CC BY
450
сильное влияние на устойчивость отвального сооружения оказывают параметры выработанного пространства, высота насыпных отвалов и угол наклона их основания. При увеличении высоты основания гидроотвала в два раза, устойчивость отвального сооружения снижается так же в 2 раза. Увеличение угла наклона основания, снижает устойчивость, но в меньшей степени по сравнению с высотой основания. Это говорит о том, что при возрастании мощностей внутренних отвалов и углов наклона их основания, устойчивость отвального сооружения резко снижается и возможность безопасного применения технологии внутреннего гидро-отвалообразования уменьшается.
При проектировании внутренних гидроотвалов указанные параметры являются исходными данными для проектирования и, следовательно, их значения не могут быть изменены. В таком случае необходимо определять предельные параметры самого гидроотвала.
Таким образом главными параметрами, обеспечивающими безопасное функционирование предлагаемой технологии являются расстояние отставания гидроотвала от фронта горных работ и высота гидроотвала.
1. Нурок Г.А. Гидромеханизация открытых разработок. - М.: Недра,. 1979. - 549 с.
2. Кононенко Е.А. Научное обоснование гидровскрышных технологий, комплексно обеспечивающих
формирование и сбережение ресурсов. - Дисс...
докт.техн.наук. - М.: 1999. - 220 с.
3. Кононенко А.Е., Щербакова Е.П. Санитарногигиеническая рекультивация средствами гидромехани-
Для характерных условий функционирования угольных разрезов установлено, что при высоте основания 20 м, сложенного из суглинков, с углом наклона пласта полезного ископаемого до 6 градусов, возможно размещение гидроотвала высотой 15 м на расстоянии не менее 100 м от откоса насыпного отвала. При этом обеспечивается коэффициент запаса устойчивости 15%. Выработанное пространство многих карьеров уже сегодня позволяет выдержать требуемые параметры для безопасного размещения внутренних гидроотвалов.
Некоторое усложнение организации ведения горных работ, которое возникает при размещении гидроотвала в выработанном пространстве, при применении гидромеханизации компенсируется сокращением расстояния транспортирования и снижением высоты подъема гидросмеси по сравнению с внешним гид-роотвалообразованием. В результате снижаются энергозатраты на гидротранспорт и появляется возможность попутной рекультивации нарушенных земель. Следовательно, технологию внутреннего гидроотвалообразования можно считать перспективным направлением применения гидромеханизации на открытых горных работах.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
зации откосов внешних отвалов коренных пород.- В кн: Новые технологии и технические средства гидромеханизации и подводной добычи: Сборник научных трудов. -М. 1994. - С 33-40.
4. Ялтанец. ИМ. Исследование технологии гидровскрышных работ с размещением гидроотвала в выработанном пространстве карьера. Дисс.... докт.техн.наук. - М. 1990.
— Коротко об авторок
Радченко С.А. - Московский государственный горный университет.
^-------
------------------------------------------- © Ю.К. Столярова, 2004
УДК 622.358.002.28 Ю.К. Столярова
ОСОБЕННОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ДОБЫЧЕ
И ОБРАБОТКЕ ПРИРОДНОГО КАМНЯ
Семинар № 12
1. Характеристика месторождений природного камня и существующих способов добычи
1ТЛ ак правило, месторождения стенового
XV и облицовочного камня имеют благоприятные горно-геологические условия залегания, малую мощность вскрышных пород и разрабатываются открытым способом. При разработке этих месторождений должны быть сохранены прочностные свойства и декоративные качества горных пород. Кроме того, определяющими являются задаваемые размеры отделяемых блоков, что, в свою очередь, диктует выбор необходимого добычного оборудования.
Это, в основном, и определяет специфические особенности эксплуатации месторождений стенового и облицовочного камня:
1. Небольшие, как правило, размеры карьерного поля в плане
2. Наличие в большинстве месторождений скальной вскрыши или зоны внутренних и сильнотрещиноватых пород, непригодных для получения блоков.
3. Необходимость использования специальных, щадящих камень способов отделения его от массива.
4. Определяющая роль различных систем трещин в массиве в регламентации отметок горизонтов и высоты уступов.
5. Наличие определенных закономерностей в строении камня, связанных с изменением его прочности в различных направлениях; закономерности расположения систем трещин в массиве, обуславливающих выбор расположения и подвигания фронта горных работ.
6. Малый допуск отклонений от заданных размеров камня.
7. Необходимость оперирования тяжелыми неделимыми грузами с использованием специального погрузочного оборудования.
8. Большой объем попутной горной массы, превышающей количество основного добываемого продукта.
Выход блоков колеблется от 6-10 до 50-60 %. При этом необходимо предусмотреть погрузку и транспортировку отходов основного производства и решить вопрос о комплексном их использовании.
Величина выхода блоков из горной массы обуславливается главным образом трещиноватостью массива. При разработке месторождений природного камня наиболее благоприятным является наличие системы трех взаимно перпендикулярных трещин. Это позволяет производить выемку из массива камней и блоков правильной геометрической формы. Сильнотрещиноватые породы, обладающие даже высокими декоративными свойствами и хорошими физикомеханическими показателями, не могут быть использованы в качестве стеновых и облицовочных материалов.
Основными особенностями производственных процессов при разработке карьеров блочного камня на сегодняшний момент является то, что при планировании горных работ основополагающим является:
а) трещиноватость массива;
б) размеры выпиливаемого блока;
в) физико-механические свойства камня.
И уже в зависимости от этих факторов планируются направление фронта горных работ, высота уступов, добычное оборудование и средства транспортирования.
Производственные процессы на карьерах как облицовочного, так и стенового камня ведутся в одинаковой последовательности: подготовка пород к выемке, выемка и погрузка, транспортирование и обработка (последняя - только на карьерах облицовочного камня).
Основной продукцией карьеров облицовочного камня являются блоки и получаемые из них облицовочные изделия.
Процесс подготовки к выемке пород с прочностью до 20 Па осуществляется с помощью камнерезных машин с дисковыми пилами, буровыми машинами. В пределах средней прочности - подготовку к выемке можно вести камнерезными машинами с кольцевой фрезой, канатными пилами, ударно-врубовыми машинами. В прочных породах применимы термические, взрывные, механические и др. способы.
Выемка может осуществляться с применением любых известных средств механизации, а также специальными видами выемочнопогрузочного и выемочно-погрузочно-
транспортного оборудования. В отдельных случаях, например, при работе кабельных кра-
нов, процессы выемки, погрузки и транспортировки могут выполняться одной машиной.
Основным способом подготовки породы к выемке является механический способ. Пожалуй, самой старой его составляющей является отделение монолита от массива с помощью канатных пил и абразивного материала (кварцевый песок, стальная дробь). Канатная пила состоит из приводной станции, направляющих шкивов и пильных стоек, натяжного устройства и пильного каната.
Далее можно рассмотреть дисковые пилы с твердосплавными резцами или алмазной крошкой, недостатком которых является небольшой коэффициент использования диаметра диска. В меньшей степени этот недостаток присущ резным машинам с кольцевыми фрезами, у которых использование рабочего органа по диаметру равно 65-75 %. Прочностью пород до 180 МПа
В последнее время на карьерах стали появляться пилы более совершенной конструкции. Рабочим органом здесь является стальной канат, армированный алмазными втулками. Распиливание горных пород возможно в любой прямолинейной плоскости. Перед началом работы в плоскости пиления проходят вертикальную скважину и горизонтальный шпур для «заведения» каната. Равномерное натяжение каната в процессе пиления обеспечивается передвижением тележки по рельсовому пути. Кроме того необходима непрерывная подача воды. Производительность такой пилы в 2-3 раза выше, чем абразивной.
При подготовке блоков к выемке из пород средней прочности и прочных находят применение ударно-врубовые машины. Рабочим органом у данной машины являются долота N и W- образной формы, которыми совершается возвратно-поступательное движение большой частоты. Перемещаются по рельсам, образуя щель до 600 мм. Прочность пород до 130-140 МПа. 5-12 м2/см.
При буровом способе по контуру отделяемого блока на всю его глубину бурят ряд шпуров или скважин, а затем разбуривают оставшиеся между ними породные перемычки. Для того чтобы шпуры располагались точно в одной плоскости, бурение ведут со специальных стоек, на которых можно размещать несколько перфораторов. Последней разработкой в этой области стало гидравлическое бурение строчек скважин.
Буроклиновой способ основан на пробури-вании шпуров вдоль предполагаемой линии раскола, глубиной более половины размера блока и последующим их отделением клиновым способом. Новой технологией, позволившей значительно сократить затраты рабочей силы, стало применение гидроклиньев, которые, действуя на стенки шпуров, производят направленное отделение блока от массива.
Взрывные способы подготовки блоков к выемке являются наиболее распространенными на карьерах по добыче гранита, габбро, сиенита и др. прочных пород. В качестве средств взрывания используется дымный порох и детонирующий шнур. Способ взрывания шпуровой. Основными недостатками является увеличение наведенной трещиноватости массива.
Одним из перспективных способов, обеспечивающих снижение энергоемкости, материальных затрат и сохранение физикотехнических характеристик горных пород является способ с применением невзрывчатых разрушающих составов (средств) - НРС для создания искусственно ориентированных трещин в массиве.
При смешивании с водой в соотношении 1:3 в течение 8-10 часов при температуре 20+5 С происходит увеличение объема смеси, которое создает растягивающее усилие до 40 МПа по всей длине шпуров, пробуренных в горных породах.
Последняя четверть ХХ-го века ознаменовалась технологическим «бумом» и в области обработки камня: в новое столетие индустрия облицовочного камня вступила, вооруженная высокоэффективным алмазным инструментом, автоматизированным поточным производством, машинами и станками с цифровым программным управлением.
Многоосевые (до 4-5) алмазно-канатные установки позволяют получить невероятно сложные и интересные объемные профили - от тончайших складок ткани, до гиперболоидов вращения; такие детали, опережающие фантазию любого дизайнера, еще ждут своего применения в архитектуре будущего.
Благодаря широкому использованию водоструйных станков «Вотер-джет» изготовление флорентийских мозаик, «мраморных кружев», и всевозможных каменных интарсии превратилось в рутинную технологию, реализуемую станком по заданной программе, без присутствия оператора. Агрегат сложно-профильной
обработки (или даже самообучающийся робот) способен воспроизвести классическую мраморную скульптуру, которую не отличит от оригинала даже самый опытный искусствовед.
К концу ХХ-го века мировая промышленность облицовочного камня, преодолев «50-ти миллионный» рубеж, вышла на уровень 54 млн. т (около 21 млн. м3) блочного сырья. Несмотря на сравнительно скромную долю объема производства в общей мировой добыче нерудных стройматериалов (0,3 %), следует отметить, что по динамике роста именно эта отрасль превосходит все другие сырьевые отрасли строительной промышленности; например, по данным Римского технического университета, за последние 25 лет среднегодовой темп роста добычи составлял: облицовочного камня -5,5 %, щебня, гравия и песка - 3,3 %, глины - 4,9 %, извести - 2,7 %, мергеля для цемента - 3,9 %.
2. Исторический обзор и анализ техникоэкономических характеристик при проектировании камнедобывающих предприятия
С незапамятных времен притягивал человека камень. Как показывают раскопки древних поселений, уже в те давние времена наши предки смогли оценить уникальные свойства этого материала - прочность и долговечность, яркость красок и многообразие форм. Камнем не просто пользовались, им любовались, ему приписывали магические и целебные свойства. Как писал в 1609 г. Ансельм Боэций де Будт, личный врач императора Рудольфа 2, «в благородных камнях мы видим величие и поразительную мощь Создателя, которому удалось воплотить в столь малых предметах красоту всего мира и силу всех других вещей». Так камень оказывался символом божественного совершенства вселенной и мерилом власти земных владык. Неудивительно, что различные приемы работы с камнем издревле занимали большое место в ремеслах и искусствах человечества. Геммы, скульптуры, надгробные памятники, камеи, вазы, ювелирные украшения...
Природным облицовочным камнем называют различные по составу и свойствам монолитные горные породы, обладающие после соответствующей обработки необходимыми декоративными качествами и прочностными характеристиками .
Разнообразие оттенков окраски этих пород делает их в архитектурном отношении чрезвычайно ценным материалом. Помимо красивого внешнего вида они обладают еще и практиче-
ски важными физико-техническими свойствами, поскольку назначением их является не только отделка фасадных поверхностей зданий и сооружений, но и защита конструкций от агрессивного влияния среды. Основными из этих свойств являются высокая сопротивляемость процессам выветривания и малая истираемость, что обеспечивает сохранность облицовочных изделий в течение весьма продолжительного времени.
Одна из главных причин развития - резко возросший в мире спрос на обширный ассортимент материалов, тип, цвет и фактура которых имеют уникальные характеристики.
Разработка месторождений природного камня, как и добыча любого другого твердого полезного ископаемого, складывается из пяти последовательно выполняемых этапов:
1. подготовка карьерного поля
2. вскрытие месторождения
3. подготовительные работы, связанные с созданием необходимых обнажений и уступов (формирование рабочих площадок)
4. добыча блоков
5. рекультивация выработанного пространства
Разрабатывать месторождения с целью получения блочного камня человек начал еще в глубокой древности. Так, например множество крупных каменоломен находилось в древнем Египте, почти по всей протяженности нильской долины, где добывались крупные блоки известняка, песчаника и сиенита для строительства пирамид. Также с древнейших времен добыча блоков осуществлялась в Индии, Урарту, Италии, Греции и проч.
Современный карьер облицовочного камня - высокомеханизированное горное предприятие, оснащенное комплектом горнотранспортного оборудования, которое обеспечивает производительное выполнение добычных работ. К основным элементам структуры карьера относятся: высота уступов, угол борта карьеров, ширина рабочих площадок, бермы безопасности, ширина дна карьера.
Увеличение потребности в каменных материалах и их доступность сформировали рынок технологии обработки, добычи и продажи сырья и изделий из камня. Это в свою очередь потребовало более внимательного отношения к разработке ресурсов, эксплуатации карьеров, лучшего планирования и организации всех процессов. Ведь природные ресурсы камня не
могут быть возобновлены. Способы эксплуатации месторождений и методы обработки камня зависят от конкретных условий месторождения. Необходимо также технико-
экономические факторы. Опыт показывает, что низкая доходность производства почти всегда связана с недостатками планирования.
Можно определить последовательность различных действий от начальной идентификации каменных ресурсов до использования камня в виде готового изделия:
1. начальная оценка месторождения камня
2. исследование месторождения
3. технико-экономическая оценка добычи и производства
4. эксплуатация месторождения и добыча сырья: - метод эксплуатации: - технология добычи.
5. транспортировка и хранение сырья
6. обработка сырья
7. маркетинг и использование сырья, полуфабрикатов и готового изделия.
Чтобы составить рациональный план эксплуатации, выбрать
соответствующую технологию производства, предусмотреть меры по охране труда в карьере, необходимо исследование и геологическое изучение каменного массива.
Анализ характеристик месторождения (гористость, минералогия, петрография, литографические изменения, структура, морфология) имеет огромное значение при изучении возможностей разработки карьера. Эти характеристики должны быть тщательно проанализированы в процессе разработки техникоэкономического проекта эксплуатации. Необходимо также собрать различную информацию, касающуюся климата, законодательных основ, экономического и ряда других факторов. Необходимо также выполнить маркетинговые исследования в целях оценки возможностей внутреннего и внешнего рынка, потенциального использования материалов, установки каналов сбыта и определение требований поставки.
Это включает в себя:
1. изучение материалов аналогичных
исследований;
2. геологическая съемка местности;
3. геологический проект;
4. образцы материалов для физико-
механических испытаний;
5. обработка данных.
Если рыночный проект дал благоприятные результаты, можно начинать эксплуатацию массива в соответствии с планом оптимальной эксплуатации. Разработка месторождения должна быть направлена не на получение максимальной прибыли за возможно короткий срок, а на достижение полной потенциальной производительности и оптимизацию всех экономических факторов в течение длительного периода.
В силу своих эстетических свойств и физико-химических показателей природный камень может иметь различное применение:
1. в строительстве: - частном, - коммерческом, - гражданском и культовом;
2. для изготовления памятников;
3. для оформления города;
4. в произведениях искусства;
5. при реставрации.
Сбалансированное использование в строительстве материалов из природного камня способствует гармоничному слиянию полезного и красивого, функционального и эстетичного. После того, как природные материалы веками использовались как структурный элемент, новейшие техника обработки и возможность уменьшить толщину материала позволили более широко использовать их в строительстве и, в частности, при внутренней и внешней облицовки зданий, для изготовления полов.
Мрамор, разрезанный на плиты различных размеров, или на стандартные типоразмеры является одним из наиболее широко применяемых материалов для облицовки стен и поделочных работ. Гранит, более крепкий по своем физико-механическим параметрам материал чаще применяется при настиле полов, так как его истираемость гораздо меньше. Современная технология обработки состоит в том, чтобы резать облицовочный камень максимально тонко, используется принцип так называемых «сэндвич-панелей», толщина которых достигает 4-5 мм. Тем самым устраняется липший вес и увеличивается выход товарной продукции.
Но технология обработки не останавливается на этом: станки, использующие в качестве режущего инструмента стальной канат, армированный алмазной крошкой, позволяют вырезать различные (в том числе и объемные) профили практически без отходов материала, способствуя более широкому его применению.
Плотность природного камня, технологические возможности его обработки, способность
принимать полировку делают этот материал незаменимым элементом для облицовки архитектурных сооружений. По этим причинам природный камень был всегда основным материалом любой архитектуры, но среди всех имеющихся камней мрамор наиболее изыскан. Прогресс техники укладки, анкеровки и облицовки позволяет все более широко и квалифицированно использовать камень в строительстве.
Главная особенность технологии добычи блочного камня на карьерах - это жесткая привязка параметров системы разработки (высоты уступов, длины и ориентации фронта работ, ширины заходки и др.) к параметрам и расположению природных трещин в массиве и направлению минимального сопротивления камня разработке.
Ввиду многообразия горно-геологичес-ких условий, встречающихся в пределах карьерного поля, изменения показателей трещиноватости массива и физико-механи-ческих свойств пород, на добычных работах приходится применять обширный арсенал технических средств. Избирательный, нестандартный подход к объекту добычи - характерная черта карьеров блочного камня.
По этой причине на данных карьерах вынуждены держать резервные участки фронта работ и забои с таким расчетом, чтобы можно было осуществить подбор требуемого камня по его блочности (размерам) и декоративным качествам (окраске, рисунку и зернистости).
Анализ работы карьеров блочного камня показывает, что при знании и умелом использовании закономерности природных трещин в массиве и микроориентировке минералов в камне можно увеличить выход товарной продукции из добываемой горной массы с 15-20 до 60 %. Общее правило - применение технических средств и технологических приемов, адекватных структуре и свойствам породного массива. Характер трещиноватости, ее интенсивность и элементы залегания определяют форму и размеры структурных блоков, ставит в зависимость от них выбор направления фронта горных работ и технологии добычи.
В целом можно считать, что природная трещиноватость массива является фактором, который решающим образом влияет на экономику добычи блочного камня. Изучение трещиноватости - непременное условие правильного выбора технологии добычи камня и про-
ектирования горных работ на рассматриваемых карьерах. В связи с этим в науке встает проблема - найти универсальный способ определения трещиноватости массива природного камня и районирование его с последующим расчетом выхода товарных блоков. Это значительно облегчит четкое планирование производительности карьера и, соответственно, бизнес-планов для добывающих организаций. И даст более простые и точные решения проектирующим структурам.
Для месторождения высокопрочных пород типа гранитов дополнительное значение имеет микроориентировка минералов в породе, определяющая энергоемкость и возможный выход готовой продукции при распиловке блоков на плиты, а также получаемый рисунок изделия в шлифованной или полированной фактуре обработки. На выбор технологии добычи камня влияет, наряду с прочностью породы, содержание в нем темноцветных минералов (биотита и роговой обманки) и их зерен крупнее 5 мм. Эти показатели вместе с трещиноватостью полностью характеризуют месторождения гранита.
Вследствие анизотропности и неоднородности строения камня, извлекаемые его отдельности, падая с большой высоты, раскалываются на более мелкие с потерей качества, поэтому высоту уступа приходится ограничивать. Уступ разделяют на ряд подуступов, приурочиваемых к первично-плас-товым трещинам так, чтобы подошва подуступа совпадала с плоскостью трещины. Обычно высота подуступа (разрабатываемого слоя) равна расстоянию между смежными горизонтальными трещинами.
Степень достоверности и обоснованности результатов изучения трещиноватости оказывает решающее влияние не только на разработку технологии и комплексов оборудования добычи блоков, но и на получение конечного результат, заключающегося в увеличении их выхода из массива и снижении отходов камня при добыче и обработке его на продукцию.
3. Обзор состояния вопроса
Разработка карьеров по добыче строительного, облицовочного и поделочного камня, ведущаяся на протяжении уже не одного столетия, включает как видимые положительные стороны - оригинальная облицовка фасадов зданий, ступеней, холлов, декоративные изделия из камня, мозаичные работы, так и невидимые проблемы, с которыми сталкиваются
люди, разрабатывающие месторождения этого замечательного природного материала.
Работа Г.Д. Першина «Обоснование технологических параметров добычи блоков мрамора канатными пилами» состоит в установлении и использовании в технологических расчетах зависимости усталостно-прочностных свойств гибкого режущего инструмента, его износостойкости и затрат и на разрушение пород от прочности и трещиноватости массива.
Основные научные положения:
1. Технико-экономическая эффективность применения канатных пил при крупноблочной добыче мрамора достаточно характеризуется тремя режимно-связанными показателями процесса распиловки породы - производительностью, удельной работой и удельным расходом инструментов. Минимизация затрат на распиловку при стоимостной оценке данных показателей позволяет оптимизировать параметры забоя, режим разрушения и конструкцию инструментов.
2. Влияние прочностных свойств природного камня на производительность его распиловки предлагается оценивать энергоемкостью и коэффициентом разрушения материала породы, которые в совокупности определяют обрабатываемость горных пород под воздействием алмазно-абразивного инструмента. Использование показателя обрабатываемости, рассчитанного при рациональных режимах разрушения, дает возможность классифицировать горные породы по их способности сопротивляться поверхностному разрушению в технологических операциях пиления, бурения, фрезерования и шлифования.
3. Необходимым условием минимизации удельных затрат на распиловку природного камня канатными пилами следует считать оптимальное отношение между шириной щели пропила и длиной контакта инструмента с породой, соответствующее минимуму удельного расходов алмазов, энергозатрат и осевых нагрузок на канат. Данное соотношение должно учитывать время работы каната до его усталостного обрыва и время износа алмазного слоя на режущих элементах.
4. Минимальные удельные затраты на распиловку мрамора достигаются для канатноабразивных пил - при высоте добычного уступа 5-7,5 м и длине пропила 15-20 м, для канатноалмазных пил - при высоте добычного уступа 1,5-2,5 м, при этом рациональное ее значение с
увеличением прочности породы снижается, в пределах данной прочности изменяется обратно пропорционально относительной длине алмазорежущей части инструмента.
В работе Зреловой Т.Ф., «Обоснование технологий производства облицовочных изделий при комплексном использовании природного камня», состоит в выявлении и использовании в практических целях функциональной связи технологий производства облицовочных изделий из природного камня и отходов его добычи и обработки с обобщенным качественно-стоимостным показателем, полученным на основании его комплексной оценки. Основные научные положения их новизна:
Установлено, что:
1. Природный камень можно оценивать комплексно безразмерным обобщенным качественно-стоимостным показателем, характеризующим декоративно-эксплутацион-ные свойства природного камня и облицовочных изделий на его основе в отношении к стоимостным параметрам его добычи и обработки, а также представленным в относительном виде, что позволил создать новую классификацию природного камня и изделий на его основе с учетом целевого назначения облицовки.
2. Рациональные технологии производства облицовочных изделий из малоценных и некондиционных видов природного камня, а также отходов его добычи и обработки должны включать ранее не применяемые технологические процессы, к которым в основном, относятся: искусственное изменение прочности, твердости, водонепроницаемости, полируемости, цвета, позволяющие увеличить потребительскую стоимость изделия в 2-3 раза при увеличении стоимости изготовления не более чем в 1, 5 раза.
3. Обработка известняка средней прочности нитратом и ацетатом меди привела к увеличению его прочности, твердости и водонепроницаемости на 10 %; приобретению камнем зеленоголубого цвета и отсутствующего свойства полируемости, за счет получения в результате химического взаимодействия СаСОз с этими солями меди нерастворимого В воде соединения 012 OH2 COз. По химической формуле соответствующего основному составу малахита.
4. Нанесение различных типов декоративно-защитных покрытий позволяет увеличить прочность, твердость, водонепроницаемость изделия из карбонатного камня в среднем на 10-50 %.
Ю.Г. Карасев в своей работе «Формирование технологии горных работ по структурнотехнологическим зонам на карьерах облицовочного камня высокой прочности» рассматривает следующие:
Научные положения:
1. Технология и технические средства добычи блоков облицовочного камня должны проектироваться не по средней блочности по месторождению, а с учетом пространственного распределения и параметров плоскостей структурного ослабления массива. Необходимым условием формирования эффективных технологических решений является разделение карьерного поля на структурно-технологические зоны, что повышает выход блоков из массива и их ценность.
2. Высота уступов, отметки рабочих горизонтов и размерные параметры монолитов должны проектироваться с использованием установленных зависимостей изменения расстояния между первично-пластовыми трещинами, которые могут меняться не только по простиранию и падению залежи, но и увеличиваться с глубиной по степенным зависимостям второго и третьего порядка.
3. Увеличение выхода блоков из массива в отдельной зоне достигается расположением фронта горных работ параллельно или ортогонально азимуту крутопадающей системы трещин массива, имеющей минимальные межтрещинные расстояния.
4. При подготовке блоков к выемке наибольшие их грани должны располагаться по направлениям, согласующимся для гранита с продольными, для габбро с первично-пластовыми, для лабрадорита с продольными и первичнопластовыми системами трещин массива, что позволяет достичь наибольшей скорости распиливания камня на плиты.
Косолапов А.И. в своей работе «Исследования и обоснования технологии разработки на горных месторождениях облицовочного мрамора» доказывает, что данная технология обусловлена параметрами и характеристиками массивов, определяющими трудность разработки месторождений, а также их совокупным влиянием на коэффициент выхода блоков из добытого полезного ископаемого, которое является основным показателем для характеристики совершенства технологий.
Основные научные положения:
1. Показатели трудности разработки, являясь горно-технологической основой сравнения месторождений облицовочного камня, связаны с их основными параметрами и характеристиками массивов, которые влияют на технологию горных работ и ее технико-экономические показатели.
2. Горно-геологические процессы, протекающие в массиве горных пород при разработке месторождений облицовочного камня, во взаимосвязи с прочностью и трещиноватостью мрамора оказывает влияние на коэффициент выхода блоков из полезного ископаемого; величина последнего уменьшается при увеличении скорости под-вигания фронта добычных работ по гиперболической зависимости, вид которой предопределен технологической схемой добычи блоков мрамора.
3. Состав машин добычного комплекса и основные технико-экономические показатели эксплуатации месторождения в целом предопределены оборудованием для подготовки выемке и разделке мрамора на товарные блоки, а его рациональный выбор должен соответствовать максимуму критериев, увязывающего величины возможной производственной мощности карьера, минимально промышленного и проектного коэффициентов выхода блоков; зависимости количества оборудования технологического комплекса карьера от величины относительного показателя трудности добычи блоков выражаются параболическим функциями, вид которых обусловлен коэффициентом вскрыши, режимом работы и мощностью карьера, а также типом применяемых машин.
4. Система разработки нагорного месторождения облицовочного мрамора во взаимосвязи со способом вскрытия рабочих горизонтов предопределяет влияние горных работ на окружающую среду, потери полезного ископаемого и на экономичность эксплуатации мраморного месторождения в целом; его характер обусловлен трудностью разработки и глубиной залегания горных пород, что позволяет осуществить выбор системы разработки по величине удельной приведенной прибыли, которая учитывает динамику параметров и характеристик массива месторождения по мере его отработки.
5. Для обоснования варианта комплекса оборудования предельная величина производственной мощности карьера по блокам ограничена площадью его рабочей зоны и показателями трудности добычи; эту величину на отдельных этапах отработки можно стабилизировать за счет изменения угла откоса рабочего борта карьера в
соответствии с динамикой нарастающих объемов извлекаемого полезного ископаемого, которое устанавливается при геометрическом анализе месторождений с учетом пространственной изменчивости характеристик его массива.
Булат Е.С. «Вовлечение отходов добычи и переработки пород при открытой разработке в сферу производства облицовочных изделий». Идея работы состоит в том, что вовлечение отходов добычи и переработки горных пород в сферу производства облицовочных изделий должно осуществляться за счет улучшения качества горнопромышленных отходов, разработки новых конструктивных видов облицовочных изделий и технологий их производства, с учетом управления свойствами и состоянием исходного сырья, полуфабрикатов и конечной продукции на различных стадиях технологических процессов.
Основные научные положения:
1. Осуществлены анализ и систематизация отходов добычи и переработки пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых различных отраслей горной промышленности как потенциального сырья для производства облицовочных изделий, разработаны технологические операции по первичной переработке отходов в условиях действующих карьеров.
2. Установлены зависимости изменения свойств материала облицовочных изделий от свойств отходов горного производства при использовании различных типов связующих и режимов их отверждения.
3. Разработаны технологии производства облицовочных изделий конструктивных различных типов и фактуры на основе отходов добычи и переработки пород.
4. Даны метод оценки пригодности и рационального использования разрабатываемых открытым способом горных пород для производства облицовочных изделий, а также рекомендации по ведению селективной отработки пород и организации в условиях действующих карьеров производство облицовочных плит на основе отходов или их складирования для последующего использования.
Одной из целого ряда проблем, допускающих только гибкий подход в решении, является трещиноватость природного массива. В зависимости от трещиноватости рассчитывается производительность данного месторождения, выход блоков различных категорий, технология вскрышных и добычных работ, оборудование и транспортирование, применяемое на карьере.
Невозможно без предварительного зондирования трещиноватости, приступать к разработке месторождения природного камня. Кроме проблем, связанных с трудностью добычи крупных блоков 1, 2, 3-й категории, возникающих в начале, в дальнейшем, при переработке в целях уже по получению конечного продукта, будь это облицовочная плитка или поделочное изделие, в случае наличия в массиве рассеянной трещиноватости, продукт будет обладать ослабленными прочностными свойствами. Это ведет к резкому снижению возможности дальнейшей качественной переработки материала, и как следствие, к снижению экономического эффекта при реализации продукции. В связи с вышесказанным, необходимо предложить наиболее эффективный метод расчета трещиноватости массива, с вытекающими из этого параметрами добычной технологии.
Рассматривая имеющиеся к настоящему моменту исследовательские работы по расчету трещиноватости, можно выделить несколько методов, наиболее полно и точно описывающих и раскрывающих предмет.
В книге "Облицовочный камень" Н.Т. Бакка, И.В. Ильченко существующие методы изучения трещиноватости горных пород объединяются в две группы:
1. Статистические методы: непосредст-
венное наблюдение за трещинами и их замеры в обнажениях и карьерах, изучение трещиноватости путем бурения геологоразведочных скважин, изучение протекания воды в скважинах, наблюдение за блочностью в действующих карьерах путем обмера блоков и замеров вынутого камня.
2. Геофизические методы: электроразведка, магнито- и сейсморазведка, различный каротаж скважин.
Анализ существующих методов изучения трещиноватости свидетельствует, что наиболее эффективными для карьеров блочного камня являются статические и горно-геометрические методы, такие как: массовые замеры в забоях и обнажениях с инструментальной их привязкой и последующей обработкой, составлением планов, карт и диаграмм трещиноватости;
1. Изучение трещиноватости проходкой скважин колонкового бурения;
2. Непосредственное наблюдение за выходом блочной продукции в карьерах;
3. Наблюдение за микро - и макротрещиноватостью камня при его добыче и переработке на продукцию;
Результаты изучения закономерностей развития трещин в массивах являются основным исходным материалом в разработке научных основ и практических рекомендаций по выбору и обоснованию рациональных технологических способов и приемов добычи блоков.
Месторождениям изверженных облицовочных пород характерны следующие закономерности развития природных трещин в массиве. Эмпирические распределения частот трещин в отдельности подчиняются нормальному закону распределения. Наибольшее количество трещин данной системы имеют близкие элементы залегания, определяя ее полюс. Постоянно уменьшающееся количество трещин имеют все более отклоняющиеся друг от друга элементы залегания и определяют ореол рассеивания вокруг своего полюса. Чем меньше угол ореола рассевания, тем более близки трещины к своему полюсу. Ореолы рассеивания гранитов составляют по азимутам (=35), по углам падения (=20).
В целях обоснования расположения фронта горных работ и направления его перемещения относительно линии простирания и углов падения главных систем трещин массива, а также для определения усредненных формы и размеров структурных блоков необходимо знать вероятнейшие значения полюсов трещин, как по азимутам простирания, так и по углам падения.
Для добычи блоков в забоях, приведения их в товарный вид методом колочной пассировки, для получения из них различных строительных изделий камень приходится раскалывать, т.е. делить на более мелкие части, для чего используются отдельности минералов, т.е. способность кристаллических зерен минералов раскалываться по некоторым более или менее параллельным плоскостям от спайности минералов.
Естественно, породы значительно легче раскалываются по направлениям, совпадающим с расположением ориентированных минералов, чем по другим направлениям. Делимость породы по каким-то только определенным направлениям следует рассматривать как анизотропность, т.е. зависимость физических свойств породы от направления. Естественно, анизотропность - наиболее характерная особенность кристаллов, обусловленная тем, что скорость роста кристаллов в разных направлениях различна и причиной ей является упорядочение расположения частиц в кристаллах, при котором расстояние мевду соседними частицами, а следовательно, и силы связи мевду ними различны в разных направлениях. 39.
На стадии детальной разведки месторождения при установлении коэффициента выхода товарных блоков обычно закладывают карьер опытной добычи, а полученные в результате этого данные распространяют на весь оцениваемый массив. В ряде случаев это приводит к завышению коэффициента выхода блоков и в целом не позволяет судить о характере изменчивости его в пространстве месторождения.
В связи с этим постоянно ведут исследования, направленные на совершенствования методики нахождения коэффициента выхода товарных блоков на всех этапах изучения и эксплуатации месторождения облицовочного камня. При этом наиболее важным фактором, оказывающим влияние на коэффициент выхода товарных блоков, принято считать блочность массива, обусловленную трещиноватостью. Все существующие методы расчета коэффициента выхода блоков исходят из предпосылки, что его величина состоит в обратной пропорции от количества систем трещин и их интенсивности.
Совершенствование методов прогнозирования коэффициента выхода блоков связано с необходимостью расчета его величины при любом количестве систем трещин с учетом крупности блоков и основных параметров их добычи. Пи этом коэффициент выхода блоков следует рассчитывать по формуле:
^ = К.1 К-2 К3,
где ^ - коэффициент, учитывающий трещиноватость массива и размеры подготавливаемого к выемке объема камня; ^ и ^- коэффициенты, учитывающие распределение объемов товарных блоков и потери камня при их добыче (при подготовке к выемке, разделке и пассировке блоков). Значение коэффициента Кз зависит от технологии добычи блоков.
Направлением подвигания фронта работ обеспечивается наиболее благоприятное пересечение основных систем трещин и плоскостей забоя.
Исследование высоты подуступов при добыче блочного камня
Рассматривая задачу определения и обоснования высоты подуступов при добыче блочного природного камня, необходимо найти наиболее приемлемое соотношение между затратами на выемку блоков из массива с последующей их транспортировкой и геометрическими размерами данных блоков. То есть, привязываясь к технологии разработки массива, необходимо определить ту высоту уступа, при которой мы сможем наи-
более эффективно использовать добычное оборудование. В данном случае определяющим принципом является принцип оптимального соотношения «цена - качество». То, насколько соответствуют затраты на комплекс добычного оборудования параметрам добываемых блоков.
Определяющими критериями при выборе необходимого соотношения высоты уступа и размеров блоков являются как капитальные затраты на оборудование, так и затраты, возникающие во время его эксплуатации. В данной работе оптимальная высота уступа определяется путем выявления точки, в которой затраты по натурным показателям (энергоемкости и металлоемкости) комплекса горнодобывающего оборудования будут наименьшими.
Мощность залежи мрамора прочностью 80-120 МПа зададим равной 12 м. Мощность карьера 5000 м3 в год. Соответственно, для того, чтобы определить оптимальную высоту добычного уступа, при разработке массива алмазноканатными пилами, первоначально высоту уступа сделаем максимальной, равной 12 м. После этого необходимо определить соответствующий комплекс выемочно-погрузочного и транспортного оборудования и рассчитать затраты по нему. Далее делим существующий уступ 12 м. на два по-дуступа по 6 м.
При этом будет наблюдаться некоторое увеличение объема пиления на величину (п+1), где п-количество подуступов, и уменьшение натурных показателей (грузоподъемности) у выемочнопогрузочного и транспортного комплекса оборудования.
Таким образом, каждый раз деля уступ пополам, и в конце рассмотрев уступ высотой 2-, 1.5-и 1-м., мы сможем прийти к определенным выводам в соотношении увеличивающихся с уменьшением подуступов натурных показателей до-
бычных машин и уменьшающихся тех же самых показателей у комплекса транспортного и выемочно-погрузочного оборудования.
Те же самые операции необходимо проделать и для баровых машин, единственным ограничением для которых является длина бара, равная 3 м., что ограничивает высоту разрабатываемого уступа такой же величиной. Соответственно, разбиение на подуступы будет следующим: 2 по 1.5 м. и 3 по 1 м.
Первым шагом необходимо рассчитать общей годовой объем работ по пилению, выемке и транспортировке блоков камня при разработке массива алмазно-канатными установками и изменении высоты уступа от 1 до 12 м. Ширина и длина блоков для упрощения расчетов остаются неизменяемыми и равны соответственно Ь = 1 м. и L = 1 м. С изменением высоты уступа изменяется лишь высота блоков.
Таким образом, по формуле:
т=—, * Н *[Н *(*++(^)*(«+1)^ Чгод Ь * I * Н
где m - требуемое количество алмазноканатных установок; 0^ - годовой объем пиления, 5000 м3; qГOд- годовая производительность алмазно-канатной установки: qГOд = Р х 8 х2 х 254 , м2/год, где р - техническая производительность алмазно-канатной установки; Ь - ширина отделяемого блока, 1 м; L - длина отделяемого блока, 1 м; Н - высота уступа, м; п - количество уступов, на которое мы разбиваем полезную толщу залежи, определяем потребное количество алмазно-канатных установок, исходя из установленного годового объема пиления, при различной высоте уступа.
Марка автосамосвала Грузоподъемность, т Энергоемкость, кВт Объем кузова, м3 Масса, т
КамАЗ 5 97 4 10 .
МАЗ 5549 8 1З2 5.1 15.З
КРАЗ 256 Б1 12 17б б 2З
МоАЗ 6507 20 220 11.5 З9
БелАЗ 540С 27 2б4 15 48
Таблица 2
Марка погрузчика Грузоподъемность, T Энергоемкость, кВт Объем ковша, м3 Масса, т
Caterpillar З2,5 9ЗЗ 12.8 189
Caterpillar 19,5 4бб б.9 75
Comatsu 14 З28 5.1 44
Comatsu 8 2З5 З.7 27,б
Comatsu 5,2 97 1.8 10,5
Comatsu 2,9 59 1.4 б,З
При высоте уступа, равной 12 м: 5000
[12(1 +1) + (1 -1)(1 +1)] = 0.З8
7•8•2•254-1-1-12 При высоте уступа, равной 6 м: 5000
[12(1 + 1) + (1-1)(2 + 1)] = 0.З9
7 ■ 8 ■ 2 ■ 254 1 1 12 При высоте уступа, равной 4 м: 5000
[12(1 +1) + (1- 1)(З +1)] = 0.41
7 • 8•2•254 1 1 12 При высоте уступа, равной 3 м: 5000
7•8•2•254 1112
[12(1 +1) + (1 • 1)(4 +1)] = 0.42
При высоте уступа, равной 2 м: 5000
[12(1 + 1) + (1- 1)(б + 1)] = 0.45
7 ■ 8 ■ 2 ■ 254 1 1 12 При высоте уступа, равной 1,5 м:
5000
... -[12(1 +1) + (11)(8 +1)1 = 0.48 '
7 ■ 8 ■ 2 ■ 254-1-1-12
При высоте уступа, равной 1 м:
5000 ШТ.
т =-------[12(1 + 1) + (1 ■ 1)(12 +1)1 = 0.52
7■8 ■ 2■254-1-1-12
После этого строим график зависимости соотношения количества алмазно-канатных установок и высоты уступа. Далее необходимо построить график зависимости изменения энерго- и металлоемкости алмазно-канатных пил от изменения высоты уступа.
Следующим шагом определяем оптимально соответствующий комплекс выемочно-
погрузочного и транспортного оборудования для всех выбранных величин уступов.
Далее следует соотнести затраты по энерго-и металлоемкость добычных машин (учитывая их количество) с затратами по тем же пунктам при работе погрузчиков и автосамосвалов. Строим суммарный график зависимости затрат добычного, выемочно-погрузочного и транспортного комплекса оборудования. Исходя из него мы можем определить, что наименьшие затраты по натурным показателям приходятся на уступ высотой в 2-3 м (рис. 1).
Аналогично находим точку минимальных затрат для комплекса оборудования с использованием баровых машин. Максимальная высота уступа при этом не должна превышать 3 м. Данный уступ делим на два и на три подус-тупа. Для определения количества потребных баровых машин воспользуемся той же формулой:
При высоте уступа, равной 3 м:
т =-------5000-----[3(1 +1) + (1 _ +1)] = 0.46 шт.
7 • 8 • 2 • 254-1 -1 • 3
При высоте уступа, равной 1,5 м:
5000
7 • 8 • 2•254-1-1-З
[З(1 +1) + (1 • 1)(2 +1)] = 0.52
При высоте уступа, равной 1 м: 5000
• 2•254-1-1-З
[З(1 +1) + (1 1)(З +1)] = 0.58
m =
m =
m =
m =
m =
m
m
Энергоемкость Металлоемкость
90 /
> t—
400 300 У~ 80 70 60 Т /
/ /
/ /
200 У 40 30 /
/ /
/
0 10
1 з 5 7 9 10 ^ 1 3 5 7 9 10 ^
Рис. 1. Суммарный график зависимости затрат от высоты уступа
^ Энергоемкость Мет».
I 1.5 2 З М> ° 1 1.3 2 з
Рис. 2. Суммарный график зависимости затрат от высоты уступа
Далее следует соотнести затраты по энерго-и металлоемкость добычных машин (учитывая их количество) с затратами по тем же пунктам
при работе погрузчиков и автосамосвалов (рис. 2). Строим суммарный график зависимости затрат добычного, выемочно-
погрузочного и транспортного комплекса оборудования. Исходя из него мы можем определить, что наименьшие затраты по натурным показателям для баровых машин, как и для алмазно-канатных установок приходятся на уступ высотой в 2-3 м.
Заключение
Произведенные исследования позволили сформировать методику выбора параметров ресурсосберегающих технологий добычи природного камня при использовании алмазно-канатных установок и баровых машин. При этом сделан следующий вывод: число подуступов при выемке алмазноканатными установками и баровыми машинами должно формироваться исходя из высоты подус-тупа не превышающей 2-3 м., так как при этом достигается максимальная экономия затрат по натурным показателям для добычного, транспортного и выемочно-погрузочного комплексов оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технология добычи облицовочного камня, А.И. Косолапов Издательство красноярского университета, 1990.
2. Добыча и обработка природного камня, справочник. - М.: Недра, 1990.
3. Природный камень. Добыча блочного и стенового камня. Ю.Г. Карасев, Н.Т. Бакка, Санкт-Петербург: 1997.
4. Материаловедение для камнеобработчиков, Ю.Я. Берлин, Ю.И. Сычев, Л.Г. Кипнис, Ленинград: Стройиз-дат, 1990.
5. Облицовочный камень, И.Т. Бакка, И.В. Ильченко, - М.: Недра, 1992.
6. Обоснование технологических параметровдобычи блоков мрамора канатными пилами, Першин Г.Д., автореферат, М., 1992.
7. Облицовочные камни кубы, АН СССР, М.: Наука, 1981.
8. Исследование и обоснование технологии разработки нагорных месторождений облицовочного мрамора, Косолапов А.И., автореферат, М., 1993.
9. Технология горных работ на карьерах облицовочного камня, Ю.Г. Карасев, - М.: Недра, 1995.
10. Формирование технологии горных работ по структурно-технологическим зонам на карьнрах облицовочного камня высокой прочности, Ю.Г. Карасев, автореферат, Санкт-Петербург, 1993.
11. Обоснование технологий производства облицовочных изделий при комплексном использовании природного камня, Т.Ф. Зрелова, автореферат, М., 1987.
12. Природный камень в третьем тысячелетии, «Империя камня», журнал, №1/2001.
— Коротко об авторок ----------------------------------------------------------
Столярова Юлия Константиновна — студентка, Московский государственный горный университет.
