Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ способов управления качеством дробления горных пород ударом и взрывом 7
1.1. Критерии прочности и разрушение горных пород 7
1.2. Основные концепции и гипотезы дробления горных пород 10
1.3. Проектирование и управление качество дробления горных пород 14
1.4. Направленное изменение свойств горных пород поверхностно-активными веществами 21
1.5. Постановка цели и задач исследований 28
2. Исследование влияния поверхностно активных веществ на свойства горных пород - 30
2.1. Комплекс характеристик, определяющих качество дробления горных пород 30
2.2. Методики экспериментальных исследований 34
2.3. Выбор эффективной поверхностно-активной среды 37
2.4. Результаты изучения свойств горных пород 50
Выводы 58
3. Разработка методики определения характеристик дробимости горных пород ударом и взрывом - 60
3.1. Взаимосвязь характеристик разрушения горных пород ударом и взрывом 60
3.2. Анализ гранулометрического состава продуктов дробления 63
3.3. Оценка точности экспериментального определения дробимости горных пород 66
3.4. Влияние скорости улара на характеристики дробления горных пород 71
3.5. Влияние формы и размеров образцов на характеристики дробимости горных пород 75
3.6. Анализ результатов экспериментальных исследований 81
3.7. Методика экспериментального определения характеристик дробимости горных пород 86
Выводы 88
4. Прогнозирование параметров бвр в условиях направленного изменения свойств и состоя ния горных пород 90
4.1. Обоснование критериев эффективности дробления горных пород 90
4.1.1. Структура критериев эффективности 90
4.1.2. Определение формулы критериев эффективности 91
4.1.3. Использование критериев эффективности 94
4.1.4. Классификация горных пород по величине критериев 99
4.2. Прогнозирование параметров БВР, обеспечивающих заданное качество дробления горных пород 101
4.2.1. Удельный импульс стандартного дробления 101
4.2.2. Расчет параметров буровзрывных работ 104
4.2.3. Взаимосвязь характеристик дробления горных пород 110
4.3. Методика выбора эффективных растворов ПАВ 112
4.4. Прогнозирование эффективности использования ПАВ в процессах дробления горных пород- 116
4.5. Элементы технологии использования ПАВ в процессах дробления горных пород- 121
4.6. Использование результатов работы 122
Выводы 123
Заключение 125
Список литературы 127
Приложение 135
- Проектирование и управление качество дробления горных пород
- Выбор эффективной поверхностно-активной среды
- Влияние скорости улара на характеристики дробления горных пород
- Прогнозирование параметров БВР, обеспечивающих заданное качество дробления горных пород
Введение к работе
Актуальность работы. Разрушение горных пород – определяющий процесс любой горной технологии. Закономерности разрушения горных пород ударом являются необходимым условием проектирования процессов бурения и обогащения полезных ископаемых. Исследование и управление качеством дробления горных пород взрывом – главная задача проектирования рациональных параметров буровзрывных работ. В настоящее время единой работоспособной теории разрушения, как и теории взрыва, не создано. Однако общепризнано, что эффективность разрушения определяется взаимосвязью и взаимовлиянием параметров применяемой техники и технологии процесса и свойств разрабатываемых пород.
Одним из наиболее перспективных направлений науки и практики совершенствования процесса разрушения является направленное изменение свойств и состояния горных пород. Эффективным инструментом такого управления может быть использование поверхностно-активных веществ (ПАВ), действие которых основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Поверхностно-активные вещества широко используются во многих областях промышленности. Однако в горном деле, особенно в процессах разрушения пород ударом и взрывом, их применение носит весьма ограниченный характер. Немногочисленные работы в этом направлении не выходят, как правило, за рамки экспериментальных исследований. Для успешного использования ПАВ в процессах динамического разрушения горных пород требуется решение ряда научных задач, важнейшими из которых являются совершенствование методики выбора оптимальной для конкретных условий поверхностно-активной среды и разработка системы прогнозных оценок эффективности применения ПАВ в указанных процессах. Все выше изложенное определяет актуальность темы данных исследований.
Объектом исследования диссертации является процесс динамического разрушения горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых.
Предмет исследования – характеристики дробления горных пород в условиях направленного изменения их свойств и состояния поверхностно-активными веществами.
Цель работы – разработка методов прогнозирования рациональных параметров дробления пород ударом и взрывом в меняющихся горно-геологических условиях.
Идея работы заключается в использовании закономерностей воздействия поверхностно-активных веществ (ПАВ) на свойства и состояние горных пород для прогнозирования и управления качеством их дробления с учетом глубокой аналогии процессов разрушения пород ударом и взрывом.
Основные задачи исследования:
1. Выполнить анализ физических закономерностей разрушения горных пород в изменяющихся горно-геологических условиях.
2. Обосновать критерии эффективности дробления пород ударом и взрывом и исследовать влияние поверхностно-активных веществ на свойства горных пород, определяющие характеристики данных процессов.
3. Разработать методику и установить характеристики дробимости, определяющие эффективность разрушения горных пород ударом и взрывом.
4. Совершенствовать методику выбора оптимальных растворов ПАВ с учетом их влияния на характеристики дробимости горных пород.
5. Разработать систему прогнозирования эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессах дробления горных пород.
Методы исследований. В основу исследований положен комплексный подход, заключающийся в рассмотрении свойств горных пород, характеристик процессов их дробления и действия поверхностно-активной среды как единой взаимосвязанной системы. Полученные результаты базируются на теоретическом анализе физики дробления пород ударом и взрывом с использованием теории размерностей, лабораторном исследовании свойств пород и их изменчивости под действием ПАВ, результатах моделирования процесса дробления пород по оригинальной, разработанной автором методике. Анализ результатов исследований включает методы статистической проверки гипотез, дисперсионного и корреляционного анализов.
Защищаемые научные положения:
1. Критерии эффективности дробления горных пород ударом, представляющие собой безразмерную комбинацию свойств пород и параметров технологии, являющиеся основой прогноза и классификации пород по дробимости в условиях изменения их свойств и состояния поверхностно-активными веществами.
2. Методика прогнозирования рациональных параметров БВР, которая базируется на экспериментальном определении удельного импульса стандартного дробления и учитывает изменение дробимости горных пород под действием ПАВ.
3. Обоснование и поэтапный выбор эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации, осуществляется в три этапа:
- тренд-анализ временных рядов изменчивости контактной прочности пород;
- оценка свойств горных пород, формирующих соответствующие критерии эффективности;
- экспериментальное определение удельного импульса стандартного дробления.
Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений физики разрушения твердых тел, достаточным (с точки зрения принятой надежности – 95 %) объемом экспериментальных исследований, удовлетворительным соответствием результатов теоретических расчетов фактическим данным – расхождение не превышает естественной вариации характеристик дробимости горных пород.
Научная новизна результатов исследований заключается:
в обосновании критериев эффективности дробления горных пород ударом и взрывом как безразмерных комбинаций свойств пород и параметров процессов, являющихся новым инструментом выбора оптимальных растворов ПАВ и прогнозирования их влияния на параметры БВР;
разработке методики экспериментального определения показателей дробимости горных пород, отличающейся тем, что оптимальные условия опыта определяются установленной зависимостью выхода фракций от удельной энергии удара, а в качестве комплексной характеристики используется предложенное в работе выражение удельного импульса стандартного дробления;
обосновании комплексной методики выбора оптимальной поверхностно-активной среды, которая впервые учитывает совокупность эффектов действия ПАВ на контактную прочность поверхности, объемные свойства горных пород и характеристики их дробимости ударом.
Практическая значимость работы заключается в обосновании методики выбора оптимальных растворов ПАВ, использование которых позволяет существенно повысить качество дробления горных пород, разработке системы прогнозных оценок, дающих возможность априорно оценивать эффективность использования поверхностно-активных веществ в процессах дробления пород ударом и взрывом.
Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований; аналитическом обосновании критериев эффективности процессов дробления пород; в разработке и апробировании методики экспериментального определения удельного импульса стандартного дробления; совершенствовании методики и выборе оптимальных ПАВ; формировании основных выводов и рекомендаций работы.
Реализация результатов работы. Комплексная методика выбора оптимальных растворов ПАВ и прогнозирования эффективности их использования в процессах дробления горных пород ударом и взрывом передана для использования Институту горного дела УрО РАН, проектной организации «Уралгипроруда». Методика определения характеристик дробления пород на ударном копре используется при проведении лабораторных занятий по курсу «Методы и средства изучения быстропротекающих процессов» со студентами специальности «Взрывное дело». Методика проектирования рациональных параметров БВР, обеспечивающих заданное качество дробления горных пород, используется студентами при выполнении курсового проекта по дисциплине «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании». Автор участвует в проведении данных занятий и в их методическом обеспечении (как соавтор учебных пособий). Методика выбора ПАВ используется аспирантами кафедры шахтного строительства УГГУ при разработке методов управления трещиноватостью в процессах взрывного разрушения пород и борьбы с горными ударами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых, проводимой ЗАО «СУАЛ-Холдинг», Краснотурьинск, 2002 г.; на молодежной научно-практической конференции «Новые технологии и пути экономии затрат на предприятиях горно-металлургического и машиностроительного комплексов», –В. Пышма, 2003 г.; на Всероссийской научной конференции-конкурсе молодых ученых выпускного курса, 2003 г.; на международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», Екатеринбург, 2004 г.; на VI Международной конференции «Теория и практика добычи и переработки природного камня», 2006 г.; на ежегодных конференциях молодых ученых УГГУ. На Всероссийском конкурсе студенческих работ по девизом «Дробление» автором получен диплом, 2003 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах.
Работа выполнена в рамках исследований по гранту Минобразования РФ (2003-2004 г. г.) «Управление свойствами и состоянием скальных горных пород поверхностно-активными веществами и проектирование оптимальных параметров их разработки в меняющихся горно-геологических условиях» (Т02-04.4-3154), где автор являлся исполнителем. Данная работа является непосредственным развитием исследований кафедры шахтного строительства УГГУ и проф. Латышева О. Г.
Объем и структура работы. Объем диссертации 138 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков и 10 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 127 наименований и приложения.
Проектирование и управление качество дробления горных пород
В общем случае интенсивность и качество дробления зависят от свойств разрушаемых горных пород и технологи дробления. В этой связи можно выделить два главных направления работ по регулированию качества дробления - управление свойствами и состоянием разрабатываемых пород и управление энергией дробления. Последнее следует понимать как комплекс взаимосвязанных технологических мероприятий, направленных на регулирование параметров дробления горных пород. В зависимости от конкретной горной технологии (подземная или открытая разработка месторождений, строительство горных предприятий, обогащение полезных ископаемых) качество дробления пород может оцениваться различными показателями. Наиболее распространенными из них являются: средний размер куска; выход негабарита или пыли; степень, неоднородность и энергоемкость дробления; характеристики развала породы; качество оконтуривания горной выработки и др. [72].
Применительно к разрушению горных пород взрывом наиболее значимое влияние на эти показатели оказывают следующие технологические факторы: удельный расход ВВ, число шпуров или скважин, диаметр зарядов ВВ, качество забойки, порядок инициирования и конструкция зарядов ВВ, число и ступени замедления [48, 72, 73, 76, 96, 98]. Рассмотрим влияние каждого из данных факторов на качество дробления горных пород. Удельный расход ВВ. Для разрушения данного объема породы до определенной крупности требуется затратить некоторое количество энергии. С увеличением степени измельчения удельный расход энергии (энергоемкость) увеличивается. От механического взрывное дробление отличается односторонней схемой приложения сил, а также тем, что трещины экранируют распространение энергии при взрыве, уменьшают возможность дробления и в некоторых случаях требуют увеличения расхода энергии для достижения требуемого дробления. При увеличении удельного расхода ВВ сначала интенсивно усиливается дробление массива, а затем наступает состояние насыщения массива энергией взрыва и энергия расходуется бесполезно. Увеличение интенсивности дробления при этом прекращается. Выбор рационального расхода ВВ является технико-экономической задачей, решаемой на основе подсчета конечной стоимости добычи полезного ископаемого по всем процессам. Однако в большинстве случаев следует стремиться к получению в результате взрыва выхода негабарита близкого к нулю. Диаметр заряда d, ЛНС W, (СПП.) и сетка расположения скважин. Практикой установлено, что для каждой категории пород существует линейная зависимость вида W = kd. С увеличением диаметра заряда процент выхода крупных фракций при взрыве увеличивается.
Это происходит потому, что с увеличением W все больший процент отделыюстей, слагающих массив, при взрыве попадает в зону практически нерегулируемого дробления. Уменьшая диаметр заряда, можно достичь положения, при котором все отдельности попадут в зону регулируемого дробления. Таким образом, диаметр заряда является параметром эффективного регулирования степени дробления. При малых диаметрах зарядов уменьшаются заколы за линию зарядов в глубь массива, уменьшается относительный объем переизмельчения породы вокруг заряда и энергия распространяется по массиву с меньшим коэффициентом затухания. Коэффициент сближения зарядов т = a/W. Работами, выполненными Союзвзрывпромом, показано, что с увеличением т от 0,6 до 1 при средних удельных расходах ВВ дробление пород не ухудшается, а в ряде случаев даже улучшается благодаря более полному заполнению скважины ВВ и уменьшению длины забойки. В настоящее время при однорядном взрывании применяют т = = 0,8 1,0. При многорядном расположении зарядов по квадратной сетке при диагональной схеме коммутации взрыва т можно увеличить до 2—3. В результате этого степень дробления породы значительно улучшается. Число рядов скважин. Разрушение массива пород взрывом за линию скважин особенно сильное в районе первого ряда зарядов. Поэтому возможности регулирования степени дробления при однорядном взрывании ограничены. При многорядном расположении зарядов степень дробления горной массы улучшается в результате того, что заряды второго и последующих рядов работают в менее нарушенном массиве. Чем больше рядов зарядов, тем меньше относительный объем породы первого ряда, тем меньше средний выход негабарита. Конструкция заряда оказывает существенное влияние на степень дробления.
При равном выходе горной массы с 1 м скважины и удельном расходе ВВ рассредоточение заряда способствует улучшению дробления по сравнению со сплошным зарядом благодаря увеличению зоны регулируемого дробления. Кроме того, рассредоточение заряда необходимо в том случае, если емкость скважины используется не полностью при сплошных зарядах и если по каким-либо причинам в однородных породах применяется сближенная сетка расположения зарядов и сплошной заряд, занимает менее половины длины скважины. В неоднородных породах всегда целесообразно рассредоточить заряд, располагая ВВ в наиболее трудно-взрываемых породах (например, в крупноблочном пласте уступа). По данным акад. АН СССР Н. В. Мельникова и докт. техн. наук Л. Н. Марченко, рассредоточение скважинных зарядов воздушными промежутками улучшает дробление. Создание в скважине воздушных промежутков изменяет характер действия взрыва. При взрыве заряда без воздушных промежутков происходит переизмельчение породы вблизи заряда вследствие высокого давления газообразных продуктов в зарядной камере. Оставляя в заряде воздушные промежутки, можно значительно снизить пиковое давление взрыва благодаря уменьшению плотности заряда, тем самым сократить переизмельчение породы в ближней зоне и увеличить время активного воздействия газообразных продуктов взрыва на среду. В результате такого изменения параметров взрывного импульса доля энергии, идущая на местное переизмельчение, уменьшается и используется на дробление в дальней зоне.
Применение заряда с воздушным промежутком почти во всех случаях способствует более равномерному дроблению. Короткозамедленное взрывание зарядов (КЗВ). На степень дробления оказывают влияние схема и интервал КЗВ, ориентирование зарядов относительно господствующих систем трещин и другие факторы, которые необходимо учитывать в конкретных условиях карьеров. При этом следует исходить не только из степени дробления, но также из условий технической возможности и безопасности ведения работ. Дробление пород III-V категорий по трещиноватости при КЗВ улучшается по сравнению с мгновенным взрыванием. В породах I и II категорий существенной разницы в дроблении нет. Лучший результат дробления достигается в тех схемах к. з. в., в которых наибольшее число зарядов взрывают разновременно, а действие их направлено навстречу один другому, что способствует увеличению числа соударений кусков. Высота уступа. С увеличением высоты уступа при одинаковых прочих параметрах взрывания степень дробления улучшается. При однорядном взрывании вертикальными скважинами при пологом угле откоса увеличение
Выбор эффективной поверхностно-активной среды
Анализ способов и средств повышения качества дробления горных пород (см. главу 1) показывает, что перспективным направлением является направленное изменение свойств и состояния разрабатываемых пород поверхностно-активными веществами (ПАВ). За счет адсорбционного понижения поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера) действие ПАВ способно существенно изменить весь комплекс физических характеристик горных пород [62]. Следовательно, появляется возможность управления параметрами технологии горных процессов, которые определяются свойствами разрабатываемых пород. Многолетние экспериментальные и опытно-промышленные исследования кафедры шахтного строительства УГГУ для условий месторождений Урала и Донбасса показывают [51], что использование в качестве промывочной жидкости растворов ПАВ значительно повышает эффективность процессов бурения и резания горных пород. В различных забоях шахт удалось повысить скорость бурения шпуров и скважин в 1,16 - 1,52 раза. Уменьшение затупления и абразивного износа бурового инструмента в среднем в 1,2 - 1,4 раза позволило увеличить пробег буровых коронок до их замены более, чем в 2 раза. Адсорбционная активность молекул ПАВ, а также улучшение условий бурения и резания горных пород приводит к снижению запыленности шахтной атмосферы в 1,6-3,7 раза. Характер физико-механических процессов, протекающих в месте контакта поверхностно-активной среды с горной породой и, собственно, вызывающий эффект Ребиндера, определяет избирательность действия ПАВ [78]. Как показывает опыт, неверно подобранные активные растворы могут не только не способствовать повышению эффективности горных процессов, но и оказывать противоположное действие. В этой связи при проектировании горной технологии с использование поверхностно-активной среды первоочередной задачей является выбор оптимального состава и концентрации растворов ПАВ.
Однако, не смотря на многолетний (с 1930-х годов) опыт использования ПАВ в различных областях народного хозяйства, надежного теоретического инструмента выбора ПАВ для реального технологического процесса не создано. Повсеместно используется эмпирический подход. В настоящее время разными исследователями используются различные критерии эффективности ПАВ, главным недостатком которых является трудоемкость определений. Объективно самым надежным способом выбора поверхностно-активной среды является ее опробование в реальном технологическом процессе. Однако высокая трудоемкость промышленных испытаний, огромное число известных ПАВ и необходимость выбора для них строго фиксированной концентрации делают такой путь практически нереализуемым. В этих условиях наиболее рациональным представляется следующий подход. Учитывая, что эффективность любых процессов разработки горных пород определяется комплексом их свойств, необходимо выбрать один, наиболее просто и быстро измеряемый и, в то же время, достаточно информативный показатель, который использовать затем для предварительного (экспрессного) выбора оптимальных ПАВ.
Это позволит резко сократить круг исследуемых растворов. В последующем, сокращенное до разумного минимума число растворов ПАВ, исследовать на их эффективность в реальном процессе. В соответствии с механизмом эффекта Ребиндера действие ПАВ обусловлено поверхностными явлениями. Поэтому представляется целесообразным в качестве критерия эффективности раствора ПАВ принять степень изменения свойств именно поверхности горной породы. Наиболее надежным и простым способом оценки такого изменения является определение контактной прочности пород [60]. Для проверки применимости данного критерия исследованы многочисленные представительные разновидности скальных горных пород Урала и Донбасса [51]. Определение контактной прочности производилось путем внедрения цилиндрического штампа диаметром от 2 до 8 мм в поверхность горной породы. Образцы смачивались с поверхности соответствующим раствором ПАВ, и через каждые 2 минуты выдержки производилось определение величины контактной прочности Рк. Обобщение результатов исследований позволяет заключить следующее. За счет адсорбции молекул ПАВ на внешней поверхности горной породы и на внутренней поверхности микротрещин, возникающих в процессе деформирования образца под штампом, происходит резкая потеря прочности поверхностного слоя, известная как «адсорбционное понижение твердости» [102]. Этот процесс начинается сразу вслед за соприкосновением горной породы с поверхностно-активной средой, и снижение контактной прочности достигает наибольшей величины (20-70 %) в течение первых 3-Ю минут.
Затем величина Рк начинает возрастать и в дальнейшем вновь, но уже с меньшей амплитудой, процесс повторяется. На рис. 2.1 представлен типичный график изменения контактной прочности на примере аркозового песчаника Донбасса при воздействии на него додецилсульфата натрия (ДС). Такой циклически затухающий характер изменения контактной прочности во времени действия ПАВ определяется кинетикой насыщения породы раствором и связанным с этим изменением механизма разрушения тела под штампом. Как известно [102] в месте контакта штампа с хрупкой породой происходит ее упругий прогиб, а под основанием штампа образуется ядро уплотнения с областью пластических сдвигов в его нижней части. При этом на чальное (первые 5-Ю минут действия ПАВ) снижение величины Рк хорошо описывается механизмом адсорбционного понижения твердости. По мере проникновения активного раствора по контактам минеральных зерен и системе микротрещин пластические сдвиги происходят уже по всей поверхности полусферы ядра уплотнения и достигают поверхности породы. В момент, когда предел текучести верхнего слоя породы становится меньше напряжений, обусловливающих хрупкий выкол, вместо упругого прогиба под штампом происходит его заглубление с выдавливанием породы по периферии. Вследствие этого разрушение осуществляется в более глубоких слоях, в меньшей степени затронутых разупрочняющим действием ПАВ - величина контактной прочности скачком возрастает (см. рис. 2.1). В дальнейшем, по мере все большего проникновения активной среды в породу, цикл повторяется, но уже с меньшей амплитудой за счет ухудшения условий работы ядра уплотнения при заглубления штампа.
Графики на рис. 2.1 представляют собой 5 случайных реализаций единого временного ряда. Характеристиками этого ряда могут служить временные функции: среднего арифметического Рср =/j (t), среднего квадратическо-го отклонения S =f2 (/) и корреляционной функции г =f$ (ї), значения которых приведены в табл. 2.1. В интервале воздействия ПАВ до 14 минут, т. е. в первой полуволне графиков, разброс данных (коэффициент вариации) не превышает 14 %, что сопоставимо со средней вариацией единичных измерений контактной прочности (10 %) исходных (сухих) пород. В дальнейшем вариация существенно (до 45 %) возрастает, что связано с проникновением раствора по межзеренным контактам в глубь породы и неравномерным пла стифицированием поверхностного слоя. Устойчивость показателей Рк в первой полуволне, отражающей максимальное понижение контактной прочности в растворе, подтверждается и значениями корреляционной функции. Среднее снижение контактной прочности по 5 реализациям временного ряда изменяется от 21,6 до 31 %, что по отношению к общей изменчивости Рк (от -10,2 до +60,6 %) составляет не более 14 %. Все это позволяет с большой долей уверенности предположить, что исследуемая зависимость обладает свойством эргодичности. Тогда единственная реализация такой зависимости при достаточно большом времени испытаний (до 20-30 минут) может дать статистически надежную характеристику временного ряда изменчивости контактной прочности горных пород. Указанные выше закономерности проявляются практически для всех Ул изученных скальных пород и растворов ПАВ. Установленные зависимости PK=/[t) представляют собой случайные реализации временного ряда кон % тактной прочности горных пород. Общую изменчивость контактной прочно сти пород можно представить как Рк- Р (t) + є, где Р (/) - закономерная неслучайная составляющие временного ряда. Для такого рода данных наиболее эффективным инструментом исследований является аппарат тренд-анализа. Его реализация осуществлена в компьютерной программе, которая решает задачи проверки наличия закономерности в изменении Рк под действием ПАВ и определения уравнения тренда с оценкой его закономерной и случайной составляющих. Для проверки гипотезы о статистически значимом (не случайном) характере зависимости контактной прочности от времени воздействия ПАВ на горную породу используется два критерия - по числу смены знака и по количеству скачков [39]. В первом случае вероятностный критерий имеет вид
Влияние скорости улара на характеристики дробления горных пород
Скорость удара, т. е. скорость передачи энергии горной породе является важнейшей характеристикой процесса дробления. Для оценки данного фактора выполнена серия экспериментов по дробимости известняков Североуральских бокситовых месторождений, описанных в разделе 3.3. Кубические образцы массой от 50 до 70 г разрушались на ударном копре свободно падающим грузом массой 7 кг. Скорость удара ступенчато изменялась от 3 до 7 м/с. Для достижения этого высота сбрасывания (в соответствии с формулой и = s]2gh ) принималась равной h = 0,5; 0,8; 1,3; 1,8; 2,5 м. В соответствии с выводами по разделу 3.3 в каждой серии принято к испытанию по четыре образца. С помощью компьютерной процедуры, описанной в разделе 3.2, для каждого опыта вычислялся комплекс характеристик дробимости и определялись параметры распределения кусков по размерам (уравнение Вейбулла). Средние значения характеристик по каждому опыту с указанием стандартного отклонения и коэффициента вариации приведены в табл. 3.2. Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы. Удельная энергоемкость дробления пород q, представляющая собой отношение энергии удара к величине вновь образованной поверхности, во всем диапазоне скоростей остается постоянной. Ее средняя величина состав-ляет 2,28 кДж/м . Коэффициент вариации энергоемкости дробления по ее средним значениям в каждой серии экспериментов составляет 7,9 %. В то время как естественная вариация этого показателя в единичных определениях изменялась от 12 до 24 %. С увеличением скорости удара наблюдается устойчивое снижение среднего размера дробленого продукта (рис. 3.5). Важнейшей характеристикой процесса является степень дробления горных пород. С ростом скорости удара она закономерно возрастает (рис. 3.6).
Причем зависимость имеет явно выраженный нелинейный характер и в диапазоне скоростей удара от 3 до 7 м/с может быть описана квадратической зависимостью Близкий к единице показатель тесноты связи и достаточно полное совпадение опытных точек с аппроксимирующей их кривой свидетельствуют о статистической надежности данной зависимости. При проведении экспериментов обнаружено существенное влияние скорости удара на характер дробления образцов. При малых скоростях удара (3-5 м/с) и массе падающего груза 7 кг энергии удара явно недостаточно для качественного дробления данных горных пород. Значительная часть объема образцов оказывается не разрушенной, о чем свидетельствует преобладание крупных фракций в гранулометрическом составе (см. табл. 3.2). Этот же факт отражают закономерности изменения параметров уравнения Вей-булла, описывающего распределение кусков по размерам (рис. 3.7). Параметр т, отвечающий за качество дробления, при малых скоростях удара достигает очень больших значений. При увеличении скорости удара данный параметр стабилизируется, приближаясь к единице. Параметр Ь, характеризующий центр распределения, с ростом скорости удара также снижается, достигает минимума при скорости 6 м/с и затем наблюдается его рост, свидетельствующий о преобладании в распределении мелких фракций. Таким образом, для обеспечения качественного дробления горных пород необходимо увеличивать скорость (энергию) удара или уменьшать размеры образцов.
Для условий данного эксперимента (образца известняка массой от 50 до 70 г) достаточной скоростью удара можно считать величину 5 м/с. При этом обеспечивается приемлемое качество дробления и достигается устойчивость результатов определения характеристик дробимости горных пород. Как свидетельствует опыт разрушения горных пород ударом, на результаты дробления существенно влияет геометрия образца, т. е. его форма и размеры. Как показано в работе [56] наиболее устойчивые результаты по определению характеристик дробимости могут быть получены на образцах геометрически правильной формы с плоским основанием. В этом случае достигается более равномерное распределение напряжений по всему объему образца. Поэтому целесообразно использовать образцы в виде куба. Для оценки влияния размеров образов на результаты их разрушения ударом выполнены следующие экспериментальные исследования. Кубические образцы со стороной 1; 1,5; 2; 3 и 4 см разрушались на копре с массой ударника 12,5 кг, падающим с высоты 2,5 м. При этом скорость удара составила 7 м/с, его энергия 306 Дж. В соответствии с выводами, полученными в разделе 3.3, с каждым типоразмером образца проведено по четыре опыта. Сводные результаты экспериментов представлены в таблице 3.3. Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы. При постоянных параметрах удара результат дробления образцов существенно зависит от их размеров. На рис. 3.8 приведены гистограммы распределения дробленого продукта по фракциям. Здесь ясно прослеживается закономерность в изменчивости грансостава разрушенных пород. С увеличением размеров (объема) образцов преобладающими становятся все более крупные фракции. Так при разрушении ударом образцов со стороной 10 мм выхода фракций более 7 мм вообще не наблюдалось, а выход пыли (фракция до 0,25 мм) составил 17 %. Противоположные результаты получены при дроблении наибольших по размеру образцов (со стороной 40 мм).
При выходе пыли в 1,6 % более половины (60 %) объема проб оказывается на верхнем сите, т. е. имеет размеры более 10 мм. Очевидно, что данная энергия удара явно недостаточна для дробления больших кусков и избыточна для дробления малых по размеру образцов. Отмеченные закономерности отражаются на характеристиках дробления горной породы (см. рис. 3.9 и 3.10). Концевые участки графиков явно выпадают из общей тенденции (отмечено пунктиром) изменения степени дробления и величины вновь образованной при дроблении поверхности породы. Это же подтверждается графиками изменения параметров уравнения распределения Вейбулла (рис. 3.11). При этом обращает на себя внимание антисимметрия графиков (а, г) и (б, в). Это свидетельствует о том, что параметр Вейбулла т чувствителен к количественному соотношению фракций, выраженному коэффициентом неоднородности дробления, и в этом качестве может служить оценкой эксцесса распределения. Параметр Ъ соответствует среднему размеру куска и, следовательно, может являться мерой асимметрии распределения. Обобщая полученные результаты, можно констатировать, что наилучшее качество дробления и наиболее устойчивые характеристики грансостава (при данных параметрах удара) соответствуют кубическим образцам со стороной от 15 до 30 мм.
Прогнозирование параметров БВР, обеспечивающих заданное качество дробления горных пород
На основе доказанной глубокой аналогии результатов дробления горных пород ударом и взрывом и разработанной методики определения характеристик дробимости пород на ударном копре (см. Гл. 3) появляется реальная возможность прогнозировать рациональные параметры буровзрывных работ, обеспечивающие заданное качество дробления. Это особенно актуально в условиях направленного изменения свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами. Анализ используемых на практике критериев дробимости (см. Гл. 1) показал перспективность подхода, реализованного В. М. Мальцевым [68]. Им в качестве критерия оценки взрываемости горных пород предложен нормированный импульс дробления /„, рассматриваемый как комплексная характеристика сопротивляемости пород взрывному разрушению где р - объемная масса горных пород; иуд - скорость удара дробящего тела; J- степень дробления пород.
Глубокой теоретической проработкой и многочисленными экспериментальными данными, включая шахтные испытания, автором убедительно доказана работоспособность и адекватность показателя, как критерия оценки взрываемости горных пород. Внедренная в практику методика проектирования параметров БВР [70], основанная на определении и использовании нормированного импульса дробления, не оставляет сомнения в продуктивности такого подхода. Простота и доступность определения величины /„ в производственных условиях позволяет оперативно корректировать параметры БВР в меняющихся горно-геологических условиях. Теоретическое обоснование данного показателя базируется на тождестве где /0уд и /о" - удельный импульс дробления горных пород ударом и взрывом; /Уд и JR - соответствующие степени дробления пород. Ударный импульс (импульс силы), как мера механического взаимодействия тел, равен произведению среднего значения силы Рср на время t ее действия / = Pcpt = Уг P. Точное значение импульса определится интегралом [108] Эта характеристика тождественна понятию количества движения, т. е. произведению массы на скорость ударника в момент соударения тел /=т диУд. В качестве характеристики удара и взрыва в расчетах часто используют понятие удельного импульса [74, 107] где а = P/S- поверхностная плотность силы (напряжение). Числитель в формуле (4.29) интерпретируется В. М. Мальцевым как удельный импульс удара где тгп и Vrn - масса и объем горной породы. В этом качестве, в отличие от удельного импульса (уравнение 4.30) такой показатель должен быть назван объемным импульсом удара. Кроме того, по самой своей сути, здесь вместо массы дробимой горной породы тгп следует использовать массу ударника туд. В противном случае приходим к проти-воречию. Действительно, из формулы (4.27) J = (р-иуд//„) .
При постоянстве р и /н, как констант горной породы, получаем J оуд1/2, т. е. J от массы ударника не зависит и, если груз любой массы сбрасывать на образец с одной и той же высоты, то получим одинаковую степень дробления J, что абсурдно. В. М. Мальцев выходит из этого положения следующим образом. В своей методике определения нормированного импульса дробления /„ = p-VyJJ он жестко регламентирует условия эксперимента. А именно, масса ударника должна быть ровно вдвое больше массы образца туд = 2тт. Столь жесткое требование значительно ограничивает возможности экспериментального определения нормированного импульса дробления, не позволяя использовать стандартные копры. В этой связи формулу (4.27) целесообразно заменить выражением Данный показатель, имеющий размерность [Па-с], представляет собой удельный импульс дробления, отнесенный к квадрату степени дробления горной породы. Он может быть назван удельным импульсом стандартного дробления или сокращенно «стандартным импульсом (СИ)». В разработанной нами методике (см. Гл. 3) характеристики дробимости горных пород определяются путем разрушения кубического образца объемом Vrn = S-L единичным ударом массивного груза (шуд). Тогда при условии туд=2тгп связь между нормированным импульсом дробления (уравнение 4.2.1) и стандартным импульсом (уравнение 4.2.6) однозначно определяется соотношением /„ = IjllL. При других условиях опыта это соотношение может измениться. Выполним расчет нормированного (НИД) и стандартного (СИ) импульсов дробления для условий экспериментов, описанных в Гл. 3. Нами установлено [59], что наиболее информативной характеристикой удара является его удельная энергия Wyjl. Зависимость стандартного импульса от данного показателя представлена на рис. 4.5. Устойчивые значения СИ наблюдаются до величины Wya = 100 Дж/см. При дальнейшем увеличении энергии удара резко снижается КПД процесса и степень дробления пород практически не увеличивается, что сопровождается значительным ростом if. Это полностью соответствует выводам Гл. 3. При разработке методики определения нормированного импульса дробления В. М. Мальцевым установлено [68], что зависимость НИД от энергии удара имеет явно выраженный минимум, по которому и определялись стандартные условия опыта.
Полученная нами зависимость if =J[Wya] (см. рис. 4.5) в точности повторяет данную закономерность. Это подтверждает соответствие НИД и СИ. Действительно, расчет данных показателей для различных условий удара (см. рис. 4.6) показывает их практически полную согласованность (коэффициент корреляции г = 0,97). Уравнение связи Таким образом, на основании доказанного В. М. Мальцевым [68] соответствия удельных импульсов дробления пород ударом и взрывом и введенной им характеристики - нормированного импульса дробления, нами предлагается новый показатель - удельный импульс стандартного дробления (СИ). Он может рассматриваться как комплексная характеристика сопротивляемости горных пород разрушению ударом и взрывом. Использование комплексной характеристики дробимости горных пород позволяет определять параметры БВР, обеспечивающее заданное качество дробления. Аналитические и экспериментальные исследования показывают, что характер разрушения горных пород определяется величиной и длительностью действия напряжений, т. е. импульсом взрыва. Полный импульс можно представить суммой торцевого и бокового импульсов. При взрывании удлиненного заряда, который преимущественно используется в горной практике, торцевой импульс составляет лишь доли процента от полного, т. е. его влиянием можно пренебречь. Боковой импульс шпурового или скважишюго заряда определится выражением [108] где d и /зар - диаметр и длина заряда ВВ; Р(х) - давление газов во взрывной полости как функция времени. Конечный результат взрыва зависит от среднего значения давления
