Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
17
На правах рукопису
УДК 622.235:622.733
ВИБУХОВОЇ ПІДГОТОВКИ ГІРСЬКОЇ МАСИ
ДЛЯ ЇЇ РАЦІОНАЛЬНОГО ВИКОРИСТАННЯ
Спеціальність: 05.15.11 –Фізичні процеси гірничого виробництва
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ
Робота виконана у відділі механіки вибуху гірських порід в Інституті геотехнічної механіки НАН України, м. Дніпропетровськ
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, лауреат Державної
премії, Петренко Володимир Дмитрович, провідний
науковий співробітник відділу механіки вибуху гірських
порід ІГТМ НАН України, м. Дніпропетровськ
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Воробйов Віктор
Васильович, професор кафедри технічної механіки
Кременчуцького державного політехнічного університету
Міністерства освіти і науки України
кандидат технічних наук Швець Володимир Юрійович,
старший науковий співробітник, провідний науковий
співробітник Центру з проблем вибухових робіт
Національного гірничого університету Міністерства освіти
і науки України, м. Дніпропетровськ
Провідна установа –Криворізький технічний університет Міністерства освіти і
науки України, кафедра відкритих гірничих робіт
Захист відбудеться “6” 06 2003 р. о 14-30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, просп. Карла Маркса, 19).
Автореферат розісланий “6” травня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03,
кандидат технічних наук, доцент В.І.Тимощук
Актуальність теми. При видобутку й переробці нерудних корисних копалин відкритим способом виникають істотні негативні наслідки техногенної діяльності людини, які негативно впливають на економіку різних галузей промисловості та навколишнє середовище. Крім того, постає ряд наукових і практичних завдань, що потребують свого вирішення. До них відносять ресурсо- й енергозбереження, які зумовлюють вибір технології видобутку й переробки корисних копалин, що найбільшою мірою відповідає принципам безвідходності та екологічної надійності порівняно з існуючими.
Аналіз даних літературних джерел показав, що всі вказані процеси взаємопов’язані, бо вони базуються на фундаментальному положенні про баланс енергії: якщо під час вибуху заряду хімічної вибухової речовини (ВР) більша частина енергії витрачається на один-два процеси, то на решту, що залишається, загальна енергія зменшується, і дуже істотно.
Хоча дані питання у їх взаємозв’язку й висвітлені в науково-технічній літературі, багато з них потребують додаткового вивчення.
Досі ще недостатньо вивчені механізм утворення і параметри зони подрібнення (дрібного подрібнення) гірських порід. Особливо не вистачає експериментальних даних з питання, що розглядається. Його важливість, з урахуванням специфіки розробки нерудних корисних копалин, визначається також великими об’ємами одержаного після вибуху і механічного (дрібного) подрібнення продукту - гранвідсіву (клас 0-5 мм). Інколи, у залежності від застосованої технології переробки сировини, до гранвідсіву відносять фракції 0-3 або 0-10 мм, що підвищує вимоги до процесів керування подрібненням порід. У цілому, дані класи є або відходами виробництва, або продуктом меншої вартості.
Отже, з позиції збереження і раціонального витрачання сировинних ресурсів –нерудних будівельних матеріалів, дуже важливо не лише знизити вихід дрібних фракцій, але й максимально можливою мірою використати їх як сировину для будівельної індустрії.
При вибуховій відбійці гірських порід якість їх подрібнення в різних гірничо-геологічних умовах значною мірою залежить від застосовуваних типів ВР. На цей час на кар’єрах використовують ВР типу гранулотол, грамоніт тощо, які містять певну кількість тротилу. Виробництво і застосування емульсійних (безтротилових) ВР стримується недостатнім науково-технічним і технологічним рівнем їх обґрунтування і розробки. У перехідний період, з нашої точки зору, раціональним і екологічно виправданим є широке застосування конверсійних вибухових матеріалів (ВМ) у вигляді баліститних і піроксилінових порохів, тротилових шашок, детонуючих шнурів (ДШ) тощо з тривалим терміном зберігання, які накопичені в арсеналах України і підлягають знищенню (в основному двома способами: підриванням та спалюванням). При цьому, кожний конкретний тип ВР і стан середовища, що руйнується, передбачають вибір і обґрунтування раціональних конструкцій зарядів ВР і технології їх формування. Характерно, що конструкції забійки і заряду, а також методи ініціювання свердловинних зарядів є визначальними і при керуванні процесами викидів шкідливих газів і пилу. У зв’язку з цим розробка методів підвищення ефективності вибухової підготовки гірничої маси з нерудних корисних копалин для її раціонального використання є актуальним науковим завданням.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану найважливіших НДР ІГТМ НАН України і цільової Державної комплексної програми з державної науково-дослідницької теми “Дослідження характеру інтенсивності руйнування полімінеральних середовищ в залежності від основних параметрів вибухового перетворення найпростіших, водонасичених і конверсійних ВР”, (№ держреєстрації 0195U016061), виконаної згідно постанови Бюро Відділення механіки НАН України (протокол № 9 від 17.11.1994 р.) та теми “Управління параметрами вибухового навантаження з урахуванням властивостей масиву гірських порід, технологічної та екологічної безпеки підривних робіт” (№ держреєстрації 0100U001476), виконаної згідно з постановою Бюро Відділення механіки НАН України (протокол №1, § 2 від 26.01.2000 р).
Ідея роботи полягає у використанні ефекту впливу параметрів вибухового імпульсу промислових та конверсійних ВР на інтенсивність руйнування гірських порід в ближній зоні, що забезпечує технологічну та економічну ефективність вибухових робіт.
Мета і завдання дослідження. Робота полягає в розробці методів підвищення ефективності вибухової підготовки руйнування крихких гірських порід, який забезпечує мінімальний вихід найдрібніших фракцій при одночасному підвищенні ККД вибуху на подрібнення та зниження об’ємів викидів пилоподібних частинок (на основі застосування вибухових матеріалів різної бризантності, включаючи конверсійні). Для реалізації даної мети необхідно вирішити такі завдання:
. Проаналізувати і обґрунтувати вибір ефективного методу вибухової підготовки гірської маси та її подальшої переробки на базі використання промислових і конверсійних матеріалів.
2. Виконати оцінку фракційного складу продуктів переподрібнення при використанні різних типів ВР, що включають конверсійні ВМ.
. Визначити гранулометричний склад підірваної гірської маси і вихід переподрібнених фракцій при відбої порід свердловинними зарядами різного діаметра, які складаються з різних типів ВР для підвищення рівня ресурсозберігання на нерудних кар’єрах.
. Провести аналітичні та експериментальні дослідження впливу конструкцій зарядів і забійки на якість подрібнення порід і кінематичні параметри вильоту продуктів вибуху.
. Обґрунтувати доцільність використання продуктів вибухового і механічного подрібнення гірських порід як наповнювачів розчинів та бетонів за фракційними та міцносними характеристиками.
. Виконати економічну оцінку ефективності методів вибухової підготовки нерудних будівельних матеріалів.
. Розробити та впровадити практичні рекомендації за результатами досліджень.
Об’єкт дослідження. Обєкт дослідження –нерудні корисні копалини, які руйнуються енергією вибухової речовини.
Предмет дослідження. Різні типи ВР та їх вплив на вихід переподрібнених фракцій нерудних корисних копалин.
Методи досліджень. У роботі використані: аналіз і узагальнення даних науково-технічної літератури з питань, що досліджуються, фундаментальні положення механіки гірських порід і вибухового руйнування, методи моделювання при проведенні експериментальних досліджень в лабораторних і полігонних умовах, методи промислового експерименту і техніко-економічного аналізу.
Основні наукові положення, розроблені і сформульовані автором.
Наукова новизна результатів роботи полягає в наступному:
1. Встановлені закономірності характеру розподілу енергії вибуху із врахуванням детонаційних характеристик ВР і структури внутрішньої будови породи та науково обґрунтовані раціональні типи ВР, конструкції зарядів і забійки, встановлений їх вплив на рівномірність і інтенсивність подрібнення порід, скорочення втрат корисної копалини і зменшення пилогазових викидів в атмосферу.
. Встановлено, що одночасне використання зовнішньої насипної і внутрішньої забійок знижує кількість пилу, що викидається в повітря, в 1,7-2,0 рази порівняно з використання лише внутрішньої забійки.
. Вперше доведено, що кількість продуктів подрібнення в зоні навколо заряду ВР складає від 2,5 до 7,4 % загального об’єму зруйнованих порід в залежності від міцнісних характеристик породи і типу ВР та розроблена методика розрахунку параметрів зони подрібнення навколо заряду ВР.
. Обґрунтована ефективність методів раціонального використання продуктів вибухового і механічного подрібнення гірських порід як наповнювачів для отримання розчинів і бетонів з необхідними міцнісними характеристиками та експериментально встановлений вплив фракційного складу кварцових відходів на міцнісні властивості дрібнозернистого бетону.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується прийнятими теоретичними обґрунтуваннями, які базуються на фундаментальних положеннях механіки гірських порід і сипучих тіл, фізики вибуху і механіки руйнування, задовільною збіжністю результатів аналітичних, лабораторних і полігонних досліджень, достатнім обсягом промислових експериментів у складних гірничо-геологічних умовах.
Наукове значення отриманих результатів полягає у встановленні закономірностей формування та впливу характеру розподілу енергії вибуху з урахуванням детонаційних характеристик ВР і структури внутрішньої будови породи, науковому обґрунтуванні впливу раціональних типів ВР, конструкцій зарядів і забійки на рівномірність і інтенсивність подрібнення порід, скорочення втрат корисних копалин і зменшення пилогазових викидів у атмосферу, у розробці методики розрахунку міцностних параметрів будівельних матеріалів із продуктів вибухового подрібнення нерудних корисних копалин.
Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці ефективних методів і технології вибухової підготовки гірської маси, які основані на використанні нових конструкцій комбінованих зарядів і забійки з раціональним застосуванням ВР різних типів, у тому числі і конверсійних; у зниженні виходу некондиційних фракцій і у розширенні галузі їх використання як наповнювачів при виготовленні будівельних розчинів і дрібнозернистого бетону, що позитивно впливає на ресурсозбереження і екологічні показники вибухових робіт.
Особистий внесок здобувача. На основі аналізу літературних джерел обґрунтовано фактори ресурсозбереження і зниження шкідливих викидів у атмосферу при вибуховій підготовці гірської маси. Автором самостійно визначена ідея роботи, її мета і задачі досліджень, основні наукові положення, висновки і рекомендації з їхньої практичної реалізації. Розроблені методи і технологія формування комбінованих зарядів з конверсійних і промислових ВР та їх ініціювання. Обґрунтовані параметри зони подрібнення під час вибуху свердловинного заряду та експериментальні дослідження впливу конструкції матеріалу забійки на інтенсивність продуктів викиду вибуху. Дана теоретична оцінка вильоту забійки з мілкоподрібненого матеріалу. Виконана еколого-економічна оцінка ефективності конверсійних матеріалів в якості промислових ВР. Експериментально підтверджено важливість використання продуктів вибухового подрібнення як наповнювачів для будівельних розчинів. Розроблена технологічна інструкція використання піроксилінових порохів в якості промислових ВР при проведенні вибухових робіт в кар’єрах. Автор особисто брав участь у проведенні полігонних експериментальних вибухів, а також промислових вибухів на кар’єрах.
Реалізація результатів досліджень. За сукупністю результатів досліджень розроблені “Технологічна інструкція із застосування конверсійних матеріалів і зниження пилогазових викидів”і “Рекомендації із використання некондиційних продуктів вибухового і механічного подрібнення гранітів як наповнювачів при виготовленні будівельних розчинів і дрібнозернистого бетону”.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і були схвалені на Міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні питання охорони навколишнього середовища від антропогенного впливу”(м. Кременчук, 1994 р.), Першій Міжнародній конференції “Екологізація промислового і сільськогосподарського виробництва Придніпров’я і Причорномор’я”(м. Дніпропетровськ, 1995 р.), Першому міждержавному науковому семінарі “Високоенергетична обробка матеріалів”(м. Дніпропетровськ, 1995 р.), Міжнародній науково-виробничій конференції "Проблеми виробництва промислових вибухових речовин на сучасному етапі і утилізація боєприпасів" (Україна, Павлоград, 1997 р.), Міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 100-річчю НГА України (Дніпропетровськ, 1998 р.).
Окремі розділи роботи доповідалися на наукових семінарах відділу механіки вибуху ІГТМ НАН України (м. Дніпропетровськ, 1994-2002 рр.), відділу геодинаміки вибуху НАН України (м. Київ, 1996-2002 рр.), кафедри будівництва і будівельних конструкцій Черкаського інженерно-технологічного інституту (м. Черкаси, 1994-2001 рр.) та Черкаського державного технологічного університету (2001-2002 рр.).
Публікації. Основні положення дисертації викладені у 10-х статтях, опублікованих у наукових виданнях з яких 6 –у фахових виданнях, 2 –матеріали конференцій, 3 –збірники статей.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти глав і висновку, списку використаних джерел з 108 найменувань на 10 сторінках і чотирьох додатків на 34 сторінках; містить 10 таблиць на 10 сторінках і 13 рисунків на 13 сторінках, містить 135 сторінок машинописного тексту; загальний об’єм роботи –сторінки.
Автор висловлює подяку науковому керівнику, доктору технічних наук В.Д. Петренку і професору П.А. Донченку, а також члену-кореспонденту Національної Академії наук України, професору Е.І. Єфремову за допомогу в процесі виконання досліджень, співробітникам кафедри промислового і цивільного будівництва Черкаський державний технологічний університет і відділу механіки вибуху ІГТМ НАН України, працівникам підприємства “Украгровибухпром”, СПУ “Західшляхвибухпром”і окремих підприємств по видобутку і переробці нерудних будівельних матеріалів, за допомогу у проведенні експериментів і впровадженні розробок.
Основний зміст роботи
У першому розділі здійснені огляд і аналіз робіт з питань вибухової підготовки гірської маси на нерудних кар’єрах, факторів ресурсозбереження і шкідливих викидів при використанні промислових ВР і конверсійних матеріалів, сучасних уявлень про механізм подрібнення порід, перспектив використання відходів видобутку і переробки сировини у виробництві будівельних матеріалів.
На цей час накопичено великий обсяг досліджень у галузі вибухового руйнування гірських порід, якісної та кількісної оцінки одержаних продуктів подрібнення, представлених у роботах Баума Ф.А., Бересневича П.В., Вовка О.О., Воробйова В.В., Воробйова В.Д., Донченка П.А., Друкованого М.Ф., Єфремова Е.І., Краснопольського І.А., Коміра В.М., Кравця В.Г., Кутузова Б.М., Меца Ю.С., Мінделі Е.О., Михайлова В.А., Мосинця В.М., Петренка В.Д., Покровського Г.Л., Федоренко П.І., Ханукаєва А.М., Шлаїна І.Б. та ін.
Аналіз стану питання в галузі розробки ресурсозберігаючих і екологічно більш досконалих методів і технології вибухового подрібнення гірських порід на кар’єрах, а також раціонального використання продуктів руйнування для одержання будівельних матеріалів показав, що на цей час дані питання у належному взаємозв’язку недостатньо вивчені. Як і раніше, існує необхідність дослідження газодинамічних і кінематичних параметрів вильоту продуктів вибуху і забійного матеріалу і ступеня подрібнення порід на основі ефективних конструкцій заряду і забійки.
Найменш вивченим, через об’єктивні труднощі, залишається питання про ближню зону руйнування порід, про вихід подрібнених фракцій та їх раціональне використання. Особливо це важливо для нерудних корисних копалин: гранітів, сієнітів, гранодіоритів, мігматитів тощо.
Важливим питанням, що потребує вирішення, є визначення ефективності вибухових сумішей, включаючи найпростіші та конверсійні. При цьому перевірку ефективності результатів досліджень слід здійснювати в промислових умовах. У цьому зв’язку було поставлено завдання розробити й випробувати раціональні конструкції заряду і забійки, оцінити їх за дробильною здатністю і екологічними показниками.
Другий розділ присвячений дослідженню міцнісних характеристик розчинів і дрібнозернистого бетону з наповнювачами з некондиційних продуктів вибухового і механічного подрібнення гранітів.
З метою вивчення можливості використання некондиційних продуктів подрібнення як важких заповнювачів у бетонних розчинах були виготовлені моделі у вигляді кубиків з розмірами 40х40х40 мм з суміші продуктів різних фракцій і цементу марки 400. При цьому враховували не лише фракційний склад наповнювача, але й ступінь лещадності й нерівності уламків, яку визначали шляхом вивчення під мікроскопом зі збільшенням у 50-2500 разів. Кубики роздавлювали на пресі. Одержані показники міцності розчинів наведені на рисунку 1.
f3f1
d, мм
Рис. 1. Зміна міцності розчинів σсж у залежності від розміру фракцій
наповнювача d, мм (1:3 та 1:6 –цементно-піщане відношення)
Як видно, міцність розчинів з використанням некондиційних продуктів тонкого подрібнення гранітів при їх вибуховому дробленні за якісними показниками цілком відповідає і навіть перевищує річкові піски, що застосовуються. Причому, максимум на нижній кривій відповідає фракції з мінімальним ступенем лещадності і найбільшою нерівністю поверхонь зламу.
У третьому розділі наведені результати аналітичних і експериментальних досліджень впливу типу ВР і конструкції забійки на інтенсивність руйнування твердого середовища і викид продуктів вибуху. Розроблені основні фізико-технічні параметри ефективного методу руйнування породи, та запирання продуктів вибуху за допомогою забійки і зниження їх викидів. Розраховані параметри зони подрібнення і одержані експериментальні дані про вплив типу ВР на обсяг фракцій подрібнення навколо циліндричного заряду (таблиця 1).
Таблиця 1 –Вихід продуктів подрібнення
|
Розмір фракції, мм |
Амоніт 6 ЖВ |
Грамоніт 79/21 |
Гранулотол |
|
маса, г |
вихід, % |
маса, г |
вихід, % |
маса, г |
вихід, % |
|
|
0-0,25 ,25-0,5 ,5-1,0 ,0-2,0 ,0-3,0 ,0-5,0 ,0-7,0 ,0-10,0 Разом: |
483,8 ,4 ,9 ,7 ,45 ,2 ,0 ,55 |
,50 ,78 ,74 ,59 ,09 ,40 ,58 ,32 ,00 |
,2 ,9 ,2 ,5 ,0 ,4 ,2 ,3 |
,64 ,0 ,22 ,11 ,73 ,15 ,18 ,97 ,00 |
,55 ,1 ,6 ,1 ,1 ,3 ,0 ,2 ,95 |
,80 ,93 ,17 ,85 ,43 ,41 ,71 ,71 ,00 |
Розв’язання задачі оцінки радіусу зони подрібнення під час вибуху базувалося на положенні про пропорційність енергії вибуху кільцевому об’єму породи, що деформується ударною хвилею навколо заряду, і знов створеній поверхні внаслідок його дезінтеграції, прийнятому на основі гіпотези Ребінбера.
Відносний радіус зони подрібнення визначається за формулою:
(1)
де r –радіус зони переподрібнення, м;
r –радіус заряду, м;
s - питомі затрати енергії, що припадають на одиницю знов створеної поверхні при різних видах навантаження;
- щільність породи;
Рі - вагова частка і-ї фракції в продуктах руйнування;
і - середній розмір і-ї фракції в продуктах руйнування;
S - початкова вільна поверхня об’єкта, що руйнується;
Е і вс - відповідно, модуль пружності і граничний опір породи руйнуванню при всебічному стисненні;
сер - середня величина ударного тиску, яка визначається як сер = кРm ,
де к - коефіцієнт ослаблення, що дорівнює к = ,
де t - поточне значення часу поширення ударної хвилі в радіальному напрямку;
tm - час досягнення максимуму тиску у вибуховому імпульсі;
,
D- швидкість детонації заряду ВР у радіальному напрямку;
- щільність ВР, кг/м.
На основі проведених експериментів і розрахунковим шляхом встановлено, що кількість продуктів подрібнення в зоні вибухового подрібнення становить від 2,5 до 7,4 % загального об’єму зруйнованих порід у залежності від міцнісних характеристик породи, що збігається з теоретичною оцінкою. Виконані аналітичні дослідження з оцінки часових і кінематичних параметрів переміщення різних типів внутрішньої забійки на основі розрахунків часу її ущільнення при вибуху свердловинного заряду ВР. Показано, що на межі забійки і заряду в масиві породи створюється високий градієнт напруженості, внаслідок чого в цій області відбувається першочергове руйнування породи за рахунок утворених напружень зсуву. В цей же час при проходженні ударної хвилі по забійці відбувається її ущільнення.
Оскільки забійний матеріал складається в основному з часток ґрунту з повітряними або водними проміжками між ними, то в ударній хвилі, що формується в забійному матеріалі, відбувається переукладення часток. Це зумовлено тим, що тиск у забійці під час вибуху (порядку 100–МПа і більше) достатній для того, щоб здійснити укладення часток і частково їх деформувати.
Одержані інтервали затримки вильоту частинок забійки недостатні для реалізації руйнування і порушення впорядкованого вильоту продуктів вибуху і забійки через устя свердловини. У зв’язку з цим запропоновано в відомій конструкції поряд з внутрішньою забійкою привантаження у вигляді конусу з матеріалів різного фракційного складу.
Одержана аналітична залежність висоти підйому в атмосферу продуктів вибуху та забійки від основних термодинамічних параметрів ВР, механічних властивостей і геометричних характеристик забійки, що має такий вигляд:
, (2)
де W - лінія найменшого опору від верхнього торця заряду до відкосу уступу, м;
r - радіус зони радіальних тріщин, що дорівнює 10-15 радіусам заряду, м;
пр - середня густина викидів в атмосферу продуктів вибуху і забійки, кг/м;
- коефіцієнт, що характеризує взаємодію забійки із стінками порожнини, ,
kб і kтр - відповідно коефіцієнти бічного розпору і тертя;
l заб - довжина забійки, м;
dзаб - діаметр забійки, м;
Сраз - швидкість хвилі руйнування, м/с;
Рср - середній тиск в зарядній порожнині, що визначається так:
, (3)
Vн - початковий об’єм, що займають ВР до вибуху, м;
Vк - кінцевий об’єм, що мають продукти вибуху в момент вильоту забійки з зарядної порожнини, м;
С - стала, що визначається з початкових умов рівняння стану продуктів вибуху, Нм.
З аналізу одержаних залежностей зроблений висновок про те, що чим більший радіус зони тріщиноутворення навколо заряду, тим менша висота викиду продуктів вибуху і забійки. Збільшення радіусу зони тріщиноутворення може бути досягнутий за рахунок створення неоднорідного (різноградієнтного) поля напружень при вибуху комбінованих зарядів, включаючи конверсійні матеріали.
Одержані експериментальним шляхом результати дозволили зробити висновок про те, що одночасне застосування внутрішньої і зовнішньої забійок знижує кількість пилу в повітрі приблизно в 1,7-2 рази порівняно з внутрішньою забійкою. При цьому, забійки, що складаються з більш крупніших часток, діють у 1,3-1,5 разів ефективніше, ніж забійка з дрібних часток.
Встановлено, що при вибуховому і механічному руйнуванні кварцовмісних полімінеральних порід у розподілі продуктів їх подрібнення спостерігаються два максимуми, один з яких припадає на частку найдрібніших зерен кварцу, що має високий рівень дефектності кристалів, а другий –на зерна некварцових мінералів з їх природними розмірами.
У четвертому розділі наведені результати дослідження дроблячих і екологічних властивостей промислових і конверсійних вибухових матеріалів в умовах нерудних кар’єрів, а також зроблена еколого-економічна оцінка ефективності їх застосування.
З позиції економії сировинних і матеріальних ресурсів, а також зниження шкоди навколишньому середовищу показано, що в складних умовах нерудних кар’єрів у міцних і дуже обводнених породах найбільш доцільно використовувати замість широко застосовуваних промислових ВР спеціальні вибухові матеріали у вигляді підривних зарядів з тротилових шашок і колоїдних порохів (піроксилінових і баліститних). Були проведені широкі промислові дослідження, метою яких було визначення в умовах кар’єрів, що розробляють обводнені скельові крупноблочні породи, дроблячої здатності конверсійних матеріалів у вигляді порохів і тротилових шашок у комбінованих зарядах зі штатними ВР.
В результаті відпрацьовано елементи технології заряджання ВМ вертикальних свердловин діаметром 0,105; 0,215 і 0,250 м і глибиною 8-17 м, обґрунтовані й вибрані раціональні конструкції комбінованих зарядів з конверсійних і промислових ВР, визначена економічна й екологічна ефективність застосування конверсійних ВМ як промислових ВР.
Дослідно-промислові випробування і широке промислове застосування конверсійних матеріалів у комбінованих зарядах проводились на кар’єрах з видобутку гранітів, магматитів і піщаників, що розташовані в Черкаській, Кіровоградській і Київській областях.
При проведенні дослідних вибухів блоки порід розбивали на експериментальні та контрольні ділянки, причому на експериментальних застосовували комбіновані заряди з конверсійних ВМ і промислових ВР, а на контрольних - стандартні конструкції зарядів лише з промислових ВР. В разі використання конверсійних матеріалів (тротилових шашок) в суміші з промисловими ВР здійснювалося багатоточкове ініціювання комбінованих зарядів. Крім того, на експериментальних ділянках застосовували комбіновану внутрішню забійку з сипких і пластичних матеріалів, що чергуються, і зовнішню - з сипких матеріалів. При проведенні дослідних вибухів виконували кінометричні виміри швидкості вильоту із свердловин продуктів вибуху і забійки. Результати обробки кінометричних даних наведені на рисунку 2.
V, ec/
1
Рис. 2. Зміна швидкості вильоту продуктів вибуху і забійки в часі:
1 - експериментальні криві; 2 - контрольні криві
Як видно з наведених графіків, максимальна швидкість вильоту продуктів вибуху і забійки на експериментальних ділянках у всіх випадках була меншою у 2-2,5 разів, ніж на контрольних.
Таким чином, застосування конструкцій заряду, в яких чергуються окремі частини ВР з різними вибуховими характеристиками і фізико-механічними властивостями, особливо при багатоточковому ініціюванні, створює умови для різноградієнтного впливу на масив. В результаті одержана висока якість подрібнення порід, обмежений розвал гірської маси і в 1,5-2 разів зменшено викиди шкідливих газів і пилу в атмосферу.
В п’ятому розділі виконана техніко-економічна оцінка ефективності методів вибухової підготовки нерудних будівельних матеріалів з урахуванням ресурсозбереження і екологічних наслідків.
Надана методика розрахунку економічної ефективності впровадження розроблених методів вибухової підготовки гірської маси. Визначені екологічні наслідки при проведенні вибухових робіт з використанням конверсійних матеріалів.
У даній роботі розглядаються наступні варіанти одержання економічних і екологічних переваг:
1. Широке застосування конверсійних матеріалів у найбільш складних гірничо-геологічних і гідрогеологічних умовах (міцні і найміцніші дуже обводнені породи з коефіцієнтом фільтрації в десятки і сотні метрів за добу) замість традиційного гранулотола приводить, по-перше, до зниження матеріальних і трудових витрат і, по-друге, до зменшення викидів шкідливих газів. Використання раціональних конструкцій комбінованих зарядів з їх верхнім і зустрічним ініціюванням призводить, по-перше, до більш рівномірного подрібнення гірської маси при зменшеному виході перездрібнених і негабаритних фракцій і, по-друге, до зниження викидів шкідливих газів і пилу в атмосферу.
2. Продукти подрібнення при вибуховому і механічному руйнуванні при їхньому застосуванні як дрібного заповнювача забезпечує одержання будівельних конструкцій з високими міцнісними характеристиками, що економічно більш вигідно в порівнянні з їхнім використанням як вторинних матеріалів для дорожнього будівництва.
3. Продукти переподрібнення при вибуховому і механічному руйнуванні при їхньому застосуванні як дрібного заповнювача забезпечує одержання будівельних конструкцій з високими міцнісними характеристиками, що економічно більш вигідно в порівнянні з їхнім використанням як вторинних матеріалів для дорожнього будівництва.
На основі аналізу результатів розрахунку встановлено, що річний економічний ефект, отриманий від реалізації нової технології вибухової підготовки гірничої маси з нерудних корисних копалин, що включає раціональні конструкції зарядів ВР з промислових і конверсійних ВР і методів їх ініціювання на виробництві, яке добуває 370,0 тис. м3 гірничих порід в щільному тілі, складає понад 220,0 тис. гривень.
Висновки
В результаті виконаних теоретичних, експериментальних і промислових досліджень отримане нове вирішення актуального науково-практичного завдання, яке полягає у розробці ефективних методів вибухової підготовки гірської маси, заснованого на застосуванні нових конструкцій комбінованих зарядів з використанням промислових ВР і конверсійних вибухових матеріалів, а також забійки, для одержання раціонального подрібнення і використання некондиційних фракцій нерудних будівельних матеріалів і гірських порід як заповнювачів.
Основні науково-практичні висновки зводяться до таких:
1. Доведено, що застосування раціональних конструкцій комбінованих свердловинних зарядів із промислових ВР та конверсійних матеріалів у сполученні із внутрішньою та зовнішньою забійкою при вибуховій підготовці гірської маси на кар’єрах нерудної промисловості, забезпечує не тільки інтенсивне руйнування порід і зменшення об’ємів шкідливих пилогазових викидів, але і можливість використання дрібних (переподрібнених) порідних фракцій у якості будівельних матеріалів.
2. Уперше досліджені параметри зони вибухового подрібнення гірських порід навколо свердловинного заряду і визначені фактори їх зміни з урахуванням витрат енергії на деформування об’єму порід і створення нової поверхні, які залежать від механічних констант породи і динамічних параметрів вибухового навантаження.
3. Доведено, що кількість продуктів подрібнення в зоні навколо заряду гірських порід при різноградієнтному навантаженні становить від 2,5 до 7,4 % загального об’єму зруйнованих порід у залежності від міцнісних характеристик породи і типу ВР; розроблена методика розрахунку параметрів цієї зони.
4. Експериментальним шляхом встановлено, що продукти вибухового подрібнення гранітів можуть бути використані як наповнювачі будівельних розчинів і дрібнозернистих бетонів, міцність яких відповідає нормативній і перевищує її при використанні стандартних наповнювачів типу річкових пісків.
5. Уперше встановлено, що комбіновані заряди з суміші баліститних і піроксилінових порохів і грамоніту 79/21 ГС стійко детонують в обводнених свердловинах; використання вказаних комбінованих зарядів забезпечує якісне подрібнення порід (зниження виходу подрібнених та підвищення виходу кондиційних фракцій) і проробку підошви уступу, а також обмежений розвал гірської маси.
6. Обґрунтовано, що застосування комбінованих зарядів багатоточковим ініціюванням промислових ВР, а також комбінованої забійки у сукупності дозволяє знизити рівень і параметри викидів продуктів вибуху в атмосферу.
7. Уперше встановлено, що максимальна швидкість вильоту продуктів вибуху і забійки при застосуванні комбінованих зарядів менше у 2-2,5 рази, ніж при застосуванні суцільних.
8. Розроблені методи ефективного подрібнення порід, основані на використанні конверсійних матеріалів у вигляді піроксилінових і баліститних порохів, а також тротилових шашок у комбінованих зарядах з грамонітами і найпростішими сумішами, що забезпечує підвищення рівня ресурсозбереження і екологічної безпеки при веденні вибухових робіт.
9. Впровадження розроблених рекомендацій, заснованих на створенні конструкцій комбінованих зарядів і забійки, а також раціональне використання продуктів подрібнення порід виконувалось за спеціальною технологічною інструкцією і здійснювалось на ряді нерудних кар’єрів. Фактичний річний економічний ефект становить більше 200 тис. грн (у цінах 2002 року).
Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах:
Особистий внесок здобувача, у роботах, написаних у співавторстві. У роботах [1, 9] запропонував удосконалення технології відбійки порід на основі їх вибухового руйнування, у роботі [2] запропонував використовувати продукти подрібнення в якості наповнювачів для виготовлення будівельних матеріалів; у роботах [3-8, 10] обґрунтував ефективність застосування конверсійних матеріалів в комбінованих зарядах вибухових речовин.
АНОТАЦІЯ
Коновал В.Н. „Розробка методів підвищення ефективності вибухової підготовки гірської маси для її раціонального використання” – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.11 – „Фізичні процеси гірничого виробництва”. Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2003.
Захищаються положення про закономірності руйнування гірських порід енергією вибуху в зоні найближчої від місця розташування заряду вибухової речовини і методика розрахунку параметрів цієї зони.
Досліджені параметри вибухового подрібнення гірських порід і визначені фактори їхньої зміни з урахуванням витрат енергії на деформування об’єму порід і утворення нової поверхні. Встановлено експериментальним шляхом, що продукти вибухового подрібнення гранітів можуть бути використанні в якості ефективних наповнювачів будівельних розчинів і дрібнозернистих бетонів. Встановлено, що кількість продуктів руйнування в зоні навколо заряду вибухової речовини складає від 2,5 до 7,4% загального об’єму руйнування. При експериментальних дослідженнях у промислових умовах доведена висока ефективність комбінованих зарядів із промислових вибухових речовин і конверсійних матеріалів по показниках поліпшення дроблення і зменшення викидів у повітря шкідливих газів і пилу.
Ключові слова: гірська порода, масовий вибух, кар’єр, свердловина, вибухова речовина, кондиційний матеріал, конструкція заряду, руйнування, будівельні матеріали, розчин та бетон, викид газу та пилу, ресурсосбереження, екологія.
АННОТАЦИЯ
Коновал В.Н. „Разработка методов повышения эффективности взрывной подготовки горной массы для её рационального использования” – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - „Физические процессы горного производства”, Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2003.
В работе показано, что с целью ресурсосбережения и улучшения экологических показателей при ведении взрывных работ на нерудных карьерах усовершенствование взрывной подготовки горной массы и ее рациональное использование как строительных материалов должно осуществляться путем разработки новых конструкций комбинированных зарядов с использованием промышленных ВВ и конверсионных материалов, а также забойки.
Выполнен анализ физико-технических основ методов интенсивного разрушения породы и снижения вредных выбросов при взрыве и показано, что достижение указанных показателей может быть обеспечено путем обоснования и выбора ВВ с различными взрывчатыми характеристиками и механических характеристик забойки, а также их конструктивных особенностей.
Получена зависимость для определения высоты вылета продуктов взрыва, анализ которой показал, что чем больше радиус зоны трещинообразования вокруг заряда, тем меньше эта высота. Вместе с тем, увеличение радиуса зоны трещинообразования может быть достигнуто за счет создания неоднородного (разноградиентного) поля напряжений при взрыве комбинированых зарядов из промышленных ВВ и конверсионных материалов.
Исследованы параметры взрывного измельчения горных пород вокруг скважинного заряда и определены факторы их изменения с учетом затрат энергии на деформирование объема пород и образование новой поверхности при разрушении данного объема.
Аналитическим и экспериментальным путями установлено, что количество продуктов переизмельчения в зоне вокруг заряда взрывчатого вещества составляет от 2,5 до 7,4 % общего объема разрушения в зависимости от прочности характеристик породы и типа ВВ. Экспериментальные исследования влияния типа ВВ на величину зоны измельчения породы вокруг цилиндрического заряда показали, что чем выше бризантные характеристики ВВ, тем больше выход переизмельченных фракций (0-3 мм). Причем, во сколько раз скорость детонации одного ВВ больше, чем другого, во столько же раз больше выход переизмельченных фракций. Экспериментально доказано, что продукты взрывного измельчения гранитов могут быть использованы в качестве наполнителей строительных растворов и мелкозернистых бетонов, прочность которых соответствует нормативным и превышает показатели, полученные при использовании стандартных наполнителей типа речных песков.
Установлено, что комбинированные заряды из смеси баллиститных и пироксилиновых порохов и граммонита 79/21 ГС стойко детонируют в обводненных скважинах; применение указанных комбинированных зарядов обеспечивает качественное дробление пород и проработку подошвы уступа, а также регулируемый развал горной породы.
Впервые установлено, что максимальная скорость вылета продуктов взрыва и забойки из скважин при применении комбинированных зарядов ВВ в 2-2,5 раза меньше чем при использовании сплошных зарядов из промышленных ВВ.
При экспериментальных исследованиях в промышленных условиях обосновано, что применение комбинированных зарядов с встречным их инициированием, а также комбинированной забойки в совокупности позволяет снизить уровень выброса продуктов взрыва и пыли в атмосферу. Доказано, что использование конверсионных материалов в виде баллиститных и пироксилиновых порохов, а также тротиловых шашек в комбинированных зарядах с граммонитами и простейшими смесями обеспечивает повышение уровня ресурсосбережения и экологической безопасности при ведении взрывных работ. На карьерах по добыче нерудных полезных ископаемых предприятия “Украгровзрывпром” проведены широкие испытания и внедрение разработанных комбинированных зарядов и забойки с применением промышленных ВВ и конверсионных материалов по специально разработанной инструкции.
Фактический годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований в промышленность составляет более 200 тыс. грн.
Ключевые слова: горная порода, массовый взрыв, карьер, скважина, взрывчатое вещество, кондиционный материал, конструкция заряда, разрушение, строительные материалы, раствор и бетон, выброс газа и пыли, ресурсосбережение, экология.
SUMMARY
Konoval V.N. “The development of the methods used to increase efficiency of the blast mining mass preparation for its rational using” – Manuscript.
Thesis for candidate’s degree in technical sciences in speciality 05.15.11. – “Physical processes of mining production”. National Mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2003.
The laws of destruction of mining breeds by explosion energy in a zone of explosives nearest from a site of a charge and technique of account of this zone parameters are represented.
The parameters of explosive crushing of mining breeds around chink of a charge are investigated and the factors of their change are determined in view of expenses of energy on deformation of volume of breeds and formation of a new surface at destruction of given volume. The products of explosive crushing of granites that can be used as fillers of building solutions and concrete have been established by an experimental way.
It has been calculated that the number of destroyed products within the explosion zone ranges from 2,5 to 7,4% and depends on the characteristic features of hardness and the explosive type.
At experimental researches in industrial conditions the high efficiency of the combined charges from industrial explosives and conversion materials on parameters of improvement of breaking and reduction of emissions in air of harmful gases and dust is proved.
The key words are: rock layer, mass explosion, quarry, well, explosive, quality material, the explosives, destruction, building materials, solution and concrete, gas and dust pollution, saving of resources, ecology.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Підписано до друку 25.04.2002. Формат 60х84 1/16. Папір офс.
Друк оперативний. Умовн. друк. арк. 0,93. Тираж 100 прим. Зам. № 175
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Черкаський державний технологічний університет
бульвар Шевченка, 460, м. Черкаси, 18006.
Редакційно-видавничий відділ ЧДТУ