Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние изученности вопроса и постановка задач исследований 7
1.1 Анализ технологии производства взрывных работ на карьерах Южно го Урала... 7
1.2 Технологические требования к качеству взрывного дробления горных пород 10
1.3 Современные методы расчета параметров взрывных работ 17
1.4 Постановка задач исследований 27
2 Исследование трещиноватости взрываемого массива и гранулометрического состава взорванных пород 29
2.1 Методы оценки и описания трещиноватости массива и
гранулометрического состава взорванных пород 29
2.2 Исследования распределения кусковатости горных пород 39
2.3 Прогнозирование гранулометрического состава взорванной горной массы 49
2.4 Выводы ...I 52
3 Исследование эффективности использования энергии взрыва 54
3.1 Критерии оценки технологической эффективности взрывных работ... 54
3.2 Эффективность применения различных типов ВВ на карьерах 64
3.3 Технологическая эффективность применения подпорной стенки 84
3.4 Выводы 92
4 Оценка затрат энергии на взрывное дробление горных пород 94
4.1 Обоснование рациональной области применения различных типов ВВ. 94
4.2 Расчет параметров БВР на заданную степень дробления 101
4.3 Анализ экономической эффективности применения различных типов ВВ 104
4.4 Вывод 109
Заключение ПО
Список используемых источников
- Технологические требования к качеству взрывного дробления горных пород
- Исследования распределения кусковатости горных пород
- Эффективность применения различных типов ВВ на карьерах
- Расчет параметров БВР на заданную степень дробления
Введение к работе
Актуальность темы. При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом более 70% всего объема добычи скальных и полускальных пород на карьерах черной, цветной металлургии и карьерах строительных материалов производится с применением буровзрывных работ.
' Качество взрывного дробления горных пород определяет производительность горнотранспортного оборудования и зависит от свойств взрываемого массива и технологии производства взрывных работ.
Анализ технологии взрывных работ на карьерах Южного Урала показал, что параметры буровзрывных работ для различных по физико-механическим свойствам пород практически не отличаются. В среднем сетка скважин составляет 6x6 м, а линия сопротивления по подошве 7 м. Для бурения взрывных скважин применяются станки шарошечного бурения СБШ-250МН с диаметром долота 243 мм, а при взрывании наибольшее распространение получили аммиачно-селитренные
,вв. .';'' / ."' ; ;', "'.-'.., .;';. ,:.;, -."л'>. ?'-;''
На ряде карьеров для повышения качества взрывного дробления неоправдан-но увеличивают удельный расход ВВ до 1,2-1,5 кг/м , при этом выход негабарита остается высоким и достигает 10-15%.
Получение горной массы требуемой крупности с минимальными затратами материальных ресурсов может быть достигнуто на основе установления рационального удельного расхода энергии ВВ, обеспечивающего ее максимальное использование на дробление горных пород. В этом случае сокращаются потери энергии зарядов ВВ на бесполезные формы работы взрыва, максимально повышается его дробящее действие в среде.
Поэтому задача регулирования качества взрывной подготовки горных пород за счет установления рационального удельного расхода энергии ВВ является актуальной.
Объектом исследования диссертации является взрывная подготовка горных пород к выемке на карьерах экскаваторами с емкостью ковша 5 м3.
Предмет исследования - зависимость показателей технологической эффективности от удельного расхода энергии ВВ в породах различной блочности.
Цель работы - повышение эффективности использования энергии взрыва на дробление горных пород путем установления рациональных энергозатрат, обеспечивающих требуемую степень дробления горных пород.
Идея работы. Необходимая степень взрывного дробления пород различной блочности достигается изменением удельного расхода энергии ВВ с учетом его энергетических и детонационных характеристик.
Методы исследования. Анализ и обобщение результатов выполненных экспериментальных и теоретических исследований; аналитические и графоаналитические расчеты; использование методов математической статистики и теории вероятности.
Защищаемые научные положения:
Качество взрывного дробления необходимо оценивать не только средним размером куска, но и логарифмической дисперсией распределения гранулометрического состава взорванной горной породы, величина которой определяется блочностью взрываемого массива и составляет для пород первой категории тре-щиноватости 0,58-0,70, для пород второй и третьей категорий - 0,70-1,19, а для пород четвертой категории -1,19-1,70.
Регулирование степени взрывного дробления пород различной блочности удельным расходом энергии ВВ рационально производить на восходящей ветви зависимостей показателей технологической эффективности от энергетических параметров взрывных работ, определяемых энергетическими и детонационными характеристиками применяемых ВВ.
Взрывание на подпорную стенку позволяет повысить качество взрывного дробления горных пород, а ее ширина и параметры взрывных работ определяются типом применяемого ВВ. Причем для условий Агаповского месторождения известняков при применении бризантных ВВ рациональная ширина подпорной стенки находится в пределах 15-22 м, а для высокобризантных 10-12 м.
Достоверность научных положений, выводов и результатов работы подтверждается большим объемом обработанной и проанализированной исходной информации; согласованностью теоретических положений с результатами экспериментальных исследований; совпадением результатов исследований с выводами других авторов; положительными результатами экспериментальных взрывов.
Научная новизна результатов исследований:
Установлено, что логарифмическая дисперсия распределения гранулометрического состава для пород первой категории трещиноватости изменяется в пределах 0,58-0,70, второй и третьей - 0,70-1,19, а четвертой -1,19-1,70.
Определены пределы выходов классов крупности для пород различных категорий трещиноватости (блочности) в зависимости от среднего размера куска.
Установлено, что существует область рационального удельного расхода энергии ВВ, при котором поток энергии заряда ВВ, распространяющийся в горной породе, максимально используется на дробление.
Применение подпорной стенки позволяет повысить степень взрывного дробления среднеблочных горных пород за счет увеличения удельного расхода энергии ВВ при применении бризантных ВВ до 3-5, а для высокобризантных до 4.
Производительность выемочно-погрузочного оборудования при одном и том же среднем размере куска взорванной горной массы, но различной логарифмической дисперсии распределения гранулометрического состава отличается на 10-20 %.
Практическая значимость:
Установлено, что качество взрывного дробления необходимо оценивать не только средним размером куска, но и логарифмической дисперсией распределения гранулометрического состава взорванной горной породы.
Установлена область рационального применения промышленных ВВ в зависимости от блочности взрываемого массива горных пород и требуемой степени дробления.
Определена рациональная область изменения ширины подпорной стенки для различных типов ВВ для условий Агаповского месторождения известняков.
4. Разработана программа расчета параметров буровзрывных работ на заданную степень дробления в зависимости от блочности горных пород и применяемого типа ВВ.
Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований, формировании основных выводов и рекомендаций работы.
Реализация работы. Результаты исследований базируются на экспериментальных исследованиях, проведенных на карьерах ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (Малый Куйбас, Восточный, Агаповский, Лисьегорский) и положены в основу рекомендаций и технических решений по проектированию параметров буровзрывных работ на карьерах.
Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на ежегодных научных симпозиумах «Неделя горняка - 2001, 2003, 2004, 2005, 2006» (Москва); на юбилейной научно-практической конференции «Экологическая наука на службе производства» (20-21 августа 1998 г., Пермь); на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (1999 г., Красноярск); на научно-технических семинарах факультета горных технологий и транспорта МГТУ; на заседаниях кафедры ОРМПИ МГТУ.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 40 таблиц, список литературы из 113 наименований и приложения на 9 страницах.
Технологические требования к качеству взрывного дробления горных пород
Взрывные работы являются практически единственным способом подготовки к выемке скальных и полускальных пород мехлопатами. Качество дробления горной массы в забое определяет производительность горного оборудования и эффективность всех основных технологических процессов. Степень и характер этого влияния зависит от типа применяемого оборудования, технологических схем и горно-геологических условий эксплуатации данного месторождения.
Кусковатость взорванных горных пород, исходя из производительности процессов экскавации и последующего механического дробления, должна быть оптимальной. Область оптимальной кусковатости горной массы оценивается размерами максимально допустимого (d„) и среднего размера куска взорванной породы (dcp). Величина максимально допустимого куска определяется видом и мощностью горно-транспортного оборудования (табл. 1.2). Таблица 1.2 - Величина максимально допустимого размера куска [88]
Практический опыт и научные исследования показывают, что при использо-вание мехлопат с емкостью ковша Е=4- 8 м в комплексе с автосамосвалами грузоподъемностью q=27+50 т или железнодорожным транспортом при думпкарах грузоподъемностью q=100 т для легко- и средневзрываемых пород оптимальный размер куска взорванной горной массы согласно [88]: ,,=(0,15 + 0,20) (1.1)
Основной задачей взрывных работ на карьерах является получение гранулометрического состава, обеспечивающего высокую производительность горнотранспортного оборудования.
Разрушенные взрывом горные породы по кусковатости, определяемой средним линейным размером куска, подразделяются на пять категорий (табл. 1.3) [45]. Анализ работы экскаваторов показывает на закономерный характер изменения производительности добычных машин от кусковатости взорванных горных пород, подготовленных к выемке. Продолжительность черпанья находится в прямой зависимости от качества взрыва, характеризуемого выходом негабарита, средним размером куска взорванной горной массы и параметрами развала. Зависимость производительности экскаватора от диаметра среднего куска для карьеров ЮГОКа [ 16] показана на рис. 1.1. На качество взрывного дробления горных пород, согласно [45], влияет группа факторов: 1) физико-механические свойства и, особенно, трещиноватость массива горных пород; 2) число обнаженных поверхностей; 3) удельный расход ВВ и характер его распределения в массиве (тип и конструкция заряда, расстояние между ними и т.п.) 4) свойства взрывчатого вещества и, в первую очередь, его энергия; 5) способы и последовательность взрывания (мгновенное, замедленное и ко-роткозамедленное).
При взрывной подготовке горных пород требуемое качество напрямую зависят от ряда факторов, которые условно можно разделить на две группы: природные, технологические
К природным факторам относятся свойства взрываемого массива, а к технологическим - параметры буровзрывных работ. Физико-технические свойства горных пород определяют взрываемость массива горных пород. Взрываемость - характеристика сопротивляемости горной породы разрушению действием взрыва. Взрываемость массива горных пород находится в тесной связи с прочностью, вязкостью, плотностью и трещиноватостью массива. Г.П. Демидюк [24] выделяет следующие группы свойств в порядке, отражающем уровень влияния: 1. прочностные свойства породы, обусловленные главным образом силами сцепления и характеризуемые сопротивлением сжатию, растяжению и сдвигу; 2. сжимаемость и пористость, увеличивающие потери энергии на пластические деформации; 3. вязкость, повышающая энергоемкость разрушения; 4. плотность, определяющая энергозатраты на преодоление сил инерции; зернистость, слоистость, сланцеватость и кливажность, характеризующие количество макро- и микродефектов в массиве; трещиноватость, облегчающая разрушение массива, но препятствующая дроблению крупных отдельностей.
Прочностные свойства горных пород оцениваются следующими параметрами: пределами прочности при сжатии, растяжении и сдвиге, сцеплением, углом внутреннего трения и находятся в прямой взаимосвязи с коэффициентом крепости (f) - одним из важнейших горно-технологических показателей. Зависимость прочности и коэффициента крепости отражена М.М. Протодьяконовым [94], который предложил использовать понятие "крепость пород", характеризующее способность пород сопротивляться разрушению под действием внешних воздействий.
Корреляционная связь между взрываемостью массива и коэффициентом их крепости отмечается в работах [14, 32, 95, 97]. В общем случае с увеличением прочности породы требуется больше затрат энергии ВВ на разрушение.
Плотностные свойства горных пород определяются плотностью и пористостью. С увеличением плотности пород увеличиваются затраты энергии, идущей на дробление и особенно на перемещение породы.
Существенное влияние на процесс разрушения оказывают упруго-пластические свойства горных пород. В частности пластичность увеличивает энергоемкость дробления и измельчения пород и, как следствие, для разрушения пластичных пород требуется увеличенный расход ВВ.
Разрушение горных пород может быть как хрупким, так и пластичным, что зависит от внутреннего строения среды, характера и условий возникновения и распространения трещин, скорости нагружения и скорости деформаций [67].
Наиболее трудно поддаются разрушению породы, имеющие высокую прочность и большую зону пластической деформации. Такие породы являются вязкими.
Исследования распределения кусковатости горных пород
Несомненная корреляционная связь имеется также между выходом негабарита и производительностью труда при вторичном дроблении. Однако эта связь гораздо менее стабильна (велик разброс точек из-за большого числа влияющих факторов), вследствие чего вряд ли имеет смысл рассматривать оценку по уровню производительности труда (или по суммарным затратам труда) как метод измерения кусковатости и включать такой метод в классификацию. В то же время следует подчеркнуть, что общая оценка качества дробления ископаемого при взрывной отбойке от массива по затратам труда на вторичное дробление или по уровню производительности труда при выпуске имеет важное производственное значение и широко применяется в практике.
Вторую группу косвенных методов определения кусковатости составляют методы, основанные на измерениях в условиях эксперимента параметров, зависящих от кусковатости. Таким параметром может служить, например, коэффициент разрыхления, на величину которого оказывает существенное влияние крупность материала. Для тонкодисперсных материалов детально разработаны методы определения дисперсности, например по величине воздушной проницаемости, по количеству адсорбируемого вещества (адсорбционные методы) и др. Для кускова-тых материалов методы данной группы пока не применяются, но разработку их следует считать, по нашему мнению, весьма перспективным направлением. Критериями кусковатости при использовании рассматриваемых методов могут являться либо интегральные характеристики, либо показатели крупности среднего куска.
Перечисленные методы измерения кусковатости иногда применяют совместно, сочетая при этом методы разных классов, разных групп или отдельных разновидностей внутри одной группы. В этих случаях можно говорить об измерении кусковатости тем или иным комбинированным методом. Поскольку комбинации такого рода могут быть разнообразными, а применяют комбинированные методы довольно редко, выделять их при классифицировании в отдельный класс нецелесообразно. Такое выделение, не внося ничего нового по существу, только усложнило бы классификацию и сделало ее более громоздкой. Оценивать кусковатость можно различными характеристическими показателями-критериями кусковатости. Понятие критерия кусковатости обязательно предполагает использование какого-либо численного показателя. Этим оценка по критериям отличается от общей качественной оценки кусковатости.
Критерии кусковатости могут быть простыми, если используется один численный показатель, и сложными, если используется комплекс из нескольких таких показателей.
В зависимости от целевого назначения и применяемого способа измерений в качестве критерия кусковатости используют [5]: 1) параметры, характеризующие крупность единичного куска: а) среднего; б) максимального; 2) параметры, характеризующие отдельные фракции: а) негабарит; б) мелочь; в) фракции кондиционных размеров; 3) параметры, характеризующие кусковатую смесь в целом (интегральные характеристики): а) безразмерные или относительные; б) имеющие физические размерности. К числу безразмерных критериев относятся: 1. степень дробления (измельчания); 2. показатель разномерности дробления; 3. показатель кондиционности дробления.
Степенью дробления называется соотношение средних размеров кусков до и после дробления. Применительно к дробилкам степенью измельчения принято называть соотношение размеров приемного и разгрузочного отверстий дробилки.
Степень измельчения широко используют для относительных оценок изменений кусковатости в практике обогащения полезных ископаемых. А.В. Коваженков предложил определять степень дробления при взрывной отбойке как соотношения между радиусом разрушения (длиной линии наименьшего сопротивления (ЛНС)) и размером среднего куска.
Следует заметить, что использование такого безразмерного показателя, как степень дробления, для оценки кусковатости при взрывной отбойке сопряжено с рядом неудобств. Используют этот показатель, как правило, только при исследовательских работах. Наиболее благоприятная область его применения - оценка кусковатости при вторичном дроблении или при взрывании блоков, широко применяемом в настоящее время в исследованиях по вопросам взрывного разрушения горных пород в нашей стране и за рубежом.
Существенное значение приобретает показатель степени дробления или критерий кусковатости при оценке величины энергии, затраченной на дробление, по гипотезе Кирпичева - Кика. Согласно этой теории, энергия, требующаяся для производства, аналогичных изменений в очертании геометрически подобных тел одинакового технологического состава, изменяется пропорционально объемам этих тел.
Эффективность применения различных типов ВВ на карьерах
В современных условиях на карьерах качество взрывного дробления регулируется за счет изменения удельного расхода ВВ. В большинстве случаев повышение удельного расхода не дает желаемого эффекта, а зачастую ухудшает качество взрывной подготовки. Повышение удельного расхода должно сопровождаться взрыванием на подпорную стенку.
Взрывание на подпорную стенку является одним из методов повышения эффективности действия взрыва. Наличие преграды из взорванной горной массы уменьшает боковое смещение взрываемого массива в период разрушения, что способствует уменьшению скорости смещения взрываемого массива в горизонтальной плоскости, за счет чего увеличивается продолжительность действия взрыва на среду и повышается коэффициент полезного использования энергии взрыва. В этом заключается физическая сущность взрывания в зажатой среде.
Эффективность метода взрывания в зажатой среде проявляется только при многорядном короткозамедленном взрывании и наличии не менее четырех-пяти рядов скважин (рис. 3.14).
Взрывание в зажатой среде, кроме значительного улучшения качества дробления пород, по сравнению с взрыванием на открытую боковую поверхность уступа, имеет следующие достоинства: создает благоприятные условия для управления величиной развала горной массы и ее формой; обеспечивает независимость процессов бурения и взрывания от экскавации и транспорта; полностью ликвидирует такой трудоемкий процесс, как путепереукладочные работы в забое перед массовым взрывом; уменьшает непроизводительные простои экскаваторов и создает предпосылки для повышения их производительности; позволяет уменьшить число взрывов и увеличить объемы одновременно отбиваемой горной массы.
По М.Г. Новожилову и М.Д. Друкованному [49, 69] метод взрывания с подпорной стенкой весьма полезен в породах, обладающих развитой трещиновато-стью и пористостью.
Согласно [69, 71,109], разрушение горных пород при взрывании с подпорной стенкой идет, в основном, от скважины к поверхности уступа.
Подпорная стенка из неубранной горной массы рассматривается как дополнительная связь, которая регулирует распределение энергии взрыва по формам работы в трех фазах. В первой фазе разрушения связь должна ограничивать пере мещение. Во второй фазе разрушения связь должна способствовать развитию трещин в массиве. Для развития трещин необходим приток энергии в виде волн напряжений. Чтобы волна напряжения дошла в удаленные зоны, необходимо препятствие раскрытию трещин.
В третьей фазе связь должна обеспечить минимальный развал взорванной горной массы. Авторами [69] для расчета массы подпорной стенки предложена зависимость: где m - масса подпорной стенки; у - плотность среды; С - скорость распространения возмущений в материале; nVcp - средняя скорость процесса трещинообразования.
Недостатком расчетной формулы (3.28) является то, что в ней не учитываются силы сопротивления отрыву и возникают значительные трудности в определении средней скорости процесса трещинообразования.
Е.М. Каипов отмечает [36], что ширина подпорной стенки оказывает значительное влияние на кусковатость взорванной горной массы при значениях В=(0,5-0,6)W в легко и средневзрываемых породах и B=(1,25-2,5)W при трудновзрывае-мых породах (средний размер естественной отдельности с!е=0,627-0,818м). При этом степень дробления с подпорной стенкой улучшается при увеличении среднего расстояния между естественными трещинами в легковзрываемых породах (0,44-0,50м) - до 11%, в средневзрываемых (0,51-0,80м) - до 15%, в трудновзры-ваемых (1,27-1,45м) - до 36%.
Кроме того, увеличение q и В в большей степени влияет на выход фракций -400мм. С уменьшением требуемого dcp степень влияния q и В на кусковатость увеличивается.
Расчет параметров БВР на заданную степень дробления
1. Для условий Агаповского карьера известняков определена область применения промышленных ВВ в зависимости от блочности взрываемого массива и требуемой степени дробления и произведена экономическая оценка эффективности их применения;
2. Установлено, что производительность выемочно-погрузочного оборудования зависит не только от степени взрывного дробления, но и от естественной блочности взрываемого массива и для пород различной блочности может различаться на 10-20%;
3. Определены параметры буровзрывных работ для условий Агаповского известнякового карьера на заданную степень дробления в породах различной блочности при применении различных типов ВВ.
4. Установлено, что при увеличении степени дробления горных пород различной блочности при применении бризантных ВВ экономическая эффективность повышается, а при использовании высокобризантных ВВ сначала повышается, но достигнув максимума начинает снижаться;
5. Внедрение рациональных параметров ЛСПП и сетки скважин при взрывании на подпорную стенку позволит получить экономический эффект за счет увеличения производительности выемочно-погрузочного оборудования при взрывании гранулотолом до 1,2 млн. руб. в год, гранипором до 6,2 млн. руб. в год, грам-монитом 79/21 до 12 млн. руб. в год.
В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи - регулирование качества взрывной подготовки за счет установления рационального удельного расхода энергии ВВ.
На основании выполненных исследований получены следующие основные научные и практические результаты:
1. Качество взрывного дробления, кроме среднего размера куска, необходимо оценивать логарифмической дисперсией распределения гранулометрического состава;
2. Логарифмическая дисперсия распределения гранулометрического состава для пород первой категории трещиноватости изменяется в пределах 0,58-0,70, второй и третьей - 0,70-1,19, а четвертой -1,19-1,70;
3. Получена зависимость выходов классов крупности для пород различных категорий трещиноватости в зависимости от среднего размера куска;
4. Установлено, что существует область рационального удельного расхода энергии ВВ, при котором поток энергии заряда ВВ, распространяющийся в горной породе, максимально используется на дробление. Параметры буровзрывных работ должны соответствовать необходимому удельному расходу энергии ВВ, рациональная область которой определяется свойствами пород и взрывчатыми характеристиками ВВ;
5. Регулирование степени дробления величиной удельного расхода энергии ВВ ограничено блочностью горных пород и свойствами ВВ, и для условий Ага-повского карьера в зависимости от блочности применение гранулотола позволяет достичь степени дробления 2,4-4,6, гранипора - 2,3-3,9, а граммонита 79/21 - 2,2-3. Область рационального применения промышленных ВВ зависит от блочности взрываемого массива и требуемой степени дробления;
6. Повышение степени и качества взрывного дробления может быть достигнуто применением подпорной стенки, ширина которой определяется типом применяемого ВВ;
7. Установлено, что для каждого типа ВВ существует область рациональной ширины подпорной стенки, позволяющая увеличить степень взрывного дробления для гранипора до 4, а для граммонита 79/21 - до 3-5;
8. Рациональная ширина подпорной стенки кроме степени дробления определяется шириной заходки и для экскаватора ЭКГ - 5А составляет при использовании гранул отола 10 -12 м, гранипора 15 -16 м и граммонита 79/21 18 - 22 м при пятирядном взрывании;
9. Внедрение рациональных параметров ЛСПП и сетки скважин при взрывании на подпорную стенку позволит получить экономический эффект за счет увеличения производительности выемочно-погрузочного оборудования до 19 млн. руб. в год.
