Обґрунтування технологічних параметрів статико-динамічного методу видобування кам’яних блоків

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет україни

«Київський політехнічний інститут»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування технологічних параметрів статико-динамічного методу видобування кам'яних блоків

Спеціальність 05.15.03 - Відкрита розробка родовищ корисних копалин

Гребенюк Тетяна Володимирівна

Київ - 2013

Анотація

Дисертація присвячена обґрунтуванню і вдосконаленню технологічних параметрів статико-динамічного методу видобування кам'яних блоків.

Для плоскої задачі теорії ідеальної пластичності досліджено процес зародження тріщини по лінії шпурів при статичних навантаженнях і одержано аналітичну формулу для розрахунку технологічних параметрів - тиску, та відстані між шпурами в залежності від їх радіуса і властивостей гірської породи.

Теоретично обґрунтовано можливість створення технологічного обладнання для реалізації дифракційних режимів резонансного типу для якісного відколювання кам'яних блоків при гармонічному навантаженні шпурів.

Розроблено оригінальну методику для експериментального дослідження взаємодії статичних і динамічних полів напружень при видобутку кам'яних блоків статико-динамічним шпуровим методом.

Виявлений ефект “розмивання” імпульсу вказує на те, що більш раціональним є ініціювання тріщин відколу з допомогою динамічних навантажень, а статично навантажені шпури створюють сприятливі умови для їх стабільного поширення при значному збільшенні відстані між шпурами.

Застосування розроблених агрегатів тиску дозволило створити з меншими енерговитратами направлену лінію відколу моноліту і уникнути руйнування у зоні площини відколу.

Акти впровадження розробленої системи керованого відбивання гранітних блоків підтверджують переваги запропонованої технології над іншими в тому, що є можливість прогнозованого створення параметрів статичного навантаження при екологічно безпечному процесі.

Ключові слова: кам'яний блок, шпур, навантаження, напружений стан, тріщиноутворення, дифракція, статико-динамічний метод.

Аннотация

Диссертация посвящена обоснованию и совершенствованию технологических параметров статико-динамического метода добычи каменных блоков.

Исследованы закономерности протекания статико-динамических процессов в горных породах и выбраны пути повышения эффективности технологии их использования для добычи каменных блоков. Разработанный теоретический метод расчета напряженно-деформированного состояния вокруг линии шпуров позволяет учесть взаимодействие всех технологических параметров и провести оптимизацию соотношений объемов буровых работ и статических нагрузок в шпурах при сохранении качества поверхности откалывания каменных блоков.

Для плоской задачи теории идеальной пластичности исследован процесс зарождения трещины по линии шпуров при статических нагрузках, и получена аналитическая формула для расчета технологических параметров - давления и расстояния между шпурами в зависимости от их радиуса и свойств горной породы.

Рассмотрена периодическая задача для ряда параллельных цилиндровых шпуров, нагруженных внутренним гармоническим давлением. Проведенные исследования резонансных дифракционных явлений указывают на возможность создания и совершенствования относительно новой технологии отделения каменных блоков. Для ее реализации можно использовать существующие газодинамические устройства для нагрузки стенок шпуров.

Теоретически обоснована возможность создания технологического оборудования для реализации дифракционных режимов резонансного типа с целью качественного откола каменных блоков при гармонической нагрузке шпуров. Разработана оригинальная методика для экспериментального исследования взаимодействия статических и динамических полей напряжений при добыче каменных блоков статико-динамическим шпуровым методом. В качестве экспериментального материала были выбранные пластины из органического стекла, механические свойства которого подобны свойствам горных пород средней прочности. Использование органического стекла нашло широкое применение при моделировании разных процессов трещинообразования и разрушения горных пород в известных научных школах.

Проведенные эксперименты подтвердили теоретические выводы, что линия шпуров, центры которых лежат на запланированной линии откалывания, вносит искусственную анизотропию, которая обеспечивает предсказуемое направление образования и распространения трещин в отличие от одиночного шпура. Кроме этого анализ результатов трещинообразования показывает, что запланированную трещину откалывания возможно получить при доведении нагрузки шпура до трещинообразования через один шпур. Выявленный эффект "размывания" импульса указывает на то, что более рациональным является инициирование трещин откола с помощью динамических нагрузок, а статически нагруженные шпуры создают благоприятные условия для их стабильного распространения при значительном увеличении расстояния между шпурами.

Созданы устройства для образования направленных трещин в скважинах с помощью штока с конусом и винтовой резьбой, и агрегаты с резиновыми упругими элементами для получения в шпурах значительных статических нагрузок, на которые получены патенты Украины на полезную модель. Эффективность разработанного технологического оборудования проверена в реальных производственных условиях на гранитном карьере. Применение разработанных агрегатов давления позволило создать с меньшими энергозатратами направленную линию откола монолита и избежать разрушения в зоне плоскости откола. Акты внедрения разработанной системы управляемого откола гранитных блоков подтверждают преимущества предложенной технологии над другими в том, что существует возможность прогнозируемого создания параметров статической нагрузки при экологически безопасном процессе.

Ключевые слова: каменный блок, шпур, нагрузка, напряженное состояние, трещинообразование, дифракция, статико-динамический метод.

Annotation

The dissertation is dedicated to the block stone winning static dynamic method process-dependent parameters proof and improvement. Borehole line crack initiation process with static loading is investigated and process-dependent parameters calculations analytic formula for pressure and borehole distance depending on their radius and mineral characteristics is gained for plane perfect plasticity problem. Processing equipment for diffraction resonant type mode for qualitative block stone flushing with balanced borehole tension possible establishment is theoretically proved. Original strategy for experimental investigation of static and dynamic stress field interaction, while stone block winning with static dynamic borehole method, is developed.

Uncovered pulse tailing effect shows more rational cracks initiation with dynamic loading, while static loaded boreholes create favorable conditions for their steady spreading with significant borehole distance increase. Developed pressure units application made it possible to generate lower power inputs monolith flushing directed line and avoid destruction in flushing line zone. Granite controlled flushing developed system implementation certificates confirm advantages over other technologies in possibility of static loading predictable conditions while ecologically safe process.

Key words: block stone, borehole, loading, stressed state, crack formation, diffraction, static dynamic method.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В Україні багаті родовища природного каменю, який широко застосовується у різних галузях будівництва та архітектури. Тому технологіям видобутку кам'яних блоків постійно приділяється значна увага.

Одна з головних проблем при видобутку природного каменю - це необхідність зниження втрат і збільшення виходу блочної продукції з масиву, що відпрацьовується, до розвантаження блоків для споживача. Актуальними є також проблеми покращення як використання, так і вдосконалення обладнання, зниження трудових витрат на видобуток блоків і виробництво облицювальних виробів, підвищення якості кам'яної продукції, що випускається.

Сучасні досягнення науки і техніки дають можливість збільшити продуктивність видобутку і обробки каменю, понизити вартість видобування сировини і виготовлення готової продукції, значно інтенсифікувати продуктивність каменевидобувного і каменеобробного виробництва.

Удосконалення відомих і розроблення нових ефективних методів та засобів видобутку гранітних блоків повинні забезпечувати підвищення економічних показників виробництва та його конкурентоздатність на сучасному світовому ринку природного каменю. Дослідження закономірностей статичних і динамічних фізичних процесів, що протікають у гірських породах при роботі портативних агрегатів тиску, та забезпечення підвищення ефективності технології їх використання для статико - динамічного видобутку кам'яних блоків є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі інженерної екології відповідно до «Загальнодержавної програми розвитку мінерально-сировинної бази України на період до 2030 року» (Закон України від 21 квітня 2011 року N 3268-VI), а також плану наукових досліджень кафедри інженерної екології НТУУ «КПІ» і є складовою частиною НДР: «Вдосконалення невибухових методів направленого розколу гранітів» (№ДР0111U006451); «Забезпечення збалансованого природокористування, зниження енергоємності виробництва та підвищення рівня екологічної безпеки підприємств на базі аналізу та синтезу оптимальних геотехнологічних процесів» (№ДР 0111U010300), в яких автор брала участь як виконавець.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є обґрунтування технологічних параметрів і технології видобутку кам'яних блоків шпуровим методом з використанням статико-динамічних навантажень.

Для досягнення вказаної мети поставлено такі завдання:

- запропонувати математичну модель процесу зародження зони тріщиноутворення в лінії шпурів, що дозволить отримати залежність, яка відрізняється тим, що враховує залежність тиску та граничної відстані між шпурами від їх радіуса при навантаженні в залежності від міцносних характеристик гірської породи;

- визначити та удосконалити параметри дифракційних режимів резонансного типу для гармонічного навантаження шпурів при відокремленні кам'яних блоків;

- дослідити осесиметричний напружений стан у поперечному перетині поодинокого шпура для визначення взаємодії статичних і динамічних полів напружень до процесу руйнування;

- встановити наявність «розмивання» імпульсу при взаємодії динамічних навантажень зі статичним полем напружень.

Об'єкт дослідження - процеси відділення кам'яних блоків при дії статичних та імпульсно-хвильових навантажень.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан гірського масиву та технологічні параметри статико-динамічного методу відділення кам'яних блоків.

Методи дослідження. У даній науковій роботі використано комплекс сучасних методів досліджень: аналіз та узагальнення науково-технічних досягнень у галузі технології видобутку кам'яних блоків; метод комплексних змінних для розв'язання плоских задач теорії ідеальної пластичності при різних розрахункових схемах навантаження шпурів; метод потенціалів і лінійної алгебри для визначення дифракційних режимів резонансного типу при гармонічному навантаженні шпурів; експериментальні методики визначення і взаємодії статичних і динамічних методів навантаження шпурів, лабораторні дослідження, а також дослідження процесів, які супроводжують розколювання гранітних блоків у реальних виробничих умовах.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступних наукових положеннях, в яких вперше:

- запропоновано математичну модель пружного ізотропного тіла на основі теорії пластичності, яка дозволила отримати інженерну формулу для визначення параметра зони тріщиноутворення на лінії шпурів для збільшення відстані між шпурами на 40% при заданих статичному навантаженні і радіусі шпура в залежності від міцності породи на розтягнення;

- вибрано та обґрунтовано параметри дифракційних резонансних режимів гармонічного навантаження з хвильовим числом від 0,6 до 0,9 та відстані між шпурами (7…10) радіусів шпурів, для відколювання монолітів, що дозволяє знизити на 20 % енерговитрати на видобуток блочного каменю;

- експериментально виявлено при взаємодії динамічних збурень зі статичним полем напружень явище “розмивання” імпульсу напружень зі зменшенням його величини на 23% при збільшенні часу навантаження в 2 рази, що потребує урахування при використанні принципу суперпозиції для оцінки рівня взаємодії силових полів різної природи;

- встановлено діапазон варіювання статичного зусилля, який складає 75 % від досліджуваної міцності породи на розтягнення, для формування напруженої зони з подальшим розвитком зародкової тріщини динамічним імпульсом в області, співмірній з діаметром шпура, що дозволяє збільшити вдвічі відстань між суміжними джерелами навантаження в порівнянні з суто статичним режимом.

Практичне значення одержаних результатів роботи:

- отримано інженерну формулу для визначення технологічних параметрів та розроблено методику створення статичних навантажень на контур шпурового отвору для відділення кам'яних блоків у статичному режимі шпуровим методом;

- розроблено комплекс портативного обладнання для створення статичного тиску на стінки шпурів, підтверджений патентами на України на корисну модель;

- розроблено портативний газодинамічний генератор тиску, який використовується для створення комбінованої технології видобування блочного каменю.

Основні результати досліджень реалізовано в навчальному процесі Інституту енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ «КПІ».

Особистий внесок автора в наукові праці, які опубліковані з співавторами: [6] - вибір моделі гірської породи і теоретичне визначення технологічних параметрів для статичного відколювання гранітних блоків шпуровим методом; [4, 5] - розробка методики експерименту, обробка і аналіз результатів експериментів; [3] - розробка моделі внесення штучної анізотропії рядом шпурів; [2] - ідея застосування концентраторів руйнування порід, оцінка ефективності дії концентраторів; [7, 8] - аналіз експериментальних даних, патентний пошук, підготовка матеріалів необхідних для отримання патентів; [1] - обробка і аналіз результатів експериментів зі взаємодії статичних і динамічних навантажень, визначення раціональних варіантів для вдосконалення статико-динамічного методу; [14] - розрахунок тарирувальних пружних елементів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи і результати досліджень обговорювались на науковому семінарі кафедри інженерної екології НТУУ« КПІ», доповідались на міжнародних конференціях: Міжнародному форумі - конкурсі молодих вчених «Проблеми природокористування» (СанктПетербург, 2012р.); Міжнародній науковій конференції «Математичні проблеми технічної механіки» (Дніпродзержинськ - Дніпропетровськ, 2012р.); Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні технології та особливості видобутку, обробки і використання природного каміння» (Київ, 2012р.); 6-ій Міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених, аспірантів та студентів «Перспективи освоєння підземного простору» (Дніпропетровськ, 2012р); ІІ Міжн. наук.-техн. Конференції «Актуальні проблеми інженерної механіки» (Миколаїв 2012р.); Міжнародній науково-практичній конференції на тему: «Проблеми профілактики виробничого травматизму та професійних захворювань в період техногенного навантаження України» (Київ 2012р.); 3-тій Міжнародній науково-технічній конференції «Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій» (Львів, 2012р.); ІХ Міжн. наук.-техн. конференції «Розробка, використання та екологічна безпека сучасних гранульованих та емульсійних вибухових речовин» (Кременчук-Свалява, 2013р).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в 15 друкованих працях, з них: статей у фахових виданнях - 6; в матеріалах конференцій - 7, у тому числі самостійно - 1; патенти України на корисну модель - 2.

2. Основний зміст роботи

У вступі розкрито суть і стан науково-технічної задачі, обґрунтовано актуальність теми дисертації, викладено мету роботи та сформульовано основні положення, що виносяться на захист, практичне значення та наукову новизну результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі проаналізовано досягнення в розв'язанні задач стосовно видобутку кам'яних блоків. У розвиток досліджень, пов'язаних з розробленням науково-інженерних основ, до яких належать задачі, розв'язані в даній роботі, зробили значний внесок В.В. Бойко, О.О. Вовк, В.Д. Воробйов, В.В. Воробйов, С.С. Григорян, Е.І. Єфремов, В.Г. Кравець, Ф.І. Кучерявий, П.З. Луговий, І.А. Лучко, В.М. Мосинєц, Г.І. Покровський, В.С. Прокопенко, Н.С. Ремез, А.М. Самедов, К.Н. Ткачук, К.К. Ткачук, А.Н. Ханукаєв, Є.І. Шемякін та інші. Використання їх наукового доробку дає можливість підвищити ефективність технології статико-динамічного каменевидобування з використанням малогабаритних агрегатів тиску, які мають просту конструкцію, невисоку ціну, малі габарити та масу при потрібних зусиллях в шпурі.

На основі аналізу літературного огляду визначено місце даної роботи серед проведених раніше розробок і обґрунтовано вибір напрямків досліджень.

У другому розділі досліджено напружено-деформований стан навколо шпурів, розміри яких значно перевищують розміри природної тріщинуватості гірського масиву при відколюванні однорідних кам'яних блоків. Можна вважати, що матеріал їх однорідний і при теоретичних дослідженнях можливо використовувати модель пружного ізотропного тіла для гірської породи, з використанням теорії ідеальної пластичності, що дає можливість провести аналіз штучної анізотропії, яка створюється рядом шпурів.

У даній роботі розглядаються шпури значної протяжності й відносно малого діаметра, тому їх кінцеві частини практично не впливають на середню частину блоку, і для нього реалізуються умови плоскої деформації. В такому випадку для кожного перпендикулярного до осі шпуру перетину будемо мати однаковий розподіл напружень навколо контуру шпуру. Тому розрахункову область для визначення розподілу напружень навколо шпурів можна вибрати у вигляді пластини одиничної товщини, яка перпендикулярна осям шпурів, на стінки яких діє відповідне навантаження. Таким чином, визначення розподілу напружень навколо шпуру зводиться до задачі про плоский напружений стан. Це важлива обставина, оскільки завдяки їй теоретичні і експериментальні дослідження для просторових задач відколювання каменю зводяться до плоских задач.

Розглянемо ізотропний кам'яний блок з ланцюгом однакових кругових циліндричних шпурів, пробурених по передбачуваній лінії відколу. Радіуси отворів шпурів приймемо такими, що дорівнюють R , а відстань між отворами - l (рис. 1). До контурів шпурових отворів прикладено рівномірні зусилля інтенсивності р, під дією яких поблизу отворів виникають пластичні зони, які повністю їх охоплюють. У цьому випадку, при r = R граничні умови матимуть вигляд (1)

Рис. 1. Розподіл напружень уздовж передбачуваної лінії відколювання

(1)

Для плоскої деформації, в умовах якої знаходяться шпури, умова пластичності (2) і рівняння рівноваги (3) являють собою замкнену систему рівнянь плоскої задачі теорії ідеальної пластичності відносно трьох компонент напружень у_x у_y у_z

(2)

 (3)

Для отримання розв'язку цієї системи застосуємо метод комплексних змінних. Напруження у пластичній зоні біля основного отвору будуть такими само, як і у масиві з одним шпуром.

Додаткові напруження, які з'явилися через наявність сусідніх шпурових отворів, характеризуються двома функціями комплексної змінної Ф₂(z) і Ш₂(z). Їх слід визначити з умов неперервності напружень у пружній і пластичній зонах на спільній межі L, які поділяють ці зони.

Функції Ф₂(z) і Ш₂(z) будуть голоморфні всередині L і залежать від малого параметру 5=1/l. Розкладемо їх в ряди за ступенями цього параметру і збережемо члени з 5². Тоді граничні умови для визначення функцій Ф (о ) і Ш(о) матимуть вигляд

(4)

З умов (4) за методом Мусхелішвілі М.І. знайдемо

(5)

Сталі, у формулах (5), визначаються із замкненої системи рівнянь (6) відносно а₂,b₂,c₀, c₁

 (6)

.

Розглянемо спочатку випадок, коли = 0,1, а величина статичного рівномірного навантаження на контур шпуру дорівнює р = 3k. Грані кам'яного блоку вільні від навантаження. Як відомо, для області з одним шпуром лінією розділу в цьому випадку буде коло радіуса r = 2,718R . Для області ж із нескінченним числом круглих шпурів, як показали проведені нами дослідження, лініями розділу будуть еліпси з півосями ,. Отже, для цього випадку, врахування впливу сусідніх отворів дозволяє на 46% збільшити відстань між шпурами.

Використовуючи метод перебору значень параметрів, визначимо область існування розв`язків системи рівнянь (6), де еліпси пластичних зон починають дотикатися.

Результати розрахунку параметрів пластичних зон шпурів при ?? = 0,1 і різних значення наведено в табл. 1.

З проведеного аналізу випливає, що в граничній області існування розв`язків починає реалізовуватися умова типу "пластичного шарніру", і відбувається відкол блоку по лінії шпурів. Таким чином, розроблений теоретичний метод розрахунку дозволяє врахувати взаємодію всіх технологічних параметрів і провести оптимізацію співвідношень обсягів бурових робіт і статичних навантажень в шпурах при збереженні якості поверхні відколу.

Виключивши з перших двох рівнянь системи (6) а₂, b₂, отримаємо систему

(7)

Таблиця 1 Значення параметрів пластичних зон шпурів

p/k	Co/R	C1/R	a2/k	b2/k
0,5	0,779	0,0150	0,0192	0,962
1,0	1,001	0,0310	0,0310	0,939
1,5	1,288	0,0635	0,0493	0,904
2,0	1,660	0,1282	0,7723	0,852
2,5	2,156	0,2560	0,1187	0,777
3,0	2,853	0,5136	0,1800	0,672
3,5	4,068	1,144	0,2812	0,517
4,0	немає розв`язку

Друге рівняння системи (7) запишемо як квадратне рівняння відносно

(8)

Використовуючи розв'язок (8) відносно і перше рівняння (6), отримаємо інженерну формулу, яка пов'язує граничне значення , яке позначимо через з критичним навантаженням шпура і міцністю гірської породи на розтягнення

 (9)

На рис. 2 наведено графік залежності від відношення p/k , який побудовано згідно формули (9).

Рис. 2. Умови відколювання кам'яного блоку при статичних навантаженнях

Проведений розрахунок за формулою (9) рекомендованих статичних напружень p для відколу кам'яних блоків порід різної міцності.

В табл. 2 наведено рекомендовані значення статичних навантажень на стінки шпурів при = 0,1; 0,2 в залежності від міцності порід на розтягнення.

Таблиця 2 Рекомендовані значення статичних навантажень у залежності від міцності породи на розтягнення та геометричних параметрів лінії шпурів

Родовище	Порода	Міцність породи на розтягнення уs, МПа	p, МПа е=0,1	p, МПа е=0,2
Головінське	Лабрадорит	52,8	95,0	59,4
Жежелівське	Граніт	51,6	92,9	58,1
Корнінське	- “ -	47,2	85,0	53,1
Ємельянівське	- “ -	27,6	49,7	31,1
Лезніковське	- “ -	33,4	60,1	37,6
Коростишівське	- “ -	37,3	67,1	42,0
Богуславське	- “ -	31,5	56,7	35,4
Сліпчицьке	Габро-норит	32,8	59,0	36,9

Ці дані дозволяють майже вдвічі зменшити розрахункові (за формулою 9) статичні навантаження на стінки шпурів у порівнянні з рекомендованими в літературі залежностями від міцності порід на стискання.

У третьому розділі розглянуто періодичну задачу для ряду паралельних циліндричних шпурів, навантажених внутрішнім гармонічним тиском, коли за рахунок суперпозиції хвиль можна досягти умов для утворення тріщини, спрямованої через центри шпурових зарядів, у випадку плоскої деформації та великій відстані їх розташування. На рис. 3 наведено ряд шпурів в поперечному перетині кам'яного блоку.

Рис. 3. Розрахункова схема плоскої деформації в системі полярних координат

Введемо k систем полярних координат (r_k, и_k ) (рис. 3) так, щоб їх центри співпадали з центрами шпурів і координатна лінія r_k = R - з контуром шпура. Тоді рівняння коливань

(10)

де - швидкість подовжньої, поперечної хвиль відповідно.

Переходячи до безрозмірних лінійних координат, приймемо за одиницю виміру відстані радіус отвору R. У цьому випадку на контурі циліндричного шпура будуть виконуватися граничні умови

(11)

Для р = p(x)? немає необхідності задовольняти початковим умовам.

Для випадку плоскої деформації розв'язок рівнянь (10) запишемо у вигляді потенціалів

(12)

Підставляючи (12) в рівняння (10) і задовольняючи граничним умовам (11), на кожному контурі циліндричного шпура, приходимо до нескінченної системи алгебраїчних рівнянь, яка має нормальний визначник, і її можна розв'язувати методом редукції. Виняток являють собою лише точки “ковзання”, - це ті співвідношення параметрів для дійсних хвильових чисел б, які задовольняють умові

(13)

В цих точках “ковзання” напруження різко зростають, причому як | у_ии |, так і | у_rr | досягають свого найбільшого значення в точці О між центрами шпурів (рис. 3).

Для наближеного розв'язку нескінченна система алгебраїчних рівнянь замінювалася на скінченну, порядок якої визначався - n = 8. Розрахунки виконувалися для найбільш поширених у практиці діапазонів хвильових чисел 0,05 ? б ? 1,0, Дб=0,1 і вказаних вище геометричних параметрів строчки шпурів 3,0 ? L ? 10,0, ДL = 1,0).

Аналіз результатів розрахунків показує, що для довгих хвиль розподіл напружень якісно співпадає зі статичним: найвищий рівень мають напруження у_ии , причому напруження монотонно зменшуються від точки Е до точки О (рис. 3). При зменшенні довжини хвилі характер розподілу напружень суттєво змінюється. Максимум напружень досягається в точці О.

Розглянемо випадки, найбільш перспективні у використанні вказаних вище резонансних явищ для відокремлення кам'яних блоків. На рис.4 наведено графіки, які демонструють різке підвищення напружень | у_ии | в точці О при бL>2р, - це перша точка “ковзання”.

Рис. 4 Значення модуля напружень у_и в точці О в залежності від хвильового числа і відстані між шпурами L

З рис.4 видно, що для б = 0,6 - 1,0 при бL> 2р напруження у_и^о значно зростають, і графіки для цих значень бL нагадують резонансні криві. З фізичної точки зору це відповідає ситуації, коли хвильові поля, відбиті від кожної з шпурових поверхонь, підсилюють одне одного. Завдяки наявності великої кількості відбиваючих поверхонь це підсилення призводить до зростання сумарного поля для бL> 2р. Ця обставина має місце і для інших значень величин бL, кратних 2р.

Проведені дослідження резонансних дифракційних явищ дали можливість створити і вдосконалити нову технологію відокремлення кам'яних блоків. Отже при створенні гармонічного навантаження з хвильовим числом від 0,6 до 0,9 при відстані між шпурами до (7…10) радіусів шпурів дозволяє знизити на 18-20 % енерговитрати на видобуток блочного каменю за рахунок зменшення бурових робіт та кількості шпурів.

В четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень впливу статичних і динамічних навантажень на процеси тріщиноутворення. Розроблено оригінальний пристрій для осесиметричного статичного навантаження контуру отвору. При видобутку кам'яних блоків з застосуванням невибухової руйнуючої суміші (НРС), або створення нормального тиску на стінки шпура з допомогою еластичної камери в поперечному перетині шпура виникає осесиметричне навантаження. Аналогічне навантаження необхідно прикласти до стінок кругового отвору в пластині з органічного скла.

В пластині з органічного скла 1 (рис. 5) товщиною h = 4,0 мм висвердлювався круговий отвір діаметром D = 16 мм. Розміри пластини за шириною і довжиною в 20 разів перевищували діаметр отвору. Статичне навантаження на контур отвору в пластині 1 створювалося за допомогою пристрою, який має шток 2 з конусом і різьбою М8 ^х2 (рис. 5). Завдяки циліндричному стакану 3, вісь якого проходить через центр отвору і співпадає з віссю штока 2, з допомогою гвинта 8, який вкручується в конічну частину штока 2, створюється рівномірне осесиметричне навантаження на контур отвору. Циліндричний стакан 3, спираючись на пластину, врівноважує зусилля F, яке створюється гвинтом 4.

Статичне навантаження контуру отвору в пластині створюється гвинтом, з допомогою динамометричного ключа. Виконаємо розрахунок навантаження контуру отвору, використовуючи схему, наведену на рис.6.

З розрахункової схеми слідує: F1=Fsinб; F2=Fcosб; F3 = F1cosб=1/2 Fsin2б.

У проведених дослідах використовувався шток 2 (рис. 5) зі зрізаним конусом, розміри якого наступні: діаметр зрізаної вершини конуса - 11,5мм; діаметр основи конуса - 19,5мм; висота зрізаного конуса - 16,5мм. Як наслідок, що кут конусності б = 13⁰25?.

Рис. 5 Конструкція навантажувального пристрою

Рис. 6 Розрахункова схема визначення навантаження на контур отвору

Згідно принципу Сен-Венана, на відстані товщини пластини h від зовнішньої стінки циліндричного стакана 3 можна вважати, що радіальні зусилля F3 створюють рівномірні напруження по товщині пластини, які визначаються як у_r =F₃/рDh. Для такого випадку навантаження в пластині в зоні r> R+h реалізується осесиметричний плоский напружений стан.

Виконані експерименти підтвердили теоретичні висновки роботи [10], що ряд шпурів, центри яких лежать на запланованій лінії відколу, вносить штучну анізотропію, яка забезпечує передбачуваний напрямок утворення і розповсюдження тріщин на відміну від поодинокого шпура. Окрім цього аналіз результатів тріщиноутворення показує, що заплановану тріщину відколу можливо отримати при доведенні навантаження шпура до тріщиноутворення через один шпур. Проведені досліди вказали на перспективний шлях розробки агрегатів тиску, які виконують осесиметричне навантаження на стінки шпурів і створюють сприятливі умови для зародження і розповсюдження тріщин в запланованому напрямку [7, 8]. Експериментально встановлено, що наявність штучних концентраторів напружень дозволяє збільшити відстань між шпурами на 20-36% [2].

Для експериментальних досліджень динамічних механічних ефектів у пластинах з оргскла була розроблена спеціальна методика.

Відпрацювавши методики з дослідження дії статичних навантажень на стінки отвору і розповсюдження динамічних збурень, проведено експериментальне моделювання взаємодії статичних і динамічних полів напружень при комбінованому, статико-динамічному способі видобування кам'яних блоків.

Центр отвору діаметром d = 0,016 м у пластині знаходився на прогнозованій лінії відколу, вздовж якої був наклеєний тензорезистор марки КТД 7Б на відстані 0,020 м від центра отвору. Моделювання дії ударних джерел збурення виконувалося з допомогою стальних кульок різної ваги, які скидалися з висоти Н = 0,19 м на пластину в точку, розташовану на лінії прогнозованого відколу. Виходячи з геометричної подібності ця точка знаходилась на відстані l = 0,075 м від центру отвору, що відповідає середньому значенню відношення діаметра шпура до відстані між шпурами, яке прийнято в практиці видобування кам'яних блоків.

В серії експериментів використовувалися стальні кульки трьох типів: 1 - D = 0,0145 м, вага - 0,0119 кг; 2 - D = 0,0205 м, вага - 0,0358 кг; 3 - D = 0,023 м, вага - 0,0497 кг.

Перша серія досліджень була проведена для випадку, коли отвір в пластині був вільним від статичних навантажень. Враховуючи добру повторюваність між результатами однотипних дослідів, середні величини деформацій обраховувалися за трьома однаковими експериментами. Експерименти проводилися в наступній послідовності: спочатку для вільного отвору було здійснено осцилографування динамічних деформаційних процесів у точці наклейки тензодатчика при скиданні стальних кульок різної ваги; потім у процесі досліджень стінки отвору покрокове статично навантажувалися з допомогою розробленого пристрою, і для кожного кроку статичного навантаження проводилося осцилографування спільних (статичних і динамічних ) деформаційних процесів у точці наклеювання тензорезистора при скиданні стальних кульок різної ваги, за допомогою першого променя осцилографа із запам`ятовуванням - GDS - 806S 8.

Підкреслимо, що вимірювання статичних деформацій при покроковому статичному навантаженні проводилося з використанням того само тензодатчика і другого променя вказаного осцилографа.Це дало можливість оцінювати статичні деформації з такою само приладною похибкою, як і спільну деформацію при взаємодії полів статичних і динамічних напружень.

Використовуючи експериментальні дані, побудовано графічні залежності сумарної відносної деформації ()•і спільного імпульсу І від нормального навантаження контуру отвору. На рис. 7 по лівій ординаті вказано значення сумарних відносних деформацій (), а по правій ординаті - значення імпульсів І, які генеруються динамічними збуреннями. По лінії абсцис відкладено значення нормального статичного навантаження Р контуру отвору від 0,0 до 3•10Па.

Рис. 7 Залежність сумарних деформацій та імпульсу від статичного навантаження на контур отвору

З графіка рис. 7 слідує, що збільшення динамічного і статичного навантаження на сусідній шпур дозволяють у певних межах збільшити відстань між шпурами, а отже - існує перспективність застосування статико динамічного методу відколювання кам'яних блоків.

Експериментально виявлений характер “розмивання” імпульсу динамічних збурень в зонах напружень від статично навантаженого шпура сприяє поширенню динамічно ініційованих тріщин відколу. Проведений аналіз особливості взаємодії полів напружень від статичних і динамічних навантажень показує, що для статико-динамічного методу раціональним є динамічне ініціювання тріщин відколу кам'яних блоків, а статично навантажені шпури створюють умови для їх поширення.

Це явище знайшло своє теоретичне підтвердження. Відомо, що зміна швидкості пропорційна напруженню або деформації в досліджуваному об'єктові. При розтягуючих напруженнях швидкість збурень зменшується, а при стискаючих - зростає. На рис. 8 зображено теоретично розраховані графіки розподілу полів напружень для поодинокого шпура в залежності від відстані r до контуру отвору для трьох величин статичного навантаження контуру Р₁ = 1•МПа; Р₂ = 2•МПа; Р₃= 3•МПа відповідно.

З графіка (рис.8) видно, що при дії статичного навантаження Р = 10Па на контур отвору, в місці наклеювання тензорезистора (r = 0,02м) виникають стискаючі напруження у_r =-0,2•10Па. Уже в цій точці динамічні збурення рухаються до контуру отвору з відповідним прискоренням по стиснутому середовищі, що сприяє зменшенню амплітуди і збільшенню часу дії спільного імпульсу І, який переноситься динамічним збуренням. При дії статичного навантаження Р =2•10Па на контур отвору, починаючи з точки r = 0,028м динамічні збурення будуть поширюватися ще з більшою швидкістю, ніж при попередньому статичному навантаженні контуру. Аналогічно збільшується швидкість динамічних збурень, починаючи з точки r = 0,032м при дії статичного навантаження Р =3•10Па на контур отвору. Слід зауважити, що наявність сусіднього шпура ще збільшить розміри статичного поля напружень, а отже і зону “розмивання” імпульсу І, що, в свою чергу, зменшить вірогідність зародження тріщин на контурі статично навантаженого шпура.

Рис. 8. Характер розподілу статичних напружень в залежності від відстані r до контуру отвору

Оскільки з графіків (рис. 8) видно, що залежність стискаючих напружень від віддалі до контуру отвору має суттєво нелінійний характер, що спричиняє нелінійне збільшення швидкості динамічних збурень і відповідно нелінійну залежність спільного імпульсу І від величини статичного навантаження Р контура отвору (див. рис. 7). Такий характер взаємодії статичних і динамічних полів напружень, що призводить до збільшення спільного імпульсу І, вказує на перспективність застосування статико-динамічного методу відколювання кам'яних блоків.

Проаналізуємо більш детально взаємодію полів напружень від статичних і динамічних навантажень. Вище встановлено, що амплітуда динамічних збурень різко зменшується при віддаленні від місця прикладення динамічного навантаження (вважаємо, що це контур шпура). Поля напружень, які створені статичними навантаженнями сусіднього шпура, також різко затухають (рис. 8). Ідея статико-динамічного методу відколювання кам'яних блоків полягає в створенні раціональних умов для зародження і поширення тріщини відколу по лінії центрів шпурів при взаємодії статичних і динамічних полів напружень. Експериментально виявлений характер “розмивання” імпульсу вказує на те, що імпульси, які переносяться динамічними збуреннями, можуть внести лише незначний вклад у зародження тріщини на контурі статично навантаженого шпура. В свою чергу, збільшення швидкості динамічних збурень в зонах напружень від статично навантаженого шпура сприяє розповсюдженню динамічно ініційованих тріщин відколу. Враховуючи проведений аналіз особливості взаємодії полів напружень від статичних і динамічних навантажень, можна зробити висновок, що при застосуванні статико-динамічного методу більш раціональним є ініціювання тріщин відколу кам'яних блоків з допомогою динамічних навантажень, а статично навантажені шпури будуть створювати сприятливі умови для їх стабільного поширення.

Слід підкреслити той факт, що характер взаємодії статичних і динамічних полів напружень, експериментально визначений на моделях з оргскла, якісно узгоджується з результатами експериментів на пісковоцементних блоках і розрахунками, одержаними в роботі [1] для статико-динамічного методу видобування кам'яних блоків. У моделі вибурювались два шпури, призначені для прикладання статичних та динамічних навантажень на модель. Метою досліджень було встановлення ефективності застосування портативних агрегатів тиску [7,8] при статичних та динамічних навантаженнях.

На рис. 9 наведено залежності граничної відстані між порожнинами навантаження від рівних внутрішніх тисків. З графіків видно, що зі збільшенням внутрішнього тиску гранична відстань між сусідніми порожнинами навантаження швидко зростає, однак ця залежність має згасаючий характер, що найбільш сильно проявляється при динамічних взаємодіях (крива 2). По-друге, менша відстань між порожнинами потрібна для статичних режимів навантаження.

Рис. 9. Залежність граничної відстані між порожнинами навантаження від внутрішніх тисків

Це говорить про те, що використання лише статичних навантажень у практиці відколювання блокового каменю є неекономічним. При динамічних взаємодіях відстань між сусідніми шпурами може бути збільшена в 1,5...1,6 рази, однак відзначена вище можливість утворення додаткових тріщин викликає небезпеку пошкодження блоків і вимагає скорочення відстані між шпурами з метою створення умов гарантованого розколу середовища по лінії міжпорожнинної взаємодії.

Найбільша відстань між сусідніми шпурами досягається при комбінованій статико-динамічній взаємодії порожнин навантаження (крива 3), що дозволяє майже в 2 рази збільшити відстань між джерелами навантаження в порівнянні зі статичним впливом (крива 1).

Для визначення взаємодії різних типів пар навантажень використано наступні залежності:

(14)

При статико-динамічній взаємодії розрахунок проводиться за виразом (14), де величини r₁ і r₂ знаходять зі співвідношень

(15)

Щодо практичного застосування розглянутого комбінованого методу відділення монолітів, пропонується поєднання нижче описаних методів контрольованого навантаження - попередньо статичного навантаження і на його тлі - прикладання динамічного імпульсу.

В п'ятому розділі відповідно до обґрунтованих основних вимог і формул винаходів перспективних агрегатів тиску - корисних моделей [7, 8] наведено опис сконструйованих і виготовлених експериментальних зразків.

Застосування малогабаритних агрегатів тиску [7, 8] масою до 3кг забезпечує на практиці створення високих статичних навантажень у шпурах і виключає електротравматизм або вплив природної тріщинуватості породи на роботу агрегату. Проведені розрахунки та експерименти показали, що такі агрегати здатні створити в шпурах статичний тиск до 40 МПа, що цілком достатньо для видобутку гранітних блоків. Перспективним також слід вважати застосування для приводу таких агрегатів сили м'язів рук робітника, що має забезпечити невелику масу такого технологічного устаткування, простоту конструкції та безпеку експлуатації.

Потенційні можливості агрегатів з пружними елементами [7, 8] для створення статичних навантажень всередині шпурів, контролюються з допомогою розробленого гідроприводу. Для постійного силового моніторингу тиску, що розвивається агрегатом в шпурі, був використаний гідравлічний динамометричний ключ. За допомогою даного ключа була отримана залежність тиску, створюваного в трубі експериментальним агрегатом, від сили, яку прикладає робітник до важеля динамометричного ключа.

Для перевірки працездатності створеного обладнання та ефективності статико-динамічної технології видобутку гранітних блоків у реальних промислових умовах був проведений розкол блоків лабрадориту. Акти впровадження розробленої екологічної системи керованого відбивання гранітних блоків на кар'єрі ПрАТ «Петроімпекс» ВФВП «Осники» підтверджують переваги над іншими технологіями в тому, що є можливість прогнозованого створення параметрів статичного навантаження агрегатами тиску і отримання передбачуваного економічного ефекту.

Згідно акту впровадження результатів дослідження очікуваний економічний ефект від впровадження агрегатів з пружними гумовими елементами становить 12350 грн. на 1000 м² площини відколу блоку.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій розв'язана актуальна науково-практична задача обґрунтування технологічних параметрів статико-динамічного методу видобування кам'яних блоків на основі аналізу напружено-деформованого стану гірського масиву та технологічних параметрів статико-динамічного методу відділення кам'яних блоків.

При виконанні досліджень у дисертаційній роботі отримано такі наукові та практичні результати:

1. Запропоновано математичну модель пружного ізотропного тіла на основі теорії пластичності, яка дала можливість розробити інженерну формулу визначення граничної відстані між шпурами та їх радіуса при заданому статичному тиску, в залежності від міцності порід на розтягнення, що дозволило вдвічі зменшити навантаження, а також на 40 % збільшити відстань між шпурами.

2. Аналіз дифракційних явищ резонансного типу для ряду паралельних шпурів, навантажених внутрішнім гармонічним тиском показав, що за рахунок суперпозиції хвиль при частотах навантажень з хвильовим числом від 0,6 до 0,9 досягнуто умов для утворення тріщини, спрямованої через центри шпурових зарядів, при відстані між ними (7...10) радіусів шпурів.

3. Створено інноваційне технологічне обладнання для реалізації резонансного навантаження на стінки шпурів, що дало можливість отримати відкол кам'яних блоків при збільшенні відстані між шпурами.

4. Розроблена і експериментально апробована методика створення статичних навантажень на контур отвору, яка дозволила змоделювати і визначити осесиметричний плоский напружений стан у поперечному перетині поодинокого циліндричного шпура до процесу руйнування. Методика слугує складовою для дослідження взаємодії статичних і динамічних полів напружень при видобутку кам'яних блоків статико-динамічним шпуровим методом.

5. Виявлений ефект “розмивання” імпульсу зменшує можливість зародження тріщин відколу на контурі статично навантаженого шпура, встановлено, що більш раціональним є ініціювання тріщин відколу кам'яних блоків з допомогою динамічних навантажень, а статично навантажені шпури будуть створювати сприятливі умови для їх стабільного поширення, при застосуванні статико-динамічного методу відколювання блоків.

6. Встановлено, що застосування агрегатів тиску та портативного газодинамічного пристрою дозволяє створити з меншими енерговитратами направлену лінію відколу моноліту і уникнути руйнування у зоні, наближеній до лінії відколу, що підтверджує переваги даної технології над іншими в тому, що вона дає можливість прогнозованого створення параметрів статичного навантаження агрегатами тиску.

шпур тріщина порода кам'яний

Основні положення і результати дисертації опубліковані у роботах

Статті у наукових фахових виданнях

1. Кравець В.Г. Розвиток комбінованого методу відділення монолітів від масиву гірських порід / В.Г. Кравець, К.К. Ткачук, А.Л. Ган, Т.В. Гребенюк, О.М.Цьохла // Вісник НТУУ «КПІ». Серія «Гірництво». - 2010. - Вип. 19. - С. 69 - 78.

2. Ткачук К.К. Застосування концентраторів руйнування при вийманні вугільних ціликів/ К.К. Ткачук, С.М. Стовпник, Т.В. Гребенюк // Вісник НТУУ «КПІ». Серія «Гірництво». - 2011. - Вип. 20. - С. 94 - 99.

3. Ткачук К.Н. Методи підвищення якості гранітних блоків / К.Н. Ткачук, І.О. Фоменко, К.К. Ткачук, О.І. Фоменко, Т.В. Гребенюк // Вісник НТУУ «КПІ». Серія «Гірництво».-2011.- Вип. 21. - С. 103 - 107.

4. Луговий П.З. Експериментальне моделювання деформованого стану навколо поперечного перетину циліндричного шпура при його статичному навантаженні / П.З. Луговий, К.К. Ткачук, Т.В. Гребенюк // Проблеми обчислювальної механіки і міцності конструкцій. Збірник наукових праць. Дніпропетровськ Ліра 2012. Випуск - 20. - С 232 - 237.

5. Ткачук К.К. Експериментальне моделювання розподілу напружень навколо поперечного перерізу шпуру при статичному навантаженні кам'яного блока/ К.Н.Ткачук, Т.В. Гребенюк, П.З. Луговий // Вісник Житомирського державного технологічного університету. Серія: Технічні науки. - 2012. - № 2 (61) - С. 53-58.

6. Ткачук К.К. Про створення дифракційних режимів навантаження для відбійки кам'яних блоків / К.К. Ткачук, Т.В. Гребенюк, П.З. Луговий // Вісник НТУУ «КПІ». Серія «Гірництво». - 2012. - Вип. 22. - С. 52-59.

Патенти:

7. Патент на корисну модель 69699 UA, МПК Е21С, 37/04. Пристрій для утворення направлених тріщин в свердловинах / П.З. Луговий, К.К. Ткачук, Т.В.Гребенюк, С.П. Орленко, опубл. 10.05.2012, Бюл. № 9.

8. Патент на корисну модель 71552 UA, МПК Е21С, 37/10. Пристрій для розколу монолітних блоків / К.К. Ткачук, К.Н. Ткачук, І.О. Фоменко, О.І. Фоменко, Т.В. Гребенюк, В.Г.Кравець, опубл. 10.07.2012, Бюл. №13.

Тези доповідей на науково-практичних конференціях:

9. Ткачук К.К. Аналіз впливу якості бурових робіт на видобуток блочного каменю / К.К. Ткачук, Т.В. Гребенюк // Перспективи освоєння підземного простору. Матеріали 6-ї міжнародної науково-практичної конференції молодих учених, аспірантів та студентів. 10-11 квітня 2012 року Дніпропетровськ НГУ 2012.- С 39 - 42.

10. Ткачук К.К. Откол каменных блоков с помощью статической нагрузки / К.К. Ткачук, Т.В. Гребенюк // Проблемы недропользования. Международный форум - конкурс молодых ученых. Сборник научных трудов. Часть 1. Санкт-Петербург 2012. - С 82 - 85.

11. Луговий П.З. Експериментальний аналіз взаємодії статичних і динамічних деформацій в зоні циліндричного шпура для відбійки кам'яних блоків / П.З. Луговий, К.К. Ткачук, Т.В. Гребенюк // Актуальні проблеми інженерної механіки. ІІ Міжн. Наук.-техн. конференція. - Миколаїв (24 - 26 жовтня 2012р.), Національний університет кораблебудування. - С. 13.

12. Гребенюк Т.В. Вдосконалення технології видобування кам'яних блоків статико-динамічним методом / Т.В.Гребенюк // Сучасні технології та особливості видобутку, обробки і використання природного каміння: Збірник матеріалів міжнародної науково-практичної конференції. 17 жовтня 2012 р. Київ, 2012.- С 19 - 25.

13. Луговий П. З. Експериментальне дослідження деформованого стану навколо кругового отвору при його нормальному осесиметричному статичному навантаженні / П. З. Луговий, К. К. Ткачук, Т. В. Гребенюк // Математичні проблеми технічної механіки: Міжнародна наукова конференція: матеріали конференції (Том1). - Дніпродзержинськ-Дніпропетровськ, 2012. - С. 28.

14. Ткачук К.К. Потенційні можливості агрегатів з пружними елементами для створення статичних навантажень всередині шпурів, виконаних у гранітних блоках/ К.К. Ткачук, Т.В. Гребенюк, Ю. Гаптар, О.І. Фоменко, І.О. Фоменко // Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій. Тези доповідей. 7 - 9 листопада 2012 р. м. Львів. - С 104.

15. Луговий П.З. Про застосування статико-динамічного методу при видобуванні гранітних блоків / П.З Луговий, Н.Я. Прокопенко, К.К. Ткачук, Т.В.Гребенюк // Розробка, використання та екологічна безпека сучасних гранульованих та емульсійних вибухових речовин. ІХ міжнародна науково-технічна конференція. Матеріали конференції. Кременчук - Свалява 2013. - С. 34 - 36.

Размещено на Allbest.ru

...