WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Разработка прочных скальных пород осуществляется преимущественно буровзрывным способом, характеристики которого определяются физикой удара (процессы бурения) и взрыва. Анализ существующих концепций разрушения твердых тел (А. Гриффитс, С. Н. Журков, Дж. Ирвин, О. Мор, Е. Орован, Г. П. Черепанов) свидетельствует об отсутствии единой теории прочности. Более того, само понятие «разрушение» не имеет однозначной трактовки. В этой связи исследования по разрушаемости тел базируются на эмпирическом подходе. Применительно к процессам БВР основополагающие результаты получены Л. И. Бароном, М. Ф. Друкованым, Б. Н. Кутузовым, Э. О. Миндели, В. Н. Мосинцом, И. А. Остроушко, Г. И. Покровским, В. В. Ржевским, А. Н. Ханукаевым и др. Анализ данных работ показывает, что эффективность удара и взрыва определяется, прежде всего, прочностными и деформационными свойствами разрушаемых пород.

Перспективным средством управления свойствами горных пород является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). Их действие основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Приоритет в развитии данного направления исследований принадлежит отечественным ученым (Ю. В. Горюнов, Ф. Д. Овчаренко, Н. В. Перцов, П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин и др.). Поверхностно-активные вещества широко используются в самых различных областях науки и практики. Применительно к процессам горного производства (бурение, резание, борьба с горными ударами) различным аспектам теории и практики использования ПАВ посвящены работы А. Д. Алексеева, Г. Я. Воронкова, И. И. Круглицкого, Н. Ф. Кусова, О. Г. Латышева, Г. И. Марцинкевича, Л. П. Шаболовой, О. А. Эдельштейна и др. Так, использование растворов ПАВ в качестве промывочной жидкости позволяет на 20-50 % повысить механическую скорость бурения, в 1,5-2,0 раза снизить износ и затупление бурового инструмента, в 2,0-3,7 раза уменьшить запыленность шахтной атмосферы (О. Г. Латышев). Однако исследования действия ПАВ на характеристики процессов удара и взрыва носят лишь эпизодический характер и не содержат практических рекомендаций.

Важной и необходимой задачей исследований в данном направлении является разработка системы прогнозных оценок эффективности использования ПАВ при динамическом разрушении горных пород. Теория и практика дробления пород ударом и взрывом свидетельствуют о том, что производительность процесса определяется сложным взаимодействием и взаимообусловленностью параметров технологии процесса и свойств разрушаемых пород. Тогда в качестве критерия эффективности целесообразно использовать соотношение

(1)

где R – совокупность показателей БВР, определяющих качество дробления горных пород; С – комплексный показатель свойств пород, характеризующий трудность их разрушения в данном процессе.

На основе анализа физики дробления тел, имеющихся теоретических и эмпирических соотношений параметров БВР установлены наиболее значимые показатели процесса. Для использования критерия в качестве универсальной характеристики требуется, чтобы входящие в формулу величины образовывали безразмерную комбинацию. Применение аппарата теории размерностей позволило установить структуру критерия. С целью использования критерия как классификационного признака предусмотрена процедура его нормирования, которая обеспечивает одинаковый интервал изменчивости критерия (от 0 до 10) для различных горно-геологических условий. Эта процедура заключается в приведении выражения (1) к виду Kн = ln[qiK], где qi – нормирующий множитель. Окончательно критерий эффективности дробления горных пород взрывом выражается следующей формулой:

(2)

где р и сдв – прочность горных пород при растяжении и сдвиге; Ед – динамический модуль упругости; - коэффициент Пуассона; kн – коэффициент неоднородности пород; Мт – линейный модуль трещиноватости. Коэффициент неоднородности горных пород kн пропорционален концентрации в них микротрещин. В. Н. Мосинцом предлагается оценивать его величину по отношению энергии деформации трещиноватой породы А1 к энергии деформации однородной породы А0 в виде kн = 1/3(Ед/Ест – 1). Учитывая выражение энергии упругой деформации А = 2/2Е, отношение А1/А0 можно заменить отношением динамического Ед и статического Ест модулей упругости; kн = 1/3(Ед/Ест – 1). Линейный модуль трещиноватости Мт (1/м) учитывает размер естественной отдельности (блочности) породного массива. Совокупность параметров БВР включает: полезную работу взрыва ввWвв ( - КПД взрыва, вв и Wвв – плотность и удельная работа применяемого ВВ); поверхность зарядной полости, пропорциональную квадрату диаметра заряда d2; объем разрушения породы единичным зарядом r2L (r – радиус действия заряда, пропорциональный линии наименьшего сопротивления ЛНС, L – глубина шпуров или скважин).

Применительно к разрушению горных пород ударом структура критерия эффективности (1) и комплексная характеристика свойств пород останутся неизменными. Совокупность технологических показателей определится конкретным способом разрушения. В общем случае удельная работа удара пропорциональна величине соотношения kвmуд2/L, где kв – коэффициент восстановления, аналогичный по смыслу КПД взрыва; m – масса ударника; уд – скорость удара; L – линейный размер разрушаемого объема. Коэффициент неоднородности пород kн, как характеристика их микротрещиноватости, играет ту же роль, что и при взрыве. Но модуль трещиноватости Мт, учитывающий блочное строение массива, использоваться не будет. С учетом всего этого критерий эффективности дробления горных пород ударом запишется в виде

(3)

где показатель N может интерпретироваться как число повторных ударов (при единичном ударе N = 1).

Для проверки адекватности и работоспособности предложенных критериев эффективности использован созданный на кафедре шахтного строительства УГГУ обширный банк данных по горно-технологическим параметрам и свойствам пород Урала, а также независимые литературные источники. Установлено, что входящий в критерии эффективности комплексный показатель свойств

(4)

надежно коррелирует с основными механическими характеристиками пород и их дробимостью. В частности, предложенный Л. И. Бароном и экспериментально определяемый показатель дробимости Vмакс может быть вычислен уравнением Vмакс = 15,9exp (-8,210-5C) с приемлемой для практики точностью (коэффициент вариации Квар = 22,5 %). Оценка индекса корреляции (R2 = 0,765) свидетельствует о статистической значимости зависимости.

Величину критериев эффективности предлагается использовать для прогнозирования рациональных параметров БВР в конкретных горно-геологических условиях по известным свойствам разрабатываемых пород. Так, в общем случае величина ЛНС соответствует удвоенному радиусу влияния заряда (W = 2r). Обозначив XW = ln{qiMтввWввL/(d2C)}, из уравнения (2) получим:

(5)

Расчеты, выполненные для различных условий проходки выработок на СУБРе, показали хорошее соответствие расчетных и реальных данных (рис. 1). Опытные значения ЛНС показаны горизонтальными линиями на графике.

Удельный расход ВВ, как отношение одновременно взрываемого ВВ к разрушаемому объему Q/V, при постоянных для данных условий коэффициентах заряжания и использования шпуров (КИШ), пропорционален квадрату отношения qвв (d/r)2. Эту величину также можно выразить из формулы критерия (2). Однако удельный расход ВВ помимо свойств пород и применяемого ВВ зависит от ряда факторов, определяющих условия взрывания: наличия свободных поверхностей, типа вруба, ступеней замедления и др. Поэтому отношение (d/r)2 показывает лишь тенденцию изменения qвв в различных условиях. Эта тенденция в соответствии с уравнением (2) может быть записана в виде: qвв  exp(-Kв), где - коэффициент условий взрывания, учитывающий выше приведенные факторы. В соответствии с энергетической теорией дробления эта зависимость должна быть экспоненциальной, что и соответствует виду данного уравнения. Учитывая установленную нами обратную взаимосвязь критерия Кв и коэффициента крепости пород f (Кдр=1,84ln f +9,7), получим подтвержденный теорией и практикой взрывного дела факт повышения удельного расхода ВВ с ростом крепости горных пород.

Таким образом, предлагаемые критерии адекватно отражают основные закономерности дробления горных пород ударом и взрывом. Их величина позволяет оценивать эффективность процессов дробления в меняющихся горно-геологических условиях, в частности, при направленном изменении свойств и состояния горных пород. Всестороннее изучение данного вопроса, выполненное на кафедре шахтного строительства УГГУ (О. Г. Латышев) применительно к горным породам Урала и Донбасса, а также наши экспериментальные исследования гранитов Шарташского карьера показали существенное снижение прочности пород под действием ПАВ (табл. 1).

Установлено, что действие ПАВ приводит к заметному пластифицированию горных пород – снижению их статического модуля упругости Ест в 1,3-1,7 раза. Вместе с тем проникновение растворов ПАВ в трещины и пустоты пород несколько (на 7-15 %) увеличивает динамический модуль упругости и акустическую жесткость среды. Все эти факторы облегчают дробление горных пород, а приведенные выше соотношения позволяют количественно оценить эффективность действия ПАВ и дать прогноз рациональных параметров БВР.

Таблица 1

Относительное снижение прочности горных пород (%) в растворах ПАВ

Горная порода, ПАВ

Прочность при растяжении

Прочность при сжатии

Сцепление

Известняки: ДС-0,16 %

MgCl2-0.1 %

53

50

63

37

54

39

Эффузивные ДС-0,16 %

породы: AlCl3-0.001 %

63

41

58

57

60

49

Бокситы: Синтанол-0,001 %

AlCl3-0,01 %

55

80

40

49

46

58

Песчаники: Синтанол-0,0001 %

AlCl3-0,1 %

36

36

39

18

38

27

Граниты: NaF – 0,1 %

AlCl3 – 0,5 %

Na2CO3 – 0,05 %

MgCl2 – 0,05 %

25

30

25

32

18

17

20

21

21

22

21

25

При этом величина критериев эффективности имеет непрерывное распределение, а параметры процессов дробления (в частности, БВР) меняются заведомо дискретно. Поэтому необходимой задачей является разделение горных пород на классы, внутри которых параметры БВР можно принять неизменными. Для статистически значимого выделения классов необходимо, чтобы ширина принимаемых интервалов превышала собственную вариацию классификационного признака, т. е. критерия эффективности. Процедура определения границ классов заключается в линеаризации классификационного уравнения с помощью выравнивания переменных и разделения значений преобразованных переменных на равные интервалы. В частности, при выделении классов по величине ЛНС уравнение (5) преобразуется к виду: Кв = 2 ln (W/2) + XW.

Главный методический подход к прогнозированию эффективности дробления горных пород ударом и взрывом состоит в следующем. Выражения критериев эффективности (уравнения 2, 3) и процедуру их применения не следует рассматривать как неизменную «застывшую» схему. Для различных горных пород, условий дробления и существа решаемых задач формулы критериев могут изменяться. Так, для конкретных специфических условий важное значение могут иметь показатели, не учтенные в формуле критерия. Например, при определенных условиях в случае многорядного взрывания с увеличением числа скважин N качество дробления пород улучшается. Тогда данный (безразмерный) показатель N следует ввести в числитель формулы (2). При подземной разработке с увеличением площади забоя уменьшается коэффициент зажима породы и, следовательно, повышается эффективность взрыва. Этот факт можно учесть, сохранив выражение критерия как безразмерной комбинации, также введя значение N, которая в общем случае пропорциональна площади забоя. Таким же образом можно учесть разницу в конструкции зарядов, схемах инициирования и т. п. При этом для каждых конкретных условий величина нормирующего множителя qi должна подбираться так, чтобы обеспечить вариацию соответствующего критерия в интервале от 0 до 10. Это обеспечит чувствительность критерия как классификационного признака. Для осуществления такого подхода разработаны алгоритм и компьютерная программа, реализация которых позволила классифицировать основные типы горных пород для условий разработки Североуральских бокситовых месторождений.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»