Размещено на http://www.allbest.ru/

12

На правах рукописи

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Выбор рациональных технологических параметров При подготовке к выемке блочного камня

Кокунина Лариса Владимировна

Екатеринбург - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Бычков Геннадий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Першин Геннадий Дальтонович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Пучков Яков Миронович

Ведущая организация - Институт горного дела УрО РАН

Защита диссертации состоится 26 декабря 2006 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, пер. Университетский, 9, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

Уральского государственного горного университета

Автореферат разослан 26 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Багазеев В.К.

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. На подготовке к выемке блоков из горных пород средней прочности до настоящего времени применяются низкопроизводительные способы резания камня - камнерезными машинами с кольцевой фрезой и цепным баром. Добыча блочного камня на многих месторождениях осуществляется вертикальными уступами, без учета природной трещиноватости массива. Это приводит к значительным потерям кондиционного сырья и снижению выхода блоков из горной массы.

При подготовке к выемке прочных горных пород на большинстве месторождений гранитов применяется короткошпуровая схема бурения по контуру откола, в результате чего основной объем добываемых блоков имеет неправильную форму и не соответствует стандарту.

Применение взрывания на подготовке к выемке блочного камня с использованием непригодных для этих целей взрывчатых материалов приводит к образованию недопустимой трещиноватости в массиве и в отделяемых от него блоках, а это ведет за собой потери сырья и снижение качества блоков.

Актуальность темы обусловлена необходимостью дальнейшего совершенствования технологических процессов и перехода на более рациональные схемы подготовки к выемке блоков природного камня, обеспечивающие повышение качества продукции, рост объемов добычи при одновременном снижении затрат на производство.

Объектом исследования в диссертации является подготовка к выемке блоков на месторождениях природного камня Урала.

Предметом исследований являются способы подготовки к выемке блочного камня различной прочности: камнерезный, буроклиновой и буровзрывной.

Цель работы заключается в установлении оптимальных технологических параметров подготовки к выемке горных пород на добыче природного камня.

Идея работы заключается в оптимизации технологических параметров подготовки к выемке блоков за счет использования природной трещиноватости массива при резании и минимально необходимого ослабления поверхности при отколе камня.

Основные задачи исследований:

- изучение состояния технологий производства добычных работ на уральских карьерах природного камня;

- исследование эффективности алмазоканатного резания на добыче блочного камня средней прочности в зависимости от производительности резания и износостойкости алмазного каната;

- изучение зависимости выхода блоков из массива на месторождениях природного камня средней прочности от способа подготовки к выемке и направления резания по отношению к преобладающей системе природной трещиноватости горных пород;

- исследование возможностей и условий применения взрывания на добыче гранитных блоков;

- исследование сейсмического действия взрыва при предохранительном взрывании на месторождениях природного камня.

Методы научных исследований. В процессе подготовки работы были использованы следующие методы: анализ ранее выполненных научных исследований; обобщение отечественного и зарубежного производственного опыта; аналитические расчеты; натурные наблюдения; исследования на ЭВМ; опытно-промышленные испытания; теоретические исследования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Выход блоков из горной массы на месторождениях природного камня средней прочности зависит от способа подготовки камня к выемке и направления резания по отношению к преобладающей системе природной трещиноватости массива.

2. При буроклиновом способе подготовке к выемке прочных горных пород качество блоков зависит от величины коэффициента ослабления массива по плоскости раскалывания.

3. При взрывной подготовке к выемке блочного камня во всех случаях в отделяемых монолитах и блоках возникает наведенная действием взрыва трещиноватость, размеры которой можно регулировать подбором типа специального взрывчатого вещества и расстояния между соседними зарядами.

Научная новизна результатов работы:

- экспериментально установлена закономерность изменения выхода блоков от способа подготовки их к выемке и направления резания по отношению к преобладающей системе трещиноватости;

- установлена аналитическая зависимость износостойкости алмазного каната от скорости резания горных пород средней прочности;

- определен характер влияния величины коэффициента ослабления по плоскости откола на качество блоков при буроклиновом способе подготовки к выемке прочных горных пород;

- установлены параметры трещиноватости, возникающей при отделении гранитных блоков от массива взрывным способом с использованием различных взрывчатых веществ и средств взрывания.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается сопоставимостью результатов, полученных экспериментальным и аналитическим путем. Результаты теоретических исследований и опытно-промышленных испытаний имеют расхождение не более 5…7 %.

Практическое значение. В результате выполненных исследований стало возможным:

- повышение коэффициента выхода блоков из горной массы на месторождениях камня средней прочности за счет выбора способа подготовки его к выемке и оптимизации направления резания с учетом природной трещиноватости массива;

- повышение качества блочного камня из прочных горных пород за счет перехода на длинношпуровую схему бурения шпуров по линии откола;

- применение оптимальных технологических параметров при подготовке к выемке блочного камня с использованием взрывания путем подбора соответствующего взрывчатого вещества и расстояния между зарядами;

- уменьшение сейсмически безопасных расстояний при предохранительном взрывании на месторождениях природного камня за счет применения поскважинного взрывания.

Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований; аналитическом обосновании эффективности алмазоканатного резания, зависимости выхода блоков из массива от способа подготовки к выемке и направления резания на месторождениях горных пород средней прочности, зависимости разрушающего действия взрыва от расстояния между зарядами при буровзрывном способе подготовки камня к выемке, формировании основных выводов и рекомендаций работы.

Реализация результатов работы.

Основные научные положения и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, использованы при подготовке и реализации проектов разработки, строительства и реконструкции Южно-Коелгинского, Полевского, Глинского, Верхне-Уфалейского, Хамитовского и Походиловского месторождений мрамора и мраморизованных известняков. По результатам исследований подготовлены в соавторстве с проф. Г.В. Бычковым и инж. Р.В. Кокуниным учебно-методические пособия для использования в учебном процессе: «Общие вопросы проектирования камнеобрабатывающих производств» и «Расчет и выбор технологического оборудования для обработки природного камня».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях по тематике научного, практического и информационного обеспечения добычи и обработки природного камня, организуемых Центром Камня на базе ООО «Экспериментальный завод» (г. Реж) в 2002-2006 гг., на научно-технической конференции по проблемам развития камнеобработки на Урале в УГГГА (2000 г.), на научно-практической конференции «Природный камень в России» на 1-й Международной выставке «Камень-2004» в Москве, на международных научно-практических конференциях «Добыча, обработка, применение природного камня» в Магнитогорском государственном техническом университете в 2003-2006 гг.

Публикации. Всего автором опубликовано 20 научных работ, в том числе по теме диссертации - 14 научных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложена на 159 страницах машинописного текста, имеет 15 таблиц, 103 рисунка и список использованной литературы из 123 наименований.

2. Основное содержание диссертации

Состояние добычных работ на карьерах природного камня

В настоящее время на уральских предприятиях по добыче природного камня применяются следующие способы подготовки камня к выемке: камнерезный, буроклиновой, буровзрывной.

Камнерезный способ подготовки к выемке блочного камня на Урале широко применяется лишь на горных породах средней прочности. В основном это мраморы и мраморизованные известняки. В настоящее время на карьерах применяются способы, основанные на резании: камнерезными машинами с кольцевой фрезой, баровым и алмазоканатным режущим органом. Буроклиновой и буровзрывной способы подготовки к выемке применяются в основном на месторождениях гранита.

Баровые камнерезные машины имеют явные недостатки, однако продолжают применяться на подготовке к выемке блоков и вскрышных горных пород на Мраморском, Колюткинском и Макаровском мраморных карьерах. На остальных месторождениях основной объем резания горных пород осуществляется комбинацией алмазоканатных и баровых камнерезных машин.

На Сибирском, Исетском и Головыринском карьерах применяется откол камня при добыче блоков короткими шпурами, что отрицательно влияет на их качество. На Мансуровском и Южно-Султаевском гранитных карьерах кроме буроклинового способа используется буровзрывной, который не всегда эффективен из-за повышенной трещиноватости, возникающей при взрывах.

В связи с этим в работе рассмотрены все перечисленные выше способы добычи блоков и на основе проведенных теоретических и опытно-промышленных исследований даны рекомендации по повышению эффективности подготовки к выемке блочного камня.

Процессы добычи природного камня рассмотрены в фундаментальных работах академиков В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого. Значительный вклад в развитие теории и практики добычи природного камня, геолого-промышленной и технологической оценки месторождений внесли известные ученые и исследователи в отрасли Б.П. Беликов, Н.Т. Бакка, А.И. Косолапов, Ю.Г. Карасев, А.М. Орлов, В.П. Петров, Г.Д. Першин, Г.В. Бычков, Б.М. Родин, Ю.И. Сычев, В.Р. Ткач, В.Ю. Федорин, А.С. Чирков и др.

Исследование технологии подготовки к выемке блоков на месторождениях горных пород средней прочности камнерезными машинами

Анализ данных по предприятиям Урала позволил установить зависимость производительности камнерезных машин от прочности горных пород на мраморах и мраморизованных известняках различных месторождений Урала (рис. 1).



Рис. 1. Зависимость производительности камнерезных машин от прочности горных пород на сжатие

Обработка полученных данных позволила выявить аналитические зависимости производительности камнерезных машин для пород средней прочности.

Зависимость производительности от прочности на сжатие имеет следующий вид, м2/час:

- для машин с кольцевым баром (R2 = 0,9939)

;

- для машин с цепным баром (R2 = 0,9962)

;

- для алмазоканатных машин (R2 = 0,9915)

; (3)

- для комбинации алмазоканатных и баровых машин (R2 = 0,9889)

,

где сж - предел прочности горных пород на сжатие, МПа.

Изучение зависимостей показало, что наиболее производительными и перспективными являются резание алмазоканатной камнерезной машиной и комбинированное резание алмазоканатной машиной вертикальных резов и баровой машиной - горизонтального. У машин с кольцевым и цепным баром имеет ряд технологических недостатков, из-за которых они не могут в дальнейшем использоваться в качестве базовых. По этим причинам машины с кольцевой фрезой в ближайшее время будут выведены из карьеров полностью с заменой на машины с канатным режущим органом, а машины с цепным баром рекомендуются только в качестве вспомогательных на горизонтальном резании в комбинации с алмазными машинами.

Исследование зависимости эффективности алмазоканатного резания от производительности резания и стойкости алмазного каната на добыче блочного камня средней прочности

В последние годы на карьерах блочного камня средней прочности все более расширяются объемы алмазоканатного резания. Однако эффективность применения его на карьерах Урала пока остается невысокой.

В связи с этим был изучен зарубежный опыт алмазоканатного резания по данным, приведенным бельгийской фирмой Diamant Boart, являющейся ведущим производителем алмазного каната. На основе обработки значительного объема производственных данных были построены зависимости между производительностью и стойкостью алмазного каната различных типов (рис. 2).

- для электродепозитного каната (R2 = 0, 9255)

;

- для синтеризованного каната (R2 = 0,8980)

;

- для средневзвешенного значения (R2 = 0,9361)

,

где Vрр - расчетное значение скорости резания горной породы, м2/ч

где Vр - истинное значение скорости резания горной породы, м2/ч.

Рис. 2. Зависимость износостойкости алмазного каната от производительности (скорости резания) на карьерах по добыче камня средней прочности на месторождениях ряда зарубежных стран (данные фирмы Diamant Boart)

Зависимость износостойкости (, м2/м) от производительности резания выражается следующими аналитическими выражениями:

Анализ зависимостей износостойкости от производительности резания показал, что по зарубежным предприятиям износостойкость электролитического каната стабильно возрастает с 20 до 65 м2/м при изменении скорости резания от 3 до 15 м2/ч. Максимальная скорость резания целесообразна только для травертинов и крупнокристаллических разновидностей мраморов. Для мелкокристаллических мраморов и мраморизованных известняков эта скорость не должна превышать 12 м2/ч.

Несколько иные параметры установлены для синтеризованного каната. Для него устойчивый максимум износостойкости имеет место при скорости резания в пределах от 8 до 12 м2/ч. При дальнейшем увеличении скорости резания износостойкость синтеризованного каната начинает резко снижаться, и при скорости резания 14 - 15 м2/ч она сравнивается со стойкостью электролитического каната.

Рис. 3. Среднестатистическая зависимость между производительностью и стойкостью алмазного каната на уральских карьерах мрамора и серпентинита

На уральских мраморных карьерах по добыче блоков применялись оба типа канатов, однако применение электродепозитного каната оказалось нецелесообразным из-за низкой стойкости его.

По данным, полученным по уральским карьерам, была построена среднестатистическая зависимость между производительностью (скоростью резания) и стойкостью алмазного каната, приведенная на рис. 3.

Из-за отсутствия данных при скоростях резания более 8 м2/ч для построения линии тренда был задан прогноз на 4 периода.

Зависимость износостойкости (, м2/м) от скорости резания для уральских карьеров характеризуется следующим аналитическим выражением (R2 = 0,9898):

,

где Vрр - расчетное значение скорости резания горной породы, м2/ч;

где Vр - истинное значение скорости резания горной породы, м2/ч.

По форме эта кривая аналогична линии средних значений, приведенной на рис. 2 для зарубежных карьеров, однако работа канатных машин на уральских карьерах ведется на восходящей части кривой, причем значительно ниже максимальных значений износостойкости каната. Из этого следует, что на уральских карьерах целесообразно в дальнейшем увеличить производительность резания до 8 - 12 м2/ч. Эти параметры резания не обеспечиваются из-за конструктивных недостатков камнерезных машин, имеющих малую мощность главного привода (менее 30 квт) или не имеющих обратной связи между приводом подачи и главным приводом алмазного каната, а также не имеющих устройств для регулирования линейной скорости движения каната в процессе резания. Отечественные машины этих связей не имеют, поэтому значительно уступают лучшим зарубежным машинам не только по производительности резания, но и по износостойкости алмазного каната. Это следует иметь в виду при конструировании новых и эксплуатации имеющихся на карьерах канатно-алмазных камнерезных машин.

Кроме того, алмазный канат по связкам и типу алмазов должен подбираться индивидуально к каждому месторождению природного камня. Это позволит выйти на рекомендуемые параметры резания.

Исследование зависимости выхода блоков из горной массы от способа подготовки камня к выемке и направления резания по отношению к преобладающим системам трещиноватости

Выход кондиционных блоков из массива зависит не только от его природного состояния, обусловленного генетикой месторождения, но и от ряда технических факторов, которыми можно управлять. К ним относятся способ подготовки блочного камня к выемке и направление резания по отношению к природной трещиноватости. Влияние этих факторов на выход блочного камня из горной массы было изучено на Першинском месторождении мраморизованных известняков.

На основе геологических данных по скважинам месторождения был определен предельно возможный выход блоков () по интервалам глубин. Он определялся по каждому интервалу в отдельности делением суммарной мощности кондиционных столбиков на суммарную длину скважин в интервале:

где ,- соответственно суммарная длина кондиционных столбиков керна и скважин в расчетном интервале глубин, м; n - количество скважин в интервале.

На основе этих данных был определен средний максимально возможный выход блоков по месторождению в целом.

При подготовке блочного камня к выемке добычными машинами создаются дополнительные поверхности раздела, которые накладываются на природную трещиноватость массива, поэтому фактически получаемый выход блочного камня из добытой горной массы всегда отличается от максимально возможного. На Першинском месторождении мраморизованных известняков имеет место многосистемная трещиноватость без явно выраженного напластования. В основном преобладает крутопадающая трещиноватость с углами падения 70-90° и азимутом простирания 250-270°.

Отношение длины столбика (Lст) к количеству в нем трещин (Nтр) представляет собой модуль трещиноватости:

При отработке месторождения горизонтальными слоями неизбежно разделение кондиционных столбиков керна на несколько слоев в зависимости от высоты отрабатываемого уступа, что равносильно наложению на массив дополнительной искусственной трещиноватости. Вероятность получения в этом случае крупных кондиционных блоков снижается при уменьшении высоты добычного уступа. Для каждого способа подготовки к выемке можно рассчитать модуль трещиноватости с учетом наложения дополнительных поверхностей раздела (мси).

Отношение модулей трещиноватости для принятого способа подготовки к выемке блоков и модуля трещиноватости массива назовем коэффициентом снижения выхода блоков:



где мси и мми - расчетные модули трещиноватости в заданном интервале глубин соответственно для принятого способа добычи блоков и естественного массива. резание алмазный канат гранитный

При расчете модуля трещиноватости для способа добычи следует учитывать дополнительные горизонтальные поверхности раздела, созданные при отделении камня от массива.

Ожидаемый выход блоков в заданном интервале для данного способа добычи будет определяться следующим образом:

Средний выход для месторождения определяется как среднее арифметическое данных полученных для интервалов глубин скважин

где i - количество интервалов глубин скважин; Квси - расчетный выход для интервала.

Самый низкий модуль трещиноватости и выход блоков получается при резании массива кольцевой фрезой с высотой уступа 1 м. В этом случае каждый кондиционный столбик разрежется по горизонтали дополнительно на 2-3 части. Получается, что дополнительно возникнет 5 разрывов в интервале глубин для каждой скважины. При отработке месторождения уступами высотой 5 м алмазоканатными камнерезными машинами появится в интервале только по одному дополнительному разрыву. Максимально возможный средний выход блоков по месторождению при добыче камнерезными машинами с кольцевой фрезой составляет Кв = 0,180 (18,0 %). При геологоразведочных работах на опытном карьере машинами с кольцевой фрезой получен выход плит 17 %.

Рис. 4. Зависимость выхода блоков от способа разработки (а) и направления резания массива (б) для Першинского месторождения мраморизованных известняков

Расчетные данные по интервалам глубин для различных способов подготовки блоков к выемке приведены на рис. 4,а. Анализируя эти данные, можно отметить, что при подготовке к выемке блоков канатными камнерезными машинами и высоте уступа 10 м максимально возможный выход блоков возрастет по сравнению с машиной с кольцевой фрезой в 2,26 раза.

Необходимо отметить, что столь высокий выход блоков при добыче канатными камнерезными машинами возможен только при условии использования в качестве плоскостей отделения основной системы трещиноватости.

Однако если направление резания не совпадает с направлением основной системы трещиноватости, выход блоков снижается. Самым неблагоприятным является направление в 45о, когда снижение выхода блоков максимально (рис. 4,б).

На основе выполненных исследований было установлено, что реальный выход блоков по месторождению с учетом снижения его в зависимости от направления резания массива можно рассчитать по выражению:

,

где Квсм - коэффициент выхода блоков, зависящий от способа подготовки блочного камня к выемке.

Наиболее эффективными по критерию выхода блоков из массива является алмазоканатный способ добычи. В этом случае возможно использование природной блочности массива на 85,2 %.

Таким образом, выход блоков из горной массы на месторождениях природного камня средней прочности зависит от принятого способа подготовки камня к выемке и направления резания по отношению к преобладающей системе природной трещиноватости массива. В этом состоит сущность первого научного положения.

Исследование зависимости качества блоков от величины коэффициента ослабления плоскости раскалывания при буроклиновом способе добычи

На гранитных карьерах Урала при подготовке к выемке блочного камня применяются две схемы бурения: короткими шпурами глубиной до 150 мм и глубокими шпурами глубиной до 0,9Нб. При этом качество отделенных блоков получается различным. При короткошпуровой отбойке значительная часть блоков не имеет прямоугольной формы и не соответствует стандарту.

Проведенными исследованиями было установлено, что качество отделяемого блока или монолита зависит от величины удельного ослабления по плоскости раскалывания.

Удельная величина ослабления по плоскости раскалывания () при подготовке блока к отколу определяется по соотношению

,

где lш и nш - соответственно глубина бурения шпуров (м) и их количество (шт.) по линии раскола; dшп - диаметр шпура, м; Lр и Hр, соответственно длина линии раскола и высота откалываемого монолита или блока, м.

Принимая во внимание, что количество шпуров по линии раскола можно определить по выражению

,

и подставив его в формулу (17), получаем удобное выражение для исследования влияния удельной величины ослабления плоскости раскалывания (с) в зависимости от шага бурения (аш) и глубины бурения шпуров (lш)

.

Нами выполнено специальное исследование влияния глубины и шага бурения на величину удельного ослабления по плоскости раскалывания для гранитов Сибирского месторождения.

Влияние глубины шпуров на коэффициент ослабления поверхности откола оценивается линейной графической зависимостью, приведенной на рис. 5. Эта схема допускает откол монолитов высотой до 5ч6 м с сохранением правильных геометрических форм.



Рис. 5. Влияние расстояния между шпурами на коэффициент ослабления поверхности откола

Зависимость коэффициента ослабления поверхности откола от шага бурения (R2 = 0,9729)

Анализируя полученный график, можно отметить, что изменение расстояния между шпурами в пределах от 0,1 до 0,5 м оказывает незначительное влияние на коэффициент ослабления поверхности откола. Исходя из этого, можно сделать вывод, что чрезмерно уменьшать шаг бурения между шпурами нецелесообразно.

На рис. 6 приведен график зависимости коэффициента ослабления по поверхности откола от глубины бурения. В этом случае графическая зависимость имеет прямолинейный вид:

.



Рис. 6. Влияние глубины шпуров на коэффициент ослабления по поверхности откола

Из приведенного графика видно, что коэффициент ослабления по поверхности откола с увеличением длины раскалывающих шпуров возрастает более прогрессивно.

При глубине бурения от 0,1 до 5,0 м величина коэффициента с возрастает с 0,0006 до 0,03, т.е. в 50 раз, в то время как при изменении шага бурения коэффициент ослабления поверхности откола с возрастает только в 1,3 раза.

Именно это обстоятельство создает более благоприятные условия для развития карьера блочного камня на глубину. В этом случае появится возможность создания хорошо развитого гранитного карьера с уступами высотой 5 - 6 м, на котором можно будет добывать крупные блоки I - II групп, чего не могут сделать сейчас на многих уральских карьерах по добыче блоков из прочных горных пород, работающих по короткошпуровой схеме.

Таким образом, доказывается второе научное положение: при буроклиновом способе подготовки к выемке прочных горных пород качество блоков зависит от величины коэффициента ослабления массива по плоскости раскалывания.

Исследование буровзрывного способа отделения от массива монолитов и блоков природного камня



Рис. 7. Конструкция и схема коммутации зарядов «мягкого взрывания» с заряжанием через шпур

Буровзрывной способ отделения монолитов от массива применяется на ряде карьеров, разрабатывающих прочные горные породы типа гранита. На Сибирском и Мансуровском гранитных карьерах на продуктивном массиве применялись заряды пороха для отделения блоков от массива. Однако впоследствии на этих карьерах от применения пороха пришлось отказаться ввиду повышенной опасности при обращении с порохами и технологических трудностей при заряжании обводненных скважин.

В настоящее время идут интенсивные поиски новых взрывчатых веществ, которые сохраняли бы достоинства черного дымного пороха (низкое начальное давление и невысокую скорость детонации) и одновременно не имели бы его технологических недостатков.

На Султаевском гранитном карьере были проведены первые производственные испытания опытной партии зарядов «мягкого взрывания» ЗМВ-10-2. Всего было произведено три взрыва.

После взрыва первого монолита, подготовленного по схеме через шпур (рис. 7), произошел откол его от массива и сдвиг на расстояние 0,2ч0,7 м. Целостность монолита не нарушилась, однако он разделился по длинной стороне на три части по естественным трещинам.

Второй взрыв монолита, подготовлен по схеме через два шпура, а третий - по схеме через три холостых шпура. По внешним признакам он был самым лучшим. Щель была ровной, шириной 0,07ч0,1 м. Однако оценка влияния взрывов на горную породу показала, что при первом взрыве (через шпур) четко обозначилась мелкая сеченность из радиально отходящих трещин длиной до 20 мм (0,625Rш) и длиной от 30 до 70 мм (1,87…4,37Rш) при третьем взрыве (через три шпура) (рис. 8).

Рис. 8. Вторичная трещиноватость в граните Султаевского месторождения при расстоянии между зарядами 1 м

Кроме этого, было выполнено еще два экспериментальных взрыва для отделения монолитов от массива: на Мансуровском гранитном карьере были взорваны заряды ГДШ, на Удаловском гранитном карьере - заряды, выполненные из двух ниток детонирующего шнура.

Детальное обследование образцов гранитных плит, взятых на контактах с плоскостями отделения монолитов, показало, что во всех без исключения случаях имеет место наведенная взрывом трещиноватость.

Обработка данных приведенных выше исследований позволила выявить зависимость длины трещиноватости (Lтр, м), возникающей при взрывах от расстояния между зарядами (рис. 9):

а) для зарядов ЗМВ(R2 = 0,9935)

;

б) для детонирующего шнура (R2 = 0,9776)

;

в) для зарядов ГДШ (R2 = 0,9854)

,

где а - расстояние между зарядами, м.

Рис. 9. Зависимость размеров вторичной трещиноватости от расстояния между зарядами

Во всех случаях при выборе типа взрывчатого вещества и расстояния между соседними зарядами обязательно должны производиться технологические испытания, по результатам которых должно приниматься окончательное решение по дальнейшему производству взрывания при подготовке к выемке блоков на месторождении природного камня.

Изучение этих зависимостей показывает, что при взрывной подготовке к выемке блочного камня во всех случаях в отделяемых монолитах и блоках возникает наведенная действием взрыва трещиноватость, размеры которой можно регулировать подбором типа специального взрывчатого вещества и расстояния между соседними зарядами. В этом состоит сущность третьего научного положения.

Исследование сейсмического действия взрывов на месторождениях природного камня

В тех случаях, когда месторождения природного камня расположены вблизи от зданий и коммуникаций, повреждение которых не допускается, должна применяться специальная схема взрывания, при которой каждая скважина должна взрываться индивидуально.

Такие проблемы возникли при строительстве опытного карьера на Восточном месторождении облицовочных известняков, вблизи которого в 230 м от места взрыва проходят подземные коммуникации филиала УГМК - «Сафьяновская медь». На этом объекте были произведены исследования сейсмического действия взрыва. Все параметры взрыва были рассчитаны по специальной методике. Успешное проведение эксперимента было обеспечено за счет применения эффективных защитных мероприятий: уменьшен диаметр взрывных скважин до 110 мм, удельный расход взрывчатого вещества до 0,4…0,6 кг/м3, снижена величина одновременно взрываемого взрывчатого вещества до одного - двух зарядов за счет применения специальной схемы коммутации на базе волноводов системы неэлектрического взрывания эдилин. Опытный взрыв состоял из 240 скважин диаметром 110 мм. Объем взрывчатого вещества - патронированного аммонита № 6 жв, взорванного за взрыв, составил 5040 кг.

По профилю до трассы с коммуникациями были установлены 4 регистратора «Регистр-1 К» с подключенными сейсмическими датчиками СВ-5Ц.

Результаты проведенного эксперимента приведены: изменение энергии взрыва на рис. 10,а, максимального и среднего смещений на рис. 10,б.

а) б)

Рис. 10. Затухание энергии взрыва (а) и изменение смещения грунтов по профилю (б) в зависимости от расстояния до взрыва

Компьютерная обработка данных показала, что затухание происходит по зависимостям:

1) энергии взрыва (R2 = 0,965)

,

где Е - энергия волн напряжений, Дж10-6; l - расстояние от места взрыва, м;

2) смещений грунта, мкм

- для пиковых смещений (R2 = 0,9691):

;

- для средних смещений (R2 = 0,9892):

.

Анализируя зависимости для затухания энергии (см. 10, а) и градиентов смещения (см. 10, б), можно отметить, что даже на первой точке измерений в 80 м от ближайшей скважины значение энергии составляет 3210-6 Дж, максимальная величина смещения 290 мкм, а сейсмическое действие взрыва не представляет опасности для охраняемых объектов.

Заключение

На основе выполненных исследований и теоретических обобщений в диссертационной работе обосновано новое решение научно-практической задачи - выбор рациональных технологических параметров при подготовке к выемке блочного камня различной прочности, имеющее существенное значение для эффективной разработки месторождений природного камня.

Основные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Исследованиями доказано, что выход блоков из массива на месторождениях природного камня средней прочности зависит от принятого способа добычи и направления резания по отношению к преобладающей системе природной трещиноватости горных пород. Низкий выход блоков, фактически получаемый на многих месторождениях природного камня средней прочности, вызван несоответствием фактического направления резания с направлением основных систем трещиноватости.

2. Доказано, что эффективность алмазоканатного резания камня средней прочности определяется не только производительностью резания, но и износостойкостью алмазного каната. Проведенными исследованиями было установлено, что при канатно-алмазном резании для каждого вида горной породы необходимо не только подобрать соответствующий вид связки, тип, зернистость и концентрацию алмаза, но и правильно выбрать рабочие параметры: линейную скорость движения каната, скорость подачи на забой, количество и место подачи воды в рез.

3. Недостаточная или завышенная скорость резания, обусловленная одновременно линейной скоростью каната и скоростью подачи его на забой, нарушает режим самозатачивания алмазных элементов. Максимальная износостойкость алмазного каната на мраморах типа коелгинского достигается при производительности машины 8…12 м2/ч, когда режим самозатачиваемости алмазоносных элементов является наиболее оптимальным.

4. Установлена зависимость качества блоков из прочных горных пород при буроклиновом способе добычи от величины коэффициента ослабления массива по плоскости раскалывания, определяемого глубиной бурения откалывающих шпуров.

5. Доказано, что качество блоков, добываемых буроклиновым способом, зависит в основном от глубины бурения шпуров. При бурении короткими шпурами, как это производится на Головыринском, Сибирском и Исетском месторождениях гранита, большая часть отколотых монолитов не соответствует стандарту. При уменьшении шага бурения с 0,3 до 0,1 м качество отколотых блоков заметно не повышается. Наиболее эффективно увеличение глубины бурения шпуров по линии раскола. Эта схема бурения прочных горных пород позволяет не только получить кондиционные блоки заданных размеров, но и создать современный высокоуступный карьер блочного камня.

6. Установлено, что при взрывной подготовке к выемке блочного камня во всех случаях в отделяемых монолитах и блоках возникает наведенная действием взрыва трещиноватость, размеры которой зависят от энергетических характеристик примененного взрывчатого вещества и расстояния между соседними зарядами.

7. Для каждого вида горной породы, на которой планируется применение буровзрывных работ на подготовке к выемке блочного камня, необходимо индивидуально подбирать тип взрывчатого вещества, конструкцию зарядов и расстояние между ними путем проведения экспериментов. Выбранный вариант взрывания должен обеспечивать четкий пробой промежутка между шпурами и минимальное разрушение горной породы в виде сети симметричных трещин во всех направлениях.

8. Взрывная подготовка к выемке прочных горных пород целесообразна только на первой стадии в процессе отделения крупного монолита от массива. Дальнейшую разделку монолита на блоки целесообразно производить только безвзрывными способами.

9. Установлено, что на подготовке к выемке выветрелых горных пород месторождений природного камня применение раздельного взрывания каждой скважины снижает сейсмическое действие взрыва до безопасной величины на расстоянии 80 м от ближайшего заряда. Это позволяет производить массовые взрывы на этих месторождениях вблизи объектов, охраняемых по сейсмическому действию взрыва.

10. Отдельные результаты исследований, приведенные в диссертации, внедрены в практику работы карьеров, а также в учебный процесс ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по специализации «Добыча и обработка природного камня». Экономический эффект от использования результатов диссертационной работы по Восточному месторождению мраморизованных известняков превышает 5 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Статья, опубликованная в ведущем рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК:

Бычков Г.В., Кокунина Л.В., Кокунин Р.В., Сенин Л.Н. Сейсмобезопасность при независимом действии зарядов ВВ на месторождениях природного камня // Изв. вузов. Горный журнал. - 2006. - № 6. - С. 50 - 54.

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций:

1. Бычков Г.В., Чупахин А.А., Рочняк (Кокунина) Л.В. Исследование зависимости выхода кондиционных блоков от способа добычи и направления резания массива на Першинском карьере блочных известняков// Известия Уральской государственной горно-геологической академии. - Вып.11. Серия: Горное дело. - 2000. - С. 143 - 150.

2. Бычков Г.В., Кокунин Р.В., Кокунина Л.В. Рациональные схемы связи забоев с поверхностью и оценка эффективности их при вскрытии месторождений природного камня// Камень вокруг нас. - 2004. - № 8. - С. 18 - 21.

3. Бычков Г.В., Кокунина Л.В, Кокунин Р.В. Зависимость качества блоков от коэффициента ослабления плоскости раскалывания при буроклиновом способе добычи// Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности: Сб. научн. тр. 1 Междунар. научно-практической конф. в рамках выставки «Камень - 2004». Москва, 11-12 марта 2004 г. Global EXPO - УГГА. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004. - С. 31 -35.

4. Бычков Г.В., Кокунина Л.В., Кокунин Р.В. Каменная палитра Среднего и Южного Урала // Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности: Сб. научн. тр. 1 Междунар. научно-практической конф. в рамках выставки «Камень - 2004». Москва, 11-12 марта 2004 г. Global EXPO - УГГА. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004. - С. 13 -22.

5. Бычков Г.В., Кокунина Л.В., Кокунин Р.В. Перспективные технологические схемы добычи блочного камня средней прочности // Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр: Материалы Третьей Междунар. конференции. Москва - Бишкек, 13-18 сентября 2004 г. - М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 2004. - С. 79 - 83.

6. Бычков Г.В., Кокунина Л.В., Кокунин Р.В. Практика алмазоканатного резания горных пород // Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности: Сб. научн. тр. 1 Междунар. научно-практической конф. в рамках выставки «Камень - 2004». Москва, 11-12 марта 2004 г. Global EXPO - УГГА. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004. - С. 35 -38.

7. Бычков Г.В., Кокунина Л.В., Поздняков С.А. Новое взрывчатое вещество для отделения монолитов от массива // Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности: Сб. научн. тр. 1 Междунар. научно-практической конф. в рамках выставки «Камень - 2004». Москва, 11-12 марта 2004 г. Global EXPO - УГГА. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004. - С. 69 -75.

8. Бычков Г.В., Кокунина Л.В., Поздняков С.А. Исследование зарядов мягкого взрывания на отделении монолитов от массива на Султаевском гранитном карьере // Добыча, обработка и применение природного камня. Вып. 4: Сб. научн. тр. - Магнитогорск: МагГТУ, 2004. - С. 221 - 238.

9. Кокунин Р.В., Кокунина Л.В. Проходка опытных карьеров с применением козловых кранов при разведке месторождений природного камня // Камень вокруг нас. - 2005. - № 10. - С. 14 - 16.

10. Кокунина Л.В. Исследование алмазоканатного резания на карьерах // Добыча, обработка, применение природного камня. Вып. 6: Сб. науч. тр. - Магнитогорск: МагГТУ, 2006. - С. 30 - 37.

11. Бычков Г.В., Кокунина Л.В. Мраморы Уфалейского района // Камень вокруг нас. - 2005. - № 11. - С. 36 - 41.

12. Кокунина Л.В. Взрывные технологии на добыче природного камня // Добыча, обработка, применение природного камня. Вып. 6: Сб. науч. тр. - Магнитогорск: МагГТУ, 2006. - С. 141 - 147.

13. Кокунина Л.В. Исследование сейсмического действия взрывов на месторождениях природного камня // Известия УГГУ. Специальный выпуск. Материалы горнопромышленной декады. г. Екатеринбург, 3-13 апреля 2006 г. / Уральский государственный горный университет. - Екатеринбург: Издательство АМБ, 2006. - С. 32 - 33.

Размещено на Allbest.ru

...