| Разработка основ технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ.
Диссертация
Автор: Цыганков, Дмитрий Анатольевич
Название: Разработка основ технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ.
Справка: Цыганков, Дмитрий Анатольевич. Разработка основ технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ. : диссертация доктора технических наук : 25.00.22 / Цыганков Дмитрий Анатольевич; [Место защиты: ГУ "Институт горного дела Сибирского отделения РАН"] - Новосибирск, 2009 - Количество страниц: 249 с. 79 ил. Новосибирск, 2009 328 c. :
Объем: 328 стр.
Информация: Новосибирск, 2009
Содержание:
Предисловие
Условные обозначения и сокращения
Введение
Глава 1 Проблемы и перспективы разработки блочного камня
1 1 Особенности природного камня, отличающие его от других видов твёрдых полезных ископаемых
1 2 Анализ способов разрушения горных пород, применяемых при отбойке и пассировке блочного камня
13 Анализ технологического оборудования и материалов, применяемых при отбойке и пассировке блочного камня
14 Анализ технологий отбойки и пассировки блочного камня
15 Технологии горных работ как основополагающий фактор состояния окружающей среды и условий труда
1 6 Обоснование направления, цели и задач научных исследований
Выводы по первой главе
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
2 2 Учёт свойств пластичных веществ, используемых при ударной отбойке блочного камня
2 3 Учёт свойств разрушаемых горных пород, используемых при ударной отбойке блочного камня с применением пластичных веществ
2 4 Учёт размеров монолитов (блоков) при отбойке природного камня с применением пластичных веществ
2 5 Учёт особенностей трещин, формируемых с применением пластичных веществ'
2 6 Учёт особенностей технических средств, используемых при ударной отбойке блочного камня с применением пластичных веществ
Выводы по второй главе
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
3 2 Разрушение образцов из хрупких материалов в статическом режиме нагнетания пластичного вещества в формируемую трещину
3 3 Разрушение образцов из хрупких материалов в динамическом режиме нагнетания пластичного вещества в формируемую трещину
3 4 Обоснование относительной величины энергии одиночного удара инструмента, применяемого для ударного разрушения хрупких материалов с применением пластичных веществ
Выводы по третьей главе
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
4 2 Обоснование технологии отбойки монолитов (блоков) прочного камня с применением пластичных веществ для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых
4 3 Обоснование технологии отбойки монолитов (блоков) камня средней прочности с применением пластичных веществ для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых
4 4 Обоснование технологии отбойки монолитов (блоков) камня низкой прочности с применением пластичных веществ для условий подземного способа разработки месторождений полезных ископаемых
4 5 Разработка универсальных технологических схем разрушения природного камня различной прочности в плоскостях, намечаемых к отбойке с применением пластичных веществ
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
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
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
Выводы по четвёртой главе
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
5 2 Факторы, рассматриваемые при разработке технологий разрушения естественного и искусственного камня с применением пластичных веществ для дополнительных областей их применения
5 3 Обоснование технологии дробления негабаритов прочных горных пород падающим грузом с применением пластичных веществ для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых
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
55 Обоснование технологии отбойки слюды с применением пластичных веществ для условий подземного способа разработки месторождений полезных ископаемых
5 6 Обоснование технологии разрушения кирпичной кладки стеновых строительных конструкций с применением пластичных веществ
5 7 Обоснование технологии разрушения фундаментов из монолитного бетона с применением пластичных веществ
5 8 Обоснование технологии разрушения каркасных строительных конструкций из сборного железобетона с применением пластичных веществ
5 9 Факторы, рассматриваемые при экспериментальной проверке технологий разрушения естественного и искусственного камня с применением пластичных веществ для дополнительных областей их применения
5 10 Экспериментальная проверка технологии дробления негабаритов прочных горных пород падающим грузом с применением пластичных веществ в условиях открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых
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
5 12 Экспериментальная проверка технологии разрушения кирпичной кладки стеновых строительных конструкций с применением пластичных веществ
5 13 Использование результатов диссертационной работы в учебном процессе высшего учебного заведения
Выводы по пятой главе
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
6 2 Учёт специфики технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ при оценке воздействия горных работ на окружающую среду
6 3 Сравнительный анализ процессов отбойки блочного камня по удельным показателям воздействия на окружающую среду при открытом способе разработки месторождений полезных ископаемых
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
6 5 Учёт специфики технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ при оценке воздействия горных работ на условия труда
6 6 Сравнительный анализ процессов отбойки блочного камня по удельным показателям воздействия на условия труда при открытом способе разработки месторождений полезных ископаемых
Выводы по шестой главе
Введение:
В настоящее время в большинстве стран мира спрос на строительные материалы из натурального камня достаточно высок и продолжает увеличиваться. В этой связи ведётся добыча его различных видов, из которых изготавливаются разнообразные по форме и назначению изделия. Добыча природного камня ведётся в большинстве стран мира с разницей в объёмах и номенклатуре производства, а также назначении первичной и вторичной продукции. 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 и усовершенствуются все известные способы разрушения горных пород, в том числе буроклиновые, характерные для карьеров по добыче прочного камня. Одним из путей их усовершенствования является внедрение в процесс отбойки пластичных веществ при надлежащем обеспечении его необходимыми техническими средствами и соответствующими технологиями ведения горных работ.
Характерным признаком предприятий по добыче природного камня является техническая сложность и большая стоимость их внутреннего переустройства для работы по новым технологиям. В большинстве случаев для этого требуются кардинальные изменения в существующем способе вскрытия и системе подготовки имеющихся запасов к выемке. Поэтому на многих предприятиях по добыче природного камня горные работы сознательно ведутся без учёта возможностей, связанных с появлением новых и эффективных способов разрушения горных пород. Одними из технологий горных работ, имеющими высокую степень адаптации к существующим горно-геологическим и горнотехническим условиям разработки месторождений полезных ископаемых, являются технологии отбойки природного камня с применением пластичных веществ. При правильном расчёте параметров они могут применяться для разработки природного камня любой прочности, эффективны при наличии системы естественных или искусственных трещин, не требуют уникального и дорогостоящего оборудования для своей реализации, адаптируемы к негативным условиям внешней среды, а также имеют высокую степень безопасности и безвредности.
Технологии отбойки природного камня, связанные с вытеснением пластичных веществ из шпуров, основываются на способе разрушения горных пород, базирующемся на новых принципах развития трещин в хрупкой среде. Статический или динамический характер их формирования требует применения специфического набора техники, приспособлений и материалов, служащих для его реализации на практике. 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 при максимальном сохранении природных свойств добываемого сырья. Несмотря на то, что предлагаемый способ служит для реализации вышеуказанной цели, на сегодняшний день нигде в мире не встречается его массовое применение в промышленности. Это позволяет выделить разработку и обоснование технологий отбойки природного камня с применением пластичных веществ в отдельное новое научное направление, имеющее свои цели, задачи и перспективы. Наряду с этим необходимо учитывать то, что круг проведённых научных и практических исследований по рассматриваемой проблеме достаточно узок и определяется, большей частью, заделом, созданным в ИГД СО РАН.
Первая половина работы посвящена выяснению проблем, определению перспектив разработки блочного камня в мире, анализу применяемой техники и технологий выполнения работ по его отбойке, а также проведению их сравнительного анализа. Далее обосновываются базовые параметры технологий отбойки блочного камня с применением пластичных веществ в режиме их ударного вытеснения из шпуров в формируемые трещины, а также производится сравнение с технологиями, основанными на других способах разрушения горных пород. После этого приводятся результаты экспериментальной проверки параметров новых технологий в лабораторных условиях. В дальнейшем основное внимание уделяется разработке технологий отбойки блочного камня и их экспериментальной проверке в условиях открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых. Во второй половине работы обосновываются дополнительные области эффективного применения способа направленного разрушения хрупких материалов с применением пластичных веществ. Для этого разрабатываются соответствующие технологии производства работ для горного дела и строительства, а также приводятся результаты экспериментальной проверки их основной части в натурных условиях. Работа завершается обоснованием принимаемых технических и технологических решений в области отбойки блочного камня с применением пластичных веществ по факторам охраны окружающей среды и труда для условий открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Понятие Условное обозначение сокращение)
1 Академия наук АН
2 Век в.
3 Взрывчатые вещества ВВ
4 Детонирующий шнур ДШ
5 Европейское экономическое сообщество ЕЭС
6 Институт горного дела Сибирского отделения РАН ИГД СО РАН
7 Китайская народная республика КНР
8 Крупнозернистый дымный порох КЗДП
9 Метательный дымный порох МДП
10 Московский горный институт мги
И Научно-исследовательский центр НИЦ
12 Невзрывные разрушающие составы (средства) НРС
13 Ориентированный флюидоразрыв ОФР
14 Охрана окружающей среды оос
15 Охрана труда от
16 Посёлок городского типа пгт
17 Предельно допустимая концентрация ПДК
18 Предельно допустимый уровень ПДУ
19 Производственная санитария выполнения работ ПС
20 Российская академия наук РАН
21 Республика респ.
22 Содружество независимых государств СНГ
23 Соединённые штаты Америки США
24 Специальное конструкторское бюро СКБ
25 Средства индивидуальной защиты СИЗ
26 Средства коллективной защиты СКЗ
27 Советская Социалистическая Республика ССР
28 Союз Советских Социалистических Республик СССР
29 Техника безопасности выполнения работ ТБ
30 Федеративная Республика Германии ФРГ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
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 открытым и подземным способами. 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 и технических средств. При этом наряду с обеспечением эффективности отбойки полезных ископаемых, существует проблема максимального сохранения естественных свойств природного камня, что связано с преимущественным внедрением технологий, исключающих формирование систем искусственных трещин в массиве горных пород.
Согласно известному факту мировым лидером производства наиболее популярных видов природного камня, добываемого в блочном виде, является КНР. По данным 2007-2008 годов добыча блочного гранита в этой стране составила 400 млн. т/ г, а мрамора - 150 млн. т/ г. Наибольшее количество блочного камня других видов (базальт, кальцит, кварц, кварцит, песчаник, серпентин, сланец, травертин) производится в ФРГ и, по данным того же периода времени, составляет в сумме 180 млн. т/ г. При сохранении существующей тенденции по объёмам производства ежегодная добыча блочного гранита в КНР к 2017 г. составит 800 млн. т, мрамора - 350 млн. т, а других видов блочного камня в ФРГ - 200 млн. т. В РФ ежегодная добыча камня в блочном виде в пересчёте на одного гражданина по данным 2007-2008 годов не превышает 2 кг и остаётся нестабильной. При этом в Греческой республике по данным того же периода времени аналогичный показатель составляет примерно 50 кг.
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» - НТТТ 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 в пределах 2 м;
• изменением взаимосочетания величины текучести пластичного вещества, геометрических параметров, герметизации и концентраторов напряжений на стенках шпура, 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 обоснована использованием 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 дальнейшего 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 применяемых 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 участии в лабораторных экспериментах 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./ м , 2005 г.) и ОАО «Искитиммраморгранит-Н» - технология разрушения негабаритов известняка (экономический эффект - 2,32 руб./ м3, 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.
|