автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Комплекс средств для оценки свойств массивов горных пород на карьерах

кандидата технических наук
Жуковский, Алексей Алексеевич
город
Челябинск
год
1999
специальность ВАК РФ
05.15.03
цена
450 рублей
Диссертация по разработке полезных ископаемых на тему «Комплекс средств для оценки свойств массивов горных пород на карьерах»

Текст работы Жуковский, Алексей Алексеевич, диссертация по теме Открытая разработка месторождений полезных ископаемых

Научно-технический центр угольной промышленности по открытым горным работам - Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по добыче полезных ископаемых открытым способом (НТЦ-НИИОГР) Минтопэнерго РФ и Уральского отделения РАН

На правах рукописи

Жуковский Алексей Алексеевич

Комплекс средств для оценки свойств массивов горных пород на карьерах

Специальности 05.15.03. Открытая разработка месторождений

полезных ископаемых. 05.13.07. Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: доктор технических наук

Денисов Сергей Егорович

Челябинск,1999 г.

_ о _

£О

Содержание

Введение 4

•Глава 1. Состояние работ, задачи и структура научных исследований 10

1.1. Способы определения свойств горных пород в условиях открытых горных работ (ОГР) 10

1.2. Средства для определения свойств массивов горных

пород в условиях ОГР 15

1.3. Требования к разрабатываемым средствам 22

1.4. Основные задачи, методы и структура научных исследований 26

Глава 2. Оценка свойств массивов горных пород в процессе их

разработки для обеспечения БВР 31

2.1. Целесообразность повышения точности сведений о свойствах горных пород 31

2.2. Совместимость средств информационного обеспечения с технологическим процессом буровзрывных работ на карьерах. 48

2.3. Уточнение параметров БВР по сейсмическим данным. 52

2.4. Выводы. 58 Глава 3. Аппаратурно - измерительный комплекс для оценки

свойств горных пород на карьерах 60

3.1. Управление процессами измерений 60

3.2. Возбуждение колебаний при исследованиях в условиях

ОГР 63

3.2.1.Электродинамические излучатели для скважинных источников малой мощности 63

3.2.2.Мощный источник крутильных колебаний 69

3.2.3.Возбуждение колебаний в водной среде источником электроискрового типа 76

3.2.4.Импульсный источник звуковых колебаний в воздушной среде 81

3.3. Прием сейсмического сигнала в условиях ОГР 86

3.3.1.Прием сейсмического сигнала в условиях интенсивых электромагнитных помех 86

3.3.2.Применение акселерометров в качестве датчиков сейсмического сигнала. 94

3.4. Регистрация сейсмического сигнала 97 3.4.1.Запись сейсмического сигнала на магнитный носитель 97

3.4.2.Увеличение числа регистрирущих каналов сейсмос-

танции 99

3.4.3.Анализ сигнала, записанного в памяти сейсмостан-

ции, аналоговыми приборами. 100

3.5. Выводы и результаты 104 Глава 4. Исследования и испытания разработанного аппаратурного комплекса 107

4.1. Структура аппаратурно-измерительного комплекса 107

4.2. Применение аппаратурно-измерительного комплекса 110

4.3. Выводы 115 Заключение 116 Литература 119 Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Эффективность ведения буровзрывных работ на карьерах во многом определяется точностью и оперативностью сведений о свойствах горных пород разрабатываемого массива. Ошибки при определении и учете свойств пород приводят к ухудшению дробления или перерасходу взрывчатых веществ, что увеличивает затраты на буровзрывные работы. На участках со сложным геологическим строением для получения удовлетворительных результатов дробления приходится вести работы с явно завышенными удельными расходами взрывчатых веществ (например, на разрезе "Ольжерасский" в 1995 г. он составлял 1,4 кг/м3, что в 1,5 раза выше среднего по Кузбассу) . В то же время снижение удельного расхода, разрежение сетки скважин, не обоснованные более точными сведениями о массиве, могут привести к существенным экономическим потерям. Наиболее адекватные и оперативные сведения о массиве могут быть получены на основе исследований свойств пород в естественном залегании методами многоволновой сейсмометрии. Однако большинство средств, используемых при таких исследованиях, сложны, не приспособлены к условиям открытых горных работ, требуют привлечения высококвалифицированных специалистов, плохо вписываются в технологический процесс, вследствие чего не находят широкого применения на действующих горнодобывающих предприятиях. Таким образом, проведение исследований, направленных на повышение технологичности средств измерений и создание специализированного аппаратурно-измерительного комплекса для совершенствования информационного обеспечения буровзрывных работ на карьерах является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка средств для оперативного определения свойств пород в естественном залегании при проведении буровзрыв-

ных работ на карьерах.

Основная идея состоит в повышении технологичности средств информационного обеспечения, максимальной их адаптации к условиям действующего горнодобывающего предприятия.

Основными задачами исследований являются:

1. Определение принципов совместимости средств информационного обеспечения с технологическим процессом буровзрывных работ при разработке сложноструктурных массивов пород на действующих предприятиях.

2. Обоснование структуры алпаратурно-измерительного комплекса для получения надежных и оперативных сведений о свойствах пород массива сложного строения в составе технологического процесса буровзрывных работ.

3. Изучение влияния воздействия помех в условиях действующего горнодобывающего предприятия на качество получаемой информации, разработка адекватных мер борьбы с ними и соответствующих устройств; оценка эффективности их применения.

4. Разработка оптимальных систем управления электродинамическим, электроискровым, электромашинным и акустическим источниками колебаний.

5. Разработка элементов алпаратурно-измерительного комплекса для получения информации о свойствах и состоянии массива горных пород: невзрывных источников сигнала, помехозащищенных приемных устройств, средств связи, управления и синхронизации, узлов регистрирующих устройств; испытания и оценка их применения.

Защищаемые научные положения:

1.Повышение точности сведений о массиве горных пород, необходимых для эффективного проведения буровзрывных работ, целесообразно, если информационное обеспечение является частью технологической цепи, а применяемые для этого средства объединены в специализированный аппа-

ратурно-измерительный комплекс, предназначенный для работы в условиях действующего горнодобывающего предприятия.

2.Повышение оперативности и надежности информационного обеспечения буровзрывных работ при разработке сложноструктурного массива горных пород возможно при использовании в алпаратурно-измерительном комплексе разработанных источников колебаний, с автоматизацией и оптимизацией режимов их работы, помехозащшценных приемных устройств, синхронизации процесса измерений по радиоканалу.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, рекомендаций подтверждаются результатами комплексных исследований разработанных средств и способов на горнодобывающих предприятиях с различными горногеологическими условиями (на угольных разрезах КАТЭКа, Кузбасса, строительных и рудных карьерах, при инженерных изысканиях) в течение длительного времени (более 10 лет), большими объемами исследований с обработкой экспериментального материала методами математической статистики, положительными результатами испытаний и использования созданных образцов новой и модернизированной аппаратуры.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены принципы совместимости средств информационного обеспечения с технологическим процессом буровзрывных работ, заключаю-' щиеся в том, что повышение точности информации не должно сопровождаться увеличением длительности, стоимости, ухудшением безопасности проведения этих работ;

- обоснована структура алпаратурно-измерительного комплекса для получения оперативной информации о свойствах сложноструктурного массива горных пород методами многоволновой сейсмометрии в специфических условиях действующего горнодобывающего предприятия;

- установлены оптимальные параметры устройств управления источни-

ками сейсмического сигнала (электродинамическим, электроискровым, акустическим, электромашинным) по критериям обеспечения эффективного возбуждения, оперативности и безопасности работ в условиях действующего горного предприятия;

- разработан способ оценки работы помехоподавляющих и согласую-ще-симметрирующих устройств аппаратурно-измерительного комплекса по критерию отношения показателей дисперсий на частоте полезного сигнала к сумме отношений остальных дисперсий разложения сигнала в выбранном частотном окне.

Методы исследований: обобщение и анализ существующих способов и средств получения информации о массиве горных пород; физическое моделирование условий открытых горных работ при лабораторных исследованиях; математический анализ при определении оптимальных характеристик средств информационного обеспечения; комплексные эксперименты в промышленных условиях с использованием разработанных устройств; статистический анализ при обработке экспериментального материала.

Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты позволяют производить оперативную оптимизацию буровзрывных работ на действующих предприятиях открытых разработок со сложной структурой залегания и широко меняющимися свойствами горных пород, обнаруживать локальные неоднородности, проводить инженерные изыскания для строительных работ, разрабатывать специализированные комплексы аппаратуры для решения задач горного производства с учетом структурных и производственных условий проведения горных работ.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы: при проведении работ по корректировке параметров буровзрывных работ на разрезах "Красногорский", "Ольжерасский", "Листвянский" Кузбасса, на карьере "Новосмолинский" (Челябинск); при проведении опытных работ для

оптимизации буровзрывных работ в Уранасбесте (г. Асбест, Свердловской обл.); при разработке технологии и проведении опытных работ по обнаружению крепких включений во вскрышных массивах КАТЭКа на разрезах "Бородинский" и "Березовский"; при исследовании геологического строения и выявления участков повышенной прочности на разрезе "Красногорский" Кузбасса; при детализации геологического строения, изучении блочности и трещиноватости по профилю перехода строящегося метрополитена через реку Миасс; для выявления старых горных выработок около города Челябинска; для оценки свойств грунтов под фундаментом пильгерстана на ЧТПЗ; при проведении модельных исследований, отладки вновь разрабатываемых устройств, других исследованиях (например, при разработке- способа и аппаратуры для дефектоскопии изделий ЮУФЗ).

Личный вклад автора заключается в определении структуры и свойств элементов аппаратурно-измерительного комплекса для исследований слож-ноструктурного массива, для реализации способа корректировки параметров буровзрывных работ по сейсмическим данным, определении принципов совместимости средств информационного обеспечения с технологическим процессом буровзрывных работ, разработке критерия эффективности и способа оценки работы помехоподавляющих устройств, установлении оптимальных параметров управления электродинамическим, электроискровым и акустическим источниками, принципов построения, алгоритмов и режимов работы привода источника крутильных колебаний на моментном двигателе, исследованиях и испытаниях разработанных способов и устройств в лабораторных и промышленных условиях.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы по частям и в целом докладывались и получили одобрение: на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г.Люберцы, 1987 г.), на конференции "Молодые ученые КАТЭ-

Ку" (г. Красноярск, 1988г.), на IV Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г. Москва, 1989 г.), на научных семинарах и ученом совете НИИОГР (1985-1999 гг.), на предприятиях и в организациях, где проводились практические работы и испытания методов и аппаратуры.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ (в том числе 2 патента), в которых отражено ее основное содержание.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе д.т.н.,

проф. Галкину В.А., Макарову A.M.,.......Ташкинову A.C., Хохрякову B.C.,

Шестакову А.Л., Бирюкову A.B., к.т.н. Воронцову И.В.

Глава 1. Состояние работ, задачи и структура научных исследований.

1.1. Способы определения свойств горных пород в условиях открытых горных работ (ОГР).

Буровзрывные работы (БВР) являются одним из главных звеньев горнодобывающего комплекса открытых разработок месторождений полезных ископаемых. С помощью БВР осуществляется подготовка к экскавации около 70 % объемов вскрышных работ. От результатов БВР зависит эффективность последующих технологических операций вскрышных и добычных работ. Например, уменьшение крупности среднего куска взорванной горной массы примерно вдвое (от 1000 до 450 мм) увеличивает техническую производительность экскаваторов в породах с крепостью по М.М.Протодьяконову Т = 5-6 на 30 %, а в породах с Г - 6-8 - на 60 % [43,55]. Поэтому одним из главных условий интенсификации процессов добычи полезных ископаемых открытым способом является повышение эффективности БВР. Совершенствование техники и технологии БВР с целью повышения их результативности при учете многообразия условий открытых разработок требует большого внимания к их научному обеспечению.

Эффективность ведения буровзрывных работ на предприятиях с открытым способом добычи полезных ископаемых во многом определяется точностью и оперативностью сведений о состоянии разрабатываемого массива горных пород. Ошибки при определении и учете свойств массива приводят к ухудшению дробления или перерасходу взрывчатых веществ, что увеличивает затраты на буровзрывные работы. На участках со сложным геологическим строением применяемые на практике способы определения свойств массива не обеспечивают необходимой точности и для получения удовлетворительных результатов дробления приходится вести работы с явно завы-

шенными удельными расходами взрывчатых веществ (например, на разрезе "Ольжерасский" в 1995 г. он составлял 1,4 кг /м3, что в 1,5 раза выше среднего по Кузбассу). В то же время снижение удельного расхода, разрежение сетки скважин без применения более точных сведений о массиве может привести к существенным экономическим потерям.

Все способы получения информации о свойствах пород можно разделить на лабораторные, энергометрические, натурные, прогнозные и геофизические [3,34,42,62,69].

Лабораторные способы получения информации о свойствах пород [69] предполагают отбор образцов и их испытание с помощью специального оборудования. Они широко применяются при проведении геологоразведочных работ. При этом определяются объемная масса породы, влажность, пористость, пределы прочности при сжатии, растяжении и сдвиге, упругие характеристики. Наиболее глубокие исследования свойств пород лабораторными методами для горного дела проведены школой проф. Барона Л.И. и школой КузГТУ (Штумпф Г.Г., Шаламанов В.А.) [3,34]. Этими исследованиями, кроме традиционных, разработаны специальные горнотехнические показатели: абразивность, контактная прочность и др.

Лабораторные способы дают хорошую точность при определении прочностных свойств образцов пород. Однако они не дают исчерпывающей информации о свойствах массива, поскольку исследуемые образцы претерпели изменения при разгрузке от горного давления, изменили свою влажность в процессе отбора. Полученные сведения не отражают естественной обводненности и влияния основной системы трещин. В то же время известно, что трещиноватость скальных пород является главным фактором, определяющим способность массива сопротивляться разрушающим воздействиям. Исследования показали, что прочность на срез массивов скальной породы из-за трещиноватости и неоднородности свойств может не превышать 5-9%

от беж, определенной на образцах [20]. Таким образом, сведений, полученных при исследованиях на образцах, недостаточно для характеристики массива при проведении буровзрывных работ. Кроме того, лабораторные способы весьма трудоемки и не обеспечивают необходимой оперативности информационного обеспечения процесса БВР.

Натурные способы основаны на применении специальных переносных приборов и исследовании образцов пород непосредственно на блоке. Применение этих способов позволяет оперативно получать информацию о свойствах пород при меньшей по сравнению с лабораторными методами точности. Так, например, в работе Карлхайнца Г. предлагается использовать молоток специальной конструкции и определять прочностные свойства по величине отскока молотка от пор�