Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и обоснование направления исследований
1.1. Анализ современного состояния добычи гранитов в России и за рубежом 6
1.2. Закономерности распределения трещинной тектоники в массивах облицовочных гранитов 9
1.3. Анализ способов и технологических схем добычи гранитных блоков 13
1.4. Современные критерии разрушения горных пород 24
1.5. Цели и задачи работы 34
2. Критерии эффективных условий разрушения природного камня алмазно-абразивным инструментом
2.1. Условия оптимизации процесса подготовки объемов камня к выемке канатно-алмазными пилами 36
2.2. Энергетические критерии оценки взаимодействия системы «горная порода - инструмента» 37
2.3. Определение энергоемкости и коэффициента разрушения материала породы 41
Выводы 46
3. Исследование рациональных силовых режимов в зависимости от энергоемкости поверхностного разрушения прочных горных пород алмазно-абразивным инструментом
3.1. Исследование и экспериментальное обоснование значения энергоемкости гранитов 47
3.2. Классификация прочных горных пород по трудности поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом 52
3.3. Экспериментальное определение рациональных режимов разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом 56
3.4. Взаимосвязь рационального силового режима распиловки горных пород с характеристикой инструмента и физико- механическими свойствами разрушаемой породы 65
Выводы 72
4. Обоснование технологических параметров добычи гранитных блоков канатными пилами
4.1. Исследование взаимосвязи геометрии и канатного пиления со временем протекания процесса резания 73
4.2. Технико-экономическое обоснование высоты добычного уступа при канатно-алмазной добычи 83
4.3. Взаимосвязь геометрических размеров добываемых блоков с распределением межтрещинных расстояний в массиве 85
4.4. Технологические схемы и параметры систем разработки гранитных месторождений канатно-алмазными пилами 93
4.5. Экономический анализ вариантов разработки месторождений гранита 104
Выводы 117
Заключение 119
Библиографический список 121
- Закономерности распределения трещинной тектоники в массивах облицовочных гранитов
- Энергетические критерии оценки взаимодействия системы «горная порода - инструмента»
- Классификация прочных горных пород по трудности поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом
- Взаимосвязь геометрических размеров добываемых блоков с распределением межтрещинных расстояний в массиве
Введение к работе
В настоящее время на карьерах по добыче гранита используются следующие основные способы подготовки горной массы к выемке: механические, взрывные, термические [43,45]. Взрывной способ отделения объемов камня от массива является одним из самых распространенных на современных карьерах облицовочного камня группы гранитов. При этом глубина нарушения готовых блоков микротрещинами достигает 100 мм [79,81]. При механических способах отделения, а именно: раскол с помощью механических и гидравлических клиньев, гидрорасклывающих устройств (ГРУ), сплошное обуривание массива, применение невзрывчатых разрушающих составов и смесей (НРС), наблюдается меньшее проникновение трещин, порядка 50 мм. Разрушение породы термическим способом происходит в результате её температурного нагрева и возникновения разности напряжений в отдельных её слоях. Однако высокая эффективность термического резания наблюдается в породах с высоким содержанием кварца - выше 30 %. Как следствие все вышеперечисленные способы имеют ряд недостатков, таких как: большие потери сырья при подготовке и выемке блоков, достигающих в отдельных случаях 90 %, высокая доля немеханизированного труда и крайне низкая производительность. Поэтому производительность большинства современных карьеров по добыче гранитов в отдельных случаях не превышает 1000 - 1500 м7год.
Применение канатно-алмазного инструмента при подготовке к выемке гранитных блоков устраняющего вышеперечисленные недостатки, как правило, оказывается неэффективно из-за большого расхода дорогостоящего алмазного инструмента [105-111]. Вместе с тем, в мировой практике имеется заслуживающий массового использования опыт эффективного применения канатно-алмазного инструмента при добыче гранита, широкое внедрение которого сдерживается отсутствием научно-обоснованных режимных параметров и технологических показателей распиловки прочных пород (гранитов) гибким режущим инструментом.
Определение оптимальных технологических параметров процесса подготовки гранитных блоков к выемке канатно-алмазными пилами, которые позволят снизить расход алмазного инструмента, - актуальная научно- техническая задача.
Теоретические и экспериментальные исследования воздействия алмазного инструмента на массив горных пород освещены в работах В.А. Александрова [3,4], К.С. Варданяна [18-20], Н.К. Вересова [21,22], А.Ф. Кичигина [48-50], Г.Д. Першина [70,71,76,77] и др.
Процессам, технологии и механизации добычи блочного камня посвящены работы Н.Т, Бакки [8,9,44,45], Ю.Г. Карасева [37,38,40,43-45], А.И. Косолапова [54,55], Г.Д. Першина [69,72,73], Б.Г. Ракишева [81], В.В. Ржевского [82,83] и др., являющиеся основой дальнейших изысканий по совершенствованию добычи природного камня.
В свете поставленной задачи была сформулирована цель работы заключается в обосновании оптимальных технологических параметров подготовки гранитных блоков к выемке канатно-алмазными пилами, обеспечивающих минимум удельных эксплуатационных затрат на отделение объемов камня от массива.
Основная идея работы состоит в учете и поддержании оптимальных энергосиловых режимов распиловки гранитов алмазно-абразивным инструментом.
Результаты работы могут быть использованы при составлении рекомендаций и технических решений при проектировании предприятий по добыче гранитных блоков.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Закономерности распределения трещинной тектоники в массивах облицовочных гранитов
Изучению процесса взаимодействия алмазно-абразивного инструмента с горной породой посвящены работы многих исследователей [2,4,1821,32,50,51,68,85,99,100]. Анализ данных работ показывает на различный подход исследователей при определении основных критериев оценки процесса контактного взаимодействия системы «порода-инструмент». В силу существенного различия теорий, концепций и положений поверхностного разрушения горных пород при алмазной обработке была затруднена объективная оценка (с единых позиций) многих технологических показателей и критериев данного процесса. Отсутствие единого методологического подхода при расчете комплекса взаимосвязанных показателей и критериев процесса сдерживало и создание методик по оценке эффективности применения алмазно-абразивного инструмента в различных технологических схемах камнеобработки.
Работы [71,74], синтезируя многие представления и взгляды на процесс алмазно-абразивной обработки природного камня, дают возможность с единых позиций, на основе энергетического подхода, рассматривать и проводить расчеты энергосиловых параметров, технологических показателей и взаимосвязанных критериев, достаточно характеризующих процесс разрушения горных пород алмазно-абразивным инструментом. В основу единого методологического подхода при расчете критериев положена энергетическая теория, согласно которой алмазно-абразивное разрушение поверхности горной породы характеризуется энергоемкостью материала ЭП и коэффициентом разрушения /л". При этом количественная оценка показателя производительности определяется следящим образом: Производительность распиловки определяют два режимных технологических показателя Ур и ап. Отсюда и существуют два метода влияния на эффективность процесса распиловки: интенсивный метод за счет изменения скорости резания Ур и силовой метод за счет изменения контактного давления ап на породу. 1 - зерна, осуществляющие резание; 2 - зерна, осуществляющие упругопластиче- ские деформации материала; 3 - зерна, не принимающие участия в резании
С увеличением х„ увеличивается число зерен (рис. 3.4), участвующих в резании, что повышает породоразрушающую способность инструмента, однако при этом происходит сближение поверхностей матрицы сегмента и породы (снижение межконтактного зазора) с одновременным ростом объема образующихся в зоне резания продуктов разрушения. Уплотненная разрушенная масса (шлам), находящаяся в межконтактном зазоре, останавливает дальнейший рост производительности распиловки за счет силового метода и приводит к росту усилий трения и потребляемой мощности. Непроизводительные затраты энергии связаны с дополнительным трением, интенсивно изнашивающим металлическую связку алмазных зерен, что в итоге приводит к преждевременному выпадению ещё неотработанных зерен из матрицы сегмента. Повышенный расход алмазного инструмента, особенно это проявляется при резании прочных горных пород, резко повышает затраты на распиловку природного камня и тем самым в целом существенно снижает эффективность применения алмазного инструмента. С другой стороны, недостаточное заглубление зерна в поверхность породы вызывает в основном ее упругую деформацию без хрупкого разрушения. Работая в этом случае в режиме внешнего трения, алмазные зерна изнашиваются о породу на уровне своих микронеровностей и тогда происходит так называемое «заполирование алмазного инструмента» с резким снижением его поро- доразрушающей способности. Отсутствие необходимого количества шлама в межконтактном зазоре не изнашивает металлическую связку и не вскрывает нижерасположенные по торцу матрицы алмазные зерна, что приводит к явлению, получившему название у практиков «засаливание инструмента». Работая в вышеописанном режиме, алмазный инструмент затрачивает практически всю подводимую энергию на непроизводительное трение, не вызывая при этом направленного разрушения поверхности породы. Сделанный выше анализ указывает на возможность и необходимость проведения как аналитических, так и экспериментальных исследований рациональных режимов, силового метода повышения эффективности алмазной обработки природного камня, предотвращающих, с одной стороны, процесс заполи- рования инструмента, с другой — его повышенного расхода.
Исследования [70,71,74] позволили провести комплексную оптимизацию режимов и средств разрушения горных пород в различных технологических процессах, связанных с распиловкой природного камня.
Для численного расчета производительности распиловки по формуле (3.6) необходимо располагать значениями величин /л" и Э„ для каждой конкретной породы. В [74] отмечалось, что экспериментальным путем получить величину коэффициента резания породы л" невозможно, так как не удается практически разрушить пород) алмазно-абразивным инструментом, не затратив при этом непроизводительную часть энергии, связанную с трением.
Для экспериментального определения оптимальных значений силового режима распиловки природного камня алмазно-абразивным инструментом вое- пользуемся утверждением о независимости типа (дисковая, канатная) распиловки на рациональную величину силового режима, и результатами работ [32,50] (рис. 3.5), тверждающими, что изменение скорости резания от 10 до 50 м/с не влияет на рациональный интервал силового режима распиловки. При этом максимально допустимой скоростью резания гранитов [6,18,30,32,50,51,98] является величина 30 м/с.
Энергетические критерии оценки взаимодействия системы «горная порода - инструмента»
Из расчетов вытекает, что чистая текущая стоимость проекта по бурораска- лывающей технологии за 8-ми летний интервал планирования в 2 раза выше, чем по канатно-алмазной технологии. Однако качество блочного камня при подготовке его бурораскалывающим способом существенно ниже. И для достижения качества блоков, сравнимого с блоками, получаемыми при канатно-алмазной технологии, необходима дополнительная доводка, как минимум, трех граней блока [79,89]. В этом случае издержки возрастут ещё на 40-45 %. Либо рыночная цена таких блоков будет ниже на 30-60 % тогда чистая текущая стоимость проекта при бурораскалывающей технологии будет существенно ниже - более чем на 60 % (табл. 4.16).. Рентабельность по бурораскалывающей технологии будет также ниже чем при канатно-алмазной подготовке на 60-75 %.
Таким образом, наиболее эффективной является канатно-алмазная технология. Поскольку она обеспечивает добычу блоков высокого качества при минимальных потерях. Ущерб потерь при бурораскалывающей технологии может составлять порядка 1-1,5 тыс. р. на каждый кубический метр добытого блока.
Чистая текущая стоимость проекта при ставке сравнения 24 % годовых будет, как минимум, на 40-50 % выше чем по бурошпуровой технологии. Внутренняя норма прибыли по канатно-алмазной технологии составит около 40 %. То есть достаточная рентабельность проекта может быть обеспечена при канатно-алмазной технологии, при этом цена товарных блоков 2 класса должна быть не менее 8-9 тыс. р./м\ для блоков 1 класса должна быть на уровне 4,5-5 тыс. р./м . Таким образом, при цене гранитных блоков на внутреннем рынке (табл. 4.14) подготовка объемов камня к выемке канатно-алмазными пилами экономически целесообразна для лабрадорита Головинского месторождения, хибинита Green Star, Гранатового Амфиболита гранитов месторождений Капустинское, Летнереченское, Емельяновское, Танское, Токовское, «Возрождение» и др. На основании установленного факта, что при снижении коэффициента распиловки = + и" + Мтр) форма линии контакта гибкого режущего инструмента приближается по форме к окружности, разработана математическая модель, позволяющая определить геометрические, технологические и энергосиловые параметры канатно-алмазной распиловки в течение всего процесса распиловки. Выявленные закономерности изменения линии контакта гибкого режущего инструмента с породой позволяют проектировать принципиально нового типа установок канатно-алмазного резания с системой постоянного поддержания заданного, рационального силового режима распиловки Установлено, что оптимальное значение высоты отделяемого объема камня от массива канатно-алмазными пилами, обеспечивающее минимум затрат на распиловку согласно разработанной классификации находится в диапазоне: легко добываемые - свыше 2,5 м; средней трудности добычи - 1,2 - 2,5 м; трудно добываемые - менее 1,2 м. Добычу гранитоидов 1, 2 и 3 категорий целесообразно производить по двух стадийной схеме, 4 и 5 категорий - по одностадийной, граниты 6 категории добывать с использованием канатно-алмазных пил нецелесообразно из-за невозможности обеспечения блоков необходимого качества. Определены технологические показатели добычи с применением канатно-алмазных пил гранита Мансуровского месторождения и лабрадорита Головинского месторождения: средняя производительность 1,77 - 2,0 и 2,7 - 4.45 м2/ч, ширина рабочей площадки 24 и 30 м, длина блока-панели 35-40 и 40-45 м соответственно 6. Установлено, что подготовку гранитных блоков к выемке канатно- алмазными пилами экономически целесообразно осуществлять при рыночной цене продукции, составляющей для 1 класса не менее 4,5-5 тыс, На основании выполненных исследований в диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи по обоснованию технологических параметров добычи гранитных блоков канатно-алмазными пилами, что позволяет увеличить выход конечной продукции при минимальных удельных затратах на подготовку. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем: 1. Установлено, что максимальное значение энергетического КПД системы «порода-инструмент», являющегося критерием эффективности алмазно- абразивной распиловки, при добыче гранитов не превышает значений 30 %. Предельная величина экпд достигается выбором рационального показателя силового режима т„, зависящего как от твердости распиливаемой породы, так и от конструктивных особенностей алмазного инструмента. Реализация рационального силового режима обеспечивает минимальный расход дорогостоящего алмазного инструмента и минимальные энергетические затраты на взаимное трение. 2. Проведенными исследованиями выявлено, что энергоемкость высокопрочных пород (гранитоидов), определенная как предельная энергия поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом, находится в диапазоне от 200 до 1300 МДж/м3.
Классификация прочных горных пород по трудности поверхностного разрушения алмазно-абразивным инструментом
Породы группы гранитов распространены во многих районах бывшего СССР. Самые крупные месторождения находятся в границах Украинского и Балтийского кристаллических щитов [8,28,36,63,65]. Гранитные месторождения Украины разделяются по декоративным признакам: мелко-, среднезернистые и порфировидные серые и темно-серые граниты со слабым зеленовато-голубым оттенком (Янцевское, Коростышевское, Жежелевское месторождения), красные средне-, крупнозернистые и порфировидные граниты с розоватым оттенком (Емельяновское, Левниковское, Токовское, Капустинское месторождения). Также гранитные породы широко представлены на северо-западе России (месторождения Рупручейское, Возрождение, Сюскюансаари, Каменногорское), Урале (Сибирское, Головыринское, Мансуровское, Исетское, Суховязевское, Сул- таевское), Сибири (Изербильское, Ушканское, Орленок, Байдановское, Ост- рожское, Широкинское месторождения).
Разнообразие окрасок и оттенков гранитов делают их в архитектурном отношении чрезвычайно ценным материалом. Помимо красивого вида, они обладают ещё и многими практически важными физико-техническими свойствами. Основными из этих свойств являются высокая сопротивляемость процессам выветривания и малая истираемость (в 5-6 раз ниже, чем у мраморов) [28.65], что обеспечивает сохранность облицовочных изделий в течение весьма продолжительного времени. Как показала многовековая практика, срок службы гранитных изделий чаше выше срока службы тех сооружений, в которых они использовались.
Минерально-сырьевую базу природного облицовочного камня России трудно сравнивать с базой любого другого государства мира, однако по сум-
При общем увеличении объемов добычи природного камня в мире видна тенденция роста доли добычи крепких горных пород (рис. 1.2) [104-106].
Горные породы средней прочности (мрамор) В Крепкие горные породы (гранит марным объемам производства облицовочного камня, млн. т/год (рис. 1.1.), Россия занимает место лишь в третьем десятке [14,35,36,53,86,87,92].
При этом темпы роста добычи отстают от темпов роста спроса на продукцию из природного камня, в частности гранитов. При этом время увеличения объемов добычи за счет разведки и отработки новых месторождений миновало, т. е., необходимы решения, позволяющие повысить производительность современных карьеров, которые на данный момент имеют производительность по товарным блокам не более 3,5 тыс. м3/год. (табл. 1.1.)
Рассматривая итоги завершившегося XX века, можно сделать вывод, что никаких принципиально новых методов в добыче гранитных блоков не использовано [1,9]. Так, добыча в основном осуществляется преимущественно буровзрывными способами [15,55,101,102], расширяются масштабы применения бурового оборудования, которое используется для выполнения строчек шпуров, а также сплошных щелей. Отделение камня от массива в этом случае производится с помощью патронированных зарядов низкобризантных ВВ, расширяющихся составов (НРС), гидравлических и механических клиньев. Все четче проявляется стремление уйти от использования взрывчатых веществ на карьерах блочного камня. Перспективными альтернативами этих технологий может стать канатно-алмазная распиловка, масштабы и скорость внедрения которой зависят от результатов совершенствования рабочего контура и канатно- пильного оборудования, способного поддерживать режимы распиловки, отвечающие максимальной износостойкости гибкого рабочего органа.
Таким образом, недостаточное обоснование режимных показателей выпиливания гранитных блоков из массива является сдерживающим фактором дальнейшего широкого использования канатно-алмазного способа добычи, в достоинствах которого сомневаться не приходится.
Особенностью месторождений облицовочного гранита является четко выраженная пластовая отдельность массива, размеры которой в пределах одного месторождения могут изменяться широко - от десятков сантиметров до нескольких десятков метров [8], причем с увеличением глубины залегания увеличивается мощность пласта.
В настоящее время существует несколько классификаций трещин горных пород, из которых наиболее распространена и пригодна для условий облицовочных гранитов генетическая классификация Р. Болка (рис 1.3), согласно которой трещины подразделяются на продольные (5), поперечные (о), первично- пластовые (постельные) () и диагональные ()). Данная классификация наиболее приемлема для массивов изверженных горных пород.
На долю продольных и поперечных трещин в гранитных массивах приходится до 70 % всех трещин, доля диагональных же чрезвычайно мала, порядка 1-2 % [43]. При этом ширина трещин имеет, как правило, небольшую величин}7 раскрытия - до 10 мм, и взаимное расположение систем (XI близко к ортогональном} [42]. Так как продукцией гранитных карьеров являются каменные блоки по форме близкие к параллелепипедной, с размерами, регламентируемыми ГОСТ 9479-98, то размеры добываемого блока должны вписываться в структурную отдельность, залегающую в массиве (табл. 1.2).
Взаимосвязь геометрических размеров добываемых блоков с распределением межтрещинных расстояний в массиве
По степени трещиноватости массивы скальных горных пород [8] подразделяются на пять классов (табл. 1.3). Исходной базой для ее составления послужили исследования по влиянию трещиноватости на технологические процессы применительно к карьерам по добыче блочного облицовочного камня, а также требования к размерам структурных отдельностей и анализ структур механизации горных работ. При этом массивы классифицируются по трещиноватости и технологической трудности их разработки, а классификационным признаком послужили удельная трещиноватость и объем структурного блока. Как видно из табл. 1.2 и 1.3, месторождения облицовочных гранитов являются малотрещиноватыми, крупноблочными. Открытая разработка месторождений облицовочного камня имеет ряд специфических особенностей, которые сводятся к следующему [38,43,45]: необходимость сохранения физико-технических свойств и декоративных качеств разрабатываемых пород, соблюдение определенных размеров и форм камня требует применения специальных способов отделения блоков от массива; наличие резко ориентированных трещин в разрабатываемом массиве обусловливает небольшую (по сравнению с рудными месторождениями) высоту добычных подуступов; наличие природных закономерностей в строении массива и в расположении в нем систем трещин, изменении физико-механических свойств в различных направлениях (анизотропия) делает целесообразным ориентацию фронта горных работ в направлении облегченного раскола или распила камня; значительная прочность магматических пород позволяет вести разработку месторождения наклонными или крутыми слоями; малые величины допустимых отклонений от размерных характеристик товарных блоков из природного камня, предусмотренных ГОСТом, требуют строгого соблюдения направлений выемки в пространстве; при отделении от массива природных блоков больших размеров необходимо проведение операций с тяжелыми неделимыми грузами, что требует использования специальных погрузочно-разгрузочных средств большой единичной мощности. Добыч) гранитных блоков открытым способом осуществляют по трем схемам: одно-, двух- [44,45] и трехстадийной [62,88,103] (финский метод).
Одностадийная схема предусматривает получение готовой продукции после отделения блока от массива (рис 1.5). Этой операции достигается выемка блоков заданных размеров и формы близкой к стандартной. Применение одностадийной схемы связано с небольшим расстоянием между первично- пластовыми трещинами, не превышающим 2 м.
Необходимость двухстадийной добычи связана с большими размерами добываемых блоков (монолитов) (рис. 1.6) при использовании природной тре- щиноватости массива. Отделенный от массива монолит в этом случае отличается от требуемых техническими условиями размеров и должен подвергнуться разделке на блоки требуемых размеров и формы.
При бурении шпуров в данном случае применяют ручные перфораторы (до 1 м) или установки строчечного бурения, которыми по линии откола блока пробуривают строчку шпуров с расстоянием 150-400 мм, в которые затем закладывают НРС, гидравлические или механические клинья, с помощью которых осуществляют отделение блока. Технология двухстадийной добычи блоков включает два этапа: отделение от массива монолита объемом 30-50 mj [58,59,62] с последующим опрокидыванием его на рабочую площадку и вторичную разделку. Разделка блоков ведется одним из известных способов на рабочей площадке уступа, на специально выделенном для этого участке карьера или при наличии мощной грузоподъемной техники за его пределами.
Применяют двухстадийные схемы при среднем расстоянии между первично-пластовыми трещинами от 2 до 6 м. Для отделения монолитов от массива используют низкобризантные патронированные ВВ со средним расходом 3080 г/м3, либо НРС.
Основное отличие трехстадийной схемы от двухстадийной заключается в отделении от массива большего по объему монолита 100-400 м3 (рис, 1.7) буровзрывным методом с средним расходом ВВ 60-150 г/м3, который, затем уменьшенными зарядами ВВ (30-80 г/м3) раскалывается на монолиты объемом 30-50 м3, с последующей их разделкой на блоки соответствующих размеров.
