Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование технологии и обоснование параметров подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом

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

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологии и обоснование параметров подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом"

Макаров Роман Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДГОТОВКИ КАРБОНАТНОГО МАССИВА К ЭКСКАВАЦИИ ВЗРЫВНЫМ СПОСОБОМ

Специальность 25.00.22 Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ИЮН 2011

Тула 2011

4851127

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сафронов Виктор Петрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чирков Александр Степанович,

кандидат технических наук, доцент Прохоров Дмитрий Олегович.

Ведущее предприятие - ОАО «Тулагипрохим».

Защита диссертации состоится «//» июда 2011 года в // часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 90, ауд. 220,6-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Б. Копылов

ОЫЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Из карбонатных пород получают более 60 наименований продукции, необходимой для различных отраслей промышленности. Получение из карбонатных пород новых материалов, в том числе на уровне наноструктур, с использованием технологий глубокой переработки горных пород требует инновационных решений, включающих решения по минимизации затрат на добычу полезного ископаемого.

Карбонатные породные массивы имеют сложную блочную структуру и характер®уются неоднородностью физико-механических свойств слагающих их пород. Вариации размерных величин природных отдельностей влияют на органшацию выемочно-погрузочных работ, на обоснование параметров ЕВР при подготовке карбонатного массива к экскавации и на выбор добычного и перерабатывающего оборудования.

В настоящее время разрушение массивов горных пород энергией взрыва остается единственным высокопроизводительным и универсальным способом подготовки пород к экскавации. Однако рост стоимости взрывчатых вещгств (далее ВВ) и средств взрывания заставляет горные предприятия искать пути снижения затрат на взрывные работы. Некоторые предприятия осуществляют попытки внедрить механический или комбинированный способ подготовки карбонатного массива к экскавации, но при этом на фоне снижения затрат га единицу объема полезной массы снижается производительность по добыче полезной массы. Поэтому совершенствование взрывного способа подготовки карбонатного массива к экскавации остается актуальным направлением. Тем более, что современные достижения в области газовой и волновой теорий взрыва позволяют получить инновационные решения, которые можно трансформировать в энергосберегающие технологические схемы для карьеров по разработке, например, карбонатных месторождений.

Следовательно, совершенствование технологии и обоснование параметров подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом являются актуальными задачами.

Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке Аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ПС № 02.740.11.0319).

Цель работы — установление закономерностей влияния форм выемочных блоков добычного уступа на удельный расход ВВ, позволяющих усовершенствовать технологию и обосновать параметры подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом.

Идея работы заключается в совершенствовании технологии и обосновании параметров подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом путем использования природных свойств и придания

свободным поверхностям выемочного блока кривизны с радиусами, обеспечивающими эффективное экранирование, отражение и наложение взрывных волн в выемочном блоке добычного уступа.

Основные научные положения, выносимые на защиту: установлено, что в среднем 30 % от де ль ноете й карбонатного массива требуется дробить, а остальные по природному гранулометрическому составу соответствуют габаритным приемным параметрам технологического оборудования карьеров, и поэтому эффективность дробления выемочных блоков добычных уступов карбонатного массива скважинными зарядами достигается в случаях расположения скважинных зарядов в стратиграфических слоях карбонатного массива (мембранные слои), соответствующих размерам негабаритных отдельностей;

одним из основных управляемых технологических параметров БВР является радиус кривизны свободных поверхностей выемочного блока добычного уступа, определяющий форму и параметры выемочного блока;

удельный расход ВВ скважинных зарядов зависит от исходного природного гранулометрического состава карбонатного массива и формы выемочного блока, задаваемой радиусами кривизны его свободных поверхностей.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработана расчетная модель, позволяющая устанавливать радиус кривизны свободной поверхности выемочного блока добычного уступа, обеспечивающий экранирование, отражение и наложение взрывных волн в выемочном блоке добычного уступа;

установлены закономерности влияния форм выемочных блоков добычного уступа, задаваемых радиусами кривизны его свободных поверхностей; на удельный расход ВВ;

усовершенствована технология подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом с учетом природного гранулометрического состава породного массива, обоснования радиуса кривизны свободных поверхностей выемочного блока и выбора в выемочном блоке добычного уступа мембранных слоев для размещения в них зарядов, позволяющих снизить удельный расход ВВ.

Метод исследований - комплексный, включающий научный анализ и обобщение практического опыта использования способов и средств подготовки горных пород к экскавации; результаты раже выполненных работ по взрывному способу подготовки горных пород к экскавации; вычислительный и опытно-промышленный эксперименты; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается согласованностью результатов теоретических, экспериментальных исследований с положениями в рамках волновой и газовой теорий взрыва, сходимостью результатов экспериментов с ожидаемыми

(расхождение не превышает 14 %), полученными на основании вычислительных и опытно-промышленныхэксперименгов.

. Научное значение работы заключается в обосновании пределов регулирования удельного расхода ВВ путем расчета радиуса кривизны поверхности откоса выемочного блока и выборе рациональных вариантов значений параметров технологических схем распределения в выемочном блоке скважинных зарядов и последовательности их инициирования.

Практическое значение работы заключается в разработке «Методических рекомендаций по обоснованию параметров выемочных блоков добычных уступов при использовании взрывного способа подготовки скального массива к экскавации», используемых при проектировании и проюводстве ЕВР в карьерах.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по повышению выхода товарного щебня на карбонатных карьерах Тульской, Калужской и Самарской областей, внедрены в учебный процесс на кафедре «Геотехнологии и строительство подземных сооружений» Тульского государственного университета, приняты проектной организацией ООО «ПЮТИМ-ПРОЕКТ» к внедрению в проектные работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных симпозиумах «Неделя горняка - 2008, 2009, 2010 гг.» (г. Москва); на XIV Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов» (г.Москва, 2010г.); научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2007-2010 гг.); на семинарах кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений» (г. Тула, 2007-2010 гг.); на техсовете ООО «Восточные Берники» (2010 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, включая 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 113 страницах машинописного текста; содержит 36 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 38 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Осадочные породы тонким «чехлом» покрывают около 75% поверхности континентов. Одни из них являются полезными ископаемыми, а другие содержат таковые. На долю карбонатных пород в осадочной оболочке Земли приходится около 14 % Главные породообразующие минералы этих пород -кальцит, в меньшей степени - доломит. Наиболее распространенными среди карбонатных пород являются известняки — мономинеральные породы, состоящие из кальцита, содержащего 56,04 % СаО и 43,96 % С02.

Особенностью карбонатных массивов в отличие от других породных массивов, является высокая степень анизотропности, определяемой трещиновато-слоевой структурой. Слои разделены вертикальными трещинами на отдельности. Трещины могут пересекать несколько слоев и иметь ширину от нескольких миллиметров до метра. Они заполнены разрушенным

известняковым или глинистым материалом. Системы горизонтальных и вертикальных трещин разделяют массив известняков на отдельные блоки (отдельности). Их поверхность представлена менее прочным карбонатным материалом - «рубашкой выветривания». Толщина «рубашек выветривания» изменяется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

В современных технологических процессах добычи карбонатных пород объектом разрушения является массив горных пород. При разрушении породы подвергаются различным воздействиям, например, удару, сдвигу и перемещению. Характеристики предварительно разрушенных горных пород зависят как от свойств пород в их естественном состоянии, так и от способов и средств воздействия на породы.

Современный расчетный аппарат ЕВР в полной мере не учитывает природный гранулометрический состав породного массива и эффекты экранирования, отражения и наложения взрывных волн в выемочном блоке добычного уступа. Основной причиной этого является трансформация концентрической зонной модели взрыва в трещиноватой среде в иные по форме модели взрыва. Они могут быть по оси скважинного заряда элипсообразными, крестообразными, вытянутыми по природной трещине, и в том числе концентрическими. Это породило множество технологических схем ЕВР, которые не являются устойчивыми в работе даже в пределах добычного уступа карбонатного месторождения.

Эффективность использования энергии взрыва в трещиноватых породах предопределяется не только макро-и микрогрещиноватостью массива, по которой преимущественно развиваются трещины, но и совокупным действием прямых и отраженных волн взрыва.

Исследованиями по повышению эффективности подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом занимались многие известные ученые: ВЛ. Мосинец; Б.Н. Кутузов; Г.И. Покровский; Ю.Г. Авдеев; BJC. Рубцов; АВ.Будько; ЛЛ. Бурцева; Г.П. Личелли; A.C. Чирков, ВЛ. Радионов; ЕИ. Шемякин; А.Н. Ханукаев; В.Н. Рахматулин; М.А. Лаврентьев; Г.И. Демедюк; Л.И. Барон; ЕГ. Баринов, АЛ. Березин; Б.Н. Байков; И.А. Сизов; В.М. Цветков, В.Г. Симаков и др.

Современное состояние знаний по рассмотренной проблеме повышения эффективности подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом, цель и идея исследований обусловили необходимость постановки и решения следующих задач:

установить по природному гранулометрическому составу и параметрам технологического оборудования карьеров, разрабатывающих карбонатные месторождения Центрального региона России, объемы отдельностей карбонатных массивов, которые не соответствуют габаритным приемным параметрам технологического оборудования;

установить управляемый технологический параметр БВР, позволяющий эффективно использовать энергию взрывной волны за счет экранирования, отражения и наложения ее в выемочном блоке добычного уступа для снижения удельного расхода ВВ при подготовке выемочного блока к экскавации;

установить закономерности влияния форм выемочных блоков добычного уступа, задаваемых радиусами кривизны его свободных поверхностей на удельный расход ВВ;

усовершенствовать технологию подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом с учетом природного гранулометрического состава породного массива, обоснования радиуса кривизны свободных поверхностей выемочного блока и выбора в выемочном блоке добычного уступа мембранных слоев для размещения в них зарядов, позволяющих стоить удельный расход ВВ.

Особенность поведения взрыва скважинных зарядов в массивах карбонатных пород состоит в той, что такой массив представляет собой анизотропную среду, выраженную системами трещин и отдельностям и, имеющими различные степени связи по берегам трещин, определяющих природную геоупаковку отдельностей. По этой причине поведение дискретного массива как системы геоупаковки отдельностей (блоков) при приложении взрывной нагрузки отличается от поведения взрыва природной отдельности, ограниченной системами трещин.

Объем выемочного блока добычного уступа представляет собой совокупность различных по мощности слоев, разделенных системой вертикальных и горизонтальных трещин. Параметры природных структурных элементов выемочного блока карбонатного массива можно выразить через технологические параметры ведения добычных работ. Объем выемочного блока добычного уступа формализуем следующим образом:

=-'-;-5-, (1)

1

где п® - средневзвешенное послойное количество трещин системы (П), приходящихся на ширину экскаваторной заходки выемочного блока, шт.; п^ -средневзвешенное послойное количество трещин системы (I), приходящихся на длину выемочного блока, шт.; п - количество слоев в выемочном блоке, шт.; т„- мощность слоя, м; рп— плотность пород слоя, кг/м3.

Параметрическое уравнение (1) позволяет оценить массив выемочного блока добычного уступа по природному гранулометрическому составу и определить соответствие геометрических размеров отдельностей карбонатных массивов с габаритным приемным параметрам технологического оборудования, применяемого при добыче и переработке карбонатных массивов.

Используя данный оценочный критерий, было установлено, что карбонатные массивы месторождений Центральной части Росси по гранулометрическому составу в основном соответствуют приемным отверстиям дробилок.

При сопоставлении размеров отдельностей геоблоков с размерами приемных отверстий технологического оборудования установлено, что в

карбонатных месторождениях, направленных на производство щебня, в среднем 30 % отдельностей породного массива требуется дробить, а остальная часть массива по природному гранулометрическому составу соответствует габаритным приемным параметрам технологического оборудования карьеров по добыче и переработке карбонатных пород в щебень. То есть часть выемочного блока добычного уступа, которая по природному гранулометрическому составу не удовлетворяет технологическим условиям, требует дробления природных отдельностей, а другая часть - только рыхления.

Эти требования одновременно могут быть реалюованы с помощью управляемого взрыва и распределения волновой энергии в выемочном блоке добычного уступа. Такой подход позволит реализовать принцип «не дроби в выемочном блоке добычного уступа ничего лишнего». Для этого выделяются мембранные слои, в которых размещаются скважинные заряды для дробления природных отдельностей до гранулометрического состава, соответствующего приемным геометрическим параметрам технологического оборудования.

Эти слои при взрыве зарядов ведут себя как мембраны, которые передают колебания окружающим слоям, отдельностям, которые дробить не требуется, так как они соответствуют размерам приемных отверстий технологического оборудования. Эффективность действия взрыва в мембранном слое основана на известном способе «межэкранного» взрывания. Экраны формируются из природных систем трещин, ограничивающих выемочный блок добычного уступа.

Взрыв скважинных зарядов в мембранном слое обеспечивает дробление отдельностей слоя и рыхление остальных слоев выемочного блока добычного уступа, за счет чего произойдут снижение выхода мелких частиц (менее 5 мм) и выход негабаритных отдельностей. Применение рассредоточенного заряда позволит снизить удельный расход ВВ.

Эффективность управления дроблением выемочных блоков добычных уступов карбонатного массива скважинными зарядами достигается за счет расположения скважинных зарядов в стратиграфических слоях карбонатного массива (мембранные слои) с негабаритными отдельностям и.

Для выделения мембранных слоев и их использования в условиях действующих карьеров требуется изменить схему раскройки полезной залежи на уступы, в которых мембранные слои будут располагаться в подошве уступа или в интервале между средней частью уступа и его подошвой. Наиболее удачным вариантом является расположение мембранных слоев в подошве и средней части массива. Такой подход в раскройке полезной залежи на уступы через выделение мембранных слоев рекомендуется использовать проектным организациям при проектировании новых карьеров по разработке карбонатных месторождений.

Разрушение породных массивов, обладающих некоторой системой естественных трещин, происходит в основном по природным трещинам. Для таких породных массивов характерно менее качественное их дробление, чем дробление монолитных массивов, ввиду остановок развития радиальных трещин при их встрече с естественными трещинами или другими дефектами

массива. Степень дробления трещиноватого массива определяется в первую очередь его естественной трещиноватостью.

В таких породных массивах трещины при появлении растягивающих напряжений начинают увеличиватся вместе с ростом напряжений. В рамках газовой теории взрыва развитие природных и образование новых трещин ограничены расстояниями, которые в расчетных параметрах ВВ определяются по классической модели взрыва В.Н. Радионова.

Однако в соответствии с результатами экспериментальных исследований (рис. 1) при расположении взрывной скважины в центре природной отдельности ее разрушение происходит по радиусу от центра заряда. При расположении оси скважины в непосредственной близости от пересечения трещин или в самой трещине, разрушение происходит по направлению простирания трещин.

Рис. 1. Результаты взаимодействия взрыва со структурными элементами

карбонатное о массива: а) - разрушение массива карбонатных пород при расположении оси скважины в центре блока; б - разрушение массива карбонатных пород при расположении оси скважины в центре пересечения трещин; г) разрушение массива карбонатных пород при расположении оси

скважины в трещине

Следовательно, зонная модель взрыва видоизменяется в трещиноватой среде, в зависимости от расположения оси скважинного заряда относительно

систем трещин в массиве карбонатных пород. И в каждом слое будет формироваться своя зонная модель в зависимости от трещиноватости и мощности слоя. Поэтому в рамках волновой теории в расчетную модель ЕВР предлагается ввести управляемый технологический параметр, позволяющий использовать энергию взрывной волны за счет снижения удельного расхода ВВ путем экранирования, отражения и наложения ее в выемочном блоке добычного уступа при подготовке выемочного блока к экскавации.

В породном массиве разрушение идет как от заряда к свободной поверхности, так и от свободной поверхности к заряду в результате действия отраженных волн растяжения. При достижении определенного критического напряжения рост трещин начинает носить катастрофический характер, и среда разрушается. С ростом трещиноватости среда разрушение во все большем объеме идет от заряда к свободной поверхности, а объем разрушений, идущих от свободной поверхности к заряду за счет отраженных волн растяжения, сокращается. Дальнейшее разрушение среды при прохождении по массиву прямой волны сжатия возможно лишь под действием усилий растяжения в том случае, когда элементарный объем имеет возможность смещаться в тангенциальном направлении, что ведет к образованию в среде системы трещин, радиалыю расходящихся от зарядов в сторону свободной поверхности.

Известно, что переход ударной волны в волну сжатия сопровождается разрушением лишь на границе раздела полупространства, что ведет к возникновению системы трещин, ориентированных перпендикулярно к свободной поверхности. Интенсивность роста таких трещин и глубина их прорастания зависят, главным образом, от напряжений, образующихся на фронте волны сжатия на предельном расстоянии, равном глубине заложения заряда от свободной поверхности. Повышение эффективности действия взрыва обеспечивается за счет придания кривизны свободной поверхности, обеспечивающей эффективное отражение и наложение взрывных волн в выемочном блоке добычного уступа (рис.2).

Рис. 2. Схема экранирования энергии взрывной волны в выемочном блоке массива карбонатных пород за счет придания кривизны свободной поверхности (откосу)

Таким образом, одним из основных управляемых технологических параметров ЕВР является радиус кривизны свободных поверхностей выемочного блока добычного уступа, определяющий форму и параметры выемочного блока. В результате теоретических и экспериментальных исследований была разработана расчетная модель, позволяющая устанавливать радиус кривизны свободной поверхности выемочного блока добычного уступа, обеспечивающий экранирование, отражение и наложение взрывных волн в выемочном блоке добычного уступа:

где рс£ - акустическая жесткость среда, 10б кг/м3-м/; пп - средневзвешенное послойное количество трещин системы (П), приходящихся на ширину экскаваторной заходки выемочного блока, шт.; 1п - расстояние между двумя смежными трещинами одной системы (I), м; V/ - линия сопротивления по подошве уступа, м; тп - мощность слоя, м; п - количество слоев в выемочном блоке, шт.; О - средний диаметр разрушаемой отдельности до взрыва, см; ё — средний диаметр кусков во взорванной массе блока, см; г - коэффициент крепости пород по шкале проф. Протодьяконова; уп - скорость нагружения пород и контактных зон отдельности, кгс/см2/с; к^ - коэффициент зажима; г| - К.П.Д. взрыва; 2„ - потенциальная энергия ВВ, кгс-м/кг.

Радиус кривизны откоса выемочного блока уступа карбонатного массива (радиус экрана) - это технологический параметр, который позволяет управлять энергией взрывного разрушения в выемочном блоке добычного уступа за счет эффективного экранирования взрывной волны. Исследования позволили установить закономерности влияния форм выемочных блоков добычного уступа на удельный расход ВВ, позволяющих усовершенствовать технологию и обосновать параметры подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом (рис.3).

Для пополнения доказательной базы и сопоставления с результатами вычислительного эксперимента был проведен эксперимент в условиях карьеров (Восточные Берники, Пореченский карьер, К НИ 464). По результатам экспериментов была определена степень дробления породного массива при различных значениях удельного расхода ВВ и разных радиусах кривизны поверхности уступа. Сопоставление результатов теоретических исследований с результатами экспериментов показало сходимость полученных данных с ожидаемыми. Расхождение не превышает 14 %. Следовательно удельный расход ВВ скважинных зарядов зависит от исходного природного гранулометрического состава карбонатного массива и формы выемочного блока, задаваемой радиусами кривизны его свободных поверхностей. В соответствии с технологией ведения открытых горных работ в карьерах предусматриваются, по крайней мере, две свободной поверхности (рабочая

- (па-1)^Хтп-л/?(1 + 0.161ёуп)к;

0.2

ЗАЖ

(2)

площадка и откос уступа), от которых происходит отражение взрывных волн при условии отражения волны от одной, двух и трех свободных поверхностей, в разрушаемый объем возвращается соответственно 1/6 энергии волны, 2/6, 3/6 и т.д.

Рэ,м 26 24 22 20 18 16

■ . 14 12

10

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ц, кпУ

Рис. 3. Графики влияния радиуса эффективного экранирования взрывной воины наудельныйрасход ВВ при N=0,3 (кривая 1); N=0,5 (кривая 2); N=0,7 (кривая 3) (где И-степень дробления массива карбонатных пород).

Изменением граничных условий на внешнем контуре разрушаемого породного объема возможно вернуть до 30 % взрывной энергии обратно в выемочный блок, для его разрушения. Регулирование граничных условий на внешнем контуре разрушения основано на принципе отражения волн от границы раздела полупространства, имеющих акустическую жесткость р^ и р2СР2. Меняя акустическую жесткость среды, можно существенно изменять параметры вторичного поля напряжений за счет создания в разрупиемом породном объеме искусственного экрана с акустической жесткостью, отличающейся от акустической жесткости разрушаемой среды. Технологически экранирование энергии взрывных волн достигается путем предварительного взрывания серии зарядов, формирующих в массиве по естественным трещинам экран, что позволит в породном массиве реализовать межэкранное дробление выемочного блока добычного уступа. Заряды экраюсоздающих скважин располагаются с учетом положения систем природных трещин, а заряды на дробление закладываются в мембранных слоях. Положительные результаты теоретических и экспериментальных исследований по установлению нового параметра — радиуса кривизны откоса выемочного блока добычного уступа, влияющего на удельный расход ВВ, - позволили разработать практические рекомендации по совершенствованию расчетного аппарата при подготовке паспортов ЮР, который оценивает природный гранулометрический состав, учитывает место заложения заряда (мембранные слои), рассчитывает радиус кривизны свободной поверхности и устанавливает минимальный удельный расход ВВ (рис 4).

Ввод данных у, оси, араст, g

По

Ввод данных Е; V; В; lo

Л_±

dcp

к *

Ввод данных hy, а; Р; С

Кт5

Ч*

10

qn

14

ПС1ЫЩ i рм

de

И

15

R3

Kv6

Vfin7

w

12

Ib

16

Le

17

de

20

21

* U 22

Qh3 24 Q3 25 i— л. /» 26

Q, 23

27

Ввод данных f, Д; К; íCjc; Кз; Kri; Коп; Km; Kd, Ki; Ka

Кд 8

13

q™

H

18 f

qс

28

Vta

Рис.4. Блок-схема усовершенствованного расчетного аппарата паспорта БВР: осж> осдв> ораст - предел прочности породы на сжатие, на сдвиг, на растяжение, МПа; у - плотность породы, кг/м3; hy - высота уступа, м; а - угол откоса, град; Шв.б, 1вл - ширина и длина блока, м; lo - средний размер отдельностей, м; f - коэффициент крепости породы; Ó -плотность заряжания ВВ ;Пб. - показатель трудности бурения; Ц, - трудность разрушения; q3 - эталонный расход ВВ, г/м3; qn - удельный расход ВВ, кг/м3; V6jI - объём блока, м; Lc - глубина скважины, м; /п - значение перебура, м; W-JIHC, м; qc - выход взорванной массы; Ът - расстояние между рядами, м; а - расстояние между скважинами м; b -расстояние между рядами скважин, м; п - количество скважин; пр - число рядов скважин; Р - угол наклона скважины, град; lee - длина заряда ВВ, м;, м; Q3 - масса заряда, кг; dc - средний размер взорванного куска

Результаты реализации усовершенствованного расчетного аппарата сводятся к составлению графической модели технологии подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом с учетом природного гранулометрического состава породного массива, обоснования радиуса крив {сны свободных поверхностей выемочного блока и выбора в выемочном блоке добычного уступа мембранных слоев для размещения в них зарядов, позволяющих снизить удельный расход ВВ (рис 5).

Рис.5. Усовершенствованная технологическая схема БВР (а) с расположением экраносоздающих в) и дробящих б) скважин относительно системы трещин в мембранных слоях (тЗ и т5) (г)

Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по повышению выхода товарного щебня на карбонатных карьерах Тульской, Калужской и Самарской областей. Внедрены в учебный процесс на кафедре «Геотехнологии и строительство подземный сооружений» Тульского государственного университета, приняты проектной организацией ООО «ГТЮ ТИМ-ПРОЕКТ» к внедрению в проектные работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований установлена закономерность изменения удельного расхода ВВ скважинных зарядов от формы выемочного блока добычного уступа и введен новый технологический параметр подготовки карбонатного массива к экскавации - радиус кривизны свободной поверхности выемочного блока добычного уступа, влияющий на удельный расход ВВ, что позволило усовершенствовать методические рекомендации по составлению паспортов БВР и обосновать технологические схемы, учитывающие природный гранулометрический состав карбонатного массива и приемные геометрические параметры технологического оборудования карьеров, что имеет важное значение для горной промышленности и экономики России.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что в среднем 30 % отдельностей карбонатного массива требуется дробить, а остальные по природному гранулометрическому составу соответствуют габаритным приемным параметрам технологического оборудования карьеров, и поэтому эффективность управления дроблением выемочных блоков добычных уступов карбонатного массива скважинными зарядами достигается в случаях расположения скважинных зарядов в стратиграфических слоях карбонатного массива (мембранные слои), соответствующих размерам негабаритных отдельностей.

2. Установлено, что одним из основных управляемых технологических параметров БВР является радиус кривизны свободных поверхностей выемочного блока добычного уступа, определяющий форму и параметры выемочного блока.

3. Установлено, что удельный расход ВВ скважинных зарядов зависит от исходного природного гранулометрического состава карбонатного массива и формы выемочного блока, задаваемой радиусами кривизны его свободных поверхностей.

4. Разработана расчетная модель, позволяющая устанавливать радиус кривизны свободной поверхности выемочного блока добычного уступа, обеспечивающий экранирование, отражение и наложение взрывных волн в выемочном блоке добычного уступа.

5. Установлены закономерности влияния форм выемочных блоков добычного уступа, задаваемых радиусами кривизны его свободных поверхностей на удельный расход ВВ.

6. Усовершенствована технология подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом с учетом природного гранулометрического состава породного массива, обоснования радиуса кривизны свободных поверхностей выемочного блока и выбора в выемочном блоке добычного уступа мембранных слоев для размещения в них зарядов, позволяющие снизить удельный расход ВВ.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Внедрение новой идеологии в сферу рекультивации нарушаемой открытыми горными работами земной поверхности / ВЛ. Сафронов, В.П. Полежаев, AB. Дубинин, ВВ. Сафронов, М.А. Полунин, P.A. Макаров //3-я Международная конференция по проблемам промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»: материалы конференции. 22-27 октября 2007 гУ ТулГУ. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С. 68-73.

2. Макаров РВ., Сафронов В .П. Алгоритм выбора технологии переработки карбонатных пород в строительный щебень // 4-я Международная конференция по проблемам промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»: материалы конференции. 27-31 октября 2008 гJ ТулГУ. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С. 157-161.

3. Повышение эффективности механического способа рыхления карбонатных пород с помощью бульдозерно-рыхлигельного агрегата / ВЛ. Сафронов, В Л. Полежаев, ВВ. Сафронов, РВ. Макаров. // 5-я Международная конференция по проблемам промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики»: материалы конференции. 28-30 октября 2009 г J ТУлГУ. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 393-401.

4. Дубинин AB., Макаров РВ., Сафронов ВВ. Системный выбор технологий рекультивации земель, нарушенных открытыми горными работами II Известия ТулГУ. Естественные науки. 2009. Вып. 5. С. 55-58.

5. Макаров РВ., Сафронов ВВ. Автоматизированная система оценки баланса энергозатрат по гранулометрическому составу полезной массы в системе «карьер - ДСУ» // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2009. Вып. 5. С. 62-65.

6. Макаров РВ. Обзор существующих технологических схем добычи нерудных строительных материалов //Известия Тульского государственного университета. Естественные наука Серия Науки о Земле/ Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. Вып. 5. С. 89-91.

7. Макаров РВ. Эффективность использования энергии в технологических процессах открытой разработки месторождений строительного сырья //Известия ТулГУ. Естественные науки. 2009. Вып. 5. С. 92-93.

8. Сафронов В.П., Макаров РВ. Технология ведения взрывных работ в карьере на базе фундаментальных исследований взрыва //Известия ТулГУ. Естественные туки. 2009. Вып. 5. С. 116-119.

9. Сафронов В.П., Сафронов В.В., Макаров Р.В. Установление зависимостей геометрических и прочностных параметров природных блоков от мощности вмещающего слоя //Известия ТулГУ. Естественные науки. 2010 Вып. 1. С. 294298.

10. Сафронов В.П., Сафронов ВВ., Макаров Р.В. Основные подходы повышения эффективности подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом// Известия ТулГУ. Естественные науки. 2010. Вып. 2. С. 328-333.

Изд. лиц. ЛР №020300от 12.02.97. Подписано в печать 7.06.2011 Г. Формах бумаги 60x84 '/te .Бумага офсетная. Усл. печ.л. 1,1 Уч.-изд.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 025 Тульский государственный университет 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, 15). Ленина, 95

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Макаров, Роман Владимирович

Введение

1 Анализ карбонатных породных массивов и технологических схем производства

БВР при подготовке массивов к экскавации.

1.1 Краткий обзор горно-геологических и горнотехнических условий месторождений известняков Центрального района РФ

1.2 Обзор основных технологических схем и методики расчета буровзрывных работ

1.3 Методика расчета буровзрывных работ

2 Теоретическое обоснование поведения взрыва в породной среде в рамках газовой и волновой теории

2.1 Особенности в поведении взрыва скважинных зарядов в массивах доломитов и известняков

2.2 Оценка массива выемочного блока добычного уступа карбонатных пород по гранулометрическому составу и технологическим параметрам добычи и переработки

2.3 Экспериментально-теоретическое обоснование Реализации принципа «не дроби в выемочном блоке добычного уступа ничего лишнего» в рамках волновой и газовой теорий взрыва

2.3.1 Формализованная модель поведения взрыва в трещиноватой среде

2.3.2 Анализ результатов экспериментальных исследований ученых и их использование для уточнения зонной модели взрыва скважинного заряда

2.3.3 Экранирование взрывных волн природными трещинами в породном массиве

2.3.4 Влияние акустической жесткости экрана на эффективность экранирования взрывных волн

2.3.5 Техническое решение по реализации принципа «не дроби в выемочном блоке добычного уступа ничего лишнего»

3 Экспериментальные и теоретические исследования

3.1 Теоретические исследования

3.2 Экспериментальные исследования

3.2.1 Горно-геологическая характеристика объекта проведения экспериментальных исследований

3.2.2 Сведения о рельефе местности, геологии и гидрогеологии месторождения.

3.2.3 Краткая геологическая характеристика разрабатываемых пород.

3.2.4 Существующие условия ведения буровзрывных работ.

4 Усовершенствованная технология подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование технологии и обоснование параметров подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом"

Актуальность работы. Из карбонатных пород получают более 60 наименований продукции, необходимой для различных отраслей промышленности. Получение из карбонатных пород новых материалов, в том числе на уровне наноструктур, с использованием технологий глубокой переработки горных пород требует инновационных решений, включающих решения по минимизации затрат на добычу полезного ископаемого.

Карбонатные породные массивы имеют сложную блочную структуру и характеризуются неоднородностью физико-механических свойств слагающих их пород. Вариации размерных величин природных отдельностей влияют на организацию выемочно-погрузочных работ, на обоснование параметров БВР при подготовке карбонатного массива к экскавации и на выбор добычного и перерабатывающего оборудования.

В настоящее время разрушение массивов горных пород энергией взрыва остается единственным высокопроизводительным и универсальным способом подготовки пород к экскавации. Однако рост стоимости взрывчатых веществ (далее ВВ) и средств взрывания заставляет горные предприятия искать пути снижения затрат на взрывные работы. Некоторые предприятия осуществляют попытки внедрить механический или комбинированный способ подготовки карбонатного массива к экскавации, но при этом на фоне снижения затрат на единицу объема полезной массы снижается производительность по добыче полезной массы. Поэтому совершенствование взрывного способа подготовки карбонатного массива к экскавации остается актуальным направлением. Тем более современные достижения в области газовой и волновой теорий взрыва позволяют получить инновационные решения, которые можно трансформировать в энергосберегающие технологические схемы для карьеров по разработке, например, карбонатных месторождений.

Следовательно, совершенствование технологии и обоснование параметров подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом являются актуальными задачами.

Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке Аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0319).

Цель работы - установление закономерностей влияния форм выемочных блоков добычного уступа на удельный расход ВВ, позволяющих усовершенствовать технологию и обосновать параметры подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом.

Идея работы заключается в совершенствовании технологии и обосновании параметров подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом путем использования природных свойств и придания свободным поверхностям выемочного блока кривизны с радиусами, обеспечивающими эффективное экранирование, отражение и наложение взрывных волн в выемочном блоке добычного уступа.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- установлено, что в среднем 30 % отдельностей карбонатного массива требуется дробить, а остальные по природному гранулометрическому составу соответствуют габаритным приемным параметрам технологического оборудования карьеров, и поэтому эффективность дробления выемочных блоков добычных уступов карбонатного массива скважинными зарядами достигается в случаях расположения скважинных зарядов в стратиграфических слоях карбонатного массива (мембранные слои), соответствующих размерам негабаритных отдельностей;

- одним из основных управляемых технологических параметров БВР является радиус кривизны свободных поверхностей выемочного блока добычного уступа, определяющий форму и параметры выемочного блока;

- удельный расход ВВ скважинных зарядов зависит от исходного природного гранулометрического состава карбонатного массива и формы выемочного блока, задаваемой радиусами кривизны его свободных поверхностей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана расчетная модель, позволяющая устанавливать радиус кривизны свободной поверхности выемочного блока добычного уступа, обеспечивающий экранирование, отражение и наложение взрывных волн в выемочном блоке добычного уступа;

- установлены закономерности влияния форм выемочных блоков добычного уступа, задаваемых радиусами кривизны его свободных поверхностей; на удельный расход ВВ;

- усовершенствована технология подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом с учетом природного гранулометрического состава породного массива, обоснования радиуса кривизны свободных поверхностей выемочного блока и выбора в выемочном блоке добычного уступа мембранных слоев для размещения в них зарядов, позволяющих снизить удельный расход ВВ.

Метод исследований — комплексный, включающий научный анализ и обобщение практического опыта использования способов и средств подготовки горных пород к экскавации; результаты ранее выполненных работ по взрывному способу подготовки горных пород к экскавации; вычислительный и опытнопромышленный эксперименты; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается согласованностью результатов теоретических, экспериментальных исследований с положениями в рамках волновой и газовой теорий взрыва, сходимостью результатов экспериментов с ожидаемыми (расхождение не превышает 14 %), полученными на основании вычислительных и опытно-промышленных экспериментов.

Научное значение работы заключается в обосновании пределов регулирования удельного расхода ВВ путем расчета радиуса кривизны поверхности откоса выемочного блока и выборе рациональных вариантов значений параметров технологических схем распределения в выемочном блоке скважинных зарядов и последовательности их инициирования.

Практическое значение работы заключается в разработке «Методических рекомендаций по обоснованию параметров выемочных блоков добычных уступов при использовании взрывного способа подготовки скального массива к экскавации», используемых при проектировании и производстве БВР в карьерах.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке рекомендаций по повышению выхода товарного щебня на карбонатных карьерах Тульской, Калужской и Самарской областей, внедрены в учебный процесс на кафедре «Геотехнологии и строительство подземных сооружений» Тульского государственного университета, приняты проектной организацией ООО «ГЕОТИМ-ПРОЕКТ» к внедрению в проектные работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных симпозиумах «Неделя горняка - 2008, 2009, 2010 гг.» (г. Москва); на XIV Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов» (г. Москва, 2010 г.); научнотехнических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2007-2010 гг.); на семинарах кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений» (г. Тула, 2007-2010 гг.); на техсовете ООО «Восточные Берники» (2010 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, включая 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 113 страницах машинописного текста; содержит 36 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 38 наименований. Анализ карбонатных породных массивов и технологических схем производства БВР при подготовке массивов к экскавации.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Макаров, Роман Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований установлена закономерность изменения удельного расхода ВВ скважинных зарядов от формы выемочного блока добычного уступа и введен новый технологический параметр подготовки карбонатного массива к экскавации — радиус кривизны свободной поверхности выемочного блока добычного уступа, влияющий на удельный расход ВВ, что позволило усовершенствовать методические рекомендации по составлению паспортов БВР и обосновать технологические схемы, учитывающие природный гранулометрический состав карбонатного массива и приемные геометрические параметры технологического оборудования карьеров, что имеет важное значение для горной промышленности и экономики России.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что в среднем 30 % отдельностей карбонатного массива требуется дробить, а остальные по природному гранулометрическому составу соответствуют габаритным приемным параметрам технологического оборудования карьеров, и поэтому эффективность управления дроблением выемочных блоков добычных уступов карбонатного массива скважинными зарядами достигается в случаях расположения скважинных зарядов в стратиграфических слоях карбонатного массива (мембранные слои), соответствующих размерам негабаритных отдельностей.

2. Установлено, что одним из основных управляемых технологических параметров БВР является радиус кривизны свободных поверхностей выемочного блока добычного уступа, определяющий форму и параметры выемочного блока.

3. Установлено, что удельный расход ВВ скважинных зарядов зависит от исходного природного гранулометрического состава карбонатного массива и формы выемочного блока, задаваемой радиусами кривизны его свободных поверхностей.

4. Разработана расчетная модель, позволяющая устанавливать радиус кривизны свободной поверхности выемочного блока добычного уступа, обеспечивающий экранирование, отражение и наложение взрывных волн в выемочном блоке добычного уступа.

5. Установлены закономерности влияния форм выемочных блоков добычного уступа, задаваемых радиусами кривизны его свободных поверхностей на удельный расход ВВ.

6. Усовершенствована технология подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом с учетом природного гранулометрического состава породного массива, обоснования радиуса кривизны свободных поверхностей выемочного блока и выбора в выемочном блоке добычного уступа мембранных слоев для размещения в них зарядов, позволяющие снизить удельный расход ВВ.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Макаров, Роман Владимирович, Тула

1. Короновский Н.В. Основы геологии/ Н.В. Короновский, А.Ф. Якушова. — М.: Изд. МГУ, 2000. 125 с.

2. Шлайн И.Б. Разработка месторождений карбонатных пород / И.Б. Шлайн. — М.: Недра, 1968. 293 с.

3. Виноградов С.С. Известняки. М.: Госстройиздат, 1951. - 118 с.

4. Чирков А.С. Добыча и переработка строительных горных пород: Учебник для вузов / А.С. Чирков. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2001. 623 с.

5. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М.: — Недра, 1988.-271 с.

6. Шлайн И.Б. Разработка месторождений нерудного сырья / И.Б. Шлайн. — М.: Недра, 1985. 344 с.

7. Попов А.Я. Исследование и разработка способа экраниро-вания взрывных волн с целью повышения эффективности и безопаснос-ти буровзрывных работ в угольных забоях шахт: Автореф. дне. . канд.техн.наук. Тбилиси, 1977. - 22 с.

8. Кучерявый Ф.И., Бойко В.В. Влияние анизотропии горных массивов на параметры сейсмобеэопасных зон. Горный журнал. Изв. вузов, 1982, № 5, с. 55-58.

9. Ляхов Г.М. Основы динамики взрывных волн в грунтовых и горных породах. -М.: Недра, 1974. 192.

10. Ю.Косыгин Ю.А. Основы тектоники. М.: Недра, 1974. - 616 с.

11. П.Мосинец В.Н., Пашков В.А., Латышев В.А. Разрушение гор-ных пород. М.: Недра, 1975. - 215 с.

12. Борисов А.А. Механика горных пород. М.: Недра, 1980. - 360 с.

13. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. — М., «Недра», 1976. 271 с.

14. Н.Кутузов Б.Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород. М., «Недра», 1973.312 с.

15. Барон Л.И., Личели Г.П. Трещиноватость горных пород при взрывной отбойке. -М„: Недра, 1966. 136 с.

16. Барон Л.И., Личели Г.П. Исследование дробящей способности взрывчатых веществ при взрывании трещиноватых сред. — Взрывное дело, 1962, 50, с. 83-98.

17. Безкаравайный В.Г., Морозов Г.И. Расчет основных параметров комбинированного способа разупрочнения труднообрушаемых пород.- В кн.: Труды ЛШ, 82. Л., 1980, с. 50-54.

18. Борисов А.А. Механика горных пород. М.: Недра, 1980. - 360 с.

19. Ляхов Г.М. Основы-динамики взрывных волн в грунтовых и горных породах. -М.: Недра, 1974. -192.

20. Мосинец В.Н., Пашков В.А., Латышев В.А. Разрушение горных пород. М.: Недра, 1975. - 215 с.

21. Рубцов В.К. Влияние трещиноватости породы на результаты взрывных работ. -Бюллетень цветной металлургии, 1960, с. 113.

22. Короновский Н.В. Основы геологии / Н.В. Короновский, А.Ф. Якушова. М.: Изд. МГУ, 2000. - 125 с.

23. Шлайн И.Б. Разработка месторождений карбонатных пород /И.Б. Шлайн. М.: Недра, 1968. -293 с.

24. Виноградов С.С. Известняки. — М.: Госстройиздат, 1951. — 118 с.

25. Чирков А.С. Добыча и переработка строительных горных пород: Учебник для вузов / А.С. Чирков. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2001. — 623 с.

26. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М.: — Недра, 1988.-271 с.

27. ШлайнИ.Б. Разработка месторождений нерудного сырья / И.Б. Шлайн. М.: Недра, 1985.-344 с.

28. Азовцев С.Н., Гайдуков Э.Э., СурововА.Н. О классификации массивов карбонатных пород по блочности. — В кн.: Сб. трудов ВНИПИИстромсырьё, вып. 28, 1980, с. 3-8.

29. Малышева Н.А., Сиренко Н.В. Технология разработки месторождений нерудных строительных материалов. М.: Недра, 1977. — 392 с.

30. ЗО.Чирков А.С. Добыча и переработка строительных горных пород: Ученик для вузов. 2-е изд., исп. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. - 623 с.: ил.

31. Ржевский В.В. Технология и комплексная механизация открытых горных работ. -М.: Недра, 1975.

32. Токарев Г.А. Обоснование параметров безвзрывной технологии открытой технологии известняков на основе комплексной оценки месторождений. — Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Тула, 2005.

33. Виницкий К.Е., Реентович Э.И. Математическое моделирование параметровсистем открытой разработки месторождений. Институт горного дела им. А.А. Скочинского. М.: Изд-во Наука, 1965. •

34. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Часть 1. Производственные процессы. -М.: Недра, 1985.

35. Ржевский В.В. Открытые горные работы. Часть 2. Технология и комплексная механизация. М.: Недра, 1985.

36. Зб.Золотник А.И., Давыдов С.А. Оптимальные параметры взрывных работ, выполненные методом скважин. Сборник «Взрывные работы», Выпуск 3, Промстройиздат, 1956.

37. Будько А.В., Бурцев Л.И. Управление кусковатостью руды при системах с массовым обрушением. «Горный журнал», №10, 1956.

38. Давыдов С.А. Пути уменьшения выхода негабарита на карьерах цементных заводов. Сборник «Взрывные работы», Промстройиздат, 1954.