WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

В отсутствие работоспособных теоретических методов расчета при проектировании параметров БВР преобладает эмпирический подход. Однако организация опытных взрывов связана со значительными затратами труда и времени. Поэтому все большее значение приобретает моделирование процесса, основанное на доказанной глубокой аналогии результатов дробления горных пород ударом и взрывом (Л. И. Барон, В. А. Падуков, Г. И. Покровский, Е. И. Шемякин). Для условий дробления скальных пород В. М. Мальцевым теоретически и экспериментально подтверждено тождество I0уд/Jуд2 = I0в/Jв2, где I0уд и I0в – удельный импульс дробления пород ударом и взрывом; Jуд и Jв – соответствующая степень дробления горных пород. На этой основе им разработана методика проектирования параметров БВР, где в качестве критерия взрываемости горных пород принят нормированный импульс дробления (НИД) Iн = уд/J2 = (mгп/Vгп)гп/J2, где - объемная масса горных пород; уд – скорость удара; mгп и Vгп – масса и объем образца горной породы. Апробированная (порядка 150 опытных взрывов) и внедренная в практику на рудниках Урала и Казахстана методика проектирования параметров БВР, основанная на определении и использовании НИД, не оставляет сомнения в продуктивности такого подхода. Однако структура данного показателя накладывает жесткие ограничения на методику его экспериментального определения, а именно: масса ударника должна быть ровно вдвое больше массы образца: mуд = 2mгп. Столь жесткое требование значительно ограничивает возможности экспериментального определения характеристик дробимости, не позволяя использовать стандартные копры. В этой связи нами в качестве критерия предлагается следующее выражение:

(6)

Данный показатель, имеющий размерность [Пас], может быть назван удельным импульсом стандартного дробления, или, сокращенно, «стандартным импульсом (СИ)». Для отработки методики экспериментального определения удельного импульса стандартного дробления IJ0 к исследованию приняты известняки Североуральских бокситовых месторождений, отличающиеся высокой однородностью состава и строения. Разрушение образцов производилось единичным ударом на копрах с различной массой ударника mуд и скоростью удара уд. Установлено, что наиболее адекватно гранулометрический состав продуктов дробления описывается распределением Вейбулла в виде:

Mi = 1 – exp[-(bdi/dср)m], где Mi – имеет смысл вероятности появления кусков размером менее di; dср – размер среднего куска; b и m – параметры распределения. В качестве характеристик качества дробления (помимо IJ0) вычислялись: коэффициент неоднородности kн и степень J дробления, вновь образованная поверхность S, удельная энергоемкость дробления qдр. В ходе экспериментов исследовалось влияние на величину данных характеристик размеров и формы образцов, числа единичных опытов, массы ударника, скорости и энергии удара. Анализ результатов позволил разработать методику экспериментального определения характеристик дробимости горных пород.

Испытания проводятся на стандартном копре с массой падающего груза m = 16 кг. Образцы - в форме куба со стороной l. В качестве комплексной характеристики опыта принята удельная энергия удара: Wуд = mgh/l. Для различных по свойствам горных пород оптимальные условия эксперимента находятся в следующем интервале:

(7)

Показатель Vi соответствует показателю дробимости Vмакс (по Л. И. Барону), т. е. объему (см3) фракции 7 мм. Имеющаяся обширная база данных по свойствам горных пород Урала включает данный показатель, что позволяет устанавливать оптимальные параметры опыта (m и l) для данных пород. При отсутствии таких данных величину Vмакс можно косвенно оценить по коэффициенту крепости горных пород f. Так, для широкой гаммы эффузивных пород Урала установлена зависимость Vмакс = 103/(23f + 21). Корреляционное отношение = 0,76 свидетельствует о статической значимости данного уравнения.

Разработанная методика позволяет экспериментально определять удельный импульс стандартного дробления IJ0 как комплексную характеристику разрушаемости горных пород ударом и взрывом. Естественно предположить, что между IJ0 и критериями эффективности дробления (уравнения 2 и 3) должна существовать взаимосвязь. Определение данных показателей для 25 различных горных пород Североуральских бокситовых месторождений позволило установить следующее. Комплексный показатель свойств пород (уравнение 4) связан со стандартным импульсом линейной зависимостью

(8)

Достаточно значимая величина коэффициента корреляции (r = 0,77) свидетельствует о существовании надежной зависимости между показателями. Поскольку комплексный показатель свойств С формирует критерии эффективности дробления пород, то, при неизменных технологических параметрах процесса Кв, Куд = f (IJ0) будет иметь тот же характер.

С учетом структуры выражения (6) основные расчетные соотношения методики расчета параметров БВР (В. М. Мальцев) преобразуются к виду:

- удельный расход ВВ

(9)

- ЛНС заряда при взрывании на неограниченную свободную поверхность

(10)

- ЛНС при взрывании в зажатой среде

(11)

Здесь : D – скорость детонации; kу = lзар/d – коэффициент удлинения заряда (отношение его длины к диаметру); L – длина шпура или скважины; М – масса заряда; kс = a/W0 – коэффициент сближения зарядов; Z – средний размер врубовой полости, продольной оси заряда; k = 1-3 – коэффициент условий взрывания. Теоретически численный коэффициент в формулах = 0,816. Однако для реальных условий взрывания его величину рекомендуется уточнять. Для учета влияния масштаба взрыва на размер среднего куска dср предложен (П. А. Лыхин) переходный коэффициент K = 1 – dср(1/W1 – 1/W2).

Для проверки адекватности предложенных соотношений (9-11) выполнены расчеты параметров БВР для реальных условий проходки выработок по известнякам СУБРа (IJ0 = 4,21 кПас) и разработки гранита Шарташского карьера (IJ0 = 10,0 кПас). Полученные расчетные данные по ЛНС и удельному расходу ВВ отличаются от реальных на 10-20 %, что лежит в пределах естественной вариации параметров БВР. Полное совпадение расчетных и опытных данных получено при коэффициенте условий взрывания = 0,64 (для условий СУБРа) и = 0,98 (для условий Шарташского карьера). Такие значения находятся в пределах величин, используемых на практике (П. А. Лыхин).

Таким образом, разработанная методика позволяет достаточно оперативно определять удельный импульс стандартного дробления IJ0 и по приведенным выше соотношениям прогнозировать параметры дробления в меняющихся горно-геологических условиях, в том числе при направленном изменении свойств горных пород поверхностно-активными веществами.

Характер физико-химических процессов, протекающих в месте контакта поверхностно-активной среды с горной породой, и, собственно, вызывающий эффект Ребиндера, обусловливает избирательность действия ПАВ. Как показывает опыт, неверно подобранные активные растворы могут не только не способствовать разрушению горной породы, но и оказывать противоположное действие. В этой связи важной задачей является выбор оптимального для конкретных условий дробления пород состава и концентрации растворов ПАВ. Надежного теоретического инструмента выбора ПАВ до настоящего времени не создано. Повсеместно используется эмпирический подход. Разными исследователями (А. Д. Алексеев, Г. Я. Воронков, В. Д. Кузнецов, Г. И. Марцинкевич, П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин и др.) используются различные критерии эффективности ПАВ, главным недостатком которых является трудоемкость определений.

В качестве экспрессного критерия выбора ПАВ О. Г. Латышевым предложен и обоснован показатель контактной прочности Рк горных пород. При простоте и доступности методики определения данного показателя он, в соответствии с механизмом эффекта Ребиндера, отражает изменение под действием ПАВ именно поверхности горной породы. Установлено, что изменение Рк со временем действия активного раствора носит циклически затухающий характер. Функция временного ряда Рк обладает свойством эргодичности. Тогда для статистически надежной оценки достаточно единственной реализации такой функции при времени действия раствора до 20-30 мин.

В развитие данного подхода нами разработана процедура испытаний и тренд-анализа их результатов. Определение контактной прочности производится путем внедрения цилиндрического штампа в поверхность горной породы. Образцы с поверхности смачиваются раствором ПАВ, и через каждые 2 минуты измеряется величина Рк. Полученные результаты аппроксимируются функцией Рк = Р(t) +, где P(t) – закономерная и - случайная составляющие временного ряда. Для оценки Р(t) в качестве уравнения (поверхности) тренда обычно используют полиномы различной степени. В принципе, всегда можно подобрать полином n-го порядка, который точно опишет любые равноотстоящие точки. Однако для специфики данной задачи следует учитывать, что каждая физическая характеристика горных пород имеет свою естественную вариацию значений. В частности, коэффициент вариации контактной прочности в единичных определениях составляет 15-25 %. Добиваться точности описания тренда выше, чем естественный разброс данных, нерационально. Нами установлено, что ни одна из простейших алгебраических функций и даже полиномы достаточно высокого порядка не обеспечивают требуемой точности описания опытных данных. Наилучшее приближение дает процедура выравнивания. При этом в большинстве случаев наиболее приемлемые результаты получаются при использовании формулы Шеппарда: P(ti) = [17Pi+12(Pi-1+Pi+1)-3(Pi-2+Pi+2)]/35. Дисперсия Sс2 случайной составляющей тренда, т. е. «шум» эксперимента, определится суммой квадратов отклонений опытных значений от линии тренда; закономерная составляющая – как разность между общей дисперсией S02 и случайной составляющей S32 = S02 – Sc2.

Для проверки гипотезы о статистически значимом (не случайном) характере зависимости контактной прочности от времени воздействия ПАВ на горную породу используются два известных критерия – по числу смены знака и по количеству скачков. В первом случае вероятностный критерий имеет вид: Z = [m-M(t)]/[S2(t)]1/2, где m – фактическое значение числа точек смены знака исследуемого ряда; M(t) – теоретическое число точек смены знака при отсутствии тренда; S2(t) – дисперсия теоретического распределения числа точек смены знака. Проверка гипотезы о наличии тренда по способу количества скачков определяется числом переходов графика изменчивости показателя Рк через свое медианное значение. Каждый из указанных способов применим для выделения закономерностей определенного типа. Способ «смены знака» наиболее чувствителен к экстремальным значениям Рк, а способ «скачков» точнее оценивает общую тенденцию. Поскольку зависимость контактной прочности от времени действия ПАВ имеет сложный и неоднозначный характер, то для принятия гипотезы о наличии тренда достаточно, чтобы она подтвердилась хотя бы одним из способов.

В качестве критерия выбора эффективного раствора ПАВ и его оптимальной концентрации принимается совокупность трех характеристик временных рядов изменчивости контактной прочности: вероятность наличия тренда или процент его закономерной составляющей; максимальное снижение контактной прочности, определяемое выравнивающей функцией; темп снижения Рк со временем действия раствора. Эти характеристики автоматически вычисляются в разработанной нами компьютерной программе обработки данных эксперимента.

Для апробирования указанной процедуры проведены исследования гранитов Шарташского карьера. В качестве примера на рис. 2 представлен временной ряд изменчивости контактной прочности породы под действием 0,5 % раствора AlCl3 с результатами его компьютерной обработки. Здесь сплошной линией показан график выравнивающей функции, а пунктиром – темп спада величины Рк. По результатам исследований произведено ранжирование принятых к изучению растворов ПАВ по эффективности их действия на рассматриваемые горные породы.

Таким образом, определение и анализ временных рядов Рк позволяют достаточно оперативно выбирать оптимальную для данной горной породы поверхностно-активную среду. Однако критерий выбора – контактная прочность - характеризует способность горной породы сопротивляться внедрению в нее инструмента. В этом качестве она может служить базовым показателем (критерием выбора ПАВ) для процессов механического бурения и резания горных пород, поскольку внедрение штампа в поверхность тела может служить моделью указанных процессов. При объемном нагружении горных пород, в частности, при механическом и взрывном дроблении внедрение штампа не отражает физики процесса. Поэтому определение Рк предлагается использовать лишь на первом этапе как экспрессный критерий, позволяющий отбраковывать заведомо неэффективные ПАВ и устанавливать оптимальную концентрацию растворов, наиболее значимо влияющих на контактную прочность пород.

На втором этапе производится оценка влияния предварительно выбранных на первом этапе растворов ПАВ на свойства горной породы, которые определяют эффективность рассматриваемого процесса. Применительно к дроблению пород ударом и взрывом эти свойства формируют соответствующие критерии (уравнения (2), (3)) и представлены комплексным показателем С (уравнение (4). Проведенные исследования, результаты которых приведены выше (см. табл. 1), позволили установить три наиболее эффективных по отношению к изучаемому граниту раствора ПАВ в их оптимальных концентрациях: AlCl3, MgCl2, Na2CO3. Применение этих растворов обеспечивает примерно одинаковое (в пределах погрешности экспериментов) изменение свойств гранита. Кроме того, прочностные характеристики определялись при медленном нагружении образцов на прессе, т. е. в статике. Процессы же дробления пород ударом и взрывом – динамические. Все это вызывает необходимость третьего, заключительного этапа выбора поверхностно-активной среды.

Для окончательного выбора ПАВ необходимо оценить их действие в реальном процессе дробления горных пород. Для этого по разработанной методике определены условия и по результатам эксперимента вычислены характеристики дробления (табл. 2). Их анализ показывает, что наибольший эффект дает 0,05 % раствор MgCl2. Его действие приводит к существенному снижению энергоемкости дробления. Принятый в качестве комплексной характеристики удельный импульс стандартного дробления IJ0 снижается почти в два раза.

Таким образом, разработанная комплексная методика выбора ПАВ позволяет надежно устанавливать наиболее эффективные растворы для повышения качества дробления горных пород ударом и взрывом. Совокупность выполненных исследований показывает, что применительно к прочным скальным породам использование специально подобранных растворов ПАВ существенно повышает качество дробления горных пород. Разработанная система прогнозирования позволяет априори оценивать результаты действия ПАВ.

Таблица 2

Влияние ПАВ на характеристики дробления горных пород

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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