Введение к работе
Актуальность темы: В восточных регионах России сосредоточена подавляющая часть разведанных и прогнозных запасов важнейших полезных ископаемых: золота, алмазов, олова, вольфрама, меди, сурьмы, ртути, никеля, угля, нефти и других. Хозяйственное освоение этих перспективных районов, строительство железных и автомобильных дорог, отработка россыпных месторождений и т.д. сопряжено с выполнением большого объема земляных и открытых горных работ в условиях вечно-мерзлых или ceaoHHo-Mqwnbix грунтов.
Из всех способов разработки мерзлых грунтов наибольшее распространение в северо-восточных регионах получило разрушение грунтов рыхлителями, на которые приходится около 60% объемов вскрышных работ. Однако, повышенная прочность и энергоемкость разрушения мерзлых грунтов в значительной мере снижает эффективность и область применения землеройных машин. Для снижения энергоемкости разрушения мерзлых грунтов в настоящее время применяются различные методы разупрочнения ( механические- с предварительным щелеобразованием; тепловые- с естественной или искусственной предварительной отгайкой; криогенные- с дополнительным промораживанием рыхлых горных пород). Выбор и оптимизация рациональных способов разупрочнения мерзлых грунтов и их комбинации требуют внимательного учета природно-климатических, мерзлотно-геологических и теплофизических факторов.
Забайкалье по своим природно-климатическим, геологическим условиям, физико-механическим свойствам и гранулометрическому составу грунтов отличается большим разнообразием. Наряду с более или менее однородными супесчаными и суглинистыми грунтами часто встречаются вечномерзлые гравийно-песчаные смеси и галечники, покрытые слоем ягельного мха, торфяника и другим растительным покровом,
4 ограничивающим возможность их сезонного оттаивания. Толщина снел ного покрова, как правило, незначительна, что способствует глубоком сезонному промерзанию поверхностного слоя ( до 4 м ).
Особенности климата, разнообразие грунтов по их физико-мехаш ческим свойствам вызывают необходимость учета конкретных приро; но- климатических и мерзлотно-геологических условий при выборе ТЄ} ники и оптимальных комбинированных технологических схем ведени открытых горных работ.
Идея работы заключается в том, что повышение эффективности по; готовки к выемке глубокопромерзающих грунтов достигается нарезание в них щелей, интенсифицирующих теплообменные физические процессі разупрочнения мерзлых грунтов и создающих благоприятные условия да механического их рыхления.
Целью работы является расширение технико-экономических во: можностей рыхлителей на открытых горных работах на базе использовг ния предварительного (опережающего) разупрочнения мерзлых грунтов. На разрешение были поставлены следующие основные задачи:- дат анализ условий разрушения мерзлых грунтов в районах Забайкалья обосновать ( выявить) наиболее рациональные способы разработк мерзлых грунтов; - исследовать закономерности и энергоемкость разрз шения мерзлых грунтов при рыхлении с опережающим нарезанием щеле в горном массиве; - определить рациональные конструктивные парамет ры комбинированного универсального рабочего органа "фрезг рыхлитель" для разработки мерзлых грунтов; - оценить возможность эффективность применения тепловой и криогенной мелиораци (подготовки) мерзлых грунтов для повышения эффективности вскрьш ных работ на Татауровском буроугольном месторождении и Малхак ском месторождении цветного турмалина;
5 - разработать эффективные технологические схемы комбинированного разрушения мерзлых qjyHTOB для различных природно-климатических и геокриологических условий с учетом времени года.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовался комплекс методов, который включал: а) анализ современного состояния теории и практики разработки мерзлых грунтов; б) аналитические и 3Kcnq)HMeHrcuibHbie исследования, стендовые и промышленные испытания, технико-экономические расчеты. Исследования проводились с применением современной измерительной аппаратуры и методов статистической обработки полученных результатов на ЭВМ.
Оценка практических результатов исследований проводилась на основе внедрения рациональных способов разупрочнения и разработки мерзлых грунтов на вскрышных работах Татауровского буроугольного и Малханского месторождения камнесамоцветного сырья, осуществляемых при непосредственном участии автора в 1980-94 гг. в ходе выполнения хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ. Научные положения, выносимые на защиту:
повышение эффективности разработки мерзлых пород достигается за счет применения ynHBq>canbHoro комбинированного рабочего органа "фреза-рыхлитель", обеспечивающего опережающее ослабление горного массива фрезой и создающего благоприятные условия для рыхления грунта за счет создания напряжений отрыва и скола;
полученные эмпирические зависимости позволяют определять оптимальные конструктивные параметры и режим работы комбинированного рабочего органа с учетом физико-механических свойств мерзлых пород, обеспечивающих значительное (на 25-30 %) снижение энергоемкости разрушения горных пород;
предварительное нарезание компенсационных щелей в условиях резко континентального климата Забайкалья позволяет значительно ин-
генсифицировачь естественное разупрочнение мерзлых грунтов за счел (Тепловой мелиорации в летний период и образования "сушеицов" в зим ний период;
- комплексное применение механических, тепловых и криогенныз способов разупрочнения мерзлых грунтов с учетом конкретных природ но-климатических условий позволяет избежать применение дорогостоя ших, экологически вредных и опасных при реализации буровзрывных ра бот на вскрышных работах угольных месторождений Забайкалья.
Достоверность научны_х^^ сформулированных і
диссертации обеспечена достаточным объемом лабораторных, стендо вых и производственных испытаний и их удовлетворительной сходи мостью, а также подтверждена результатами внедрения эффективны; способов разупрочнения и'разработки мерзлых грунтов при эксплуатацш ряда месторождений Забайкалья.
Научная новизна работы заключается:
в применении единого методического подхода при исследовании комби нированного способа разработки мерзлых фунтов, заключающегося максимальном использовании природно-климатических и геокриоло гических условий Забайкалья для естественного разупрочнения мерзлы грунтов;
в установлении законо.^чноетей разрушения мерзлых грунтов, позво ляющих определять рациональную расстановку зубьев и фрезы в комби нированном рабочем органе (КРО);
в установлении зависимостей рацнональногорасстояния зубьев рыхлите ля и предварительно нарезанной щели и глубины рыхления с учетом фи зико-механических свойств грунтов;
в установлении многофакторной роли предварительно нарезанных щ« лей для технологического разупрочнения грунтов, а также в интенсиф^ кации тепловой мелиорации и искусственной подготовке сушенцов ;
- в формировании рациональных комплексов предварительного разупроч
нения и рыхления мерзлых грунтов, обеспечивающих всессзонную' эффек
тивную разработку пзунтов в условиях Забайкалья.
Личный вклад соискателя заключается:
в разработке универсальных стендов и проведении лабораторных исследований по определению конструктивных рациональных параметров и режимов работы КРО - "опережающая фреза-рыхлитель";
в разработке математической модели процесса разрушения мерзлых грунтов КТО и создании методов расчета оптимальных его конструктивных и рабочих параметров;
в разработке методов расчета усилий и параметров КТО;
в обосновании целесообразности применения предварительно нарезанных щелей как эффективной составляющей комбинированного способа разупрочнения мерзлых пород;
во внедрении всесезонной комбинированной разработки мерзлых грунтов при эксплуатации (вскрытии) Татауровского буроугольного месторождения и Малханского месторождения камнесамоцветного сырья.
Практическое значение работы состоит в том, что:
выполнен анализ природно-климатических и геокриологических условий Забайкалья, который позволяет обосновывать использование опережающего и предварительного щелеобразования как эффективного всесезон-ного способа разупрочнения мерзлых грунтов с целью снижения энергоемкости его разработки;
разработан универсальный стенд для исследования разрушения мерзлых грунтов различными рабочими органами;
разработана рабочая конструкция универсального рабочего органа -рыхлителя с опережающей фрезой, применение которого позволяет на 20-25% снизить DHqjroeMKOCTb разрушения мерзлых грунтов;
разработана и внедрена на Татауровском буроугольном месторожде-нии (разрез "Восточный") гибкая технология ведения вскрышных работ;
предложены эффективные технологические схемы разработки мерзлых qjyHTOB с учетом суровых природно-климатических условий Забайкалья.
Реализация работы в промышленности . Всесезонная технология разрушения мерзлых грунтов при вскрышных работах испытана и внедрена при эксплуатации Тагауровского буроутольного местророждения.
Технология разрушения мерзлых грунтов щелевым методом разупрочнения Mq^ibix грунтов использована при разработке (вскрытии) Малханского месторождения камнесамоцветного сырья. Результаты исследований широко используются в учебном процессе в ЧитГТУ при подготовке инженеров по специальности "Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях Сибирского автодорожного института (Омск, 1984-1986 г.г.), Читинского политехнического института (г.Чита, 1985-1992 г.г.), на научно-практической конференции "Геокриологические проблемы Забайкалья" (г.Чита, 1987г.), на технической секции Ученого Совета ЗабНИИ (г.Чита, 1996г.), а также на совместном заседании кафедр разработки месторождений полезных ископаемых и кафедры охраны труда и охраны природы Читинскою государственного технического университета.
Публикации, Основные положения и результаты по теме диccqз-тации опубликованы в 8 печатных работах.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 405 наименований и coдq>-жит /^2_листов машинописного текста, 1'6 табл., 4Ь рисунков и 3