Введение к работе
Актуальность лроблемн. Развитие горнодобывающей промышленности сегодня тесно связано с созданием систем- автоматизированного проактировашя и управления, внедрение которых сдерживается низким уровнем математического описания и моделирования технологических процессов. К ведущим процессам горного производства относится взрывное дробление пород и полезных ископаемых. Этот процесс представляет собой преобразование гранулометрического состава естествонннх отдельностей, слагающих взрываемый массив, в гранулометрический состав взорванной горной массы, т.е. формально является некоторым преобразованием функций. Следовательно, изучение закономерностей дробления, прогнозирование результата и управление процессом основывается на возможности математического описания гранулометрического состава и его преобразования,включающего природные и технологические факторы. В связи с этим приобретает актуальность разработка теоретических положений, составляющих основу аналитической гранулометрии - нового перспективного направления в исследовании процессов дробления.
Практическую часть работы составляют результаты исследований, выполненных при непосредственном участии автора в рамках региональных программ "Сибирь" АН СССР (подпрограмма "Уголь Кузбасса") и'"Кузбасс Минвуза РСФСР в соответствии с планом научно-исследовательских работ Кузбасского политехнического института в период К75-І989 гг. U& ГР 79078225, 79050523,79022302, 77022301, 1850074963, 81068979, 01850074964).
Ilejcb исследования, - обеспечить эффективный прогноз гранулометрического состава горной массы по известной естественной блоч-ности взрываемого массива и заданным технологическим параметрам взрыва.
Идея работу заключается в использовании вероятностного закона распределения диаметра кусков изучаемой совокупности для построения обобщенной функции гранулометрического состава.
Задачи доследования:
построить обобщенную функцию гранулометрического состава смеси по .пбо-'.у свойству (числу кусков, их суммарной длине, площади поверхности, объему и т.д.);
последовать гранулометрические характеристики в операциях усреднения и смепгавания совокупностей с различным гранулометрическим составом;
- дать математическое доказательство правомерности постулирования геометрического подобия кусков в гранулометрических расчетах;
разработать методику проведения гранулометрического анализа в условиях неполной информации об изучаемой совокупности кусков, исключающую искажения гранулометрических характеристик;
исследовать гранулометрический состав естественных от-дельностей в породных масоивах с различными типами трощиноватости во взаимосвязи с технологической классификацией пород по естественной блочности;
разработать математическую модель прогнозирования гранулометрического состава взорванной горной массы по основным технологическим параметрам взрыва и естественной блочности взрываемого массива;
найти долю раздробленных включений, содержащихся в породном массиве, в зависимости от распределения их размера и параметров взрывания;
разработать методику расчета рационального соотношения объемов взрывного и механичеокого дробления пород в -условиях циклично-поточной технологии разработки месторождений с применением конвейерного транспорта и дробильно-грохотильных комплексов.
Мотоды исследований. При построении обобщенной функции гранулометрического состава, исследовании операций усреднения и смешивания, доказательстве правомерности постулирования геомэтричес-кого подобия кусков использованы мотоды вероятностно-статистического моделирования. Для решения задач гранулометрии в условиях неполной информации об изучаемой совокупности кусков примонены _ методы восстановления геометрических свойств трохмарных объектов по их случайным .сечениям и проекциям на фотоллаиограммо.
Естественная блочность породных массивов исследована с позиций теории случайных разбиений пространства с привлечением обширного статистического материала, полученного замерами параметров, трощиноватости на-естественных обнажениях и технологических уступах. При исследовании влияния параметров Езрыва и блочности массива на гранулометрический состав 'взорванной горной массы использованы методы планирования эксперимента и факторного анализа.
Взрывное дробление крепких включений, содержащихся в породном массиве, исследовано катодами теории случайных покрытий и геометрических вероятностей. При разработке методики расчета раико-
нального соотношения объемов взрывного и механического дроблепи/ пород в условиях циклично-поточной технологии использована методы рэиогшя ептпмизацяотпес задач и технико-экономического анализа. Научные пологония. защищаемые в диссертации:
вероятностный закон распределения диаметра кусков изучав- . мой совокупности является достаточной основой для аналитического построения обобщенной функции гранулометрического состава по лго-' бому определяющему свойству;
средние характеристики крупности при любых инвариантах усреднения язляются простейшими функцияш начальных моментов распределения диаметра кусков, а характеристики смешанной совокупности - линейными комбинациями смешиваемых компонент;
постулирование геометрического подобия кусков изучаемой смеси не отражается на точности гранулометрических расчетов;
диаметр проекции куска на фотопланограмме взорванной породы является случайной симметрично распределенной долей диаметра самого куска, что приводит к необходимости корректировга: гранулометрических характеристик;
диаметр естественных отдельностей трещиноватого породного массива обладает практически постоянным коэффициентом вариации,
а его эмпирические распределения адекватно аппроксимируются одно-параметрическими законами;
прогнозирование гранулометрического состава .взорванной горной массы основывается на установлении соотношения меяду средневзвешенным по площади поверхности диаметром структурных блоков массива и аналогичной характеристикой продуктов дробления;
при взрывании крепких включений, содержащихся в породном массиве, доля раздробленных включений зависит от параметров распределения их диаметра и размеров сетки скважинных зарядов;
в условиях циклично-поточной технологии производительность дробильно-грохотильного комплекса и приведенная стоимость разработки определяется гранулометрическим составом взорванной горной массы.
Научная новизна работы заключается: „
в построении обобщенной Функции гранулометрического состава на основе закона распределения диаметра кусков смеси;
в вероятностном моделировании операций усреднения и смешивания совокупностей кусков;
в строгом доказательстве правомерности постулирования гоо-
.метрического подобия кусков в гранулометрических расчетах;
в разработке методики корректировки гранулометрических характеристик при использовании фотопланограмм взорванной породы;
в гранулометрическом анализе естественной блочности породного массива с позиций теории случайных разбиении пространства;
" - в разработке математической модели, позволяющей прогнозировать не только средние характеристики крупности, но и весь гранулометрический состав взорванной горной массы;
в установлении закономерностей взрывного дробления крепких включений, содержащихся в породном массиве, с использованием методов теории случайных покрытий и геометрических вероятностей;
в разработке методики расчета рационального соотношения объемов взрывного и механического дробления пород при циклично-поточной технологии.
Достоверность научных положений подтверждается:
статистическим анализом результатов измерений параметров трещиноватооти вскрышных пород угольных месторождений с широкой вариацией литолого-петрографических и прочностных свойств;
экспериментальными исследованиями гранулометрических характеристик горной массы по 150 промышленным взрывам в широком диапазоне изменения технологических параметров взрывания и естественной блочности породных массивов;
сходимостью расчетных значений функции гранулометрического состава горной маосы о экспериментальными значениями, полученными оптовым анализом;
использованием результатов исследований на угольных предприятиях концерна "Кузбасоразреэуголь" в IS75-I989 гг., в материалах проектных институтов "Сибгипрошахт" и "Кузбассгипрошахт", в отраслевых нормативно-методических документах.
Личнай вклад автора заключается:
в аналитическом построении обобщенной функции гранулометрического состава по любому определяющему свойству кусков изучаемой совокупности;
в установлении взаимосвязи между средними характеристиками крупности при различных инвариантах усреднения и начальными моментами распределения диаметра кусков, а также между гранулометрическими характеристиками смешанной совокупности и аналогичными характеристиками смешиваемых компонент;
в математическом доказательстве правомерности постулнрова-
кия геометрического подобия кусков при провздении гранулометрических расчетов;
в разработке методики корректировки гранулометрических характеристик при использовании фотопладиметрической информации о кусковатости изучаемой смеси;
в гранулометрическом анализе естественной блочности пород-пых массивов методами теории случайных разбиений пространства;
в разработке прогнозно!! модели гранулометрического оостава взорвагагой горной масец;
в установлении закономерностей взрывного дробления крепких включений, содержащихся в породном массиве, методами теории случайных локритий и геометрических вероятностей;
в разработке методики расчета рационального соотношения объемов взрывного п механического дробления пород при циклично-поточной технологии.
Практическое значение. Полученные в работе гранулометрические характеристики породних массивов используются в качестве основных призпаков в технологической классификации вскрышшх пород угольных разрезов, которая является отправным пунктом при проектировании параметров буровзрывных работ. Построенная прогнозная модель дробления служит основой расчета технологических параметров взрывания, обеспечивающих требуемую кусковатость взорванной породи и эффективность последующих производственных процессов. Разработанная методика расчета рацпонального соотношения объемов взрывного п механического дробления пород при циклично-поточной технологии позволяет определять оптимальную производитолыгость дробильного комплекса. Результаты исследоваїшя взривного дробления кропких включений, содержащихся в породном массиве, открывают путь к управлению этим процессом. Дальнейшее практическое применение полученных результатов исследования моаот быть связано с разработкой некоторих компонент математического обеспечения систем автоматизированного проектирования и управления технологическими процессами горного производства, связанными с дроблением пород и полезных ископаемых.
Реализация работы. Результаты исследований включена:
- в нормативные руководства "Временная методика расчета па
раметров взрывной отбойки пород на угольних разрезах" (ИГД имени
Л.А.Сгсочінюі.ого, .., 1976); "Руководство по прогнозу структурно-
. 8
прочностных свойств вскрышных пород разрезов Кузбасса" (п/о "Ке-ыеровоуголь", 1980); Методическое руководство по выбору схем ведения взрывных работ на угольных разрезах с учетом физико-механических свойств пород и использования средств механизации" (НИИОГР, Челябинск, 1981);
- в учебные пособия "Технологические свойства пород угольных разрезов" (КузПИ, Кемерово, 1975); "Взрывная подготовка, пород в углепасыщэиной зоне" (КузПИ, Кемерово, 1979); "Оптимизация параметров взрывной подготовки пород на угольных разрезах" (КузПИ, Кемерово, 1881).
Апробация работа» Основные результаты работы докладывались: на УІ Всесоюзной конференции "Комплексные исследования физически* свойств горных пород и процессов" (Москва, 1977); па конференции' "Технический прогресс на открытых горных работах Кузбасса" (Кемерово, 1984); на Всесоюзной научной конференции "Научно-технический прогресс в области буровзрывных работ на разрезах" (Челябинск, 1986); на конференции "Социально-экономические и научно-технические проблемы интенсификации на открытой угледобыче Кузбасса" (Кемерово, 1987), на ежегодных научных конференциях Кузбасского политехнического института, на техсоветах концерна "Кузбассразрезуголь", разрезов Кузбасса, проектных институтов "Сибгипрошахг", "Кузбассгипрошахт".
-Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в трех монографиях и II научных статьях.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, шесть глав, заключение и приложение, изложена на 250 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 49 рисунков и список t . литературы из 210 наименований.-