Введение к работе
ПА'?
Актуальность проблемы. Для горного производства важное значение имеет проблема устойчивости законтурного массива, от решения которой зависят эффектавность и безопасность горных работ, чистота окружающей среды, полнота извлечения полезных ископаемых.
В современной практике отработки карьеров и рудников, проходки выработок и строительства подземных сооружений в большинстве случаев применяют буровзрывной способ, один из недостатков которого - сейсмическое действие взрыва на законтурный массив, его нарушение и значительное ослабление.
Несмотря на достигнутые успехи в управлении отбойкой пород взрывом за счет применения зарядов специальных конструкций, в ряде случаев не обеспечиваются требуемые конечные результаты, нарушается работа погрузочно-транспортных средств, на 30-35 % падает производительность труда, резко возрастают потери полезного ископаемого. По данным ряда исследователей, при добыче монолитных блоков потери достигают 40 % и более за счет получения недоброкачественных профильных поверхностей, снижается чистота среды и увеличиваются площади под отвалы некондиционных блоков.
Возможным направлением решения этой проблемы является статический метод разрушения горных пород с использованием невзрывчатых разрушающих составов (НРС). Широкое внедрение НРС в практику выемки запасов минерального сырья сдерживается отсутствием теоретических и экспериментальных исследований их термодинамических характеристик и химико-математической модели кинетики гидратации; модели распределения энергии заряда НРС в горном массиве; способов и средств управления полями напряжений в отбиваемом массиве с прогнозированием характера разрушения при известных параметрах горных пород, а также невозможностью использования существующих составов при низких положительных и отрицательных температурах.
Решению указанных вопросов посвящена настоящая диссертационная работа, выполненная в ходе реализации программы совместных исследований Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) и ОАО "Керамик", проводившейся с 1988 г.
Цель работы. Теоретическое обоснование и раз.ботка безвзрывной технологии добычи минерального сырья с исполшован^8ЙЙРвД#}Лааврях низких
положительных и отрицательных температур, а также рецептур НРС, способов и средств для ее реализации.
Основная идея работы заключается в выявлении закономерностей распределения напряжений, возникающих в отрабатываемом горном массиве при механическом и тепловом взаимодействии зарядов НРС с горными породами при низких положительных и отрицательных температурах с учетом физико-химических свойств разрушаемых горных пород и разработанных НРС, а также в разработке способов и средств, повышающих эффективность их использования.
Методы исследования. В работе применен комплексный метод исследования: критический анализ и обобщение ранее выполненных исследований; теоретические исследования с использованием положений теорий теплопроводности и теплопередачи, упругости, конечных элементов, волновой механики, оптической поляризации; лабораторные исследования с использованием методов определения физических свойств горных пород, микроскопии, фотопланиметрии, математического моделирования и компьютерных статических программ, полупромышленных испытаний и технико-экономического анализа их результатов.
Положения, выносимые на защиту
1 Математическое описание зависимости свойств некоторых горных пород (с учетом глубины их расположения от обнаженной поверхности) от температуры окружающей среды
2. Рецептура, технология изготовления и результаты исследования
свойств новых многокомпонентных расширяющихся смесей на основе высоко
активного оксида кальция, предназначенных для использования в условиях
низких положительных и отрицательных температур.
3. Математическое описание картины полей напряжений, возникающих в
отрабатываемом горном массиве при механическом и тепловом взаимодейст
вии одного или нескольких зарядов НРС, расположенных различным образом, с
горными породами.
4 Закономерности зарождения и распространения трещин раскола, возникающих в разрушаемом горном массиве под действием зарядов НРС, при наличии одной или нескольких обнаженных поверхностей.
,, ! * 11 И " '
* . ч» і
-. '-' ** 4
5. Методика расчета параметров технологий отбойки и пассировки блоков горных пород, оформления контуров выработок Технические способы и средства, повышающие эффективность использования НРС.
Научная новизна
1. Установлены закономерности изменения свойств горных пород от тем
пературы окружающей среды с увеличением глубины залегания пород от об
наженной поверхности.
' 2. Разработан способ определения рецептур и подбора добавок для новых
НРС, обеспечивающих эффективное разрушение горных пород при низких положительных и отрицательных температурах Составлены рецептуры семи НРС, исследованы их физико-химические (в том числе и термодинамические) свойства.
3 На основе метода конечных элементов разработано математическое опиисание картины полей напряжений, возникающих в отрабатываемом горном массиве при механическом и тепловом воздействии одного или нескольких зарядов НРС, расположенных различным образом. Полученное описание подтверждено экспериментами на эквивалентных материалах с использованием методов оптической поляризации, акустики и термоупругости.
4. С использованием волновой теории упругих колебаний определены зо
ны суперпозиции напряжений, создаваемых соседними зарядами НРС, которые
могут находиться на поверхности шпуров и вне ее в зависимости от наличия и
количества обнаженных плоскостей; расстояния между шпурами и давления,
развиваемые зарядами НРС. Установлено, что направление и скорость распро
странения трещин раскола определяются амплитудой, фазой и скоростью рас
пространения волн напряжений в разрушаемых породах, их плотностью и дав
лением, создаваемым зарядами НРС в шпурах.
5. Предложены формулы для определения расстояния между шпурами,
і сближения их устьевых или донных частей, радиуса зоны образования эффек
тивных трещин, линий наименьшего сопротивления, глубины шпура и заложе
ния в нем заряда НРС, удельного его расхода. Разработаны конструкции кон
центраторов напряжений, клиновых иденторов, повышающих направленность
действия зарядов НРС.
Научная новизна подтверждена 8-ю патентами РФ на изобретения.
Практическая значимость
-
Полученные зависимости изменения свойств горных пород от температуры окружающей среды и глубины их залегания от обнаженной поверхности в совокупности с установленными физико-химическими свойствами НРС разработанных рецептур позволяют определить их области применения без проведения экспериментальных исследований
-
Определение картины полей напряжений, выявление зон суперпозиции упругих колебаний, зарождения и распространения трещин раскола обеспечивают направленное действие зарядов НРС за счет изменения расположения шпуров.
-
Разработанная методика расчета параметров технологий отбойки и пассировки блоков горных пород, оформление контуров выработок позволяют получить бездефектные блоки минерального сырья, обеспечить их качественную разделку, заданную геометрию горных выработок. Предложенные технические способы и средства, повышающие эффективность использования НРС, сокращают время добычных работ и повышают производительность труда.
-
Предложенная технология с использованием разработанных НРС позволяет вести добычу полезных ископаемых в условиях низких положительных и отрицательных температур, исключает сейсмическое действие на окружающий массив, повышает безопасность труда и снижает негативное экологическое воздействие горно-добычных предприятий.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием комплексных методов исследований, хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и в промышленных условиях, положительными результатами реализации разработанной технологии с использованием НРС предложенных рецептур, способов и средств, повышающих их эффективность.
Реализация работы
Результаты исследований использованы при проектировании и строительстве Бакинского метрополитена, при добыче горных пород на карьерах "Попов хутор", "Кавдоломит", "Геналдон", "Галашкинский", "Карабулакский", "Ржевский" и рудниках: Тырныаузского ВМК, Садонского рудника ССЦК, "Вединский" (Армения), а также в тоннельно-строительном управлении г. Владикавказа с общим экономическим эффектом (в ценах 2003 г ) более 1,5 млн р.
Отдельные результаты исследований внедрены в практику работы института "Кавказцветметпроект", используются при чтении курсов "Разрушение горных пород" и "Физика горных пород" в СКГМИ (ГТУ).
Результаты исследований могут быть использованы другими предприятиями, занимающимися отработкой минерального сырья, проведением горных выработок, строительством сооружения и т.н.
Апробация работы
Основные положения диссертационных исследований были доложены,
обсуждены и получили положительную оценку на семинарах, совещаниях и
конференциях: "Вопросы устойчивости бортов карьеров и откосов дорог, на-
рушенных открытыми горными работами и селевыми потоками" (г. Нальчик, 2000 г.); "Информационная математика, кибернетика, искусственный интеллект и информациологии" (Москва-Владикавказ, 1999 г.); "Экология и чистота окружающей среды" (г. Владикавказ, 1999 г.), "Пути повышения добычи полезных ископаемых с применением новых способов разрушения" (г. Владикавказ, 1995 г.); а также на научно-технических и технических советах горнодобывающий предприятий: Зодского рудника объединения "Армзолото"; рудника открытых работ Тырныаузского ВМК; карьероуправления "Кавдоломит"; Садонского рудника ССІДК; Владикавказского (Орджоникидзевского) тоннель-но-строительного управления; Ржевского нерудного карьера; карьеров: "Генал-дон"; "Галашкинский" и "Карабулакский"; на ежегодных научно-практических конференциях СК ГМИ (ГТУ) в 1987-2004 гг ; на научно-технических советах "ВНИИЦВЕТМЕТ", "АрмНИИПроцветмет", "ВНИПИгорцветмет", МГГУ и ИПКОН РАН.
Публикации
Общий список трудов по теме диссертации включает 43 работы, в том числе монография, 2 учебных пособия, 32 статьи и 8 патентов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 13 приложений, включает 88 рисунков, 56 таблиц, список литературы из 191 наименования.
Автор выражает глубокую признательность за помощь, ценные советы и внимание к работе своему научному консультанту проф., д.т.н. Кондратьеву Ю.И., проф., д.т.н. Рутковскому А.Л., доц., к.т.н. Агаеву В.В. и сотрудникам горно-добыьающих предприятий, оказавшим авгору помощь при проведении исследований.
Похожие диссертации на Разработка способа и обоснование параметров разрушения горных пород с использованием невзрывчатых разрушающих составов при низких температурах
