Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Екатеринбург 2011
Работа выполнена в Институте горного дела Уральского отделения Российской академии наук.
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор С.В. Корнилков
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ю. И. Лель кандидат технических наук Ю.Ю. Пиленков
Ведущая организация – ОАО Институт «Уралгипроруда»
Защита состоится «24» марта 2011 года в «14.00» часов на заседании Диссертационного совета Д 004.010.01 в Институте горного дела УрО РАН по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ГСП-936, ул. Мамина-Сибиряка, 58.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела УрО РАН.
Автореферат разослан «22» февраля 2011г.
Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор В.М. Аленичев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Буровзрывные работы (БВР) являются первыми в цепи технологических процессов горного производства и в значительной мере определяют себестоимость добычи полезных ископаемых. На крупных карьерах затраты на БВР достигают 30% от общих затрат на добычу и ожидается их увеличение по мере понижения горных работ. Требования к БВР в этой связи неуклонно растут в части сокращения затрат, а параметры бурения и взрывания оптимизируются в зависимости от изменяющихся горнотехнических условий.
При планировании БВР требуется поддержание высокой производительности бурового станка и обеспечение установленного качества дробления горной массы при взрыве. Для решения этих задач массив горных пород характеризуется по буримости и взрываемости. Следует отметить, что в действующих классификациях эти характеристики горного массива не связаны между собой. При известной категории пород по буримости класс по взрываемости определить практически невозможно и наоборот. Вместе с тем, значительная анизотропия свойств горных пород обуславливает тот факт, что при проектировании БВР закладывается значительный резерв затрат на бурение и взрывание.
Изыскание путей снижения затрат на БВР связано с определением свойств горных пород в естественном залегании. Поэтому разработка экспресс-методик уточнения физико-механических свойств горных пород, их буримости и взрываемости является весьма актуальной задачей, имеющей высокую научнопрактическую значимость.
Для повышения эффективности производства БВР требуется найти общий показатель трудности разрушения горных пород в процессах бурения и взрывания. Ввиду того, что механизмы разрушения пород в этих процессах различны, общий показатель трудности разрушения горного массива может быть установлен только через изучение взаимосвязи между энергетическими характеристиками указанных процессов, поскольку единственным фактором, их объединяющим, является энергия, которая тратится на разрушение горных пород.
Объект исследований – массив горных пород на карьере, подготавливаемый к разрушению буровзрывным способом.
Предмет исследований – взаимосвязь энергетических показателей разрушения горных пород при шарошечном бурении взрывных скважин и взрывании скважинных зарядов.
Цель работы – установление зависимости между удельными энергетическими характеристиками процессов шарошечного бурения и взрывного разрушения горных пород на карьерах для повышения эффективности использования энергии взрыва.
Идея работы: установленная взаимосвязь удельных энергетических характеристик процессов шарошечного бурения и взрывного разрушения горных пород позволяет оперативно корректировать величину удельного расхода ВВ по глубине взрывной скважины и в целом по блоку.
Защищаемые положения:
1. Удельная энергия обуривания 1 м3 массива горных пород шарошечным способом (Дж/м3) прямо пропорциональна удельной энергии его взрывного разрушения (Дж/м3). Применительно к горным породам Главного карьера Качканарского ГОКа коэффициент пропорциональности в среднем составляет 6,23.
2. Рациональная величина удельного расхода ВВ по глубине взрывной скважины может быть установлена по измеряемым параметрам процесса бурения путём расчёта энергии обуривания 1 м3 массива, взаимосвязанной с показателем трудности бурения и коэффициентом крепости горных пород.
Научная новизна результатов исследований:
1. Предложен единый показатель оценки энергозатрат на разрушение горных пород при бурении и взрывании.
2. Установлена прямая зависимость между удельными энергетическими характеристиками процессов шарошечного бурения и взрывного разрушения горных пород на карьерах.
3. Разработана методика расчёта рационального веса заряда ВВ по каждой скважине взрывного блока на основе данных технологического бурения.
4. Предложена методика поэтапного исследования свойств горных пород при проектировании технологических взрывов на карьерах.
Практическое значение работы состоит:
- в возможности определения рациональных параметров зарядов ВВ по скважинам взрывного блока на основе данных о параметрах процесса технологического бурения, - в снижении расхода ВВ и повышении производительности бурового оборудования на крупных карьерах, - в определении физико-механических свойств локальных горных массивов и формировании модели изменения крепости горных пород по высоте уступа для корректировочных расчётов параметров БВР.
Задачи диссертационной работы:
1. Анализ теорий разрушения горных пород взрывом.
2. Оценка удельной энергии бурения горных пород шарошечным способом и их взрывного разрушения.
3. Исследование зависимости между удельными энергиями шарошечного бурения и взрывного разрушения горных пород в условиях горного предприятия.
4. Разработка методики расчёта рациональной массы взрывчатого вещества по глубине скважины на основе данных процесса бурения.
Методы исследований: обобщение и анализ научно-технической литературы, методы математической статистики, синтез, моделирование, натурный эксперимент.
Обоснованность и достоверность полученных результатов. Проведённые исследования основываются на положениях энергетической теории разрушения горных пород взрывом. Достоверность полученных результатов обеспечивается соответствием теории и практики буровых и взрывных работ, использованием фактических отчётных данных предприятия, сходимостью экспериментальных данных с результатами теоретических исследований.
Личный вклад автора состоит:
- в обосновании единого показателя оценки энергозатрат на разрушение горных пород при бурении и взрывании (Дж/м3), - в доказательстве существования функциональной зависимости между удельными энергетическими характеристиками шарошечного бурения и взрывного разрушения горных пород на карьерах, - в установлении корреляционной зависимости между энергоёмкостью обуривания и взрывного разрушения массива применительно к горным породам Главного карьера Качканарского ГОКа, - в разработке методики корректировочного расчёта необходимой массы взрывчатого вещества по отметкам колонки заряда на основе характеристик процесса бурения технологической скважины.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Корнилкову С.В., коллективу инженернотехнических работников ОАО «Ванадий», ОАО «Ураласбест» сотрудникам ИГД УрО РАН за поддержку, оказанную в период выполнения исследований и при подготовке данной работы.
Результаты работы базируются на исследованиях, проведённых на Главном карьере КГОКа, на отчётных данных Центрального карьера ОАО «Ураласбест» и на анализе научно-технической литературы по вопросу буримости и взрываемости горных пород на карьерах.
Апробация работы. Основные положения и содержание работы доложены на Международных конференциях «Неделя горняка» (Москва, 2007 г.), «Уральская школа - регионам» (Екатеринбург, 2009 г.), Российской молодёжной научнопрактической конференции «Проблемы недропользования» (Екатеринбург, 2008, 2009, 2010 гг.), Научно-практической конференции «Перспективные направления совершенствования буровзрывных работ: оборудование и технологии буровых и взрывных работ при добыче твердых полезных ископаемых» (Екатеринбург, г.), Научно-практической конференции «Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле» (Екатеринбург, 2009 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы представлены в статьях, в том числе 5 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения общим объёмом 139 страниц, содержит 32 таблицы, 32 рисунка.
Список использованных источников включает в себя 90 наименований.
В основу диссертационной работы положены результаты исследований выполненных в Институте горного дела УрО РАН в рамках НИР «Проблемы комплексного освоения недр Земли и новые технологии извлечения полезных ископаемых из минерального и техногенного сырья» (2007 г.); федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (госконтракт № 02.740.11.0317 (2009 г.)).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
По мере отработки месторождения для сокращения затрат на добычу параметры БВР совершенствуются согласно развитию научно-технического прогресса. В настоящее время для совершенствования параметров БВР на горных предприятиях проводятся научные исследования по следующим направлениям:
- технологии изготовления ВВ в местах потребления, -свойства ВВ, изготавливаемых в местах потребления, -схемы взрывания, средства инициирования и конструкции зарядов, -методы проектирования взрывов в увязке с разрушаемой средой.
Большой вклад в исследования по разработке рецептур, технологии и техники изготовления эмульсионных ВВ и водосодержащих ВВ внесли академик РАН Н.В. Мельников; профессора, доктора технических наук Г.П. Демидюк, Б.Н.
Дубнов, Э. И. Ефремов, Е.В. Колганов, В.А.Соснин; кандидаты технических наук В.П. Ветлужских, В.М. Павлютенков, А.С. Маторин, И.А. Чижов, В.Г. Шеменёв и другие.
В области совершенствования схем взрывания, средств инициирования и конструкций зарядов большой вклад внесли работы докторов технических наук С.Д. Викторова, В.М. Закалинского, В.М. Сенука, М.В. Корнилкова, А.И.
Ермолаева, А.В. Гальянова, кандидатов технических наук Э.П. Артемьева, В.Н.
Рождественского и других.
Развитие методов проектирования взрывов связано с именами академика В.В Ржевского, докторов технических наук Б.Н. Кутузова, В.Н. Мосинца, а также с коллективами организаций СОЮЗВЗРЫВПРОМ и ГИПРОРУДА.
Контрольным технологическим показателем процесса взрывной подготовки горной массы к выемке, характеризующим взрываемость горных пород, является удельный расход ВВ. В зависимости от степени изученности свойств объекта разработки удельный расход ВВ в горных породах может быть определён по разным методикам. В таблице 1 представлены результаты анализа основных отечественных методик расчёта удельного расхода ВВ. В последнем столбце указаны результаты расчёта по приведённым методикам для верлитов Гусевогорского месторождения, характеристики которых: сж=137,3 МПа; р МПа; сд=24 МПа; =3,3 т/м3; расстояния между трещинами в массиве свыше 1, м; содержание в массиве класса отдельностей +1000 мм – 100%.
По каждому фактору, влияющему на удельный расход ВВ, определена доля учтённых переменных в приведённых методиках по отношению к максимальной доле фактора. Вычисленная доля фактора нормирована по отношению к единице.
Таким образом, определена относительная важность каждой учтённой переменной.
При установлении к нормированной доле факторов степени важности в размере 10 % видно, что удельный расход ВВ более всего зависит от предела прочности на одноосное сжатие (крепость пород), размера отдельности в массиве (категория трещиноватости) и необходимой степени дробления.
На самом деле при малой изученности свойств горного массива на начальных этапах разработки месторождения для расчёта параметров буровзрывных работ достаточно учитывать указанные факторы.
При установлении к нормированной доле факторов степени важности в размере 5 % видно, что при определении удельного расхода ВВ для конкретных условий более полно начинают учитываться свойства горных пород, свойства ВВ и технологические параметры. Таким образом, по мере отработки месторождения необходимо уточнять физико-механические свойства горных пород, уточнять и совершенствовать ВВ, анализировать условия взрывания и совершенствовать технологические параметры.
Следует отметить, что на горных предприятиях характеристики взрывчатых веществ и технологические параметры анализируются и контролируются в течение всего периода разработки. В то же время свойства горных пород для расчётов принимаются по усреднённым характеристикам, а также данным детальной и эксплуатационной разведки. Дополнительного исследования пород в подготавливаемом блоке не производится. Поэтому, при проектировании взрывов технологических блоков закладывается значительный резерв ВВ.
Таким образом, весьма трудной, но крайне важной задачей при проектировании взрывов является определение категории взрываемости горных пород, которую в настоящее время связывают с величиной удельного эталонного расхода ВВ, зависящего от физико-механических свойств горных пород. Проектный удельный расход ВВ рассчитывается на основе эталонного с учётом условий разработки конкретного месторождения – в расчёты вводятся специальные коэффициенты.
Проверочный расчёт по приведённым методикам показал, что удельный расход ВВ для верлитов Гусевогорского месторождения имеет значительный разброс (0,94 – 1,6 кг/м3). Фактически на верлитах Гусевогорского месторождения удельный расход граммонита 79/21 составляет 1,5 – 2,0 кг/м3, гранэмита И30 1,9 – 2,35 кг/м3.
Таким образом, существующие методики определения взрываемости на основе эталонного расхода ВВ не полностью отвечают реальному состоянию горных пород в массиве. Поэтому на конкретном предприятии они требуют дополнения и уточнения.
Взрываемость горных пород также может определяться полной удельной работой взрыва, которую можно называть энергоёмкостью взрывного разрушения (по Тангаеву И.А.) или удельной энергией взрывного разрушения:
где: qпр – проектный удельный расход ВВ; Qуд – удельная теплота взрыва на 1 кг ВВ, МДж/кг; mвв – масса ВВ, кг; V – объём взрываемой горной массы, м3.
Для оценки удельной энергии на взрывное разрушение в качестве объекта, выбран диаллаговый пироксенит Гусевогорского месторождения.
Средние характеристики этой горной породы и величина удельного расхода ВВ, указанная в типовом проекте БВР, представлены в таблице 2.
Энергоёмкость взрывного разрушения рассчитана для нескольких ВВ по выражению (1). Результаты расчёта представлены в таблице 3. Удельный расход других ВВ рассчитан на основе удельного расхода гранэмита И через коэффициенты работоспособности разных ВВ по отношению к граммониту 79/21.
Таблица 2 – Характеристики диаллагового пироксенита Гусевогорского месторождения и удельный расход ВВ Таблица 3 – Энергоёмкость взрывного разрушения диаллагового пироксенита Гусевогорского месторождения разными ВВ диаллаговый гранэмит И30 граммонит 79/21 ифзанит Т-80 алюмотол Сильно Значительно Мелкозернистый 1,38 3726,0 1,15 4095,1 1,24 4111,0 0,95 4071, Тонкозернистый 1,51 4077,0 1,26 4480,9 1,36 4498,3 1,04 4455, Из представленных таблиц следует, что одна горная порода может иметь достаточно широкую анизотропию своих свойств, что отражается на её взрываемости и, как следствие, величина требуемого удельного расхода ВВ может находиться в достаточно широком диапазоне значений. Этот факт указывает на огромную значимость определения реальной взрываемости горных пород в подготавливаемом к взрыву блоке.
В результате сопоставления удельного расхода ВВ и удельной энергии взрыва в породе разной крепости получены диаграммы, представленные на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 – Изменение удельного расхода разных ВВ в диаллаговом пироксените Гусевогорского месторождения Рисунок 2 – Изменение энергоёмкости взрывного разрушения в диаллаговом пироксените Гусевогорского месторождения Из графиков на рисунках 1 и 2 следует, что, несмотря на отличающийся удельный расход разных ВВ в горной породе, энергоёмкость взрывного разрушения граммонита 79/21, ифзанита Т-80 и алюмотола практически одинаковая. Несмотря на самый высокий удельный расход ВВ у гранэмита И30, энергоёмкость взрывного разрушения у него самая низкая. Результаты исследования показывают, что при одинаковом дроблении выбор ВВ для разрушения горных пород обусловлен не только величиной удельного расхода ВВ, но и энергией взрыва.
Таким образом, удельная энергия взрывного разрушения является количественной характеристикой процесса и вполне отражает трудность разрушения горных пород при взрыве, т. е. их взрываемость, поэтому в качестве энергетической характеристики процесса принята эта величина.
Производительность шарошечных станков и энергоёмкость бурения взрывных скважин зависят от конструктивных особенностей оборудования, бурового инструмента и организации непосредственно самого процесса.
Большой вклад в разработку конструкций отечественных станков шарошечного бурения, доводку их до серийного выпуска и модернизацию внесли следующие ведущие конструкторы и ученые: А.А. Вункерт, А.М.
Кузовлев, В.М. Мороз, Ю.А. Нанкин, И.Э. Наринский, Р.А. Румянцев, Б.А.
Симкин, Г.С. Филиппов, В.Д. Чугунов и др.
Большой вклад в разработку и совершенствование конструкций горнорудных шарошечных долот внесли: М.Г. Абрамсон, Т.Г. Агошашвили, В.А.
Наринского, Г.М. Осипова, А.А. Перегудова, Н.Г. Родионова, Б.А. Симкина, Р.И. Сухова, И.А. Тангаева, А.А. Трусова, В.Г. Хантеева и др.
Проведённый анализ по вопросу совершенствования буровых работ на карьерах позволяет сделать вывод, что повышение эффективности процесса бурения взрывных скважин связано с уточнением физико-механических свойств горных пород в условиях разработки месторождения.
Прогнозирование категории буримости пород при планировании работ является важным элементом организации процесса, который позволяет рационально использовать ресурсы бурового станка. В настоящее время буримость горных пород определяется средней механической скоростью бурения 1 м скважины. В зависимости от её величины породы разделяются на категории по буримости. Для прогнозирования буримости пород в России проводились исследования по поиску зависимости механической скорости бурения от физико-механических свойств горных пород, в результате которых между категорией буримости по шкале ЦБНТ и коэффициентом крепости Протодьяконова М.М. определена следующая связь:
где: Кенв – категория горной породы по ЦБНТ, f – коэффициент крепости.
Значения физико-механических свойств пород на разных участках горного массива могут отличаться от значений, полученных по керну геологоразведочных скважин, поэтому прогнозирование изменения крепости пород влечёт за собой развитие методов технологического картирования горного массива и методов экспрессного исследования свойств пород в технологических блоках. Наиболее универсальным подходом к прогнозированию крепости массива является анализ результатов уже произведённого бурения взрывных скважин. Установление по данным бурения реальных свойств пород и интерполирование или экстраполирование полученных результатов на соседние участки карьерного поля. При данном подходе особого внимания заслуживает вопрос о том, какие параметры процесса бурения и в какой мере отражают состояние обуриваемых пород.
Тангаевым И.А. в 70-х годах прошлого века было доказано, что состояние горных пород в естественном залегании наиболее точно характеризуется энергоёмкостью процесса бурения, которая определяется мощностью вращателя и скоростью проходки скважины.
где: е – энергоёмкость бурения 1 м скважины по Тангаеву И.А., Дж/м; N – мощность вращателя, кВт; – скорость бурения, м/ч.
где: Мкр – момент вращения долота, Н·м; n – частота вращения, с ; - КПД трансмиссии вращателя.
где: k1 – эмпирический коэффициент, зависящий от крепости породы; D – диаметр долота; Pо – осевое усилие; m – показатель качества очистки скважины(1,25 – для очень хорошей, 1,5 – для удовлетворительной, 1,75 – для плохой).
«