Розробка способів вибухового руйнування інтрузивних порід на основі прогнозування їх властивостей та урахування особливостей структури

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка способів вибухового руйнування інтрузивних порід на основі прогнозування їх властивостей та урахування особливостей структури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Інтрузивні породи, які є сировиною для видобутку щебеню, лицювального і декоративного каменю, інтенсивно розробляються як нерудні будівельні матеріали. В даний час є значна потреба в щебеню, а також в монолітних блоках лицювального граніту, ціна на окремі види яких на зовнішньому ринку складає 800-1000 доларів США за 1 м³. Спостерігається стійка тенденція до росту світових цін на всі види вказаної сировини. Експорт декоративного і лицювального каменю може, таким чином, стати надійним джерелом валютних надходжень до бюджету в умовах ринкової економіки. Істотне підвищення обсягу видобутку монолітних блоків із природного каменю при їх високий якості можливо тільки за рахунок запровадження нових технологій їхнього відділення від масиву. Разом з тим, видобуток інтрузивних порід ведеться в основному вибуховим способом, причому витрати коштів на буровибухові роботи складають не менше 25-30% від собівартості щебеню і 30-50% від собівартості монолітних блоків.

Слід зазначити, що часто в обробку утягується так звана «некондиційна» сировина, що веде до зниження міцності щебеню і великих втрат якісного блокового каменю. На деяких кар'єрах по видобутку блокового граніту реальний вихід якісних монолітних блоків, що відділяють від масиву, не перевищує
4-6% при прогнозованому обсязі 40-45%. Тому створення нових способів оцінки і прогнозування властивостей інтрузивних порід з метою встановлення їхньої придатності для окремого видобутку блокового каменю і щебеню, а також розробка і випробування способів вибухового руйнування інтрузивних порід на кар'єрах на основі прогнозування їх властивостей та урахування особливостей структури є актуальною науковою задачею, яка має важливе значення для гірничовидобувної галузі і потребує свого вирішення.

Зв'язок з науковими програмами, планами і темами. Матеріали дисертації пов'язані з виконанням науково-дослідних робіт Інституту геотехнічної механіки їм. М.С. Полякова НАН України по вивченню механізму руйнування складних полімінеральних середовищ за допомогою енергії вибуху - «Управління параметрами вибухового навантаження з урахуванням особливостей масиву гірських порід, технологічної і екологічної безпеки вибухових робіт» (номер держреєстрації 0100U001476), яка виконувалася у відповідності з постановою Бюро Відділення механіки НАН України (протокол №1, § 2, п. 2, від 26.01.2000 р.), «Розвиток наукових основ механіки гірничо-металургійних машин, процесів видобутку і переробки мінеральної сировини для створення енерго- і ресурсозберігаючих технологій» (номер держреєстрації 0102U005237, постанова Бюро Відділення механіки НАН України (протокол №1, § 1, п. 2, від 24.01.2002 р.) і «Наукові основи і методи вибухового руйнування гірських порід різного ступеня обводненості і способи ефективного і безпечного формування зарядів свердловин багатокомпонентних вибухових речовин» (номер держреєстрації 0103U001624, постанова Бюро Відділення механіки НАН України, протокол №5, § 3, п. 1, від 27.11.2002 р.).

Ідея роботи полягає у використанні причинно-наслідкового зв'язку між механізмом утворення орієнтованої структури інтрузивних порід та їх властивостями, які визначають характер вибухового руйнування.

Мета роботи - підвищення якості блокового каменю і виходу щебеню шляхом розробки ефективних способів руйнування інтрузивних порід на основі прогнозування їх властивостей та урахування особливостей структури при видобутку з використанням енергії вибуху.

Задачі досліджень. Для досягнення поставленої мети сформульовані і розв'язані наступні задачі: 1) розроблено методику досліджень взаємозв'язку мікро- і макроструктури інтрузивних порід і встановлено характер їхнього впливу при руйнуванні; 2) уточнено модель механізму створення орієнтованих структур інтрузивних порід і поверхонь ослаблення внутрішніх зв'язків; 3) розроблено рекомендації щодо розвитку гірничих робіт на кар'єрах по видобутку блочного каменю і щебеню, які враховують вплив орієнтованої структури породи на характер її руйнування.

Об'єкт досліджень - інтрузивні гірські породи, що видобуваються на щебінь або декоративний камінь.

Предмет досліджень - способи вибухового руйнування інтрузивних порід на основі прогнозування їх властивостей та урахування особливостей структури.

Методи досліджень. У роботі використано комплексний метод досліджень, що включає: мікроструктурний аналіз орієнтованих відносно сторін світу зразків інтрузивних порід, математичне моделювання шляхом рішення прямої гравіметричної задачі процесу формування гранітного масиву, що затвердіває у неоднорідному полі напружень, лабораторний експеримент з руйнування полімінеральних середовищ динамічними і статичними навантаженнями, методи математичної статистики при обробці отриманих експериментальних даних та результатів промислового експерименту. При проведенні лабораторних і натурних досліджень використано стандартні методи і апаратура.

Наукові положення, розроблені особисто дисертантом, та новизна.

1. В кварцових зернах гранітів дефекти будови (площини газово-рідинних включень або «заліковані» мікротріщині), які суттєво впливають на характер руйнування, утворюють із напрямком горизонтальної проекції вектора лінійності кварцових агрегатів постійний кут, середнє значення якого дорівнює 35±5.

2. На процес формування орієнтованих структур інтрузивних порід, що кристалізуються, і зародження в них поверхонь найбільшого ослаблення внутрішніх зв'язків (мікро- і макротріщин) впливають: низька в'язкість гранітного розплаву, що обумовлює високу рухомість магматичного матеріалу, дія кориолісової сили, яка викликає плоско-паралельний зсув та інверсійний перехід кварцу, що веде до появи в кварцових зернах односпрямованих мікротріщин на фоні диференційного горизонтального тиску.

3. На характер руйнування інтрузивних порід найбільший вплив чинять наступні особливості їхньої внутрішньої будови: при дії динамічних (вибухових) навантажень - спрямованість агрегатів мінеральних зерен, при дії статичних і квазістатичних навантажень - спрямованість дефектів будови у вигляді внутрішньозернових мікротріщин (газово-рідких включень), а також макротріщини, які закономірно з ними пов'язані.

Наукове значення роботи полягає в тому, що:

1) вперше встановлена закономірність просторового розподілу в гранітах кварцових зерен і дефектів їхньої будови, яка дозволяє уточнити механізм утворення орієнтованої структури гранітного масиву;

2) запропоновано модель механізму утворення мікро- і макротріщин, відповідно до якої виникнення закономірного орієнтування мінеральних агрегатів і тріщин у гранітах обумовлено специфічним, властивим тільки даним породам режимом кристалізації, а також деформаціями плоско-паралельного зсуву, викликаного дією на розплав, що рухається і затвердіває, горизонтальних сил Кориоліса;

3) встановлено вплив мікро- і макроструктури інтрузивних порід на характер їхнього руйнування при динамічному і статичному навантаженні.

Практична цінність роботи полягає в розробці, випробуванні і впровадженні нових способів руйнування інтрузивних порід на основі прогнозування їх властивостей з використанням встановленої закономірності просторового розподілу в гранітах кварцових зерен і дефектів їх будови, зокрема:

1) визначенні координат апікальної частини купола гранітного масиву,

2) встановленні характеру орієнтування головних стискуючих напружень у гранітному масиві;

3) визначенні напрямку найкращого вертикального розколу гірських порід і способів руйнування гранітів вибухом на кар'єрах, що базуються на урахуванні властивостей полімінерального середовища;

4) розробці методичних рекомендацій щодо вивчення структурних особливостей родовищ магматичних порід, які включають принципово нові методи дослідження структури інтрузивного масиву, що дозволяють одержувати об'єктивну інформацію про внутрішню будову порід при дослідженні невеличких по обсязі зразків, скоротити трудомісткість досліджень при прогнозній оцінці придатності родовищ для видобутку блокового каменю і щебеню.

Реалізація результатів роботи в промисловості.

Розроблені способи визначення напрямку найкращого розколу гірських порід при їхньому відділенні від масиву вибухом зарядів димного пороху пройшли промислову перевірку на Ізербельському родовищі блокового граніту (комбінат «Саянмармур», Хакаська АР) і впроваджені на Капустянському гранітному кар'єрі блокового каменю виробничого об'єднання «Кіровоград-нерудпром» з економічним ефектом 33,1 тис. крб. (у цінах 1989 р.). Спосіб вибухового руйнування гірських порід впроваджено на Хлистунівському гранітному кар'єрі ЗАТ «Украгровибухпром» з економічним ефектом 33,6 тис. грн. Методичні рекомендації щодо вивчення структурних особливостей родовищ магматичних порід затверджені на галузевому рівні Міністерством промисловості будівельних матеріалів СРСР і передані до ВО «Кіровограднерудпром».

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульована ідея роботи, поставлена мета та вирішені задачі досліджень, виконані лабораторні і промислові експерименти, отримані та сформульовані наукові положення і висновки, розроблені рекомендації, а також методика досліджень особливостей внутрішньої будови інтрузивних порід, встановлена і сформульована невідома раніше закономірність просторового розподілу дефектів у кварцових зернах, встановлено взаємозв'язок між орієнтованої структурою гранітів й характером їхнього руйнування при вибусі. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались на всесоюзних науково-технічних конференціях «Удосконалювання техніки і технології видобутку і переробки нерудних будівельних матеріалів» у м. Києві (13-16 жовтня 1981 р.), «Теорія і практика використання вибуху в народному господарстві» у м. Києві (1-4 грудня 1981 р.), на Науковій раді по проблемі «Геодинаміка і прогноз землетрусів» у м. Ірпені (19-23 листопада
1990 р.), а також X Міжнародній конференції з механіки гірських породі у
м. Москва (27 вересня-1 жовтня 1993 р.) і Міжнародній конференції «» Сучасні проблеми прикладній геофізики» у м. Дніпропетровськ (10-12 червня 2002 р.) і на наукових семінарах НГУ та ІГТМ НАН України.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 24 друкованих роботах, серед яких 1 монографія, 12 статей у наукових фахових виданнях, а також 6 авторських свідоцтв.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використовуваних джерел з 170 найменувань, 8 додатків і викладена на 229 сторінках машинописного тексту, включаючи 8 таблиць, 52 рисунка і 43 сторінки додатків.

Основний зміст роботи

інтрузивний порода вибуховий

Значний внесок у розробку способів руйнування гірських порід на основі прогнозування й урахування їх властивостей при руйнуванні з використанням різних видів енергії внесли Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ), Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ), Інститут геофізики НАН України (м. Київ), Житомирський державний університет, Національний науково-дослідний інститут охорони праці (м. Київ), Кременчуцький державний політехнічний інститут, Інститут з проблем природокористування і екології НАН України (м. Дніпропетровськ), Криворізький технічний університет, Державний науково-дослідний гірничорудний інститут (м. Кривий Ріг), Національний технічний університет України «КПІ» (м. Київ), Інститут з проблем комплексного освоєння надр РАН (м. Москва), Московський державний гірничий університет, Інститут геології рудних родовищ РАН, Інститут мінералогії та геохімії рідкісних елементів РАН та інші, роботи яких свідчать про те, що характер складного процесу руйнування обумовлено тріщинуватістю й особливостями внутрішньої будови полімінерального середовища.

Аналіз наявних літературних джерел щодо способів прогнозування й урахування властивостей інтрузивних порід на основі даних мікроструктурного аналізу показує, що відомі способи прогнозування й урахування цих факторів при вибуховому руйнуванні засновано на взаємозв'язку між мікро- і макроструктурою порід і їхніми властивостями. Проте характер такого зв'язку в деталях недостатньо вивчено. Крім того, відсутня єдина точка зору на механізм утворення орієнтованих поверхонь найбільшого ослаблення внутрішніх зв'язків у магматичних породах, тобто мікро- і макротріщин. Теоретичним шляхом визначені лише окремі проміжні стани динаміки цього складного процесу.

Наявні способи прогнозної оцінки й урахування фізико-механічних і технологічних властивостей інтрузивних порід не враховують особливостей їхньої внутрішньої будови (орієнтовану структуру) і з цієї причини не є достовірними. Відсутні надійні способи визначення придатності родовищ інтрузивних порід для видобутку на блоковий камінь і способи встановлення напрямків найкращого розколу порід на кар'єрах.

Способи руйнування гранітів вибухом на щебеневих кар'єрах, які базуються в основному на суб'єктивних оцінках ступеня тріщинуватості масиву, ведуть до збільшення кількості перездрібнених і пилових фракцій, а також до зменшення міцності щебеню, що знижує якість вибухопідготовки гірської маси і підвищує собівартість видобутку корисних копалин. Тому основна задача роботи полягає в розробці нових способів вибухового руйнування інтрузивних порід на основі прогнозування їх властивостей.

Взаємозв'язок між мікро-, макроструктурою і властивостями інтрузивних порід досліджувався в габро-діабазах Роп-Ручійського родовища (Карелія), у гранітах Українського щита (Токовське, Кудашівське, Янцівське, Капустянське, Каранське родовища) і Джойського інтрузивного комплексу (Ізербельське родовище, Хакаська республіка), мігматитах родовища Глушковичи (Бєларусь).

При цьому було застосовано принципово новий метод хімтравлення, мікроструктурний аналіз, люмінесцентна дефектоскопія, статистичний аналіз просторового розподілу векторних величин, які дозволили визначити: а) просторове положення, розподіл і взаємозв'язок різних елементів будови породи, тобто лінійне орієнтування породоутворюючих мінералів, координати мікро- і макротріщин, а також інших поверхонь ослаблення внутрішніх зв'язків б) вплив особливостей внутрішньої будови інтрузивних порід на їхні властивості (лабораторні методи визначення меж міцності орієнтованих зразків породи, апаратурні виміри швидкостей поширення в них пружних хвиль, лабораторні та полігонні дослідження руйнуючої дії вибухових і механічних навантажень у тріщинуватому і монолітному масивах).

Застосування принципово нових способів вивчення структури магматичних порід дозволило в зовнішньо безструктурних роп-ручійських габро-діабазах, що використовуються як сировина для виробництва відповідальних деталей у прецизійному машинобудуванні, встановити орієнтування по будові і напрямок найбільшого ослаблення внутрішніх зв'язків (мікротріщин у зернах плагіоклазу), а також взаємозв'язок мікроструктури і фізико-механічних властивостей середовища. У таблиці 1 приведено параметри міцносних і пружних властивостей роп-ручійських габро-діабазів у залежності від напрямку навантаження стосовно площин найбільшого ослаблення внутрішніх зв'язків у породі.

Таблиця 1 - Результати визначення міцносних і пружних властивостей роп-ручійських габро-діабазів

Встановлено, що анізотропія міцносних і пружних властивостей породи визначається її мікроструктурою, тобто наявністю субпаралельно розташованих дефектів будови мінералів (мікротріщин).

Прогнозна оцінка особливостей орієнтованої структури і характеру анізотропії фізико-механічних властивостей дала підставу для висновку про те, що блоки заготівлі будуть мати максимальну міцність у напрямку, перпендикулярному простяганню системи мікротріщин (площина R), а максимальну жорсткість - у напрямку, рівнобіжному цим площинам. Особливості внутрішньої будови габро-діабазів були ураховані при розробці оптимальних параметрів буровибухових робіт.

При вивченні особливостей будови гранітних масивів установлена невідома раніше закономірність просторового розподілу в гранітах кварцових зерен і дефектів їхньої будови, яка полягає в тому, що в кварцових зернах дефекти будови (площини газово-рідких включень або «заліковані» мікротріщини) утворюють із напрямком горизонтальної проекції вектора лінійності кварцових агрегатів постійний кут, середнє значення якого дорівнює 35±5°. При цьому встановлено, що вертикальні макротріщини розірвання Q у гранітному масиві збігаються по напрямку з простяганням середньостатистичної площини «залікованих» мікротріщин, а вертикальні макротріщини стиску S не орієнтовані в напрямку лінійності мінеральних зерен, а складають з нею кут, якій дорівнює 55±5° (рис. 1).

У результаті лабораторних і полігонних досліджень по визначенню ступеня впливу особливостей внутрішньої будови гранітів на характер їхньої руйнації вибухом було встановлено, що вирва вибуху в монолітних частинах масиву має еліпсовидну форму. Велика вісь еліпса збігається з напрямком лінійності агрегатів зерен кварцу.

Під впливом квазістатичних навантажень граніти руйнуються в строго визначених напрямках. Так, найкращий вертикальний розкол збігається з орієнтуванням газово-рідинних включень у зернах кварцу (площина R), а найкращий горизонтальний розкол - із площиною уплащения кварцових агрегатів S_L.

Зона роздрібнення при вибуху одиночного шпурового заряду в тріщинуватому масиві має витягнуту в плані, близьку до еліпсовидної форму. Коефіцієнт анізотропії (відношення великої осі вирви руйнування до малої) змінюється від 1,10 до 2,20. Переважний вплив на конфігурацію зони руйнування гранітів вибухом одиночного заряду роблять системи вертикальних макротріщин. У зоні переважного розвитку щільнозімкнутих макротріщин стиску S вирва вибуху витягнута у напрямку тріщин і має в плані еліпсовидну форму з коефіцієнтом анізотропії до 1,4.

На ділянках масиву, що характеризуються переважним розвитком розкритих макротріщин розірвання Q, вирва вибуху частіше усього має форму паралелограма. Напрямок великої сторони паралелограму збігається з простяганням розкритих макротріщин системи Q. Коефіцієнт анізотропії в центрі зони роздрібнення досягає значень 2,0-2,20.

При руйнуванні середньо- і крупноблочних порід вибухом у місцях спільного розвитку тріщин S і Q зона руйнування має в плані форму, близьку до хрестоподібної, а при руйнуванні дрібноблочних порід - еліпсовидну з коефіцієнтом анізотропії, рівним 1,5 і більш. Напрямок великої осі вирви руйнування (великої балки хреста) завжди збігається з напрямком найбільше розвинутої системи тріщин у даній точці масиву.

У результаті досліджень механізму утворення орієнтованих структур інтрузивних порід установлено, що їхнє формування пов'язане з двома видами кінематичних деформаційних процесів: із чистим зсувом, коли просторове положення головних осей еліпсоїда деформацій залишається незмінним, і з плоско-паралельним зсувом, при якому відбувається зміна положення осей у просторі.

Властивості гранітів (закономірність просторового розподілу в них зерен кварцу і дефектів їхньої будови, кутові співвідношення між лінійністю породоутворюючих мінералів і орієнтуванням мікро- і макротріщин) обумовлені специфічним, властивим тільки даним породам режимом кристалізації, а також деформаціями плоско-паралельного зсуву, що викликаний неспіввосними горизонтальними силами Кориоліса, які впливають на магматичний матеріал, що рухається.

Виникнення закономірного орієнтування мінеральних агрегатів і тріщин у мігматитах і габро-діабазах є наслідком деформації чистого зсуву, що відбувався при високій температурі і тиску. Цей процес супроводжувався однорідним плином частково розплавленої речовини, роздрібненням, грануляцією, розтріскуванням окремих зерен і внутрішньокристалинним ковзанням з одночасним переорієнтуванням кристалічних решіток мінералів.

Регіональний характер обох деформаційних процесів призводить до закономірного зв'язку між орієнтуванням елементів будови порід і векторіальністю їхніх фізико-механічних властивостей. У межах кожного різновиду вивчених порід це пояснює велику подібність структури різновікових і значно віддалених друг від друга інтрузивних масивів, що є надійною теоретичною основою для розробки нових способів прогнозування й урахування властивостей інтрузивних порід при їх руйнуванні.

Із використанням встановленої закономірності розподілу в гранітах кварцових зерен і дефектів їхньої будови, а також отриманих експериментальних даних про вплив структури цих порід на характер їхнього руйнування під дією вибуху розроблені нові способи прогнозної оцінки здатності родовищ інтрузивних порід для видобутку блокового каменю і щебеню, а також вибухового роздрібнення гранітного масиву на основі прогнозування його властивостей.

Зокрема, запропоновано спосіб визначення просторового положення апікальної частини купола гранітного масиву (А.с. 1213457), новизна якого полягає в тому, що по орієнтованому керну породи встановлюють напрямок падіння площини уплащения агрегатів кварцових зерен і орієнтування лежачого в ній вектору їхньої лінійності, а координати апікальної частини купола масиву визначають по просторовому положенню точки, у якій площина уплащения кварцових агрегатів і лежачий у ній вектор їхньої лінійності розташовані горизонтально. Спосіб базується на урахуванні взаємозв'язку між орієнтованою мікроструктурою гранітів і морфологією масиву і дозволяє значно скоротити витрати та прискорити вибір ділянки для будівництва кар'єру по видобутку монолітних блоків за рахунок підвищення точності визначення координат апікальної частини купола інтрузива.

Для прогнозування оптимальних напрямків відділення монолітних блоків від масиву зарядами димного пороху і наступного їхнього різання на каменерізній машині розроблено спосіб визначення орієнтування головних стискуючих напруг у гранітному масиві (А.с. 1335698), якій полягає в тому, що по просторовому положенню площини уплащения кварцових агрегатів і вектору їхньої лінійності визначають за допомогою стереографічної проекції напрямків головних напруг стиску ₁, ₂, ₃ і їх координати, потім вимірюють у площині уплащення середню довжину і ширину кварцових агрегатів, а також середню товщину , які вимірюються на вертикальному зрізі, рівнобіжному вектору лінійності, і по відношенню = _{3: 2: 1} визначають співвідношення головних напруг стиску в гранітному масиві.

Прогнозування оптимального напрямку розвитку гірничих робіт на кар'єрах блокового каменю крім застосування способів визначення координат апікальної частини куполу гранітного масиву і орієнтування в ньому головних стискуючих напруг, включає операції по визначенню відсотка виходу монолітних блоків по орієнтованих петрографічних шліфах, виготовлених із кернів геологорозвідувальних свердловин, визначення ступеня повторних змін породоутворюючих мінералів, визначення напрямків розколов при виборі технічних прийомів відділення монолітів від масиву вибуховим способом. Прогнозна оцінка відсотка виходу монолітних блоків здійснюється на підставі установленого автором взаємозв'язку між виходом монолітних блоків I-II категорії (обсягом від 8,0 до 2,50 м³) і ступенем орієнтованості дефектів будови зерен кварцу, оцінюваної методом ² по крапковій структурній діаграмі. Доведено, що ступінь повторних змін (СПЗ), яка впливає на спроможність гранітів розколюватися під дією навантаження в чітко визначеному напрямку, встановлюється в прозорих шліфах під мікроскопом і оцінюється за формулою

,

де l_п - сумарна довжина пелітізованої (вивітрілої) частини зерен польового шпату, l_н - сумарна довжина ділянки зерен цього ж мінералу, не порушеного повторними процесами.

Напрямок найкращого розколу запропоновано визначати шляхом травлення досліджуваного орієнтованого зразка граніту концентрованою плавковою кислотою на пересічних гранях, при цьому після травлення встановлюють просторове положення площини уплащения кварцових агрегатів, одержують зріз, рівнобіжний площини уплащення, роблять додаткове травлення зрізу, визначають дирекційний кут горизонтальної проекції напрямку занурення подовжених кварцових агрегатів, а площину вертикального розколу визначають вирахуванням із дирекційного куту величини 35±5°. Новизна даного способу захищена двома авторськими свідоцтвами (А.с. 715995 і А.с. 1186799) і базується на встановленій в процесі досліджень невідомої раніше закономірності просторового розподілу в гранітах кварцу і дефектів його будови. Спосіб визначення напрямку найкращого вертикального розколу при відділенні монолітів від масиву вибухом зарядів димного пороху впроваджено на кар'єрі блокового граніту ВО «Кіровограднерудпром».

Технічні прийоми, запропоновані автором для забезпечення високої якості відділення монолітів від масиву при несприятливих гірничо-геологічних умовах (чимала величина опору поверхні підошви моноліту) вибухом зарядів димного пороху, базуються на виборі найбільш раціонального орієнтування лінії відриву моноліту від масиву стосовно площини найкращого вертикального розколу, а також на використанні ефекту зменшення опору зсуву моноліту в площині підошви.

Ефективність способу досягається за рахунок того, що уздовж лінії гаданого відриву моноліту від масиву шпури бурять на відстані 8-10d друг від друга (d - діаметр шпуру), причому непарні шпури бурять нижче поверхні підошви на 0,1h (h - висота моноліту). При вибуху непарних шпурів унаслідок прямування уздовж площини підошви газів вибуху утворюється «газова подушка», яка призводить до зменшення опору зсуву моноліту.

Лінію гаданого відриву моноліту від масиву розташовують, як перпендикулярно площини найкращого вертикального розколу (рис. 2, а), так і паралельно їй (рис. 2, б) У першому випадку досягається мінімум витрат праці при розбиранні монолітів на товарні блоки, у другому - реалізується можливість відділення від масиву монолітів довжиною 25-30 м (відстань між шпуровими зарядами димного пороху збільшується при цьому до 15-20d).

У напружених гранітах (для таких порід звичайно спостерігається вибуховий характер руйнування під час проходки відрізних щілин терморізаком) відділення монолітів від масиву запропоновано здійснювати вибухом двох зближених зарядів. У цьому випадку лінію гаданого відриву моноліту також орієнтують паралельно площини найкращого розколу (площина R). Шпури бурять на відстані 2-3d друг від друга, розташовують їх поруч із серединою лінії гаданого відриву (рис. 2, в) і відступив від неї убік фронтальної площини на відстань 0,5-1,0 м (залежить від довжини моноліту і величини горизонтальних напруг у масиві гранітів). Таке розташування шпурів виключає негативний вплив нерівномірного поля напруг у масиві («відводу» тріщини в тил масиву) на процес поширення магістральної тріщини, що утворюється при вибусі зарядів димного пороху.

Новизна і практична цінність розробленого способу відділення моноліту від масиву вибухом зарядів димного пороху полягає в тому, що вперше при розрахунку параметрів буровибухових робіт на кар'єрах блокового каменю запропоновані методи визначення й урахування орієнтування площин найкращого розколу в гранітах (площина R), а також спосіб зменшення величини опору поверхні підошви моноліту в момент його зрушення.

На відміну від методів видобутку монолітів, що залежать в основному від якості породи й особливостей її внутрішньої будови, технологія виробництва щебеню вибуховим способом значною мірою обумовлені тріщинуватістю інтрузивного масиву. Тому оптимальне розташування розрізної траншеї щодо наявних у масиві систем вертикальних тріщин визначає й оптимальний же порядок і послідовність гірських робіт у межах кар'єрного поля або його ділянки.

З метою поліпшення роздрібнення порід за рахунок орієнтування напрямку відбійки щодо структурних елементів інтрузивного масиву розроблений спосіб руйнування гранітів вибухом на кар'єрах (А.с. 1091632).

Даний спосіб включає операції розробленого раніше способу вибухового руйнування гірських порід (А.с. 673733), тобто: формування повздовжнього укосу уступу в напрямку максимальних значень вектора щільності потоку енергії вибуху в масиві, що руйнується , і відбійку граніту вибухом свердловинних зарядів вибухової речовини, але відрізняється тим, що паралельно простяганню системи вертикальних тріщин розірвання Q проходять розрізну траншею, а фронт робіт переміщають убік повстання площини уплащения агрегатів зерен кварцу.

У результаті виконання зазначеної вище послідовності операцій подовжній укіс уступу стає орієнтованим паралельно простяганню системи вертикальних тріщин розірвання в гранітному масиві. Водночас подовжній укіс уступу збігається з простяганням системи вертикальних поверхонь найбільшого ослаблення внутрішніх зв'язків у монолітних частинах масиву, тобто в блоках і окремостях.

Оскільки відбійка вибухом ведеться по падінню площини уплащения кварцових агрегатів, то під дією вибуху на кінетичній фазі, площини відриву будуть орієнтуватися всередину масиву, що забезпечує мінімальні енерговитрати на подолання опору по підошві уступу при зменшеній величині перебуру. Внаслідок цього поліпшується проробка підошви уступу й одночасно підвищується інтенсивність і рівномірність роздрібнення гранітів вибухом.

Управляти дією вибуху при даному способі руйнування гранітного масиву доцільно за рахунок застосування схеми підривання з врубовими зарядами, розташованими на фланзі блока що руйнується протилежному його торцю (А.с. 673733). Це дає можливість локалізувати енергію вибуху в об'ємі породи, що відбивається від масиву, і дозволяє розширити сітку вибухових свердловин на 10-15%.

Таким чином в роботі вирішена задача розробки способів вибухового руйнування інтрузивних порід на основі прогнозування їх властивостей та урахування особливостей структури.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, викладених у дисертації, підтверджується: узгодженістю результатів теоретичного дослідження особливостей механізму утворення орієнтованих структур інтрузивних порід із наявними експериментальними даними з петрології магматичних порід, тектонофізики, гравіметрії, реології і фізики гірських порід, а також статистично забезпеченою надійністю даних, отриманих в ході експериментів по визначенню орієнтування елементів будови інтрузивних порід, проведених на зразках із різних регіонів країн СНД з точністю 5%. Це дозволило встановити просторове положення вектора лінійності мінеральних агрегатів, координати площин найбільшого ослаблення внутрішніх зв'язків, координати окремих кристалооптичних напрямків із погрішністю не більш 10% при надійності 0,95. Повторювальність одержаних результатів забезпечується використанням стандартних приладів, типової апаратури і методів вимірювання. Адекватність розробленої моделі механізму формування поверхонь найбільшого ослаблення внутрішніх зв'язків гірських порід реальним умовам підтверджується напівемпіричним підходом до визначення параметрів процесу та позитивними результатами впровадження розроблених у процесі дослідження способів прогнозування й урахування властивостей інтрузивних порід на кар'єрах по видобутку блокового граніту.

Висновок

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій здійснено вирішення актуальної наукової задачі, яка має важливе народногосподарське значення і полягає в розробці нових способів вибухового руйнування інтрузивних порід на основі прогнозування їхніх властивостей та урахування особливостей структури. В процесі виконання роботи отримані наступні підсумкові наукові висновки і практичні результати:

1. Розроблено методику дослідження взаємозв'язку мікро- і макроструктури інтрузивних масивів, яка заснована на принципово нових способах вивчення особливостей внутрішньої будови магматичних гірських порід, що дозволяє одержувати достовірну і вичерпну інформацію про орієнтування породоутворюючих мінералів, характер і просторове положення мікро- і макротріщин, а також інших поверхонь ослаблення внутрішніх зв'язків у досліджуваних породах навіть при вивченні невеличких по об'єму зразків і обмеженому числі спостережень.

2. Встановлено, що кут між орієнтуванням дефектів будови (мікротрі-щин) у зернах мінералів, що складають габро-діабази і мігматити, і горизонтальною проекцією вектора лінійності цих мінералів дорівнює 90±5°. Механізм утворення орієнтованих структур даних порід обумовлений деформаційним процесом чистого зсуву, при якому просторове положення осей еліпсоїда залишається незмінним у ході деформації.

3. Встановлено взаємозв'язок між орієнтованою структурою габро-діабазів і їх фізико-механічних властивостей, який полягає в тому, що анізотропія пружних і міцносних властивостей обумовлена наявністю в породі численних дефектів будови мінералів (мікротріщин). Внаслідок цього найбільшу міцність габро-діабази мають у напрямку, перпендикулярному простяганню системи мікротріщин або середньостатистичної площини найбільшого ослаблення внутрішніх зв'язків у породі, а максимальну жорсткість - у напрямку, рівнобіжному цій площині. Фактор взаємозв'язку мікроструктури і фізико-механічних властивостей використано при розробці ресурсозберігаючої технології видобутку блоків-заготівель із габро-діабазів для прецизійного машинобудування.

4. Експериментально встановлена невідома раніше закономірність просторового розподілу в гранітах кварцових зерен і дефектів їхньої будови, обумовлена впливом на масив сили Кориоліса, яка полягає в тому, що в кварцових зернах дефекти будови (вертикальні площини газово-рідких включень або «заліковані» мікро-тріщини) утворюють із напрямком горизонтальної проекції вектора лінійності кварцових агрегатів постійний кут, середнє значення якого дорівнює 35±5°.

5. При дії на граніти динамічних (вибухових) навантажень основний вплив на характер руйнування надає макроструктура масиву, тобто: орієнтування систем макротріщин і їх морфологія (ступінь розкриття) при квазістатичному ж навантаженні - мікроструктура породи, тобто орієнтовані дефекти будови мінеральних зерен.

6. В усіх вивчених інтрузивних породах (габро-діабазах, мігматитах, гранітах) простягання макротріщин розірвання Q у масиві збігається з простяганням «залікованих» мікротріщин у зернах мінералів. Це дає можливість однозначно ідентифікувати системи макротріщин у інтрузивних породах за даними мікроструктурного аналізу орієнтованих зразків породи.

У мігматитах та габро-діабазах вертикальні макротріщини розірвання Q складають із напрямком вектора лінійності мінеральних агрегатів кут 905, а вертикальні макротріщини стискання S простягаються паралельно вектору лінійності.

У гранітах макротріщині Q складають із напрямком вектора лінійності кут 355°, а макротріщини S - 555°. Ці особливості мікро- і макроструктури інтрузивних порід надають основний вплив на характер руйнування, а тому повинні враховуватися при розробці параметрів підривних робіт для досягнення найкращих результатів при подрібненні масиву енергією вибуху.

7. Взаємозв'язок між мікро-, макроструктурою і анізотропією фізико-механічних властивостей інтрузивних порід обумовлена регіональним характером процесів деформації при формуванні даних порід. У межах кожного різновиду вивчених порід це пояснює велику подібність різновікових і значно віддалених друг від друга масивів, що забезпечує надійну теоретичну основу для прогнозування властивостей інтрузивних порід та характеру їхнього руйнування за даними мікроструктурного аналізу.

8. На підставі установленого взаємозв'язку між мікро- і макроструктурою інтрузивних порід створені нові способи прогнозування й урахування властивостей інтрузивних порід, що руйнуються з використанням різних видів енергії, такі як спосіб визначення координат апікальної частини купола гранітного масиву, спосіб визначення напрямків головних стискальних напруг у гранітах і способи визначення напрямку найкращого вертикального розколу гірських порід, що дозволяють скоротити трудомісткість досліджень при прогнозній оцінці придатності родовищ для розробки на блоковий камінь і щебінь.

9. Розроблено нові способи руйнування інтрузивних порід енергією вибуху на основі прогнозування їх властивостей (спосіб руйнування гранітів вибухом на кар'єрах і спосіб вибухового руйнування гірських порід), ефективність яких досягається за рахунок оптимального орієнтування напрямку відбійки щодо структурних елементів масиву (лінійності мінералів, систем макротріщин) і формування подовжнього укосу уступу в напрямку максимальних значень вектора щільності потоку енергії вибуху в масиві, що руйнується, а також врубової порожнини на фланзі блока, протилежному його торцю. У результаті поліпшується проробка підошви уступу і підвищується інтенсивність і рівномірність роздрібнення.

10. Результати роботи впроваджено у вигляді рекомендацій з вибору оптимального напрямку розвитку гірничих робіт на кар'єрах по видобутку блокового каменю і щебеню, які засновані на урахуванні структури і властивостей інтрузивних порід. Розроблені способи визначення напрямку найкращого розколу гірських порід при їхньому відділенні від масиву вибухом зарядів димного пороху впроваджені на Капустянському гранітному кар'єрі блокового каменю (Кіровоградська обл.), а спосіб вибухового руйнування на Хлистунівському гранітному кар'єрі (Черкаська обл.). Методичні рекомендації щодо вивчення структурних особливостей родовищ магматичних порід затверджені на галузевому рівні Міністерством промисловості будівельних матеріалів СРСР і передані до ВО «Кіровограднерудпром».

Фактичний економічний ефект від впровадження розроблених способів вибухового руйнування інтрузивних порід на основі прогнозування й урахування їх властивостей на Капустянському кар'єрі виробничого об'єднання «Кіровограднерудпром» склав 33,1 тис. крб. (у цінах 1989 р.), а на Хлистунівському гранітному кар'єрі ЗАТ «Украгровибухпром» - 33,6 тис. грн (у цінах 2002 р.).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Воробьев В.Д., Кратковский И.Л., Мяделец Б.Н. и др. Влияние анизо-тропии гранитов на выбор параметров сетки скважинных зарядов/ Горн.журн. - 1977. - №4. - С.4б-48.

2. Кучерявий Ф.И., Воробьев В.Д., Мяделец Б.Н., Кратковский И.Л. и др. Зависимость разрушения гранитов от анизотропии их свойств/ Изв. вузов. Горн.журн. - 1977. - №12. - С. 50-54.

3. Кучерявый Ф.И., Музыров А.А., Мяделец Б.Н., Кратковский И.Л. Характер разрушения гранитов взрывом // Взрывное дело. - 1977. - №78/45. - С. 176-181.

4. Кутузов Б.Н., Кратковский И.Л., Мяделец Б.Н. Закономерность рас-пределения в гранитах кварцевых зерен и дефектов их строения. // Изв.вузов. Горн.журн. - 1982. - №1. - С. 9-11.

5. Кутузов Б.Н., Мяделец Б.Н., Кратковский И.Л. Механизм образования вертикальних трещин в токовских гранитах Украинского щита // Изв.вузов. Горн. журн. - 1984. - №1. - С. 1-4.

6. Механика взрывного разрушения пород различной структуры/ Э.И. Ефремов, В.Д. Петренко, Н.П. Рева, И.Л. Кратковский. - К.: Наук. думка, 1984. - 192 с.

7. Кратковский И.Л., Мяделец Б.Н., Коваль В.П. Особенности изготовления базовых элементов и направляющих координатных перемещений КИТ // Сб. ВОТ, 2 сер. - №6 (225). - М.:ЦНИТИ, 1990. - С. 20-25. ДСП.

8. Кратковский И.Л. Совершенствование технологии буровзрывных работ при добыче облицовочного камня/ Разрушение горных пород при статическом и динамическом нагружении: Сб. науч. тр. // АН Украины. Институт геотехнической механики. - К.: Наук. думка, 1990. - С. 24-28.

9. Кратковский И.Л. Механизм образования вертикальных трещин в гранитных массивах // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр./ Ин-т геотех. мех. НАН Украины. - Днепропетровск, 2001. - Вып. 27. - С. 169-174.

10. Кратковский И.Л. Реконструкция палеонаправлений «север-юг» по данным гравитационного поля над интрузивными массивами // Науковий вісник Нац.гірн.акад. України. Дніпропетровськ, НГАУ. - 2002. - №4. - С. 11-14.

11. Кратковский И.Л. Степень ориентированности дефектов строения кристаллических пород и характер их разрушения под действием нагрузок // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр./ Ин-т геотех. мех. НАН Украины. - Днепропетровск, 2003. - Вып. 42. - С. 115-122.

12. Кратковский И.Л. Развитие ориентированных структур гранитоидов: теория, экспериментальные результаты и прикладное значение // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр./ Ин-т геотех. мех. НАН Украины. - Днепропетровск, 2003. - Вып. 44. - С. 141-150.

13. Кратковский И.Л. Влияние метасоматоза на кливаж гранитоидов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр./ Ин-т геотех. мех. НАН Украины. - Днепропетровск, 2004. - Вып. 47. - С.

14. А.с. 673733, СССР. МКИ² Е 21 С 37/00. Способ взрывного разрушения горных пород/ Ф.И. Кучерявый, Э.И. Ефремов, Ю.Ф. Кучерявый, И.Л. Кратковский, В.В. Бойко. - Опубл. 15.07.79. Бюл. №26.

15. А.с. 715995, СССР. МКИ² G 01 №31/00. Способ определения направления наилучшего раскола горных пород/ Ю.Ф. Кучерявый, И.Л. Кратковский, Ф.И. Кучерявый, Б.Н. Мяделец. - Опубл. 15.02.80. Бюл. №6.

16. А.с. 1091632, СССР. МКИ³ Е 21 С 37/00; Е 21 С 41/00. Способ разрушения гранитов взрывом на карьерах/ Б.Н. Кутузов, А.С. Олейников, Б.Н. Мяделец, И.Л. Кратковский. - Зарегистрировано в Госреестре СССР 24.04.83. ДСП.

17. А.с. 1186799, СССР. МКИ⁴ Е 21 С 39/00; G 01 №31/00. Способ ориентировки вертикального раскола в гранитах/ Б.Н. Кутузов, Б.Н. Мяделец, И.Л. Кратковский. - Опубл. 23.10.85. Бюл. №39.

18. А.с. 1213457, СССР. МКИ⁴ G 01 V 9/00. Способ определения пространственного положения апикальной части купола гранитного массива/ А.Д. Додатко, А.Л. Куницын, И.Л. Кратковский, Б.Н. Мяделец. - Опубл. 23.02.86. Бюл. №7.

19. А.с. 1335698, СССР. МКИ⁴ G 01 V 9/00. Способ определения направления главных сжимающих напряжений в гранитах/ И.Л. Кратковский. - Опубл. 07.09.87. Бюл. №33.

Размещено на Allbest.ru