CC BY
61
ОС 622.278
О. Г. Латышев, А. С. Жилин, И. С. Осипов ПУТИ ПОВЫШЕ НИЯ КАЧЕСТВА ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ'
Важнейшей задачей проектирования н реализации буровзрывных работ (БВР) является повышение качества дробления разрушаемого массива, которое определяется параметрами процесса взрыва и свойствами горных пород. В соответствии с этим можно выделить два генеральных направления исследований - разработка способов управления энергией взрыва и направленное изменение свойств горных пород.
В рамках первого направления положительные результаты дает применение специальных конструкций зарядов ВВ. Так. введение в заряд инертного сердечника позволяет псрсраспреде-■игть напряжения в блоке взрываемого массива, тем самым управляя характером разрушения горных пород. Теоретическими и экспериментальными исследованиями кафедры шахтного строительства УГГУ установлено следующее. Качество дробления горных пород зависит от геометрических параметров и материала сердечника. Предложенная система критериев позволяет обоснованно устанавливать данные характеристики для конкретных горно-геологических условий [5]. Применительно к скальным породам Урала наилучшие результаты даст сердечник из дерева (сосна) с отношением его диаметра к диаметру заряда 0,30 - 0,35. Использование конструкции заряда ВВ с таким сердечником на Дегтярском, Гумешевском и Крылатском рудниках позволило существенно увеличить равномерность дробления сульфидных руд, в частности, исключить выход негабарита ив 1,5-2,5 раза снизить выход пыли.
Другим перспективным способом повышения качества дробления горных пород взрывом является управление свойствами и состоянием разрабатываемого массива. Эффективным средством такого управления является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ/. В соответствии с эффектом Ребиндера [9] адсорбция молекул ПАВ на поверхности трещин и контактах минеральных зерен сопровождается снижением поверхностной энергии горной породы. Проникая в мельчайшие трещины и поры, активный раствор оказывает расклинивающее действие, способствуя разрушению пород. Все это в совоку пности приводит к заметному разупрочнению горных пород.
Нашими исследованиями применительно к месторождениям Урала и Донбасса установлено, что действие оптимально подобранных растворов ПАВ сопровождается снижением прочности (от 20 до 70 %) и модуля упругости (в среднем в 1,3 - 1.5 раза) горных пород. Это позволяет использовать поверхностно-активные вещества для повышения эффективности процессов горного производства. Опытно-промышленные испытания разработанной технологии бурения шпуров и скважин с использованием ПАВ показали следующие результат!,I [6]. С увеличением скорости бурения в 1,16 - 1,52 раза введение ПАВ в промывочную жидкость позволило в 1,2 - 1,4 раза уменьшить износ и зату пление бу рового инструмента, в 1,6 - 3,7 раза снизить запыленность шахтной атмосферы в зоне работы бурильщика.
Анализ всех этих результатов позволяет нротпозировать высокий эффект использования поверхностно-активных веществ и при ведении взрывных работ. Гак, расчет, выполненный по методике оценки взрывасмости горных пород В. В. Ржевского [10], показывает, что при тех же горно-геологических условиях насыщение уассива растворами ПАВ позволяет снизить удельный расход ВВ в среднем в 1,4 раза, или для достижения таких же результатов взрыва увеличить линию наименьшего сопротивления (ЛНС),т. е. уменьшить обьем буровых работ. Однако данная методика не позволяет надежно прогнозировать изменение качества дробления пород взрывом.
Эффективность и качество дробления во многом определяются количеством и распределением в горной породе микротрещин. В. Н. Мосннцом (8) предложена методика расчета параметров БВР, определяющим параметром которей служит коэффициент неоднородности, пропорцио-
•Работа выполнение соответствии с исслелованими по гранту Минобразования РФ.
нальный концентрации микротрещин в горной породе. Наши исследования [4] показывают, что действие ПАВ в условиях, соответствующих напряженному состоянию реального массива, приводит к увеличению концентраций микротрещин в горной породе в 4 и более раз. При этом распределение трещин по их длине имеет логарифмически нормальное распределение, параметры которого определяются средним размером минеральных зерен. Аналитические расчеты с учетом этих данных дают результаты, сопоставимые с полученными по методике В. В. Ржевского, т. с. увеличение степени дробления или снижение удельного расхода ВВ при сохранении тою же качества дробления составляют в среднем 40 %.
Однако в силу кратковременности действия при взрыве огромных давлений участвовать в процессе разрушения способны не все, а только некоторая часть микротрещин и других дефектов, которые называют активируемыми нарушениями. Коллективом исследователей кафедры шахтного строительства УГГУ (В. А. Безуатерных, Г. П. Берсенев и др.) разработаны оригинальная теория и методика расчета параметров БВР. а также оценки качества дробления горных пород взрывом с заданной степенью надежности. Эти разработки основаны на учете числа активируемых нарушений в разрушаемом объеме, но работоспособной методики априорного их определения нет. Предлагается оценивать концентрацию таких нарушений по результатам опытного взрыва путем статистического анализа гранулометрического состава разрушенных пород. Однако для обеспечения надежности результатов необходимо производство нескольких взрывов, что, учитывая их трудоемкость, существенно затрудняет использование предлагаемой методики.
Нами предлагается другой католический подход к определению концентрации активируемых нарушений, основанный на доказанной глубокой аналогии между характером разрушения горных пород ударом и взрывом [ 1). Разрушение и анализ характеристик дробимости свободным ударом не представляет затруднений и может быть выполнено требуемое число раз в лабораторных условиях. Для отработки методики моделирования изучено влияние на характеристики дробимости горных пород формы и размеров образца, энергии и скорости удара. Определены рациональные параметры опыта и доказана возможность использования для моделирования процесса дробления скальных пород стандартного копра с массой падающего груза 16 кг. Это даст возможность реализации методики в производственных условиях. Процедура обработки данных экспериментов основана на следующих положениях.
Гранулометрический состав разрушенных взрывом горных пород наиболее точно описывается следующим выражением (2):
Р(х) = о)1Р1(х) + (о2Р2(х); (1)
О), + о2 = 1,
где /»(л) - вероятностная функция распределения кусков породы по размераV, образованных действием прямой волны; Р,(х) - распределение кусков, образованных действием волны, отраженной от свободной поверхности; со, и (о, - доля первого и второго механизмов при дроблении горных пород взрывом. Установлено [3], что распределение Р;(х) может иметь различный аналитический вид в зависимости от условий взрывания и свойств горных пород, а распределение />,(*) независимо от параметров взэыва имеет экспоненциальное распределение вида
ад = 1-ехр(-уд*). (2)
Здесь у£ - параметр, пропорциональный плотности активируемых взрывом нарушений в горной породе (на единиц)' длины). В указанной выше работе доказано, что его величина зависит от общего числа дефектов разрушаемой породы у0 и удельного расхода ВВ у.
Ус =Уо<7'. О)
где показатель степени п зависит от типа взрывной волны. От одиночного шпурового или сква-жиниого заряда распространяется цилиндрическая волна напряжений. При совместном действии нескольких зарядов волны накладываются друг на друга и, выходя на свободную поверхность, трансформируются в плоскую волну растяжения. При достаточном числе шпуров или скважин в ряду их можно рассматривать как единый плоский заряд. Для такого плоского заряда /7=1, для цилиндрического - п= 1/2.
В рассматриваемых нами экспериметгтах по механическому дроблению горных порол ана-I удельного расхода ВВ может служить энергия удара (?. ОбраЗотка серии экспериментов по Г тению свободным ударом известняков Североуральских бокситовых месторождений позволен получить следующее уравнение связи:
у,=0,56<?,м. (4)
Высокий коэффициент корреляции (К = 0,97) свидетельствует о статистической значимости полученной зависимости. Величина показателя степени п = 1,11 достаточно близка к единице, т. е. условия ударного разрушения горных тюрод соответствуют действию плоской волны напря-1ий. Таким образом, по результатам анатиза гранулометрического состава пород, разрушен-свободным ударом, можно оценивать концентрацию активируемых нарушений. Степень дробления горных пород /определяется импульсом взрыва //= УГ'п, где У- константа горной породы, которую можно представить как комплексную характеристику ее дробимо-сти. Отсюда // /2 = 1 / У2, и это отношение остается постоянным как при взрывном, так и при ударном разрушении горных пород. Удельный импульс удара /. - /ш л / У= ро ,, где о а - скорость Заара; т, Vи р - масса, объем и плотность разрушаемой породы соответственно. В. М. Мальцевым [7] отношение
1 (5)
названо нормированным импульсом дробления. Эта величина является комплексной характеристикой горной породы, показывающей, какой степени дробления /можно достичь при заданной скорости удара о . Автором [7] убедительно доказана адекватность данного показателя степени дробления горных пород взрывом. Им разработана методика расчета параутетров БВР, обеспечивающих заданное качество дробления.
Нормированный импульс дробления может быть достаточно просто определен на ударном юопрс. Проведенные нами экспериментальные исследования позволили определить параметры удара, обеспечивающие стабильность данного показателя (коэффициент вариации не превышает 18 %). Результаты показывают, что нормированный импульс дробления дает надежную оценку изменения дробимости горных пород под действием поверхностно-активных веществ. Определение его величины позволяет оценивать эффективность использования ПЛВ. а также определять рациональный для данных условий удельный расход ВВ и расстояние между зарядами.
Таким образом, совместное использование разработанной конструкции зарядов ВВ и поверхностно-активных веществ позволяет управлять качеством дробления горных пород, а полученные на основе опыта аналитические соотношения создают базу для определения оптимальных параметров взрыва и прогнозирования эффективности БВР. Для комплексного решения данной задачи предполагаются исследования в следующих направлениях:
разработка методики ударного уюделирования дробления пород взрывом, позволяющей устанавливать рациональные параметры опыта для различных типов горных пород и обеспечивающей получение надежных результатов;
обоснование аналитической процедуры определения активируемых взрывом нару шений по результатам дробления горных пород ударом;
создание расчетного метода проектирования рациональных параметров БВР в условиях направленного изменения свойств и состояния горных пород, включающего выбор оптимальных для данных горно-геологических условий растворов ПАВ;
форушрованис комплексного критерии эффективности буровзрывных работ, учитывающего конструкцию зарядов ВВ, и изменяющиеся под действием ПАВ параметры процессов бурения и взрывания горных пород.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Барон Л. И., Хмслысовский И. Е Разрушасмость горных пород свободным ударом. М.: Наука, 1971.203 с.
2. Безматерных В. А., Снманов В Г. Симметрия и критерий дробимости осколков // Изв. вузов Горный журнал. 1978. X? 12. С. 40-45.
3. Берсенев Г. П. Управление качеством взрывного дробления горных пород на нерудных карьерах: Дисс.... канд. техн. наук. Свердловск. 1989. 185 с.
4. Влияние поверхностно-активных веществ на развитие трсщиноватостн нагруженных горных пород / О. Г. Латышев. Н. И. Иванова. С. С. Иванова. Н. В. Псрцов // Изв. вузов. Горный журнал. 1988. № 12. С. 4-8.
5. Латышев О. Г., Азанов М. А. Определение >ффсктивности использования ВВ с ииерппли сердечником для борьбы с пылью при взрывных работах "■ Изв. вузов. Горный ж>рнал. 1999. № 3-4. С. 1-3.
6. Латышев О. Г. Использование поверхностно-активных веществ в процессах горного произволства // Изв. Уральской гос. горно-геологическоЯ академии. Вып. 11. Сер: Горное дело. Вып. II. 2000. С. 153-159.
7. Мальцев В. М. Разработка метода расчета разрушения солевых и скальных горных поэод импульсов взрыва удлиненных цилиндрических зарядов: Лисс-хаид. техн. наук. Пермь. 1997. 120 с.
8. Мосннец В. //., Абрамов А. В. Разрушение трешиноватых и нарушенных горных пород. М.: Недра. 1982. 248 с.
9. Ребнндер П. А. Избранные труды: Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1979.-382 с.
10. Ржевский В. В. Процессы открытых горных работ. М: Недра, 1974. 520 с.
УДК 622.7
Р. А. Стихарев, А. Г. Шишков
ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧИ И КРИТЕРИЕВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ЦЕМЕНТНОГО СЫРЬЯ В ОАО «СУХОЛОЖСКЦЕМЕН Г»
В качестве компонентов портландцементной сырьевой смеси в ОАО «Сухоложскцемент» используется известняк Кунарского месторождения цементного сырья, аргиллит Ново-Сухоложс-кого месторождения цементных глин и аргиллитов, трепел Курьинского месторождения трепелов и опок, гранулированный железосодержащий шлак медеплавильного производства. Приготовление сырьевой смеси производится по мокрому способу. При совместном помоле компонентов сырьевой смеси в мельницы поступает вода. Из сырьевых мельниц выходит шлам с влажностью около 36 %. Химический состав сырьевой смеси корректируется порционным способом. Различные виды сырьевого шлама из мельниц поступают в вертикальные шламовые бассейны, где подвергаются пневматическому перемешиванию. Объем каждого вертикального шламового бассейна составляет 800 м\ После химического анализа шламы в заданной пропорции сливаются в горизонтальный шламовый бассейн, который представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар емкостью от 6000 до 8000 м\ В горизонтальном бассейне сырьевая смесь гомогенизируется, то есть подвергается пневматическому и механическому перемешиванию.
В горизонтальных шламовых бассейнах происходит трансформация высокочастотной составляющей спектра колебаний качества в ультравысокочастотную, находящуюся за пределами чувствительности технологического процесса. Зона эффективного смешивания горизонтального шламового бассейна равна его объему. Поэтому мероприятия по управлению качеством цементного сырья при мокром способе приготовления сырьевой смеси и порционном способе корректирования ее химического состава, направленные на устранение колебаний с периодом меньше вместимости горизонтального шламового бассейна по данному виду сырья, не имеют никакого смысла. В то же время горизонтальный шламовый бассейн никак не воздействует на колебания химического состава сырья с периодом больше вместимости бассейна поданному виду сырья.
При отработке месторождений цементного сырья со значительной долей в общем спектре колебаний с периодом, превышающим вместимость горизонтального шламового бассейна по данному виду сырья, возникают колебания химического состава сырьевой смеси, подаваемой на печи, при переходе с одного горизонтального бассейна на другой. При этом снижается срок службы
