Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние добычи и обработки камня на урале 12
1.1. Краткая справка о развитии технологии добычи и обработки камня на Урале 12
1.2. Базовые добывающие и камнеобрабатывающие предприятия Урала 20
1.3. Состояние изученности сырьевой базы Урала, вопросов добычи и обработки природного камня. Направления исследований 49
2 Состояние и перспективы развития сырьевой базы камнеобработки 47
2.1. Оценка минеральных ресурсов природного камня Урала... 47
2.1.1. Месторождения мраморов, мраморизованных известняков и доломитов 47
2.1.2. Месторождения гранитоидов 53
2.1.3. Месторождения габброидов.. 56
2.1.4. Месторождения серпентинитов 59
2.1.5. Месторождения пироксенитов 61
2.1.6. Месторождения порфиритов 62
2.1.7. Месторождения лиственитов. 63
2.1.8. Прочие разновидности природного камня 64
2.2. Освоение сырьевой базы природного камня и потребности камнеобработки 73
2.3. Направления дальнейшего развития сырьевой базы для камнеобработки Урала 87
3 Исследование способов вскрытия месторождений природного камня 100
3.1. Схемы вскрытия рабочих горизонтов на месторождениях природного камня Урала 100
3.2. Схемы вскрытия месторождений природного камня, применяемые в зарубежной практике 102
3.3. Особенности применения бестраншейных схем вскрытия 110
3.4. Классификация способов вскрытия месторождений природного камня 117
3.5. Перспективные способы вскрытия месторождений природногокамня 119
4 Исследование технологии подготовки к выемке выветрелых скрышных пород ... 125
4.1. Способы подготовки к выемке вскрышных пород, традиционно применяемые на карьерах природного камня Урала... 125
4.2. Краткая характеристика возможных способов подготовки к выемке выветрелых вскрышных горных работ 127
4.2.1. Механическое рыхление вскрышных пород 127
4.2.2. Рыхление вскрышных пород с использованием НРС... 128
4.2.3. Отработка вскрышных пород с использованием добычного оборудования 129
4.3. Исследование состояния продуктивного массива при подго товке вскрышных пород к выемке взрывным способом 130
4.3.1. Максимальные давления, возникающие при взрывах промышленных взрывчатых веществ 130
4.3.2. Физические аспекты разрушения горных пород взрывом 136
4.3.3. Исследование влияния массовых взрывов на окружающие горные породы 145
4.4. Перспектива дальнейшего использования заброшенных карьеров для добычи блочного камня 154
4.5. Исследование эффективности защиты продуктивного массива при взрывной подготовке к выемке вскрышных пород 157
4.6. Исследование технологических параметров при взрывном рыхлении горных пород на месторождениях природного камня 171
5. Исследование технологии добычи природного камня 180
5.1. Краткая характеристика технологических схем добычи
природного камня, применяющихся на Урале 180
5.2. Исследование камнерезного способа добычи блочного камня 183
5.3. Исследование алмазоканатного резания.. 186
5.4. Исследование буроклинового способа добычи блоков 190
5.5. Исследование буровзрывного способа отделения монолитов и блоков от массива. 197
5.5.1. Исследование влияния на массив нового взрывчатого вещества ГДК-2 198
5.5.1.1. Анализ прочностных свойств гранита 201
5.5.1.2. Анализ результатов ультразвукового про-звучивания образцов гранита 207
5.5.1.3 Исследование параметров взрывания при отделении монолитов зарядами ГДК-2 209
5.5.2. Исследование технологии отделения монолитов от массива зарядами «мягкого взрывания» 221
5.6. Способы подготовки к выемке и технологические комплексы для добычи блочного камня 229
5.7. Технико-экономическая оценка технологических комплексов карьерного оборудования. 252
5.7.1. Расчет производительности основного технологического оборудования на добыче камня 252
5.7.2. Расчет технико-экономических показателей для оценки технологических комплексов карьерного оборудования 257
5.8. Перспективные технологические схемы добычи блочного камня 259
5.8.1 Перспективные технологические схемы добычи блочного камня средней прочности 259
5.8.2. Перспективные технологические схемы добычи бло ков из прочных горных пород 262
6 Исследование технологических схем обработки природного камня 265
6.1. Существующий камнеобрабатывающий комплекс Урала 265
6.2. Классификация технологических схем обработки камня 271
6.3. Расчет производительности и подбор оборудования для кам-необрабатывающего технологического комплекса 283
6.3.1. Основное назначение технологических схем обработки природного камня 283
6.3.2. Производственные мощности камнеобрабатывающего комплекса Урала и их освоение 284
6.4. Перспективные технологические схемы обработки природ ного камня 288
7 Основные направления дальнейшего развития добычи и обра ботки природного камня на урале 296
7.1. Прогнозы производства изделий из камня на Урале в сравнении с мировым производством 296
7.2. Прогнозы по сырьевой базе для камнеобработки 304
7.3. Организация обработки природного камня 311
7.4. Состояние и перспективы развития машиностроительной и инструментальной базы для добычи и обработки камня 316
7.5. Организационная структура вновь создаваемого камнеобрабатывающего и машиностроительного производств 323
- Базовые добывающие и камнеобрабатывающие предприятия Урала
- Краткая характеристика возможных способов подготовки к выемке выветрелых вскрышных горных работ
- Исследование влияния на массив нового взрывчатого вещества ГДК-2
- Расчет производительности и подбор оборудования для кам-необрабатывающего технологического комплекса
Введение к работе
Актуальность работы. В период экономической нестабильности в стране в 1990 - 1999 гг., охватившей и камнеобрабатывающий комплекс России, на Урале, вопреки всему, многие предприятия, находящиеся рядом с сырьевой базой, оснастились новым высокопроизводительным оборудованием для добычи блоков и производства изделий из камня. Ежегодный прирост объемов производства изделий из камня в период с 1996 по 1999 гг. достиг рекордной величины - 62,6 %. По показателям добычи и обработки природного камня Урал устойчиво занял ведущее положение в России.
В последующем пятилетии производственный потенциал камнеобрабатывающих предприятий Урала начинает постепенно снижаться. Достигнутые темпы ежегодного прироста объемов производства сменились застоем и даже снижением по отдельным позициям. Качественный уровень сырьевых блоков, готовых изделий из камня и номенклатура выпускаемой продукции не достигли уровня зарубежных аналогов. Имеющиеся на камнеобрабатывающих предприятиях производственные мощности на основе высокопроизводительного импортного оборудования освоены на уровне 50 - 60 %. Урал длительное время не может выйти на внешний рынок камня из-за низкой декоративности и качества изделий, несоответствия их не только жестким требованиям зарубежных норм, но и внутренним стандартам. По изделиям из цветных разновидностей гранитов, мраморов и других высокодекоративных горных пород российский рынок природного камня в значительной степени занят зарубежными поставщиками.
При богатстве и неэффективном использовании собственной сырьевой базы отдельные камнеобрабатывающие предприятия Урала импортируют высокодекоративное сырье из Италии, Украины и других стран.
Оборудование и инструмент для добычи и обработки камня закупаются преимущественно за рубежом. В то же время мощности гигантского машиностроительного комплекса Урала в значительной степени недогружены.
В связи с этим возникла необходимость детально проанализировать ситуацию на предприятиях по добыче и обработке природного камня, выявить слабые звенья и научно обосновать рекомендации по повышению эффективности отрасли на Урале.
Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования теоретических основ и подготовки принципиально новых технологических решений по добыче и обработке природного камня. В связи с этим необходимо выполнить исследования по сырьевой базе для обеспечения в перспективе уральских камнеобрабатывающих предприятий высокодекоративным сырьем. Для перевода карьеров природного камня и камнеобработки на современные высокотехнологичные схемы производства и постепенного перехода уральских предприятий на отечественное оборудование и инст-
рументалыгую базу необходимо выполнить комплекс исследований в области добычи и обработки камня.
В результате этого можно реально увеличить объемы производства на Урале изделий из природного камня к 2010 году в 2,5 - 3 раза. Таким образом, рассматриваемая тема исследования актуальна как в научном, так и в прикладном плане.
Объектом исследования в диссертации являются технологические процессы на добыче и обработке природного камня на уральских предприятиях.
Предметом исследований являются закономерности развития сырьевой базы, способов подготовки к выемке вскрышных пород, добычи блочного камня и производства изделий из него.
Тема диссертации соответствует приоритетному направлению Государственной программы «Направления увеличения объемов валового продукта в Российской Федерации к 2010 году в 2 раза», высказанному в ежегодном послании президента РФ 16.05.03 г.
Цель работы заключается в исследовании закономерностей развития сырьевой базы и технологий добычи и обработки природного камня для разработки оптимальных направлений повышения эффективности отрасли, обеспечения стабильного роста объемов производства изделий из природного камня на Урале.
Основная идея работы заключается в установлении рациональных технологических параметров на подготовке к выемке вскрышных пород и блоков, в разработке предохранительных мероприятий, обеспечивающих сохранность продуктивного массива блочного камня на основе изучения закономерностей затухания волн напряжений в массиве, с учетом коэффициентов выхода блоков из массива, плит из блоков и производительности применяемых технологических комплексов на добыче и обработке камня.
Задачи исследования:
Исследовать возможности и состояние развития минерально-сырьевой базы для камнеобработки и определить направления развития ее на ближайшую перспективу.
Исследовать возможность подготовки к выемке вскрышных пород на месторождениях природного камня буровзрывным способом.
Разработать специальные предохранительные мероприятия, обеспечивающие сохранность продуктивного массива блочного камня при взрывной подготовке к выемке вскрышных пород и доказать их эффективность.
Обосновать необходимость нового подхода к расчету сопротивления по подошве и основных параметров взрыва для эффективного дробления горных пород в ограниченном контуром массиве.
Исследовать возможности применения стандартных и новых взрывчатых веществ на отделении блоков от массива.
Доказать необходимость применения новых высокопроизводительных технологических схем на добыче и обработке природного камня и
разработать направления повышения эффективности работы отрасли на Урале.
Методы исследований. В работе использован комплекс теоретических и опытно-производственных исследований, в том числе:
изучение состояния керна на различной удаленности от зарядов ранее произведенных взрывов на карьерах, отработанных взрывным способом без предохранительных мероприятий;
экспериментальные исследования новых технологических схем взрывной подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород для определения эффективности предохранительных мер, обеспечивающих сохранность охраняемого массива, отрабатываемого на блочный камень;
оценка ультразвуковым методом и лабораторными испытаниями с построением паспортов прочности горных пород, подвергнутых взрывному воздействию в сравнении со свежими, добытыми буроклиновым способом;
использование фото- и видеосъемки объектов исследования, опытных взрывов и изучение по ним результатов экспериментов;
статистический анализ и научная обработка данных по отечественным предприятиям и зарубежным аналогам с использованием ЭВМ.
Научные положения, представляемые к защите:
Максимальное значение начального давления продуктов взрыва зависит от плотности заряжания, объема газов и возникающей при этом температуры. Изменяя плотность заряжания и объем взрывной камеры, можно управлять действием взрыва на окружающую среду.
Величина зоны разрушения горных пород при массовых взрывах в горных породах зависит от формы волнового фронта и составляет для сферической волны напряжений вдоль оси заряда вниз 32 -г 34 радиуса скважины, а для волны цилиндрической формы - 64,4 радиуса скважины или шпура - в перпендикулярном направлении. За этими пределами разрушения отсутствуют и возможна добыча блоков природного камня.
Снижение разрушающего действия взрыва на охраняемый массив до безопасной величины обеспечивается за счет применения комплекса предохранительных мер, включающих: создание экранирующих щелей по контуру массового взрыва, устройство демпфера с высоким волновым сопротивлением в нижней части скважины, раздельное действие зарядов рыхления и равномерное размещение взрывчатого вещества в разрыхляемом массиве.
Величина сопротивления по подошве зависит от высоты уступа, диаметра скважины, линейной плотности заряжания, длины заряда и способа размещения его в пространстве.
При отделении блочного камня от массива расстояние между соседними зарядами определяется по условиям пробоя промежутка между ними и по минимально необходимой ширине раскрытия щели.
Научная новизна:
Впервые систематизированы основные данные, включающие выход блоков из горной массы, декоративность и радиоактивность горных пород, качественно-коммерческую оценку их, с указанием зарубежных аналогов, спроса на внешнем рынке камня, по обширному комплексу месторождений природного камня, представляющему минерально-сырьевую базу Урала для перспективного развития камнеобработки региона.
Установлена зависимость параметров зоны разрушения горных пород при массовых взрывах от радиуса заряда, физических свойств горных пород и формы волнового фронта, обусловленного конструкцией взрывной скважины для сферической волны в направлении вдоль оси заряда вниз и цилиндрической - в перпендикулярном направлении.
Установлена возможность эффективной защиты продуктивного массива на месторождении природного камня при использовании взрывания на подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород и проходке горно-капитальных выработок.
Установлена зависимость максимальной расчетной величины сопротивления по подошве от высоты уступа, диаметра скважины, параметров заряда и забойки в диапазоне высот от 1,0 до 10,0 м.
Доказано, что при отделении блочного камня от массива расстояние между соседними зарядами определяется по условиям пробоя промежутка между ними и по минимально необходимой ширине раскрытия щели.
Разработаны базовые технологические комплексы оборудования для добычи природного камня и методы оценки их эффективности, на основе которых выполнена классификация способов подготовки блочного камня к выемке и выбраны наиболее оптимальные для применения в перспективе.
Разработаны технологические схемы обработки природного камня на базе ленточнопильных, канатных и дисковых камнеобрабатывающих станков, учитывающие вид горных пород, тип изделий и фактуру их поверхности для последующего расчета производственных мощностей предприятий и подбора оптимальных вариантов обработки камня.
Определены направления дальнейшего развития камнеобрабатывающего комплекса Урала на основе целенаправленного использования сырьевой базы камнеобработки, перехода на высокопроизводительные технологические схемы производства вскрышных работ, добычи и обработки природного камня и адаптации отрасли к потребностям Российского и мирового рынков камня.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- значительным объемом экспериментальных исследований в области добычи и обработки природного камня, проведенных в лабораторных и производственных условиях;
- проверкой и внедрением с положительным эффектом разработан
ных технологических и технических решений на карьерах природного
камня и камнеобрабатывающих предприятиях Урала. Результаты теорети
ческих исследований, опытно-промышленных испытаний и экспериментов
имеют расхождение не более 5 -г 7 %.
Практическая значимость работы. В результате выполненных исследований стало возможным:
оценить состояние и реальные возможности по эффективному использованию минерально-сырьевой базы природного камня Урала;
разработать перспективные направления развития отрасли на Урале с использованием передовых технологий в процессе добычи и переработки природного камня;
реально определить границы разрушений в массиве, возникающих при взрывах промышленных взрывчатых веществ, что позволило прийти к выводу о возможности разработки вмещающих пород на природный камень на карьерах, ранее разрабатываемых на другие полезные ископаемые;
разработать и внедрить специальные предохранительные мероприятия, позволяющие при подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород с использованием взрывания, предотвратить разрушения в продуктивном массиве на месторождениях природного камня;
разработать новый метод расчета технологических параметров взрывания на рыхление, отличающийся от известных учетом высоты уступа, длины демпфера, длины заряда и способа размещения его в пространстве, обеспечивающий сочетание качественного дробления и сохранности продуктивного массива, разрабатываемого на блоки природного камня;
разработать рекомендации по развитию машиностроения и инструментальной базы камнеобработки.
Реализация результатов работы.
Основные научные положения и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, использованы при подготовке и реализации проектов разработки, строительства и реконструкции Коелгинского (центрального), Южно-Коелгинского, Верхне-Тагильского, Полевского, Ново-Ивановского, Глинского, Верхне-Уфалейского, Хамитовского и Походи-ловского месторождений мрамора и мраморизованных известняков, при проходке опытных карьеров в период проведения геологоразведочных работ на Рыскужинском и Амангильдинском месторождениях мрамора. По результатам исследований подготовлены учебно-методические пособия для использования в учебном процессе: «Качественная и коммерческая оценка готовой продукции из природного камня», «Расчет и выбор технологического оборудования для добычи блоков», «Расчет технологических процессов на добыче блочного камня», «Общие вопросы проектирования камнеобрабатывающих производств» и «Расчет и выбор технологического оборудования для обработки природного камня».
Рекомендации по развитию машиностроения для отрасли использованы при организации производства оборудования для добычи природного
камня на машиностроительном заводе имени М.И. Калинина в г. Екатеринбурге и Режевском экспериментальном заводе в г. Реже, Свердловской области.
Фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 30 млн. руб. в действующих ценах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на десяти научно-технических конференциях по тематике научного, практического и информационного обеспечения добычи и обработки природного камня, организуемых Центром Камня на базе ООО «Экспериментальный завод» (г. Реж) в 1993 - 2002 гг., на региональных и Международных научно-технических конференциях по проблемам добычи и обработки камня в Уральской государственной горногеологической академии (г. Екатеринбург) в 1992 - 1998 гг., на научно-технической конференции по проблемам развития камнеобработки на Урале в УГГГА (2000 г.), на Республиканской научно-практической конференции, посвященной 80-летию геологической службы Башкортостана (2000 г.) в г. Уфе, на конференции «Все о камне» в 2000 г. (г. Челябинск), на международной конференции «Добыча, обработка, применение природного камня» в Магнитогорском горно-металлургическом университете (2001 г.), на научно-практической конференции на тему «Эффективность использования минерально-сырьевой базы природного камня Свердловской области» в министерстве по природным ресурсам правительства Свердловской области (2001 г.), на специализированной конференции «Камнедобыча и камнеобработка в XXI веке: Современное оборудование, технологии добычи и обработки», проводимой в рамках XI Международной выставки «Уралстрой-2001» в г. Уфе, на научно-практической конференции «Природный камень в России» на 3-й Международной выставке «Экспокамень-2002» в г. Москве.
Публикации. Всего автором опубликовано 47 научных работ, в том числе по теме диссертации - 24 научных работы.
Личный вклад автора:
научно обоснованы и разработаны методы расчета предохранительных мероприятий при ведении буровзрывных работ на охраняемых массивах месторождений природного камня;
научно обоснованы и разработаны методы расчета технологических параметров взрывов на выветрелых вскрышных породах и добыче блочного камня на месторождениях природного камня;
разработаны базовые технологические комплексы оборудования для добычи природного камня, на основе которых выполнена классификация способов подготовки блочного камня к выемке и выбраны наиболее оптимальные для перспективы;
на основе исследований разработаны методы расчета производительности технологического оборудования для добычи и обработки природного камня.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложена на 385 страницах машинописного текста, имеет 39 таблиц, 118 рисунков и список использованной литературы из 241 наименования.
Исследования, выполненные в настоящей работе, базируются на общих положениях, изложенных в многочисленных трудах академиков Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого и их последователей.
Специфические требования к сырью и готовым изделиям из природного камня не позволяют вести вскрытие и разработку месторождений этого типа традиционными способами, широко применяющимися в практике ведения открытых горных работ. В связи с этим в настоящей работе детально рассмотрены вопросы применения предохранительного взрывания на вскрытии месторождений природного камня и подготовке блочного камня к выемке. Именно эти вопросы являются базовыми в защищаемых научных положениях.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту д.т.н., проф. B.C. Хохрякову за оказанную методическую помощь при работе над диссертацией; д.т.н. проф. В.К. Багазееву, д.т.н. А.В. Гальянову, д.т.н., проф. В.И. Комащенко, д.т.н., проф. Ю.И. Лель за ценные советы при подготовке и обсуждении работы, а также выразить искреннюю признательность инженерам Л.В. Кокуниной и Р.В. Кокунину за практическую помощь в подготовке рукописи к изданию.
Базовые добывающие и камнеобрабатывающие предприятия Урала
Камнеобрабатывающий комплекс Урала представлен в настоящее время двумя типами предприятий: первый тип - это старые предприятия с богатой историей и своими традициями, находящиеся в различном экономическом состоянии, второй тип - новые предприятия, сформировавшиеся в период перестройки и экономической нестабильности. ьОбъемы настоящей работы не позволяют описать все добывающие природный камень и камнеобрабатывающие предприятия, да и нет в этом необходимости. Ниже описаны лишь базовые предприятия, являющиеся ведущими в отрасли. Схема размещения ведущих предприятий по добыче и обработке камня в Свердловской, Челябинской областям и Республике Башкортостан приведена на рис. 1.1. Закрытое акционерное общество «Коелгамрамор» является самым крупным на Урале. Оно возникло на базе крупного государственного предприятия по добыче и обработке мрамора. Основой его является Коел-гинский карьер белого мрамора. Это предприятие является типичным представителем технологической схемы «карьер-завод», при которой имеет место полный комплекс технологических процессов, начиная от добычи блоков и кончая глубокой переработкой сырья на готовую продукцию. В настоящее время Коелгинский карьер белого мрамора является самым крупным на Урале среди аналогичных предприятий блочного камня. Мрамор Коелгинского месторождения хорошо известен как в России, так и за рубежом, являясь, по сути, стопроцентным аналогом итальянского мрамора месторождения Каррара, расположенного в Апуанских Альпах. По общему объему перерабатываемой горной массы для добычи мраморных блоков это самый крупный карьер не только на Урале, но и в России и ближнем зарубежье [16, 39].
Уникальность этого карьера состоит в том, что, несмотря на сложные климатические условия, он стабильно работает круглый год без снижения производительности в зимний период.
Коелгинское мраморное месторождение было известно давно. Оно разрабатывалось кустарями еще до первой мировой войны [113]. шем согласовании плоскостей резания камня с природной трещиновато-стью, выход блоков из горной массы по Коелгинскому месторождению мрамора может достигнуть 60 %. Это подтверждают результаты работы карьера за 1999 год, когда выход кондиционных блоков из горной массы достиг 56,9 %. В течение всего периода существования Коелгинский мраморный карьер был полигоном, на котором испытывались новые машины и технологии добычи мраморных блоков и производства вскрышных работ. На карьере испытывались первые машины с кольцевой фрезой, первые отечественные и зарубежные камнерезные машины с цепным баром и мощные бульдозерно-рыхлительные агрегаты. По результатам промышленных испытаний на Коелгинском мраморном карьере машины доводились и запускались в серийное производство. Некоторые машины не смогли пройти испытаний и судьба их была предрешена там же. На Коелгинском карьере были впервые отработаны специальные способы производства предохранительного взрывания выветрелых горных пород на вскрыше без разрушения продуктивного массива мрамора. С внедрением высокоуступной технологии добычи мрамора карьер снова встал на передовые рубежи и вышел в 1997 году на утраченные ранее позиции по объему производства блоков. ЗАО «Коелгамрамор» является основным поставщиком белого мрамора в блоках для крупнейших камнеобрабатывающих заводов России. В белые одежды Коелгинского мрамора одеты многие станции метро, железнодорожные вокзалы, аэропорты, театры, дворцы и многие другие объекты.
В 1996 году ЗАО «Коелгамрамор» выигрывает тендер на изготовление архитектурно-строительных изделий для строящегося Храма Христа Спасителя. Если ранее с предприятия отправлялись блоки или заготовки для изготовления архитектурно-строительных деталей для строительства различных уникальных сооружений в стране, то для строящегося храма изготавливались изделия с высокой степенью готовности. Для этого были закуплены специальные станки для профильного резания: алмазоканатный станок итальянской фирмы «Bidese Impianti» [Ш], фрезерно-окантовочный станок с программным управлением модели «Axia-38» итальянской фирмы GMM. Отдельные наиболее сложные и крупногабаритные изделия из мрамора для храма изготавливались с помощью предприятий военно-промышленного комплекса Урала. Сложнейший заказ на архитектурно-строительные изделия был завершен досрочно. В период выполнения заказа по Храму Христа Спасителя [168] в 1997 году появились средства для закупки комплекта технологического оборудования итальянской фирмы «Gaspari Menotti» [97] для производства модульных плит. Таким образом, была завершена вторая реконструкция кам-необрабатывающего завода. Производственная мощность его возросла до 450 тыс. м2 плит в год. ЗАО «Коелгамрамор» становится самым крупным предприятием на Урале и в России по производству изделий из мрамора. Объем производства облицовочных изделий из мрамора составлял в 1995 году - 330,5 тыс. м2 условных плит. После перехода в 1996 году на изготовление архитектурно-строительных изделий для Храма Христа Спасителя объем производства плит резко падает и составляет 236,5 тыс. м2 в 1996 году и 163,1 тыс. м2 - в 1997 году. В 1998 году он достигает максимальной величины - 337,4 тыс. м2, а в 2000 году вновь падает до 301,5 тыс. м2. Выполненные нами прогнозные расчеты по зависимости (1.1) показывают, что добыча блоков Коелгинского месторождения будет снижаться до 24,5 тыс. м3 в 2010 г. Из этого следует, что производство облицовочных плит из Коелгинского мрамора в перспективе будет уменьшаться. Необходимо отметить, что крупнейшее на Урале камнеобрабатывающее предприятие с собственной сырьевой базой по производству облицовочных плит не смогло выйти на проектную мощность. Основная причина - снижение спроса на плиты Коелгинского месторождения на рынке камня. Это вынудило предприятие максимально увеличивать производство товаров народного потребления и архитектурно-строительных деталей по специальным заказам.
Объемы производства облицовочных плит по ЗАО «Коелгамрамор» за период с 1995 по 2001 гг. приведены в табл. 1.1. На рубеже веков и тысячелетий ЗАО «Коелгамрамор» представляет собой крупнейшее предприятие Урала с годовым объемом производства в 109 млн. рублей, с численностью персонала более 1000 человек, оснащенное современным высоко производительным технологическим оборудованием, укомплектованное квалифицированными специалистами на добыче и обработке камня, способное выполнить из мрамора заказы любой сложности. Камнеобрабатывающий завод продолжает изготовление архитектурно-строительных изделий для многих уникальных сооружений в России и за рубежом. В большом количестве изделия из Коелгинского мрамора идут на строительство объектов в Москве, Казани, Ростове-на-Дону, Екатеринбурге, Волгограде, Самаре, Челябинске и новой столице Казахстана -Астане. В последние годы из ЗАО «Коелгамрамор» по производству блоков выделилось ЗАО «Коелга Южная». Открытое акционерное общество «Уфалейникель» территориально находящееся в городе Верхний Уфалей, Челябинской области, было одним из первых производственных предприятий Урала, на котором возникло камнеобрабатывающее производство, как вспомогательное. Основной вид деятельности ОАО «Уфалейникель» - добыча и переработка никелесодержащих руд. Конечной продукцией являются металлические никель и кобальт, их соли и сплавы, а в последние годы добавились облицовочные плиты из мрамора. В настоящее время предприятие включает в себя горнорудное, металлургическое и камнеобрабатывающее производства [29]. При отработке никелевых руд на некоторых карьерах были вскрыты выходы мраморов.
Краткая характеристика возможных способов подготовки к выемке выветрелых вскрышных горных работ
Механическое рыхление пород наиболее эффективно применять для подготовки вскрышных пород I - III категории трещиноватости, I-II класса по показателю трудности разрушения. Обычно применяются навесные рыхлители параллельного или радиального действия. Глубина рыхления зависит от горно-геологических условий месторождения и мощности машины, на которую навешивается рыхлитель. В последние годы в нашей стране применяются отечественные рыхлители на базе тракторов ДЭТ-250, ДТ-330 и ДТ-550 тяжелого типа с мощностью на крюке 184 - 368 кВт, на которые навешиваются рыхлители тяжелого типа со съемными зубьями и башмаками. Рыхлители на тракторах Т-100М, Т-130 мало эффективны и могут применяться в основном на полускальных породах I класса с показателем Пр 5. В 1976 - 1977 гг. автором настоящей работы проводились испытания рыхлителя Д-652АС на базе трактора ДЭТ-250 с различной конструкцией навески и формой зуба на вскрышных работах Коелгинского карьера белого мрамора [36]. Испытаниями установлено, что на скальных породах с Пр = 6- 7 лучше работает рыхлитель с одним зубом. Для более мягких пород количество зубьев не должно быть более трех. Глубина рыхления достигала 0,5 - 0,7 м, производительность 140-380 м3/ч. Наиболее рациональной для пород с Пр = 6 - - 7 является конструкция острого зуба. Расстояние между проходами рыхлителя составляло обычно 0,7 - 1,0 м. При работах на карстовых воронках с благоприятными условиями расстояние между проходами увеличивалось до 1,5 м. При показателе трудности разрушения Пр 7 применение рыхлителя этого типа нецелесообразно из-за низкой эффективности.
Рыхлители широко применяются при разработке скальных пород на карьерах США, Испании, Франции, Англии. Большую гамму рыхлителей выпускает фирма АТЕСО (США). Для тракторов мощностью 182 - 555 л.с. выпускается серия рыхлителей V-LPAS, V-LPRS, V-LPAF, V-LPRF параллельного действия с механизмом ручного или гидравлического регулирования угла наклона зубьев. Кронштейны зуба фирмы АТЕСО VYBA обеспечивают амортизацию и поглощение ударных нагрузок и вибраций за счет применения специальной резиновой колодки. Резиновый амортизатор, кроме того, обеспечивает увеличение степени измельчения горных пород за счет использования энергии сжатия-разжатия колодки. При работах на предельно тяжелых режимах работы кронштейн зуба делается поворотным на 30 град, в вертикальной плоскости, за счет чего обеспечивается постоянная ориентация зуба в направлении рыхления и предотвращается перегрузка трактора. Рыхлители навешиваются на тракторы фирм Caterpillar, Fiat-Allis, Ford, International, Komatsu и др. Имеются варианты для навески на большегрузных пневмоколесных погрузчиках мощностью 160 - 555 л.с. типа PRF,PS[203]. Особенно хорошие результаты на механическом рыхлении горных пород достигаются при применении комплексов мобильного оборудования, в которые входят колесные фронтальные погрузчики [201, 202]. Однако применение бульдозерно-рыхлительных агрегатов большой мощности на небольших карьерах облицовочного камня с объемом рыхления 25 - - 50 тыс. м3 в год экономически не оправдывается. Кроме того, выходящие на поверхность сильнотрещиноватые массивы природного камня в большинстве случаев имеют высокое значение коэффициента сцепления и не поддаются рыхлению даже мощными бульдозерно-рыхлительными агрегатами [36, 213]. 4.2.2. Рыхление вскрышных пород с использованием НРС
Невзрывчатые разрушающие средства обладают множеством технических и технологических достоинств. Использование их не требует высокой квалификации персонала, они безопасны в обращении, не вызывают разрушений в продуктивном массиве природного камня. Квазистатический процесс разрушения горных пород с использованием НРС не нарушает целостности слагающих породу минералов и их соединений, так как нагрузка самонапряженного НРС возрастает постоянно в течение всего времени до периода раскола породы. Однако использование НРС выявило также ряд существенных его недостатков: ограниченная возможность использования НРС при низких температурах, нестабильность свойств партий НРС, высокая гигроскопичность порошка, необходимость точного соблюдения соотношения НРС и воды в рабочей смеси, нарушение которого не только снижает работоспособность НРС, но может привести даже к полной ее потере. Для применения НРС требуется произвести значительный объем буровых работ. Применение НРС ограничено показателями температуры породного массива в интервале 0 - 25 С. Оптимальными температурными условиями работы НРС со временем его срабатывания 8 - 12 ч являются температурные зоны в пределах 20 ± 5 С. При использовании НРС в породных массивах, имеющих температуру ниже +5 С время его срабатывания увеличивается до 2 суток и более. При температурах же выше +25 С может произойти самопроизвольный выброс порошка, что весьма опасно [103]. Для районов с продолжительной зимой весьма актуальным является обеспечение эффективного срабатывания НРС при температуре ниже +5 С. Снижение температуры разрушаемой породы замедляет процесс гидратации и увеличивает срок действия НРС. При отрицательных температурах, например при -5 С, разрушение породы наступает лишь через 3-4 суток, а дальнейшее понижение температуры приводит к полному прекращению действия НРС [115]. В условиях уральского климата применение НРС на подготовке вскрышных пород к выемке также не целесообразно. Отработка вскрышных пород с использованием добычного оборудования Основным способом подготовки к выемке вскрышных пород практически на всех уральских карьерах природного камня была отработка их добычным оборудованием: баровыми и алмазоканатными камнерезными машинами, буроклиновым и термогазоструйным способом. Главное достоинство этих способов состоит в том, что они всегда гарантируют сохранность основного массива месторождения, отрабатываемого на блочный камень. Однако высокая трудоемкость и низкая производительность добычного способа на выветрелых породах являются существенным тормозом в развитии карьеров природного камня в новых экономических условиях. Для ввода в эксплуатацию карьера блочного мрамора с производственной мощностью 5,0 -=- 10 тыс. м3 в год при вскрытии его добычным оборудованием требуется 5-6 лет и капитальных вложений от 25,0 до 40,0 млн. руб. По сравнению с подготовкой выветрелых вскрышных горных пород взрывным способом затраты при добычном способе увеличиваются в 7 -10 раз. Выполненные нами исследования [19, 21, 31] показали, что применение добычного способа на подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород на месторождениях природного камня средней прочности экономически оправдывается только при мощности их не более 2,0 - 3,0 м с производством вскрышных работ в 1 - 2 уступа.
Исследование влияния на массив нового взрывчатого вещества ГДК-2
Автор настоящей работы принял участие в производственных испытаниях взрывчатого вещества нового поколения, получившего название газодинамический клин ГДК (патенты России № 98121298 от 11.11.98 г. и № 98123142 от 10.12.98 г.). В отдельных сериях заряды этого вещества получили название «газогенераторный клин ГТК-2» [45]. Об опыте применения ГДК на полигоне и карьере Букиевский в Житомирской области приведена небольшая информация в работе [87]. Взрывчатое вещество ГДК-2 состоит из двух компонентов: окислителя - хлорита натрия технического по ГОСТ 12257-93 и горючего - углеводородов - полиэтилена, дизельного топлива. Сами по себе компоненты применяются для различных технических целей и не взрывоопасны в обращении. Даже готовый к употреблению заряд, составленный из упомянутых компонентов, может взрываться только в определенных условиях, в пределах определенного замкнутого объема в шпурах. По степени опасности ГДК-2 отнесен к пиротехническим изделиям 5-го класса опасности, что значительно уменьшает затраты, связанные с его транспортировкой, хранением и применением. Его невозможно поджечь или взорвать на открытом воздухе вне шпура. Технологические испытания зарядов под названием ГТК-2 (газогенераторный клин) были проведены на Мансуровском месторождении гранита ОАО «Мансуровский комбинат строительных материалов» [52] на отделении крупных монолитов от массива. Все испытания образцов, подготовленных ОАО «Мансуровский комбинат строительных материалов» и обработка экспериментальных данных, были выполнены в лаборатории физики горных пород Уральской государственной горно-геологической академии.
По результатам технологических испытаний и гигиенического заключения гранит, в соответствии с Нормами радиационной безопасности (НРБ-99) относится к материалам 1-го класса (удельная активность не превышает 370 Бк/кг) [152]. Мансуровский гранит может быть использован во всех видах строительства без каких-либо ограничений, в том числе в строительстве жилых зданий. Физико-механические свойства гранита приведены в табл. 5.5. Для проведения комплексных исследований на Мансуровском гранитном карьере с помощью зарядов ГГК-2 был выколот опытный блок размером 3,5x1,5x1,5 объемом 7,875 м . Задача исследований - выявление влияния разрушающего действия зарядов ГГК-2 на структуру отделяемой горной породы по изменению показателей прочности и акустических характеристик образцов плит. Блок отделялся по двум плоскостям - поперечной и продольной вертикальной. По горизонтальной плоскости была природная трещина тектонического происхождения. Шпуры диаметром 32 мм, расстояние между ними 0,3 м. Всего было пробурено 16 шпуров, заряжено 14 по 50 г ГДК-2 на шпур. Общий вес заряда составил 700 г. Удельный расход на 1 м3 блока 88,9 г, а на 1 м2 реза - 93,3 г. Из отколотого блока в плоскости, перпендикулярной оси зарядов, выпиливались образцы плит размером 300x300x20 мм. На одной из кромок образцов были следы шпуров, а остальные грани были подрезаны под прямым углом. Образцы были отполированы с лицевой поверхности. Из 10 подготовленных на испытания в лабораторию было направлено 5 образцов. Для сравнения и оценки были взяты 2 полированных образца плит из блоков, отделенных от массива буроклиновым способом (рис. 5.14). К исследованию на прочность и на изменение акустических характеристик представлены два типа образцов гранита Мансуровского месторождения - с места применения газогенераторного клина ГГК-2 и с места добычи ручным способом (без применения ГГК-2). Для оценки влияния применения ГГК-2 на свойства гранита произведено определение прочностных и акустических свойств представленных образцов. Оценка результатов взрыва производилась по наличию наведенной трещи-новатости на лицевой поверхности плит вблизи взорванных шпуров. Лицевая поверхность образцов была отполирована.
Обследование полированной поверхности гранита вокруг шпуров показало, что наведенная трещиноватость по направлению от заряда в глубину отделяемого от массива блока отсутствует. В тоже время имеют место трещины, параллельные плоскости отделения в плитках № 4 и № 5 и одна трещина по радиусу заряда в плитке № 2. Происхождение этих трещин, скорее всего, тектоническое, т.к. направления их не соответствуют направлениям трещин, возникающих при взрывах. 5.5.1.1. Анализ прочностных свойств гранита Прочность горных пород определялась путем разрезания гранитных плит на образцы с последующим раздавливанием полученных кубических образцов полуправильной формы в соответствии с требованиями ГОСТ 21153.4-84. Прочность при растяжении ар определялась на механическом прессе с ценой деления 100 Н, прочность при сжатии осж - на гидравлическом прессе с точностью 0,1 кН. Построение огибающей кругов напряжений Мора производилось по уравнению [131] хг ={2 тр -2. стр((тсж +ар)+асж]х(стр +ст\ (5.13) величина сцепления определялась по формуле TC=JKC P, (5.14) угол внутреннего трения м ер = arctg (5.15) 2V 7 где К = [2ар - 2 ар(асж +ар)+ осж], (5.16) Измерение прочностных характеристик осуществлялось на различном расстоянии от оси шпура. Результаты представлены в виде паспортов прочности. Всего было построено 20 паспортов прочности: 4 — для образцов, подготовленных буроклиновым способом без ГТК и 16 - для образцов плит, отколотых с использованием ГТК. Обработка результатов экспериментов производилась в соответствии с рекомендациями стандартов на основе аппарата теории вероятностей и математической статистки [187]. Сводные результаты представлены в табл. 5.6. При равенстве дисперсий в качестве критерия равенства средних может использоваться коэффициент Стьюдента в виде [174] 201 T= f1 л =, (5.17) S-yjl/щ +1/и2 где Хі и Х2 - средние значения признака с дисперсиями Sj2 и S22 при числе измерений Пі ип2. 8=1 МІКіИ. (5.18) - Y (и;-1) + (ла-1) Соответствующие значения критерия Стьюдента для средних значений прочности при растяжении и сжатии приведены в табл. 5.6. Их величина значительно ниже критической tKp (0,99) = 2,576. Таким образом, с надежностью вывода 99 % можно считать, что средние различаются не значимо, т.е. использование для отбойки пород газодинамического клина ГГК-2 не снижает прочности гранита. Усредненные статистические характеристики прочности гранита по образцам, полученным буроклиновым способом и с применением ГГК-2 приведены в табл. 5.6 и 5.7.
Расчет производительности и подбор оборудования для кам-необрабатывающего технологического комплекса
В таблице 6.2 приведены технологические схемы обработки камня на базе ленточнопильных и канатных камнераспиловочных станков. Особенностью их является готовая заготовка для дальнейшей обработки, которая представляет собой полуфабрикат в виде плоского листа, толщиной 15-40 мм, либо толстомерную пластину заданной толщины, длина которой равна длине, а ширина - высоте исходного блока. Из этих заготовок в дальнейшем изготавливаются крупноразмерные изделия из камня. Ленточнопиль-ные станки раньше преобладали в камнеобрабатывающем производстве, однако в последние годы доля их постоянно уменьшается. В первое время прогрессировал рост дисковых ортогональных камне-обрабатывающих станков, а в последние годы наметилась тенденция в увеличении выпуска новых моделей многоканатных камнераспиловочных станков. Причем, многоканатным камнераспиловочным станкам намечается замечательная перспектива. Главное достоинство станков этого типа -высокая производительность резания на многих видах горных пород, простота перестройки станка на новый вид продукции, небольшой вес станка и простота управления процессом распиливания блока. Первая часть классификации технологических схем охватывает в основном изделия из камня большого размера, заготовки из которых невозможно изготовить на станках другой конфигурации. Порядковые номера схем №№ 1, 2 и 3 - это комплектные технологические линии конвейерного типа, предназначенные для изготовления стандартной прямоугольной полированной или шлифованной плиты. При изготовлении плит из туфа, известняков-ракушечников и других не полирующихся горных пород, из упомянутых выше конвейеров исключаются калибровочные и шлифоваль-но-полировальные блоки (схемы 4 и 5). Как уже упоминалось, на новых технологических линиях более целесообразно применять первичную распиловку на многоканатных камнераспиловочных станках (поз. в).
На прочных горных породах типа гранита возможно изготовление стандартных плит на позиционном оборудовании (схема 6) или на полуавтоматизированной конвейерной линии. Между камнераспиловочными станками и обрабатывающим конвейером следует предусматривать технологический разрыв, т.к. технологический цикл производства на этом участке разрывается. На прочных горных породах типа гранита часто выполняются нетрадиционные фактуры обработки: скала (схема 8), шуба (схема 9), точечная (схема 10) и термообработаннная (схема 11). Для выполнения этих фактур в технологических схемах следует предусматривать оборудование для выполнения этих операций. На базе этих камнераспиловочных станков имеется богатые возможности по изготовлению крупных архитектурно-строительных деталей и товаров культурно-бытового назначения (схемы 12, 13 и 14). Вторая базовая группа камнераспиловочных станков скомбинирована на дисковых станках, одна из которых представлена ортогональными станками с отрезными кругами, располагающимися во взаимно перпендикулярных плоскостях и вторая - группу многодисковых одноярусных или двухярусных станков с отрезными дисками диаметром до 2 м и однодиско-вые камнераспиловочные станки с рабочим органом диаметром 2,5 - 4,0 м. Ортогональные камнераспиловочные станки широко применяются в производстве стандартных плит европейского модуля шириной до 610 мм. Камнераспиловочные станки с дисками большого диаметра широко применяются на изготовлении крупноразмерных уникальных архитектурно-строительных изделий и товаров культурно-бытового обихода. Следует заметить, что камнеобрабатывающая промышленность многих стран разбита на отдельные мелкие подотрасли, которые занимаются только строго в определенной нише общего объема производства изделий из камни. Положительный фактор состоит здесь в том, что они легко перестраиваются на новую номенклатуру изделий, однако быстро распадаются в соревновании с крупными монополистами.
Группа дисковых камнеобрабатывающих технологических схем (табл. 6.3) условно разбита на 10 укрупненных разновидностей, составляющих их базу. По разнообразию это самая большая группа, в состав которой входит более 40 небольших технологических схем, применяемых на изготовлении многочисленной номенклатуры изделий из камня. 6.3.2. Производственные мощности камнеобрабатывающего комплекса Урала и их освоение Разработанные в 1984 году научно-производственным объединением «Камень и силикаты» методические указания по определению производственной мощности камнеобрабатывающего предприятия [132] в настоящее время устарели, т.к. многие технологические схемы обработки природного камня принципиально изменились, а технологическое оборудование существенно обновилось. В связи с этим автором настоящей работы совместно с инж. Рочняк Л.В., Кокуниным Р.В. разработаны новые принципы расчета производительности всех видов камнеобрабатывающего оборудования [48, 49], на основе которых производятся расчеты производственных мощностей.
Приведенные в этих работах расчеты производительности камнеобрабатывающего оборудования разработаны на основе изучения отечественного и зарубежного опыта обработки камня на выпускающемся в России и импортном технологическом оборудовании. Нормативы выхода готовой продукции по операциям обработки приняты на основе практических данных по базовым камнеобрабатывающим предприятиям Уральского региона - ЗАО «Коелгамрамор», ОАО «Уфалейникель», ООО «Башкирский гранит», ООО «Мраморгаз» и ООО «ЛУКойл-Исеть» и произведенного в настоящей работе анализа. Предлагаемые расчеты [48, 49] могут использоваться при реальном проектировании камнеобрабатывающих производств, при расчете производственных мощностей действующих и вновь строящихся камнеобрабатывающих предприятий, а так же при подготовке технико-экономических расчетов на стадии подготовки предпроектных обоснований и бизнес-планов. При подготовке расчетов в работах [48, 49] приняты во внимание: действующие государственные стандарты на изделия из природного камня [64, 65, 66, 67, 69]; опыт применения норм технологического проектирования предприятий по добыче и обработке природного камня [140] нормативные материалы, разработанные в 1984 -1998 гг. [132,166]; данные научно-исследовательских работ, проведенных различными организациями и учреждениями [4, 5, 48, 49]; сведения о работе базовых камнеобрабатывающих предприятий [17,29,42,54]; сведения о зарубежном опыте в камнеобработке [180,235,240]; сведения об оборудовании, алмазном и абразивном инструменте [3, 5, 82, 92, 93, 94,95, 96, 97, 98, 99,106, 107, 108, 109, ПО, 111, 205]. При выборе камнеобрабатывающего оборудования учитываются следующие факторы: технологических свойств горной породы; средний расчетный объем и геометрические размеры блоков, полученные расчетами или по статистическим данным предприятия; предполагаемая номенклатура выпускаемой продукции; производственная мощность предприятия по каждому виду изделий из камня. Каждый вид оборудования рассчитывается исходя из размеров рабочего пространства, количества одновременно работающих режущих пил, дисков и основных технологических параметров обработки. Количество однотипных камнеобрабатывающих машин, занятых на обработке камня соответствующего месторождения на каждой операции определяется по выражению (Ncm, шт.) «= , (6-І) \Cctn где Ргод - годовая производственная мощность по данному виду готовой продукции, м2/год; Qcm - расчетная эксплуатационная производительность оборудования при производстве плит каждой толщины и фактуры соответствующего месторождения, м2/год; Крез - коэффициент резерва станков, Крез = 1,15 -1,20. Ввиду значительных объемов остальных расчетов в настоящей работе они не приводятся. При расчете текущей производственной мощности учитывается снижение производительности в связи с износом технологического оборудования "тек —К-ио "год \Р ) где Кио - коэффициент, учитывающий износ технологического оборудования. Коэффициент износа учитывается после 5 лет эксплуатации оборудования при нормативной загрузке оборудования. Ежегодное снижение производственной мощности принимается по данным уральских камнеоб-рабатывающих предприятий в размере 5 - 7 %.
