Обоснование технологических параметров процесса подготовки к выемке блоков мрамора камнерезным комплексом с учетом трещиноватости массива

Косарев, Леонид Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование технологических параметров процесса подготовки к выемке блоков мрамора камнерезным комплексом с учетом трещиноватости массива
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологических параметров процесса подготовки к выемке блоков мрамора камнерезным комплексом с учетом трещиноватости массива"

КОНТРОЛЬНЫЙ

ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

Косарев Леонид Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ К ВЫЕМКЕ БЛОКОВ МРАМОРА КАМНЕРЕЗНЫМ КОМПЛЕКСОМ С УЧЕТОМ ТРЕЩИНОВАТОСТИ МАССИВА

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 идр 2012

Магнитогорск

2012

005015051

Работа выполнена в ФГЪОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Першин Геннадий Дальтонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Косолапое Александр Иннокентьевич

кандидат технических наук Гуров Михаил Юрьевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский

государственный горный университет

Защита диссертации состоится « » марта 2012г. в ч на заседании диссертационного совета Д 212.111.02 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал. Факс (3519) 29-84-26, 23-57-60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан «20» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

С.Н. Корнилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи. Повышению производительности и объемов добычи мраморных блоков товарной кондиции во многом способствовала высокоуступная двух стадийная технология отработки горного массива. На первой стадии от массива отделяется монолит, а на второй, после его опрокидывания на рабочую площадку, осуществляются раделочно-пассировочные операции по получению блоков. Реализация данной технологии стала возможной с применением камнерезных машин с гибким алмазным инструментом - канатных пил, которые получили наибольшее распространение в мировой практике.

На малоокварцованных горных породах средней прочности (мрамор, мраморизованные известняки, доломиты, серпентиниты и др.), целесообразно горизонтальные пропилы по отделению монолита камня от массива, а также разделочно-пассировочные работы по получению блоков осуществлять баровыми камнерезными машинами, что позволяет за счет совмещения операций сократить время процесса подготовки блоков мрамора к выемке. Однако полная реализация технических возможностей современных высокоэффективных камнерезных машин не произойдет, если не будут созданы необходимые условия эксплуатации и режимы их работы. Рассогласованность по времени операций отделения монолита и его разделки на блоки приводит к тому что эксплуатационная производительность камнерезного комплекса в составе канатной пилы и баровых машин в 2 - 3 раза ниже по сравнению с ведущими зарубежными камнедобывающими предприятиями. В результате повышения производительности годовая выработка по горной массе на одного рабочего добычного звена достигнет значения более 10 тыс. м3 в год.

Добыча блочного камня на многих месторождениях осуществляется без учета природной трещиноватости массива, когда линейные размеры монолита и направление горных работ не увязываются с интенсивностью и направлением трещин. Это приводит к значительным потерям кондиционного сырья и снижению выхода блоков из горной массы.

Актуальность темы обусловлена необходимостью дальнейшего повышения эффективности добычи блоков мрамора на основе обоснования технологических параметров процесса подготовки, обеспечивающих повышение производительности камнерезного комплекса в составе канатной пилы и баровых машин при одновременном снижении технологических потерь блочной продукции.

Цель работы. Обоснование рациональных параметров процесса подготовки к выемке монолитов мрамора из массива для повышения эффективности добычи блоков товарной кондиции камнерезным комплексом.

Идея работы. Использование установленных зависимостей параметров процесса подготовки монолитов мрамора к выемке от

характеристик трещиноватости массива для минимизации технологических потерь блочной продукции и повышения производительности камнерезного комплекса.

Объект исследований - процесс подготовки к выемке блоков мрамора в условиях природной'трещиноватости.

Предмет исследований - технологические параметры процесса подготовки к выемке монолитов мрамора. Задачи исследования:

1. Выполнить анализ существующих методик расчета коэффициента выхода блоков в условиях природной трещиноватости массива.

2. Разработать методику оценки потерь блочной продукции в зависимости от размеров монолита, интенсивности и ориентации природных трещин месторождения.

3. Установить для камнерезного комплекса в составе канатной пилы и баровой машины зависимость годовой производительности по горной массе от линейных параметров отделяемого монолита.

4. Обосновать рациональные параметры процесса подготовки к выемке монолитов мрамора на месторождениях природного камня добычным комплексом в составе канатной пилы и баровой камнерезной машины.

На защиту выносятся научные положения:

1. Использование установленных зависимостей длины и высоты отделяемого монолита мрамора от геометрических характеристик природных трещин горного массива позволяет провести систематизацию и количественную оценку технологических потерь блочной продукции. При этом рациональные размеры длины и высоты монолита должны определяться из условия минимизации технологических потерь при ограничениях, связанных с техническими возможностями рабочих органов добычного оборудования.

2. Суммарное время проходки канатной пилой, работающей в режиме постоянной скорости подачи на забой, вертикальных плоскостей отделения монолита от массива зависит от линейных размеров и геометрической формы плоскостей, характеризуемой коэффициентом формы, как отношение их длины к высоте.

3. Площадь напила баровой машиной от времени ее работы в режиме постоянной мощности распиловки имеет предельную величину из-за затупления резцов, что предопределяет цикл непрерывной проходки горизонтальной плоскости отделения монолита от массива.

4. Эффективная работа добычного звена предполагает равенство длительности циклов проходки в монолите вертикальных плоскостей отделения с помощью канатной пилы и горизонтального пропила с помощью баровой машины. При этом установленный технологический

цикл определяет время разделочно-пассировочных операций на рабочей площадке по получению товарных блоков. Научная новизна работы:

■ Установлены зависимости величины технологических потерь блочной продукции от высоты и длины отделяемого монолита.

■ Разработана методика оценки технологических потерь блочной продукции, учитывающие характеристики природной трещиноватости массива.

■ Получены аналитические выражения производительности баровой машины, работающей в режиме постоянной мощности, от времени резания монолита в горизонтальной плоскости.

■ Определено условие эффективной эксплуатации камнерезного комплекса, состоящего из канатной пилы и баровой машины по отделению монолита мрамора, размеры которого обеспечивают минимизацию технологических потерь продукции.

Методы исследований включают: обобщение отечественного и зарубежного опыта камнедобывающих предприятий, аналитическое и горногеометрическое моделирование; методы математической статистики, экономико-математическое моделирование, метод технико-экономического анализа.

Достоверность положений, выводов и результатов обеспечивается

представительностью исходных данных, удовлетворительной сходимостью результатов исследований, экспериментов и данных практики.

Практическая значимость работы: разработанная методика позволяет определить рациональные линейные параметры отделяемого монолита мрамора, и повысить выход товарных блоков.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, выводы и рекомендации могут быть использованы при подготовке проектов строительства и реконструкции камнедобывающих предприятий.

Апробация работы: результаты и основные положения докладывались на международных научно-технических конференциях «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2008, 2009, 2010 гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2008,2009, 2010 гг.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе в изданиях, аннотированных ВАК, 2 работы.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 110 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 24 таблицы, список литературы из 96 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры ОРМПИ института горного дела и транспорта за постоянное внимание и ценные советы при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Процессам и технологии добычных работ на карьерах блочного камня посвящены работы Г. В. Бычкова, К. С. Варданяна, А. И. Косолапова, Г. Д. Першина, И. А. Тер-Азарьева, А. С. Чиркова и др.

Вопросам прогнозирования и оценки коэффициента выхода, блоков из породного массива, разбитого трещинами, посвящены работы Н.Н Анощенко, Н.Т. Бака, Б.П. Беликова, И.Н. Горбулева, Ю.Г. Карасева, С.И. Подойникова и многих других.

Способ добычи блочного камня средней прочности с применением камнерезных машин сегодня является доминирующим благодаря использованию канатно-алмазных пил, дающих возможность реализовать высокоуступную, двухстадийную схему разделения горного массива на блоки. Отделение крупных по объему монолитов камня (до 200 - 300 м3) на первой стадии добычных работ преследует цель максимально повысить выход товарных блоков, получаемых на второй стадии после опрокидывания монолита на рабочую площадку. Так как на выход блоков влияет характеристика трещиноватости массива и размеры отделяемых монолитов, то необходимо установление зависимостей, связывающих данные параметры и показатели. Кроме того, линейные размеры плоскостей отделения влияют на производительность и, таким образом, на время их проходки камнерезным комплексом в составе канатной пилы и баровой машины. При этом работа камнерезного комплекса на рабочей площадке должна быть организована с максимально возможным техническим использованием добычного оборудования по времени, когда обеспечивается совмещение технологических операций отделения монолита от массива и разделки его на товарные блоки.

Для практики камнедобывающих предприятий актуальна разработка инженерной методики по установлению рациональных линейных параметров отделяемых мраморных монолитов, учитывающей характеристики трещиноватости массива. Основу данной методики составляет расчет технологических потерь блочной продукции в зависимости от размеров отделяемого монолита и геометрических характеристик двух основных систем природных трещин массива.

Для расчета технологических параметров и показателей принимается:

- первой (основной) системой трещин считается та, у которой расстояние между трещинами наименьшее и трещины которой параллельны друг другу;

- во второй основной системе расстояния между трещинами больше, чем у первой;

- для двух основных систем выделяется одна как крутопадающая ct¡^45°, а другая как пологопадающая а„<45° (с соответствующими углами падения);

- в плоскости, близко ортогональной к азимуту простирания первой основной системы трещин, на фронтальную площадь выделяются проекции природных отдельностей, ограниченных данными трещинами, причем удлиненный параметр проекции отдельности определяется расстоянием между трещинами второй системы;

- ширина монолита соответствует длине бара и поэтому в исследованиях не варьируется, что предопределяет решение плоской задачи.

В основу расчетов и обоснования параметров процесса подготовки объемов мрамора к выемке принята двухстадийная система разделения массива горных пород на блоки при высоком добычном уступе с применением канатно-алмазных пил и баровых машин.

Первоначально рассмотрим две системы встречнонаправленных трещин, первая из которых крутопадающая, а вторая - пологопадающая. Начало координат расположим в точке пересечения этих трещин. За длину монолита принимается расстояние кратное крутопадающим отдельностям, а высоту монолита будет определять кратное число пологопадающих отдельностей согласно схеме, приведенной на рис. 1.

Принятые допущения и упрощения позволяют получить геометрические уравнения, связывающие исходные . технологические параметры с параметрами природных трещин. Так, высота, длина и площадь монолита будут определяться следующим образом:

HM=n„-J*-sma/> 0)

sin /

cosa.+n,——5 sin у sin а„

Ч2 sin a, cos а,

V»„'„

sin у

где п„ и пк - количество полого- и крутопадающих отдельностей в рассматриваемом блоке;

ак и ап - углы падения круто- и пологопадающих систем трещин; у - угол между полого- и крутопадающими системами трещин; /„ и 4 - расстояние между полого- и крутопадающими системами трещин.

, v sin a cos а

("JJ -Г-J,

sin у

Рис Л. Схема для выбора габаритов монолита в двух встречнонаправленных системах трещин горного массива

Так как кв + к„ = 1, то, минимизируя потери, получаем больший выход товарной продукции кв —>тах при кп—*тт, где кв и кп - соответственно коэффициент выхода товарных блоков и коэффициент технологических потерь в объеме отделяемого монолита.

За потери принимаются все объемы камня, которые не вписываются в форму прямоугольного параллелепипеда или близкую к нему. В случае рассмотрения плоской упрощенной модели - прямоугольника.

Относительные потери от природных трещин по отношению к плоскостям отделения монолита разделены на три группы: _

пологопадающей крутопадающей от неортогональности

отдельности: отдельности: систем трещин:

1, _ ("ЛУ созах (з) Л п • 2 к, = 1'п- ** (4) ?с _пппЛс*ёГ (51

Суммарные потери:

к=К+К+К- (6)

Так как фронтальная площадь монолита зависит от угла у, то все определенные выше относительные потери блочной продукции также будут связаны с этим углом, т.е. углом, определяющим неортогональность двух основных систем трещин.

Значения относительных потерь на основе схемы (см. рис. 1) и зависимостей (3) - (6) представлены на рис. 2 и 3.

0,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,« W» 5.« H». «,00 20,00 25,i Длина Lm, m Высота tai, и

Рис. 2. Зависимость относительных Рис. 3. Зависимость относительных потерь блочной продукции от длины потерь блочной продукции от высоты монолита при 1К = 2 м; /„ = 3 м; ак = монолита при 1К = 2 м; 1„ - 3 м; ак = 75°;л„.0=2. 75°; n¡c = 5; 1 _ область

рациональных значений Далее рассмотрим схему расположения двух однонаправленных систем трещин и расчет суммарных относительных потерь.

На пологопадающей отдельности:

Kü2sin«,cosg, .(7) SM sin2 у На крутопадающей отдельности:

ll sin а „n „ „ .(8)

fc, =

S ^ sin a , sin y

От неортогональности:

s м

Суммарные потери: k = kn+kH+k. (Ю)

Рис. 4. Схема для определения потерь при двух однонаправленных системах трещин

Значения относительных потерь на основе схемы (рис. 4) и зависимостей (7) - (10) представлены на рис. 5 и 6.

0,9 0,8 0,7 0,6 10.5 10,4 0,3 0,2 0,1 О

—*— —»-— г*—*

-*---*

-t-.-p.io

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 Длт1,м

Рис. 5. Зависимость относительных потерь блочной продукции от длины монолита при 1К = 6 м; 1„ - 4 м; в-к— 70°; ило= 2

Высота Ни, м

Рис. 6. Зависимость относительных потерь блочной продукции от высоты монолита при /к = 6 м; 1„ = 4 м; ак = 70°; пк,0= 3; й - область рациональных значений Полученные графики позволяют оценить выход товарных блоков по разработанной методике в зависимости от длины и высоты отделяемого монолита, разбитого природной трещиноватостью. Направление трещин, а также расстояние между ними определяет различную схему расчета коэффициента выхода.

Выполнение технологических операций по проходке отделяющих плоскостей, когда вертикальные пропилы (продольный и поперечный) выполняются канатной пилой, а горизонтальный - баровой машиной (см. рис. 7), позволяет обеспечить максимальную производительность подготовки горной массы к выемке. Интенсивность отделения монолитов от массива только с помощью канатных пил ниже, по сравнению с комбинированным способом. Это связано с высокими затратами времени на подготовительные последовательные операции бурения пересекающихся в одной точке двух горизонтальных и одной вертикальной скважин. Скважины необходимы для заводки гибкого режущего контура с целью последовательного выполнения горизонтального и двух вертикальных пропилов. Последовательность всех технологических операций, связанных как с бурением, так и выполнением пропилов, снижает в данном случае эксплуатационную производительность отделения объемов камня от массива. Если применяется баровая машина на горизонтальной подрезке монолита, то устраняется трудоемкое бурение двух горизонтальных шпуров, а бурение вертикальной скважины совмещается с проходкой горизонтальной отделяющей плоскости. В этом случае технологическое звено будет задействовано одновременно на трех монолитах, когда в ре-

зультате последовательных операций на двух монолитах выполняются отделяющие горизонтальный и два вертикальных пропила, а третий, опрокинутый на рабочую площадку, монолит разделывается на товарные блоки. Такая последовательность и продолжительность технологических операций обеспечивают наибольшую производительность как по горной массе, так и по блокам.

Рис. 7. Схема отделения монолита мрамора от массива камнерезным комплексом в составе канатно - алмазной пилы и баровой машины:

1 - горизонтальный пропил БКМ.;

2 - продольный пропил АКМ

Техническая производительность резания канатной пилы определяется многими факторами. В силу того, что длина контакта гибкого режущего инструмента с породой непрерывно меняется, то техническая производительность канатной пилы также переменная во времени величина, поэтому рассчитывается средняя производительность ГГ"'ср через ее максимальное значение П™тах\

п:;-=япрппш=кмп-, со

где площадь вертикальной плоскости отделения монолита от массива, м2; время резания плоскости отделения, с;

Км- коэффициент влияния геометрии плоскости отделения монолита на среднюю величину производительности от ее максимального значения.

Максимальное значение производительности резания определяется скоростью подачи инструмента на забой, т. е. скоростью перемещения тележки канатной пилы по направляющим Уп (м/с) и максимальной высотой пропила Нпр (м):

п-=УГнпр. (12)

При этом, в зависимости от геометрической формы плоскостей отделения монолита от массива, максимальная высота пропила связана с высотой добычного уступа Ну следующими уравнениями:

- продольная плоскость, когда кф = Ь / Ну> 1

Нпр Ну,

- поперечная плоскость, когда кф = В/Ну < 1

Нпр=(Нукф(2-кф-В/2Ну))/(1-П/2Ну),

где кф- коэффициент формы плоскости отделения монолита от массива; Ь- длина монолита, м; В- ширина монолита, м;

О- диаметр приводного шкива канатной пилы, м.

Коэффициент Км также зависит от величины кф и рассчитывается:

- для продольной плоскости

км = кф ![кф + 2)/8)1)/Ну];

- для поперечной плоскости

Км=(2-В/Н)/[кф+1-((тг+2)/8)В/Ну](4-2кф-0/Ну).

Таким образом, задаваясь линейными размерами отделяемого монолита (Ь, В, Ну) и диаметром приводного шкива канатной пилы В ~ 1 м, находим значения Нпр И К„ для каждой вертикальной плоскости, отделяющей монолит от массива.

Для конечного расчета величины Пср, необходимо определиться с величиной У^^п, по которой ведется контроль режима распиловки. В общем случае, как для продольного, так и для поперечного вертикальных пропилов, расчетная скорость подачи определяется по зависимости:

С=*„(( /*кя<г?7р)/ауд), (13)

где кн = (7 /10) п - для продольной плоскости отделения монолита от массива, когда кф> 1; к„— (5/9 - 2/3) - для поперечной плоскости, когда ^=(0,15-0,4); /и - коэффициент распиловки;

кп - коэффициент прерывистости режущей поверхности инструмента (отношение длинй несущего каната к длине рабочего алмазного слоя); а„оп - оптимальное давление инструмента на породу, отвечающее условию минимального расхода алмазного инструмента, н/м2; Ур - скорость распиловки (скорость движения гибкого режущего органа), м/с.

Определить удельную работу резания ауд алмазным инструментом для конкретной горной породы позволяют экспериментальные исследования, проводимые на стенде по разработанной методике.

Средняя суммарная производительность канатной пилы определяется по формуле;

где - суммарное время пиления канатной пилой вертикальных продольной и поперечной плоскостей отделения монолита от массива.

Проходку горизонтальной плоскости отделения монолита от массива породы баровой машиной характеризует показатель производительности резания:

П6"" = (14)

где У6"',,- скорость подачи режущего инструмента на забой, м/с.

С учетом кинематических соотношений для расчета процесса резания было получено следующее выражение данного показателя:

Я'-^-й/, (15)

1 р р р

где кр - заглубление резца в породу, м;

1Р - шаг расположения резцов, установленных на одной линии резания, м;

Ур - скорость резания, линейная скорость перемещения цепи бара вдоль пропила, м/с.

Выбор и принятие режимных параметров У°м п = ¡1рУр/1р осуществляются в пределах установленной мощности главного привода камнерезной машины, поэтому данный энергетический показатель рассчитывается:

Нро=вба%П, (16)

где аср - средняя величина удельной работы резания камня, Дж/м3;

_ у1 в - ширина бара (ширина пропила), м; б ¿^ р

п - количество резцов в одном комплекте;

вр - ширина среза единичным резцом, м;

Ырез - мощность, Вт.

Такой комплексный показатель, как удельная работа резания ауь, отражающий энергопотребление на единицу объема разрушенной породы и взаимное трение резца о породу, зависит от изменения режимных параметров процесса поверхностного разрушения и конструктивных параметров инструмента.

На основе исследований профессора И. А. Тер-Азарьева было получено уравнение полной удельной работы:

= <ь + а" = 4- ^в. (У* )0'5; (17)

уд уд уд и р рас

ПР 6Р ПР

Кр = 0,00627 а1-25сж;

Кш = 0,031*10"5 ах'г5сж, где Кр - коэффициент, отражающий физико-механические свойства обрабатываемой породы через ее показатель прочности асж, МПа.

Кю - коэффициент пропорциональности, отражающий физико-механические свойства обрабатываемой породы с позиции ее абразивных свойств (коэффициент, учитывающий затупление режущей грани резца от времени), н/м1'5;

tpac - время работы резца, с;

ke; kfi - показатели степени, зависящие от вида контакта с породой.

Показатели степени кд и kh зависят также от того, сколько режущих кромок резца находится в контакте с породой. В практических условиях реализуется в основном три вида контакта:

- свободное резание (в контакте находится одна главная режущая кромка);

- полусвободное резание (в контакте находится главная и одна вспомогательная режущая кромка);

- несвободное или блокированное резание (в контакте находится главная и две вспомогательные режущие кромки, либо две главные кромки, расположенные, например, друг к другу под углом 90°).

Рис. 8. Схема установки резцов на баровой машине «Виктория» конструкции Экспериментального завода (г. Реж): 1, 2,3,4, 5,6 - номера резцов;

I - болт крепления твердосплавной пластины к резцедержателю;

II - болт крепления резцедержателя к цепи;

III - резцедержатель;

IV - баровая цепь Каждому виду контакта соответствует

различное соотношение между энергиями, идущими на зарождение и развитие трещин отрыва, что отражается величиной показателей степени при технологических параметрах процесса резания. Применительно к горным породам средней прочности в табл. 1 приведены значения кв и kh по каждому виду контакта резца с породой. Из приведенных в таблице данных и формулы (17) следует, что удельная работа резания по гиперболической зависимости снижается с увеличением как глубины внедрения резца в породу, так и ширины реза. При этом в экспериментах данные параметры варьировались в следующих пределах: hp = 0,1 - 1,5 мм, вр = 1,0- 15,0 мм.

Таблица 1

Величина показателя степени квикиъ зависимости от вида контакта _резца с породой_

Вид контакта резца с породой Величина показателя степени

ки кв

Несвободное (блокированное) резание 0,46-0,5 0,4-0,45

Полусвободное резание 0,6 0,32-0,33

Свободное резание 0,62 0

Так как показатели степени к„ и к^ при геометрических параметрах стружки кр и вр имеют для различных форм контакта отличающиеся значения, то расчет удельной работы резания необходимо вести для каждой формы контакта с последующим определением средней величины:

1 * , (18)

т ,

где т - количество форм контакта резца с породой.

Система управления силовым режимом на современных баровых машинах отстроена по принципу поддержания постоянной мощности распиловки через задание силы тока на рабочем приводе машины Данному режимному условию соответствует снижение внедрения резца в породу по мере его затупления в процессе работы:

и ^ { Хро1Рв'Угве- (19)

' Ж „10 6 К ,

Что, в свою очередь, определяет текущее значение производительности машины:

(20)

б.м. в ( ^ ее' г

к . V Р

N <

" Р" Л* ТГ у 0.5,0.5

10 6ВУрвб и ' "

Расчет текущей технической производительности баровой машины дает возможность получить зависимость, связывающую площадь плоскости отделения от времени ее проходки при прочих неизменных параметрах и показателях:

Я = 13 = —V,

К 1

2 В 1.5/

К „

Ч Р у/

N ,

'р

10 6 В V„в

К 1

1.5/. '

10 * В Грвб

р°б

О^С5)^ •

(21)

На рис. 9 и 10 приведены в графическом виде зависимости изменения технической производительности (20) и площади напила (21) баровой машиной «Виктория» от времени проходки горизонтальной плоскости отделения монолита от массива породы. Анализ расчетных зависимостей показывает, что затупление резцов баровой цепи камнерезной машины существенно влияет на ее производительность и площадь напила с течением времени проходки плоскости отделения.

35 30 25

Ь И

| 15 о

£ ,0 5

тр«А« лпрс иное им

-+-пр<дел прочности на сити» 100 МПа

О 2 4 6 8 10 12 14 1 6 13 20 22 24 26 28 30 32 34 Время, час

Рис. 9. Расчетная зависимость технической производительности баровой машины от времени (в расчетах принято кв = 0,45; и кн = 0,5; асж = 80 МПа)

Так, за счет затупления резцов,

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Время,час

Рис. 10. Расчетная зависимость площади напила баровой машины от времени (в расчетах принято ке = 0,45; и кн = 0,5; 7Р = 0,33 м/с)

изготовленных из металлокерамиче-

ского сплава ВК-8, при резании мрамора прочностью асж = 80 МПа и скоростью Ур = 0,43 м/с производительность баровой машины снижается в 5,5 раз в течение 10 ч непрерывной ее работы. Данное обстоятельство устанавливает предельную площадь напила, приходящуюся на одну грань резца, т.е. эффективное время непрерывной работы баровой машины.

Средняя техническая производительность баровой машины на горизонтальной подрезке монолита будет равна:

1?мср=1ВЛрас. (22)

Условие эффективной эксплуатации оборудования добычного звена представлена в виде:

(Ь + В)Н ^ ЬВ (23)

КК.П.ГГ К.П. кб.м.ттб.м.

Ки.О. 11 ср.с Ки.О. 11 ср

Продолжительность разделочно-пассировочных операций, после опрокидывания отделенного монолита на рабочую площадку, определяется количеством плоскостей пропилов, придающих отдельностям камня, слагающих монолит, геометрическую форму, близкую к прямоугольному параллелепипеду. На основе предложенной модели трещиноватости мраморного массива

максимальная суммарная площадь напила для получения товарных блоков на второй стадии добычных работ определяется:

- для системы встречнонаправленных трещин

V = 2пкпп1кВ- (24)

- для системы однонаправленных трещин

Яр.». = 2пкпп1„В. (25)

Для повышения интенсивности ведения добычных работ необходимо чтобы время разделочно-пассировочных операций не превышало времени технологического цикла, соответствующего условию (23), тогда расчетная величина годовой производительности добычного звена по горной массе составит:

т„ к.п. ГТ к.п.

0 = К ПсР■«■ т , (26)

г.м . а к,п. г

где Тг - годовой фонд рабочего времени, ч;

^уд - удельная площадь вертикальных плоскостей отделения монолита канатной пилой, м2/м3.

Для Коелгинского месторождения мраморов, которое характеризуется геометрическими параметрами 1К = 5; /„ = 4; ак = 70°; ап = 30°; по предложенной методике были рассчитаны основные технологические параметры и показатели камнерезного комплекса (табл. 2).

Таблица 2

Технологические параметры и показатели работы камнерезного _комплекса по добыче блоков мрамора_

Параметры и показатели Плоскости отделения монолита мрамора от массива

продольная поперечная горизонтальная

Размеры плоскостей отделения, м (Ь*Н; В*Н; Ь*В) 15,0*12 1,85*12 15,0*1,85

Площадь плоскостей отделения, м2 180 22,2 27,75

Удельная площадь обнажения монолита, м2/м3 0,54 0,07 0,08

Скорость подачи камнерезной машины Уп, м/мин 0,027 0,021 0,012*

Средняя техническая производительность Пт, м2/час 12,34 2,61 1,38

Время пиления, час 14,59 8,51 20

*- рассчитано как среднее значение

С учетом коэффициентов использования оборудования во времени (для канатной пилы ки.0 ""'= 0,75; для баровой машины ки_0'6ж = 0,65) на отделение

и разделку на товарные блоки монолита с параметрами Ь*В*Н =15*1,85*12 будет затрачено 30 ч. Площадь напила раделочно-пассировочных операций с учетом (25) составят 60 м2. Годовая производительность камнерезного комплекса в составе одной алмазной пилы и трех баровых машин составит 53 тыс. м3.

Предложенные технологические решения позволят сократить действующее камнерезное оборудование на Коелгинском месторождении, получив экономию затрат до 20 % на добычу одного кубометра горной массы, повысить выход наиболее востребованных товарных блоков I группы на 25%, II -на 15%. Ожидаемый годовой экономический эффект составит 1,5 млн. руб.

Заключение

В диссертации, являющейся законченной научно-квалификационной работой, дано новое решение актуальной научно-практической задачи обоснования технологических параметров подготовки к выемке блоков мрамора камнерезными машинами с учетом трещиноватости массива, позволяющее увеличить выход товарных блоков и повысить эффективность добычного оборудования. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана методика расчета технологических потерь блочной продукции в зависимости от характеристики природных трещин и размеров отделяемого монолита Предложено оценивать природную трещиноватость массива двумя основными системами трещин, одна из которых крутопадающая с углом падения ак > 45°, другая пологопадающая с я, < 45°. Это дает возможность существенно упростить расчет прогнозного выхода товарных блоков на основе учета технологических потерь блочной продукции.

2. На основе предложенной методики оценки потерь блочной продукции разработана классификация технологических потерь и определение их с учетом количества круто- и пологопадающих отдельностей.

3. Установлены зависимости длины и высоты отделяемого монолита от геометрических характеристик природных трещин. Использование полученных зависимостей позволяет связать длину и высоту монолита с величиной суммарных технологических потерь блочной продукции и осуществлять выбор рациональных его значений из условия минимизации технологических потерь.

4. Для алмазосберегающего режима работы канатной пилы, когда обеспечивается постоянная скорость подачи гибкого инструмента на забой, получена расчетная зависимость производительности проходки вертикальных продольной и поперечной плоскостей отделения монолита с учетом его линейных размеров и геометрической формы плоскостей отделения. Разработана методика, позволяющая рассчитывать для выбран-

ных площадей плоскостей отделения рациональные значения и время их проходки.

5. Установлена зависимость снижения производительности баровой камнерезной машины, работающей в режиме постоянной мощности распиловки, от времени проходки горизонтальной плоскости отделения монолита с учетом затупления режущей кромки резцов, что дает возможность определять площадь напила по горизонтальной плоскости от времени непрерывной работы баровой машины. Расчетами показано, что в течение 10-часовой работы твердосплавных резцов типа ВК-8 производительность машины на мраморах прочностью асж = 80 МПа снижается в 4,6 раза, а после 20 ч работы производительность составляет 6% от максимального значения.

6. Установлено, что со снижением производительности баровой камнерезной машины пропорционально снижается прирост площади напила плоскости в единицу времени. Для мраморов прочностью асж = 80 МПа за рациональное значение площади напила, приходящуюся на одну грань резца, можно принять величину 25-30 м2.

7. Обоснована последовательность выполнения технологических операций, связанных с проходкой двух вертикальных и одной горизонтальной плоскостей отделения монолита с помощью канатной пилы и баровой машины. Установлено условие эффективной работы добычного оборудования, когда с учетом коэффициентов технического использования камнерезного оборудования во времени цикл проходки вертикальных плоскостей монолита канатной пилой равен циклу проходки горизонтальной плоскости монолита баровой машиной при непрерывной ее работе в забое.

8. Установленный технологический цикл работы камнерезной машины на одном монолите определяет весь объем разделочно-пассировочных операций на рабочей площадке по получению товарных блоков с помощью второй баровой машины. Тогда добычное звено будет задействовано одновременно на трех монолитах. На двух монолитах выполняются отделяющие горизонтальный и два вертикальных пропила, а третий, опрокинутый на рабочую площадку монолит разделывается на товарные блоки.

9. Предложенная последовательность и продолжительность технологических операций по отделению и разделке на товарные блоки монолитов камня обеспечивают наибольшую производительность добычного звена как по горной массе так и по блокам. Для условий Коелгинского мраморного карьера с годовым фондом рабочего времени Тг = 4015 ч оптимальная производительность такого технологического добычного звена составляет (¿гм. = 53 тыс. м3 по горной массе. Что позволит на 20% сократить себестоимость добычи 1 м3 горной массы по сравнению с реализуемым на карьере средним объемом на один комплекс - 24 тыс м3.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, аннотированных ВАК:

1. ЛВ.Косарев. Производительность комплекса в составе канатно-алмазной пилы и баровой машины на добыче монолитов мрамора / Г.Д.Першин, А.В.Косарев //Горный журнал. -2010,- №4. - С. 53-55.

2. Л.В.Косарев. Расчетная производительность баровой машины при резании камня средней прочности / Г.Д. Першин, Ю.В. Долговых // Горный журнал. -2011.- №5. - С. 41-43.

В прочих изданиях:

3. Л.В.Косарев. Обоснование состава и производительности технологического звена по добыче блочного мрамора / Г.Д. Першин, Н.Г. Караулов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск : ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - С. 14-21.

4. Л.В.Косарев. Расчет капитальных затрат и продолжительности формирования высокого уступа на карьерах блочного мрамора различными комплексами оборудования / Г.А. Караулов, Н.Г. Караулов, Ю.В. Долговых // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - С.139-146.

5. Л.В.Косарев. Производительность и энергетика процесса резания природного камня средней прочности рабочими органами, оснащенными твердосплавными резцами / Г.Д. Першин, Н.Г. Караулов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. - С. 201-211.

6. Л.В.Косарев. Рациональные условия совместной работы канатной пилы и баровой машины в составе добычного звена на мраморном карьере / Г.Д. Першин // Камень вокруг нас. - 2009.- №21 - С.12-15.

7. Л.В.Косарев. Исследование продолжительности строительства карьера при использовании различного выемочно-погрузочного оборудования / Н.Г. Караулов, Ю.В. Долговых // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - С.55-59.

8. Л.В.Косарев. К обоснованию линейных параметров отделяемых монолитов мрамора на основе горно-геометрического анализа трещиноватости месторождения / Г.Д. Першин // Камень вокруг нас. - 2010.-№26 - С.25-28.

9. Л.В.Косарев. Методика расчета рациональных параметров отделяемых монолитов мрамора на основе горно-геометрического анализа трещиноватости месторождения / Г.Д. Першин, Ф. Сафи // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - С.51-62.

Подписано в печать 20.02.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 130.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Косарев, Леонид Владимирович, Магнитогорск

61 12-5/3128

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

На правах рукописи

КОСАРЕВ ЛЕОНИД ВЛАДИМИРОВИЧ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Г. Д. Першин

Магнитогорск, 2012

Оглавление

Введение...................................................................................................................4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................................................................9

1.1. Добыча природного камня в мире..................................................................9

1.2. Анализ российского рынка природного камня...........................................15

1.3. Современное состояние вопроса о геометрической оценке трещиноватости месторождения.........................................................................19

1.4. Производительность камнерезного оборудования.....................................22

1.4.1. Канатно-алмазная пила.......................................................................22

1.4.2. Баровая камнерезная машина............................................................25

Цель и задачи исследований................................................................................28

2. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОТДЕЛЯЕМЫХ МОНОЛИТОВ МРАМОРА НА ОСНОВЕ ГОРНО-ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТРЕЩИНОВАТОСТИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ.................................30

2.1. Обоснование и выбор геометрической модели для расчета рациональных параметров отделяемых монолитов....................................................................30

2.2. Расчет рациональных линейных параметров монолита.............................33

для системы двух основных ортогональных трещин массива.........................33

2.3. Расчет рациональных линейных параметров монолита для системы двух основных неортогональных трещин массива.....................................................44

2.3.1. Встречные неортогональные системы трещин................................44

2.3.2. Однонаправленные неортогональные системы трещины...............48

Выводы...................................................................................................................51

3. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КАМНЕРЕЗНОГО КОМПЛЕКСА..................53

3.1. Способы подготовки блоков камня к выемке............................................53

3.2. Производительность и энергетика процесса резания природного камня

средней прочности рабочими органами, оснащенными ......................................

твердосплавными резцами...................................................................................55

3.3. Рациональные условия совместной работы канатной пилы и баровой

машины в составе добычного звена на мраморном карьере............................70

Выводы...................................................................................................................77

4. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ.......................................................................80

4.1 Установление рациональных параметров блоков с учетом геометрической характеристики трещиноватости месторождения.............................................80

4.2. Производительность баровой камнерезной машины.................................84

4.3. Время пиления канатно-алмазной пилы......................................................85

4.4. Согласование времени работы баровой машины и канатно-алмазной пилы........................................................................................................................85

4.5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЯЕМЫХ

МЕРОПРИЯТИЙ...................................................................................................89

Выводы...................................................................................................................98

Заключение.............................................................................................................99

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................102

Введение

Актуальность задачи. Повышению производительности и объемов добычи мраморных блоков товарной кондиции во многом способствовала высокоуступная двух стадийная технология отработки горного массива. На первой стадии от массива отделяется монолит, а на второй, после его опрокидывания на рабочую площадку, осуществляются разделочно-пассировочные операции по получению блоков. Реализация данной технологии стала возможной с применением камнерезных машин с гибким алмазным инструментом - канатных пил, которые получили наибольшее распространение в мировой практике.

На малоокварцованных горных породах средней прочности (мрамор, мраморизованные известняки, доломиты, серпентиниты и др.) целесообразно горизонтальные пропилы по отделению монолита камня от массива, а также разделочно-пассировочные работы по получению блоков осуществлять баровыми камнерезными машинами, что позволяет за счет совмещения операций сократить время процесса подготовки блоков мрамора к выемке. Однако полная реализация технических возможностей современных высокоэффективных камнерезных машин не произойдет, если не будут созданы необходимые условия эксплуатации и режимы их работы. Рассогласованность по времени операций отделения монолита и его разделки на блоки приводит к тому, что эксплуатационная производительность камнерезного комплекса в составе канатной пилы и баровых машин в 2 - 3 раза ниже по сравнению с ведущими зарубежными камнедобывающими предприятиями. В результате повышения производительности годовая выработка по горной массе на одного рабочего добычного звена достигнет

значения более 10 тыс. м в год.

направлением трещин. Это приводит к значительным потерям кондиционного сырья и снижению выхода блоков из горной массы.

Идея работы. Использование установленных зависимостей параметров процесса подготовки монолитов мрамора к выемке от характеристик трещиноватости массива для минимизации технологических потерь блочной продукции и повышения производительности камнерезного комплекса.

Объект исследований - процесс подготовки к выемке блоков мрамора в условиях природной трещиноватости.

Предмет исследований - технологические параметры процесса подготовки к выемке монолитов мрамора.

Задачи исследования:

На защиту выносятся научные положения:

Научная новизна работы:

Установлены зависимости величины технологических потерь блочной продукции от высоты и длины отделяемого монолита. Разработана методика оценки технологических потерь блочной продукции, учитывающие характеристики природной трещиноватости массива.

Получены аналитические выражения производительности канатной пилы в режиме постоянной скорости ее подачи на забой, от времени отделения монолита по продольной и поперечной вертикальным плоскостям с учетом размеров и формы плоскостей отделения. Получены аналитические выражения производительности баровой машины, работающей в режиме постоянной мощности, от времени резания монолита в горизонтальной плоскости.

Определено условие эффективной эксплуатации камнерезного комплекса, состоящего из канатной пилы и баровой машины по отделению монолита мрамора, размеры которого обеспечивают минимизацию технологических потерь продукции. Методы исследований включают: обобщение отечественного и зарубежного опыта камнедобывающих предприятий, аналитическое и горногеометрическое моделирование; методы математической статистики, экономико-математическое моделирование, метод технико-экономического анализа.

Достоверность положений, выводов и результатов обеспечивается

Практическая значимость работы: разработанная методика позволяет определить рациональные линейные параметры отделяемого монолита мрамора и повысить выход товарных блоков.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Добыча природного камня в мире

Среди обширной номенклатуры строительных материалов особое место принадлежит природному камню [90]. Использование его в архитектуре не только придает изделиям высокую прочность и долговечность, но и оказывает сильное эмоциональное воздействие на человека. Благодаря исключительному разнообразию расцветок и рисунков каждый, кто хотя бы раз соприкоснулся в своей практике с совершенной красотой камня, непременно «заболевает» коллекционированием, собирательством или практической работой с этим уникальным материалом.

Камень притягивает и завораживает. Чем дольше вглядываешься в сложный, на первый взгляд хаотичный узор, тем глубже проявляется неповторимая структура и тем труднее оторвать глаз. Создаваемые с использованием камня здания и сооружения в течение длительного периода (столетия и тысячелетия) сохраняют свои прочностные и декоративные свойства. Тем самым создается среда обитания, формируется архитектура, которая служит одним из главных критериев уровня культуры нации, цивилизации и всего человечества.

Природный камень — древнейший строительный материал, используемый человечеством на протяжении всей истории существования цивилизации. Из глубокой древности дошли до нас египетские пирамиды, индийские и греческие храмы, дворцы Европы и Азии. Многовековая история национальных культур России и сопредельных с ней стран также тесно связана с широким применением природного камня в архитектуре и строительстве. Так, крупнейшие в мире монолиты величественных колоннад Исаакиевского собора и Александрийского столпа стали символом величия

Петербурга, а Храм Христа Спасителя архитектора К. А. Тона воплотил монументальность и изящество природного камня в Москве.

В годы советской власти природный камень во многом стал символом социалистического строительства. Грандиозные стройки в Москве в 30-е годы XX г. коренным образом преобразили город. Гранитная облицовка набережных и мостов, отделка главных магистралей, знаменитые сталинские «высотки» и, конечно, московский метрополитен — все это совершенно уникальная работа с камнем [51], поражающая своим мастерством и изобретательностью. Именно этот период в значительной степени привил городу культуру камня — материала более долговечного, чем быстротечные мода, архитектурные стили, человеческая жизнь.

И в наши дни интерес к природному камню не иссяк. В результате усиления внимания общества к проблемам экологии, безопасности и надежности товаров и услуг определилось явное предпочтение в выборе и применении натурального сырья и продуктов. А из всего перечня природных и искусственных строительных материалов по долговечности, прочности и декоративности природный камень находится вне конкуренции.

Все более растущий спрос на природный камень стимулирует развитие мировой камнедобычи и камнеобработки. За последние 70 лет мировое производство природного камня увеличилось почти в 25 раз, при этом в течение последних 20 лет ежегодный прирост производства и потребления камня в среднем составлял 7,4 % [93].

В настоящее время добыча природного камня по интенсивности эксплуатации существующих карьеров и масштабам разведки новых месторождений занимает одно из ведущих мест в мировом рейтинге [96]. О практической значимости данной отрасли говорит следующее сопоставление: ее оборот более чем в 2,5 раза превышает оборот алмазодобывающей индустрии, составляя 30-35 млрд долл. США в год. Во многих странах (Италии, Испании, Греции, Индии и т. д.) отрасль стала существенной

частью национальной экономики и одним из основных источников поступления экспортной выручки.

Различия между отдельными странами весьма существенны. Так, в список стран с удельным потреблением менее 1 м2 на человека вошли даже главные производители: Бразилия, Китай и Индия. Сравнение этих данных с высокими показателями в Португалии, Германии и Франции свидетельствует, что культура потребления природного камня — преобладающее европейское явление. В Европейском Союзе, где сосредоточено 6 % населения Земли, потребляется 2/5 мировых объемов природного камня.

Россия по уровню как производства, так и потребления природного камня занимает не подобающее ей 30-35-е место [53]. Показатель удельного потребления камня в России составляет 3,0 м на 100 человек, в Москве — 12 м на 100 человек. Производство природного камня в России и в мире представлено на рис. 1.1.

Производство природного камня, %

ругие

Россия

Бразилия

Испания

Италия

Индия

Рис. 1.1. Доля России в мировом производстве камня

Потребление природного камня, %

Китай

Рис. 1.2. Доля России в мировом потреблении природного камня

На фоне богатейших залежей природного камня Россия занимает отстающие позиции как в производстве, так и в потреблении природного камня [95].

Тем не менее, в России имеется громадный потенциал как для наращивания потребления природного камня, так и для увеличения его добычи и переработки [38]. Исторические традиции использования природного камня в русском зодчестве и накопленный архитектурный опыт позволяют с надеждой смотреть в будущее российской камнеобрабатывающей индустрии.

В последние годы в нашей стране наблюдается устойчивая тенденция р

Информация о работе

Косарев, Леонид Владимирович
кандидата технических наук
Магнитогорск, 2012
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование технологических параметров процесса подготовки к выемке блоков мрамора камнерезным комплексом с учетом трещиноватости массива - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы