Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и постановка задач исследований комплексного освоения полезной толщи месторождений известняков ... 8
1.1. Краткий обзор горно-геологических и горнотехнических условий месторождений известняков Центрального района РФ 8
1.2. Анализ видов продукции из известняков и предъявляемых к ней требований 29
1.3. Обзор технологических схем вскрытия и безвзрывной разработки месторождений известняков 36
1.4. Анализ хозяйственной деятельности предприятий по добыче и переработке известняков в условиях рыночных отношений 48
1.5. Цель, идея и задачи исследования 50
1.6. Выводы по главе 1 51
Глава 2. Теоретическое обоснование параметров безвзрывной технологии селективной разработки известняков на основе комплексной оценки месторождений 53
2.1. Направление исследований 53
2.2. Установление физико-механических свойств, химического состава и структурных свойств полезной толщи известняков 56
2.3. Представление и интерпретация свойств массива известняков 68
2.3.1. Представление свойств массива известняков для обоснования ассортимента выпускаемой карьером продукции 68
2.3.2. Интерпретация свойств массива известняков для установления его структуры, определяющей технологию производства добычных работ 76
2.4. Выбор и обоснование основных параметров разрезных траншей для селективной разработки выемочных блоков 79
2.5. Обоснование параметров безвзрывной технологии селективной разработки выемочных блоков, обеспечивающих расширение ассортимента выпускаемой карьером продукции 82
2.6. Выводы по главе 2 94
Глава 3. Методика выбора ассортимента товарной продукции карьера на основе рациональных параметров безвзрывной технологии производства добычных работ и раскройки известняковой залежи 96
3.1. Постановка задачи 96
3.2. Алгоритм раскройки выемочных слоев по стабильным показателям, характеризующим известняковую залежь 97
3.3. Алгоритм раскройки выемочных слоев известнякового массива по ассортименту продукции карьера в границах подсчета запасов полезного ископаемого 109
3.4. Установление прочностных свойств и структурной нарушенности полезной толщи на примере Форинского месторождения 118
3.5. Выбор комплекса добычного оборудования на основе рациональных параметров безвзрывной технологии производства добычных работ и раскройки полезной толщи 120
3.6. Выводы по главе 3 124
Глава 4. Предложения по совершенствованию технологии и комплексной механизации открытой разработки известняков на основе комплексной оценки месторождений 126
4.1. Совершенствование безвзрывной технологии и комплексов оборудования на примере Форинского карьера 126
4.1.1. Сбор исходной информации для обоснования технологии разработки 126
4.1.2. Обоснование вскрытия Форинского месторождения 130
4.1.3. Обоснование системы разработки Форинского месторождения известняков 132
4.2. Рекомендации по разработке месторождений известняков Центрального района России 136
4.3. Необходимость и направления дальнейших исследований 139
4.4. Выводы по главе 4 140
Заключение 142
Литература 144
- Анализ видов продукции из известняков и предъявляемых к ней требований
- Установление физико-механических свойств, химического состава и структурных свойств полезной толщи известняков
- Алгоритм раскройки выемочных слоев по стабильным показателям, характеризующим известняковую залежь
- Рекомендации по разработке месторождений известняков Центрального района России
Введение к работе
До настоящего времени природный потенциал разрабатываемых месторождений известняков, а также ценность полезного ископаемого являются заниженными. Это вызвано тем, что на месторождениях, разведанных на определенный вид продукции, часто лишь его получение не является самым эффективным производством. Получение дополнительной прибыли, за счет расширения ассортимента продукции (выпуска более дорогих видов), требует применения гибких технологий, позволяющих наиболее эффективно использовать запасы полезного ископаемого и получать качественную продукцию в востребованных рынком объемах. Для этого требуются технологии разработки месторождений, сохраняющие природные показатели качества полезного ископаемого, значения которых оказывают влияние на ассортимент конкурентоспособной продукции карьера. Наиболее актуально сохранение природных свойств известняков, используемых в качестве строительного и облицовочного камня. Распространенный способ рыхления известняков с применением взрыва приводит к снижению их прочностных и декоративных свойств.
Анализ месторождений известняков Центрального региона России позволяет сделать вывод о нерациональном использовании недр, многие карьеры выпускают один-два вида продукции, потери составляют значительную часть от извлекаемых запасов. Необходимым в этих условиях является увеличение уровня рентабельности горных предприятий.
Рациональное использование полезного ископаемого предполагает не только снижение количественных потерь, но и максимальное использование показателей качества, заложенных природой. В условиях рыночной экономики, когда горнодобывающее предприятие в основном само занимается поиском потребителей своей продукции, возникает необходимость гибко реагировать на спрос того или иного вида продукции карьера. Гибкое реагирование подразумевает расширение ассортимента.
5 Расширение ассортимента продукции возможно за счет внедрения гибкой технологии горных работ. Как показывает практика разработки месторождений известняков, гибкие технологии не находят широкого применения ввиду кажущегося значительного усложнения технологии и отсутствия обоснования ее параметров на основе достоверных и простых в определении исходных данных. Поэтому исследования, направленные на обоснование параметров безвзрывной технологии открытой разработки известняков на основе комплексной оценки месторождений для расширения ассортимента выпускаемой продукции, являются актуальными.
Целью работы является обоснование параметров безвзрывной технологии открытой разработки известняков на основе установленных и уточненных закономерностей влияния физико-механических свойств известнякового массива на режим работы добычного оборудования, обеспечивающих эффективность разработки месторождений.
Идея работы: на основе комплексной оценки месторождений известняков, учитывающей структурно-прочностные особенности и химический состав полезной залежи, за счет выбора технологических режимов работы добычного оборудования устанавливаются рациональные параметры безвзрывной технологии открытой разработки известняков, обеспечивающей гибкость горного производства за счет расширения ассортимента выпускаемой продукции.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись методы научного анализа и обобщения; аналитические исследования, основанные на теории вероятностей и теории резания; методы системного анализа. Также использовались натурные наблюдения структуры массива. При обработке результатов использовались методы математической статистики и корреляционного анализа.
Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:
обоснован метод оценки структурно-прочностных свойств известняков, основанный на достоверной геологической информации, который позволяет осуществлять выбор комплексов механизации добычных работ в карьере;
установлены зависимости глубины рыхления известняков и расстояния между смежными проходами рыхлителя от прочности известняков и степени структурного ослабления породного слоя полезной толщи, позволяющие осуществлять выбор рациональных параметров механического рыхления;
обоснованы параметры технологических схем безвзрывной разработки месторождений известняков, обеспечивающих эффективность использования полезного ископаемого.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом проанализированных и обобщенных схем основных технологических процессов на карьерах, составлением обобщенной технолого-экономической модели месторождений известняков Центральной части РФ, апробированными теориями, расчетными моделями, алгоритмами, компьютерными программами.
Научное значение работы заключается в разработке оценочных параметров месторождений известняков по структурно-прочностной характеристике массива и химическому составу пород, позволяющих обосновывать параметры технологии и комплексной механизации открытой разработки карбонатных пород и устанавливать ассортимент выпускаемой продукции.
Практическое значение работы: на основе комплексной оценки месторождений разработана методика выбора оборудования добычного комплекса на известняковых карьерах и методика определения рациональных параметров механического рыхления.
Реализация результатов работы. Предложенные технологические схемы и их параметры на основе комплексной оценки полезной толщи месторождений реализованы на Форинском (Тульская обл.), Селивановском (Калужская обл.) и Полотняно-Заводском (Калужская обл.) карьерах. Предложенные решения в условиях Форинского месторождения известняков позволят по прогнозным данным повысить выход продукции с 64 % до 77 %, а результаты труда (выручку) увеличить на 40 %.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2002-2005 гг.); на II Международной научно-практической конференции «Геотехнологии: проблемы и перспективы» (г. Тула, 2001 г.); на Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Георесурсы и геотехнологии» (г. Тула, 2002 г.); на четвертой международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород (Мельниковские чтения)» в Институте проблем комплексного освоения недр РАН (г. Москва, 2004 г.); на научном симпозиуме «Неделя горняка» в Московском государственном горном университете (г. Москва, 2005 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 научных работ.
Анализ видов продукции из известняков и предъявляемых к ней требований
Как известно, основой строительного комплекса являются горные предприятия промышленности строительных материалов. Основной объем отрасли приходится на производство нерудных строительных материалов. Доля производства щебня приближается к 60% [25]. Зачастую, горные предприятия получают строительный щебень - один из наиболее дешевых видов продукции отрасли из горных пород, запасы которых позволяют получать другие виды продукции (например, облицовочную плитку, строительные блоки). При этом высоким является процент отходов. Это противоречит принципу рационального использования природных ресурсов. Наметились тенденции по улучшению сложившейся ситуации. Существует ряд предприятий, производящих добычу блоков на месторождениях, разведанных на другие виды сырья (щебень, известь строительная, доломитовое сырье цементной промышленности и т.д.) [48]. В Тульской области также существует ряд предприятий производящих несколько видов продукции. Среди них карьер Любуши Ново-Александровского месторождения, который кроме щебня и бутового камня занимается добычей штучных блоков природного камня для производства облицовочных и декоративных изделий.
В зависимости от структуры известняк делится на плотный, пористый и мраморовидный. Плотные известняки используются при изготовлении плит для наружной и внутренней облицовки. К ним относятся, в частности, знаменитые мячковские, коробчеевские и ковровские известняки, из которых русские архитекторы возводили чудеса белокаменного зодчества.
Природный известняк - древнейший строительный отделочный камень, который отличают высокая прочность, долговечность, исключительные декоративные и экологические качества, чистота цвета, однородность структуры, простота обработки и монтажа, эффективная теплоизоляция, доступная цена. Природный камень - это, пожалуй, единственный строительный материал, который может называться вечным, по праву считается символом прочности и надежности. Камень- это износоустойчивость, прочность, стойкость к перепадам температуры и влажности, а также уникальные эстетические качества.
Известняки имеют белый, светло-серый, желтоватый, реже - розоватый цвета. Наиболее ценными в декоративном смысле считаются белые известняки с желтым и розовым оттенком. Текстура натурального камня, созданная природой, неповторима.
Известняки используют в качестве стенового камня в виде прямоугольных параллелепипедов согласно ГОСТ 4001-84. Типы, основные размеры, объемы и количество камней в 1 м должны соответствовать указанным в табл. 1.4. В качестве строительного камня могут использоваться и неполномерные блоки. По назначению камни подразделяют на рядовые и лицевые. Рядовые, предназначены для кладки стен зданий и сооружений с последующим оштукатуриванием, лицевые предназначены для лицевой кладки стен зданий и сооружений без последующей облицовки и оштукатуривания. Также известняки, добываемые в виде блоков, используются для производства облицовочных архитектурно-строительных, мемориальных и других изделий (ГОСТ 9479-98).
Блоки должны иметь форму прямоугольного параллелепипеда или близкую к нему с шириной и высотой от 0,2 до 2,0 м, длиной до 3,5 м. При этом объем блоков разных групп должен соответствовать указанному в табл. 1.5. Исходную горную породу, используемую для производства блоков, оценивают по физико-механическим, радиационным, декоративным свойствам, а также по петрографической характеристике, определяемой при геологической разведке. Блоки из горных пород оценивают по показателю технологичности, определяемому по удельному выходу плит.
Традиционной продукцией известняковых карьеров является строительный щебень. При его производстве в большинстве случаев используются взрывные работы, которые снижают прочностные свойства и приводят к переизмельчению части известняков, а также делают невозможным использование известняков для производства блочной продукции.
Однако известняк находит применение не только в строительной индустрии. Известняки используются в различных отраслях народного хозяйства (табл. 1.6).
Установление физико-механических свойств, химического состава и структурных свойств полезной толщи известняков
Свойства полезного ископаемого — понятие, требующее уточнения. С одной стороны, свойствами полезного ископаемого называют свойства исходного материала, который залегает в недрах, с другой - свойства отгружаемой потребителю продукции, которая служит в свою очередь сырьем для других отраслей народного хозяйства. В процессе извлечения полезного ископаемого из недр, оно проходит несколько стадий и претерпевает ряд изменений, в результате чего изменяются и некоторые его свойства. Во время взрывных работ снижаются прочностные свойства известняка, часть естественных отдельностей при взрыве дробится на более мелкие, тем самым уменьшается средний размер куска, часть породы переизмельчается и становится непригодной для выпуска большинства видов продукции. Химический состав известняка после взрыва также изменяется: примесь отходов взрывчатых веществ, смешивание известняка с пустыми прослоями. Отделение блоков от массива при добыче строительного и облицовочного блочного камня, позволяет регулировать размер и форму, а в ряде случаев и вид поверхности блоков. При выемочно-погрузочных работах к полезному ископаемому могут примешиваться пустые породы (вскрышные, нижезалегающие породы, карст и т.д.). Количество примешиваемых пород определяется технологией ведения горных работ (селективная или валовая добыча, использование БВР), применяемым выемочным оборудованием, условиями залегания полезного ископаемого, климатическими условиями, а также квалификацией машиниста выемочной машины. Транспортирование взорванной горной массы может приводить к изменению формы отдельных кусков (острые грани и углы отбиваются и скругляются). Исходя из вышесказанного, можно разделить свойства известняка на две группы: до начала разработки и после всех процессов, связанных с добычей и первичной переработкой. Нами предлагается для классификации использовать характеристику известняка, залегающего в массиве Кх, которая состоит из физико-механических свойств (Ф) и химического состава (X) залегающего в недрах известняка, а также природной трещиноватости массива (Г), т.е. ,(Ф,,Х,,Г). На выходе технологического процесса добычи и переработки известняка его характеристика (К2) изменится: изменятся физико-механические свойства, химический состав, а показатель трещиноватости для разрыхленного известняка теряет смысл и будет заменен средним размером куска (У).
Следовательно, характеристика известняка на выходе К2(Ф2,Х2,с1). Существует ряд методов определения различных геологических показателей (табл. 2.1). Интерпретация данных скважинных геофизических исследований часто бывает качественной, т.е. по графикам тех или иных параметров, полученных вдоль ствола скважины. Визуально выделяются аномалии (минимумы, максимумы, средние, нулевые значения и др.). По ним оценивается местоположение пластов с разными физическими свойствами, а затем дается геологическое истолкование разреза. К количественной интерпретации ГИС относится точное определение мощности пластов и их физико-геологических характеристик. С помощью теоретических кривых, номограмм, таблиц, имеющихся для каждого скважинного метода, можно вести количественную, а чаще всего полуколичественную (оценочную) интерпретацию. Конечная цель такой интерпретации - определение мощности и физических свойств выделенных в разрезе пластов, оценка литологии коллекторских, фильтрационных свойств, и т.п. Необходимую информацию о свойствах разрабатываемого массива позволяют получить сейсмоакустические методы исследований, основанные на изучении характера распространения упругих колебаний в массиве [82, 93]. Скорость распространения упругих волн может служить обобщающим показателем прочности и трещиноватости массива.
С увеличением прочности породы скорость распространения упругих волн увеличивается, а с увеличением трещиноватости — уменьшается. Для учета взаимосвязи между рыхлимостью и физико-техническими характеристиками массива V используются два показателя Vy и R = — . Здесь Vc и Vy - скорости у распространения однотипных волн (например, продольных), полученных при измерениях на больших базах (5-50 м) методами высокочастотной сейсмики и на базах порядка нескольких сантиметров в монолитных участках этого же массива - ультразвуковыми методами; R - акустический показатель трещиноватости. Интерпретация результатов различных геофизических исследований весьма трудоемкий процесс, а сами результаты подвержены влиянию различных посторонних факторов (включения других пород, наличие пустот, колебания мощности и глубины залегания слоя и др.), учет которых не возможен при определенной разведочной сети. При этом значительно снижается адекватность использования этих методов для сложноструктурных залежей с большим процентом трещиноватости и закарстованности. Среди рассмотренных методов самым доступным является метод изучения керна при колонковом бурении, которое обычно проводиться в ходе геологоразведочных работ на опоискованных месторождениях, но также может производиться и на разрабатываемых месторождениях для более детального изучения. Для крупных, выдержанных месторождений карбонатных пород среднего масштаба при утверждении запасов выдвигаются следующие требования к разведочной сети скважин [46]
Алгоритм раскройки выемочных слоев по стабильным показателям, характеризующим известняковую залежь
Определение распространения отдельного слоя, характеризуемого стабильными значениями физико-механических свойств и трещиноватости, и его положение в массиве - достаточно сложная задача, так как слой может изменять свою мощность по площади месторождения вплоть до полного выклинивания. Предлагается способ установления распространения слоя, осуществляемый в несколько этапов от общего к частному. К первому этапу относится выделение выемочных слоев в массиве известняков по показателю трещиноватости (рис. 3.1). В алгоритме предусмотрено выделение структурной системы более высокого уровня - полезная залежь (уровень п). Далее пласт полезного ископаемого разделяется на геологические горизонты (уровень п-1) поверхностями контакта смежных горизонтов. Определяются площади выклинивания каждого горизонта. Затем оконтуривается каждый геологический горизонт. Следующим действием производится разделение каждого горизонта на слои, в пределах которых значение трещиноватости можно принять условно стабильным. Затем для каждого слоя определяются возможные виды продукции. Такой подход в выделении выемочных слоев был реализован в условиях Форинского месторождения известняков (Тульская область). Сводная стратиграфическая колонка по разведанным горизонтам Форинского месторождения с разделением полезной толщи на геологические горизонты представлена на рис. 3.2. В основу составления сводной стратиграфической колонки Форинского месторождения известняков положены геологоразведочные данные. Изомощности веневского горизонта Форинского месторождения известняков представлены на рис. 3.3, а Михайловского-на рис. 3.4. Эти горизонты слагают основной объем промышленных запасов Форинского месторождения. На процесс получения дорогостоящей продукции (штучные блоки природного камня) из полезной залежи Форинского месторождения при реализации селективного способа ее разработки с использованием безвзрывной технологии влияют слоистость и трещиноватость породного массива.
Достоверную информацию о слоистости возможно получать из выхода известнякового керна при выполнении разведочных работ [94,95], дополнением к информации служат результаты фотосъемки и натурные замеры мощности отдельных слоев на откосах уступов карьера. В условиях Форинского карьера замеры и фотосъемка осуществлялись на двух наблюдательных пунктах по взаимоперпендикулярным направлениям к фронту горных работ. Слоистость тарусского горизонта не устанавливалась, так как горизонт представлен в основном глинистыми и сильнотрещиноватыми известняками, и для получения блочной продукции он не подходит. Алгоритм вычисления средневзвешенных значений условно стабильных показателей (мощности слоя, физико-механических свойств, содержания каких либо компонентов в составе полезного ископаемого) по слоям месторождения представлен на рис. 3.5. Подсчет средней мощности слоев, пригодных для получения блочной продукции, а также среднего содержания компонентов химического состава производились для Форинского месторождения на основе средневзвешенных величин мощности и химического состава полигональным графическим методом. Области влияния каждой скважины представлены в виде многоугольников (полигонов). Площадь месторождения, разбитая на области влияния, представлена на рис. 3.6. В ходе натурных исследований замерялись также расстояния между соседними вертикальными трещинами слоев с крупноблочными известняками (рис. 3.7). Проведенный в соответствии с алгоритмом выделения выемочных слоев анализ данных выхода геологоразведочного известнякового керна позволил выделить в веневском горизонте два выдержанных слоя слаботрещиноватых известняков: первый расположен в верхней части горизонта, второй - в нижней. Средняя мощность верхнего слоя составляет 3,13 м, наличие слоя подтверждается в 55 % разведочных скважин.
Средняя мощность нижнего слоя составляет 3,51 м, наличие слоя подтверждается в 62 % разведочных скважин. Михайловский горизонт по данным анализа выхода керна содержит один выдержанный слой слаботрещиноватых известняков, находящийся в средней части горизонта, меньшее распространение имеют еще 2 слоя слаботрещиноватых известняков, находящиеся соответственно в верхней и нижней частях Михайловского горизонта. Средняя мощность верхнего слоя составляет 1,68 м, наличие слоя подтверждается в 30 % разведочных скважин. Средняя мощность среднего слоя составляет 2,94 м, наличие слоя подтверждается в 56 % разведочных скважин. Средняя мощность нижнего слоя составляет 2,55 м, наличие слоя подтверждается в 48 % разведочных скважин. Выход и размер керна по слаботрещиноватым слоям веневского и Михайловского горизонтов в наглядной форме представлен на рис. 3.8 и 3.9 соответственно.
Рекомендации по разработке месторождений известняков Центрального района России
Предложенные технологические схемы и их параметры на основе комплексной оценки полезной толщи месторождений реализованы на Форинском (Тульская обл.), Селивановском (Калужская обл.) и Полотняно-Заводском (Калужская обл.) карьерах. Акт внедрения предложенных технологических схем, реализованных на Полотняно-Заводском карьере, обоснованных в диссертационной работе, приведен в приложении Б.
Для условий Селивановского и Полотняно-Заводского месторождений полезная толща разделялась на слои, разрабатываемые теми же комплексами, какие предложены для Форинского карьера. Применение добычных комплексов для селективной разработки этих месторождений показано на рис. 4.6 и 4.7 соответственно. Для месторождений известняков Центрального района России, обобщенных в модели, представленной в I главе, возможно применение геотехнологий с безвзрывным способом подготовки горных пород к экскавации.
Месторождения известняков характеризуются слоистой структурой, причем на каждом из них имеются слои, пригодные для производства блочной продукции. Целесообразность добычи известняков для производства блочной продукции на конкретном карьере определяется исходя из ее суммарного возможного объема и соотношения блоков различных объемных групп (блоки большего объема более дороги). Как показал анализ эксплуатируемых месторождений известняков, для производства блочной продукции может быть использовано от 5 до 20% запасов. На неспециализированных карьерах для производства блочного камня выемку блоков рационально осуществлять с помощью оборудования, задействованного при добыче, применяя дополнительное навесное оборудование. Примером такого оборудования является колесный фронтальный погрузчик. При экскавации горной массы используется ковш, а для выемки блоков - вилочный рабочий орган. Причем смена рабочего оборудования на современных погрузчиках производится оперативно и занимает менее часа.
Известняки, представленные на месторождениях Центрального района, характеризуясь в большинстве случаев как химически чистые, позволяют также получать сырье для химической, металлургической, пищевой промышленности и других видов народного хозяйства. Однако полезная залежь содержит в большинстве случаев пропластки пустых пород, линзы, а также карст, что не позволяет осуществлять валовую выемку, т.к. это приводит к разубоживанию полезного ископаемого и, следовательно, снижению его ценности.
Слои, слагающие полезную толщу месторождений известняков, разупрочнены системами трещин, что даже при высокой прочности пород позволяет применять механический способ рыхления. Наиболее эффективным средством механического рыхления является тракторный рыхлитель. В среднем более 70 % запасов месторождений известняков может быть подготовлено к экскавации с помощью тракторных рыхлителей. В качестве выемочно-погрузочных машин чаще всего используют экскаваторы и погрузчики. Причем последние в силу своей маневренности более целесообразно применять на выемке запасов из маломощных слоев. Отработка запасов месторождений действующих горных предприятий приведет к необходимости освоения новых месторождений, имеющих либо худшие горно-геологические условия, либо менее качественное полезное ископаемое. При этом необходимы будут такие технологические схемы и комплексы механизации, которые обеспечивали бы снижение затрат на добычу, а также позволяли бы сохранять качественные показатели залегающего в массиве полезного ископаемого. Для повышения эффективности работы рыхлителей необходимы будут устройства, смонтированные на его базе, которые в автоматическом режиме будут выбирать параметры рыхления и самого рыхлителя (глубина внедрения зуба, угол наклона зуба, скорость рыхления, расстояние между смежными проходами и др.).
Мало изучен характер разрушения массива при механическом рыхлении. Предстоит определить границу, когда рыхление переходит от режима выворачивания естественных отдельностей из породного массива к режиму разрушения самих отдельностей.
Изучение зависимости параметров механического рыхления от изотропности трещиноватого массива позволит определять направления его эффективного разрушения для продольных и поперечных проходов рыхлителя.
Для большинства отраслей промышленности качество сырья в частности определяется кусковатостью. Вследствие этого, необходимо управлять с помощью параметров рыхления гранулометрическим составом разрыхленной породы, а также формой получаемых разностей (кусков породы).
