Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время доминирующей технологией разработки рудных месторождений являются открытые горные работы, удельный вес которых составляет около 80%. Выемка руды, на карьерах осуществляется буровзрывным способом, который в значительной мере определяет себестоимость до'бычи полезного ископаемого, так как является одним из саімьіх трудоемких и энергоемких процессов. Важнейшее направление совершенствования технологии открытых горных работ — широкое внедрение в производственную практику новых способов подготовки рудного массива к выемке, обеспечивающих снижение затрат на выполнение базовых технологических операций (бурение, взрывное и механическое дробление) за счет целенаправленного изменения параметров рудного массива. Повышение эффективности разработки полезного ископаемого возможно за счет более рационального использования энеогии взрыва с целью не только 'более качественного дробления торной массы, но и разупрочнения и осушения рудного імассива, что позволяет сделать последующие технологические процессы выемки и передела руды более экономичными.
Таким образом, вопрос подготовки рудного массива к выемке на карьерах сводится к использованию «ак можно большей, части энергии взрыва на целенаправленное изменение параметров породного массива (понижение крепости, снижение степени обводненности) и повышение качества дробления горной массы.
Эта актуальная научно-техническая проблема может быть решена за счет разработки новых технических решений на базе детального исследования физической сущности процессов разрушения, разупрочнения и осушения породного массива при взрывной отбойке.
Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию закономерностей процессов разупрочнения и разрушения горных пород при взрывной отбойке на .карьерах с учетом их физико-механических свойств и условий нагружения, а также изучению закономерностей
осушения рабочих уступов в различных технологических вариантах БВР.
Цель работы состоит в разработке способов подготовки рабочих уступов карьеров к выемке руды, обеспечивающих увеличение производительности шарошечного бурения скважин, повышение стойкости шарошечных долот, повышение эффективности формирования котловых лолостеи в скважинах три их термическом расширении, снижение удельного расхода взрывчатых івеществ и экономию их дорогостоящих водоустойчивых типов.
Идея работы состоит в управлении параметрами взрывной отбойки пород на карьерах, обеспечивающими разупрочнение (массива, снижение его обводненности, повышение качества дробления горной массы.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий научное обобщение и анализ передового опыта, аналитические методы механики сплошной среды, термоупрутости, газодинамики, гидромеханики, ' моделирования физических процессов на ЭВМ, а также испытания технологических разработок в производственных условиях и статистический анализ экспериментальных результатов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
закономерность взрывного разупрочнения породного массива динамическими нагрузками олисывается на основе уравнения долговечности, учитывающего изшенение главных напряжений во времени, базовые прочностные свойства пород и масштабный фактор;
напряжения в породном масивве, обусловленные взрывом скважинных зарядов произвольной конфигурации, определяются по принципу суперпозиции напряжений от элементарных зарядов различного диаметра, инициируемых в заданной последовательности с учетом времени ,межскважинного замедления; при этом влияние вертикальных и горизонтальных границ отражения учитывается одновременным включением зеркально отраженных мнимых элементарных зарядов с давлением противоположного знака, удовлетворяющих граничным услоівиям;
для сравнительной оценки эффективности различных схем взрывания отбойных скважин может 'быть использована функция лотери сплошности, учитывающая компоненты, тензора динамических напряжений и прочностные свойства пород;
двухкогловой скважинный заряд обеспечивает повышенную эффективность взрывного дробления по сравнению с однокотловым зарядом, что объясняется, увеличением аэродинамического сопротивления на пути вылета продуктов детонации из скважины и более равномерным распределением энергии волн напряжений в породном массиве;
— обводненность отбойных скважин понижается с помо
щью предварительных взрывов, обеспечивающих образова
ние в рудном массиве отводящих каналов с повышенным ко
эффициентом фильтрации.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
применением апробированных методов механики сплошной среды, гидромеханики и аэродинамики;
удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований, лабораторных и производственных экспериментов;
положительными результатами производственных испытаний и внедрения результатов исследований.
Научное значение работы заключается в разработке методов расчета, в там числе: показателей разупрочнения и разрушения горных пород при взрывной отбойке с применением зарядов различной формы; конфигурации скважин при их термическом расширении в процессе произвольного перемещения термоинструмента; параметров водопонижения на рабочих уступах за счет предварительных взрывов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлены зависимости, позволяющие производить сравнительный анализ интенсивности разупрочнения и разрушения породного массива при взрыве скважинных зарядов произвольной конфигурации с учетом механических и прочностных свойств пород, масштабного фактора, конструкции зарядов, направлення и последовательности их инициирования;
установлены закономерности формирования депрессион-ной кривой в породном массиве, представленном в виде среды с различными коэффициентами фильтрации при наличии вертикальных свободных границ и дренажных скважин, включаемых в работу в различные моменты, времени при проведении в них предварительных'взрывов;
обоснован механизм повышения энергоотдачи при взрыве двухкогловых скважинных зарядов по сравнению с одно-котловыми;
разработана теоретическая модель процесса формирования котловой полости при термическом расширении скважин в зависимости от режима продольного перемещения термоинструмента.
Практическое значение диссертации заключается в разработке:
— технологических вариантов подготовки рудного массива
к выемке с предварительным его взрывным разупрочнением и
осушением, обеспечивающих повышение стойкости шарошеч
ных долот, повышение производительности бурения и эконо
мию дорогостоящих водоустойчивых взрывчатых веществ;
— конструкции и технологии формирования двухкотлово-
го окважинного заряда, обеспечивающего повышение энерго
отдачи при взрыве, улучшение качества взрывного дробления
и экономию ВВ.
Реализация выводов и рекомендаций. Результаты; использованы при составлении следующих документов:
«Инструкция по технологии образования двухкотловой зарядной 'полости оптимальных размеров в условиях Михайловского ГОКа»,
«Методика расчета рациональной величины перебура 'при 'использовании двужкотловых скважинных зарядов ВВ в условиях Михайловского ГОКа»,
«Инструкция по применению технологии МіГИ по совершенствованию буровзрывных работ на карьерах».
Рекомендации используются при проектировании буровых работ на железорудных карьерах Михайловского, Оленегор-окого и Костомукшского ГОКов.
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались на научно-технических советах Михайловского, Оленеторского, Костомукшского и Стой-ленского ГОКов (1990—1994 гг.), на конференции в рамках «Недели горняка» а МГГУ >(1;994 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, из них основными являются 16, в том числе 6 авторских свидетельства на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит страниц машинописного текста, рисунков, 7 приложений и список литературы из 152 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации проф., докт. техн. наук С. А. 'Гончарову, коллективам кафедр физики горных пород и процессов и разрушения горных пород взрывом (МГГУ) и коллегам по совместной научной работе, а также инженерно-техническим работникам горно-обогатительных комбинатов, принимавших участие в проведении экспериментальных исследований по теме диссертации.