Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы и перспективы разработки блочного камня .
1. 1. Особенности природного камня, отличающие его от других видов твёрдых полезных ископаемых 19
1. 2. Анализ способов разрушения горных пород, применяемых при отбойке и пассировке блочного камня 36
1.3. Анализ технологического оборудования и материалов, применяемых при отбойке и пассировке блочного камня 52
1.4. Анализ технологий отбойки и пассировки блочного камня 62
1.5. Технологии горных работ как основополагающий фактор состояния окружающей среды и условий труда 68
1. 6. Обоснование направления, цели и задач научных исследований... 77
Глава 2. Обоснование параметров технологий ударной отбойки блочного камня с применением пластичных веществ .
2.1. Основные задачи, решаемые при разрушении горных пород с применением пластичных веществ 83
2. 2. Учёт свойств пластичных веществ, используемых при ударной отбойке блочного камня 84
2. 3. Учёт свойств разрушаемых горных пород, используемых при ударной отбойке блочного камня с применением пластичных веществ 87
2. 4. Учёт размеров монолитов (блоков) при отбойке природного камня с применением пластичных веществ 89
2. 5. Учёт особенностей трещин, формируемых с применением пластичных веществ 92
2. 6. Учёт особенностей технических средств, используемых при ударной отбойке блочного камня с применением пластичных веществ 103
Глава 3. Экспериментальная проверка параметров ударной отбойки блочного камня с применением пластичных веществ в лабораторных условиях .
3.1. Основные задачи, решаемые в ходе экспериментальной проверки параметров ударной отбойки блочного камня с применением пластичных веществ в лабораторных условиях 126
3. 2. Разрушение образцов из хрупких материалов в статическом режиме нагнетания пластичного вещества в формируемую трещину 127
3. 3. Разрушение образцов из хрупких материалов в динамическом режиме нагнетания пластичного вещества в формируемую трещину 143
3.4. Обоснование относительной величины энергии одиночного удара инструмента, применяемого для ударного разрушения хрупких материалов с применением пластичных веществ 158
Глава 4. Обоснование технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ и их экспериментальная проверка в условиях открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых .
4.1. Факторы, рассматриваемые при проектировании технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ 164
4. 2. Обоснование технологии отбойки монолитов (блоков) прочного камня с применением пластичных веществ для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых 168
4. 3. Обоснование технологии отбойки монолитов (блоков) камня средней прочности с применением пластичных веществ для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых 173
4. 4. Обоснование технологии отбойки монолитов (блоков) камня низкой прочности с применением пластичных веществ для условий подземного способа разработки месторождений полезных ископаемых 177
4. 5. Разработка универсальных технологических схем разрушения природного камня различной прочности в плоскостях, намечаемых к отбойке с применением пластичных веществ 180
4. 6. Факторы, рассматриваемые при экспериментальной проверке технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ... 183
4. 7. Экспериментальная проверка технологии отбойки блоков природного камня средней прочности (мраморизованного известняка) с применением пластичных веществ в условиях открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых 185
4. 8. Экспериментальная проверка технологии разрушения уступов некондиционного природного камня средней прочности (мраморизованного известняка) с применением пластичных веществ в условиях открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых 191
4. 9. Экспериментальная проверка технологии пассировки монолитов природного камня средней прочности (мраморизованного известняка) с применением пластичных веществ в условиях открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых 195
Глава 5. Дополнительные области применения технологий разрушения хрупких материалов с применением пластичных веществ .
5. 1. Краткая характеристика дополнительных областей применения технологий разрушения хрупких материалов с применением пластичных веществ 202
5. 2. Факторы, рассматриваемые при разработке технологий разрушения естественного и искусственного камня с применением пластичных веществ для дополнительных областей их применения 203
5. 3. Обоснование технологии дробления негабаритов прочных горных пород падающим грузом с применением пластичных веществ для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых 205
5. 4. Обоснование технологии дробления негабаритов горных пород средней и низкой прочности гидропневмомолотом с применением пластичных веществ для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых 209
5.5. Обоснование технологии отбойки слюды с применением пластичных веществ для условий подземного способа разработки месторождений полезных ископаемых 210
5. 6. Обоснование технологии разрушения кирпичной кладки стеновых строительных конструкций с применением пластичных веществ 215
5. 7. Обоснование технологии разрушения фундаментов из монолитного бетона с применением пластичных веществ 217
5. 8. Обоснование технологии разрушения каркасных строительных конструкций из сборного железобетона с применением пластичных веществ 221
5. 9. Факторы, рассматриваемые при экспериментальной проверке технологий разрушения естественного и искусственного камня с применением пластичных веществ для дополнительных областей их применения 225
5. 10. Экспериментальная проверка технологии дробления негабаритов прочных горных пород падающим грузом с применением пластичных веществ в условиях открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых 227
5. 11. Экспериментальная проверка технологии дробления негабаритов горных пород средней и низкой прочности гидропневмомолотом с применением пластичных веществ в условиях открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых 228
5. 12. Экспериментальная проверка технологии разрушения кирпичной кладки стеновых строительных конструкций с применением пластичных веществ 230
5. 13. Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе высшего учебного заведения 233
Глава 6. Проектирование технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ с учётом воздействия горных работ на окружающую среду и условия труда .
6.1. Основные принципы, факторы и показатели воздействия горных работ на окружающую среду, применяемые при оценке технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ 239
6. 2. Учёт специфики технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ при оценке воздействия горных работ на окружающую среду 240
6. 3. Сравнительный анализ процессов отбойки блочного камня по удельным показателям воздействия на окружающую среду при открытом способе разработки месторождений полезных ископаемых 243
6. 4. Основные принципы, факторы и показатели оценки воздействия горных работ на условия труда, применяемые при оценке технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ 251
6. 5. Учёт специфики технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ при оценке воздействия горных работ на условия труда 254
6. 6. Сравнительный анализ процессов отбойки блочного камня по удельным показателям воздействия на условия труда при открытом способе разработки месторождений полезных ископаемых 257
Заключение 274
Библиографический список 277
Приложение
- Анализ способов разрушения горных пород, применяемых при отбойке и пассировке блочного камня
- Учёт свойств пластичных веществ, используемых при ударной отбойке блочного камня
- Разрушение образцов из хрупких материалов в статическом режиме нагнетания пластичного вещества в формируемую трещину
- Обоснование технологии отбойки монолитов (блоков) прочного камня с применением пластичных веществ для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых
Введение к работе
В настоящее время в большинстве стран мира спрос на строительные материалы из натурального камня достаточно высок и продолжает увеличиваться. При этом в последние десятилетия изобретаются, апробируются и внедряются новые способы его разрушения, направленные на повышение эффективности разработки месторождений полезных ископаемых и сохранение природного качества добываемого сырья. Согласно общей тенденции, при разработке натурального камня, применяются все известные способы разрушения горных пород, в том числе буроклиновые. Одним из путей их усовершенствования является внедрение в процесс отбойки пластичных веществ, вытесняемых из шпуров в формируемые трещины ударным способом. Наиболее значимым направлением в области разработки природного камня является его отбойка от массива в виде монолитов или блоков, что обусловливает возможность последующего изготовления из него изделий любой формы, размеров и назначения.
Актуальность работы. Одним из приоритетных направлений развития горной науки является повышение эффективности разработки месторождений полезных ископаемых, которое относится ко всем областям горного дела, включая добычу природного камня. Это тесно связано с разработкой и внедрением новых технологий горных работ, основанных на эффективных и безопасных способах отбойки полезных ископаемых, а также соответствующих им комплексах оборудования. При этом решается проблема максимального сохранения естественных свойств природного камня, что связано с внедрением технологий, исключающих формирование систем искусственных трещин в массиве горных пород.
В связи с этим, разработка и обоснование технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ является актуальной научной и практической задачей.
Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИГД СО РАН, программой научных исследований «Сибирь» (1998-2000 гг.), интеграционным проектом фундаментальных исследований СО и УрО РАН № 73 (2003-2005 гг.), заказным междисциплинарным интеграционным проектом СО РАН № 89 (2006-2008 гг.), а также по Президентскому гранту «Ведущие научные школы России» - НШ 3803.2008.5 (2008-2010 гг.).
Цель работы - создание эффективных технологий отбойки блочного камня, основанных на новых принципах управляемого разрушения хрупкой среды пластичными веществами в режиме их ударного вытеснения из шпуров в формируемые трещины.
Идея работы заключается в использовании закономерностей разрушения хрупких материалов пластичными веществами, за счёт которых создаются эффективные технологии отбойки блочного камня, сохраняющие его природные свойства.
Задачи исследований:
установить закономерности развития трещин ударного происхождения, формируемых в хрупких материалах в зависимости от их пространственного расположения по отношению к осям шпуров, из которых происходит вытеснение пластичных веществ, а также разработать и экспериментально проверить методику расчёта их основных геометрических параметров;
- установить взаимосвязи энергетических показателей ударной системы с
реологическими и объёмными характеристиками пластичного вещества, физико-
механическими свойствами разрушаемого хрупкого материала и геометрическими
параметрами применяемых шпуров;
обосновать технологии ударного разрушения хрупких материалов с применением пластичных веществ в зависимости от областей их эффективного применения;
обосновать технологии ударной отбойки блочного камня с применением пластичных веществ по воздействию на окружающую природную среду и условия труда для открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых.
Методы исследований:
обобщение сведений из литературных источников;
анализ проектных решений и данных практики;
физическое моделирование на эквивалентных материалах;
компьютерное моделирование;
статистическая обработка результатов лабораторных и натурных экспериментов. Основные научные положения, защищаемые автором:
- главной особенностью развития трещины, формируемой вдоль оси шпура в ходе
ударного разрушения хрупких материалов пластичными веществами, является переход её
формы от эллипса к кругу, а поперёк оси шпура - носит круговой характер и не зависит от
дальнейшего увеличения своих размеров;
энергия одиночного удара инструмента, служащего для формирования направленных трещин с применением пластичных веществ в природном камне, может находиться в пределах 100 Дж при условии того, что с учётом применяемых технических средств разрушения, её уровня достаточно для начала развития и доведения этих трещин до размеров 2 м;
изменением взаимосочетания величины текучести пластичного вещества, геометрических параметров шпура, герметизации и концентраторов напряжений на его стенках, конфигурации клиньев, а также энергетических показателей применяемой ударной системы определяется эффективность технологий направленного разрушения естественного или искусственного камня любых физико-механических свойств и минералогического состава;
- снижение негативного воздействия на воздушную среду, а также опасности и
вредности труда при отбойке блочного камня в условиях открытого способа разработки
месторождений полезных ископаемых достигается переходом к механизированным
вариантам технологий, основанных на применении пластичных веществ.
Достоверность научных результатов, изложенных в диссертации, обоснована применением апробированных широкой практикой методов исследований, использованием достоверной информации, сходством результатов реализации моделей с данными лабораторных и натурных экспериментов, а также реализацией основных разработок в промышленности.
Новизна научных положений:
- определены закономерности формирования конфигурации трещины, образуемой
вдоль и поперёк оси шпура, а также доказана возможность управления ходом её развития
путём задания начальной ориентации относительно осей шпуров, из которых происходит
вытеснение пластичных веществ при ударном разрушении хрупких материалов;
- определена необходимая величина энергии одиночного удара инструмента,
предназначенного для отбойки блочного камня с применением пластичных веществ, которая
служит основой выбора его типа;
- доказана возможность использования ударного разрушения хрупких материалов с
применением пластичных веществ для отбойки камня любой прочности и
минералогического состава при условии подбора необходимого взаимосочетания текучести
пластичного вещества, геометрических параметров, герметизации, концентраторов
напряжений на стенках шпура, конфигурации клиньев, а также энергетических показателей применяемой ударной системы;
- доказано минимальное негативное воздействие на воздушную среду, а также максимальная безопасность и безвредность механизированных вариантов технологий ударной отбойки блочного камня, основанных на применении пластичных веществ.
Личный вклад автора заключается в развитии теоретических основ статического и ударного формирования направленной трещины в хрупких материалах с применением пластичных веществ; в проведении лабораторных экспериментов по разрушению хрупких материалов пластичными веществами; в обосновании и изготовлении оборудования для лабораторных и промышленных экспериментов; в разработке и обосновании технологий отбойки блочного камня, разрушения негабаритов горных пород, а также монолитных каменных строительных конструкций с применением пластичных веществ; в проведении сравнительной оценки технологий отбойки блочного камня по воздействию, оказываемому на окружающую среду и условия труда; в реализации технологий отбойки блочного камня, разрушения негабаритов горных пород, а также монолитных каменных строительных конструкций с применением пластичных веществ в промышленности.
Практическая ценность работы заключается в разработке технологий, а также обосновании оборудования, материалов и дополнительных технических средств, служащих для разрушения хрупких материалов с применением пластичных веществ посредством их ударного вытеснения из шпуров в формируемые трещины.
Реализация работы в промышленности. Основные результаты и производственно-технологические рекомендации работы реализованы на горнодобывающих предприятиях: ООО «Мрамор» - технология отбойки монолитов мраморизованного известняка (экономический эффект - 81,1 руб./ м3, 2005 г.) и ОАО «Искитиммраморгранит-Н» -технология разрушения негабаритов известняка (экономический эффект - 2,32 руб./ м , 2005 г.). Технология формирования проёмов в кирпичных стенах внедрена на предприятии строительной отрасли - ООО «Простор» (экономический эффект - 781,48 руб./ м3, 2004 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись и обсуждались на научных и научно-практических конференциях (1999-2009 гг.), научных семинарах ИГД СО РАН (2005-2007 гг.), а также производственно-технологических совещаниях промышленных предприятий (2003-2005 гг.). Среди них научные конференции: «Геотехнологии на рубеже XXI века» (Россия, Новосибирск, 1999 г.); «Неделя горняка»
(Россия, Москва, 2002 г.); «Строительство и строительное машиностроение» (Украина, Полтава, 2005 г.); «Двадцатый мировой горный конгресс» (Иран, Тегеран, 2005 г.); «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (ОАЭ, Дубай, 2007 г.); «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Австралия, Мельбурн, 2008 г.); «Фундаментальные исследования» (Италия, Неаполь, 2008 г.); «Современные наукоёмкие технологии» (Испания, Тенериф, 2008 г.); «Проблемы и опыт реализации Болонских соглашений» (Черногория, Бар, 2008 г.); «Новая техника и технологии» (Таиланд, Бангкок-Паттайя, 2008 г.); «Фундаментальные и прикладные исследования» (Бразилия, Рио де Жанейро, 2009 г.); «Проблемы интеграции мировых образовательных стандартов» (Великобритания, Лондон - Франция, Париж, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 работы, 35 из которых отражают её основное содержание, в том числе 4 патента РФ на изобретения и 1 на полезную модель.
Объём и структура диссертации. Рукопись состоит из диссертации, включающей предисловие, список условных обозначений и сокращений, введение, 6 глав, заключение, список литературы из 234 наименований, 111 рисунков и 54 таблицы, изложенной на 300 страницах машинописного текста, а также 5 приложений, изложенных на 28 страницах машинописного текста.
Автор выражает признательность своему научному консультанту - д. т. н. Кю Николаю Георгиевичу за умение вызвать интерес к данной тематике исследований, посвящение в её научные и практические основы, а также содействие в проведении первых лабораторных экспериментов по разрушению хрупких материалов пластичными веществами. Автор благодарен чл.-корр. РАН Опарину Виктору Николаевичу за научное консультирование, а также усилия, благодаря которым начало этой работы, её проведение и последующее успешное завершение стали возможными. Автор благодарит д. т. н. Тапсиева Александра Петровича за помощь в опубликовании наиболее важной части её результатов.
Анализ способов разрушения горных пород, применяемых при отбойке и пассировке блочного камня
В настоящее время существует большое количество классификаций способов отделения добываемых монолитов от массива и их последующей обработки в условиях горного предприятия. При этом существуют классификации общего характера, указывающие или упорядочивающие все существующие способы и их комбинации [2, 6, 9, 13-16], либо конкретный способ [17-22] или вид природного камня [23, 24]. Классификации общего характера используют бурение, резание, скалывание и взрыв как основные способы разрушения природного камня при его добыче. Наряду с этим существуют классификации, упорядочивающие известные способы по времени воздействия на массив горных пород, подразделял их на мгновенные, динамичные или статические [11]. Отдельная "часть классификаций не учитывает наличие известных и применяемых способ"ов разрушения камня или относит их к различным категориям [2, 9, 14]. Ъ этой связи, будучи направленной на устранение недостатков существующих подходов [2, 6,9, 11, 13-24], разработана классификация существующих способов отбойки и пассировки природного камня, которая приведена на рис. 9 и ориентирована на последующее обоснование с её помощью необходимой техники и технологий горных работ.
Необходимо отметить, что классификации способов дробления отбитого природного камня основаны на тех же принципах, что его отбойка и пассировка [25, 26]. При этом основная особенность заключается в разделении дробления камня на два вида: выборочное, при котором каждый кусок дробится обособленно, и массовое, при котором дробимые куски не выделяются из общей массы [26].
Известные способы обработки природного камня классифицируются в зависимости от его прочности [27] и подразделяются на способы обработки прочного и низкопрочного камня. Наряду с этим существуют классификации, подразделяющие всю обработку на две категории — абразивную и ударную [2].
Во всех случаях основными классификационными показателями выступают возможности: распиловки блоков на заготовки; окантовки (фрезеровки) заготовок; шлифовки (полировки) заготовок как применения методов самого распространённого и эффективного вида обработки — абразивного. Как отдельный метод ударной (грубой) обработки камня выделяется его скалывание (околка поверхностей).
Целесообразность внедрения нового способа разрушения горных пород пластичными веществами для отбойки и первичной обработки природного камня.
Несмотря на присутствие большого количества недостатков, основным следствием которых являются большие потери полезного ископаемого при добыче, взрывные технологии и средства отбойки камня, из-за своей высокой производительности, продолжают широко использоваться и усовершенствоваться во всём мире [35, 36, 37]. Наряду с этим массовое применение находят пильные методы добычи монолитов [38, 39, 40]. На большом количестве карьеров камня во всём мире продолжают применяться клиновые методы его отбойки, используемые самостоятельно или в комбинациях с другими известными способами [41, 42, 43]. При отбойке блочного камня аналогами способа его разрушения с применением пластичных веществ являются буроклиновой, а также основанный на применении порошкообразных НРС. Они также разрушают камень через шпур, постепенно развивая формируемую магистральную трещину путем создания распорного усилия, воздействующего на его стенки. При этом буроклиновой способ может носить статический или динамический характер воздействия на массив горных пород. Технология, основанная на клиновых методах разрушения камня, может включать воздействие на массив клиньями, внедрёнными в трещины естественного происхождения. В данном случае эти трещины должны совпадать с плоскостью намечаемого откола. Распорное усилие создаётся за счёт удара по клину (ручные клинья), либо благодаря давлению, создаваемому гидравлической системой (гидравлические клинья). Клинья, в большинстве случаев (рис. 10), размещаются в круглых шпурах, реже - в овальных, пробуренных с применением специального инструмента [13].
Несмотря на повышенную трудоёмкость выполнения ряда технологических операций, буроклиновой способ распространён, поскольку не требует дорогостоящего оборудования, предъявляет самые низкие требования к горно-геологическим условиям разработки и обеспечивает требуемые размеры и качество добываемых блоков.
Одним из способов разрушения природного камня является применение нагнетания жидкости в массив горных пород, осуществляемое через шпур (скважину), который герметизируется в устьевой части или обсаживается по длине вплоть до забоя. Жидкость, проходя по пути наименьшего сопротивления, образует сеть трещин, разнонаправленных в пространстве, изменяет напряжённо-деформированное состояние массива горных пород и повышает его проницаемость для газа [44-48]. Подобный способ разрушения горных пород не является аналогом способа направленного разрушения хрупких материалов с применением пластичных веществ и неприменим при отбойке блочного камня (рис. 11).
Учёт свойств пластичных веществ, используемых при ударной отбойке блочного камня
Известно, что прочность хрупкого материала при его разрушении растягивающими усилиями всегда меньше, чем сжимающими [135], что является причиной израсходования меньшего количества энергии на формирование одинаковых по размерам трещин. Этот принцип используется при разрушении горных пород с применением пластичных веществ. При проектировании технологий горных работ, основанных на ударном вытеснении пластичных веществ из шпуров в формируемые трещины, принимается во внимание то, что пластичные вещества, двигаясь в этих трещинах, преодолевают большие сопротивления своему перемещению. В связи с этим они отстают от фронта разрыва в радиальном направлении относительно точки его нагнетания. Вязкость пластичного вещества выбирают исходя из того, что при существующем усилии подачи штанги, несмотря на возможность выхода формируемых трещин на свободную поверхность, создавалось давление, необходимое для дальнейшего разрушения хрупкой среды. Если бы пластичное вещество обладало высокой подвижностью, то создать в нём давление, достаточное для разрушения хрупкой среды, можно только ударным механизмом с большой энергией удара. В данном случае образуется сеть трещин с произвольной пространственной ориентацией, что является неприемлемым при добыче блочного камня. В статическом режиме нагнетания в высокоподвижном веществе, используемом для разрушения горных пород, при наличии выходящей на свободную поверхность трещины, создать требуемое давление, как показали эксперименты, практически невозможно.
Как показали проведённые экспериментальные исследования, трещина, формируемая вдоль оси шпура при разрушении хрупких материалов пластичными веществами, постепенно увеличиваясь в размерах, стремится от формы эллипса к форме круга. По её границе образуется кольцевая незаполненная зона, в пределах которой давление отсутствует. Присутствие этой зоны увеличивает возможность пересечения фронтом разрушения встречающихся на пути трещин естественного или искусственного происхождения. Это обусловлено тем, что в начальный момент соприкосновения пластичное вещество не может проникать в пересекаемую трещину. Когда оно доходит до линии пересечения, то трещина уже раскрыта и, по сравнению с пересекаемой, оказывает многократно меньшее сопротивление движению пластичного вещества. Поэтому пластичное вещество, двигаясь по пути наименьшего сопротивления, развивает только формируемую трещину. На преодоление сопротивления движению пластичного вещества по формируемой трещине и системе его нагнетания расходуется энергия, составляющая значительную часть работы, затрачиваемой на разрушение. При использовании пластичного вещества необходимо обеспечивать условия, способствующие появлению эффекта «внедряющегося клина» при котором, несмотря на наличие впереди свободного пространства, поверхности трещины при дальнейшей подаче в неё пластичного вещества продолжали бы раздвигаться. Одновременно с этим необходимо создавать условия для того, чтобы пластичное вещество проникало в формируемую трещину на возможно большую глубину, что связано с увеличением площади его контакта с поверхностями разрушения и разрывных усилий. Повышение расхода пластичного вещества с целью снижения времени на процесс разрушения приводит к появлению изгибных сил. Они способствуют искривлению поверхностей откола и выходу формируемой трещины на свободную поверхность [68, 136].
Необходимо отметить, что характер распределения давления в трещине зависит от её размеров и условий образования, а также свойств и режима нагнетания пластичного вещества. Пластичное вещество обладает повышенной вязкостью и, если оно движется, то давление в нём убывает с удалением от места нагнетания. Для пластичных веществ с различными свойствами существуют различные зависимости распределения давления по поверхности трещины, которые определяются в каждом конкретном случае отдельно. Следует учитывать то, что пластичное вещество, в отличие от жидкости, разрушает массив горных пород, практически не фильтруясь в него. Одним из принципиальных отличий пластичных веществ от жидкостей или газов является возможность сохранять градиент давления, будучи в неподвижном состоянии длительное время [136].
Разрушение образцов из хрупких материалов в статическом режиме нагнетания пластичного вещества в формируемую трещину
Одной из целей проведения лабораторных экспериментов по статическому разрушению хрупких материалов с применением пластичных веществ было выяснение роли величины и характера их расхода при вытеснении в формируемые трещины. Параллельно с этим проводился контроль размеров этих трещин, а также зон их заполнения пластичным веществом визуальными и расчётными методами. Для этого проводились лабораторные эксперименты при постоянных и непостоянных расходах нагнетаемых пластичных веществ малой величины. Несколько наиболее удачных из них приводятся далее.
Для проведения первого лабораторного эксперимента по разрушению органического стекла пластилином, нагнетаемым в статическом режиме при постоянных расходах, и формирования поперечной трещины на уровне забоя шпура в качестве разрушаемого образца был использован блок 1 с размерами 140x180x180 мм (рис. 44). Органическое стекло являлось хрупким материалом, предоставляющим возможность визуального контроля размеров формируемой в нём трещины. Вертикальное отверстие 2 содержало резьбу Ml6 и было просверлено в центре блока 1 до середины его высоты. Нагнетатель 3, заполненный пластилином, был вкручен в отверстие 2 до забоя.
Концентратором напряжений в забойной части отверстия 2 служил последний виток резьбы Ml6, направлявший развитие будущей трещины в поперечном (горизонтальном) по отношению к оси шпура направлении.
Маховик 5 нагнетателя 3 вращался с постоянной угловой скоростью, каждый раз совершая одинаковое количество оборотов. Поворот маховика 5 на один оборот каждый раз обеспечивал внедрение 63 мм пластилина в формируемую трещину 8 в течение 60 с. Интервал времени между подачей отдельных порций пластилина определялся отсутствием визуально контролируемых признаков дальнейшего развития трещины 8 и составлял 30 мин. Внутри корпуса нагнетателя 3 находился цилиндрический притёртый поршень, поступательные движения которого позволяли вытеснять пластилин в формируемую трещину. Отличительным признаком эксперимента являлся монотонный характер увеличения размеров формируемой трещины 8 и зоны её заполнения пластилином 7. Средством изоляции стенок отверстия 2 служил корпус нагнетателя 3, удерживаемый в блоке 1 с помощью резьбы Ml6, и не дававший вытесняемому в формируемую трещину пластилину попадать в пространство между нагнетателем 3 и блоком 1, а также внутренний притёртый поршень, препятствовавший устремлению нагнетаемого пластилина вверх в направлении штанги 2. Устройство 3 было предложено Кю Н. Г. (рис. 44). После проведения этого эксперимента был произведён расчёт размеров формируемой трещины по (11) при следующих значениях физико-механических свойств для органического стекла: модуль Юнга Е = 3090 МПа, коэффициент Пуассона v = 0,33 и реологических свойств Т0 = 12,7 кПа - для пластилина. Результаты проделанной работы представлены на рис. 45. Форма контролируемой трещины рассматривалась как геометрическая фигура, стремящаяся от эллипса к кругу по мере увеличения своих размеров.
Из приводимых данных видно, что отклонение фактических радиусов формируемой трещины от теоретических составляет 4,3-13,6 %, а зон заполнения формируемой трещины пластилином - 3-6,8 %. При этом необходимо учитывать факт присутствия малых расходов нагнетаемого пластичного вещества, обусловленных низкой скоростью вращения маховика 5, и связанных с отсутствием резкого повышения его температуры. Одним из выводов по этому эксперименту является то, что формируемая трещина и зона её заполнения пластилином имеют выраженный круговой характер. При этом процесс развития формируемой трещины продолжается при выходе её отдельных частей на свободные поверхности разрушаемого блока. Постоянство малых расходов нагнетаемого пластилина обусловливает малую степень искривления поверхности формируемой трещины (рис. 44).
Обоснование технологии отбойки монолитов (блоков) прочного камня с применением пластичных веществ для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых
При проектировании технологий отбойки прочных горных пород (гранита) с применением пластичных веществ необходимо принимать во внимание сезонность их проведения. В летнее и зимнее время, из-за малого количества влаги, проникающей в камень, добываемые горные породы необходимо рассматривать как более прочные, в весеннее и осеннее время -менее прочные. При учёте естественной трещиноватости необходимо стараться проектировать нарезку монолитов (блоков) так, чтобы эти трещины не пересекались плоскостями откола, формируемыми при помощи термического скалывания камня, порошкообразных НРС или отбойки с применением пластичных веществ. Подобные пересечения снижают эффективность отколов в требуемых плоскостях. Необходимо отдавать преимущество буроклиновым, буровзрывным, термическим методам отбойки и порошкообразным НРС. Исходя из будущего веса монолита (блока), обусловленного плотностью горной породы, возможностями камнеобрабатывающего оборудования на заводах, а также грузоподъёмностью применяемой погрузочно-доставочнои техники его максимальные размеры не должны превышать 4x2,5x2 м (длина, высота, ширина). При этом от массива рекомендуется отбивать монолиты с размерами максимально приближёнными к вышеуказанным или кратным им с целью снижения трудоёмкости и времени на производство конечного продукта — блока необходимых размеров. В случае применения двухстадийной выемки добытые монолиты должны быть пассированы на блоки с размерами, не превышающими 2 м или кратными им, исходя из возможностей камнеобрабатывающего оборудования. В случае применения буроклиновых и буровзрывных способов отбойки крепких горных пород необходимо предусматривать возможность бурения и последующего использования пустых шпуров, находящихся между заполненными и служащих для сокращения объёмов работ по откалыванию с применением пластичных веществ, взрыва, а также создания условий для перспективного отодвигания добытого монолита (блока). Размеры трещин, связанные с этим объёмы вытесняемых пластичных веществ и длины применяемых шпуров должны проектироваться исходя из планируемого однократного или многократного вытеснения пластичного вещества. Крайние шпуры в строчке должны быть заполнены пластичным веществом. Диаметр шпура должен способствовать созданию разрывного усилия необходимой величины исходя, прежде всего, из энергии удара применяемого инструмента. Применяемое пластичное вещество по консистенции должно быть близко к пластилину. В случае применения энергии удара инструмента в сочетании с диаметром шпура, создающей минимальный запас возможностей для создания разрывного усилия необходимой величины при формировании продольной трещины, следует предусматривать герметизацию устьевой части шпура. При этом необходимо отдавать предпочтение формированию трещин с помощью продольных отколов как менее энергоёмкому и технически доступному процессу в сравнении с формированием поперечных трещин. Углы заострения применяемых клиньев должны находиться в пределах от 12-15 до 25-30. В случае применения технологии, предусматривающей многократное вытеснение пластичного вещества, длины шпуров и штанг с клиновидными наконечниками могут быть минимальными, а однократное - максимальными. В любом случае общая длина штанги с клиновидным наконечником, соединённой с применяемым ударным инструментом, не должна превышать 1,5 м исходя из среднего роста человека и возможностей создания нормальных условий для нажатия на ударный инструмент (длина штанги не более 0,6 м). С целью обеспечения условий для направления формируемой трещины в пространстве необходимо предусматривать концентраторы напряжений на стенках шпура, формирование которых может быть совмещено с процессом вытеснения пластичного вещества. Порядок производства отколов при отбойке монолитов крепких горных пород должен предусматривать первоочередное откалывание в вертикальных плоскостях (торцевые и тыльные). В последнюю очередь необходимо производить отколы в горизонтальной плоскости (подсечка). При этом необходимо исключить отбойку с применением пластичных веществ для отколов в горизонтальной (постельной) плоскости. Это связано со сложностью пространственного расположения технических средств, необходимых для производства отколов в пределах нижележащего уступа, а также необходимостью применения повышенной энергии удара инструмента из-за возможности заклинивания вставок из твёрдого сплава, расположенных на штанге с клиновидным наконечником и самой штанги в шпуре с пластичным веществом. Указанные последствия происходят по причине существования давления, оказываемого на них со стороны налегающего монолита (блока). Использование буровзрывного способа должно быть ограничено применением только в горизонтальной (постельной) плоскости и связано с взрыванием дымного пороха или детонирующего шнура.
В соответствии с указанными основными принципами разработаны варианты технологий производства горных работ по отбойке прочного природного камня, которые представлены на рис. 70. Римскими цифрами отмечена рекомендуемая последовательность выполнения отколов в указанных плоскостях.
