Обоснование размеров сетки скважинных зарядов при взрывном разрушении слоистых массивов железистых кварцитов

Федосеев, Антон Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование размеров сетки скважинных зарядов при взрывном разрушении слоистых массивов железистых кварцитов
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование размеров сетки скважинных зарядов при взрывном разрушении слоистых массивов железистых кварцитов"

На правах рукописи

ФЕДОСЕЕВ Антон Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕРОВ СЕТКИ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ ПРИ ВЗРЫВНОМ РАЗРУШЕНИИ СЛОИСТЫХ МАССИВОВ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005551590

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор

Парамонов Геннадий Петрович

Официальные оппоненты:

Белин Владимир Арнольдович доктор технических наук, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Горный институт (МГИ), кафедра взрывного дела, заведующий кафедрой

Трофимов Андрей Викторович кандидат технических наук, ООО «Институт Гипроникель», центр физико-механических исследований, заведующий центром

Ведущая организация - ФГБУН «Институт проблем комплексного освоения недр РАН»

Защита состоится 26 июня 2014 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при "Национальном минерально-сырьевом университете "Горный" по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. №1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке "Национального минерально-сырьевого университета "Горный" и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 25 апреля 2014 г. УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ {М^у СИДОРОВ

диссертационного совета ^ ' ' Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Буровзрывные работы являются важнейшей составной частью технологического процесса добычи полезных ископаемых. Повышение эффективности взрывоподготов-ки горной массы во многом зависит от совершенства технологий взрывных работ и максимально возможного использования энергии взрыва. Качество взрывной подготовки горной массы влияет на производительность погрузочно - транспортировочных средств и дро-бильно - сортировочного оборудования.

Каждое разрабатываемое и разведанное месторождение полезных ископаемых имеет свои структурные особенности. Практика ведения горных работ показывает, что при составлении проектов массовых взрывов индивидуальные особенности структурного строения взрываемого блока, как правило, не учитываются. В связи с этим расчетные параметры БВР не соответствуют требованиям повышения эффективности использования энергии взрыва. Так, на карьерах Михайловского ГОКа несмотря на высокие удельные расходы ВВ наблюдается значительных выход негабаритной фракции.

К настоящему времени проведено значительное количество исследований посвященных действию взрыва в горных породах различной структуры. В данном направлении работали известные ученые: В. В. Адушкин, В. А. Белин, В. А. Боровиков, С. Д. Викторов, С. А. Гончаров, Э. И. Ефремов, В. М. Закалинсий, Н. Н. Казаков, В. М. Комир, В. А. Кузнецов, Б. Н. Кутузов, Ф. И. Кучерявый, В. Н. Мосинец, А. Н. Ханукаев и др., внесшие значительный вклад в теорию и практику взрывных работ при разработке месторождений полезных ископаемых.

Несмотря на значительные успехи в области совершенствования технологии взрывных работ при разрушении сложнострук-турных горных пород, они не в полной мере отвечают возросшим требованиям горного производства.

Учет структурных особенностей (трещиноватости, блочно-сти, слоистости, обводненности) массива при расчете параметров взрывного рыхления может повысить эффективность взрывных работ (качество дробления горной массы) а решение этой проблемы представляет важную в научном и практическом плане задачу для горнорудных предприятий.

Цель диссертационной работы. Обоснование размеров сетки взрывных скважин обеспечивающих повышение эффективности дробления железистых кварцитов при взрывном разрушении.

Идея работы. Размеры сетки скважинных зарядов при взрывном разрушении железистых кварцитов следует определять с учетом направления простирания и угла наклона слоистости.

Основные задачи работы:

1. Анализ исследований разрушения горных пород различной структуры;

2. Аналитическая оценка размеров зоны трещинообразова-ния при взрывном разрушении железистых кварцитов;

3. Определение влияния угла наклона слоистости на прочностные характеристики железистых кварцитов на примере Михайловского ГОКа;

4. Исследование влияния угла наклона слоистости на степень затухания волны напряжений;

5. Определение сетки скважин для слоистых массивов железистых кварцитов Михайловского месторождения.

Научная новизна работы:

1. Установлены зависимости изменения пределов прочности на сжатие и растяжение неокисленных железистых кварцитов Михайловского месторождения от ориентации слоистости относительно направления прилагаемой нагрузки;

2. Установлены зависимости изменения величины максимальных скоростей смещения частиц за фронтом волны напряжений на различных расстояниях от заряда в неокисленных железистых кварцитах Михайловского месторождения с учетом ориентации слоистости.

Основные защищаемые положения:

1. Минимальная нагрузка, необходимая для разрушения железистых кварцитов Михайловского месторождения, достигается при ее действии под углом 30-40° к плоскости слоев в случае сжимающих нагрузок и под углом 90° в случае растягивающих нагрузок;

в направлении перпендикулярном слоистости происходит с коэффициентом затухания равным 1,7, а вдоль слоистости - 1,58;

3. Повышение качества взрывного дробления железистых кварцитов достигается за счет формирования сетки расположения взрывных скважин на основе совмещения зон трещинообразования, размеры которых определяются углом наклона и направлением простирания слоистости.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего обобщение теоретических и экспериментальных исследований по определению размеров сетки скважин в породах, имеющих сложные горногеологические условия, анализа применяемого на Михайловском ГОКе метода расчета параметров БВР, экспериментальные исследования физико-технических свойств неокисленных железистых кварцитов Михайловского месторождения, физическое моделирование в слоистых средах распространения волн напряжений при взрыве зарядов ВВ, сравнительный анализ результатов лабораторных исследований с результатами теоретических расчетов, сопоставление рассчитанных размеров сетки скважин с применяемыми на предприятии.

Практическая значимость работы:

1. Предложен расчет размера зон трещинообразования в железистых кварцитах с учетом ориентации слоистости;

2. Определены коэффициенты сближения скважин в соответствии с углом падения слоистости неокисленных железистых кварцитов.

Реализация результатов работы. Разработаны рекомендации по определению сетки скважин при взрывном разрушении неокисленных железистых кварцитов.

Научные и практические результаты диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам: «Технология и безопасность взрывных работ», «Проектирование и организация взрывных работ».

структурными особенностями, удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами лабораторных экспериментов.

Личный вклад автора заключается в анализе ранее полученных результатов отечественных и зарубежных исследователей, постановке цели и задач исследования, проведении теоретических и экспериментальных исследований, численных расчетов на ЭВМ, обобщении и анализе полученных результатов, сравнении полученных данных с экспериментальными данными, разработке практических рекомендаций.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на IV Всероссийской конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2011 г.), научной конференции в Краковской горно-металлургической академии (Польша, Краков, 2011 г.), международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2013 г.), симпозиуме «Неделя горняка-2014» (МГГУ, Москва), на заседаниях кафедры взрывного дела и научно-техническом совете Горного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы (все в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 136 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунков, 18 таблицы, список литературы из 89 наименований, 2 приложения.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору Г. П. Парамонову, развитие идей которого, помощь и поддержка способствовали успешному выполнению работы, а также признательность сотрудникам кафедры взрывного дела Горного университета доц. Ю. И. Виноградову, доц. В. А. Артемову и др., сотруднику Научного центра геомеханики и проблем горного производства к.т.н. В.А. Коршунову за практические советы при написании диссертации.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель, идея, задачи, излагаются защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе диссертации представлен анализ влияния структурных особенностей массива на размеры сетки скважин и механизм его разрушения взрывом. Проведен обзор методов учета структурных особенностей при расчете сетки скважин. Сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе проведена аналитическая оценка размеров зон трещинообразования при разрушении волной напряжений и за счет соударения отдельностей. Произведена аналитическая оценка прочности массива с учетом коэффициента динамичности и масштабного фактора.

В третьей главе определено влияние угла наклона слоистости неокисленных железистых кварцитов относительно направления приложения нагрузки на пределы прочности при растяжении и сжатии. Получены показатели степени затухания амплитуды волн напряжений распространяющихся в направлении параллельном простиранию слоистости и в направлении перпендикулярном.

В четвертой главе рассмотрены существующие условия ведения буровзрывных работ на карьерах Михайловского ГОКа. Рассчитаны коэффициенты сближения скважин для различных углов падения слоистости неокисленных железистых кварцитов. Произведен расчет сетки скважин для конкретных взрываемых блоков, проведено сопоставление полученной сетки скважин с применяемой.

В заключении приводятся основные выводы и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

Разрушение горных пород всегда начинается с имеющихся дефектов, а слоистость может выступать в роли плоскостей ослабления, поэтому ориентация слоистости относительно прилагаемой нагрузки играет существенную роль в процессе разрушения.

Для определения влияния слоистости на прочностные свойства неокисленных железистых кварцитов были проведены исследования. Для этого, в соответствии с ГОСТ 21153.2-84 и ГОСТ 2494181, были изготовлены образцы кубической формы со средним размером ребра 35мм и подготовлены керны диаметром 42мм, которые представлены на рисунке 1. Образцы имели различные углы наклона слоистости.

Рисунок 1 - Образцы железистых кварцитов, подготовленные для определения прочности

Исследования прочностных свойств проводились согласно ГОСТ 21153.2-84 и методикам разработанным Научным центром геомеханики и проблем горного производства Горного университета. В результате проведенных экспериментов установлена зависимость влияния угла наклона слоистости железистых кварцитов, на их предел прочности при сжатии, которая представлена на рисунке 2. Откуда следует, что минимальная прочность железистых кварцитов соответствует диапазону углов наклона слоистости 30 - 40°.

с 250 2

§ 200 *

о ей

£ 150

§- 100

о <

£ 50 0

о 10 20 30 40 50 60 70 30 90 Угол наклона слоев относительно направления приложенной нагрузки.

град

Рисунок 2 - Зависимость предела прочности на сжатие от угла наклона слоистости

Полученный результат можно объяснить следующим образом, при одноосном сжатии максимальные касательные напряжения достигаются в сечениях образца, ориентированных под углом 45° к направлению действия сжимающих нагрузок. В силу того, что предел прочности на сдвиг в 3-4 раза меньше такового на сжатие, то обеспечив совпадение максимальных касательных напряжений с плоскостью ослабления, потребуется воздействие минимально возможной нагрузки для разрушения образца.

Экспериментальные исследования по определению предела прочности на растяжение показали, что она уменьшается с увеличением угла наклона слоистости относительно направления растягивающих нагрузок и достигает минимальных значений при угле в 90° (рисунок 3). При растяжении вдоль слоев прочные слои воспринимают на себя часть нагрузки и увеличивают общую сопротивляемость породы.

♦ : : 1 ;

---— :

♦ ■ф Г'---- ............;.............:.............1- ♦ ♦

♦ _________ ♦

у = -0, Я = 1478х + 28,124 + 0,98 <

1 ! 1

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Угол наклона слоев относительно направления разрушающей нагрузки,

град

Рисунок 3 - Зависимость предела прочности на растяжение от угла наклона слоистости.

Для перехода от статических пределов прочности к динамическим, характерным для взрывных нагрузок, используем коэффициенты динамичности, предложенные В. А. Боровиковым:

(1) (2)

д рас

= 4,81 - 0,97 • 10"11 р„С1 (для сжатия),

= 4,81 - 0,97 • 10"п рпС (для растяжения)

где рп - плотность породы, кг/м3; с,, - скорость распространения

продольной волны в породе, м/с.

Таким образом, для наиболее эффективного использования энергии взрыва при разрушении железистых кварцитов необходимо, что бы прилагаемая нагрузка была направлена под требуемым углом к слоистости.

2. При расчете параметров волн напряжений на различ-

ных расстояниях от взрываемого заряда в неокисленных желе-

зистых кварцитах необходимо учитывать, что затухание волны

напряжений в направлении перпендикулярном слоистости про-

исходит с коэффициентом затухания равным 1,7, а вдоль слои-

стости -1,58.

Максимальные составляющие волны напряжений могут быть рассчитаны в следующем порядке.

Изменение максимальной радиальной составляющей волны напряжений в массиве с расстоянием от заряда ВВ до заданной точки, как известно, определяется согласно уравнению:

Рл

^"/шах

й (3)

где Рд - давление на фронте ударной волны в горной породе, Па; г -

относительное расстояние от оси заряда до заданной точки; п - коэффициент затухания волны напряжений.

Коэффициент затухания п для разрушаемой горной породы определяется как:

п = 2--—. (4)

1-М

где /л - коэффициент Пуассона.

Динамический коэффициент Пуассона можно определить на основе скорости распространения продольной и поперечной волны:

С2 - 2-С2

м= - : ; - (5)

2 -(С2р-Ф

где СР - скорость распространения продольной волны в горной породе, м/с; С5 - скорость распространения поперечной волны в горной породе, м/с.

Связь между максимальной радиальной и тангенциальной составляющими волны напряжений для цилиндрического заряда может быть определена из уравнения:

^юшах , ^"гтах '

1 -И

Для подтверждения достоверности расчета изменения максимальной тангенциальной составляющей волны напряжений от относительного расстояния были проведены экспериментальные исследования. Для количественной оценки параметров волн напряжений применялось физическое моделирование, использовался закон расширенного геометрического подобия.

При выполнении исследования были изготовлены модели кубической формы из железистых кварцитов со средним размером ребра 150мм. На рисунке 4 представлена типичная модель для проведения эксперимента. В качестве ВВ для заряда использовался ТЭН (тетранитропентаэритрит) плотностью 0,97 г/см3. Замеры ускорений смещения частиц производились с помощью пьезоакселерометров и цифрового осциллографа Т083034В.

■ ИНК:,',

Рисунок 4 - Экспериментальная модель

В результате опытных взрывов получены акселерограммы на различных расстояниях от заряда, которые путем интегрирования по времени преобразованы в велосиграммы (рисунок 5).

О 0.1

-0.1

11 А

1 А / \ / \

Время, с

Рисунок 5 - Велосиграмма модельного блока №7 на расстоянии 119мм

Результаты этих замеров позволили получить зависимости изменения скорости смещения частиц (рисунок 6).

5 5

га

5 4

5 3

оо

Я = 0,98

Л = 0,97

О ■-.

10,0 20,0 30,0 40,0 50,0

Относительное расстояние

О Вдоль слоистости ■ Перпендикулярно слоистости

60,0

Рисунок 6 - Зависимость величины максимальных скоростей смещения частиц от расстояния в железистых кварцитах при взрыве заряда ТЭНа.

Кривые, представленные на рисунке 6, аппроксимируются следующими зависимостями: 492

У тах=__1_ для \5г3<г< 60г3 при распространении волны

напряжений вдоль слоистости и у

424

для 15г3<г<60г3

шах 1,7

перпендикулярно слоистости.

Таким образом, на основе полученных результатов установлены значения коэффициентов затухания волны напряжений: в направлении перпендикулярном слоистости - 1,7, вдоль слоистости - 1,58.

Чтобы использовать зависимости, полученные в результате моделирования, для промышленных ВВ введем понятие о радиусе заряда эквивалентном по энергии взрыва:

где (/?;з) м - фактический радиус модельного заряда, мм; о - теплота взрывчатого превращения модельного ВВ, МДж; £}н - теплота взрывчатого превращения промышленного ВВ, МДж; (рвв)м -плотность модельного ВВ, г/см3; (Рвв)н - плотность промышленного ВВ, г/см3.

Из теории упругости известно, что максимальную радиальную составляющую волны напряжений можно определить на основе экспериментальных данных из соотношения:

где Рп - плотность породы, кг/м3; Ср - скорость распространения продольной в породе, м/с; „гти - максимальная радиальная составляющая скорости смещения частиц за фронтом волны, которая была определена в серии экспериментов описанных выше, м/с.

На основе полученных экспериментальных значений максимальных скоростей смещения частиц, плотности и скорости распространения продольной волны определены изменения максимальных тангенциальных напряжений в неокисленных железистых кварцитах на различных расстояниях от заряда вдоль направления простирания слоев и в направлении перпендикулярном им (рисунок 7).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что экспериментально полученные кривые изменения максимальных тангенциальных напряжений совпадают с кривыми, рассчитанными по выше описанному алгоритму (рисунок 7).

о",

г шах

г гпах '

(8)

----расчет, бдоль слоистости

---ЭКСП ВДОЛЬ СП0ИСТОСП1

........расчет, перпендикулярно слоистое™

--эксп. перпендикулярно слоистости

40 45 50 Относительное расстояние Рисунок 7 - Зависимость величины максимальных тангенциальных напряжений от расстояния в железистых кварцитах

Так как расчетные значения максимальной тангенциальной составляющей волны напряжений при придельных углах наклона слоев (0 и 90 градусов) подтверждены экспериментальными результатами, значит описанный выше порядок расчета может быть использован и при расчете максимальных параметров волны напряжений для промежуточных углов от 0° до 90°.

3. Повышение качества взрывного дробления железистых кварцитов достигается за счет формирования сетки расположения взрывных скважин на основе совмещения зон трещи-нообразования, размеры которых определяются углом наклона и направлением простирания слоистости.

Качество дробления и удельный расход ВВ при заданном диаметре скважин главным образом определяются размерами сетки скважин, которые должны рассчитываться исходя из размеров зон трещинообразования.

Размеры зон трещинообразования в свою очередь могут быть определены, в соответствии с ориентацией слоистости, из условия равенства максимальной амплитуды тангенциальной составляющей волны напряжений динамическому пределу прочности массива на растяжение по уравнению:

где Рд - начальное давление на стенке скважины, Па; г3 - радиус заряда, м; /л - коэффициент Пуассона; п - коэффициент затухания волны напряжений; [а-^"""™"] - динамический предел прочности породы на растяжение, Па;

Для условий блока №20к Михайловского ГОКа, имеющего угол падения слоев 86°, рассчитаны размеры зон трещинообразования с учетом ориентации слоистости гГР± « 4м (размер радиуса зоны трещинообразования в направлении простирания слоистости), гтри К 2М (размер радиуса зоны трещинообразования в направлении перпендикулярном простиранию слоистости).

На основе полученных размеров зон трещинообразования сформируем сетку скважин а = 2гТР ± = 8м (расстояние между скважинами в ряду), Ь = 2гтр и =4м (расстояние между рядами скважин).

В данном случае получаем коэффициент сближения

скважин т = — = 2-Ъ

В настоящий момент времени на Михайловском ГОКе применяются другие размеры сетки расположения скважин. Расстояние между скважинами в ряду равно 5м, а между рядами - 7м. В результате образуется наложение зон разрушения и перерасход ВВ, либо зоны разрушения не имеют контакта и возможен выход негабарита (рисунок 8А). Сетка скважин сформированная по предлагаемому

подходу исключает это, обеспечивая контакт зон разрушения (рисунок 8Б).

' \ / ч

/ ^ / \ ' i i \ ' 6 м i

I Z , Г-»

г^ Г

Ч) 1

\ i \ /

\ /

* I

I I

1 I

\ /

\ / > \

! \

О |

V /

ч /

/ \

^ /

,4м ''

т.

-о

I \ ( \

ч у

\ /• ч

N /

О 1

* ' \ \ / \

N f Ч S

А Ь

Рисунок 8 - Расположение зон разрушения при формировании сетки на блоке №20 по предлагаемому подходу А. и по подходу используемому на предприятии Б

Аналогично для условий блока №32к, имеющего угол падения слоев 46°, получены размеры зон трещинообразования в направлении простирания слоистости и перпендикулярно направлению простирания rTP ± = Ьм, гТР п = 8л/.

В данном случае ряды скважин ориентированы под углом в 46° к направлению простирания слоистости, поэтому размеры сетки скважин будут определяться радиусами эллиптической зоны трещи-

v yp jj ' vтр - /

нообразования а -2- —— = = 6,5м {(р - угол

y¡r^P± ■ eos2 <р + rfp п ■ sin2 <р

между направлением простирания слоистости и направлением рядов

У~rp ii ' Угр i

скважин, град.), b = 2 • = = 6,5л/,(а - угол

iJrfF ± ■ cos2 а + rfp ,1 ■ sin2 а

между направлением простирания слоистости и направлением перпендикулярным рядам скважин, град.).

В данном случае получаем квадратную сетку, коэффициент

сближения скважин т = — = 1

На предприятии применяются другие размеры сетки расположения скважин. Расстояние между скважинами в ряду равно 5м, а между рядами - 6м. В результате образуется наложение зон разрушения и перерасход ВВ (рисунок 9А). Предлагаемая сетка скважин исключает это, обеспечивая контакт зон разрушения (рисунок

' 1

» /V

А Б

Рисунок 9 - Расположение зон разрушения при формировании сетки на блоке №32 по предлагаемому подходу А, и по подходу используемому на предприятии Б

Анализ полученных расчетов показывает, что данный подход позволит исключить не прорабатываемые зоны, из которых возможно появление негабарита и исключить наложение зон трещинообра-зования, за счет которого увеличивается расход ВВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа является законченной научно-квалификационной работой, в которой представлено решение актуальной для горнодобывающих предприятий задачи по обоснованию сетки взрывных скважин при взрывном разрушении железистых кварцитов на основе учета угла падения и направления простирания слоистости.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Установлена зависимость изменения скорости распространения продольной волны в железистых кварцитах от угла наклона слоистости;

2. Получены зависимости пределов прочности на сжатие и растяжение для неокисленных железистых кварцитов от угла наклона слоистости;

3. Установлены зависимости степени затухания амплитуды волны напряжений в зависимости от ориентации слоистости неокисленных железистых кварцитов;

4. Определены коэффициенты сближения скважинных зарядов при взрывном разрушении железистых кварцитов Михайловского ГОКа в зависимости от угла падения и направления простирания слоистости;

5. Предложен способ расчета коэффициента затухания волны напряжений в железистых кварцитах в зависимости от ориентации слоистости, на основе скоростей распространения звука в породе;

6. Разработана методика расчета размеров зон трещинообра-зования учитывающая изменение механизма разрушения в зависимости от структуры массива.

По теме диссертации опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки России, следующие работы:

1. Менжулин М. Г. Расчет параметров БВР на основе сопряжения зон разрушения для пористых и трещиноватых пород / М.Г. Менжулин, A.B. Федосеев, М.В Захарян, П.И. Афанасьев, A.A. Бульбашев // Взрывное дело. № 105/62. М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГК» 2011. С.62-67.

2. Менжулин М. Г. Определение размеров зон взрывного разрушения для трещиноватых горных пород с различными заполнителями трещин на примере Михайловского ГОКа / М.Г. Менжулин, A.B. Федосеев // Записки Горного института, 2012. Т. 195. С. 120-123.

3. Парамонов Г. П. Оценка влияния трещиноватости массива на его разрушение при производстве взрывных работ / Г.П. Парамонов, A.B. Федосеев, Ю.С. Гапонов//Записки Горного института 2013 Т204 С. 294-296.

РИЦ Горного университета. 24.04.2014. 3.348. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Федосеев, Антон Владимирович, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреяедение высшего профессионального образования

"Национальный минерально-сырьевой университет "Горный"

На правах рукописи

04201460021

Федосеев Антон Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕРОВ СЕТКИ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ ПРИ ВЗРЫВНОМ РАЗРУШЕНИИ СЛОИСТЫХ МАССИВОВ ЖЕЛЕЗИСТЫХ

КВАРЦИТОВ

Специальность 25.00.20-Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная

аэрогазодинамика и горная теплофизика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук, профессор Г.П. Парамонов

Санкт-Петербург - 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................3

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................................................................................8

1.1 Структурные особенности массива железистых кварцитов Михайловского месторождения и их влияние на разрушение..............................................................8

1.2 Изменение механизма разрушения горных пород в зависимости от структуры массива..........................................................................................................................25

1.3 Анализ существующих методов учета структурных особенностей массива при проектировании БВР............................................................................................33

1.4 Выводы по главе 1 и постановка задач исследований.......................................47

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАЗМЕРОВ ЗОНЫ

ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ.........................................................................................48

2.1 Разрушение под действием волны напряжений.................................................48

2.2 Разрушение за счет квазистатического действия взрыва..................................57

2.3 Аналитическая оценка прочности массива.........................................................64

2.4 Выводы по главе 2.................................................................................................71

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ.....................................................................................72

3.1 Влияние структурных особенностей железистых кварцитов на их физико-механические свойства................................................................................................72

3.2 Физическое моделирование натурных условий взрывного нагружения на модельных блоках из железистых кварцитов...........................................................85

3.3 Экспериментальное изучение параметров волн напряжений и зон взрывного разрушения железистых кварцитов на физических моделях..................................90

3.4 Выводы по главе 3..............................................................................................103

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ СЕТКИ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН ДЛЯ ОТРАБОТКИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ В УСЛОВИЯХ МИХАЙЛОВСКОГО ГОКА...................................104

4.1 Краткая характеристика месторождения и технологии отработки, применяемой на предприятии...................................................................................104

4.2 Рекомендации по определению сетки скважин при взрывном разрушении

железистых кварцитов...............................................................................................113

4.4 Выводы по главе 4...............................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.........................................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Буровзрывные работы являются важнейшей составной частью технологического процесса добычи полезных ископаемых. Повышение эффективности взрывоподготовки горной массы во многом зависит от совершенства технологий взрывных работ и максимально возможного использования энергии взрыва. Качество взрывной подготовки горной массы влияет на производительность погрузочно - транспортировочных средств и дробильно - сортировочного оборудования.

Несмотря на значительные успехи в области совершенствования технологии взрывных работ при разрушении сложноструктурных горных пород, они не в полной мере отвечают возросшим требованиям горного производства.

Учет структурных особенностей (трещиноватостн, блочности, слоистости, обводненности) массива при расчете параметров взрывного рыхления может повысить эффективность взрывных работ (качество дробления горной массы) а решение этой проблемы представляет важную в научном и практическом плане задачу для горнорудных предприятий.

Цель диссертационной работы

Обоснование размеров сетки взрывных скважин обеспечивающих повышение эффективности дробления железистых кварцитов при взрывном разрушении.

Идея работы

Размеры сетки скважинных зарядов при взрывном разрушении железистых кварцитов следует определять с учетом направления простирания и угла наклона слоистости.

Основные задачи работы:

1.Анализ исследований разрушения горных пород различной структуры.

2.Аналитическая оценка размеров зоны трещинообразования при взрывном разрушении железистых кварцитов.

3.Определение влияния угла наклона слоистости на прочностные характеристики железистых кварцитов на примере Михайловского ГОКа.

4.Исследование влияния угла наклона слоистости на степень затухания волны напряжений.

5.0пределение сетки скважин для слоистых массивов железистых кварцитов Михайловского месторождения.

Научная новизна работы

2. Установлены зависимости изменения величины максимальных скоростей смещения частиц за фронтом волны напряжений на различных расстояниях от

заряда в неокисленных железистых кварцитах Михайловского месторождения с учетом ориентации слоистости.

Защищаемые научные положения:

2. При расчете параметров волн напряжений на различных расстояниях от взрываемого заряда в неокисленных железистых кварцитах необходимо учитывать, что затухание волны напряжений в направлении перпендикулярном слоистости происходит с коэффициентом затухания равным 1,7, а вдоль слоистости - 1,58.

Методы исследований

Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего, обобщение теоретических и экспериментальных исследований по определению размеров сетки скважин в породах имеющих сложные горногеологические условия, анализа применяемого на Михайловском ГОКе метода расчета параметров БВР, экспериментальные исследования физико-технических свойств неокисленных железистых кварцитов Михайловского месторождения, физическое моделирование в слоистых средах распространения волн напряжений при взрыве зарядов ВВ, сравнительный анализ результатов лабораторных исследований с результатами теоретических расчетов, сопоставление рассчитанных размеров сетки скважин с применяемыми на предприятии.

Практическая значимость работы:

1. Предложен расчет размера зон трещинообразования в железистых кварцитах с учетом ориентации слоистости.

Реализация результатов работы

Разработаны рекомендации по определению сетки скважин при взрывном разрушении неокисленных железистых кварцитов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается необходимым объемом проанализированных исследований формирования волн напряжений и механизмов взрывного разрушения горных пород с различными структурными особенностями, удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами лабораторных экспериментов

Апробация работы

Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на IV Всероссийской конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2011 г.), на конференции в Краковской горно-металлургической академии (Польша, Краков, 2011 г.), на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2013 г.), на симпозиуме «Неделя горняка-2014» (МГГУ, Москва), на заседаниях кафедры взрывного дела и научно-технического совета по работе с аспирантами Горного университета.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 3 научные работы (все в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 136 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 89 наименований, 2 приложения.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Структурные особенности массива железистых кварцитов Михайловского месторождения и их влияние на разрушение

Михайловское месторождение представлено как богатыми рудами и окисленными железистыми кварцитами, так и бедными рудами (неокисленными железистыми кварцитами). Богатые руды присутствуют в малом количестве, они не требуют обогащения и сразу отправляются на дробильно-сортировочную фабрику. Окисленные железистые кварциты присутствуют в большем количестве, но по существующей технологии обогащены быть не могут и поэтому складируются.

На данном этапе работы предприятия наибольший интерес представляют неокисленные железистые кварциты. Неокисленные кварциты представлены следующими типами: гематито-магнетитовые, магнетитовые, магентито-гематитовые. Минеральный и химический состав железистых кварцитов Михайловского месторождения представлены в таблицах 1.1 и 1.2. Основными породообразующими минералами неокисленных кварцитов проектного контура карьера являются магнетит, кварц, гематит, в незначительных количествах развиты зеленая слюда, эгирин, карбонаты, щелочные амфиболы, редко - апатит, пирит

Таблица 1.1- Минеральный состав железистых кварцитов

Минералогические типы кварцитов, в %

Минералы магнетитовый гематит- магнетит- полуокисленный окисленный

магнетитовый гематитовый

Магнетит 36,8 31,6 26,1 13,6 4,9

Гематит 8,9 19,8 26,2 17,5 18,0

Мартит - - - 20,0 30,0

Рудные карбонаты 3,4 2,6 3,1 0,9 1,2

Нерудные карбонаты 2,2 1,7 1,5 0,6 1,5

Эгирин,

щелочные 4,5 2,8 2,6 0,7 0,6

амфиболы

Зеленая слюда 9,0 7,6 5,8 2,0 0,5

Продолжение Таблицы 1.1

Минералы Минералогические типы кварцитов, в %

магиетитовый гематит-магнетитовый магнетит-гематитовый полуокисленный окисленный

Апатит 0,3 0,32 0,25 0,4 0,1

Пирит 0,1 0,13 0,05 0,2 0,16

Кварц 34,8 33,45 34,4 37,5 37,0

Гидроокислы железа - - - 4,3 6,1

Таблица 1.2 - Химический состав железистых кварцитов

Компоненты от-до Значения компонентов по типам, %- среднее

магиетитовый гематнт-магнетитовый магнетнт-гематитовый полуокисленный окисленный

Р^общ 31,23-40,10 34,75-42,29 38,30-44,65 36,46-43,45 33,93-42,41

36,53 39,76 40,95 40,99 40,38

Гс.маш. 21,55-34,64 19,59-26,74 16,08-20,52 7,84-16,73 0,8-7,77

26,62 21,99 19,00 12,13 4,56

РеО 12,81-17,17 6,06-15,25 9,06-12,5 5,06-9,93 1,97-7,12

15,46 12,27 10,76 7,39 4,07

Ре203 26,70-41,43 35,25-50,49 40,72-49,76 43,3-54,95 44,43-57,21

35,09 43,28 46,48 50,42 53,22

БЮз 37,02-43,95 33,98-44,23 34,25-41,66 34,51-40,41 20,47-46,97

39,79 37,66 36,89 37,93 37,48

СаО 1,04-1,78 0,62-1,38 0,44-1,87 0,03-2,34 0,03-2,34

1,36 1,13 1,04 0,85 1,44

м§о 1,07-1,61 0,02-1,88 0,41-1,43 0,1-0,78 0,02-0,6

1,37 1,08 0,92 0,4 0,26

АЬ03 0,09-1,37 0,01-0,86 0-0,3 0,07-0,58 0,08-1,32

0,41 0,17 0,15 0,17 0,24

Б 0,011-0,59 0,02-0,341 0,006-0,2 0,012-0,539 0,006-1,22

0,209 0,038 0,032 0,087 0,095

Р 0,021-0,145 0,02-0,225 0,013-0,32 0,008-0,08 0,009-0,068

0,059 0,047 0,043 0,038 0,027

р2о5 0,048-0,332 0,018-0,52 0,03-0,26 0,018-0,183 0,021-0,16

0,136 0,107 0,092 0,086 0,062

МпО 0,016-0,078 0,012-0,069 0,011-0,25 0,011-0,046 0,010-0,079

0,045 0,03 0,034 0,026 0,027

С 0,46-1,56 0,21-1,2 0,31-0,92 0,12-1,32 0,07-3,27

0,91 0,6 0,54 0,43 0,49

п.п.п. 2,10-6,52 1,57-5,09 1,76-3,68 0,86-4,98 1-6,8

4,02 2,84 2,54 2,11 2,47

К20 0,470-1,440 0,19-1,1 0,21-0,97 0,19-0,56 0,03-0,47

0,812 0,752 0,617 0,386 0,193

Ыа20 0,052-0,680 0,01-0,72 0,028-0,46 0,028-0,09 0,018-0,45

0,251 0,3 0,164 0,055 0,058

ТЮ2 0,003-0,034 0-0,414 0,001-0,013 0,002-0,008 0,002-0,115

0,011 0,09 0,006 0,005 0,009

В структуре Михайловского месторождения выделяются три основные складки субмеридионального простирания представленные на рисунках 1.1, 1.2. Две из складок синклинальные и разделяющая их антиклинальная. Складки относятся к структурам третьего порядка синкурбакинского этапа складчатости.

Рисунок 1.1- Схематическая геологическая карта Михайловского месторождения

Рисунок 1.2 - Схематический геологический разрез по разведочной линии 48К

Западная синклинальная складка является наиболее протяженной - до 6 км (в пределах железорудной толщи) с размахом крыльев до 1,5-2 км. Падение её осевой поверхности и крыльев восточное. Угол падения западного крыла относительно пологий - 40-60°, а восточного - крутой - 60-80°. В пределах складки развит полный разрез четырех пачек нижней железорудной подсвиты, а на южном фланге - полный разрез Коробковской свиты.

В восточном направлении синклиналь переходит в антиклинальную (центральную) складку. Протяженность её в железорудных образованиях до 5 км при размахе крыльев до 1 км. Между разведочными линиями 22-44 в строении складки участвуют также все четыре пачки железорудной толщи. Севернее профиля 44 антиклиналь ограничена зоной разлома и железистые кварциты, слагающие часть оставшегося западного крыла, представлены второй и третьей пачками. Общее падение крыльев складки восточное под углами 70-80°. В восточном блоке развиты железистые кварциты, преимущественно, второй и третьей пачек, образующие моноклиналь с устойчивым крутым восточным падением под углами 80-85°.

В результате чего слои во взрываемых блоках имеют преимущественно восточное падение и углы падения изменяются соответственно от 40-90° в зависимости от места положения блока.

О влиянии слоистости на прочность упоминается в работе [68]. При растяжении поперек слоев порода будет разрушаться по слою имеющему меньшую прочность. При растяжении вдоль слоев прочные слои воспринимают

на себя часть нагрузки и увеличивают общую сопротивляемость породы. Следовательно, коэффициент анизотропии [68,70]:

где а), - предел прочности на растяжение при действии растягивающей нагрузки вдоль слоев, Па;

о-р - предел прочности на растяжение при действии растягивающей нагрузки перпендикулярно слоям, Па.

Пределы прочности пород при сжатии поперек слоистости в подавляющем большинстве случаев больше, чем вдоль слоистости. Если сжимающие усилия направлены перпендикулярно к слоям, то слабые тонкие прослойки удерживаются от раскалывания более прочными слоями, и в целом предел прочности образца превышает прочность наиболее слабого прослойка. Однако это справедливо

Информация о работе

Федосеев, Антон Владимирович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2014
ВАК 25.00.20

Диссертация

Обоснование размеров сетки скважинных зарядов при взрывном разрушении слоистых массивов железистых кварцитов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы