Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

УДК 622.272

Спеціальність: 05.15.02 " Підземна розробка родовищ корисних копалин "

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Розробка ресурсозберігаючих технологій очисної виїмки на основі закономірностей випуску руди з неоднорідними сипучими властивостями

Корж Василь Андрійович

м. Кривий Ріг - 2000р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Капленко Юрій Петрович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти:

-доктор технічних наук, старший науковий працівник Цариковський Володимир Валентинович, державний науково-дослідний гірничорудний інститут, завідувач відділу;

- доктор технічних наук, професор Усаченко Борис Миронович, Інститут геотехнічної механіки НАН України, завідувач відділу;

- доктор технічних наук, професор Фрумкін Рафаїл Абрамович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, завідувач кафедри;

Провідна установа - Національна гірнича академія України, кафедра підземної розробки родовищ, Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "22 " червня 2001р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 Криворізького технічного університету за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою 50002. м. Кривий Ріг, вул.. Пушкіна, 37.

Автореферат розісланий " 21 " травня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, професор Фаустов Г.Т.

Анотації

Корж В.А. Розробка ресурсозберігаючих технологій очисної виїмки на основі закономірностей випуску руди з неоднорідними сипучими властивостями. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.02. - "Підземна розробка родовищ корисних копалин". Криворізький технічний університет. Кривий Ріг. 2000.

В процесі виконання теоретичних, лабораторних та експериментальних досліджень встановлено, що обвалена руда має, як правило, неоднорідні сипучі властивості, вивчені особливості їх формування; вперше виявлені нові закономірності випуску обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями і доказано, що фігури випуску такої руди мають псевдоеліптичну форму; розкриті закономірності формування параметрів псевдоеліптичних фігур випуску під дією комплексного впливу фізичних властивостей обваленої руди, гірничого тиску і технологічних параметрів. З врахуванням вказаних закономірностей розроблено методику визначення геометричних параметрів псевдоеліптичних фігур випуску та окремих їхніх елементів; обґрунтовано теоретичні основи і практичні методи управління випуском привантаженої руди з неоднорідними сипучими властивостями; запропоновано нові методи зменшення якісних і кількісних втрат руди при випускові.

Виявлені закономірності випуску явились основою для створення ефективних варіантів ресурсозберігаючих технологій очисної виїмки, які забезпечують суттєве зниження рівня втрат і засмічення руди при підземній розробці.

Ключові слова: руда, властивості, тиск, розрихлення, випуск, псевдоеліпсоїди, втрати, засмічення, ресурсозберігаючі технології.

Корж В.А. Разработка ресурсосберегающих технологий очистной выемки на основании закономерностей выпуска руды с неоднородными сипучими свойствами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.02. "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых". Криворожский технический университет, Кривой Рог. 2000.

Представленная диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой проведено теоретическое обобщение и дано новое научное и практическое решение важной научно-технической проблемы, заключающейся в развитии теоретических основ и методов управления выпуском и показателями извлечения обрушенной руды с неоднородными сыпучими свойствами и создание на этой основе ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих значительное улучшение количественных и качественных показателей извлечения и повышение экономической эффективности разработки рудных месторождений подземным способом.

В процессе исследований было установлено, что наиболее характерной особенностью обрушенной руды в блоках шахт является неоднородность ее сыпучих свойств. На основании теоретических, лабораторных и промышленных исследований, компьютерного моделирования впервые были выявлены новые закономерности выпуска обрушенной руды с неоднородными сыпучими свойствами. К их числу относятся:

- закономерности формирования сыпучих свойств руды как в процессе ее уплотнения при различных способах обрушения, так и в процессе вторичного разрыхления при истечении;

- закономерности формирования параметров фигур выпуска обрушенной руды с неоднородными сыпучими свойствами под действием комплексного влияния горного давления, ряда физических свойств руды и технологических параметров систем разработки. Доказано, что фигуры выпуска, образующиеся при истечении руды с неоднородными сыпучими свойствами, принимают форму сжатых, расширенных, вытянутых и асимметричных псевдоэллипсоидов, в зависимости от характера пространственного изменения сыпучих свойств обрушенной руды. Установлено, что самой общей формой фигур выпуска являются асимметричные псевдоэллипсоиды с одной вертикальной и тремя горизонтальными полуосями;

- усовершенствованная (менее трудоемкая, но более точная) методика определения эквивалентных диаметров обрушенной руды в блоках шахт;

- математически установленные и експериментально подтвержденные взаимосвязи параметров фигур выпуска и их отдельных элементов с комплексом физических свойств и горного давления. На их основе разработана аналитическая методика определения геометрических параметров псевдоэллиптических фигур выпуска и их отдельных, ранее неизвестных элементов, включая метод определения точного значения ряда неберущихся интегралов, описывающих параметры этих элементов;

- теоретические основы и практические методы управления выпуском руды с неоднородными сыпучими свойствами в условиях повышенного горного давления, базирующиеся на выявленных закономерностях формирования сыпучих свойств обрушенной руды и параметров фигур выпуска. Управление закономерностями формирования параметров фигур выпуска возможно как на стадии проектирования, так и в процессе выполнения очистных работ;

- новые методы уменьшения качественных и количественных потерь обрушенной руды с неоднородными сыпучими свойствами, базирующиеся на расширении активной зоны влияния выпускных отверстий, предотвращении слияния смежных фигур выпуска, проходке выпускных отверстий с поперечным сечением псевдоэллиптической формы и перемещении "мертвой зоны" выпуска из рудного в породный слой лежачего бока.

Предложены новые режимы выпуска обрушенной руды под налегающими породами и разработан принципиально новый метода расчета показателей извлечения обрушенной руды с неоднородными сыпучими свойствами применительно к поочередному стадийному режиму выпуска.

Выявленные закономерности выпуска обрушенной руды с неоднородными сыпучими свойствами, возможности управления параметрами фигур выпуска и разработанные с их учетом режимы выпуска послужили основой для создания эффективных вариантов ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих существенное снижение уровня потерь и засорения руды при подземной разработке.

К их числу относятся: технология с комбинированным обрушением и поочередным стадийным выпуском, технология со смещением "мертвой зоны" из рудного слоя в породы лежачего бока, комбинированная технология отработки рудных залежей, технология со ступенчатой формой контакта обрушенной руды и ресурсосберегающая технология засыпки подземных пустот через породоперепускник, образованный в обрушенных породах висячего бока.

Расчетный экономический эффект от внедрения в промышленное производство шахт Кривбасса ресурсосберегающих технологий подземной добычи, созданых с учетом выявленных закономерностей выпуска обрушенной руды с неоднородными сыпучими свойствами, составляет 3.3 млн. гривен в год. Фактический экономический эффект от внедрения технологии с комбинированным обрушением и поочередным стадийным выпуском составил 324.2 тыс. гривен.

Ключевые слова: руда, свойства, давление, разрыхление, выпуск, псевдоэллипсоиды, потери, засорение, ресурсосберегающие технологии.

Korzh V.A. Mining saveresources of technologies of an actual mining on the basis of laws of an ore drawing with heterogeneous loose properties. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of technical science on a speciality 05.15.02 " a underground Extraction of deposits of mineral resources ". Krivoy Rog's technical university. Krivoy Rog. 2000.

During of theoretical, laboratory and industrial reached is revealed, that being caving theore has, as a rule, heterogeneous loose properties, the features of their formation are investigated; new laws of release caving ore with heterogeneous loose properties for the first time are revealed and is shown, that the figures of release of such ore have the pseudo-elliptic form; the laws of formation of parameters of pseudo-elliptic figures of release under action of complex influence of physical properties cavig ore, rock pressure and technological parameters are opened. In view of the specified laws are developed: a technique of definition of geometrical parameters of pseudo-elliptic figures of release and their separate elements, theoretical bases and practical ways of management of release preloaded of ore with heterogeneous loose properties; the new methods of an abatement of qualitative and quantitative losses of ore are offered at release.

The new laws of release were by the basis for creation of effective variants saveresources of technologies of mining, which provide an essential decrease of a level of losses and contamination at extraction of ore with heterogeneous loose properties.

Key words: ore, properties, pressure, looses, release, pseudo-ellipsoid, loss, contamination, saveresources technology.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Теорія випуску рівномірно розрихленої обваленої руди з однорідними сипучими властивостями під налягаючими породами зробила в свій час вирішальний вплив на вдосконалення та впровадження в виробництво ефективних варіантів систем розробки з підповерховим і поверховим обваленням. Проте залишилось невирішеними багато задач по випуску руди, що мають важливе наукове та практичне значення. Так, не виявлені закономірності спільного впливу комплексу фізичних властивостей обваленої руди на форму та параметри фігур випуску; не вивчено спільного впливу властивостей руди, гірничого тиску і методів обвалення на коефіцієнт розрихлення; не вирішена задача управління параметрами фігур випуску і показниками виймання.

Сучасні умови підземної розробки системами з обваленням характеризуються великими глибинами розробки, проявленнями значного гірничого тиску на обвалену руду при випускові, неоднорідністю її гранулометричного складу, широким діапазоном зміни коефіцієнта розрихлення обваленої руди в межах очисного блоку, що в значній мірі обумовлює неоднорідність сипучих властивостей руди. В цих умовах використання відомих закономірностей випуску рівномірно розрихленої руди з однорідними сипучими властивостями не забезпечує поліпшення показників виймання. Суттєве зниження об'ємів видобутку руди, що відбулося протягом останніх років на шахтах Кривбасу, не супроводжувалось відповідним поліпшенням показників виймання. Навпаки, якісні та кількісні втрати руди і рівень її засмічення з глибиною розробки постійно зростають, що приводить до погіршення економічного становища гірничорудних підприємств.

Отже, сучасні умови розробки значно ускладнились і суттєво відрізняються від прийнятих за базові при створенні теорії випуску рівномірно розрихленої та рівномірно подрібненої руди. Крім того, бурхливий розвиток обчислювальної техніки вимагає розробки нових розрахункових методів, які б дозволяли широко використовувати комп'ютерну техніку в управлінні випуском обваленої руди.

Необхідність рішення названих задач стає все настійнішою по мірі збільшення глибини гірничих робіт. Виявлення кількісних взаємозв'язків між фізичними параметрами обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями і параметрами фігур випуску дозволить виявити шляхи впливу на них, як на стадії проектування, так і при очисній виїмці. Це дасть змогу зробити випуск обваленої руди під налягаючими породами керованим. Внаслідок чого, з'явиться можливість управління показниками виймання і розробки нових високоефективних варіантів ресурсозберігаючих технологій. Все це буде сприяти дальшому розвиткові гірничорудної промисловості підземного Кривбасу.

Таким чином, розвиток теоретичних основ управління випуском та показниками виймання стосовно обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями і створення на їх базі ресурсозберігаючих технологій очисної виїмки, що забезпечують суттєве поліпшення показників виймання і підвищення економічної ефективності підземної розробки рудних родовищ є актуальною науково-технічною проблемою, яка має важливе народносподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року, яка спрямовує на розв'язання проблеми підтримки працездатності шахт в умовах скорочення обсягів виробництва, а також відповідно до галузевих і госпдоговірних науково-дослідних робіт, присвячених виявленню закономірностей випуску руди в умовах високого гірничого тиску, зменшенню якісних і кількісних втрат руди, підвищенню ефективності підземної розробки (№№ державної реєстрації: 71057105, 77006789, 79026059, 81031006, 0160077791, 0195U003021, UA01015020P).

Метою роботи є розвиток теоретичних основ управління випуском стосовно до обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями, обґрунтування принципів зниження кількісних і якісних втрат і створення на цій основі високоефективних ресурсозберігаючих технологій очисної виїмки при підземній розробці рудних родовищ.

Основна ідея роботи заключається в використанні взаємозв'язку параметрів фігур випуску з фізичними властивостями обваленої руди для створення фігур випуску таких форм і розмірів, які забезпечують покращення показників виймання і підвищення економічної ефективності очисної виїмки.

Наукові положення, що захищаються в дисертації:

1. Показники виймання обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями збільшуються прямопропорційно розмірам активної зони випуску, які залежать від конструкції днища блоку, параметрів фігур випуску, способу випуску і змінюються від 0.552 до 0.970, що дозволяє збільшити кількість виймаємої руди на 5-7%, покращити її якість на 0.7-1.5% (абсолютних) і підвищити продуктивність праці на випуску і доставці руди на 10-12%.

2. Показник сипучості обваленої руди в блокові прямопропорційний коефіцієнтам розрихлення і об'єму компенсаційного простору, оберненопропорційний величинам критичного розрихлення, гірничого тиску та вологості руди і приймає значення в інтервалі від 0.25 до 3.0, що дозволяє управляти розмірами фігур випуску, змінюючи їхні об'єми в 8-10 разів.

3. Горизонтальні півосі асиметричних псевдоеліпсоїдів, які утворюються при випуску обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями, збільшуються в процесі витікання руди прямопропорційно показнику сипучості і оберненопропорційно гірничому тискові, коефіцієнт асиметрії півосей досягає значень 0.7-1.3. Використання цієї закономірності дозволяє визначати раціональні розміри і форму випускних отворів, які забезпечують збільшення об'єму фігур випуску на 4-6%.

Наукове значення роботи заключається в розкритті закономірностей випуску обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями і створенні принципів проектування ресурсозберігаючих технологій очисної виїмки на основі вказаних закономірностей. Вказані закономірності випуску обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями були виявлені і досліджені вперше.

Наукова новизна результатів роботи полягає в тому, що вперше:

- обґрунтовано і показано, що руда в блоках шахт набуває в процесі обвалення неоднорідні сипучі властивості, які залежать від комплексного впливу ряду гірничогеологічних та технологічних факторів;

- досліджено закономірності формування коефіцієнта вторинного розрихлення і його впливу на співвідношення параметрів фігур випуску та розрихлення;

- виявлено і досліджено закономірності випуску обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями та розкрито механізм утворення псевдоеліптичних фігур різної форми;

- математично обґрунтовано і експериментально підтверджено взаємозв'язок параметрів фігур випуску та їх окремих елементів із комплексним впливом ряду фізичних властивостей обваленої руди і гірничотехнічних параметрів. Доказано, що збільшення гірничого тиску та зменшення розрихленості руди приводять до швидкого затухання приросту параметрів фігур випуску при збільшенні висоти шару випускаємої руди понад 30-35 м;

- обґрунтована залежність форми і розмірів випускних отворів та воронок днищ блоків від форми і розмірів фігур випуску та запропонована методика визначення їх конструктивних параметрів;

- обґрунтована доцільність використання коефіцієнта активної зони випуску обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями в якості комплексного критерію оцінки впливу конструкції днища блоку та способу випуску на величину показників виймання;

- запропоновані нові принципи проектування технології очисної виїмки, що відрізняються критеріями оцінки економічної ефективності відпрацювання рудних запасів, послідовністю проектування технологічних процесів і комплексним взаємозв'язком всіх проектуємих параметрів;

- розроблений і апробований в лабораторних і виробничих умовах принципово новий метод розрахунку показників виймання обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями стосовно почергово стадійного режиму випуску;

- запропоновано оригінальний метод визначення еквівалентних по прохідності, об'єму та площі поверхні діаметрів кусків обваленої руди в блоках шахт.

Реалізація роботи. Розроблені і впроваджені у виробництво на шахтах криворізького басейну:

- методичні рекомендації "Расчет показателей извлечения при выпуске обрушенной руды с неоднородными сыпучими свойствами" (КТУ, 2000 г);

- ресурсозберігаюча технологія з комбінованим обваленням і почерговим стадійним випуском (шахта "Батьківщина" КДЗРК), що дозволило отримати у 2000 році економічний ефект в розмірі 321.2 тис. гривен;

- вказана технологія прийнята також до запровадження в виробництво на руднику "Суха балка".

Розроблені, затверджені та використовуються в навчальному процесі:

- "Методичні вказівки по визначенню оптимального об'єму та раціонального способу утворення компенсаційного простору" (КТУ, кафедра підземної розробки родовищ корисних копалин (ПРРКК), 1988 р.);

- "Методичні вказівки по вибору, обґрунтуванню і розрахунку раціональних методів доставки" (КТУ, кафедра ПРРКК, 1999р.).

- "Методичні вказівки до розрахунків показників виймання обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями при почергово стадійному режиму випуску" (КТУ, кафедра ПРРКК, 2000р.);

- "методичні вказівки до виконання лабораторних робіт по курсу "Проектування гірничих підприємств" (КТУ, кафедра ПРРКК, 2000р.).

Особистий внесок здобувача полягає в постановці задач дослідження, в створенні математичних моделей фігур випуску обваленої руди, в проведенні лабораторних і натурних досліджень та комп'ютерного моделювання по вивченню закономірностей ущільнення і розрихлення руди, формування параметрів псевдоеліпсоїдів та їх окремих елементів, в обґрунтуванні нових режимів випуску та методу розрахунку показників виймання, розробці теоретичних основ та інженерних методів управління випуском, нових прийомів проектування конструктивних елементів систем розробки.

При безпосередній участі автора були розроблені нові ресурсозберігаючі технології видобутку руди та забезпечено їх впровадження в виробництво.

Апробація роботи. Результати дисертації та основні її положення докладались на: науково-технічних конференціях КТУ в 1990-2000 р.; семінарі "Школа передового досвіду" головних інженерів, керівників технічних і проектних відділів шахт і рудників Кривбасу (м. Кривий Ріг, 1996р.); регіональній науково-технічній конференції "Промислова цінність і перспективи розробки родовищ корисних копалин в умовах реструктуризації" (НДГРІ, м. Кривий Ріг, 1997 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми і напрямки використання САПР в навчальному процесі та автоматизації проектно-конструкторських робіт сучасних виробництв" (КТУ, м. Кривий Ріг, 1998 р.); регіональній науково-технічній конференції "Основні напрямки розвитку гірничопромислового комплексу України в умовах переходу до ринкової економіки" (м. Кривий Ріг, 1998р.); II міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми і перспективи використання геоінформаціонних технологій в гірничій справі" (НГАУ, м. Дніпропетровськ, 2000р.); науково-практичній конференції "Нестеровські читання, математичне моделювання в геології і геомеханіці" (НГАУ, м. Дніпропетровськ, 2000 р.).

Публікації. Основний зміст виконаних досліджень опубліковано в 32 друкованих роботах, з яких 15 - одноосібних робіт. Результати розробок захищені 2 авторськими свідоцтвами і одним патентом України.

Обсяг і структура дисертації. Робота складається з вступу, 8 розділів, висновків і додатків, викладених на 239 сторінках машинописного тексту. В тому числі робота включає 60 рисунків, 50 таблиць, список використаних літературних джерел із 230 найменувань та 8 додатків. Загальний обсяг роботи - 373 сторінки.

Автор щиро вдячний співробітникам Криворізького технічного університету та гірничорудних підприємств за наукові консультації та практичну допомогу.

Основний зміст роботи

Сучасний стан підземної розробки залізорудних покладів Кривбасу характеризується великими глибинами очисних робіт (900-1200м), значним гірничим тиском на обвалену руду і неоднорідністю її сипучих властивостей. Гірничо капітальні роботи ведуться на глибинах 1100-1300 м, а шахтні стволи пройдені до глибин 1400-1600 м.

Багаті залізні руди розробляються підземним способом Криворізьким державним залізорудним комбінатом (КДЗРК), а також рудниками "Суху Балка" і ім. Кірова. Вміст заліза в рудному масиві шахт Кривбасу складає в середньому 58,8%, змінюючись на окремих шахтах від 57,3 до 60, 9%.

Зниження рівня очисної виїмки супроводжується зміною гірничотехнічних умов розробки, зростанням гірничого тиску і появою нових властивостей руди. Ріст гірничого тиску супроводжується ростом напруженості гірського масиву і зниженням його стійкості. Це суттєво ускладнює підготовку і відпрацювання нових панелей. Широко відома теорія випуску обваленої руди та методи визначення конструктивних параметрів систем розробки, які безпосередньо впливають на процес випуску, орієнтовані на руду з однорідними сипучими властивостями. Неоднорідність сипучих властивостей обваленої руди приводить до постійного збільшення втрат і засмічення руди з глибиною розробки.

Втрати руди при розробці залізорудних родовищ призводять до непоправних втрат всієї галузі промисловості: зменшують підготовлені до виїмки запаси руди, підвищують питомі затрати на розвідку родовища, будівництво шахт, розкриття нових горизонтів, на розбурювання і обвалення масиву. Засмічення видобутої руди зменшує її металургійну цінність, збільшує додаткові витрати на транспорт за рахунок перевезення засмічуючи порід, підвищує затрати на збагачення і металургійну переробку руди. Тому, покращення показників виймання є однією із найактуальніших проблем гірничовидобувної промисловості. Цим обумовлена особлива увага дослідників до випуску руди.

Значний вклад в вивчення закономірностей випуску обваленої руди під налягаючими породами та вдосконалення окремих технологічних процесів і систем розробки зробили: Г.М. Малахов, В.В. Куликов, М.А. Агошков, М.Г. Дубинін, В.Р. Безух, П.М. Вольфсон, М.З. Галаєв, А.П. Григор'єв, В.Р. Іменитов, Ю.П. Капленко, Р. Квапіл, О.В. Колоколов, М.С. Кудрявцев, І.К. Кунін, В.П. Лавриненко, М.А. Лукоянов, В.К. Мартинов, П.Д. Петренко, В.К. Плеханов, Б.М. Усаченко, П.П. Фельшау, О.І. Філіпенков, Р.А. Фрумкін, В.І. Хомяков, В.В. Цариковський, В.А. Шостаков, В.О. Щелканов, О.О. Яковл'єв та інші.

Вищеназвані дослідники вивчали, перед усім, випуск рівномірно подрібненої та рівномірно розрихленої руди з однорідними сипучими властивостями. Закономірності випуску установлювалися з врахуванням одного-двох параметрів обваленої руди. Комплексний вплив властивостей руди та гірничотехнічних умов розробки на параметри фігур випуску і показники виймання не досліджувався.

Було виявлено, що суттєвий вплив на параметри фігур випуску (еліпсоїди обертання по Г.М. Малахову) мають кускуватість обваленої руди та її коефіцієнт розрихлення. Але спроби одержання аналітичних рішень, в яких би встановлювалися взаємозв'язки параметрів фігур випуску з грудкуватістю обваленої руди та її коефіцієнтом розрихлення не мали успіху. Практика показала, що поділ руд по грудкуватості на дві групи, запропонований Г.М. Малаховим, є недостатнім для обґрунтованого визначення параметрів фігур випуску та показників виймання.

Вивченням впливу коефіцієнту розрихлення обваленої руди на параметри фігур випуску та показники виймання займались О.А. Яковлєв, О.І. Філіпенков, М.Д. Фугзан, але всього лише для рівномірно розрихленої руди. Вивченням закономірностей випуску нерівномірно розрихленої руди з неоднорідними сипучими властивостями дослідники не займалися.

Практика роботи гірничорудних підприємств показала, що вся обвалена руда в блоках шахт нерівномірно подрібнена і нерівномірно розрихлена. В зв'язку з цим виникла настійна необхідність дослідження впливу нерівномірності ущільнення обваленої руди на форму та параметри фігур випуску. Системних досліджень по вивченню характеру зміни розрихлення в залежності від спільного впливу методів відбійки руди, об'єму і форми компенсаційного простору, проявів гірничого тиску не проводилось. Лише стосовно до відбійки руди в затисненому середовищі деякими дослідниками (М.І. Дядечкіним, А.С. Мозжегоровим та іншими) встановлено, що розрихленність обваленої руди є нерівномірною.

На величину привантаження руди в процесі випуску вирішальне значення мають гірничий тиск та вторинне розрихлення. Закономірності вторинного розрихлення в процесі випуску дослідниками практично не вивчались. Не встановлені математичні взаємозв'язки між властивостями руди, величиною гірського тиску і коефіцієнтом розрихлення, з одного боку, та коефіцієнтом вторинного розрихлення з іншого. Допускаючи незмінність коефіцієнта вторинного розрихлення, дослідники тривалий час помилково вважали незмінним відношення параметрів фігур випуску і розрихлення.

Таким чином, досліджувався звичайно вплив одного-двох факторів на параметри фігур випуску. Задача відтворення аналітичного опису спільної дії ряду основних впливаючих факторів на форму і параметри фігур випуску дослідниками не ставилась. Проте, рішення такої задачі відкриває нові перспективи перед ученими і практиками. З'явиться можливість не тільки розраховувати параметри фігур випуску обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями, але й управляти цими параметрами як на стадії проектування, так і очисної виїмки.

Як показують дослідження, випуск обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями приводить до появи нових, раніше невідомих форм фігур випуску і розрихлення. В зв'язку з чим потрібні принципово нові підходи до вдосконалення проектування технології очисної виїмки. З'являється необхідність зміни порядку проектування конструктивних елементів і технологічних процесів очисної виїмки при системах розробки з обваленням руди і вміщаючих порід. Виникає необхідність оцінки економічної ефективності не тільки технології підземної розробки, але і самого відпрацювання балансових запасів, введення нових критеріїв економічної ефективності.

Покращенню показників виймання і підвищенню економічної ефективності очисної виїмки на базі нових закономірностей випуску обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями присвячена дана дисертація. Відповідно до поставленої мети в дисертації передбачені наступні задачі дослідження:

- розроблення вдосконаленої методики оцінки кускуватості обваленої руди в блоках шахт, що враховує закономірності орієнтації частинок руди в просторі при розсіюванні, особливості ситового аналізу та імовірність появи в дозі випуску кусків руди певних фракцій;

- виявлення закономірностей зміни коефіцієнта розрихлення обваленої руди в межах панелі під впливом спільної дії ряду факторів;

- дослідження структури та закономірностей зміни коефіцієнта вторинного розрихлення і оцінка його впливу на співвідношення об'ємів фігур розрихлення та випуску;

- дослідження комплексного впливу ряду фізичних параметрів обваленої руди на закономірності розвитку форм та розмірів фігур випуску руди з однорідними і неоднорідними сипучими властивостями. Обґрунтування граничних параметрів фігур випуску і закономірностей їх затухання;

- обґрунтування необхідності введення понять нових фігур випуску і їх елементів, розроблення математичних методів визначення їх параметрів і оцінка впливу розмірів нових елементів фігур випуску на точність розрахунків показників виймання обваленої руди;

- створення теоретичних основ управління параметрами фігур випуску і розроблення нових методів покращення показників виймання обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями;

- обґрунтування принципово нового методу розрахунку показників виймання обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями і розробка відповідих способів проектування конструктивних параметрів і технологічних процесів систем розробки з обваленням;

- розробка і обґрунтування нових ресурсозберігаючих технологій очисної виїмки, що забезпечують поліпшення якісних і кількісних показників виймання.

На основі виконаних досліджень розроблена вдосконалена методика визначення діаметрів кусків руди неправильної форми, еквівалентних по об'єму (вазі) та площі поверхні як окремих фракцій руди, так і їх сумішей. Вперше запропонована методика визначення еквівалентних по прохідності діаметрів кусків рудної суміші із декількох фракцій.

Еквівалентні діаметри кусків руди неправильної форми використовують для оцінки властивостей обваленої руди. Експериментальні заміри показали, що фактичні еквівалентні діаметри кусків руди більші за розрахункові, визначені на основі ситового аналізу по відомим методикам. Причина цього в тому, що певна частина кусків руди q, у відповідності із законами теорії імовірності, розташовується при розсіюванні своєю довгою стороною перпендикулярно площі поверхні сита. Це приводить до появи у фракції кусків руди, розмір яких більший за розмір чарунок верхніх сит. Одночасно певна кількість малих частинок, довжина яких більша за розмір чарунок нижніх сит, просіюється через нього. Таким чином, кількість великих кусків руди у фракції збільшується, а малих - зменшується. Відомі методики цей факт не враховують, що є їхнім суттєвим недоліком.

Суть запропонованої методики визначення форми кусків руди заключається в наступнім. Одну і ту ж кількість сипучого матеріалу просіюють на ситах з круглою і з квадратною формами чарунок (отворів), використовуючи набір рівноцінних сит. По результатах розсіювання визначають для обох форм сит коефіцієнти еквівалентності форми кусків сипучого матеріалу, які залежать від форми чарунок та форми кусків сипучого матеріалу. Одержані коефіцієнти використовують для визначення відносних розмірів кусків руди: довжини ао і ширини со.

Відносні розміри використовують в подальшому для визначення гранулометричного обваленої руди з врахуванням орієнтації частинок руди при просіюванні своєю довшою стороною перпендикулярно q або паралельно p площині сит в момент проходження через них. Запропонований метод суттєво зменшує затрати часу і праці на виконання замірів, порівняно з відомими методиками, забезпечуючи при цьому більш високу точність.

Звичайно, визначення питомої ваги фракцій руди на основі розсіювання вважають кінцевим результатом експерименту. Але такий підхід до визначення еквівалентних параметрів руди в блокові є не зовсім коректним. Тому, що гранулометричний склад, визначений експериментальним шляхом на основі випадково відібраних проб, не точно виражає реальну грудкуватість обваленої руди.

Відомо, що розподіл кусків обваленої руди в блокові підлягає закономірності Розіна-Рамлера-Шперлінга

(RRS) R=100exp(-bdнz),

де dн -нижній розмір чарунок сит, b - параметр, який залежить від властивостей сипучого матеріалу, z - характеризує ступінь однорідності кусків руди. Тому, з метою підвищення об'єктивності оцінки, пропонується уточнювати ваговий розподіл руди по фракціях в блоках шахт шляхом застосування закону розподілу RRS. Для цього на основі експериментальних даних необхідно побудувати графічну залежність сумарного виходу рудних фракцій по плюсу від розміру кусків фракцій, яка дозволяє суттєво згладити розсіювання експериментальних даних.

По вточненим даним визначають параметри b і z подвійної логарифмічної залежності. Після чого, перераховують уточнений гранулометричний склад обваленої руди у відповідності із закономірністю RRS.

По уточненому гранулометричному складу обваленої руди визначають діаметри кусків рудної суміші, еквівалентні по об'єму dеv і по площі поверхні dеs

dеv = dvk1/ ; dеs = dsk1 (1)

де dvk1 - еквівалентний по об'єму діаметр кусків найменшої фракції в складі суміші;

zv=

- коефіцієнт, що враховує питому вагу фракцій та співвідношення еквівалентних по об'єму діаметрів фракцій

=dvk1/dvki;

dsk1 -еквівалентний по площі поверхні діаметр кусків найменшої фракції;

zs=s22+ …+vi3 si2

- коефіцієнт, що враховує питому вагу фракцій , співвідношення еквівалентних діаметрів фракцій по об'єму vi та по площі поверхні

si = dski/dsk1.

Діаметр кусків руди, еквівалентних по прохідності, визначають із виразу

dепр = dsk1 (2)

Ваговий розподіл та еквівалентні діаметри фракцій руди визначені по приведеній методиці для блоків 48-Д шахти ім. Кірова і 22-28 шахти Ювілейна вказані в таблиці 1. Там же для порівняння приведені середні діаметри, визначені по відомій методиці Л.І.Барона. Відносна форма кусків руди для вказаних блоків має відповідно вигляд 1,30:1:0,72 і 1,32:1: 0,67.

Таблиця 1. Еквівалентні діаметри кусків руди по фракціям.

Блоки шахт	Параметри	Фракції,мм
		-10	10-25	25-50	50-100	100-250	250-500	+500
Ваговий розподіл фракцій, %
48-Д	Експер.	30	22	18	14	12	3.5	0.5
	Уточн.	34.23	19.17	16.55	14.99	11.88	2.74	0.44
	різниця	-14.1	14.8	8.8	-7.07	1.01	27.7	13.6
22-28	Експер.	21	18	19	16	16	8.0	2.0
	Уточн.	24.18	15.96	15.64	16.92	18.25	6.92	2.22
	різниця	-15.1	12.8	21.5	-5.8	-14.1	15.6	-11
Еквівалентні діаметри і середній діаметр, мм
48-Д	dvk	5.73	16.26	34.11	68.22	162.58	341.11	580.8
	dsk	7.22	21.39	45.30	90.60	213.86	453.01	777.9
22-28	dvk	5.73	16.25	34.09	68.19	162.50	340.94	580.5
	dsk	7.20	21.34	45.20	90.40	213.38	452.01	776.2
dср	5.0	17.5	37.5	75.0	175.0	375.0	650.0

Порівняльний аналіз даних табл. 1 показує, що відхилення експериментальних даних від уточнених спостерігалось у всіх випадках. Середня величина відхилень складала 12-14%. Еквівалентні діаметри кусків рудної суміші виявились рівними

для блоку 48-Д: dеv =8.12 мм, dеs =8.31мм, dепр =87.85 мм, dср =56.4 мм;

для блоку 22-28: dеv =9.10 мм, dеs =9.60 мм, dепр =137.3 мм, dср =94.8 мм.

Експериментальні заміри показали, що діаметри, еквівалентні по об'єму і площі поверхні, в 3-3.5 рази менші за діаметр, еквівалентний по прохідності. Середній діаметр менше діаметра, еквівалентного по прохідності на 30-50%. Отже, використання середнього діаметра для оцінки кускуватості приводить до суттєвого заниження розрахункового діаметра випускних отворів порівняно з фактично необхідним.

Чим ближчі між собою значення всіх еквівалентних діаметрів, тим кращі сипучі властивості руди. Для моделювання еквівалентних діаметрів кусків обваленої руди в блокові нами розроблена комп'ютерна програма. Параметри виробок, визначені з врахуванням кускуватості руди згідно запропонованій методиці, сприяють зменшенню кількості зависань руди, підвищенню продуктивності праці на випускові та доставці, покращенню показників виймання.

Сучасні умови очисної виїмки характеризуються тим, що руда в процесі обвалення стає нерівномірно розрихленою. Звичайно, коефіцієнт розрихлення визначають на основі об'єму компенсаційного простору. Недоліком такого методу є те, що, по-перше, коефіцієнт розрихлення вважається величиною сталою в об'ємі панелі, а, по-друге, при його визначенні зовсім не враховується вплив гірського тиску, методів обвалення і фізичних властивостей руди.

Залежність коефіцієнту розрихлення від гірничого тиску kрд, структури рудних частинок і їх міцності по шкалі проф. М.М. Протод'яконова пропонується визначати по формулі

kрд =kр.стр - af *lg(стр) (3)

де kр.стр - коефіцієнт розрихлення при навантаженні, що відповідає структурній міцності стр сипучого матеріалу;

- стискаюче навантаження; af - коефіцієнт стискання, що характеризує ущільнюваність сипучого матеріалу під впливом прикладеного навантаження при значеннях тиску , що перевищують структурну міцність. Коефіцієнти стискання і міцності пов'язані між собою залежністю

af = 1/(0.32f - 0,002f2 + 3.50) (4)

Зв'язок логарифма структурної тривкості з коефіцієнтом міцності руди в масиві f в інтервалі значень від 3 до 18 описується нелінійною залежністю

lg стр= 3.625 + 0,267/(0.003f +1/f) (5)

Виявлено, що структурна тривкість залежить, перед усім, від коефіцієнта міцності f і форми частинок сипучого матеріалу. Зі збільшенням коефіцієнта міцності і зменшенням видовженості частинок їх структурна тривкість зростає. Взаємозв'язок структурних коефіцієнтів розрихлення однофракційного сипучого матеріалу k1стр і обваленої руди багато фракційного складу kстр описується рівнянням

kстр = 1+k1стр/3 (6)

Величину гірничого тиску рекомендується визначати по методиці проф. І.Д. Ривкіна, адаптованої нами до комп'ютерних розрахунків.

Для виявлення закономірностей формування коефіцієнта розрихлення при різних методах обвалення (на затискаюче середовище, на вертикальну і трапецієвидну відрізні щілини, на горизонтальну підсічку) був розроблений оригінальний метод моделювання. Модель пристрою для експериментального визначення коефіцієнта розрихлення обваленої руди, виготовлена в масштабі 1:100, являла собою дерев'яний короб в металічному каркасі довжиною 1 м із внутрішнім перетином 20х 20 смІ. З трьох боків в моделі були зроблені вузькі щілини довжиною 5 см і шириною 1-1.5 мм, які розташовувались послідовно одна за одною.

Моделювання коефіцієнта розрихлення при обваленні руди на затискаюче середовище відбувалося наступним чином. Тупикова частина моделі завантажувалась подрібненою рудою, що імітувала затискаюче середовище. Товщина затискаючого середовища приймалась від 1 до 2 довжин обваленої панелі, але не менше 20 см, що відповідало 20 м в натурі. Коефіцієнт розрихлення затискаючого середовища змінювався в різних серіях дослідів від 1.4 до 1.9 шляхом різного ущільнення сипучого матеріалу при завантаженні.

Товщину обвалюємих шарів руди в моделі змінювали від 1 до 3 см. Загальна довжина обвалюємої панелі досягала 20 м в натурі. У відповідності із товщиною шару і коефіцієнтом розрихлення визначалась його вага. Потім доза в об'ємі чергового шару руди завантажувалась в модель і ущільнювалась шляхом динамічної дії. Після досягнення шаром руди, що ущільнювалась, положення межі з необваленим рудним масивом, ущільнення руди в моделі призупиняли.

Перед завантаженням наступного шару руди установлювали репера на межі попереднього шару. Положення всіх реперів замірялось під час їх установки і після кожного ущільнення чергового шару руди. Так як ущільнена руда в моделі займала кожний раз те ж положення, що і обвалена руда в блокові по відношенню до рудного масиву, то коефіцієнти їх розрихлення були однаковими. Різниця між початковим і кінцевим положенням реперів дозволяла визначати переміщення кожного шару обваленої руди. Відношення відстаней між двома суміжними реперами після обвалення руди до аналогічної відстані до обвалення представляє собою коефіцієнт розрихлення шару обваленої руди.

Характерною особливістю моделювання коефіцієнта розрихлення при підриванні на вертикальну відрізну щілину є відсутність затискаючого матеріалу в моделі. Замість нього в торцевій частині моделі імітувалась відрізна щілина шириною 5-7 м. При підриванні зустрічно направленими віялами глибоких свердловин моделювалась лише половина відрізної щілини і рудного масиву. Завантаження шарів обваленої руди і їх ущільнення в моделі, установка реперів і замір відстаней між ними робили аналогічно дослідам з підриванням на затискаючи середовище. Масштаб моделювання коефіцієнта розрихлення приймався рівним 1,4.

При обваленні руди на горизонтальну підсічку моделювався повний об'єм горизонтального компенсаційного простору. При цьому, з метою додержання умов подібності формування коефіцієнта розрихлення моделювалось також динамічне ущільнення від ваги падаючої руди в блокові.

Комп'ютерна обробка результатів моделювання показала, що абсолютна величина максимально переміщення площини контакту при відбійці в зажимі Lпmax описується залежністю

Lпmax= (7)

де Kрз - коефіцієнт розрихлення зажимаючого середовища;

Крmin - мінімальний коефіцієнт розрихлення;

dепр - діаметр кусків, еквівалентних по прохіднті.

Абсолютна величина переміщення шарів обваленої руди Lапс дорівнює

Lапс = Lпmax*Lопс (8)

В цьому виразі Lопс - відносне горизонтальне переміщення шару обваленої руди

Lопс = (9)

де

t=lш/Lmax

- мінімальна відносна відстань обваленого шару від площини контакту;

lш - абсолютна відстань шару від площини контакту;

Lmax - максимально можлива довжина панелі;

n=0.1

параметр, що враховує вплив коефіцієнта міцності руди;

s - коефіцієнт, що враховує вплив способу обвалення і кускуватості руди на переміщення шару руди

s=4*dепр/(1+dепр);

lш/Lпан,

де Lпан - довжина обваленої панелі.

Коефіцієнт розрихлення окремих шарів обваленої руди Кроsi представляє собою відношення товщини шару руди після обвалення, тобто в розрихленому стані, до товщини цього ж шару в рудному масиві

Кроsi =(tрмі - tрмі-1)/dt (10)

Розрахунки коефіцієнта розрихлення при відбійці на вертикальну відрізну щілину виконують з використанням практично тієї ж самої математичної моделі, що і при підриванні на затискаюче середовище. Причому, величина максимального горизонтального переміщення площини контакту рудний масив - відрізна щілина дорівнює ширині еквівалентної компенсаційної щілини. Відносне горизонтальне переміщення вертикальних рудних шарів визначається згідно рівняння (9) при умові, що відносна довжина обваленого масиву Т=1. Коефіцієнт приймає значення

.

Розрахунки коефіцієнта розрихлення при відбійці на горизонтальний компенсаційний простір виконують аналогічно розрахункам при відбійці на вертикальну відрізну щілину. Відмінність заключається в тому, що переміщення відбувається не в горизонтальному, а в вертикальному напрямку. Тому необхідно враховувати додаткове ущільнення шарів розрихленої руди динамічним навантаженням від вертикально падаючої обваленої руди і приймати

.

Управління розрихленністю руди при обваленні базується на рівнянні (11), яке одночасно враховує вплив способів руйнування масиву, форми і об'єму компенсаційного простору на коефіцієнт розрихлення Кр обваленої руди

Кр = р*exp(бх)+АКр (11)

де АКр - асимптота експоненціальної функції коефіцієнта розихлення;

р - різниця між максимальним значенням коефіцієнта розрихлення і його асимптоттою;

б- коефіцієнт, що характеризує інтенсивність зміни експоненти;

х - параметр, що залежить від методу обвалення.

Комплексна оцінка коефіцієнта розрихлення обваленої руди в блокові заключається в тому, що фактичне значення коефіцієнта розрихлення визначають з врахуванням спільного впливу об'єму компенсаційного простору, гірничого тиску і способу обвалення.

В процесі випуску обваленої руди постійно змінюється коефіцієнт її розрихлення. Закономірності зміни розрихленності руди при випускові і при обваленні суттєво відрізняються. Але досліджені вони зовсім недостатньо. Практично, повністю відсутні роботи в яких би була проаналізована суть вторинного розрихлення при випускові обваленої руди з неоднорідними сипучими властивостями. Встановлено три характерні значення коефіцієнта розрихлення: граничне Кргр (максимальне), критичне Кркр і мінімальне Крmin.

I зона - це зона нормального розрихленого стану. Вона обмежена граничним і критичним значеннями коефіцієнтів розрихлення Руда цього діапазону схильна до саморозрихлення. В результаті чого випуск протікає плавно, без зависань. В зоні критичного розрихлення (II) руда втратила здатність до плавного саморозрихлення. В ній можливе лише вимушене розрихлення шляхом механічної дії, причому, розрихлення відбувається стрибкоподібно. Ця зона обмежена критичним і мінімальним значенями коефіцієнтів розрихлення. III зона - є зоною псевдорозрихленого стану. Коефіцієнт розрихлення в ній менший мінімального. Руда цієї зони повністю втратила сипучі властивості і нездатна до витікання.

Експериментальна оцінка сипучих властивостей руди показала, що її здатність до випуску залежить, насамперед, від коефіцієнта розрихлення набутого в процесі обвалення. В зв'язку з чим запропоновано використовувати в якості критерію кількісної оцінки придатності руди до випуску показник сипучих властивостей Рсс

Рсс = (Кр - 1)/(Кркр - 1) (12)

Показник сипучих властивостей змінюється від мінімального значення 0.2-0.251 до максимального 2.6-3. Експерименти показують, що зі збільшенням показника сипучості умови випуску покращуються. Так, при випуску руди з Рсс>1 спостерігається плавне саморозрихлення і витікання руди без зависань. Якщо показник сипучості Рсс >0.55, але менше 1, то витікання можливе лиш під впливом зовнішніх механічних подразнень. При Рсс <0.55 спостерігається трубоутворення, а при показнику сипучості менше мінімального випуск взагалі стає неможливим.

Обвалена руда може випускатися як в умовах повного привантаження, так і повного або часткового розвантаження. Коефіцієнт привантаження Кб представляє собою відношення логарифма привантаження, що діє на обвалену руду при випускові lgвип., до логарифма привантаження, яке діяло при її ущільнені lgущ

Кб = lgвип./ lgущ (13)

Практика показує, що коефіцієнт привантаження в більшості випадків менше 1. Якщо привантаження при випускові відсутнє взагалі, то Кб = 0. Отже, коефіцієнт привантаження визначається відносно того значення розрихлення, якого руда набула в процесі обвалення. Коефіцієнт розрихлення руди Крвп змінюється в процесі випуску згідно закономірності

Крвп = Кргр - аf* lgущ (14)

де Кргр - граничне значення коефіцієнта розрихлення випускаємої руди при повному знятті з неї ущільнюючого привантаження.

Взаємозв'язок коефіцієнта привантаження Кб нормально розрихленої руди зони I з коефіцієнтами розрихлення описується виразом

Кб = (Кргр - Крвп)/(Кргр - Кркр) (15)

Слід мати на увазі, що Кргр - це максимально можливе значення Крвп.

Встановлено, що повне значення коефіцієнта вторинного розрихлення залежить від сипучих властивостей обваленої руди і збільшується при їх погіршенні від 1.05 до 1.57.

На основі експериментальних досліджень і комп'ютерного моделювання виявлені структура і закономірності формування коефіцієнта вторинного розрихлення. Встановлено, що повне його значення представляє добуток трьох коефіцієнтів, що враховують вплив навантаження на обвалену руду в блокові при випускові (статична складова коефіцієнта вторинного розрихлення), здатність випускаємої руди до саморозрихлення (динамічна складова) і явище саморозвантаження випускаємої руди. Показано, що співвідношення висот і об'ємів фігур розрихлення та випуску є перемінним параметром. Так, співвідношення об'ємів змінюється від 21 для руд з хорошими сипучими властивостями до 2-3 при випускові переущільненої руди.

Встановлено, що всі фігури рівного розрихлення, які утворюються всередині фігури вторинного розрихлення, мають однакову з нею висоту. Запропонована методика визначення середнього коефіцієнта вторинного розрихлення нерівномірно ущільненої руди в контурах фігур розрихлення. Аналітичними дослідами і фізичними експериментами встановлено, що середній коефіцієнт вторинного розрихлення являється постійною величиною тільки в випадку випуску рівномірно розрихленої руди. При випускові нерівномірно розрихленої руди цей коефіцієнт являється величиною змінною.

Виявлені закономірності формування коефіцієнтів розрихлення при обваленні руди та її випускові мають вирішальний вплив на закономірності розвитку параметрів фігур випуску та розрихлення. Із них витікає, що випуск руди з кожної дучки повинен бути не дозованим, а безперервним.

Виконані широкі експериментальні дослідження з метою виявлення закономірностей комплексного впливу фізико-механічних властивостей обваленої руди і гірничого тиску на параметри еліпсоїдів випуску і розрихлення. В якості сипучих матеріалів були використані гідро-гематитова, гетитомартитова і магнетитова руди, кварцовий пісок і кварцові роговики. В процесі дослідів змінювали коефіцієнт розрихлення, гранулометричний склад сипучої суміші, висоту випускаємого шару руди і величину її привантаження.

...