CC BY
35
16. РоууБЬеше еЬГГекйуповй 1 каеЬеБ^а о1Ъо]к1 Ыокоу V в^Ь-пуИ §огпо1екЬш-еЬевкШ ш1оу1уаЬ па роё2ешпуЬ гиёшкаЬ/ 1.У. МаБЬикоу [1 ёг.] // 2ар1вк1 §огпо§о шБЙШа, 2007. Т. 171(1). Б. 222 - 225.
17. Ме1;оё га8еЬе1а ёоро1ш1е1'по§о га2ги8Ьеп1уа §огпуЬ рогоё па куа2181а1;1ске8ко] ёе]Б1у1уа у2гууа/ МО. Ме^ЬиНп [1 ёг.]// 2ар1Б-к1 Оогпо§о тБЙШа, 2001. Т. 148(1). Б.
138 - 141.
18. Яиёаеу УЛ.1., Ккаеуа Б.Л., Машаёа11еуа М.А. МоёеНгоуаше ёеГогшасюппо§о роуеёешуа §огпуЬ рогоё // 2ар1вк1 Оогпо§о тБЙШа, 2016. Т. 222. Б. 816 - 822.
19. Б1ауго§1п Л.К, ТагаБоу Б.О. ЕНкврепше^аГпауа Гшка 1 ше-Ьашка §огпуЬ ро-гоё. БРЪ, Каика, 2001.
20. БНешуакт Е.1. О Ьгиркош га2ги8кепп 1уегёуЬ 1е1 (р1оБкауа ёеЮгшаауа) // 8Ъогп1к "У2гуупое ёе1о", 2007. №98/55. Б. 7 - 16.
УДК 662.236.4
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДРОБЛЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ВВ
Ю.И. Виноградов, С.В. Хохлов, В.В. Аникин
В связи с внедрением на горнодобывающих предприятиях новых типов ВВ определение затрат энергии системы зарядов, идущей на дробление массива горных пород, является актуальной задачей. Решению этого вопроса - выбора наиболее эффективного ВВ с точки зрения затрат энергии на дробление - и посвящена настоящая статья.
Ключевые слова: коэффициент полезного действия взрыва, энергия, взрывчатое вещество, заряд, линия наименьшего сопротивления, удельный расход, прочность, эффективность, дробление.
В настоящий момент времени, ассортимент взрывчатых веществ применяемых в горнодобывающих отраслях чрезвычайно широк [1]. Поэтому вопрос об экономической эффективности применения того или иного взрывчатого вещества является чрезвычайно актуальным [2, 3, 4]. Однако, прежде чем перейти к расчету экономической эффективности использования взрывчатого вещества на конкретном предприятии [5] не достаточно сравнить его стоимостные показатели. Необходимо в начале определить техническую эффективность этого ВВ, т.е. влияние этого ВВ на дробление массива горных пород и, следовательно, на возможное изменение основных параметров буровзрывных работ (удельный расход ВВ, сетка скважин, диаметр заряда и т.д.).
Техническую эффективность ВВ обычно оценивают по результатам испытаний в производственных условиях применительно к тем или иным горно-геологическим условиям и способам ведения взрывных работ. Результаты могут быть усреднены в масштабе одного горного предприятия, бассейна, отрасли горной промышленности, в целом по горнодобывающей про-
мышленности. Мерой оценки могут быть как абсолютные, так и относительные показатели (отнесенные к эталонному ВВ). В качестве оценочных показателей используются такие величины, как удельный расход ВВ на единицу массы или объема взрываемой горной породы, КИШ или подвигание забоя за один подрыв при заданной массе взрываемых зарядов, степень дробления горной массы и др.
Для получения наиболее объективных показателей предусматривается их оценивать при таких параметрах взрывания, которые отвечают наиболее высокой эффективности для данного ВВ. Эти параметры отыскиваются в процессе предварительных опытов.
Показатели технической эффективности могут быть пересчитаны на более универсальные показатели экономической эффективности отнесением первых к сумме всех затрат по взрыванию.
Наряду с экспериментальными имеются приближенные расчетные методы оценки эффективности, особенно полезные на стадии разработки новых ВВ.
Дубнов Л.В. и Колесниченко И.Т. предложили метод расчета, основанный на энергетическом критерии эффективности, согласно которому экономическая эффективность ВВ выражается в стоимостных показателях полезно используемой энергии ВВ.
В общем виде показатель эффективности
Э = Ц<2„ЗР (2Г )■', (1)
где п - КПД взрыва; 0взр - теплота взрыва ВВ, Дж/кг; ЕС - сумма затрат на изготовление, доставку, размещение в горной породе, заряжение и взрывание ВВ, руб/кг.
Величина п учитывает как термодинамические потери энергии при преобразовании тепловой энергии взрыва в механическую работу, совершаемую расширяющимися продуктами взрыва (ПВ), так и потери на неполезные формы работ взрыва.
Из выражения (1) видно, что экономическая эффективность ВВ не является абсолютной характеристикой ВВ и зависит, в частности, от условий применения ВВ, механических свойств взрываемых пород, определяющих затраты на бурение, отнесенные у энергии единицы массы ВВ. Поэтому увеличение удельной стоимости энергии ВВ еще не означает снижение экономичности ВВ, если оно сопровождается повышением энергии ВВ, так как пропорционально величине энергии снижаются расходы на бурение, причем тем больше, чем крепче порода. Это означает, что может быть найдено такое значение крепости пород (стоимости бурения), когда дорогостоящее, но мощное ВВ будет более экономичным, чем дешевое, но маломощное ВВ. и наоборот, для любого ВВ с заданной удельной стоимостью энергии может быть найдена наиболее экономичная область его применения.
Расчет эффективности по формуле (1) сложен из-за трудностей, связанных с определением величины п. Поэтому чаще пользуются относительным показателем эффективности
Кэ = Э / Эш, (2)
где Ээт - эффективность эталонного ВВ (аммонит 6ЖВ и граммонит 9/21).
При расчете КЭ принимают п=сопб1 и тогда
Кэ = б / ХС (б / ХС £. (3)
Однако затраты энергии взрыва на дробление горных пород, как показывает практика, серьезно зависят от применяемого ВВ.
В связи с этим затраты энергии на дробление горных пород не могут быть определены по прямым замерам параметров разрушения среды. В связи с этим возникает необходимость выбора «инструмента», с помощью которого возможно произвести оценку затрат энергии на разрушение горных пород энергией взрыва.
В настоящее время в основном используют четыре гипотезы, с помощью которых производится оценка энергоемкости разрушения [6].
Гипотеза Кирпичева В. Л., которая связывает энергию, затраченную на дробление, с объемом разрушаемого материала.
А = С 1п (Бср/йср), (4)
-1
где С = С2У 2Е 1п (Пср / йср) ; Бср - средний размер куска до разрушения, м; ^ср - средний размер куска после разрушения, м; о - прочностная характеристика материала, Па; Е - модуль Юнга, Па; V - разрушаемый объем, м .
Гипотеза П.Р. Риттингера, которая отражает пропорциональность между энергией и вновь образованной поверхностью
А = К (1/^р -1/Эср), (5)
где К = 6о„V; ап - поверхностная энергоемкость разрушения
Гипотеза П.А. Ребиндера, которая показывает зависимость энергии разрушения, как от деформации среды, так и от вновь образованной поверхности
А = 0,5а2/ Е + опАЕ / V, (6)
где А^ - вновь образованная поверхность, м .
Гипотеза Ф. Бонда, говорящая о пропорциональности энергии разрушения среднему геометрическому объему и вновь образованной поверхности
А = 2а(- О;»'5). (7)
Проблематичность использования данных гипотез в качестве инструмента оценки затрат энергии на дробление горных пород заключается в следующем:
Во-первых, до настоящего времени (появление первой гипотезы Рит-тингера П.Р. датируется 1867 годом, а последней Ф. Бонда 1952 годом) остается открытым вопрос «...о пределах справедливости в условиях применения...» данных гипотез.
Во-вторых, определение значений таких величин как О, Оп, Е основывается на гипотезах прочности (гипотеза наибольших нормальных напряжений, гипотеза максимальных относительных деформаций, гипотеза максимальных касательных напряжений, гипотеза потенциальной энергии формоизменения), которые не в состоянии оценить такие важные факторы процесса разрушения горного массива, как время нагружения и масштабность. Если к сказанному выше добавить факт появления новых гипотез прочности, в частности, кинетической теории прочности, в основу которой положена молекулярно-кинетическая концепция, то вполне ясным становится вопрос о трудности определения величин о, оп, Е для массива горных пород, особенно в условиях динамических нагрузок.
Таким образом, предполагается использовать для оценки затрат энергии на дробление модели процесса разрушения, которые не требуют определения свойств горного массива.
Одной из таких моделей является вероятностно-статистическая гипотеза, авторы которой [7, 8] основывались на уравнении Гиббса и преднамеренно обходили вопрос строгого физического определения прочности горных пород при динамических (взрывных) нагрузках, оценивая долю энергии, расходуемой только на приращение вновь образованной поверхности.
Основные предположения этой гипотезы заключаются в следующем.
1. В процессе разрушения горного массива каждый кусок принимает форму, при которой его полная поверхностная энергия минимальна.
2. Гранулометрический состав взорванной горной массы аппроксимируют логарифмически-нормальным законом распределения.
3. Затраты энергии взрыва на дробление горных пород не зависят от промежуточных стадий фаз процесса, а определяются начальным и конечным состоянием системы
Согласно положениям вероятностно-статистической гипотезы, энергия разрушения пропорциональна логарифму отношения математических ожиданий начального и конечного распределений кусков горной породы и определится из уравнения:
1п (d1/ d2 ) = Л] / О, (8)
где Л - удельная работа заряда ВВ, Нм/м3; о - прочностная характеристика
породы, Па; п - КПД дробления (доля энергии, расходуемой на дробление); d1, d2 - соответственно, математические ожидания начального и конечного состояния системы.
Удельную работу заряда можно записать в виде
А = 427дг, (9)
где е - удельная энергия, кДж/кг; д - удельный расход ВВ, кг/м3; 427 - механический эквивалент теплоты.
В работе [8] предлагается определять начальное состояние системы, как линейный параметр расположения заряда ВВ - ЛНС. Введение этой характеристики системы зарядов в уравнение позволяет учесть масштабный фактор взрывного дробления, а формула тогда запишется так:
й = Ж ехр [-л / (д0а)], (10)
где q0 - удельные затраты энергии при взрыве Нм/м3; й - математическое ожидание размера куска взорванной горной массы, м; W - линия наименьшего сопротивления, м.
Последнее уравнение связывает одну из статистических характеристик кусковатости горной массы и энергетические показатели процесса разрушения. В этом уравнении не определены две величины, одна из которых характеризует прочностные свойства горного массива о. Другая величина -коэффициент полезного действия взрыва п, то есть количество энергии взрывчатого вещества, идущее на дробление. Но если нельзя определить каждую в отдельности величину, то вполне возможно получить значения их отношений:
Л / а = q0-11n (Ж / й). (11)
Можно оценить затраты на дробление и, следовательно, сравнить эффективность дробления массива горных пород различными типами взрывчатых веществ при условии постоянства Ж и q0. Это возможно, когда исследования проводятся методом воронкообразования.
2
В промышленных условиях на карьерах необходимо в качестве
Ж2
использовать произведение расстояний между рядами скважин и скважинами в ряду по аналогии с методикой Горного Бюро США [9] либо произведение расстояния между веерами скважин и скважинами в веере для подземных рудников.
От влияния вариации сетки скважин и удельного расхода ВВ, что в производственных условиях неизбежно, на статистику показателя эффективности взрывного дробления п/о можно освободиться, пронормировав показатель относительно каких-либо определенных параметров БВР. Для этой цели используем следующую зависимость:
Л =Л
ч 0,667
q Ж
(12)
V qoWo у
где q0 - эталонные удельные энергозатраты заряда ВВ, соответствующие сетке скважин Ж0 , м; ^ - новые удельные энергозатраты заряда ВВ, соответствующие сетке скважин Ж , м.
Здесь следует отметить, что зависимость (12), полученная методом воронкообразования, прошла широкую апробацию в промышленных условиях как на карьерах, так и на подземных рудниках при вариации свойств горных пород и типов применяемых взрывчатых веществ и может рассматриваться как инвариант относительно этих показателей [10].
Программа работ по определению коэффициента полезного действия взрыва (затрат энергии заряда ВВ идущих на дробление массива горных пород) заключается в следующем:
- определяется гранулометрический состав взорванной горной массы (средний размер куска) после каждого взрыва;
- фиксируются все фактические параметры массового взрыва;
- по формуле (11) рассчитывается показатель взрывной эффективности каждого массового взрыва;
- по формуле (13) рассчитывается показатель взрывной эффективности, приведенной к постоянным параметрам БВР. В качестве эталонных параметров БВР можно выбирать параметры любого массового взрыва.
Все экспериментальные массовые взрывы выполняются в породах и рудах с одинаковыми физико-механическими свойствами и категориями по взрываемости.
Список литературы
1. Викторов С. Д., Закалинский В.М. Развитие идей совершенствования взрывного разрушения массивов горных пород - основа прогресса в горном деле // Записки Горного института. 2014. Т. 210. С. 30 - 36.
2. Khademian, A., Bagherpour, R. Alteration of grindability of minerals due to applying different explosives in blasting operation // (2017) Minerals Engineering, 111, P. 174-181. DOI: 10.1016 / j.mineng. 2017.06.016.
3. Nie, S., Olsson, M. Study of facture mechanism by measuring pressure history in blast holes and crack lengths in rock // Proceedings of the Annual Conference on Explosives and Blasting Technique. 2001. I, P. 291 - 300.
4. Состояние и перспективы развития комплекса буровзрывных работ на горнорудных предприятиях ООО УК «МЕТАЛЛОИНВЕСТ» / А. А. Угаров, Р. И. Исмагилов, Б. П. Бадтиев, И. И. Борисов // Горный журнал. 2017. Вып. 5. С. 102 - 106.
5. Oni A.O., Fadare D.A., Adeboye L.A. Thermoeconomic and environmental analyses of a dry process cement manufacturing in Nigeria // Energy. 2017. 135. P. 128-137. DOI: 10.1016 / j.energy. 2017.06.114.
6. Падуков В.А., Антоненко В.А., Подозерский Д.С. Разрушение горных пород при ударе и взрыве // Изд-во «Наука». Л., 1971. 161 с.
7. Падуков В.А., Маляров И.П., Угольщиков В.К. Инвариантные характеристики кусковатости разрушенных горных пород // Вестник Кузбасского гос. техн. ун-та. 1998. Вып. 3. С. 84 - 87.
8. Виноградов Ю.И. Исследование удельных энергозатрат и сетки расположения скважин на эффективность дробления горных пород взрывом: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1976. 25 с.
9. Livingston C.W., Fundamentals of Rock Failure. Quarterly of the Colorado School of Mines. July, 1956. Vol. 51. N.3. P. 10 - 18.
10. Виноградов Ю.И. Инвариантный метод расчета параметров БВР на заданный гранулометрический состав взорванной горной массы // Кремен-чук. 2010. №1 (5). С. 97 - 107.
Виноградов Юрий Иванович, канд. техн. наук, доц., vinogradov_ji@pers.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Хохлов Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., khokhlov svaspmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Аникин Владимир Васильевич, канд. техн. наук, науч. сотр., anikinami-perm.ru, Россия, Пермь, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук (ГИ УрО РАН)
TECHNIQUE OF ESTIMATING EFFICIENCY OF ROCKS CRUSHING VARIOUS TYPES BY EXPLOSIVES
J.I. Vinogradov, S. V. Khokhlov, V. V. Anikin
In connection with introduction at the mining enterprises of new types of explosives definition of expenses of energy of system of the charges going on crushing of a rocks, is an actual problem. The present article is devoted the decision of this question.
Key words: explosion efficiency, energy, explosive, charge, line of the least resistance, the specific expense, durability, efficiency, crushing.
Vinogradov Juriy Ivanovich, PhD in Engineering, associate Professor of Department Blasting Operations, vinogradov_ji@pers. spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Khokhlov Sergei Vladimirovich, PhD in Engineering, associate Professor of Department Blasting Operations, khokhlov_sv@,spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Anikin Vladimir Vasilevich, PhD in Engineering, Research Fellow, anikinami-perm. ru, Russia, Perm, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences (GI UB RAS)
Reference
1. Viktorov S.D., Zakalinskij V.M. Razvitie idej sovershenstvo-vaniya vzryvnogo ra-zrusheniya massivov gornyh porod - osnova progressa v gornom dele // Zapiski Gornogo institu-ta, 2014. T. 210. S. 30-36.
2. Khademian, A., Bagherpour, R. Alteration of grindability of minerals due to applying different explosives in blasting operation // (2017) Minerals Engineering, 111, P. 174-181. DOI:
10.1016/ j.mineng. 2017.06.016.
3. Nie, S., Olsson, M. Study of facture mechanism by measuring pres-sure history in blast holes and crack lengths in rock // (2001) Proceedings of the Annual Conference on Explosives and Blasting Technique, I, P. 291-300.
4. Sostoyanie i perspektivy razvitiya kompleksa burovzryvnyh rabot na gornorudnyh predpriyatiyah OOO UK «METALLOINVEST» / A. A. Ugarov, R. I. Ismagilov, B. P. Badtiev, I. I. Borisov // Gornyj zhurnal, 2017. Vyp. 5. S. 102-106.
5. Oni A.O., Fadare D.A., Adeboye L.A. Thermoeconomic and envi-ronmental analyses of a dry process cement manufacturing in Nigeria // (2017) Energy, 135, P. 128-137. DOI: 10.1016/j.energy. 2017.06.114.
6. Padukov V.A., Antonenko V.A., Podozerskij D.S. Razrushenie gornyh porod pri udare i vzryve // Izd-vo «Nauka». L., 1971. 161 s.
7. Padukov V.A., Malyarov I.P., Ugol'shchikov V.K. Invariantnye harakteristiki kusko-vatosti razrushennyh gornyh porod // Vest Kuzb. gos. tekhn. un-ta, 1998. Vyp. 3. S. 84-87.
8. Vinogradov YU.I. Issledovanie udel'nyh ehnergozatrat i setki raspolozheniya skvaz-hin na ehffektivnost' drobleniya gornyh porod vzry-vom: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. Leningrad, 1976. 25 s.
9. Livingston C.W., Fundamentals of Rock Failure. Quarterly of the Colorado School of Mines, vol. 51, n.3, July, 1956. P. 10-18.
10. Vinogradov YU.I. Invariantnyj metod rascheta parametrov BVR na zadannyj granu-lometricheskij sostav vzorvannoj gornoj massy // Kremenchuk, №1/2010(5). S. 97-107.
