Прогнозирование параметров дробления горных пород в условиях направленного изменения их свойств поверхностно-активными веществами

Главная страница
Контакты

    Главная страница



Прогнозирование параметров дробления горных пород в условиях направленного изменения их свойств поверхностно-активными веществами



страница1/3
Дата19.08.2017
Размер0,75 Mb.
ТипАвтореферат диссертации


  1   2   3

На правах рукописи




ЖИЛИН Александр Сергеевич


ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ

ПОРОД В УСЛОВИЯХ НАПРАВЛЕННОГО

ИЗМЕНЕНИЯ ИХ СВОЙСТВ

ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург – 2006
Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»




Научный руководитель -


доктор технических наук, профессор

Латышев Олег Георгиевич





Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент

Ермолаев Александр Иванович


кандидат технических наук

Берсенев Геннадий Порфирьевич





Ведущая организация -

Институт горного дела УрО РАН


Защита состоится «_6_»_июля_ 2006 г. в _13:00_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, ауд. _2142_ (Факс(343) 2572471 ); E-mail: zhillin@rambler.ru




С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

Уральского государственного горного университета

Автореферат диссертации разослан «___»_июня_ 2006 г.



Ученый секретарь


диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Багазеев В. К.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы. Разрушение горных пород – определяющий процесс любой горной технологии. Закономерности разрушения горных пород ударом являются необходимым условием проектирования процессов бурения и обогащения полезных ископаемых. Исследование и управление качеством дробления горных пород взрывом – главная задача проектирования рациональных параметров буровзрывных работ. В настоящее время единой работоспособной теории разрушения, как и теории взрыва, не создано. Однако общепризнано, что эффективность разрушения определяется взаимосвязью и взаимовлиянием параметров применяемой техники и технологии процесса и свойств разрабатываемых пород.

Одним из наиболее перспективных направлений науки и практики совершенствования процесса разрушения является направленное изменение свойств и состояния горных пород. Эффективным инструментом такого управления может быть использование поверхностно-активных веществ (ПАВ), действие которых основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Поверхностно-активные вещества широко используются во многих областях промышленности. Однако в горном деле, особенно в процессах разрушения пород ударом и взрывом, их применение носит весьма ограниченный характер. Немногочисленные работы в этом направлении не выходят, как правило, за рамки экспериментальных исследований. Для успешного использования ПАВ в процессах динамического разрушения горных пород требуется решение ряда научных задач, важнейшими из которых являются совершенствование методики выбора оптимальной для конкретных условий поверхностно-активной среды и разработка системы прогнозных оценок эффективности применения ПАВ в указанных процессах. Все выше изложенное определяет актуальность темы данных исследований.



Объектом исследования диссертации является процесс динамического разрушения горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых.

Предмет исследования – характеристики дробления горных пород в условиях направленного изменения их свойств и состояния поверхностно-активными веществами.

Цель работы – разработка методов прогнозирования рациональных параметров дробления пород ударом и взрывом в меняющихся горно-геологических условиях.

Идея работы заключается в использовании закономерностей воздействия поверхностно-активных веществ (ПАВ) на свойства и состояние горных пород для прогнозирования и управления качеством их дробления с учетом глубокой аналогии процессов разрушения пород ударом и взрывом.

Основные задачи исследования:

1. Выполнить анализ физических закономерностей разрушения горных пород в изменяющихся горно-геологических условиях.

2. Обосновать критерии эффективности дробления пород ударом и взрывом и исследовать влияние поверхностно-активных веществ на свойства горных пород, определяющие характеристики данных процессов.

3. Разработать методику и установить характеристики дробимости, определяющие эффективность разрушения горных пород ударом и взрывом.

4. Совершенствовать методику выбора оптимальных растворов ПАВ с учетом их влияния на характеристики дробимости горных пород.

5. Разработать систему прогнозирования эффективности использования поверхностно-активных веществ в процессах дробления горных пород.


Методы исследований. В основу исследований положен комплексный подход, заключающийся в рассмотрении свойств горных пород, характеристик процессов их дробления и действия поверхностно-активной среды как единой взаимосвязанной системы. Полученные результаты базируются на теоретическом анализе физики дробления пород ударом и взрывом с использованием теории размерностей, лабораторном исследовании свойств пород и их изменчивости под действием ПАВ, результатах моделирования процесса дробления пород по оригинальной, разработанной автором методике. Анализ результатов исследований включает методы статистической проверки гипотез, дисперсионного и корреляционного анализов.

Защищаемые научные положения:

1. Критерии эффективности дробления горных пород ударом, представляющие собой безразмерную комбинацию свойств пород и параметров технологии, являющиеся основой прогноза и классификации пород по дробимости в условиях изменения их свойств и состояния поверхностно-активными веществами.

2. Методика прогнозирования рациональных параметров БВР, которая базируется на экспериментальном определении удельного импульса стандартного дробления и учитывает изменение дробимости горных пород под действием ПАВ.

3. Обоснование и поэтапный выбор эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации, осуществляется в три этапа:

- тренд-анализ временных рядов изменчивости контактной прочности пород;

- оценка свойств горных пород, формирующих соответствующие критерии эффективности;



- экспериментальное определение удельного импульса стандартного дробления.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений физики разрушения твердых тел, достаточным (с точки зрения принятой надежности – 95 %) объемом экспериментальных исследований, удовлетворительным соответствием результатов теоретических расчетов фактическим данным – расхождение не превышает естественной вариации характеристик дробимости горных пород.
Научная новизна результатов исследований заключается:

  • в обосновании критериев эффективности дробления горных пород ударом и взрывом как безразмерных комбинаций свойств пород и параметров процессов, являющихся новым инструментом выбора оптимальных растворов ПАВ и прогнозирования их влияния на параметры БВР;

  • разработке методики экспериментального определения показателей дробимости горных пород, отличающейся тем, что оптимальные условия опыта определяются установленной зависимостью выхода фракций от удельной энергии удара, а в качестве комплексной характеристики используется предложенное в работе выражение удельного импульса стандартного дробления;

  • обосновании комплексной методики выбора оптимальной поверхностно-активной среды, которая впервые учитывает совокупность эффектов действия ПАВ на контактную прочность поверхности, объемные свойства горных пород и характеристики их дробимости ударом.

Практическая значимость работы заключается в обосновании методики выбора оптимальных растворов ПАВ, использование которых позволяет существенно повысить качество дробления горных пород, разработке системы прогнозных оценок, дающих возможность априорно оценивать эффективность использования поверхностно-активных веществ в процессах дробления пород ударом и взрывом.

Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований; аналитическом обосновании критериев эффективности процессов дробления пород; в разработке и апробировании методики экспериментального определения удельного импульса стандартного дробления; совершенствовании методики и выборе оптимальных ПАВ; формировании основных выводов и рекомендаций работы.

Реализация результатов работы. Комплексная методика выбора оптимальных растворов ПАВ и прогнозирования эффективности их использования в процессах дробления горных пород ударом и взрывом передана для использования Институту горного дела УрО РАН, проектной организации «Уралгипроруда». Методика определения характеристик дробления пород на ударном копре используется при проведении лабораторных занятий по курсу «Методы и средства изучения быстропротекающих процессов» со студентами специальности «Взрывное дело». Методика проектирования рациональных параметров БВР, обеспечивающих заданное качество дробления горных пород, используется студентами при выполнении курсового проекта по дисциплине «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании». Автор участвует в проведении данных занятий и в их методическом обеспечении (как соавтор учебных пособий). Методика выбора ПАВ используется аспирантами кафедры шахтного строительства УГГУ при разработке методов управления трещиноватостью в процессах взрывного разрушения пород и борьбы с горными ударами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых, проводимой ЗАО «СУАЛ-Холдинг», Краснотурьинск, 2002 г.; на молодежной научно-практической конференции «Новые технологии и пути экономии затрат на предприятиях горно-металлургического и машиностроительного комплексов», –В. Пышма, 2003 г.; на Всероссийской научной конференции-конкурсе молодых ученых выпускного курса, 2003 г.; на международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», Екатеринбург, 2004 г.; на VI Международной конференции «Теория и практика добычи и переработки природного камня», 2006 г.; на ежегодных конференциях молодых ученых УГГУ. На Всероссийском конкурсе студенческих работ по девизом «Дробление» автором получен диплом, 2003 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Работа выполнена в рамках исследований по гранту Минобразования РФ (2003-2004 г. г.) «Управление свойствами и состоянием скальных горных пород поверхностно-активными веществами и проектирование оптимальных параметров их разработки в меняющихся горно-геологических условиях» (Т02-04.4-3154), где автор являлся исполнителем. Данная работа является непосредственным развитием исследований кафедры шахтного строительства УГГУ и проф. Латышева О. Г.



Объем и структура работы. Объем диссертации 138 страниц машинописного текста, включая 40 рисунков и 10 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 127 наименований и приложения.

В первой главе на основе анализа теорий прочности, основных концепций и гипотез разрушения горных пород взрывом определены общие принципы проектирования и управления качеством дробления пород, установлены факторы, определяющие параметры БВР. Показано, что перспективным способом повышения эффективности динамического разрушения горных пород является направленное изменение их свойств и состояния с помощью поверхностно-активных веществ. На основании выполненного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе обоснован комплекс показателей, определяющих эффективность процессов дробления горных пород, и методики экспериментальных исследований. Разработана методика выбора эффективных растворов ПАВ в их оптимальной концентрации, и установлено влияние активных растворов на свойства и состояние горных пород.

В третьей главе определена взаимосвязь характеристик разрушения горных пород ударом и взрывом, установлено влияние условий проведения эксперимента на результаты дробления пород на ударном копре. Обоснована и апробирована методика определения характеристик дробимости горных пород в условиях изменения их свойств и состояния поверхностно-активными веществами.

В четвертой главе получено аналитическое выражение критериев эффективности дробления горных пород ударом и взрывом и разработаны принципы классификации пород по дробимости. На основе использования комплексной характеристики – удельного импульса стандартного дробления обоснована методика прогнозирования параметров БВР, обеспечивающих заданное качество дробления горных пород с учетом изменения их свойств поверхностно-активными веществами. Рассмотрены элементы технологии использования ПАВ в процессах дробления пород, и намечены пути реализации результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Разработка прочных скальных пород осуществляется преимущественно буровзрывным способом, характеристики которого определяются физикой удара (процессы бурения) и взрыва. Анализ существующих концепций разрушения твердых тел (А. Гриффитс, С. Н. Журков, Дж. Ирвин, О. Мор, Е. Орован, Г. П. Черепанов) свидетельствует об отсутствии единой теории прочности. Более того, само понятие «разрушение» не имеет однозначной трактовки. В этой связи исследования по разрушаемости тел базируются на эмпирическом подходе. Применительно к процессам БВР основополагающие результаты получены Л. И. Бароном, М. Ф. Друкованым, Б. Н. Кутузовым, Э. О. Миндели, В. Н. Мосинцом, И. А. Остроушко, Г. И. Покровским, В. В. Ржевским, А. Н. Ханукаевым и др. Анализ данных работ показывает, что эффективность удара и взрыва определяется, прежде всего, прочностными и деформационными свойствами разрушаемых пород.

Перспективным средством управления свойствами горных пород является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ). Их действие основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера). Приоритет в развитии данного направления исследований принадлежит отечественным ученым (Ю. В. Горюнов, Ф. Д. Овчаренко, Н. В. Перцов, П. А. Ребиндер, Е. Д. Щукин и др.). Поверхностно-активные вещества широко используются в самых различных областях науки и практики. Применительно к процессам горного производства (бурение, резание, борьба с горными ударами) различным аспектам теории и практики использования ПАВ посвящены работы А. Д. Алексеева, Г. Я. Воронкова, И. И. Круглицкого, Н. Ф. Кусова, О. Г. Латышева, Г. И. Марцинкевича, Л. П. Шаболовой, О. А. Эдельштейна и др. Так, использование растворов ПАВ в качестве промывочной жидкости позволяет на 20-50 % повысить механическую скорость бурения, в 1,5-2,0 раза снизить износ и затупление бурового инструмента, в 2,0-3,7 раза уменьшить запыленность шахтной атмосферы (О. Г. Латышев). Однако исследования действия ПАВ на характеристики процессов удара и взрыва носят лишь эпизодический характер и не содержат практических рекомендаций.

Важной и необходимой задачей исследований в данном направлении является разработка системы прогнозных оценок эффективности использования ПАВ при динамическом разрушении горных пород. Теория и практика дробления пород ударом и взрывом свидетельствуют о том, что производительность процесса определяется сложным взаимодействием и взаимообусловленностью параметров технологии процесса и свойств разрушаемых пород. Тогда в качестве критерия эффективности целесообразно использовать соотношение


(1)
где R – совокупность показателей БВР, определяющих качество дробления горных пород; С – комплексный показатель свойств пород, характеризующий трудность их разрушения в данном процессе.

На основе анализа физики дробления тел, имеющихся теоретических и эмпирических соотношений параметров БВР установлены наиболее значимые показатели процесса. Для использования критерия в качестве универсальной характеристики требуется, чтобы входящие в формулу величины образовывали безразмерную комбинацию. Применение аппарата теории размерностей позволило установить структуру критерия. С целью использования критерия как классификационного признака предусмотрена процедура его нормирования, которая обеспечивает одинаковый интервал изменчивости критерия (от 0 до 10) для различных горно-геологических условий. Эта процедура заключается в приведении выражения (1) к виду Kн = ln[qiK], где qiнормирующий множитель. Окончательно критерий эффективности дробления горных пород взрывом выражается следующей формулой:


(2)
где р и сдв – прочность горных пород при растяжении и сдвиге; Ед – динамический модуль упругости;  - коэффициент Пуассона; kн – коэффициент неоднородности пород; Мт – линейный модуль трещиноватости. Коэффициент неоднородности горных пород kн пропорционален концентрации в них микротрещин. В. Н. Мосинцом предлагается оценивать его величину по отношению энергии деформации трещиноватой породы А1 к энергии деформации однородной породы А0 в виде kн = 1/3(Ед/Ест – 1). Учитывая выражение энергии упругой деформации А = 2/2Е, отношение А1/А0 можно заменить отношением динамического Ед и статического Ест модулей упругости; kн = 1/3(Ед/Ест – 1). Линейный модуль трещиноватости Мт (1/м) учитывает размер естественной отдельности (блочности) породного массива. Совокупность параметров БВР включает: полезную работу взрыва ввWвв ( - КПД взрыва, вв и Wвв – плотность и удельная работа применяемого ВВ); поверхность зарядной полости, пропорциональную квадрату диаметра заряда d2; объем разрушения породы единичным зарядом r2L (r – радиус действия заряда, пропорциональный линии наименьшего сопротивления ЛНС, L – глубина шпуров или скважин).

Применительно к разрушению горных пород ударом структура критерия эффективности (1) и комплексная характеристика свойств пород останутся неизменными. Совокупность технологических показателей определится конкретным способом разрушения. В общем случае удельная работа удара пропорциональна величине соотношения kвmуд2/L, где kв – коэффициент восстановления, аналогичный по смыслу КПД взрыва; m – масса ударника; уд – скорость удара; L – линейный размер разрушаемого объема. Коэффициент неоднородности пород kн, как характеристика их микротрещиноватости, играет ту же роль, что и при взрыве. Но модуль трещиноватости Мт, учитывающий блочное строение массива, использоваться не будет. С учетом всего этого критерий эффективности дробления горных пород ударом запишется в виде


(3)
где показатель N может интерпретироваться как число повторных ударов (при единичном ударе N = 1).

Для проверки адекватности и работоспособности предложенных критериев эффективности использован созданный на кафедре шахтного строительства УГГУ обширный банк данных по горно-технологическим параметрам и свойствам пород Урала, а также независимые литературные источники. Установлено, что входящий в критерии эффективности комплексный показатель свойств


(4)
надежно коррелирует с основными механическими характеристиками пород и их дробимостью. В частности, предложенный Л. И. Бароном и экспериментально определяемый показатель дробимости Vмакс может быть вычислен уравнением Vмакс = 15,9exp (-8,210-5C) с приемлемой для практики точностью (коэффициент вариации Квар = 22,5 %). Оценка индекса корреляции (R2 = 0,765) свидетельствует о статистической значимости зависимости.

Величину критериев эффективности предлагается использовать для прогнозирования рациональных параметров БВР в конкретных горно-геологических условиях по известным свойствам разрабатываемых пород. Так, в общем случае величина ЛНС соответствует удвоенному радиусу влияния заряда (W = 2r). Обозначив XW = ln{qiMтввWввL/(d2C)}, из уравнения (2) получим:


(5)
Расчеты, выполненные для различных условий проходки выработок на СУБРе, показали хорошее соответствие расчетных и реальных данных (рис. 1). Опытные значения ЛНС показаны горизонтальными линиями на графике.

У
дельный расход ВВ, как отношение одновременно взрываемого ВВ к разрушаемому объему Q/V, при постоянных для данных условий коэффициентах заряжания и использования шпуров (КИШ), пропорционален квадрату отношения qвв  (d/r)2. Эту величину также можно выразить из формулы критерия (2). Однако удельный расход ВВ помимо свойств пород и применяемого ВВ зависит от ряда факторов, определяющих условия взрывания: наличия свободных поверхностей, типа вруба, ступеней замедления и др. Поэтому отношение (d/r)2 показывает лишь тенденцию изменения qвв в различных условиях. Эта тенденция в соответствии с уравнением (2) может быть записана в виде: qвв  exp(-Kв), где  - коэффициент условий взрывания, учитывающий выше приведенные факторы. В соответствии с энергетической теорией дробления эта зависимость должна быть экспоненциальной, что и соответствует виду данного уравнения. Учитывая установленную нами обратную взаимосвязь критерия Кв и коэффициента крепости пород f (Кдр=1,84ln f +9,7), получим подтвержденный теорией и практикой взрывного дела факт повышения удельного расхода ВВ с ростом крепости горных пород.

Таким образом, предлагаемые критерии адекватно отражают основные закономерности дробления горных пород ударом и взрывом. Их величина позволяет оценивать эффективность процессов дробления в меняющихся горно-геологических условиях, в частности, при направленном изменении свойств и состояния горных пород. Всестороннее изучение данного вопроса, выполненное на кафедре шахтного строительства УГГУ (О. Г. Латышев) применительно к горным породам Урала и Донбасса, а также наши экспериментальные исследования гранитов Шарташского карьера показали существенное снижение прочности пород под действием ПАВ (табл. 1).

Установлено, что действие ПАВ приводит к заметному пластифицированию горных пород – снижению их статического модуля упругости Ест в 1,3-1,7 раза. Вместе с тем проникновение растворов ПАВ в трещины и пустоты пород несколько (на 7-15 %) увеличивает динамический модуль упругости и акустическую жесткость среды. Все эти факторы облегчают дробление горных пород, а приведенные выше соотношения позволяют количественно оценить эффективность действия ПАВ и дать прогноз рациональных параметров БВР.


Каталог: upload -> diser
upload -> Перечень рефератов по специальности фармация
upload -> Реферат и аннотация общие требования
upload -> Автоматизированные системы управления и приборы автоматики
diser -> Методические основы системы комплексного экологического мониторинга промышленной площадки медеплавильного комбината ( на примере ОАО
diser -> Повышение эффективности буровой установки с верхним приводом
diser -> Выбор рациональных параметров рабочего оборудования мощных гидравлических экскаваторов прямого копания
diser -> Обоснование и выбор рациональных параметров эксплуатации экскаваторов цикличного действия
diser -> Обоснование динамических режимов при проектировании шахтных подъемных установок
diser -> Исследование закономерностей и разработка технологии окатывания медьсодержащих материалов и технологических отходов металлургии
  1   2   3

  • Научный руководитель
  • С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
  • Ученый секретарь
  • Научная новизна результатов исследований заключается
  • ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ