Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Обоснование параметров ресурсосберегающей технологии добычи гранитных блоков с учетом структурных особенностей массива

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Галченко, Сергей Павлович, Москва

! ■ • / А -

I О

/

Министерство общего и профессионального образования РФ Российский университете дружбы народов

На правах рукописи

ГАЛЧЕНКО СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ГРАНИТНЫХ БЛОКОВ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНЫХ

ОСОБЕННОСТЕЙ МАССИВА

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

05.15.03 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, академик Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности В.И. Тагасов

Научный консультант: доктор технических наук, профессор И. А. Ковалев

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1.ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДОБЫЧИ ГРАНИТНЫХ БЛОКОВ 10

1.1. Вещественный состав и строение облицовочных камней из гранитных пород 10

1.2. Геологические особенности строения месторождений интрузивных пород Балтийского щита 19

1.3. Анализ применяемых способов отделения блоков высокопрочных пород от массива 22

1.4. Выводы по главе, задачи исследования 33

2. ОЦЕНКА ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ МЕТОДОВ РАСКОЛА МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ДОБЫЧЕ ПРИ-

РОДНОГО КАМНЯ 35

2.1. Анализ основных теорий разрушения горных пород взрывом 35

2.2. Анализ теорий процесса образования магистральной трещины при контурном взрывании 43

2.3. Систематизация методов направленного раскола массива горных пород с помощью динамических нагрузок 47

2.4. Оценка исследований по совершенствованию буровзрывных работ при добыче блоков природного камня 50

2.5. Выводы 57

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГЛАДКО-СТЕННОГО КОНТУРНОГО ВЗРЫВАНИЯ ПРИ РАСКОЛЕ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД 60

3.1. Анализ исследований гладкостенного взрывания, выполненных методом конечных элементов 60

3.2. Изучение процесса трещинообразования при контурном взрывании путем моделирования взрыва в органическом стекле 61

3.3. Экспериментальная оценка типов ВВ и конструкций зарядов для направленного раскола гранитных блоков в натурных условиях 65

3.4. Выводы 73

4. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ ТИПОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И КОНСТРУКЦИЙ ЗАРЯДОВ ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО РАСКОЛА МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД 75

4.1. Оценка взрывчатых веществ, применяемых для направленного раскола высокопрочных пород 75

4.2. Анализ современных конструкций зарядов для направленного раскола массива горных пород 81

4.3. Выводы 93

5. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНТУРНОГО ВЗРЫВАНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ ПРИРОДНОГО КАМНЯ 95

5.1. Основные положения расчета параметров контурного взрывания 95

5.2. Расчет оптимального расстояния между оконтуривающими шпурами при предварительном контурном взрывании 97

5.3. Влияние трещиноватости массива горных пород на параметры контурного взрывания 106

5.4. Определение расстояния между смежными контурными зарядами при гладкостенном (мягком) взрывании 111

5.5. Выводы 112

6. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ДЛЯ ДОБЫЧИ ГРАНИТНЫХ БЛОКОВ 114

6.1. Основные положения предлагаемой технологии 114

6.2. Оценка влияния свойств интрузивного массива на эффективность отделения блоков пород квазистатическими и динамическими нагрузками 114

6.3. Технологические особенности разработки месторождений природного камня из высокопрочных пород 119

6.4. Сравнительная оценка гидравлического и пневматического оборудования при добыче гранитных блоков 121

6.5. Опыт механизированной добычи каменных блоков на гранитных карьерах Финляндии и Норвегии 126

6.6. Обоснование ресурсосберегающей технологии добычи

гранитных блоков 129

6.7. Рекомендуемая технологическая схема для добычи гранитных боков 134

6.8. Выводы 138 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139 ЛИТЕРАТУРА 140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Природные облицовочные камни широко применяют в архитектуре, строительстве, технике. Несмотря на то, что камнедобывающая и камнеобрабатывающая отрасль промышленности развивается высокими темпами, в настоящее время потребность в облицовочной продукции и архитектурных изделиях из камня удовлетворяется лишь на 30%, а в продукции из высокопрочных облицовочных пород - всего на 10-12%.

Совершенствование техники и технологии добычи гранитных блоков позволило в последние годы увеличить выход кондиционных блоков из добываемого сырья и довести его до 40%, вместо 10%, имевших место ранее.

Дальнейшее увеличение выхода гранитных блоков при разработке месторождений возможно за счет повышения эффективности отделения монолитов от массива горных пород и применения более современной, менее трудоемкой технологии разделения монолитов на блоки, позволяющей снизить себестоимость продукции и обеспечить более полное использование природных ресурсов.

Несмотря на то, что в настоящее время разработаны и внедряются новые технологии и оборудование по направленному расколу горных пород (гидроклиновые установки, невзрывные разрушющие смеси и др.), добыча блоков из высокопрочных пород почти на всех карьерах РФ осуществляется с помощью клиновых и буровзрывных способов, из которых последнему отдается предпочтение. Использование этих способов, если они применяются без учета структурных особенностей массива и механизмов нового поколения, является причиной низкого выхода блочной продукции и, соответственно, больших потерь сырья.

Совершенствование существующих и освоение новых методов добычи природного облицовочного камня позволит не только существенно расширить об-

ласть использования камня, но и обеспечить рациональное использование природных ресурсов и повысить эколого-экономическую эффективность их разработки.

Поэтому разработка технологических схем и их параметров, в которых сочетаются наиболее эффективные способы взрывного отделения блоков от массива, основанные на использовании новых типов ВВ, новых конструкций зарядов для взрывания и разделения блоков с помощью невзрывных разрушающих средств, является актуальной задачей в области повышения эффективности добычи облицовочного камня, включая охрану окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

Цель работы состоит в научном обосновании параметров и технологии добычи гранитных блоков, позволяющих увеличить выход товарной продукции, снизить потери сырья и улучшить экологическую обстановку в районе ведения горных работ.

Идея работы - повышение выхода блоков и качества блочного гранитного камня обеспечивается выявленными закономерностями развития магистральных трещин на основе управления параметрами контурных зарядов с воздушным промежутком при отделении монолита от трещиноватого массива с дальнейшим его разделением на блоки невзрывными методами.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна.

1. При гладкостенном взрывании расстояние между смежными зарядами в контурных шпурах при действии квазистатической составляющей динамического поля напряжений, в качестве которых выступают статические давления продуктов взрыва на стенки шпуров при мгновенном инициировании в них зарядов ВВ, в основном зависит от НДС и физико-механических свойств массива горных пород, диаметра шпура, отношения объемов ВВ и шпура, коэффициентов бокового рас-

пора и затухания взрывной волны в зоне направленной магистральной трещины, а также структурных особенностей массива.

2. Динамические способы направленного трещинообразования и гладко-стенного взрывания следует применять при отделении монолитов от массива и расколе крупных блоков, учитывая при выборе направлений раскола и параметров БВР структурные особенности массива. Невзрывные методы, главным образом гидроклиновые, целесообразно использовать при разделении крупных блоков на товарные, выбирая направление раскола с учетом текстурных особенностей массива.

3. Относительное расстояние между смежными контурными шпурами с глубиной добычи изменяется по степенному закону и зависит от показателя степени затухания ударных волн и НДС массива.

4. Предварительное разуплотнение монолитов по их естественным трещинам путем приложения направленных квазидинамических нагрузок специальными зарядами позволяет увеличить на 5-10% выход кондиционных блоков при разработке гранитных месторождений.

5. Снижение локального загрязнения атмосферного воздуха в районе ведения горных работ достигается заменой пневматического бурового оборудования, более эффективным - гидравлическим, позволяющим уменьшить количество выхлопных газов из дизельных подстанций, обслуживающих карьер

Методы иссследований : анализ опыта экспериментальных и промышленных испытаний динамических и статических методов направленного раскола массива высокопрочных горных пород; аналитические исследования на основе теории упругости; лабораторные исследования, натурные наблюдения и экспериментальные исследования в производственных условиях.

Научная новизна работы:

- обоснована, с учетом трещинной тектоники и блочности, область эффективного использования взрывных методов отделения монолитов от массива горных пород, что позволяет прогнозировать параметры кондиционных гранитных блоков;

- предложен метод расчета параметров зарядов и типов ВВ для гладкостен-ного контурного взрывания;

- предложены и научно обоснованы методы расчета параметров направленного трещинообразования при контурном взрывании, учитывающие НДС массива, трещинную тектонику и блочность приконтактной зоны массива высокопрочных горных пород (гранитов) при отделении от него монолитов и для последующего разделения их на товарные блоки;

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных теоретических моделей и методов исследований, надежностью и представительностью исходных данных, сходимостью результатов расчетных параметров с данными, полученными из натурных экспериментов.

Научное значение работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании параметров гладкостенного контурного взрывания с учетом структурных и текстурных особенностей массива высокопрочных горных пород.

Практическая ценность работы:

- предложены и обоснованы основные параметры малоотходной технологии добычи гранитных блоков, обеспечивающей увеличение выхода кондиционных блоков, улучшение экологической обстановки в районе горных работ и комплексную механизацию всех производственных процессов, включая переработку отходов горного производства;

- предложен и обоснован инженерный метод расчета параметров направленного трещинообразования и гладкостенного контурного взрывания.

Реализация работы: предложенная технология добычи блоков природного камня из интрузивных месторождений, включая методику расчета параметров контурного взрывания для горно-геологических условий Балтийского щита, рекомендована для проектирования очистных работ на гранитных карьерах Карелии. Результаты работы используются в учебном процессе РУДН и МГГА Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных ежегодных конференциях МГГА (1994-1998 гг.). Публикации. По теме работы опубликовано 7 работ.

1.ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДОБЫЧИ

ГРАНИТНЫХ БЛОКОВ 1.1. Вещественный состав и строение облицовочных камней

из гранитных пород

Геологические и технологические свойства облицовочных горных пород и условия их залегания изменяются в больших диапазонах. Трудно найти хотя бы две одинаковые по минералогическому составу и свойствам породы, еще труднее найти месторождения с одинаковыми условиями залегания и возможностями их разработки.

Гранит (от латинского слова ^апит - зерно) представляет собой полнокристаллическую интрузивную или реже метасоматическую кислую светлоокрашенную горную породу, состоящую из полевого шпата (по объему 60-70%) и кварца (по объему 30-40%). Содержание темноцветных минералов в граните не превышает 10% по объему. Текстура породы массивная. Структура гранита гипидиоморф-нозернистая, которую часто называют просто гранитная.

Гранит является ценнейшим облицовочным камнем. Он широко используется для внешней и внутренней облицовки зданий и сооружений в монументальном строительстве, для изготовления пьедесталов, стелобатов, постаментов памятников, для производства технических и архитектурных изделий.

По генезису граниты разделяют на автохтонные и аллохтонные.

Автохтонные граниты образовались в процессе гранитизации осадочных и вулканических пород. Они встречаются в виде крупных массивов, имеющих согласные контакты с вмещающими породами. Такие граниты характеризуются неоднородным строением и составом. Ввиду неоднородности состава и свойств ав-

тохтонные граниты имеют ограниченное применение в производстве полированной облицовочной продукции.

Как облицовочные камни большой интерес представляют аллохтонные граниты - интрузивные породы. Они имеют интрузивные контакты с вмещающими породами, массивное сложение.

На территории СНГ граниты распространены широко: на Украине, в Карелии, в окрестностях Санкт-Петербурга, на Урале и в других местах. Гранитные залежи приурочены к самым различным геоструктурным регионам страны. Но несмотря на большие количества месторождений гранитов, только незначительная их часть может использоваться как облицовочный камень. Это объясняется тем, что для большинства гранитных месторождений характерны значительные трещи-новатость, изменчивость состава и свойств на небольших площадях.

Но в то же время граниты часто отличаются относительно слабой выветре-лостью, наличием закономерно развитой трещиноватости и параллелепипедной отдельности, что очень важно для добычи блоков. По возрасту преобладающая часть гранитоидов относится к протерозойским образованиям.

По сходству цвета и расцветок, а также текстурно-структурных особенностей специалисты разделяют граниты различных тектоно-магматических циклов на три группы [4].

Первая группа - темно-серые, почти черные; серые и светло-серые; средне-и мелкозернистые, реже крупнозернистые; порфировидные граниты. К ним можно отнести облицовочные граниты таких месторождений как Жежелевское, Трикрат-ненское, Константиновское, Староба-банское, Изарбельское, Янцевское, Корнин-ское, Кудашевское, Коростышевское, Богуславское и др.

Вторая группа - красные (до красных) и розово-красные граниты, равно-мернозернистые, порфировидные или трахтоидные их разновидности. К ним мож-

но отнести граниты Лезниковского, Курдайского, Дидковичского, Новоданиловского и других месторождений.

Третья группа - розово-серые, розовые, серовато-розовые, крупно- и средне-зернистые, порфировидные граниты, к которым можно отнести граниты таких месторождений, как Возрождение, Капустинское (розовые разновидности), Софиев-ское и др.

Между этими тремя выделенными группами гранитов существует ряд переходных групп, характеризующихся различными оттенками расцветок, насыщенностью тона и светлотой, зависящих, в свою очередь, от минералогического состава и структурно-текстурных особенностей гранитов (рис. 1.1). На практике очень часты случаи, когда в пределах одного и того же месторождения могут быть выделены различные группы гранитов. Граниты месторождений каждой группы имеют много общих и в то же время значительное количество различных особенностей. Например, розово-красные и красные граниты второй и третьей групп содержат микроклин до 50%, а для первой группы, в которую входят серые граниты, характерно наличие биотита, гиперстена, иногда граната, зачастую сильно усложняющего обработку гранита в связи с высокой твердостью этого минерала. Высокие показатели декоративности гранитов зависят в первую очередь от способности их принимать полировку высокого качества, достигая зеркального блеска. Мелкозернистые граниты, содержащие в незначительных количествах темноцветные минералы и гранат, полируются лучше всего. Сочетание красных, темно-серых и серых расцветок гранитообразующих минералов создает однородный цветовой фон, как правило, лишенный какого-либо рисунка, поэтому такие граниты целесообразно использовать для облицовки крупных деталей сооружений, так как в этом случае отпадает надобность в подборе плит по декоративным свойствам [5].

Рис. 1.1. Зарисовки структурно-текстурного строения пород:

I - головинский лабрадорит; 2 - лезниковский гранит; 3 - жежелевский гранит; 4 - корнинский гранит; 5 - слипчицкий габбро-норит; 6 - богуславский гранит; 7 - коростышсвский гранит; 8 - емельяновский гранит.

Физико-механические свойства гранитов характеризуют эти породы как очень крепкие (прочность на сжатие 120-260 МПа), обладающие низким показателем истираемости, а также как чрезвычайно плотные среды с низким водоногло-щением. Прочность мелкозернистых гранитов по сравнению с кр�