Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-географическая, горно-геологическая, геокриологическая характеристики Нерюнгринского месторождения 16
1.1. Распространение и особенности освоения зоны много-летнемерзлых пород 16
1.2. Физико-географическая характеристика Нерюнгринского месторождения 26
1.3. Геологическое строение района, угольных пластов и вмещающих пород 58
Выводы по главе 1 95
Глава 2. Исследование влияния природных и технологических факторов на технико-экономические показатели работы карьеров 101
2.1. Разработка методики анализа показателей эффективности добычи угля открытым способом 101
2.2. Исследование степени и характера влияния физико-географических факторов на показатели экономической эффективности угольных разрезов 126
2.3. Влияние технологических факторов на эффективность работы карьеров 167
2.4. Критериальная оценка эффективности работы угольных разрезов на основе экономико-математического моделирования 213
Выводы по главе 2 233
Глава 3. Теоретические исследования процесса смерзания углей и вскрышных пород 236
3.1. Обоснование механизма и модели смерзания 236
3.2. Формирование прочности аквакомпозиций 238
3.3. Физико-химические условия формирования прочности аквакомпозиций при отрицательных температурах 253
Выводы по главе 3 263
Глава 4. Натурные исследования смерзания горной массы 265
4.1. Экспериментальные исследования прочности смерзания единичных зерен угля 265
4.2. Исследование прочностных свойств смерзшейся угольной массы 274
4.3. Исследование прочностных характеристик смерзшихся песков 293
4.4. Исследование процесса смерзания взорванной горной массы в условиях многолетней мерзлоты 334
Выводы по главе 4 349
Глава 5. Разработка метода определения времени смерзания взорванной горной массы 351
5.1. Выбор модели и основных расчетных зависимостей 351
5.2. Влияние влажности пород на динамику их смерзания 356
5.3. Методика расчета и номограммы для определения времени смерзания взорванной горной массы 363
Выводы по главе 5 370
Глава 6. Научное обоснование и внедрение мероприятий по предупреждению смерзания взорванной горной массы 371
6.1. Оценка эффективности борьбы со смерзанием горных пород физико-химическими методами 3 71
6.2. Исследование интенсификации разрушения смерзшихся пород энергией быстропеременного электромагнитного поля 384
6.3. Практические рекомендации по предупреждению вторичного смерзания горной массы, обеспечивающие эффективность работы угольных разрезов Севера 402
Выводы по главе 6 407
Заключение 408
Список использованной литературы 412
Приложения 432
- Физико-географическая характеристика Нерюнгринского месторождения
- Исследование степени и характера влияния физико-географических факторов на показатели экономической эффективности угольных разрезов
- Формирование прочности аквакомпозиций
- Исследование прочностных свойств смерзшейся угольной массы
Введение к работе
Актуальность работы. Угольные разрезы Севера и Дальнего Востока имеют высокую концентрацию горных работ и используют новейшую высокопроизводительную импортную горно-транспортную технику, которая испытывает на себе влияние разнообразных природных условий и, в частности, климатических. Последние оказывают на производственную мощность карьера и эффективность открытых горных работ такое же определяющее влияние, как горно-геологические, технические и организационно-экономические факторы.
Суровость климата, наличие многолетней мерзлоты, сейсмические нагрузки, удаленность от промышленных центров, отсутствие высококвалифицированных рабочих кадров являются причинами высокой себестоимости добываемой здесь продукции. Незапланированные простои техники из-за атмосферных явлений и погодных условий нередко приводят к срывам плановых заданий. Своевременный учет природных условий, влияющих на эффективную работу угольных разрезов, внесет свою долю в промышленную безопасность, повышение производительности труда в отрасли и снижение себестоимости добываемого полезного ископаемого. Поэтому выявление факторов физико-географической среды, отрицательно сказывающихся на технико-экономических показателях добычи угля открытым способом, количественная оценка степени их влияния и разработка мероприятий по снижению вызываемых ими на разрезах дополнительных трудовых и материальных затрат, отвечают актуальным задачам дальнейшего развития отрасли.
На вскрышных работах угольных разрезов используются мощные карьерные экскаваторы с емкостью ковша до 20 м3 и высокой балансовой стоимостью. Парк технологического автотранспорта представлен автомобилями гру- зоподъемностью до 180 тонн. Следует отметить, что высокой концентрации техники не соответствуют показатели ее использования. Фактическая производительность горного оборудования составляет лишь 50 - 60 % проектной, коэффициент использования - 0,35ч-0,45, коэффициент технической готовности не превышает 0,5 - 0,6.
Большое влияние на эффективность вскрышных работ оказывает состояние взорванной горной массы. По различным, в том числе организационным причинам, она длительное время не экскавируется и смерзается. Это приводит к чрезвычайным сложностям и к практической остановке работ, так как современные экскаваторы не могут экскавировать смерзшийся массив, а перебурить его и снова взорвать не представляется возможным. Такое использование основного горного оборудования, эксплуатирующегося в необжитых районах без сложившейся инфраструктуры, в суровых климатических условиях в значительной степени снижает экономическую эффективность производства.
Главной причиной, обусловливающей сложившееся положение дел в данной проблеме, является ограниченность наших знаний о физике и физико-химии процесса смерзания. До сих пор не разработана теория, объясняющая с современных научных позиций процесс, происходящий при формировании из влажной дисперсной рыхлой минеральной массы смерзшегося монолита высокой прочности. Отсутствуют достоверные данные о прочностных характеристиках смерзающихся массивов. Слабо изучены как в теоретическом, так и в экспериментальном аспектах закономерности промерзания пород. Практически отсутствуют теоретические и экспериментальные работы, направленные на изучение механизма и рациональных режимов разрушения смерзшихся массивов.
Положение осложняется тем, что номенклатура взрываемых пород чрезвычайно велика. Вещественный и гранулометрический состав, физико-механические и другие свойства материалов, имеющих в номенклатурном списке одно и то же название, значительно рознятся. Это определяет различный характер течения процесса смерзания и может дать совершенно иной конечный результат.
Следствием существующего положения является укоренившаяся малооправданная методика проектирования машин, основанная лишь на интуиции конструктора, а не базирующаяся на глубоких знаниях характеристик объекта разрушения в той или иной обстановке. Следует также отметить разобщенность организаций, занимающихся решением данной проблемы, слабый обмен информацией. Почти в каждой организации, участвующей в данной проблеме, сложилось традиционное направление исследований, отклонение от которого считается нежелательным. Хотя процесс узкой специализации имеет свои положительные стороны, представляется, что решить проблему в целом одним каким-либо способом или средством вряд ли возможно. Уже сегодня может быть достигнут существенный экономический эффект за счет комплексного использования разработанных средств и мероприятий.
Прежде всего следует всемерно оценить возможность использования профилактических средств - активных добавок - понижающих прочность смерзания и промерзания. Это позволит облегчить восстановление сыпучести на последующих операциях. Далее необходимо, чтобы механической дезинтеграции предшествовало разупрочнение смерзшегося материала до состояния, при котором дробление было бы эффективно имеющимися средствами.
В этой связи следует заметить, что как в практике исследований по данной проблеме, так и в производственных условиях укоренилась ошибочная тенденция - обязательно решить вопрос одним из методов: пытаться ра- зогревать до полного восстановления сыпучести всей массы пород, или вообще не греть, а дробить массив одним из механических способов рыхления. Пока что не получили развития исследования в области комбинированных методов восстановления сыпучести, ослаблены поиски новых эффективных способов разупрочнения смерзшихся материалов.
Важнейшими направлениями исследовательских работ в этой области являются:
Исследование прочностных характеристик смерзающихся пород. Разработка с физико-химических позиций теоретических положений, объясняющих природу формирования прочности смерзающихся пород;
Исследование и выбор эффективных методов предупреждения вторичного смерзания взорванных горных пород.
При решении поставленных задач весь цикл исследований выполнялся применительно к углям, пескам и вскрышным породам. Формовочные пески выбраны для исследований по тем соображениям, что из массовых видов пород они (пески) имеют наибольшую прочность смерзания и низкий коэффициент теплопроводности. Другими словами, формовочные пески обладают наиболее неблагоприятными свойствами с позиции как термического, так и механического способов восстановления сыпучести.
Цель работы состоит в установлении зависимостей между результатами производственно-хозяйственной деятельности предприятий и климатическими, горно-геологическими, техническими и технологическими факторами для повышения экономической эффективности работы угольных разрезов и снижения непроизводительных трудовых и денежных затрат за счет своевременного учета неблагоприятных для производства факторов.
Идея заключается в комплексном подходе к проблеме повышения эффективности работы карьеров на основе разработки мероприятий, предупре- ждающих негативные воздействия наиболее влияющих природных факторов и снижающих затраты на их устранение. Задачи исследования: анализ основных технико-экономических показателей угольных разрезов с учетом степени и характера влияния отдельных физико-географических факторов на себестоимость добычи 1 т угля и 1 м3 вскрыши, производительность труда рабочего на добычных и вскрышных работах и фондоотдачу; выбор информативной независимой системы факторов по показателю эффективности и количественная оценка степени их совокупного влияния и каждого в отдельности на исследуемые технико-экономические показатели; построение экономико-математических моделей прогноза вероятной принадлежности разрезов к классу высокоэффективных предприятий по информативным факторам с учетом фактора, наиболее влияющего на технико-экономические показатели угольных разрезов; - теоретическое, лабораторное и натурное изучение прочностных свойств смерзшихся углей и пород различными методами в широком диапа зоне температур; - разработка мероприятий по учету и предупреждению отрицательного влияния выбранного фактора на эффективность работы угольных разрезов и составление рекомендаций по планированию и организации ведения горных работ на угольных разрезах зоны распространения многолетней мерзлоты с учетом разработанного мероприятия.
Методы исследования. При рассмотрении проблемы повышения экономической эффективности добычи угля открытым способом в работе применен системный анализ совокупного и раздельного влияния факторов физико-географической среды на основные технико-экономические показатели угольных разрезов.
Для измерения тесноты связей между факторами и функцией использовался метод корреляции.
Выбор наиболее влияющих факторов произведен на основе графического анализа и элементов математической статистики.
Количественная оценка совокупного влияния факторов на технико-экономические показатели угольных разрезов осуществлялась методом корреляционно-регрессионного анализа с использованием стандартных программ расчета множественной корреляционной зависимости на ЭВМ.
Для построения прогнозных многофакторных моделей распознавания принадлежности объекта к классу высокоэффективных предприятий по природным условиям был выбран алгоритм теории распознавания образов.
Закономерности формирования прочности смерзшихся горных пород оценивались теоретически и лабораторными исследованиями прочности единичных зерен и смерзшихся искусственных и естественных образцов углей и пород.
Натурные исследования проводились с использованием общепринятой методики оценки динамики температурных полей в многолетнемерзлых массивах.
Разработка рекомендаций по составлению технологического регламента ведения горных работ осуществлена с помощью математического моделирования с использованием результатов натурных экспериментов.
Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна: - научные основы предупреждения вторичного смерзания взорванной горной массы, созданные автором, новизна которых заключается в комплексном учете широкого круга влияющих на технико-экономические показатели работы разрезов факторов, следует использовать при решении вопросов об освоении новых участков и месторождений открытым способом на Севере и Дальнем Востоке; для оценки результатов хозяйственной деятельности горных предприятий с открытым способом разработки, расположенных в условиях Севера и Дальнего Востока, следует использовать установленные автором зависимости между основными экономическими показателями работы разрезов (себестоимостью добычи, фондоемкостью, производительностью труда) и горно-геологическими, горнотехническими, климатическими и организационными факторами; формирование регламентов горных работ при проектировании горных предприятий Севера и Дальнего Востока с целью исключения вторичного смерзания вскрышных пород и угля необходимо осуществлять с помощью оптимального объема единовременно взрываемой горной массы с учетом параметров горно-транспортного оборудования, климатических, горногеологических и организационных факторов, что впервые было осуществлено на предприятиях Якутии, в том числе на одном из крупнейших предприятий Севера и Дальнего Востока - Нерюнгринском угольном разрезе.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: постановкой исследований в широком диапазоне горно-геологических горнотехнических, климатических и организационных условий работы горных предприятий; использованием большого объема статистической информации об условиях и эффективности работы предприятий и горно-транспортной техники; применением методов экономико-математического моделирования, технико-экономического анализа, математической статистики с использованием ЭВМ; положительными результатами внедрения полученных рекомендаций на угольных разрезах Севера и Дальнего Востока.
Научная новизна исследования заключается: - в выявлении и количественной оценке факторов физико- географической среды, наиболее влияющих на основные технико- экономические показатели добычи угля открытым способом; в установлении статистических зависимостей между основными технико-экономическими показателями работы угольных разрезов и климатическими, горно-геологическими, техническими, технологическими и организационными факторами, которые используются при планировании горных работ на предприятии; в разработке экономико-математической модели обоснования экономической эффективности комплексного использования новой техники на открытых горных работах Севера и Дальнего Востока, реализация которой позволила рекомендовать оптимальные параметры горно-транспортной техники для конкретных горно-геологических условий; в установлении относительного влияния физико-географических условий в общей системе влияющих факторов на отклонение значений технико-экономических показателей угольных разрезов от среднеотраслевых; в разработке метода расчета и выполнении оценки времени вторичного смерзания взорванной горной массы для угольных разрезов Якутии.
Практическая значимость работы состоит: - в возможности учитывать выявленные наиболее информативные при- родные факторы при проектировании предприятий, добывающих полезные ископаемые открытым способом, что позволит повысить обоснованность принимаемых решений и существенно сократить трудовые и денежные затраты на преодоление природных особенностей территорий; в проведении районирования карьерных полей угольных месторождений Севера по условиям вторичного смерзания взорванной горной массы, которое обеспечивает повышение технико-экономических показателей работы разрезов, расположенных в зоне распространения многолетней мерзлоты; в разработке рекомендаций по предупреждению вторичного смерзания взорванных вскрышных пород с целью исключения дополнительных затрат на их повторное дробление и экскавацию; в рекомендациях, обосновывающих возможность планировать основные технико-экономические показатели работы угольных карьеров и выбирать экономически целесообразный вариант комплекта горно-транспортного оборудования с учетом влияния климатических, горно-геологических, технических, технологических и организационных факторов.
Диссертация выполнялась в Якутском государственном университете по теме: "Исследование и выбор эффективных методов ведения буровзрывных работ в условиях многолетней мерзлоты" с 1974 по 1979 гг.; в Институте горного дела Севера Якутского филиала СО АН СССР в соответствии с планом научно-исследовательских работ по темам: "Разработка научных основ комплексного освоения месторождений полезных ископаемых ЯАССР" и "Изучение прочностных, деформационных и абразивных свойств мерзлых пород" с 1980 по 1986 гг.; в НПО "Лидер" по теме: "Техника Севера" в период с 1987 по 1994 гг. и в Московском отделении МАНЭБ с 1995 по 1998 гг.
В подготовке, организации и проведении натурных экспериментов на разрезах п/о "Якутуголь" в разные периоды принимали участие д.т.н. Добровольский Г.Н., д.т.н. Заровняев Б.Н., инженер Альков СП.
В составлении программ для обработки исходной информации на ЭВМ участвовали Ватутина Е.Н. и Кузьминов М.А. В разработке метода расчета времени вторичного смерзания взорванной горной массы активную помощь оказал к.т.н. Галкин А.Ф. В вопросе районирования карьерных полей по условиям вторичного смерзания вскрышных пород консультационная помощь исходила от к.т.н. Шургина Б.В. Методическое руководство по анализу влияния физико-географических факторов на технико-экономические показатели разрезов осуществлял д.т.н. Ватутин С.А.
Особую благодарность автор выражает д.т.н. Арцимовичу Г.В
Автор искренне признателен всем перечисленным товарищам. руко- водившему теоретическими и экспериментальными исследованиями прочностных характеристик смерзающихся пород с целью восстановления их сыпучести, и д.т.н. Ждамирову В.М. за помощь в системной оценке влияния технологических факторов на эффективность работы угольных разрезов Севера.
Реализация выводов и рекомендаций. Разработанные автором научные основы использованы на открытых горных работах Сибири и Дальнего Востока, приняты угольными разрезами производственных объединений "Якутуголь" , "Северовостокуголь", "Дальвостуголь", "Приморскуголь" и др. к практическому использованию.
Произведено обучение технического персонала разрезов для работы с программами на ЭВМ по выбору оптимальных вариантов подготовки и экскавации горной массы, в результате чего получен фактический экономический эффект.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы неоднократно докладывались и были одобрены на научных семинарах, конференциях и ученых советах ЯГУ, ИФТПС, ИГДС ЯФ СО АН СССР (1973 -1986 гг.); на научно-технических советах производственного объединения "Якутуголь" (1976 - 1986 гг.); в проектных и научно-исследовательских институтах отрасли и в Министерстве угольной промышленности СССР (1984 -1992 гг.); в ОАО "Уголь открытых работ" и НПО "Лидер" при Министерстве науки и технологий; на научных семинарах, конференциях и ученых советах горных вузов (1994 -1998 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 445 страницах машинописного текста, иллюстрируется 149 рисунками, содержит 50 таблиц, состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 231 наименования и 12 приложений.
Физико-географическая характеристика Нерюнгринского месторождения
В Сибири и на Дальнем Востоке сосредоточена подавляющая часть российских ресурсов нефти, газа, угля, воды, леса, значительные запасы руд цветных и черных металлов. Экономисты подсчитали, когда восточные районы нашей страны будут освоены и обжиты в той же степени, как сейчас западные, ее экономический потенциал превзойдет нынешний уровень более чем в 7 раз.
Перестройка экономики требует комплексного освоения природных богатств и развития производительных сил Сибири и Дальнего Востока, воплощения в жизнь принципа выравнивания экономического уровня отдельных регионов страны. В дальнейшем здесь будет происходить наращивание добычи многих полезных ископаемых, в том числе и угля.
История добычи и использования "черного золота" в нашей стране насчитывает уже более двух столетий. Еще во времена Петра 1, по его царскому указу, велись поиски "солнечного камня" на юге России, на территории нынешнего Подмосковного бассейна, в районе Урала и Сибири. И тогда же, в XYIII веке, появляются первые угольные шахты на юге страны, обеспечивающие сначала местные потребности в угле, а затем, с постройкой железных дорог, работающие и на центральные районы России.
В первой четверти XIX века по уровню промышленного производства Россия шла впереди наиболее передовых по тому времени капиталистических стран, и немаловажную роль в этом играла угольная промышленность. Почти вся она в дореволюционное время была сконцентрирована в Донецком бассейне, который давал почти 90% всей добычи угля в стране, хотя разрабатывались также Подмосковный и Кузнецкий бассейны. Нерациональное географическое размещение промышленности, заключавшееся в том, что районы-потребители были оторваны от районов-поставщиков, приводило к необходимости перевозить уголь на далекие расстояния, что вызывало немалые потери ископаемого. Определенные изменения в этом отношении произошли в послеоктябрьский период.
В рамках Советского Союза за Украиной было закреплено право на звание ведущей угольно-металлургической базы страны. В 1930 году на XYI съезде партии принимается решение о создании на востоке еще одной угольно-металлургической базы - Урало-Кузнецкого комбината, базирующегося на углях Кузбасса и железной руде Урала. Спустя некоторое время героическим трудом советских людей Кузбасс был превращен в крупнейший индустриальный район. Кузнецкие угли привели в действие мощную промышленность Сибири, Казахстана и Урала. В настоящее время встает вопрос о создании очередной угольно-металлургической базы в Сибири и на Дальнем Востоке.
За послереволюционный период, благодаря самоотверженному труду советских геологов, были открыты сотни новых угольных месторождений и установлены их перспективные площади. Теперь по известным запасам угля, 6790 млрд. т [6], Россия занимает первое место в мире, а угольная промышленность характеризуется широким распространением по ее территории.
Если попутешествовать по карте, взяв за исходную точку столицу страны - Москву, то к югу от нее увидим Подмосковный бассейн; на востоке - месторождения западного и восточного Урала, Кузбасс, Минусинский, Чулымо-Енисейский и Канский бассейны Западной Сибири; Черемховский угольный бассейн и Забайкальские месторождения Восточной Сибири; Буреинское, Сучанское и Сахалинское месторождения Дальнего Востока; на северо-востоке - Тунгусскую угленосную область, угольные месторождения Якутии; на севере от столицы - угли Печоры, чуть восточнее -Кизеловский угольный бассейн (рис. 1.2).
Главную роль в угольной промышленности СССР играли Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский и Печорский бассейны. Они давали свыше 60% всего угля и служили основными источниками металлургического топлива. Но, учитывая, что около 90% [6] запасов угля сосредоточены в восточных районах страны, и в целях значительного увеличения топливно-энергетических ресурсов Советского Союза, решения XXY съезда КПСС предусматривали ускоренными темпами развернуть работы в Южно-Якутском угольном и Канско-Ачинском топливно-энергетическом комплексах. До того времени в Якутии, имеющей колоссальные запасы угля, работали лишь несколько шахт и разрезов местного значения.
Южно-Якутский угольный бассейн (рис. 1.3), площадью свыше 50000 км2 [7] и с запасами угля в 40 млрд. т, расположен к северу от Транссибирской железнодорожной магистрали. Широкой полосой тянется он вдоль северных склонов Станового хребта, доходя на западе до верховий реки Олек-мы, а на востоке - до озера Токо [7].
Все угли бассейна коксующиеся и пригодны для получения высококачественного металлургического кокса. К тому же они располагаются недалеко от поверхности, что позволяет вести их разработку более дешевым открытым способом. Подсчитано, что промышленное освоение углей Южной Якутии более экономично, чем освоение других угольных бассейнов страны [8].
Исследование степени и характера влияния физико-географических факторов на показатели экономической эффективности угольных разрезов
Физико-географические факторы - это элементы окружающей нас природы: климат со всеми его составляющими, горные породы, слагающие земную поверхность, рельеф, сток, геоморфологические и тектонические особенности территории и проч. При различном сочетании этих факторов на Земле сложились оптимальные варианты природных комплексов, которые с точки зрения человека, не всегда самые удачные [61]. Возьмем, к примеру, северо-восточную часть нашей страны, куда постепенно перемещается центр тяжести угледобывающей промышленности. Суровые климатические условия и характер мерзлотной обстановки делают этот район тяжело осваиваемым людьми и техникой: "... освоение новых труднодоступных территорий не только не ослабляет, а, напротив, как правило, приводит к усилению влияния метеорологических факторов на хозяйственную деятельность" [62]. Встаёт вопрос об улучшении экономического потенциала территории. Однако изменить природу, не оказывая на неё давления и не вызывая отрицательных последствий на данном уровне развития общества не представляется возможным. Единственный путь решения проблемы - исключить или хотя бы уменьшить, заранее предвидя, степень её неблагоприятного влияния на хозяйственные объекты. Для этого необходимо знать прежде всего степень и характер влияния каждого природного фактора, чтобы умело управляя производством, получать необходимый экономический эффект.
Исходя из задач исследований, взяты физико-географические факторы, которые отражают в какой-то степени природную обстановку угольных разрезов и могут оказывать влияние на процесс добычи угля открытым способом.
По методике, описанной в предыдущем параграфе, графически оценивалось влияние каждого из них на показатели экономической эффективности, т.е. определялась условная вероятность принадлежности предприятия к тому или иному классу в зависимости от изменения фактора.
Географическая широта, град., (xj); географическая долгота, град., (х2) -факторы, характеризующие территориальное положение угольного разреза, его удалённость от промышленно развитых центров, поставщиков оборудования и потребителей полезного ископаемого. Значительная часть предприятий располагается в отдалённых районах со специфическими климатическими условиями, где в первую очередь проявляется дефицит рабочих кадров. Для привлечения их на предприятия устанавливается повышенная заработная плата, вкладываются дополнительные средства в обеспечение комфортных условий труда и строительство непромышленных объектов. Кроме того, развитие открытого способа добычи угля сопровождается увеличением производственных мощностей разрезов, что вызывает потребность в крупногабаритной, высокопроизводительной дорогой технике. Все это отражается на показателях эффективности предприятий. Из таблицы 2.4 следует, что существует некоторая разница в себестоимости единицы продукции по угольным разрезам, сгруппированным территориально.
Графический анализ влияния исследуемых факторов на показатели эффективности также подчёркивает, что при движении по территории страны на северо-восток уменьшается условная вероятность разрезов принадлежать к классу лучших по себестоимости вскрыши (рис. 2.10). Однако необходимо отметить положительное влияние увеличения значений географической долготы на фондоотдачу (рис. 2.11) Это объясняется тем, что за Уралом сосредоточены огромные запасы угля, залегающие пластами со значительной суммарной мощностью (рис. 2.12), разработку которых ведут крупнейшие в стране горнодобывающие предприятия типа разрезов "Богатырь" "Ирша-Бородинский", "Назаровский" и другие, оснащённые новейшей высокопроизводительной техникой.
Высота над уровнем моря, м, (х3) - фактор, содержащий оценку рельефа местности. На суше выделяют низменные равнины (не выше 200 м над у.м.), высоко поднятые плоскогорья (до 2000 м и более) и горы [63]. "Сложный рельеф местности вызывает необходимость дополнительных затрат на планировку площадки, строительство специальных защитных сооружений, а также увеличивает протяжённость дорог и ухудшает работу оборудования" [64]. Последнее выражается в том, что с высотой падает давление, воздух более разрежен и оборудование работает не на полную мощность. Это приводит к быстрому изнашиванию деталей и выходу из строя двигателей внутреннего сгорания, что увеличивает частоту ремонтов и снижает объёмы добычи. У 73 исследуемых угольных разрезов высота над уровнем моря изменяется от 100 до 3500 м [65].
Средняя многолетняя температура января, С, fa); средняя многолетняя температура июля, С, (х5); среднегодовая температура воздуха, С, (хц); абсолютный максимум температуры воздуха,С, (хю); абсолютный минимум температуры воздуха,0С, (хц); число дней в году с температурой воздуха ниже минус 30С, (хе); число дней в году с температурой воздуха ниже минус 40С, (х7); число дней в году с температурой воздуха выше плюс 30С, (xg); число дней в году с температурой воздуха выше плюс 40С, (х?) - температурный фактор, являющийся основным в характеристике природных условий района и наиболее изученным, с точки зрения его влияния на работу машин и механизмов, на надёжность и долговечность конструкций и сооружений, на здоровье людей [66-72].
Наибольшее влияние на эффективную работу угольных разрезов оказывают низкие отрицательные и высокие положительные температуры воздуха и резкие перепады температур. Е.С. Никонов [30] доказывает, что производительность труда рабочего в зимний период может снижаться в 2-3 раза. Низкая отрицательная температура воздуха является причиной повышенного износа механизмов, вызывает застывание смазочных материалов и технических жидкостей, увеличивает хрупкость стали. Высокие положительные температуры воздуха отрицательно влияют на прочность резиновых и полимерных частей горнотранспортного оборудования, снижают вязкость смазочных материалов и приводят к частому перегреву двигателей. Всё это снижает надёжность и долговечность техники на угольных разрезах и сказывается на показателях эффективности предприятий. Кроме того, как низкие отрицательные, так и высокие положительные температуры воздуха являются причиной снижения трудовой активности людей, занятых работами на открытом воздухе. Специальными постановлениями местных органов управления для них устанавливается определённый режим труда и отдыха, обеспечивающий нормальное состояние организма при температуре воздуха ниже или выше оптимальной.
Среднегодовая температура воздуха на угольных разрезах Минуглепрома СССР изменяется от плюс 10,3С до минус 14,2С [73]. На рисунке 2.14 изображена зависимость между количеством дней с температурой воздуха выше плюс 30С и производительностью труда рабочего на добыче. Фактор является информативным по этому показателю, т.к. Ар составляет -0,32. Увеличение количества дней с t +30С отрицательно сказывается на производительности труда. Полученная зависимость подтверждается работой [74], из которой следует, что превышение оптимальной (+25С) температуры наружного воздуха требует специального режима для людей физического труда, а "на период повышения температуры выше +33 С работы на открытом воздухе прекращаются" [74].
Формирование прочности аквакомпозиций
Как указывалось выше, композиции образуются соединением двух или нескольких компонентов в новый материал, который ведет себя как единое структурное целое. Это предполагает механическое взаимодействие между матрицей и дисперсной фазой, осуществляемой за счет их сцепления.
Согласно современным представлениям науки о композиционных материалах, последние обладают более высокими свойствами по сравнению со свойствами матрицы, в частности, прочностными.
Повышение прочности композиций связывается с дисперсностью частиц и их объемным содержанием. В случае, когда композиция составлена из пластичной матрицы и жестких и прочных частиц (аквакомпозиция), матрица (лед) несет основную нагрузку. Упрочняющие же частицы (песок) блокируют движение дислокаций или скольжение, ограничивая таким образом пластическую деформацию.
Согласно дислокационной теории прочности [147], в обсуждаемой модели композиции твердые частицы оказывают высокое сопротивление движению дислокаций. Последние вынуждены огибать эти частицы, оставляя на них дислокационные кольца. Для перемещения дислокаций через зерна наполнителя необходимо приложить напряжения, в пределе определяемые касательными напряжениями: то = Gb/Dp , (3.1) где то - касательное напряжение Орована (внутреннее напряжение); G - модуль сдвига матрицы; b - вектор Бюргерса; Dp - расстояние между частицами. 239 Степень упрочнения определяется величиной среднего свободного пути в матрице между частицами: 2d Л= (1-VT) (3.2) 3VT и промежутками между ними: DP = V (1 - VT) , (3.3) 3VT где d - диаметр частиц; VT - объемное содержание частиц в композиции. Аквакомпозиции, с которыми мы имеем дело, содержат, как правило, твердые частицы в количествах, близких к содержанию твердого в плотной гексагональной упаковке, т.е. более 60 % по объему. Можно было бы ограничить рассмотрение их прочности именно этим пределом. Однако представляется необходимым для полной ясности вопроса формирования прочности смерзшихся дисперсных материалов рассмотреть аквакомпозиции в широком интервале дисперсностей и объемного содержания твердых частиц в матрице.
Ввиду новизны подобной постановки задачи для рассматриваемых систем (аквакомпозиции) и отсутствия достаточных данных исследований в литературе приведем аналогию, воспользовавшись разработками основ упрочнения материалов на основе металлов, полимеров и т.п.
Уравнение (3.4) справедливо для очень больших значений (a/h), т.е. при достаточно малой толщине слоев связующего. При a/h 13 оно становится менее точным, а при a/h 2,6 утрачивает физический смысл, поскольку в качестве нижнего предела отношение тсред./at никогда не может быть меньше единицы.
Как отмечает Келли [149], пластическое стеснение, создаваемое частицами, которые блокируют скольжение в матрице, дает максимально возможное упрочнение композиции, если отсутствует расслоение на поверхности раздела фаз и разрушение частиц. При этих условиях, согласно уравнению (3.1), максимальная прочность определяется модулем сдвига матрицы G и степенью дисперсности частиц, т.е. величиной Dp.
На рисунке 3.2 показаны зависимости Dp от диаметра частиц и их объемного содержания в композиции, рассчитанные по уравнению (3.3). Там же приведена зависимость и отношение d/h от этих параметров.
Пользуясь этими зависимостями, а также выражениями Друкера для выражения пластического стеснения (3.6), (3,7), (3.8), можно проследить тенденцию изменения прочности материалов, подобных аквакомпозициям с песком.
По Друкеру, зависимость коэффициента пластического стеснения стсред/СТІ от S/d , где S - расстояние между центрами частиц и а - радиус вписанной окружности частицы (см. рис. З.1.), графически представлена на рисунке 3.3. Не трудно видеть, что при плотном расположении жестких включений (1 S/d 1,2) можно ожидать существенного роста прочности композиций, тогда как при S/d 1,5 упрочнение маловероятно или мало.
На рисунке 3.3. представлены зависимости прочности жестко-пластичных композиций от (1 - VT). Кривая 1 получена расчетом по Друкеру, кривая II - в предположении Стсред. 1 / Dp и кривая III - сгсред. 1 / Л для частиц шарообразной формы диаметром d = 1 мм. Для сравнения приведена кривая IY зависимости Стеж, от (1 - VT), полученная в работе [150] для льда с песчаным наполнителем среднего диаметра d = 0,7 мм.
Исследование прочностных свойств смерзшейся угольной массы
Для оценки прочностных характеристик крупных смерзшихся образцов угля проведены специальные эксперименты. Исследования выполнялись на стенде статического вдавливания, включающем следующие элементы: 1. Силовое устройство для внедрения штампов; 2. Тензометрическую систему, обеспечивающую измерение усилий внедрения и перемещения штампа; 3. Регистрирующую аппаратуру; 4. Набор форм для подготовки образцов; 5. Набор штампов различных геометрических характеристик; 6. Холодильную камеру для промораживания образцов.
В качестве силового устройства использован пресс ПСУ-125, обеспечивающий ведение нагружения в трех диапазонах усилий: 25, 50,125 т . Тензометрическая система состояла из двух измерительных линий (рис. 4.6): линии усилия и линии перемещения. Усилия внедрения воспринимались специальной плитой - балкой (1), закрепленной на верхней плите пресса (рис. 4.7). Пролет балки, в зависимости от необходимого диапазона и точности измерений, может регулироваться путем смещения прокладок (3). Штамп (4) вворачивался в центральную часть плиты. На этой же фотографии показана одна из форм (5) - малая форма - для приготовления образцов. Формы изготавливались из толстостенных труб нефтяного сортамента диаметром от 200 до 460 мм, высотой от 180 до 220 мм и имели массивное днище. В качестве тензочувствительных элементов использовались фольговые датчики сопротивления. На рисунке 4.8 дана фотография датчика перемещения. Механическая часть представлена кронштейном 1, прикрепленным к станине пресса (2), на котором смонтирована в специальном зажиме 3 упругая полоса 4. Последняя опирается вторым своим концом на нижнюю плиту пресса 5. Перемещение плиты вверх вызывает изгиб балки и разбаланс тензометриче-ского моста, что и фиксируется осциллографом.
Анализ экспериментального материала производился на основании обработки осциллограмм процесса внедрения и визуальной оценки его последствий. Наиболее характерные формы разрушения образцов фотографировались. На рисунке 4.9. приведены осциллограммы процесса внедрения штампа в монолит угля. Поскольку запись усилия внедрения "Р" и перемещения "h" производилась как функция времени, то в дальнейшем необходимо было перестроить полученный экспериментальный материал в координатах Р = / (h). На рисунке 4.10 представлены названные графики для штампов с площадью 5 см2.
Блоки угля закреплялись в стальной цилиндрической форме диаметром 400 мм двумя способами: в первом случае свободное пространство заполнялось цементно-песчаной смесью, насыщенной щебнем, а во втором - мелкой влажной угольной массой, которая впоследствии замораживалась.
Анализ графиков, приведенных на рисунке 4.10, показывает, что по характеру диаграммы Р = / (h) существенно отличаются друг от друга. Это можно объяснить различными упругопластическими характеристиками веще ства, играющего роль матрицы. Бетонная матрица характеризуется большей жесткостью, вследствие чего на всем пути внедрения отмечается монотонное возрастание нагрузки, необходимое для перемещения штампа. Матрица из смерзшегося влажного угля отличается высокой податливостью и после того, как под штампом сформировалось уплотненное ядро, усилие внедрения практически не растет. Удельное давление внедрения в монолитный блок угля, вмороженного в мелкую органоминеральную массу, составляет около 700 кг/см2 (при площади штампа 5 см2) и более, что в 2 раза превышает предел прочности при одноосном сжатии.
Наиболее удобной характеристикой механических свойств пород, в том числе мерзлых, используемой для всевозможных расчетов, связанных с разрушением, является паспорт прочности. Для его построения необходимо иметь величины сопротивления породы одноосным сжатию (Теж и растяжению Ср. .
Исследования этих показателей производились по стандартным методикам [168]. При этом для определения сопротивления растяжению использовался метод "раскалывания" кубического образца с помощью цилиндрических стержней диаметром 8 мм на специально изготовленном приспособлении. Образцы угля в виде кубиков 50x50x50 мм замораживались в специальных трехмерных формах. Большое внимание уделялось методике подготовки образцов к испытаниям: получению минеральной массы с равномерно заданной влажностью, однородному полю температур при промораживании и проч. Контроль процесса промораживания осуществлялся тремя термопарами, одна из которых фиксировала температуру окружающей среды, вторая -температуру поверхности образца и третья - температуру в центре образца. Партия образцов считалась готовой к испытаниям, когда температуры во всех трех зонах измерения уравнивались или отличались не более чем на 0,5 -0,8С. Для исключения влияния теплых (+10 ч- 12С) плит пресса в процессе опыта на состояние торцов образцов в ходе промораживания одновременно к торцам примораживались массивные плиты. Опытами установлено, что за время эксперимента температура рабочих плоскостей образцов повышалась всего лишь на 1 - 2С.
После завершения одиночного опыта разрушенная органоминеральная масса анализировалась на влагосодержание. Расхождение между исходной средней и конечной влажностями не превышало, как правило, 0,5-0,8 %. Каждый опыт повторялся при заданных условиях от 5 до 8 раз, исходя из необходимости получения относительной ошибки определения показателя не более 5-г7 %. Экспериментальные данные подвергались обработке методами математической статистики. При этом предварительно по материалам оценочных экспериментов были исследованы закономерности колебаний изучаемых признаков. Установлено, что характер изменения сопротивления одноосному сжатию полностью подчиняется закону нормального распределения, а сопротивление растяжению несколько ближе к логнормальному закону.
