минимально необходимой ширине раскрытия щели.

Научная новизна:

1. Впервые систематизированы основные данные, включающие выход блоков из горной массы, декоративность и радиоактивность горных пород, качественно-коммерческую оценку их, с указанием зарубежных аналогов, спроса на внешнем рынке камня, по обширному комплексу месторождений природного камня, представляющему минерально-сырьевую базу Урала для перспективного развития камнеобработки региона.

2. Установлена зависимость параметров зоны разрушения горных пород при массовых взрывах от радиуса заряда, физических свойств горных пород и формы волнового фронта, обусловленного конструкцией взрывной скважины для сферической волны в направлении вдоль оси заряда вниз и цилиндрической - в перпендикулярном направлении.

3. Установлена возможность эффективной защиты продуктивного массива на месторождении природного камня при использовании взрывания на подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород и проходке горно-капитальных выработок.

4. Установлена зависимость максимальной расчетной величины сопротивления по подошве от высоты уступа, диаметра скважины, параметров заряда и забойки в диапазоне высот от 1,0 до 10,0 м.

5. Доказано, что при отделении блочного камня от массива расстояние между соседними зарядами определяется по условиям пробоя промежутка между ними и по минимально необходимой ширине раскрытия щели.

6. Разработаны базовые технологические комплексы оборудования для добычи природного камня и методы оценки их эффективности, на основе которых выполнена классификация способов подготовки блочного камня к выемке и выбраны наиболее оптимальные для применения в перспективе.

7. Разработаны технологические схемы обработки природного камня на базе ленточнопильных, канатных и дисковых камнеобрабатывающих станков, учитывающие вид горных пород, тип изделий и фактуру их поверхности для последующего расчета производственных мощностей предприятий и подбора оптимальных вариантов обработки камня.

8. Определены направления дальнейшего развития камнеобрабатывающего комплекса Урала на основе целенаправленного использования сырьевой базы камнеобработки, перехода на высокопроизводительные технологические схемы производства вскрышных работ, добычи и обработки природного камня и адаптации отрасли к потребностям Российского и мирового рынков камня.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверяедается:

- значительным объемом экспериментальных исследований в области добычи и обработки природного камня, проведенных в лабораторных и производственных условиях;

- проверкой и внедрением с положительным эффектом разработанных технологических и технических решений на карьерах природного камня и камнеобрабатывающих предприятиях Урала. Результаты теоретических исследований, опытно-промышленных испытаний и экспериментов имеют расхождение не более 5 -т- 7 %.

Практическая значимость работы. В результате выполненных исследований стало возможным:

- оценить состояние и реальные возможности по эффективному использованию минерально-сырьевой базы природного камня Урала;

- разработать перспективные направления развития отрасли на Урале с использованием передовых технологий в процессе добычи и переработки природного камня;

- реально определить границы разрушений в массиве, возникающих при взрывах промышленных взрывчатых веществ, что позволило прийти к выводу о возможности разработки вмещающих пород на природный камень на карьерах, ранее разрабатываемых на другие полезные ископаемые;

- разработать и внедрить специальные предохранительные мероприятия, позволяющие при подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород с использованием взрывания, предотвратить разрушения в продуктивном массиве на месторождениях природного камня;

- разработать новый метод расчета технологических параметров взрывания на рыхление, отличающийся от известных учетом высоты уступа, длины демпфера, длины заряда и способа размещения его в пространстве, обеспечивающий сочетание качественного дробления и сохранности продуктивного массива, разрабатываемого на блоки природного камня;

- разработать рекомендации по развитию машиностроения и инструментальной базы камнеобработки.

Реализация результатов работы.

Основные научные положения и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, использованы при подготовке и реализации проектов разработки, строительства и реконструкции Коелгинского (центрального), Южно-Коелгинского, Верхне-Тагильского, Полевского, НовоИвановского, Глинского, Верхне-Уфалейского, Хамитовского и Походи-ловского месторождений мрамора и мраморизованных известняков, при проходке опытных карьеров в период проведения геологоразведочных работ на Рыскужинском и Амангильдинском месторождениях мрамора. По результатам исследований подготовлены учебно-методические пособия для использования в учебном процессе: «Качественная и коммерческая оценка готовой продукции из природного камня», «Расчет и выбор технологического оборудования для добычи блоков», «Расчет технологических процессов на добыче блочного камня», «Общие вопросы проектирования камнеобрабатывающих производств» и «Расчет и выбор технологического оборудования для обработки природного камня».

Рекомендации по развитию машиностроения для отрасли использованы при организации производства оборудования для добычи природного камня на машиностроительном заводе имени М.И. Калинина в г. Екатеринбурге и Режевском экспериментальном заводе в г. Реже, Свердловской области.

Фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 30 млн. руб. в действующих ценах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на десяти научно-технических конференциях по тематике научного, практического и информационного обеспечения добычи и обработки природного камня, организуемых Центром Камня на базе ООО «Экспериментальный завод» (г. Реж) в 1993 - 2002 гг., на региональных и Международных научно-технических конференциях по проблемам добычи и обработки камня в Уральской государственной горногеологической академии (г. Екатеринбург) в 1992 - 1998 гг., на научно-технической конференции по проблемам развития камнеобработки на Урале в УГГТА (2000 г.), на Республиканской научно-практической конференции, посвященной 80-летию геологической службы Башкортостана (2000 г.) в г. Уфе, на конференции «Все о камне» в 2000 г. (г. Челябинск), на международной конференции «Добыча, обработка, применение природного камня» в Магнитогорском горно-металлургическом университете (2001 г.), на научно-практической конференции на тему «Эффективность использования минерально-сырьевой базы природного камня Свердловской области» в министерстве по природным ресурсам правительства Свердловской области (2001 г.), на специализированной конференции «Камнедобыча и камнеобработка в XXI веке: Современное оборудование, технологии добычи и обработки», проводимой в рамках XI Международной выставки «Уралстрой-2001» в г. Уфе, на научно-практической конференции «Природный камень в России» на 3-й Международной выставке «Экспокамень-2002» в г. Москве.

Публикации. Всего автором опубликовано 47 научных работ, в том числе по теме диссертации - 24 научных работы.

Личный вклад автора:

- научно обоснованы и разработаны методы расчета предохранительных мероприятий при ведении буровзрывных работ на охраняемых массивах месторождений природного камня;

- научно обоснованы и разработаны методы расчета технологических параметров взрывов на выветрелых вскрышных породах и добыче блочного камня на месторождениях природного камня;

- разработаны базовые технологические комплексы оборудования для добычи природного камня, на основе которых выполнена классификация способов подготовки блочного камня к выемке и выбраны наиболее оптимальные для перспективы;

- на основе исследований разработаны методы расчета производительности технологического оборудования для добычи и обработки природного камня.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложена на 385 страницах машинописного текста, имеет 39 таблиц, 118 рисунков и список использованной литературы из 241 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Бычков, Геннадий Васильевич

Основные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Богатая и разнообразная по расцветке минерально-сырьевая база природного камня Урала, осваивается медленными темпами, а добываемые горные породы представлены в основном серыми и серо-белыми разновидностями с низким показателем декоративности. Значительная часть цветных разновидностей сырья для переработки на изделия закупается за рубежом.

В исследованиях по сырьевой базе решены задачи увеличения не только объемов добываемого сырья, но и пополнения цветовой гаммы его за счет более интенсивной разработки действующих месторождений мрамора и мраморизованных известняков Полевского, Сарапульского, Корко-динского, Инзерского, Полоцкого, Черновского, Янгельского, Нижнетагильского, гранитов Мансуровского, Сибирского, Исетского, Суховяз-ского, Западно-Султаевского, серпентинитов Южно-Шабровского и Григорьевского месторождений и освоения ранее разведанных и находящихся в резерве Октябрьского, Починковского, Нижнетагильского, Верхнетагильского, Ново-Ивановского и Фоминского месторождений мраморизо-ванных известняков, Головыринского, Малышевского и Камышевского месторождений гранита, Черновского месторождения гранодиоритов.

Для дальнейшего развития сырьевой базы камнеобрабатывающих предприятий Урала и пополнения цветовой гаммы добываемого сырья целесообразно ускорить освоение 90 рекомендуемых к разработке наиболее ценных месторождений, имеющих высокий показатель декоративности -от 28 до 34 баллов и повышенный спрос на рынке камня. С вводом в эксплуатацию этих месторождений появится возможность уверенно выйти на мировой рынок камня по сырьевым блокам.

2. Применяющиеся в настоящее время на Урале способы вскрытия месторождений природного камня наклонными траншеями или полутраншеями внутреннего, внешнего и смешанного заложения, не всегда учитывают горно-геологические и горнотехнические условия разработки конкретного месторождения, размеры залежи и элементы залегания горных пород и, зачастую, оказываются высоко затратными. Вскрытие их затягивается на долгие годы. По этой причине на некоторых разведываемых и эксплуатирующихся месторождениях природного камня в сложившихся экономических условиях горные работы были прекращены. Учитывая особенности Урала, необходимо широко использовать зарубежный опыт бестраншейного вскрытия малых месторождений природного камня. Особенно актуально это для месторождений природного камня Республики Башкортостан, находящихся в горной местности. На некоторых месторождениях природного камня, расположенных в районах с равнинным рельефом, целесообразно использование бестраншейных способов вскрытия, с применением для транспортной связи забоев с поверхностью деррик-кранов, козловых или кабель-кранов. Это позволит существенно снизить затраты на вскрытие и сократить сроки производства горных работ как на опытных, так и на эксплуатирующихся карьерах месторождений природного камня.

В диссертации уточнена классификация способов вскрытия без проведения горных выработок применительно к месторождениям природного камня.

3. Установлена истинная расчетная величина давления продуктов взрыва, которая зависит от плотности заряжания, объема газов и температуры взрыва. Доказано, что для реальных газообразных продуктов взрыва справедливо уравнение Клапейрона-Менделеева. Изменяя плотность заряжания можно управлять действием взрыва на окружающую среду. Установлено также, что показатель адиабаты газообразных продуктов взрыва не может быть выше теоретических значений п = 1,28-4,66. Никакие другие искусственно созданные зависимости с произвольно принимаемыми значениями показателя адиабаты п и «коволюма» Ъ не могут применяться для определения давления газообразных продуктов взрыва.

4. Проведенные исследования по оценке влияния взрыва на массив по ряду месторождений облицовочного камня Уральского региона - Кошка-рихинскому, Полевскому и Коелгинскому и Южно-Коелгинскому мраморным карьерам - показали, что произведенные ранее промышленные взрывы не оказали существенного влияния на качество массива мрамора. Установлена зависимость размеров зоны разрушения при массовых взрывах в горных породах от формы волнового фронта и радиуса заряда в направлениях вдоль оси заряда вниз - для сферической волны и цилиндрической волны - в перпендикулярном направлении, а также наличия дефектов в виде раскрытых трещин в горных породах. Необратимые деформации при взрывах без каких-либо предохранительных мероприятий зарядами диаметром 105 и 146 мм достигают, соответственно, 1,7 и 2,5 м вдоль оси заряда вниз, что составляет Нзд = (32 ч- 34) гс, а в перпендикулярном направлении зарядом диаметром 105 мм - 3,38 м, или Язц = 64,4гс - радиуса скважины.

В связи с этим, перспективно возобновление горных работ по добыче блочного камня на заброшенных территориях бывших карьеров различных полезных ископаемых, где наблюдаются выходы высоко декоративных горных пород. Опыт такой на Урале уже есть. Достаточно сказать, что на территориях бывших карьеров никелевых руд возникли такие карьеры облицовочного мрамора, как Уфалейский, Ольховский, Каркодинский.

5. Выветрелые горные породы месторождений природного камня Урала представлены в основном сильно трещиноватой горной массой, непригодной для производства облицовочных изделий. Мощность выветре-лой зоны на большей части уральских месторождениях природного камня составляет 4,0-М 0,0 м и более.

Способы подготовки к выемке вскрышных пород, традиционно применяемые на карьерах природного камня Урала, основанные на добычном оборудовании, низкоэффективны и малопроизводительны, требуют значительных капитальных затрат, а срок подготовки к выемке новых запасов по продуктивной части массива затягивается на длительное время. Выполненные в диссертационной работе исследования показали, что применение добычного способа на подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород на месторождениях природного камня экономически оправдывается только при мощности их не более 1,5 2,0 м. В связи с этим была исследована возможность применения для подготовки к выемке вскрышных пород взрывного рыхления.

Доказано, что снижение разрушающего действия взрыва на охраняемый массив до безопасной величины обеспечивается за счет применения комплекса предохранительных мер: устройства демпфера с высоким волновым сопротивлением в нижней части скважины, создания экранирующих щелей по контуру массового взрыва, раздельного действия зарядов рыхления и равномерного размещения взрывчатого вещества в разрыхляемом массиве. Это позволило разработать эффективные защитные мероприятия, предупреждающие возникновение трещиноватости в продуктивном массиве при взрывании вскрышных пород на месторождениях природного камня.

6. Теоретическими исследованиями была установлена новая аналитическая зависимость между высотой уступа Ну и диаметром взрывных скважин с1с, которая позволила уточнить параметры буровзрывных работ на месторождениях природного камня. Установлено, что при высоте уступа до 2,7 м более целесообразно применение шпурового метода буровзрывных работ, а при больших значениях Ну следует переходить на сква-жинный метод.

Автором настоящей работы была предложена объемная формула для расчета сопротивления по подошве (И7, м) при взрывании с демпферной защитой вдоль оси заряда вниз. Эта методика расчета сопротивления по подошве в настоящее время широко используется при проектировании промышленных взрывов на Уральских месторождениях природного камня.

На качество дробления горной массы существенное значение оказывает длина забойки. При больших диаметрах скважин и относительно небольшой высоте уступа длина заряда незначительна, а вся оставшаяся

часть скважины заполняется забойкой. Это приводит к чрезмерному дроблению горных пород в нижней части уступа и плохой проработке верхней части. В связи с этим заряд большого диаметра целесообразно рассредоточить за счет промежутков или лучше перейти на скважины меньшего диаметра. Проведенными производственными и теоретическими исследованиями доказана возможность взрывной подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород на месторождениях природных облицовочных камней при выполнении эффективных предохранительных мероприятий, обеспечивающих сохранность продуктивного массива от разрушения.

7. В работе обоснован метод производства буровзрывных работ, обеспечивающий раздельное действие каждого заряда на массив с замедлением между скважинами в ряду до 1000 мс. Это обеспечило снижение радиуса разлета осколков, разрушающего и сейсмического действия взрыва на массив при повышении качества дробления в ближней зоне и сохранности продуктивного массива, разрабатываемого на блоки за пределами этой зоны.

8. Исследование буровзрывного способа для добычи блочного камня показало, что для каждого вида горной породы, на которой планируется применение буровзрывных работ для добычи блочного камня, необходимо индивидуально подбирать тип взрывчатого вещества и конструкцию заряда путем проведения экспериментов по одной из описанных в диссертации методик. Выбранный вариант производства буровзрывных работ должен обеспечивать четкий пробой промежутка между шпурами и минимальное разрушение горной породы в виде густой сети симметричных трещин во всех остальных направлениях.

Разработан метод расчета расстояния между соседними зарядами при отделении блочного камня от массива по условиям пробоя промежутка между шпурами и обеспечения минимально необходимой ширины раскрытия щели. Исследованы возможности и даны рекомендации по применению новых взрывчатых веществ на отделении блоков от массива.

Рекомендованы для дальнейших испытаний в производственных условиях на месторождениях природного камня газодинамические заряды ГДК-2 (ГТК-2) и заряды «мягкого» взрывания ЗМВ-10-2. Исследования показали, что физико-механические свойства горных пород при использовании для откола блоков этих зарядов практически не измеВяшгнж время, сделан вывод о том, что буровзрывные работы целесообразно применять только на отделении крупных монолитов в прочных горных породах. Деление монолита на блоки целесообразно производить буроклиновым способом.

9. На основе изучения отечественного и зарубежного опыта из всего многообразия технологических комплексов оборудования для добычи природного камня была выделена основная базовая группа, состоящая из 16 разновидностей. В диссертации даны основные рекомендации по применению базовых технологических комплексов на добыче блоков.

На мягких малотрещиноватых горных породах высоко эффективны технологические комплексы с одностадийной схемой добычи блоков камнерезными машинами с баровым режущим органом.

На породах средней прочности высокие технико-экономические показатели достигаются при применении технологических схем на базе алмазных канатных камнерезных машин, а так же комбинированных комплексов на базе камнерезных машин с алмазоканатным и баровым режущим органом. Для карьеров Урала наиболее эффективно применение высокоуступной технологии, сочетающей алмазоканатное резание вертикальных плоскостей с горизонтальной подрезкой камнерезными машинами с цепным баром.

На прочных горных породах следует принимать технологические комплексы на базе высокопроизводительного бурового оборудования фирмы «ЗапсМк Ташгоск». Высокая эффективность достигается при использовании установок для резания камня струей воды высокого давления в комбинации с оборудованием для буроклинового способа разделения монолитов на блоки.

На массивах с многосистемной или бессистемной трещиноватостью следует практиковать разборку массива по естественным трещинам мощным карьерным экскаватором, оснащенным ковшом с активными зубыЫш.основе базовых комплексов оборудования был выполнен выбор наиболее эффективных перспективных технологических схем добычи блоков на горных породах средней и высокой прочности.

10. В диссертационной работе исследованы возможности алмазока-натного резания на горных породах средней и повышенной прочности. Установлено, что для большей части уральских месторождений природного камня средней прочности наиболее эффективно использование алмазных канатов с режущими элементами, изготовленными методом порошковой металлургии (синтеризованный канат). Применение канатов с режущими элементами, изготовленными электролитическим способом (электродепозитный канат) может быть рекомендовано только для месторождений с горными породами низкой прочности.

Из-за высокого расхода каната и низкой производительности резания, при неоправданно высокой стоимости его, применение алмазоканатного резания на прочных горных породах в условиях уральских карьеров нерационально.

11. Установлено, что качественный откол блоков при буроклиновом способе добычи гранитов и хорошо раскалывающихся крупнокристаллических мраморов возможен при значениях коэффициента ослабления по плоскости откола более 0,032, а для гранитов Султаевского месторождения - более 0,041. Это достигается увеличением глубины бурения по плоскости откола. Откол возможен и при меньших значениях коэффициента ослабления поверхности откола, однако получаемые при этом блоки не соответствуют стандарту по отклонениям от геометрической формы.

12. На основе анализа технологических процессов на камнеобрабаты-вающих предприятиях Урала были систематизированы технологические схемы обработки природного камня. По каждой технологической схеме на принципе совмещения близких по исполнению последовательных операций формируется базовый технологический комплекс камнеобрабатываю-щего оборудования, основными машинами которого являются камнерас-пиловочные станки. Разработаны два вида технологических схем обработки природного камня: первый - на базе ленточнопильных и канатных кам-нераспиловочных машин (14 базовых схем) и второй - на базе дисковых камнеобрабатывающих станков (10 базовых схем). Установлено, что наиболее перспективными и эффективными являются технологические схемы на базе многоканатных камнераспиловочных станков с алмазными режущими элементами и ортогональных многодисковых камнеобрабатывающих станков с раздельными мостами для вертикальных и горизонтального дисков. Для обработки блоков 3-4 групп горных пород любой прочности перспективна технологическая схема, разработанная ООО «Камнеобраба-тывающий завод-автомат» (Санкт-Петербург).

13. На основе компьютерной обработки фактических данных по добыче блоков и производству изделий из природного камня за 1995 - 2001 гг. установлены зависимости для расчета объемов производства на карьерах и камнеобрабатывающих предприятиях Урала в перспективе до 2010 г.

Перспективное развитие камнеобработки возможно по трем вариантам. Если динамика производства плит не изменится, то перспективное развитие будет идти по варианту 1. В этом случае перспектива для Уральского региона будет складываться неблагоприятно, что грозит полной потерей контроля внутреннего рынка камня, наполнением его изделиями, импортируемыми из Китая, Италии, Испании, Индии и ряда других стран. Во втором варианте все добытое сырье перерабатывается на уральских камнеобрабатывающих заводах. К концу расчетного периода в 2010 году объем производства плит увеличится почти в 8 раз, чего трудно достигнуть в реальности. Если на уральских предприятиях будет обрабатываться 60 % добываемого сырья, получаем вариант 3. В этом случае объем производства плит к 2010 году возрастет в 4,78 раза. Объем производства изделий на одного жителя Уральского региона составит в 2010 году 22,1 % от сегодняшнего уровня потребления камня на душу населения в Греции. Эту задачу на перспективу следует считать минимально необходимой.

14. Дальнейшее развитие камнеобрабатывающего комплекса Урала возможно лишь на основе целенаправленного развития сырьевой базы камнеобработки, перехода на высокопроизводительные технологические схемы производства вскрышных работ, добычи и обработки природного камня, создания в регионе мощной машиностроительной и инструментальной базы для отрасли, адаптации ее к потребностям российского и мирового рынков камня.

15. Значительный рост объемов производства на добыче и обработке камня будет возможен при условии объединения разрозненных добычных и камнеобрабатывающих предприятий в крупную холдинговую компанию, в которую так же войдут машиностроительные и инструментальные предприятия, обслуживающие камнеобработку, а все промышленные предприятия будут объединены собственным акционерным банком реконструкции и развития камнеобработки Урала.

16. Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс и на предприятиях по добыче и обработке камня. Общий экономический эффект от использования результатов диссертационной работы в промышленности превышает 30 млн. руб. в действующих ценах.

заключение

В диссертационной работе на основе выполненных исследований и теоретических обобщений обоснованы технологические решения по направлениям повышения эффективности на добыче и обработке природного камня: взрывная подготовка к выемке выветрелых вскрышных пород, двухстадийные высокоуступные схемы добычи блоков, высокотехнологичные схемы обработки изделий из камня. Внедрение их позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели в камнеобработке за счет повышения качества изделий из камня, роста производительности труда, снижения затрат на производство и способствует поступательному развитию камнеобработки на Урале.

Это вносит значительный вклад в развитие экономики страны в области производства облицовочных материалов из природного камня.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Бычков, Геннадий Васильевич, Екатеринбург

1. Аглюков Х.И., Гуров М.Ю. Обоснование эффективной технологии добычи блочного гранита // Добыча, обработка, применение природного камня: сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 114-117.

2. Агеев С.Г. Учет особенностей строения природного камня при взрывном отделении монолитов // Камень и бизнес. — 1994. № 2 (4) -с. 28-29.

3. Александров В.А. Обработка природного камня алмазным дисковым инструментом Киев: Наукова Думка, 1979. - 240 с.

4. Арустамян A.C. Вопросы эффективности дисковой распиловки гранита // Добыча, обработка, применение природного камня: сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2001, - С.149 - 154.

5. Бадумян K.JL, Барсегян Э.Е., Мерян Ф.А. Оборудование для добычи и обработки природного камня // Отраслевой каталог. — М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1987. 378 с.

6. Бакка Н.Т., Ильченко И.В. Облицовочный камень. Геолого-промышленная и технологическая оценка месторождений. М.: Недра, 1992.-303 с.

7. Безматерных В.А., Берсенев Г.П. Теория разрушения твердых тел ударом и взрывом // Изв. вузов. Горный журнал. 1993. - № 3. - С. 85 -87.

8. Беликов Б.П., Петров В.П. Облицовочный камень и его оценка. М.: Наука, 1977.- 139 с.

9. Блюменфельд В.М. Рациональный способ добычи гранитных блоков // Горный журнал. 1996. - № 6. - с. 33 - 35.

10. Бренер И.Ш., Егоров Ю.А. и др. Использование нетрадиционных способов рыхления горных пород в карьере//Камень и бизнес. — 1994 -№ 1.С. 21-24.

11. Буровзрывные работы на карьерах штучного камня / Берсенев Г.П., Бычков Г.В., Белов С.Н., Артамонов O.A., Метельков A.B. // Изв. вузов. Горный журнал. 1999. - № 7 - 8. - С. 69 - 73.3.