Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор и анализ научных исследований 9
1.1 Современное состояние проблемы образования отсева при производстве гранитного щебня 9
1.2 Современное представление о механизме разрушения горных пород взрывом 17
1.3 Способы управления выходом мелких фракций при производстве буровзрывных работ 23
1.4 Выводы по главе 1 и постановка задач исследований 31
ГЛАВА 2 Исследование прочностных характеристик кусков взорванной горной массы в зависимости от расстояния до заряда взрывчатого вещества 33
2.1 Подход к изучению процессов и явлений, протекающих в гранитах при взрывном разрушении 33
2.2 Расчет и обоснование критериев и масштабов подобия моделирования 37
2.3 Условия подготовки модели 42
2.4 Условия проведения модельных экспериментов 46
2.5 Результаты модельных экспериментов 55
2.6 Выводы по результатам модельных экспериментов 64
2.7 Промышленная апробация результатов модельных экспериментов 67
2.8 Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3 Исследование формирования фракции отсева в зависимости от зон взрывного разрушения 75
3.1 Исследование влияние прочностных характеристик кусков взорванной горной массы на формирование фракции отсева 75
3.2 Результаты проведения лабораторных экспериментов 77
3.3 Выводы по результатам проведения лабораторных экспериментов 82
3.4 Установление зависимости формирования фракции отсева от прочности среднего куска при механическом способе разрушения з
3.5 Выводы по главе 3 88
ГЛАВА 4 Разработка рекомендаций по выбору параметров буровзрывных работ на основе удельных энергозатрат взрывчатых веществ на примере условий карьера «Гавриловское-1» 89
4.1 Краткая характеристика объекта проведения промышленных испытаний 89
4.2 Методика расчета параметров буровзрывных работ, обеспечивающих заданный объем фракции отсева 92
4.3 Выводы по главе 4 98
Заключение 99
Список литературы
- Способы управления выходом мелких фракций при производстве буровзрывных работ
- Условия проведения модельных экспериментов
- Результаты проведения лабораторных экспериментов
- Методика расчета параметров буровзрывных работ, обеспечивающих заданный объем фракции отсева
Способы управления выходом мелких фракций при производстве буровзрывных работ
Действие взрыва в горных породах исследуется учеными уже долгое время. Описание данного процесса с физической точки зрения является весьма сложной задачей из за многогранности проявления действия взрыва и присутствии большого количества факторов, оказывающих влияние на процесс разрушения.
Это обстоятельство привело к формированию всевозможных гипотез, которые пытаются описать действие взрыва в горных породах. В настоящее время невозможно выделить одну или пару гипотез, которые бы в полной мере описывали процесс разрушения в твердых средах.
При анализе работ, посвященных данному вопросу, можно выделить пять наиболее перспективных направлений, на которые разделились мнения исследователей, занимающихся процессами разрушения горных пород взрывом [43].
В основу работ первого направления заложены общие закономерности и эмпирические формулы. Основные положения гипотез данного направления изложены в работах [67,68,69]. Одним из основателей данного направления являлся А.Ф. Суханов.
В его работах говорится о том, что при воздействии взрыва на горную породу происходит частичное разрушение массива по боковой плоскости воронки взрыва и преодоление силы тяжести взрываемой породы или инерции масс [68,69]. Одновременно происходит первичное дробление породы. Результаты взрыва развивается во всех плоскостях внутренней части воронки. Площадь боковой поверхности воронки пропорциональна относительно общей площади плоскостей внутренней части воронки. Ударная волна распространяется в породе на высоких скоростях, следствием чего придается мгновенное ускорение массы породы и силы инерции. Описывая, таким образом, процесс разрушения, А.Ф. Суханов отмечает в своих работах, что описанные выше силы являются главными в процессе разрушения горных пород взрывом, а использование универсальных гипотез процесса разрушения практически невозможно ввиду трудности их практического применения [69].
Основы гипотез процесса разрушения должны формироваться с точки зрения достижения максимального эффекта для практического применения [25]. Ученые, развивающие данное направление, внесли большой вклад в процесс совершенствования технологии разрушения горных пород взрывом и развитие гипотез данного направления.
В основу работ второго направления заложены диапазон различных закономерностей и теоретические формулы. Теоретические формулы в гипотезах данного направления, в основном, получены при упрощении схемы процесса разрушения с большим количеством допущений.
К таким работам можно отнести труды О.Е. Власова [18,19,20,21] и ряда других ученых. В своей теории он существенно упростил ряд особенностей воздействия взрыва на разрушаемый массив. Так, к примеру, О.Е. Власов считал, что энергия, выделенная при взрыве, передается в породу мгновенно в виде кинетической энергии, а саму породу рассматривал как несжимаемую среду. Параметры действия взрыва описываются системой дифференциальных уравнений. Однако, данные упрощения и схематизация искажают реальную картину действия взрыва в горных породах [18,21].
В большинстве работ третьего направления заложена теория поршневого воздействия продуктов взрыва. В основном, процесс разрушения в работах данного направления описывается качественно, а не количественно.
В работах четвертого направления разрушение происходит за счет воздействия волнового процесса.
К гипотезам данного направления можно отнести работы следующих ученых: В.В. Адушкина [1], В.Н. Родионова [62], Г.И. Покровского [58,59].
При взрыве ВВ в породе на всю плоскость зарядной полости продукты детонации оказывают давление, значение которого измеряется тысячами кгс/см2. Около плоскости заряда порода подвергается раздавливанию и переходит в текучее состояние. Происходит смещение породы в радиальном направлении от центра заряда. Далее порода смещается вслед за фронтом деформационной волны. С определенного момента сопротивление породы раздавливанию становится меньше значения временного сопротивления породы раздавливанию, что приводит к изменению деформации разрушаемой среды.
Из-за удаления распространяющейся деформационной волны от оси заряда происходит образование и распространение радиальных трещин в сторону движения волны.
С момента, когда растягивающие тангенциальные напряжения становятся меньше временного сопротивления на разрыв, прекращается развитие новых трещин. После прохождения волны сжатия происходит падения давления в зарядной камере. Порода в ближней зоне разгружается и происходит расширение к центру зарядной полости. Результатом такого смещения являются образование кольцевых тангенциальных трещины в области распространения радиальных трещин.
При наличии свободной поверхности вблизи действия взрыва характер дробления меняется. Основными в процессе разрушения становятся отраженные волны сжатия. От свободной плоскости к оси заряда проходит волна разряжения, которая приводит к возникновению растягивающих напряжений. Величины напряжений в волне растяжения несколько меньше, чем в волне сжатия. Исходя из того, что сопротивление горных пород сжатию больше сопротивления на растяжение, то волна разряжения обеспечивает большее разрушения, чем волна сжатия.
Н.В. Мельников так же рассматривает процесс разрушения с точки зрения волновой модели. В его работах механизм разрушения описывается в схематизированном виде: образовавшиеся газообразные продукты детонации мгновенно осуществляют удар на окружающую среду, обеспечивая зарождение и распространение волн сжатия и растяжения. После этого, среда, в которую преломляются волны, приобретает поступательное движение и смещается в сторону наименьшего сопротивления,
В работах Ф.А. Баума [8] процесс разрушения горных пород происходит за счет расширением газообразных продуктов взрыва, что приводит к образованию зон пластических деформаций и текучести, сжимающих и растягивающих напряжений. Далее, после прохождения ударной волны и образования радиальных трещинок появляются растягивающие напряжения, что приводит к образованию новых систем трещин, вызванных воздействием отраженной волны. После двукратного отражения, волна гаснет и не может оказать влияние на разрушаемую среду.
Пятое направление является совокупностью положений третьего и четвертого направления гипотез. Разрушение горных пород происходит за счет волнового и поршневого действия взрыва. Основные положения данного направления представлены в работах Г.П. Демидюка [31,32].
Г. П. Демидюк предлагает следующую гипотезу разрушения: после ударной волны на стенку взрывной камеры газообразные продукты взрыва оказывают давление, заставляя зарядную полость увеличиваться в объеме. Часть энергии взрыва передается окружающей среде поршневым действием взрыва. Вблизи поверхности заряда при воздействии такого давления, порода дробится и измельчается. Частицы среды смещаются по радиальному направлению. Напряжения сжатия снижаются по мере удаления от оси заряда и со временем становятся меньше динамического предела прочности разрушаемой среды на сжатие. С этого момента характер деформации среды меняется [32].
При дальнейшем распространении волны от оси заряда образуются трещины направленные радиально. Далее значение тангенциальных растягивающих напряжений снижается и достигает значений динамического предела прочности пород на растяжение. С этого момента образование новых трещин прекращается.
Условия проведения модельных экспериментов
Из таблицы 2.2 видно, что коэффициент п увеличивается в зависимости от снижения удельных энергозатрат ВВ. По закону Розина-Раммлера рост коэффициента п указывает на улучшение равномерности распределения кусков породы после взрыва по крупности [3].
Объем раздробленной взрывом породы прошедшей через сито 30,0 мм, согласно таблице 2.4, снижается по сравнению с эталонным взрывом (100% ТЭН) на 16% и 30% для второго (90% ТЭН/10 %NaO) и третьего (80% ТЭН/20 %NaCl) взрывов соответственно. Это связано с падением скорости детонации ТЭНа за счет большего процентного содержания ингибитора (Nad).
Из анализа полученных результатов гранулометрического состава (таблиц 2.4 - 2.11) видно, что наибольшее количество мелкой фракции, в процентном соотношении от разрушенного объема, образовалось при взрыве заряда из чистого ТЭНа. Это может объясняться увеличением бризантного действия взрыва. Видно, что с уменьшением детонационных характеристик и удельных энергозатрат ВВ снижается выход мелких фракций.
Проанализировав таблицу 2.12 видно, что отличие экспериментального значения и расчетного среднего значения не превышает разницы в 10% и ложится в пределы погрешности фотопланиметрического метода измерений, что говорит о достаточной сходимости результата [5].
Из приведенных выше расчетов отмечается следующее - средний кусок горной массы после взрыва есть величина аддитивная. Значение величины среднего размера куска из общей совокупности разрушения можно представить как сумму средневзвешенных кусков из интервалов, каждый из которых помножен на коэффициент значимости, который выражается отношением всего единичного интервала измерений к общему вне зависимости от количества интервалов разбиения развала горных пород. По результатам таблицы 2.12 можно отметить, что выход среднего размера куска из каждой зоны увеличивается по удалению от центра заряда. С увеличением удельных энергозатрат ВВ средний кусок из одинаковых зон при разных модельных экспериментах уменьшается. От опыта к опыту фронт дробления оказывался достаточно устойчивым, а изменения положения в пространстве практически не наблюдалось. На фронте дробления следы разрушения среды представлены множеством трещин, т. е. можно сказать, что происходит именно дробление. Однако на динамическом фронте дробления механизм разрушения среды изменялся. Вблизи расстояний Юг" наблюдалось изменения механизма разрушения: на малых расстояния модель разрушалась путем сдвига, а на больших путем отрыва. Начиная с отмеченного расстояния происходит изменение закона формирования среднего размера куска [63].
Наблюдаемое изменение среднего размера образованного куска от расстояния может быть обусловлены двумя причинами [65]: изменением механизма разрушения и влиянием вторичного объемного дробления.
Как видно из результатов экспериментов, представленным в таблице 2.13, прочность куска взорванной горной массы является функцией расстояния от источника взрыва [86]. При взрывном разрушении зарядами с высокими энергетическими характеристиками образуются куски горной массы, прочность которых меньше прочности кусков при использовании меньших по энергетике зарядов, так например, на относительных расстояниях 20 г - 40 прочность этих кусков отличается на 15 - 20% между собой [56].
Условно, представленные на рисунке 2.10 опытные значений снижения прочности можно разбить на 3 участка. На первом участке происходит максимальное снижение прочности (интервал от 0 до 30 г). На участке от 31 до 50 г изменение прочности происходит не так явно. На третьем участке от 51 до 80 г практически не происходит видимого снижения прочности. Воздействие взрывных работ в данной зоне не оказывает существенного влияния на изменение прочности кусков в развале горной массы.
Если рассмотреть результаты таблицы 2.13 с точки зрения процентного ослабления прочности куска после взрыва относительно прочности ненарушенного материала, можно выразить коэффициент ослабления прочности для каждой зоны.
В пересчете коэффициента ослабления прочности для гранита на одноосное сжатие относительно базового значения по каждой зоне от изменения удельных энергозатрат ВВ, используя критерии подобия и масштабные коэффициенты, представленные в разделе 2.2, можно выразить в виде зависимостей: где к - коэффициент снижения прочности для условий рассматриваемых гранитов; Е - удельные энергозатраты ВВ, МДж/м ; / - максимальное значение интервала распространения действия взрыва.
Использование данного коэффициента в расчетах позволит определить среднюю прочность среднего по размеру куска из разрушаемого объема. Для условий карьера «Гавриловское-1» учитывая коэффициент ослабления прочности куска горной породы по зонам, полученный в результате физического моделирования можно определить следующим образом: hJcp =ZK-U і/- МПа, (2.16)
В натурных условиях карьера «Гавриловское-1» была выполнена серия взрывов массива горных пород с разными удельными расходами. В таблице 2.14 даны параметры БВР при различных сериях взрывов. Параметры взрыва № 1 являются исходными и взяты из типового проекта БВР. В качестве ВВ во всех трех сериях промышленных испытаний использовался «Нитронит» марки Э-70 [71].
Прочностные характеристики поступающего на завод сырья оценивались по прочности среднего куска из развала. Для определения среднего куска после каждой проходки экскаватора развал взорванной горной массы фотографировался. Условно развал был поделен на 12 интервалов [33]. Схема деления по зонам съемки представлена на рисунках 2.13 - 2.14. Планиметрический анализ выполнялся линейным способом при помощи горизонтальной и вертикальной мерных лент, (рисунок 2.12). Мерная лента необходима для последующего определения масштаба фотографии в программном комплексе WipFrag. Фотографии были получены с расстояния 10 метров от поверхности отрабатываемого развала [77].
Полученные фотографии подвергались первоначальной обработке в среде Maplnfo , а затем программном комплексе WipFrag. На основании полученных данных после каждого прохода экскаватора отбирался средний по размеру кусок. Измерение линейных параметров среднего куска проводилось непосредственно в забое. Измерялись три линейных параметра: длина, высота, ширина. Результаты замеров заносились в таблицу. Величины среднего размера куска из различных зон развала представлены в таблице 2.15.
Результаты проведения лабораторных экспериментов
Из таблиц 3.1-3.3 и рисунка 3.2 можно сделать следующий вывод: при разрушении кусков, полученных после взрывного дробления, в щековой дробилке, их физико-механические свойства не оказывали существенного влияния на объемы выхода отсева. Это может объяснятся тем, что щековая дробилка преимущественно используется для крупного дробления и не обеспечивает большого раскрытия зерен. В голову процесса поступают крупные куски, имеющие масштабный фактор. Разрушение в большей степени происходит по уже сформированным очагам ослабления после воздействия взрыва и естественным нарушенностям до размера выпускной щели дробилки.
Из анализа таблиц 3.4-3.6 и рисунка 3.3 можно сформулировать вывод: наличие большого числа трещин в кусках и пределы прочности породы на одноосное сжатие будут влиять на объем выхода отсева после прохождения через валковую дробилку. При одновременном сжатии и сдвиге разрушаемого материала между вращающимися валками, как было показано на лабораторном эксперименте, куски с высокими значениями пределов прочности на одноосное сжатие давали меньший выход отсева дробления. Куски с высоким уровнем предразрушения обеспечивали большую степень раскрытия зерен и являлись основным источником отсевных фракций.
При постоянной величине энергетического воздействия на два абсолютно одинаковых по линейным параметрам куска из одинаковых зон разрушения, но разных серий взрывов, а следовательно, и разных по своим прочностным свойствам, количество выделенной мелкой фракции после механического воздействия получилось различным.
Одинаковый объема выхода мелких фракций после механического воздействия удалось получить с увеличением энергии, затраченной на разрушение относительно куска с большими прочностными характеристиками. Однако количество затраченной энергии взрыва для получения такого куска много меньше, чем для куска с меньшими прочностными характеристиками, для разрушения которого нужно затратить меньшее количество энергии.
При взрывном разрушении зарядами с высокими энергетическими характеристиками образуются куски, прочность которых меньше прочности кусков при использовании меньших по энергетике зарядов, т.е. при использовании в нашем случае заряда из 100 % ТЭНа. В кусках наблюдается больший эффект наведенной трещиноватости. При приложении повторной нагрузки образованные результатом взрывного воздействия дефекты раскрываются с большей интенсивностью.
Если рассмотреть вместе результаты по гранулометрическому составу, и результаты по выходу мелких фракций после механического разрушения, то можно сделать вывод, что чистый ТЭН разрушает, среди приведенных смесей, больший объем горной массы, но при этом полученные куски из каждой зоны имеют меньшие размеры. Это означает, что в данном опыте ТЭН создает большое количество трещин, заключенных в образованном куске. За счет этого, в конечном итоге, при применении чистого ТЭНа, по сравнению со смесями содержащими NaCl, образование мелких фракций на стадии переработки увеличивается.
На месторождении «Гавриловское-1» были проведены исследования выхода отсева в зависимости от прочности среднего куска, поступающего на переработку. Была выполнена серия взрывов массива горных пород с различными удельными энергозатратами ВВ. Результатом исследований являлся количественный выход отсевных фракций на стадии переработки в зависимости от прочности среднего куска, поступающего на дробление.
Изменение прочности среднего куска достигалось за счет изменения удельных энергозатрат ВВ. Для установления количественного влиянии прочности поступающего среднего куска на выход отсева проводилось его измерение. Были отобраны пробы, взятые из различных мест конвейерной ленты дробильно-сортировочного завода. Для обеспечения достоверности результатов, проба состояла из трех выборок. Отборы проб и испытания проводились согласно методике, изложенной в ГОСТ 8269.0-97 [27].
Отбор точечных проб с технологических линий, транспортирующих готовую продукцию, осуществлялся пресечением потока на конвейере в местах перепада потока щебня. Для пересечения потока использовался пробоотборник. При ручном способе пробы отбирались на перепаде потока материала с помощью ручного пробоотборника и совковой лопатой. Во время отбора проб производилась остановка конвейерной ленты и всех агрегатов завода.
После отбора точечные пробы объединялись, тщательно перемешивались и сокращались методом квартования. При квартовании пробы конус материала разделялся взаимно перпендикулярными линиями через центр на четыре части. Две противоположные четверти брались в пробу. Далее проба сокращалась в два, четыре раза и т.д. до получения такой массы пробы, которая была бы представительной для усредненного качества всей выпускаемой продукции [27].
Пробу просеивали механическим способом через сита. Определялись остатки на каждом сите в процентах массы пробы. Результаты гранулометрического анализа представлены в таблицах 3.7-3.9. Таблица 3.7 - Гранулометрический состав пробы после взрыва № 1
Методика расчета параметров буровзрывных работ, обеспечивающих заданный объем фракции отсева
На месторождении «Гавриловское-1» были проведены исследования выхода отсева в зависимости от прочности среднего куска, поступающего на переработку. Была выполнена серия взрывов массива горных пород с различными удельными энергозатратами ВВ. Результатом исследований являлся количественный выход отсевных фракций на стадии переработки в зависимости от прочности среднего куска, поступающего на дробление.
Изменение прочности среднего куска достигалось за счет изменения удельных энергозатрат ВВ. Для установления количественного влиянии прочности поступающего среднего куска на выход отсева проводилось его измерение. Были отобраны пробы, взятые из различных мест конвейерной ленты дробильно-сортировочного завода. Для обеспечения достоверности результатов, проба состояла из трех выборок. Отборы проб и испытания проводились согласно методике, изложенной в ГОСТ 8269.0-97 [27].
Отбор точечных проб с технологических линий, транспортирующих готовую продукцию, осуществлялся пресечением потока на конвейере в местах перепада потока щебня. Для пересечения потока использовался пробоотборник. При ручном способе пробы отбирались на перепаде потока материала с помощью ручного пробоотборника и совковой лопатой. Во время отбора проб производилась остановка конвейерной ленты и всех агрегатов завода.
После отбора точечные пробы объединялись, тщательно перемешивались и сокращались методом квартования. При квартовании пробы конус материала разделялся взаимно перпендикулярными линиями через центр на четыре части. Две противоположные четверти брались в пробу. Далее проба сокращалась в два, четыре раза и т.д. до получения такой массы пробы, которая была бы представительной для усредненного качества всей выпускаемой продукции [27].
Таким образом, зависимость выхода отсева для условий карьера «Гавриловское-1» при изменении предела прочности на одноосное сжатие среднего куска из развала после взрыва с разными удельными энергозатратами ВВ аппроксимируется следующим выражением: Vo/o = 67,8- 0,22 \ Jcp%, (3.1) где \(тсж\с - средний предел прочности среднего по размеру куска на одноосное сжатие, МПа; V»/o - процентный выход отсева, %.
ЗАО «Гавриловское карьероуправление». Карьер расположен в Выборгском районе Ленинградской области, в Северо-Западной части Карельского перешейка. Карьер располагается в 2-х км к востоку от ж.д. станции Гаврилово и в 23 км к юго-востоку от г. Выборг, который является городом административного значения. Обзорная карта представлена на рисунке 4.1.
Обзорная карта с расположением карьера «Гавриловское -1» Месторождение слагают породы среднего протерозоя и четвертичные отложения. Четвертичные отложения включают в себя флювиогляциональные и ледниковые отложениями Валдайского надгоризонта.
Мощность четвертичных отложений изменяется от 3,0 м до 33,0 м. (средняя - 20,0 м). Общее увеличение мощности вскрышных пород наблюдается в юго-западном направлении от действующего карьера.
Полезная толща месторождения представлена следующими разновидностями гранитов: серовато-розовыми, розовыми средне-крупнозернистыми, светло серыми и розово-серыми мелкозернистыми гранитами.
Средне- и крупнозернистые граниты представляют около половины полезной толщи и распространены в центральной и юго-восточных частях месторождения. Мелкозернистые граниты расположены на Севере и Юге участка отработки и слагают около 40 % полезной толщи месторождения. Остальные 10 % полезной толщи представлены пегматитами, аплитами, амфиболитами и биотитовыми гнейсами. Главные породообразующие минералы: микроклин -3 - 50%; плагиоклаз - 6-75%, кварц - 20-35%. Второстепенные минералы: слюда - 1 - 3%, биотит - 3 - 10%. Фичико-механические свойства гранитов представлены в таблице 4.1.
Добыча бута осуществляется буровзрывным способом. Подрядная организация осуществляет проведение БВР и поставку горной массы для предприятия. Горная масса перерабатывается на ДСЗ. В результате получается фракционированный щебень. ДСЗ имеет три стадии дробления: крупного, среднего и мелкого дробления. На стадии крупного дробления применяется мобильная щековая дробилка. На стадиях среднего и мелкого дробления -дробилки конусного типа.
В качестве ВВ на карьере применяется «Нитронит» марки Э-70 [71]. Выход отсева согласно техническому проекту и практическим данным предприятия составляет 25% от годового объема перерабатываемого гранита.
Метод расчета основных параметров буровзрывных работ по удельным энергозатратам позволяет установить заданные объемы выход отсева. В расчетах учитываются основные параметры БВР. На основании предлагаемого расчета можно вычислить прочность среднего куска, поступающего на ДСЗ после взрыва.
Из полученной зависимости 3.1, позволяющей прогнозировать выход отсева в зависимости от прочности среднего куска поступающего на ДСЗ, выразим прочность среднего куска через объем выхода отсева:
Попробуем рассчитать параметры БВР (сетку скважин) и среднюю прочность куска, поступающего на ДСЗ, обеспечивающий заданный объем фракции 0-5 мм после стадии переработки. Зададимся фиксированным значением выхода отсева в 22 %. В качестве применяемого ВВ - Сибирит-1200 с удельной энергией Q = 2,58 МДж/кг и плотностью рвв= 1250 кг/м ;. диаметр скважины D = 120 мм. Высота взрываемого уступа h = 12 м. Предел прочности горных пород на одноосное сжатие в массиве равен 240 МПа. Пример расчета сетки скважин, обеспечивающий заданный выход отсева представлен ниже: