Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований по изучению закономерностей формирования развала отбитой горной массы на карьерах 6
1.1. Расчетные методы определения параметров развала 6
1.2. Экспериментальные методы определения параметров развала 18
1.3. Цель работы и задачи исследования 26
2. Разработка расчетного метода определения параметров развала 28
2.1. Модель процесса формирования развала 28
2.2 Начальные условия и скорости вылета центров тяжести расчетных объемов -33
2.3. Расчетный метод определения параметров развала 36
2.4. Скорости разлета кусков породы при взрыве скважинных зарядов 40
3. Расчет параметров развала и их экспериментальная проверка 53
3.1 Комплекс разработанных компьютерных программ 53
3.2. Экспериментальное определение формы и параметров развала 60
4. Влияние условий взрывания на параметры развала 67
4.1. Влияние ЛНС на форму и параметры развала 67
4.2. Влияние числа рядов скважинных зарядов на форму и параметры развала —72
4.3. Влияние диаметра взрываемых скважин на форму и параметры развала 78
4.4. Влияние высоты уступа на форму и параметры развала 82
4.5. Рекомендации по уменьшению дальности выброса породы взрывом 88
Заключение 91
Список литературы 93
- Экспериментальные методы определения параметров развала
- Начальные условия и скорости вылета центров тяжести расчетных объемов
- Экспериментальное определение формы и параметров развала
- Влияние числа рядов скважинных зарядов на форму и параметры развала
Введение к работе
Актуальность проблемы. При отбойке горных пород взрывом скважинных зарядов на уступах карьеров формируется развал отбитой горной массы. Параметры развала оказывают существенное влияние на последующие технологические операции горного производства и на безопасность работ.
При большой ширине развала отбитая порода ложится сравнительно тонким слоем на большой площадке уступа. Иногда развал частично ложится и на площадках ниже лежащих уступов. Такой развал перекрывает транспортные пути, нарушает прилежащие коммуникации, если они не передвинуты на безопасные расстояния. Возрастают простои, связанные с расчисткой проездов и восстановлением коммуникаций. На таких развалах снижается производительность экскаваторов при погрузке отбитой горной массы. Под такие развалы требуются широкие рабочие площадки уступов.
При большой высоте развала, превышающей безопасную высоту черпания, создаются опасные условия работы экскаваторов. Иногда такие развалы экскавируют двумя уступами.
Снижение производительности и повышение себестоимости горных работ из-за нерациональных параметров развала весьма значительны. Поэтому на протяжении десятилетий многие исследователи занимались изучением закономерностей формирования развала отбитой взрывом горной массы и определением его параметров. Из-за сложности природы этого физического процесса еще не получено его полное теоретическое описание. Основные параметры развала определяют в настоящее время по эмпирическим зависимостям. Поэтому изучение физической природы процесса формирования развала и совершенствование методов определения его параметров является актуальной проблемой.
Цель работы - разработать расчетный метод определения параметров развала на основе использования физических закономерностей его формирования и компьютерных технологий.
4 Идея работы заключается в дифференцированном использовании
начальных скоростей и направлений вылета расчетных объемов для определения
интегральной формы развала горной породы.
Методы исследования. В работе использовался комплексный метод исследований, включающий системный анализ, теоретические исследования и обобщения, экспериментальные исследования, статистический анализ и метод компьютерных технологий.
Положения, представляемые к защите.
1. Разработана многозонная модель процесса формирования развала отбитой
взрывом горной массы на карьерах, сущность которой заключается в учете
различных в каждой зоне геометрических и физических условий вылета
расчетных объемов и направлений их полета.
Получены аналитические зависимости для определения начальных скоростей и направлений вылета каждого расчетного объема с учетом геометрии уступа и потоков остаточной энергии заряда в начальный момент разлета отбитой горной массы.
Разработан расчетный метод и комплекс компьютерных программ, позволяющие по условиям взрывания рассчитать параметры развала и отобразить в графическом виде верхний контур его поперечного сечения.
Получены графические зависимости изменения параметров развала, анализ которых показывает, что дальность выброса породы не зависит от числа рядов взрываемых скважинных зарядов, но изменяется с изменением диаметра скважин.
Научная новизна заключается в разработке многозонной модели процесса формирования развала, в получении аналитических зависимостей определения начальных скоростей вылета расчетных объемов, в разработке расчетного метода и комплекса компьютерных программ, позволяющих определить параметры развала отбитой горной массы по условиям взрывания.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены комплексной методикой работ, предусматривающей использование современных теоретических и экспериментальных средств
5 исследований, проведением достаточного числа экспериментов и хорошей
сходимостью экспериментальных результатов с расчетными.
Практическое значение работы состоит в применении комплекса компьютерных программ «Развал» на основе разработанного расчетного метода как инструмента для анализа формы и параметров развала взорванной горной массы и для прогнозирования параметров развала на стадии проектирования параметров БВР на карьерах.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2003, 2004 гг.), на IV Международной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (ИПКОН 2004 г.), на VII Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (МГТРУ 2005 г.), на Международной конференции (г. Кременчуг, Украина).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 печатных работах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 101 странице машинописного текста, содержит 38 рисунков, 5 таблиц и список использованной литературы из 99 наименований.
Экспериментальные методы определения параметров развала
В основу метода прогнозирования технологических параметров взорванной горной массы Б.Р. Ракишевым положены: а) аналитический расчет гранулометрического состава взорванной горной массы; б) графо-аналитическое определение мест размещения пород из различных частей массива в развале; в) аналитический расчет структурно-технологических характеристик забоев. 12 В работе он не приводит сведений об определении начальной скорости вылета куска. Аналитическое решение задачи не сопровождается примером численного расчета. А.В. Гальянов [21] рассматривал действие взрыва в плоскости поперечного сечения. Опираясь на общую теорию деформации, он предложил описывать трансформацию массива при взрыве, используя дифференциальный тензор деформации где индексы «р», «с», «в» означают расширение, сдвиг, вращение, которые определяют по формулам: В приведенных формулах U — проекция вектора деформации на ось х, а Г-на ось у. Тогда геометрический смысл dU/dx означает изменение величины U на единицу длины по оси X ; dU/dy - то же по оси Y; аналогично dV/дх и dV/ду означает изменение величины V по осям х у. Расширение - наиболее очевидное проявление деформации при взрыве, количественная его оценка осуществляется коэффициентом разрыхления, определяемым как отношение объемов массива до и после взрыва. В плоскостном варианте решения задачи коэффициент разрыхления соответствует изменению площадей в поперечном сечении
Пренебрегая бесконечно малыми второго порядка, получим Отсюда следует Таким образом, коэффициент разрыхления массива кр имеет вполне определенное физическое описание через операцию divAr, которое в применении к вектору деформации дает пространственно расширение или скаляр. Деформация массива при буровзрывных работах не является пластичной. Она сопровождается перемещением и перераспределением внутренних масс. Процесс сдвига описывается тензором Тс из которого следует, что Величина смещения определяется положением центра масс до и после взрыва. Если в правую часть системы уравнений подставить координаты точки N, определяющей положение центра масс до взрыва, то л:Л/ и ум будут определять координаты центра тяжести взорванного массива, и тогда Деформация сдвига характерна тем, что происходит изменение формы тела без изменения объема. Однако этот параметр не проявляется с такой геометрической наглядностью, как расширение и сдвиг. Эти теоретические положения А.В. Гальянова не доведены до практических решений и не подтверждены экспериментом. По схеме В.А. Болдырева [11], результирующий эффект деформации массива при однорядном взрывании представлен следующим образом. Нижний слой взрываемого массива (зоны 2, 3, 4, рис. 1.2) подвергнется деформации расширения в сторону свободного пространства.
Начальные условия и скорости вылета центров тяжести расчетных объемов
В сферических зонах определяются два опорных угла. Эти углы будут справедливы для всех скважин в выбранном сечении (рис. 2.1). Первый опорный угол w - линия наименьшего сопротивления (ЛЫС), м; 34 Руководствуясь положением зон в многозонной модели и геометрическими условиями в каждой зоне, получили аналитические зависимости для определения углов вылета центров тяжести расчетных объемов. Для расчетных объемов в первой зоне где ZM. - координата плоскости, проходящей по границе «верх заряда -низ забойки». Для объемов в третьей и четвертой зонах слева от действующей скважины Для расчетных объемов во второй зоне, цилиндрической, справа от скважины р = 0. Для расчетных объемов в пятой зоне, цилиндрической, слева от скважины р = 180. Расстояние до границ зоны действия скважинного заряда, для расчетных объемов, находящихся во второй зоне вычисляется по формуле Если угол вылета расчетного объема из разрушаемого массива находится в Для объемов, угол вылета которых лежит в диапазоне Р[ $ (і8(Г-р 2) расстояние до границы действия скважинного заряда вычисляется по формуле Если направление полета расчетного объема лежит в пределах Р (і80-р;),то В процессе расчета на каждом шаге определяется координата центра тяжести летящего расчетного объема в неподвижной системе координат по формуле Здесь Г- это номер столбика.
В числовом массиве, созданном до начала расчета, по значению х, находим Z, и сравниваем его значение с z,. В том случае, если выполняется условие цикл считается завершенным. Расчетный объем упал на поверхность уступа или на развал породы, или на верхний уступ. С учетом коэффициента разрыхления пород в навале определяем новое значение z. . по формуле формуле переходим к расчету следующего расчетного объема. После окончания расчета кусков, принадлежащих к первому столбику, т.е. tij -15, переходим к расчету кусков, находящихся в следующем столбике. Завершив расчет расчетных объемов, относящихся к первой скважине по формуле переходим к расчету объемов, относящихся ко второй скважине. После завершения перебора всех расчетных объемов кривая, построенная по новым значениям Z; для всех значений Х;, будет представлять собой верхний контур развала породы. Нами разработан, основанный на теоретических положениях развития процесса, расчетный метод определения формы и параметров развала отбитой взрывом горной массы на карьерах. Отличительными признаками разработанного расчетного метода являются следующие признаки. В основу расчетного метода положена сформулированная нами оригинальная многозонная модель процесса перемещения горной массы при взрыве скважинных зарядов на уступах карьера. Вокруг каждого скважинного заряда выделено пять зон, в каждой из которых создаются разные начальные и конечные условия вылета, разлета и падения кусков отбитой горной массы. Направления полета кусков породы, углы их бросания и высоты бросания определяются из геометрического положения куска в отбиваемом объеме, геометрического положения заряда взрывчатого вещества и геометрии карьерного уступа. Начальная скорость бросания каждого куска определяется по его геометрическому положению в отбиваемом объеме, по положению скважинного заряда и по остаточной энергии в продуктах детонации к моменту завершения расширения газовой полости. Условием определения начальной скорости вылета (бросания) куска породы является равенство доли остаточной энергии в продуктах детонации и кинетической энергии полета куска. Принято, что куски, расположенные на одной линии удара приобретают одинаковую начальную скорость, но летят по разным баллистическим траекториям. Мы отказались от традиционного использования в расчетах геометрической модели поперечного сечения развала, т. к. форма поперечного сечения существенно изменяется при изменении условий взрывания.
Экспериментальное определение формы и параметров развала
Для проверки расчетных параметров развала провели эксперименты в промышленных условиях карьера ОАО «Михайловский ГОК». Карьер ОАО «Михайловский ГОК» расположен в 5 км юго-восточнее г. Железногорск Курской области. Михайловский горно-обогатительный комбинат, разрабатывая открытым способом Михайловское железорудное месторождение, добывает при этом: богатые железные руды, неокисленные и окисленные железистые кварциты. В структурном отношении месторождение можно разделить на три зоны: - коренные неокисленные кварциты; - окисленные кварциты (переходная зона); - природно-богатые железные руды (мантия). Коренные неокисленные кварциты имеют ориентированную с севера на юг слоистость, с углом падения на восток 65-86, в верхней зоне трещиноватые, крупноблочные структуры, в нижней - слаботрещиноватые, монолитные. В минералогическом отношении неокисленные кварциты представлены силикатно-железно-слюдково-магнетитовыми разностями. Коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконева 16-20 и выше. Для рыхлых руд характерна повышенная пористость, в среднем составляющая около 34%. Средний объемный вес этих разностей богатых руд составляет порядка 2,9 т/м3. Карбонатно-мартитовые руды относятся к породам скального типа. Средний объемный вес руд составляет 3,3-3,4 т/м3. Окисленные кварциты на данном этапе относятся к скальной вскрыше. Являются продуктами делювиального размыва и переотложения остаточных богатых руд и железистых кварцитов.
По физико-механическим свойствам и вещественному составу они делятся на пористые, слабо сцементированные мартитовые руды, и плотные, сидерито-мартитовые руды. Пористость осадочных мартитовых руд равна 29,6 %, объемный вес - 2,65 т/м3. Объемный вес осадочных сидерито-мартитовых руд равен 3,27 т/м3. Осадочные руды сложены в различной степени окатанными рудными обломками, сцементированными, как правило, глинистым веществом и гидроокислами железа (пористые, слабо сцементированные руды), или карбонатами, гидроокислами железа и глинистым веществом (плотные сидерито-мартитовые руды). Обломки состоят из карбонатизированных или полосчатых, пористых мартитовых руд, изредка обломки представлены полосчатыми мартитовыми кварцитами. Частично они используются для производства щебня, в основном складируются. Коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова 12-16. Богатые железные руды залегают на поверхности рудно-кристаллического массива или в виде линейных тел в толще окисленных кварцитов мощностью (К60 м. В минералогическом отношении богатые руды представлены гематито-мартитовыми, карбонато-мартитовыми, гидрогематитовыми разностями. Физико-механические свойства богатых руд изменяются в широком диапазоне: от рыхлых до плотных скальных. Коэффициент крепости по шкале М.М. Протодьяконова 2 12. Месторождение отличается большой перемежаемостью рудо-скальных пород по физико-механическим свойствам и требует творческого подхода к процессу буровзрывных работ. Практически разупрочнение массива взрывным способом производится по индивидуальным проектам на каждый блок. Для количественной оценки формы и параметров развала взорванных горных пород применялась маркшейдерская съемка поверхности блоков до взрыва и поверхности развала после взрыва. Маркшейдерская съемка в условиях ОАО «Михайловского ГОКа» производится электронным тахеометром швейцарского производства (Leica TCI 103). Запись информации, полученной в процессе съемок, производится на карту памяти (КП). Карта памяти (Модель 2М) с объемом жесткого носителя, равном 4000 гиф-точек или 512 Мбайт. Информация на КП заносится посредством шифр-кодировки (каждой пространственной величине: расстояние, превышение, вертикальные и горизонтальные углы присваивается своя метка, которая переводится посредством программы «Редактор для маркшейдера» в угловые и линейные величины). Каждый отдельный файл, создаваемый при съемке одного объекта, с использованием программы Mark_32b отображается в электронном виде в координатах специальной съемочной опорной сети, принятой на карьере МГОКа. Для переноса информации с карты памяти в программу Mark_32b используется перекачивающее устройство OMN1DRIVE, соединенное с ЭВМ через СОМ порт. При маркшейдерских работах на объектах карьера МГОКа используют электронные тахеометры с зеркальным отражением. Принцип действия такого тахеометра основан на отражении упорядоченного пучка световой волны, испускаемого объективом зрительной трубы на поверхность шестипризменной зеркально-отражающей системы (отражатель) и обратно. Световой пучок циркулирует между объективом и отражателем.
Влияние числа рядов скважинных зарядов на форму и параметры развала
Разработанный нами комплекс компьютерных программ «Развал» можно использовать как инструмент численных исследований влияния условий взрывания на форму и параметры развала. Для определения влияния числа взрываемых рядов скважинных зарядов на форму и параметры развала нами выполнены расчеты для следующих условий взрывания: — высота уступа- 15 м; — диаметр скважин — 250 мм; - угол откоса уступа — 80; - объемный вес породы — 3300 кг/м ; - сетка скважин - 6 6 м; - длина забойки -6 м; - горная порода - гранит; - линия наименьшего сопротивления -6 м; - взрывчатое вещество - граммонит. При расчетах верхний контур поперечного сечения развала формируется и печатается на графиках в автоматическом режиме. На рис. 4.5 представлены совмещенные расчетные графики развалов при однорядном (1), двухрядном (2) и трехрядном (3) взрывании скважинных зарядов на уступе. Из рисунка видно, что криволинейные контуры развалов имеют индивидуальные формы, которые трудно заменить простой или составной моделью из геометрических фигур. Криволинейные контуры развалов всегда наблюдаются на карьерах. Изменяются не только параметры развала, но изменяется и форма поперечного сечения при изменении условий взрывания. Для более объективного анализа результатов расчета нами предложено условно разделить ширину развала на две части: ширину обуренного массива и дальность выброса. Сумма ширины обуренного массива и дальности выброса равна ширине развала. Из рис. 4.5 видно, что при увеличении числа рядов взрываемых скважинных зарядов дальность не изменяется.
Изменяется ширина обуренного массива, и как следствие этого изменяется и ширина развала. Затраты времени и средств на отгон в безопасные места машин, механизмов, а также перекладка коммуникаций, на работы по зачистке уступов после взрыва связаны не с шириной развала, а с дальностью выброса. Поэтому увеличение массы отбиваемой породы на блоке за счет увеличения рядов взрываемых скважинных зарядов не будет сопровождаться ростом перечисленных отрицательных эффектов. При анализе литературных источников по вопросу влияния количества рядов одновременно взрываемых скважин на ширину развала горных пород выяснилось, что однозначного мнения на этот счет не существует. В литературных источниках оценка степени влияния количества рядов взрываемых скважин на ширину развала отбитой горной массы опиралась на экспериментальные опытные взрывы, проведенные на различных карьерах. В экспериментах количество взрываемых рядов скважин изменялось от одного до десяти. На основе этих опытных взрывов было установлено, что при двух рядной схеме взрывания увеличивается ширина развала горных пород по отношению к однорядному на 40-60%. На самом же деле, как показывают наши теоретические расчеты и экспериментальные замеры, увеличение ширины развала при двух рядном расположении скважин по отношению к однорядному происходит только за счет увеличения ширины обуренной части уступа. Исследователями было отмечено, что при трехрядном взрывании скважинных зарядов увеличивается ширина развала породы на 25-35% больше по отношению к двухрядной схеме. Дальнейший темп увеличения ширины развала при многорядном взрывании скважин сохраняется. На самом же деле возрастание ширины развала при многорядном взрывании происходит за счет увеличения ширины обуренной площадки уступа.
Ширина выброса горной породы остается неизменной вне зависимости от числа взрываемых рядов скважинных зарядов. Данные утверждения были получены нами из анализа выполненных расчетов параметров развала с помощью разработанного уникального принципа расчета и компьютерной программы. Для изучения и анализа влияния числа взрываемых рядов скважинных зарядов нами были проведены расчеты с применением разработанного комплекса компьютерных программ. Расчеты проводились для скважин диаметром 250 мм при высоте отбиваемого уступа 15 м. Нами было обработано семь вариантов расчетов. Количество рядов скважинных зарядов менялось от одного до восьми. На рис. 4.5. представлены характерные сечения развалов отбитой горной массы при двух, трех и четырех рядном взрывании. Как видно из рисунка, сечения развалов имеют одинаковую дальность выброса породы. Ширина выброса породы не зависит от числа взрываемых скважинных рядов при всех прочих равных условиях. По контурам развалов взорванной горной массы можно определить основные его параметры. Верхний контур развала 1 сформировалось в результате однорядного взрывания уступа. Высота развала составила 5,7 м, ширина развала 41 м; ширина выброса породы - 35 м. Верхний контур развала 2 образовано в результате двухрядного взрывания уступа. Высота развала - 8,3 м, ширина развала - 47 м, ширина выброса породы - 35 м. Верхний контур развала 3 взорванной горной массы сформировался при трехрядном взрывании скважинных зарядов. Высота развала составила 9,6 м, ширина развала - 53 м, ширина выброса породы 35 м. Как видно из анализа рис. 4.5 форма развалов при взрывании разного числа рядов скважинных зарядов различна. При однорядном взрывании развал взорванной горной массы ровно ложится на нижележащем уступе сравнительно небольшим по мощности слоем. При двух рядном взрывании сечение развала начинает приобретать кучковатую форму. Форма развала при трехрядном взрывании также представляет собой сложную форму очертания. С изменением числа взрываемых рядов скважинных зарядов форма развала сильно меняется и не может быть описана в виде постоянной простой или составной геометрической фигуры.
