автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Экспериментально-теоретические основы управления качеством взрывной подготовки пород при открытой угледобыче

; Ы

КО оь 91

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ УГЛЯ

На правах рукописи ТАШКИНОВ Александр Сергеевич

УДК 622.235.527

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВЗРЫВНОЙ ПОДГОТОВКИ ПОРОД ПРИ ОТКРЫТОЙ УГЛЕДОБЫЧЕ

Специальности: 05.15.11 — «Физические процессы горного

производства» 05.15.03 — «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых»

Л лтореферат

диссертации на соискание ученой степени докторлг технических наук

Кемерово 194)1

-П,

Работа выполнена п Кузбасском политехническом институте.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Кулаков Геннадий Иванович

доктор технических наук Казаков Николай Николаевич

' . доктор технических наук,

профессор Хохряков

Владимир Степанович

Ведущее предприятие— концерн «Кузбассразрсзуголь».

Защита диссертации состоится « б » 1991 г.

в « /О» часов на заседании специализированного совета по присуждению ученых степенен Д 003.57.01 при Институте угля Сибирского отделения АН СССР по адресу:

650010, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « ^ » ^ , 199} г

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук,

профессор В. Н. ВЫЛЕГЖАНИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В энергетической программе СССР особая роль отведена углю, занимающему одно из ведущих мест в топливно-энергетическом балансе страны. Предполагается, что структура баланса в ближайщие 15-20.лет существенных изменений не претерпит, но абсолютные объемы добычи угля возрастут и превысят 1 млрд.т в год. Реализация этой программы будет осуществляться на основе наращивания добычи угля открытым способом. Потребуется ежегодно перемещать в отвалы до 2 млрд.м3 вскрышных пород,иэ них около 80% -после предварительной подготовки буровзрывным способом.

В структуре себестоимости I м3 вскрыши, при разработке взорванных пород в условиях угольных разрезов, доля буровзрывных работ (БВР) постоянно растет и в ряде случаев достигает 15-20$ и более. Параметры и показатели БВР в значительной мере определяют уровень экологического воздействия на-окружающую среду.

Интенсификация добычи угля на основе внедрения высокопроизводительного оборудования, перехода на циклично-поточную и поточную технологии повыщают требования к качеству выполнения проектных работ. Объективная возможность повышения качества проектных работ заключается как в использовании передовых научно-технических достижений, тан и вычислительной техники в системе автоматизированного проектирования (САПР).

Горное производство является сложной природно-технологической системой. Систематизация и углубление знаний по физическим процессам горного производства, горнотехнологическому породоведению в увязке с технологическими процессами позйоляют расширить информационное обеспечение для математического описания объектов и процессов технологии горного производства.

Анализ опыта проектирования показывает, что применит- пьно к решению задач взрывного дробления слабо развито методическое обеспечение - основной компонент САПР, включающий математические модели объектов и процессов БВР, методы и алгоритмы решения проектных задач. Основой для принятия инженерных решений является, главным образом, производственный опыт. При этом нет количественной оценки сложности строения взрываемых массивов, информационной увязки задач, не удается в полной мере использовать возможности методов регулирования качества взрывной подготовки пород.

При разработке алгоритмов управления качеством взрывной под-

готовки пород не соблюдаются основные принципы системного подходе - целостности, структурности, иерархичности, а сами алгоритмы, как система принятия инженерных решений, не отвечают в полной мере задачам управления качеством взрывной подготовки пород при автоматизированном проектировании. Поэтому научная проблема разработки экспериментально-теоретических основ управления качеством взрывной подготовки пород при открытой добыче угля является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.

Диссертационная работа выполнялась в рамках исследований по региональным программам "Сибирь" АН СССР (подпрограмма "Уголь Кузбасса") и "Кузбасс " Минвуза РСФСР в соответствии с планом научно-исследовательских работ Кузбасского политехнического инти-тута. Выполнено 7 научно-исследовательских работ, прошедших регистрацию в ВНТИЦентре.

Цоль работы - разработка системы управления качеством взрывной подготовки породных массивов неоднородного строения при автоматизированном проектировании параметров буровзрывных работ для угольных разрезов.

Идея работы заключается в том, что совокупность выявленных закономерностей изменения структурно-прочностных свойств пород в массиве и адекватное описание состояния взорванной горной массы обеспечивают управление качеством взрывной подготовки пород и достижение заданных показателей его интегральной оценки при автоматизированном проектировании параметров буровзрывных работ.

Задачи исследований: .

- установить факторы, определяющие количественные значения и закономерности изменения структурно-прочностных свойств пород в контурах карьерных полей угольных месторождений;

- разработать метод прогноза структурно-прочностных свойств вмещающих пород, отражающий динамику изменения их в контурах карьерного поля в соответствии с горно-геологическими условиями;

- установить информативные природно-технологические характеристики и дать эмпирическую оценку прогноза гранулометрического состава взорванной горной ыассы;

- изучить закономерности изменения плотности укладки горной массы в профиле развала и разработать метод определения коэффициента разрыхления взорванной породы в соответствии с требованиями открытых разработок;

- дать аналитическое описание верхней границы профиля развала во взаимосвязи с коэффициентом разрыхлени.>. взорванной породы;

- выявить закономерности, отражающие влияние качества подготовки пород и случайной вариации его характеристик на производительность выемочно-погрузочного и транспортного оборудования;

- разработать структуру функционально-целевого блока для оценки качественного состояния взорванной горной массы в соответствии с требованиями автоматизированного проектирования и техно-логин открытой разработки;

- разработать алгоритм управления качеством взрывной подготовки пород, обеспечивающий решение задач взрывной подготовки пород в проектирующей подсистеме "САПР - угольный разрез".

Методы исследований. В работе использован комплексный экспериментально-статистический метод исследования свойств пород и параметров взаимодействующих технологических процессов,включающий:

- методы математической статистики,теории вероятностей и корреляционного анализа для обработки экспериментальных данних;

- методы экспериментальной оценки гранулометрического состава взорванной горной массы по линейным размерам фракций;

- экспериментальные исследования действия взрыва в промышленных условиях с различными горно-геологическими условиями;

- технико-экономического анализа, научного обобщения теоретических исследований и проектной практики при изучении эффективности производственных процессов.

Научные положения, выносимые на защиту:

- геслого-генетические признаки, включающие геолого-генетический комплекс, геотектонические условия формирования угленосной тол[ди, глубину залегания и стадию эпигенеза, позволяют с достаточной точностью давать прогнозную оценку сопротивляемости породного массива взрывному разрушению;

- установлено, что в пределах каждой из трех зон - выветре-лой, переходной и невыветрелой - и литологической разности пород метаморфизм в сочетании с геотектоническими особенностями месторождения определяют структурно-прочностные свойства пород; это позволяет закономерности изменения марочного состава угля, как индикатора свойств вмещающих пород, использовать для прогноза изменчивости сопро ивляемости массивов вскрышных пород взрывному разрушению;

- при проектировании параметров взрывной подготовки пород

адекватное описание гранулометрического состава горной массы обеспечивается, если в структуру прогнозной модели включены блочность массива, диаметр скважинь:, удельный расход ВВ,а эмпирическая плотность распределения диаметра кусков в развале аппроксимируется степенным распределением на конечном интервале;

- отношение ширины взрываемой заходки к ширине развала характеризует неоднородность плотности укладки взорванной горной массы, при этом коэффициент разрыхления рассматривается как функция точки профиля развала;

- описание формы развала взорванной породы обеспечивается с достаточной точностью.если уравнение верхней границы профиля развала увязано со средним значением коэффициента разрыхления;

^ - вариация времени черпания одноковшовых экскаваторов, обусловленная неоднородностью качества подготовки пород в забое подчиняется нормальному закону распределения, а размах вариации технической производительности, обусловленный неоднородностью качества забоя, не превышает 0,2;

- группа основных факторов, определяющих техническую производительность экскаваторного и транспортного оборудования, включает категорию пород по блочности, средний диаметр кусков в развале, коэффициент разрыхления взорванной горной массы и технологический параметр - вместимость ковша-или транспортного сосуда;

-"структура функционально-целевого блока для оценки качественного состояния взорванной горной массы достигает более высокой степени типизации, если она построена по следующей иерархии технологических признаков: наличие или отсутствие нижележащей толщи -полное отсутствие свободного пространства для перемещения взорвант-ной породы - условия проработки подсшвы уступа для скважин первого ряда - наличие или отсутствие ограничений для массового перемещения породы - условие разрыва сплошности поверхности развала;

■ - надежность достижения заданных показателей качества подготовки пород при автоматизированном проектировании параметров БВР повышается, если алгоритм проектирующей подсистемы включает диагностику свойств пород и массивов по первичным материалам геологической разведки, комплексную оценку состояния взорванной породы и эффективности, работы основного технологического оборудования.

Научная новизна работ»:

- в разработке метода прогнозирования структурных и прочностных свойств пород, основанного на учете вкяг.в»:Ло8 взаимосвязи

степени метаморфизма и геолого-генетических признаков вмещающих пород с глубиной их залегания, особенностями осадконакопления и структурными формами месторождения;

- в установлении новых закономерностей, позволяющих определять количественные значения структурно-прочностных свойств пород угольных месторождений Кузбасса и формировать в границах карьерных полей частные структурно-информационные модели месторождений ;

- в обосновании группы основных природяо-технологических факторов и получении статистических моделей, обеспечивающих адекватное описание гранулометрических характеристик пород в развале;

- в разработке метода прогноза состояния взорванной горной массы, основанного на учете выявленных закономерностей изменения плотности укладки породы в профиле развала и описания его верхней границы;

- в разработке нового метода расчета параметров буровзрывных работ и управления качеством подготовки пород, учитывающего дина-кику изменения структурно-прочностных свойств пород, неоднородность строения уступов и обеспечивающего полный охват взрываемого ' массива дробящим действием заряда;

- в обосновании критериев оценки закономерного влияния качества подготовки забоя и случайной вариации характеристик качества на эффективность технологических процессов;

- в разработке структуры функционально-целевого блока управления качеством взрывной подготовки пород;

- в разработке алгоритма управления качеством взрывной подготовки пород при автоматизированном проектировании параметров буровзрывных работ на угольных разрезах, включающего диагностику свойств пород и массивов, комплексную оценку состояния взорванной породы и эффективности работы основного технологического оборудования.

Достоверность научных положений'подтверждается:

- адекватностью моделей, предложенных прогнозной оценки структурно-прочностных свойств горных пород,характеристик качественного состояния взорванной горной массы, параметров экскавации;

- широким применением промышленных экспериментов' при изучении закономерностей дробления пород, эффективности технологических процессов;

- положительными результатами внедрения на ряде угольных разрезов, в проектах, отраслевых документах, учебном процессе.

Личный вклад автора состоит:

- в выявлении факторов, определяющих количественные значения и закономерности изменения структурно-прочностных свойств вмещающих' пород;

в разработке метода прогноза структурно-прочностных свойств вмещающих пород по первичным геологическим материалам и с ранжировкой геолого-генетических признаков;

- в установлении информативных природно-технологических признаков для экспериментальной оценки грансостава пород в развале и обоснования технологической структуры модели прогноза качества взрывного дробления пород;

- в установлении закономерностей изменения плотности укладки горной массы и разработке метода определения коэффициента ее разрыхления в профиле развала; • ' '

- в выявлении закономерностей формирования и разработке моде-. лей аналитического описания верхней границы профиля развала с учетом коэффициента разрыхления взорванной породы;

- в установлении закономерностей, отражающих влияние качества подготовки пород и случайной вариации его характеристик на производительность технологического оборудования;

- в обосновании иерархии технологических признаков при разработке функционально-целевого блока для оценки качественного состояния взорванной горной массы в соответствии с требованиями технологии и автоматизированного проектирования;

- в разработке структуры и инженерного сопровождения алгоритма управления качеством подготовки пород в проектирующей подсистеме "САПР - угольный разрез".

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований позволяют:

- прогнозировать структурные и прочностные свойства.вмещающих пород при текущем и перспективном планировании, проектировании параметров БВР;

- разрабатывать частные структурно-информационные модели месторождения . для оценки сопротивляемости массивов горных пород взрывному разрушению, экспресс-метод определения кусковатости пород в развале;

- прогнозировать качество взрывной подготовки забоев для

экскаваторов цикличного действия, уровень экологического воздействия от ведения взрывных работ;

- управлять качеством взрывной подготовки пород в соответствии с требованиями технологии;

- классифицировать горные породы по трудности экскавации, уступы по сложности их строения;

•. - разрабатывать алгоритмы решения проектных 'задач по взрывной подготовке пород в соответствии с требованиями технологии и автоматизированного проектирования (САПР);

- разрабатывать рекомендации по рациональному сочетанию "экскаватор - буровой станок" для существующего и перспективного оборудования;

- обеспечивать проектное сопровождение подсистемы "САПР -угольный разрез" при оценке эффективности смежных технологических процессов {экскавации, транспортирования, отвалообразования).

Реализация работы. Результаты исследований и практические рекомендации использованы при разработке типовых проектов БВР на разрезах концерна "Кузбассразреэуголь"; включены в компоненты автоматизированных систем расчета в проектных институтах "Сибгипро-шахт", "Кузбассгипроаахт"; воши в состав ряда нормативно-методических и справочных документов по прогнозированию структурно-прочностных свойств пород, расчету параметров БВР, обоснованию параметров технологических схем ведения горных работ.

В Кузбасском политехническом института результаты исследова--ний опубликованы в четырех учебных пособиях и используются при чтении курса "Процессы горного производства", курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 09.05.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил свыше 1,7 млн.руб.

Апробация работы. Содержание и отдельные положения работы докладывались на Всесоюзных научных конференциях - г.Москва (1977г., 1988г.),г.Тула (1977г.).г.Челябинск (1986г.); на научно-технических конференциях по совершенствованию ВВР - гЛеремхово (1978г.).г.Междуреченск (1983г.),г.Кемерово (1984г.,1987г.), г.Бедово (1987г.); на ежегодных научных конференциях Кузбасского политехнического института; на семинарах Межведомственной комиссии по взрывному дечу - г.Москва; на научно-технических советах концерна "Кузбассразрезуголь", разрезах Кузбасса, перед слушателями Кемеровского филиала ИПК Минуглепрома СССР.

- 10 -

Публикации. По теме диссертации опубликовано' 32 работы, в том числе 2 монографии и 4 учебных пособия.

Объем работы. Диссертация состоит из введения,5 глав и заключения общим объемом 297 е.; содержит 44 таблицы, 43 рисунка и список использованной литературы из 251 наименования.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры открытых горных работ Кузбасского политехнического института, работникам концерна "Кузбассразрезуголь" за помощь в организации и проведении исследований; докторам технических наук Н.Я.Репину и В.А.Галкину за постоянное внимание к работе; кандидатам технических наук А.В.Бирюкову, В.М.Мазаеву, Й.А.Ланачеву за помощь при проведении экспериментов и обсуждении основных положений диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние проблемы и задачи исследований. Структурно-прочностные характеристики определяют качество подготовки взорванной горной массы. Знание закономерностей изменения свойств пород в границах поля разреза необходимо на всех стадиях проектирования и этапах разработки месторождения. В геологических отчетах о разведке угольных месторождений'информацию о прочностных свойствах пород представляют в виде средних значений с петрографическим описанием и процентным содержанием литотипов в общем объеме пород. Сведения о.структуре массива отсутствуют.В первичной документации содержится информация о свойствах пород: характеристика слоя и разновидности пород с указанием мощности, глубины залегания, описание по внешним диагностическим признакам, но в дальнейшем систематизированной обработке она не подвергается и остается невостребованной'.

В соответствии с теоретическими представлениями геологов И.И.Аммосова, Н.Б.Вассоевича и др. процесс формирования состава и сеойств пород охватывает несколько периодов: образование осадков, диагенетические изменения в них с последующими эпигенетическими превращениями пород. Следовательно, диагенетические изменения -• начало формирования свойств пород. При изучении особенностей формирования угленосных отложений В.В.Воронцовым, Н.М.Стрь::овым и др. установлено, что каждой стадии эпигенеза соответствует.определенная совокупность инженерно-геологических свойств вмещающих пород и степень углефикации' органических осадков. Поэтому предложено для выделения стадии эпигенеза вмещающих пород иепдльзовать метаморфизм углей.

В литературных источниках, фондах специальных учреждений накоплен материал по прочностным свойствам пород ряда угольных бассейнов. Имеющиеся данные показывают, что на прочностные свойства пород оказывают влияние комплекс факторов, которые разделяют на первичные: тип я состав цемента, минералогический состав обломочного материала,структурно-текстурные особенности, условия осадко-накопления; и вторичные: эпигенез, геотектонические условия, глубина залегания, выветрелость. Анализ показал, что влияние этих факторов на прочностные свойства пород оценивается по разному указывается'разный-набор отличительных признаков, наблюдается большая вариация значений характеристик пород, результаты зачастую несопоставимы. Рекомендации по оценке закономерностей изменения структурных и прочностных свойств пород в контурах карьера отсутствуют. Это исключает возможность использования имеющихся материалов по разведке месторождения для прогнозной оценки сопротивляемости массивов взрывному разрушению. С вовлечением в разработку новых месторождений, с переходом действующих разрезов на новые горизонты становится все более актуальной научная проблема разработки экспериментально-теоретических основ управления качеством взрывной подготовки пород при открытой угледобыче.

При выполнении работы использованы научные решения в области геомеханики, горнотехнологического породоведения и механики взрыва горных пород, изложенные в трудах: Е.И.Шемякина, Г.И.Грицко, Е.Г.Баранова, Л.И.Барона, В.А,Боровикова,В.Н.Вылегжанина, Г.Д,Де-мидюка,-М.Ф.Друкованого, Н.Г.Дубинина, Э.И.Ефремова, Н.Н.Казакова, Г.И.Кулакова, В.Н.Кутузова, Ф.И.Кучерявого, В.Н.Мосинца, В.А.Паду-нова, Б.Р.Ракшлева, Н.Я.Репина, Г.В.Секисова, В.М.Сенука, И.А.Тан-гаева, А.Н.Ханукаева, В.С.Ямвдкова и др., а также в области технологии открытых горных работ и автоматизированных систем проектирования - Н.В.Мельникова, В.В.Ржевского, А.И.Арсентьева, О.И.Белякове, В.Д.Вуткина, Н.Е.Виницхого, В.А.Галкина, А.И.Митейко, М.Г.Новожилова, Б.А.Симкииа, И.В.Твбакмана, П.И.Томакова, Г.А.Холодняко-ра, В.С.Хохрякова и др.

Оценка состояния пород в массиве.

Для количественной оценки характеристик, определяющих сопротивляемость породных массивов взрывному разрушению, целесообразно обосновать основные положения прогноза.

I. Главной задачей прогноза является получение, опытным путем объективной информации о распределении изучаемых свойств а масси-

ве как совокупности нескольких типов горных пород. При этом под массивом полагаем часть месторождения (геологический объект) в границах открытых горных разработок.

2. Массив горных пород включает петрографически и фациально неоднородные массы. В работе рассматриваются породы угольны,! месторождений. Петрографическая неоднородность их оценивается набором признаков, которые используются для диагностики литологичес-ких типов пород осадочного происхождения, а численные значения свойств характеризуют породы угольных месторождений Кузбасса.

3. Угольные месторождения отражают кодаретнук? геологическую историю в образовании пород, поэтому.свойства последних связаны с неоднородностью исходного материала, условий осадконакопления, физико-химической среды, последующих преобразований. Совокупность этих признаков определяет фациальную неоднородность.

4. Масштаб неоднородности определяется необходимостью решения конкретных прикладных задач горного производства, обеспечивающих достижение поставленной цели. В соответствии с классификацией естественной неоднородности горных пород и массивов в работе рассматриваются неоднородности I и П порядков.

5. В качестве критериев оценки сопротивляемости пород взрывному разрушению приняты временное сопротивление сжатию (веж ) и средний диаметр естественной отдельности ( ¿8 ). Для количественной оценки неоднородности структурно-прочностных характеристик в пределах рассматриваемой толщи пород принят коэффициент неоднородности (Кн), определяемый в соответствии с выражением

Ки =(Ле.тси(5сж.тах~о1е.т1л0сж.т1п}[г](<Эсж.тах , . (I)

где ¿е. тах , ¿е.пчп - соответственно . максимальное и минимальное' значения диаметра кусков в массиве, м; 0еж.тах , ©сж.гтл- соответственно максимальное и минимальное значения прочности, пород на сжатие, МЛа; Г] - параметр, характеризующий разброс значений ¿е . по категориям пород (для пород Кузбасса г| = 0,4 м), м.

В Кузбассе выделено семь геолого-генетических комплексов пород - от четвертичных отложений до магматических пород. Объектом буровзрывных работ являются в основном вмещающие порода кольчу-гинской и балахонской серий. По геотектоническим условиям угленосные районы бассейна разделены на четыре зоны: Приколывакь-Томс-кугэ, Центральную, Присалаирскую и Пригорношорскую. Породы балахонской серии характеризуются высокими, а кольчугинской - низкими стадиями.эпигенеза. В бассейне изучено шесть стадий эпигенеза,

которым соответствуют определенные марки угля от длиннопламенных (Д) до тощих (Т).

Закономерности намерения свойств.

Статистическая оценка значимости влияния (по критерию Фишера) геолого-генетнчесних признаков на структурно-прочностные свойства пород осуществлять в условиях угольных месторождений Кузбасса. Изучались основные лктоткпы пород с ненарушенной структурой в выветрелой и невыветрелой зонах балахонской и кольчугинс-кой серий, вмещающие угли марок от Д до Т. Исследования проводились во всех геотектонических зонах. Необходимое количество образцов определялось из условия обеспечения 95% уровня надежности. Общий объем выборки составил: анализ вещественного состава пород -более 1000 замеров,временное сопротивление сжатию - более 5000 замеров,средний диаметр естественной отдельности - более 15000 замеров.

Результаты многофакторного статистического анализа позволяют сделать следуйте выводы:

1) на структурно-прочностные свойства пород значимое влияние оказывают: состав цемента, гранулометрический состав обломочного материала, геолого-генетический комплекс (условия осадконакопле-ния),'геотектонические условия, эпигенез, глубина залегания; при этом указанные признаки являются независимыми;

2) между мощностью слоя и средневзвешенным (по объему) диаметром естественной отдельности существует взаимосвязь, численное -значение которой может быть оценено как с!е = Зт (где т - мощность слоя);

3) значения структурных и прочностных характеристик пород наиболее резко возрастают до глубины 50-80 м, т.е. в зоне выветривания (рис.1); градиент изменения у песчаников больше, чем у алевролитов, а глубина зоны выветривания для пород балахонскоГ серии меньше, чем для кольчугинской;

4) существует общая закономерность - повышение значений структурно-прочностных свойств пород при переходе от низких стадий эпигенеза к более высоким (рис.2).

Прогноз прочности и блочное™ пород.

Для обеспечения возможности непосредственного использования в алгоритмах овтоматиэированного проектирования информации, полученной на основе многофакторного статистического анализа (см.рис. I, 2), осуществлена систематизация ее методом распознавания обра-

лшьчугинскля СЕРИЯ .6)

вяс,МПЛ

а

1/ У 0.

яа Кг

йе,и

/ Я Зз

4 ЛЗ

<1

/ К1

/ г

/

/ /

/ д

/

/

/ Г

/

КОЛЬЧУГЙНСКАЯ СЕРИЯ

е>

бсжЛШ

. БдаЛОНСКАЯ СЕРМЯ П) В)

_Т Л "Г ТГ

л^

/.'Г г

& ш ь э ь

' •* ' БАЛАХОНСКАЯ СЕРИЯ

Щ В)

Й(,И ССЖ.ИПА

У *

/

/

/ X

г

г

/

1

I

43 »о са

✓ у- » ' ч!

(-

« « ад (иН.м

Ь ЬЬЬЗ ьь I, Ь кз !£ I 50.з Г £ '

Рис.2. Изменение структурных (а) и прочностных (б) свойств по стадиям эпигенеза для литотипов пород: I - П. 2 - ПК, 3 - НС, 4 - ПЙ, 5 - ЦТ,б- А, 7 - АН,8 - АМ, ~ стадии эпигенеза йрисалаирской зоны: . 1У-У1 - Пригорношорской зоны

Рис Л. Изменение структурных (а) и прочностных (б; свойств пород от глубины залегания для лито-тлпсв пород:! - II; 2 -.ПС: 3 - ГШ; 4 - ДГ;5 - ПА;6 - А; 7 - к;8 - А&

зов с использованием алгоритмов таксономии. В качестве исходного . множества при этом взята базовая матрица значений структурно-прочностных свойств пород, залегающих на глубине 60-100 м, подготовленная на основе экспериментального материала, представленного на, рисунках I и 2. Разработана таблица взаимосвязи геолого-генетических признаков и осуществлена их ранжировка.(табл.1).

Таблица I

Взаимосвязь геолого-генетических признаков

Геологическая серия

Бала-хонс-кая

Коль-

чугин-

ская

Геотектоническая зона

Приколы-вань-Томекая'

Присала-ирская

Лригорно-шорская

Стадия ¡Ранги .геолого-генетических признаков

Присада-ирская

Центральная

эпигенеза I 12 1 3 I4 ' I5 ; j

п пм пс,пк,пг, к, г, А , па,AK AM .

1У п а гм,пс,гк, к, г ; пг,па < j AK, Ali

; пг • п а лм,пс,т, пг i ПА,AK . AM, AP

У 1 п а лм.пс.ш, пг ' ПА,Ж * .AM,AP'

!•п < п а к,'г лг,па,ак Mi,AP

1У п . гм.пс, А гж,пг,па, .К, г : ак AM .

У 11 А щ,пс,пк, ;ПГ ■ПА,к, г, : АК - AM

1 У1 S 1 п А |ш,пс,пк ; пг,па,к, ■ г, ак Ali

!■ I ( 1 п пм,пс,!пг 1И,А 1 • па,-ак AM,AP

П. п IM, ПС, ш, а пг j ПА.АК AM,AP

п п а, ffli, ПС,ПК ■ | пг,па,ак i AM, AP

Примечание. Песчаники (П - карбонатный, AM - мелко-, -ПС - средне-, ПК - крупнозернистый, ПГ - глинистый); алевролит (А -карбонатный, AM - мелко-, АК - крупнозернистый); ПА -переслаивание песчаника с алевролитом; АР - аргиллит; К - конгломерат; Г - гравелит.

Признаковое пространство разделено на ранги с учетом следующих условий: .

1) области признакового пространства, объединяющие литоти-пы пород и имеющие одноименные стадию эпигенеза, геотектоническую зону; геологическую серию по размаху значений структурно-прочностных свойств пород разбиваются на одинаковое, число рангов; ■

2) размах значений структурно-прочностных свойств пород внутри ранга не превосходит величины доверительного интервала изучаемого свойства.

Построены графики изменения структурных и прочностных свойств пород от ранга геолого-генетических признаков для пород балахонс-кой (рис.3) и кольчугинской (рис.4) серий, адекватным отображением которых являются зависимости

0сж=а<ехр(-6<Р), . й.г = с-КР, (2)

где р - ранг геолого-генетических признаков; си , ,С , К -эмпирические коэффициенты; для пород балахонской серии 6< = 0,3; К = 0,33; для пород кольчугинской серии 61 = 0,2; К = 0,2;значе-ния коэффициентов а, и с принимаются в соответствии с данными табл.2.

Учет влияния глубины залегания на изучаемые свойства осуществляется поправочными коэффициентами К0 и К<1 (рис.5), значения которых могут быть определены также из выражения

(3)

где а ,6 - эмпирические коэффициенты (табл.3).

Относительная ошибка прогноза (графическим и аналитическим способами) временного сопротивления пород сжатию не превышает 18$, а диаметра естественной отдельности -

В зависимости от решаемых задач материалы прогноза могут быть использованы при разработке структурно-информационной модели месторождения (информационное обеспечение системы "САПР -уголь", подсистема "САПР - угольный разрез"), а также'при подготовке инженерно-геологического обеспечения на действующем предприятии (инженерно-геологические разрезы, строение уступов и т.д.).

а)

Пришывань-Имсш

ПРИСАПМРСШ

Пригорношрская

2,&

1,2 0£

N \

\

1 N

[\

\

2,0 1.6

о,»

м

\

К с* >

ч Тт

<1.,м

2,4

2,0

<,1 о,а

N к

5\х

С <

!

5)

< 2 1 4 5 Р

1 г 4 4 5 Р

г 5 4 .5 Р

егок, мпо

120 80 40

n

ч ¡4,

* v

1» вй

%А

160 «0 го

17

,™пных (а) И прочностных (б) свойств пород Рис.3. Изменение структурньх а и пр ^^^^^ признаков:

балахонской серии от ракгагеолог эпигенеза

I, 2, 3 - соответственно 1У, У и л стадии

г 1 д з р

1 2 3 4 Ь р

(а) я прочностннх (б) свойств пород

Значения эмпирических коэффициентов си и с

Геологическая серия

Балахонская Кольчугинская

Геотектоническая зона

Прико- лывань- Томекая Присалаирская Пригорношорская Присалаирская Центральная

Стадия эпигенеза

Ш-1У 1У У У1 1У У Л I П П

сц 180 160 160 200 180 200 220 95 125 100

, с 2,55 2,36 2,53 2,58 2,5 2,75 2,93 1,57 2,12 1,79

Таблица 3

Значения эмпирических коэффициентов, о. и б

Геологическая серия Литотип породы Поправочные коэфй эдциенты -

Ка Ксг •

Значения параметров модели

. а "6 а ■Б

Балахонская Кольчугинская П, А ПК, ПС, ш ЯГ, ПА П, А ' . ПК,ПС,ПМ,ПГ,ПА АК, АМ, АР 1,05 1,1 1,15 1,1 1,25 " 1,3 12,5 12,5 12,5 12,5 22,5 22,5 IД 1,2 1,25 1,15. . 1,3 1,4 7,5 15 17,5 12,5 22,5 25 '

Неоднородность строения уступов.

Характер и структура угленосных толщ разнообразны и зависят от условий оседконакопления, динамики водной среды, геотектонических .процессов и др. Их общей закономерностью является последовательность чередования осадконакоплений, т.е. цикличность. За границы циклов целесообразно принять пласты угля, т.к. это позволяет учесть Особенности технологии разработки.

По набору литотипов пород и динамике водной среды в Кузбассе выделены (Л.И.Вствининой): полный большой (Ш), неполный средний (НС), неполный малый (Ш), частично размытый {'¿Р) и размытый 'Р'

а)

К.0

1,0

0,8 0.5

Ы

ЗОНА вьв£т?н 81 ПИЙ ПЕРЕХОДНАЯ ЗОНА

/ —

1

Г

40 ео 120 <60 200 Н,М

31)Н«. ЬЬГоЬТИ! _ ММ. ПЕРЕХОДНАЯ ЗОНА.

—' —О.

- //

1

ц *

1,2 V 0,8

№ и 1,0 0.8 0,6

б)

ЗСНА«гри ПЕРЕХОДНАЯ ЗОНА

' /

ч!

/

1

40 ' 80 120 160 200 Н,И

40 ео

80 120 160 200 Н,И

Рис.5. Изменение поправочных коэффициентов- К® и Кц от глубины залегания пород балахонской (а) и кольчу-гинской (б) серий: литотипы пород балахонской сэрии: I - П,А, 2 - ПК,ПС,ПМ, 3 - ПГ,ПА; литотипы пород кольчугинской серии: I - П,А, 2 - ПК,ПС,ПМ, ПГ,ПА, 3 - АК,АМ,АР

циклы. Изменение структурно-прочностных свойств пород по высоте цикла носит ступенчатый характер. Наибольшие количественные сг:п-«и происходят при смене литотипов. Общим для всех циклов является закономерное повыпение значений 2>сж и (1е с увеличением мощности слоя. При анализе установлено, что по набору литотипов пород циклы имеют неодинаковую сопротивляемость взрывному разрушению и располагаются (в порядке ее возрастания) следующим образом? НМ -НС - ПБ - ЧР - Р.

Для оценки сложности строения вскрышных уступов проанализированы возможные варианты сложения их в.каждом из циклов. Установлено, что значение коэффициента неоднородности' Км изменяется до 4,3. Прячем г/ень:лий размах янпчений (1,0<Кн < 3,1) характериэу-

с

ет породы кольчугинской, а больший (1,0< Кн < 4,3) балахонс-кой серий. Наибольшие значения Кн характерны для уступов, в толще которых присутствуют карбонатные песчаники (П) и алевролиты (А). При отсутствии пород литотипов П и А коэффициент неоднород-, ности изменяется в пределах 1,0 «с Кн «С 2,6, Установлено Такке, что с повышением стадии эпигенеза в Пригорношорской и Присалаирс-кой зонах (балахонская серия) неоднородность свойств пород усту- • пов и основном возрастает, а в Присалаирской и Центральной (коль-чугинская серия) имеются структуры как с возрастанием, так и с убыванием Кн .

На основе детального изучения закономерностей изменения строения угленосной толщи и структурно-прочностных свойств слагающих ее пород предложена классификация типов строения вскрышных уступов (табл.4), отражающая общие закономерности изменения структурных и прочностных свойств пород в пределах уступа и рекомендации по размещению ВВ. ' • '

Оценка состояния взорванных пород.

Основными критериями оценки состояния породы в развале являются: гранулометрические характеристики, коэффициент разрыхления, ширина и форма развела.

Анализ показал, что в настоящее время нет единого метода изучения кусковатых смесей, который позволил бы обобщить и сделать сопоставимыми результаты многочисленных исследований в этой области. Изучение материалов по анализу грансостава взорванной породы позволяет сделать еле,дующие выводы:

- взорванная горная масса, как объект гранулометрического анализа, представляет совокупность.кусков -случайных размеров,поэтому для аналитического описания результатов дробления возможен вероятностный подход;

- для осадочных пород угольных месторождений экспериментально установлено, что в пределах одной и той же кусковотой смеси куски являются геометрически подобными; учитывая, что линейные размеры кусков проще поддаются измерению,они могут быть использованы для описания гранулометрического состава взорванной породы;

- аналитический аппарат, который может быть использован для анализа гранулометрических характеристик взорванной породы,должен позволять оперативно определять выход фракций,оказывающих влияние на эффективность технологических процессов, что возможно,если известен закон распределения изучаемых величин;

Классификация типов строения -зскротшх уступов

ТИП СТРОЕНИЯ

УСТУПА*

Значение Кн

Строение уступа

пг-1

Оценка сопротивляемости ПОРОД взрывному РАЗРУШЕНИЮ

-Н

\-г

62

сЦ.Осж В* Б2

т

-н

65

54

(Аевсж БЗ йе <3юк Б4

№

ПС-#1

-Н

55

Б6

18

тгш

|1Н

I' I ГпА1

(?сж 65 ¿е

0сж 63

-н:

йавсж 57 ¿1« Ос» БЗ

б9

зсж Б9

ж

а

ш

Р

си<3г>к

А

Н

н

и

- в силу того, что диапазон размеров кусков,определяющих эффективность технологических процессов при открытой разработке оценивается одним порядком, то для описания, грансостава взорванной породы используются одномодальные распределения.

Изложенная схема анализа грансостава предполагает известным закон распределения линейных размеров кусков в развале. Исследование адекватности того или иного закона распределения, с целью аппроксимации грансостава взорванной горной массы, проводится экспериментально обычными.статистическими методами, т.к. установить закон распределения теоретическим путем в большинстве случаев не представляется возможным.

В работе использовано однопарачетрическое бета-распределение. Соответствующие этой модели характеристики -кусковатости, полученные -в результате исследований, приведены в табл.5. Модели опробованы на выборках с варьированием свойств пород и параметров отбойки в промышленном диапазоне. Адекватность проверена на сопоставлении значений эмпирической (5) и теоретической (4) функций распределения. На основе изложенного подхода к оценке грансостава предложен способ определения кусковатости взорванной породы (а.с. №1610005). '

Общая структура модели взрывного дробления пород (8) принята по А.В.Бирюкову, согласно которой коэффициент с*)« определяется через технологические параметры Н ф ,й (см. табл.5). Результаты исследований, изложенные в диссертации, показали, что при полное охвате взрываемого массива дробящим .действием заряда влияние высоты уступа Н и угла наклона скважин у5 на пятипроцентном уровне незначимо (случайно), а эмпирическое значение ¡лЬ , согласованное с результатами статистического анализа кусковатости взорванной породы, имеет вид (9). Предложена новая технологическая структура модели взрывного дробления пород (10), позволяющая прогнозировать и гранулометрический состав взорванной породы (II).

Изучены закономерности изменения коэффициента разрыхления ( Кр ) в профиле развала (табл.6). Выявлены значительные колебания его по высоте и ширине развала, что подтверждается материалами других исследователей' (Е.Г.Баранова, Б.Р.Ракишева и др.). Предложено Кр рассматривать как функцию точки профиля развала (12).

В работе установлено, что в силу особенностей процесса формирования контуров развала К.р возрастает по каждому из своих аргументов (12), а его предельное, поведение ( Кр - I - на границе с цо-

ликом, Кр.тах - на поверхности развала), включая и гравитационную сегрегацию, позволяют предложить общий вид модели (13) и технологическую структуру сз параметра (14),При это:.; среднее значение Кр (15) равно линейному интегралу от функции (13)-по области (12).

Таблица 5

Оценка качества дробления пород

Наименование харак- Аналитическое описание тегаетик !

I. Гранулометрические характеристики взорванной породы

Плотность вероятности распределения диаметра кусков теоретические статистические

Функция гранулометрического состава (4) (6)

Средневзвешенный по объему диаметр кусков • , МОс*) Я + з . И(х3) ~ Л + 5 (5) 01ср = уХо; Хо*= 1,5С1СР; У>/= 0,7 (7)

х- диаметр кусков; хо- наибольший диаметр кусков; Л. - параметр распределения ( X = I); V/ - коэффициент вариации.

2. Прогноз качества взрывного дробления пород

Общая структура модели ¿в)-'; (8)

Эмпирический коэффициент, при С| 1 / Мг\ (д}

Технологическая структура модели

Функция гранулометрического состава ^ (II)

йс»,си - соответственно средневзвешенный по объему диаметр кусков взорванной породы и естественной отдельности, м; с^ - удельный расход ВВ, кг/м3; Н - высота уступа, м; ¡Ь - угол наклона сква-чин, градус; с(. - дцлмстр скважин, м.

• ' - 24 -

Предложенный подход к оценке К? позволяет определять его значения в любой точке профиля для большинства горно-геологических ситуаций: наиболее распространенный случай (по экскаваторным закод-кам, слоям траншеи) - по формула« (16),(17), а для особых случаев -по формулам (19), (20).

Таблица в

Оценка разрыхления взорьанных пород

Характеристики разрыхления Аналитическое описание

I. Общее решение

Экспериментальная область факторного пространства

,Общий вид модели + (Кр.тглх -^-^-х'у); (13)

Технологическая структура параметра модели А т

Среднее значение коэффициента разрыхления: - по всему профилю развала К(>«=Кр.тах —(Кр.тах- (15)

- в правой части профиля

- л левой части профиля Км-(17)

Технологическая структура среднего (в профиле раз-г валаЖр 0,5(3-тг). (|б)

2. Особые случаи

При взрывании в полном зажиме 4 п = с1е 0( ;

При перемещении пароды на площадку ниже подошвы уступа П|=о,г; (20)

А - ширина заходки; В?- ширина развала; - граничные значения аргумента.

Результаты опытно-промышленной проверки доказали, что относительная средиеквадрятическая ошибка прогноза величины Кр не превосходит точности маркшейдерских заморов м гарантирует адекватность предлагаемых моделей его расчета. Л

При математическом моделировании взрыва процесс движения среды разбивают (М.А.Лаврентьев, Ь.И.Шемякин и др.) на два этапа: первый предопределяет- движение среды на стадии разрушения, второй - баллистическая стадия развития взрыва, предопределяющая кинематические параметры массового перемещения породы. Для оценки ширины и форнн развала предложено ряд инженерных методик, в том числе разработанных с учетом законов баллистики и рекомендованных для условий угольных месторождений (Н.Я.Репин, А.А.Сысоев и др.), но механизма увязки с параметрами компактности развала не предложено. В процессе исследований выявлены новые закономерности формирования контуров развала (табл.7).

Таблица 7

• Закономерности формирования контуров развала

Характеристики-развала Аналитическое описание

Усавненио верхней границы профиля раздала h(x) = h^(x;m); • (2Г)

Экспериментальная область факторного пространства

Поведение профиля, развала в предельных ситуациях <}(о-,тту>=М; tj,(r,m) = o-, {23) Ümh(x)=o; ßtm Ь(к)=-Н; (24) m —- °° m —i ,

Форма^развала при IV = Утм , - структура основной функции t|(x;m)=»(i- m) , . (25)

- начальная высота развала h-o,5mH(3-m5)[0-mf+i]-,

- высота развала в произвольной точке h(x)=h(i-x)(,-m,C; (2?)

Форма^развала при VI ^-Мп-лх , - структура основной функции (28)

- начальная высота развала h = o,5mH(3- m2)

- высота развала в произвольной точке

К - доля ширины; - доля высоты развала; Т - параметр модели.

При систематизации условий производства БВР установлено, что качество подготовки пород определяется рядом технологических признаков, которые определили структуру функционально-целевого блока по управлению качеством взорванной горной массы (табл.8,9). Нала-

чие или отсутствие нижележащей толщи М - наиболее общий признак, по которому схемы разделены на группы (см.табл.8). Выделены признаки, определяющие особенности расчетных схем: полное отсутствие свободного пространства для перемещения взорванной породы {hi = 0); условия проработки подошвы уступа для. первого ряда скважин - наличие (Рс^- 0) или отсутствие (Рс = 0) подпорной стенки,нормальная (W^Wmtw) или завышенная (W^Wmax) линия сопротивления по подошве уступа; наличие (А<<лВ ) или отсутствие (А<>дВ ) ограничений свободному перемещения развала; условие разрыва сплошности поверхности развала: при hi < 0 формируется развал с разрывом, при h( > 0 - без разрыва сплошности поверхности. Для расчетных схем даны аналитическое описание верхней границы развала (см.табл,8) и оценка качественного состояния взорванной гарной массы с учетом увязки коэффициента разрыхления, ширины'« форли развала (см.табл. 9). Положительное влияние метательного действия взрыва при бестранспортной разработке оценивается коэффициентом сброса (Ксвр).

Оценка эффективности экскавации. .

В работе проанализированы исследования Б.А.Симкина, Б.П.Юматова и др. по оценке влияния качества подготовки забоя на производительность одноковшовых экскаваторов. Выявлена группа основных факторов, отражающих это влияние. Изменение параметров экскавации при выемке взорванных пород определяется закономерным влиянием качества подготовки, а также случайной вариацией, обусловленной неоднородностью качества подготовки забоя. Для оценки этого влияния предложен показатель Ко , полученный на основе факторного анализа результатов промышленных экспериментов

К о - о ~ d CP d Hf) jj - (1,5 - КР) d ; (29)

где Ко - показатель эффективности процесса экскавации; dn - размер негабаритной фракции по ковшу экскаватора, м.

Случайная вариация характеристик качества подготовки забоя обусловливает вариацию Ко с некоторым размахом R = max Ко -nun Ко. При этом длина классификационного интервала Ко должна превышать случайный размах его значений, т.е.дКо^Я . Установлено, что случайный размах величины Ко не превосходит 0,2 (R = 0,13-0,18).Что и определило классификационный интервал при обосновании категории порол по трудности экскавации (рис.6).

• Расчет параметров буровзрывных работ.

В трудах В.В.Ржевского, Г.П.Демидика, Б.Н.Кутузова, В.Н.Мо-синца и др. изложены методические основы расчета параметров, обеспечивающих заданное качество взрывной подготовки пород при-

Типизация условии формирования контуров развала

оценка качественно

состояния ВЗОРВАННОЙ горном массы

расчетная " схема

аналитическое описание качественного состояния взорванной гарной массы

средние значения ксэ<р<рицн£нта разрыхления:

па расчетному профилю

по нижнему слоя i -(

КрэИ + а.Би-П)" П*с(е£),

по верхиемя ив

Куц -Кр'1' (Кр -КцИ (<-1)"1_

г

средние значения коэффициента разрыхления: по профили! развала

Кр = 0,5(3-т1) ;

ПО' ВНУТРЕННЕЙ ЗАХОДКЕ

кр1 «■кр-о.йт^-тм--^), по 8нешней залодке

Крг1 Кр+(Кр-Кр<)£ (1-1)"'

средине значения коэффициента ра1рыхдения-' по профилю развала

по нижнем« слою

Кр : 1.2 + 0.31-0,Нг-,

по верхнему слою

к?» м + о,г1- о,Нг

КОЭФФИЦИЕНТЫ СБРОСА: ■ '

ШМА6 -

схема7 , .г ? х

схема8

К свр

(Лц-ММВ2

СХЕМА 9 , 2 у, _па &В*_

(М- с<о) '

категория по зкскавацни

. •г . • д , ш. я . I

0,1 9л с,5 0,4 0,5_0,8 0.7 0,8 0.9

Г«™

к»

категория значение к»

I 0,8 <• Ко < 1,0

а 0,8 -с К» < 0,»

га 0,4 < Ко «; 0,8

Я 0,1 < ки < 0,4

V 0 <■ к» < 0.1

20

15 Е,и3

ю.

ключ к»

2,4 г, О 1,2 0,» и ■

Рис.6. Номограмма для определения категории пород по трудности

экскавации

открытой разработке. В работе предложен новый метод расчета параметров буровзрывных работ, позволяющий существенно: повысить надежность достижения заданного качества взрывной подготовки горной массь! за счет опережающей оценки структурно-прочностных свойств пород, учета неоднородности строения уступов, полного охвата взрываемого массива дробящим действием заряда, комплексной оценки ка-„ чества взорванной породы. Метод предусматривает последовательное решение еле,дующих вопросов: '

I. Оценка свойств пород массива. Заключается в последовательном решении следующих вопросов: разработка, базовой матрицы значений структурно-прочностных свойств пород; оценка влияния глубины залегания на изучаемые свойства; формирование матрицы рангов геолого-генетических признаков; разработка моделей козшчест-. венной оценки структурных и прочностных свойств пород;, оценка неоднородности строения уступов, как свойства горных пород и массивов, обусловленного изменением (!е и 0сж.' ,

Для месторождений Кузбасса количественная оценка структурно-

прочностных свойств осуществляется на основе графической информации (рис. 3, 4, 5) или выражений (2), (3) при автоматизированных расчетах на ЭВМ.

2. Элементы конструкции заряда. Расчет их осуществляется из условия полного охвата взрываемого массива дробящим действием заряда. При ведении взрывных работ с перебуром верхний слой пород обуривается и взрывается дважды (рис.?) - первоначально при ведении взрывных работ по вышележащему уступу. Толщина этого слоя определяется глубиной перебура ( Си ) и торцевым действием донной части зарядов вышележащего уступа, глубина которого составляет 1/ЗР (где К - радиус разрушения). Если учесть разрушение от торцевого действия вновь формируемого заряда со стороны устья скважины, то минимальная величина забойки зарядов сплощной конструкции составит: 6за& = 1п + 2/3 Я.

Линия сопротивления по подошве уступа (VI ) не должна превышать максимально допустимую \д/тах= (50 - 8,5(1е )с1 ,

Для рассредоточенных зарядов основные элементы конструкции определяются из выражений

взаб-р"* 6заб(.1—21Ср/2ска), бвв.р = Евв — К21Ер ,

при этом. 1ср.р^5с1йв[(5(1+^^Ссхв)]"', где с1м5.|> - длина забойки рассредоточенных зарядов,м; ^ЕС? - суммарная длина воздушных промежутков, м; К - коэффициент заполнения скважин ВВ.

3. Качество взорванных пород. Оценивается следующими характеристиками: средневзвешенной крупностью кусков (1ср=| ( йе ,(1 ); грансоставом ^(х) = } ( X ,{1а» ); степенью разрыхления пород Кр = | ( т ); шириной и формой развала с описанием его верхней границы как Ь(х) = ( X ; т ).

Установленные закономерности составляют основу механизма управления качеством подготовки пород в соответствии с требованиями технологии, а адекватность предложенных моделей для их определения обеспечивает необходимую надежность получения заданного качества горной массы в конкретных условиях взрывания с оценкой эффективности ее экскавации по выражению (29).

Управление качеством взрывной подготовки пород.

При цикличной технологии производства достигнута высокая степень типизации условий взрывания (см. табл. 4, 5, б), что позволило сформулировать ряд задач взрывной подготовки пород. Для решения

их разработано методическое,алгоритмическое и программное обеспечение. При этом расчеты, как система принятия инженерных решений, осуществляются в диалоговом режиме взаимодействия е ЭВМ и предназначены для использования в проектирующей подсистеме "САПР -угольный разрез" (рис.8).

Решение оптимизационной задачи на основе разработанного алгоритма управления качеством взрывной подготовки пород позволило разработать рекомендации по рациональному сочетанию "экскаватор -буровой станок - удельный расход ВВ" и установить закономерности изменения рациональной степени взрывного дробления пород, которые аппроксимируются выражениями:

транспортная технология бестранспортная технология

2р =•■(+' (11 (Е°'"+ ПввГ! ' гр = 1 + (сиг,'+ 0,з)(Е°'г!+ Пвв)*\ (30) где Пев - относительный показатель эффективности ВВ;

Пвв= АзтСв&(Аав Сэт)"', где Аэт , Аза - полная идеальная (удельная) работа взрыва соответственно эталонного и рассматриваемого ВВ, кДж/кг; Сэт , Свв - стоимость соответственно эталонного и рассматриваемого ВВ, руб.

Многообразие реальных задач и условий их решения,которые возникают при циклично-поточной технологии (ЦПТ),не позволяют в этом случае типизировать рекомендации по качеству взрывной подготовки

действий проектировщика

.Постановка задачи *

- 32 -"Проектные, процедуры

"Г™

ледуры ЭВМ |

формирование технических и технологических требовании

управление поиском проектной задами_;

диагностика свойств пород м массива_

управление поиском.

решении

-<^шии поиск,^* т"да

Корректировка проектной задачи

Переход к другим проектным процедурам

Поиск. гкдАчм

проектирования

т-

£

БЛОК

Транспортная

решения

Бестранспортная (проектных

Л

цпт

задач

¿блок формирования ^

Оптимизация кЖтво

14-, i подготовки

11 результатов решения

__I

Рис.8.

Распределение проектных процедур -■ при управлении качеством взрывной подготовки пород.в диалоговом режиме взаимодействия с эвм

пород в забое, однако результаты исследований дали возможность предложить графо-аналитический метод определения рациональной степени взрывного дробления пород и обоснования конструкции перегрузочного пункта (ПП), который изложен в диссертации.

' Внедрение в практику проектирования и эксплуатации отдельных рекомендаций, разработанных на основе теоретических положений и выводов диссертации, подтвердило их достоверность, высокую эффективность. .

Рекомендации нашли отражение в отраслевой методике расчета параметров буровзрывных работ для угольных разрезов, альбоме типовых технологических схем ведения горных работ,руководствах к разработке типовых проектов буровзрывных работ и прогнозу структурно-

прочностных свойств вскрышных пород разрезов Кузбасса, технологических схемах разработки высоких уступов, в проектах разработанных институтами "Сибгипрошахт", "Кузбассгипрошахт" для ряда угольных разрезов. От внедрения результатов исследований получен экономический эффект в размере 1,7 млн.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны теоретические положения по прогнозированию структурно-прочностных свойств углевмещающих пород в массиве и критериям оценки их состояния в развале, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления исследований физико-технических свойств горных пород, а также изложены научно обоснованные технологические решения по управлению качеством взрывной подготовки пород при открытой добыче угля, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса угольной промышленности.

Основные научные выводы, методические положения и практические рекомендации заключаются в следующем.

I. Геолого-генетические 'признаки определяют структурно-прочностные свойства пород угольных месторождений, однако количественная оценка взаимосвязи.с указанными признаками отсутствует.

На основе многофакторного статистического анализа, выполненного для пород угольных месторождений Кузбасса, установлено, что группа основных факторов, значимо определяющих структурные и проч-ностине свойства основных литотипов углевмещающих пород, включает в себя геолого-генетический комплекс, геотектонические условия формирования угленосной толщи, глубину залегания и стадию метаморфизма.

?.. Экспериментально установлено, что значения структурно-прочностных свойств углевмещающих пород наиболее резко возрастают п зонэ выветривания. В переходной зоне (для Кузбасса на глубине СО-ШО м) свойства пород практически не изменяются, а затем,с увеличением глубины залегания, возрастают на 5-38% по отношению к предгдуще^у интервалу.

о. На основе результатов исследований разработан метод прог-■ноза сгрунтурно-прочнэстних свойств углевмещающих пород по первичным геологическим материалам, заключающийся в последовательном

решении следующих вопросов: разработка базовой матрицы значений структурно-прочностных свойств пород; оценка влияния глубины залегания на изучаемые свойства; формирование матрицы рангов геолого-генетических признаков; разработка моделей количественной оценки структурных и прочностных свойств пород. Среднеквадратическая ошибка прогноза не превышает, при этом 15-18$.

4. Установлено, что информативными природно-технологическими характеристиками для оценки качества взрывного дробления пород являются; при анализе грансостава взорванной породы в развале - максимальный размер куска, на основе которого возможна экспериментальная оценка грансостава (а.с. № 1610005); при прогнозе качества взрывного дробления пород на стадии проектирования параметров буровзрывных работ - категория пород по блочности, диаметр скважин и удельный расход ВВ. При полном охвате взрываемого массива дробящим действием заряда влияние высоты уступа и угла наклона скважин на качество дробления незначимо, т.к. ошибка прогноза 6-7$ сравнима с суммарным влиянием этих факторов на результат дробления.

5. Анализ результатов экспериментальных взрывов, выполненных в условиях разрезов юга Кузбасса, показал, что коэффициент разрыхления пород в развале ( Кр ) является функцией точки профиля развала, а его интегральное среднее определяется предельным поведением Кр : наименьшее Кр = I - на границе с целиком, наибольшее Кр = 1,5 - на поверхности развала. Выявленные закономерности изменения плотности укладки горной массы в профиле развала позволили предложить метод определения КР через отношение ширины взрываемой заходки к ширине развала, позволяющий определять значения

в любой точке профиля для различных технологических ситуаций.

6. На основе анализа результатов промышленных взрывов установлено, что отношение ширины взрываемой заходки к ширине развала характеризует неоднородность плотности укладки взорванной горной массы, если коэффициент разрыхления рассматривается как функция точки профиля развала. Относительная ошибка прогноза коэффициента разрыхления не превышает при этом точности маркшейдерских замеров.

7. Установлено, что уравнение верхней границы профиля развала, увязанное со средним значением коэффициента разрыхления вэор-рэнной породы, позволяет исключить графическую корректировку профиля развала.

8. Эмпирическая оценка профиля развала, выполненная с учетом

законов баллистики, а также технологических признаков - мощность нитслежацей толщи, условия проработки подоыв;' уступа, наличие или отсутствие ограничений для свободного перемещения породы, условия разрыва сплошности поверхности развала - в условиях угольных разрезов обеспечивает адекватное (среднеквадратическая ошибка прогноза не превышает 10%) описание профиля развала и обусловливает правомерность практического использования предлагаемых моделей.

9. Статистический анализ (в условиях разрезов южного и центрального Кузбасса) показал, что группа основных факторов, определяющих влияние качества взрывной подготовки пород на производительность основного технологического оборудования, включает средний диаметр куска и коэффициент разрыхления породы в развале,' категорию пород по блочности и технический параметр, отражающий вместимость ковша или транспортного сосуда. Неоднородность качества подготовки забоя, обусловленная неоднородностью взрываемого массива, определяет вариацию технической производительности с размахом Я = 0,13-0,18 или 20-30% от ее среднего значения.

10. Возможность достижения заданного качества взрывной подготовки пород на угольных разрезах определяется способом отработки пород в пределах уступа, условиями бурения, взрывания, формирования развала, а также схемой короткозамедленного взрывания и характеристикой поверхности развала. Функционально-целевой блок управления-качеством взрмной подготовки пород достигает более высокой степени типизации, если формальное описание его построено по следующей иерархии технологических признаков: наличие или отсутствие нижележащей тощи - полное отсутствие свободного пространства для перемещения породы - условия проработки подошвы уступа для скпажин первого ряда - наличие или отсутствие ограничений для массового перемещения породы - условия разрыва сплошности поверхности развала.

11. Для повышения надежности достижения заданных показателей качества взрывной подготовки пород и эффективности принятых технологических решений алгоритм проектирующей подсистемы должен включать диагностику свойств пород и массивов по первичным материалам геологической разведки, комплексную оценку состояния взорванной годной массы и эффективности работы основного технологического оборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих'работах:

1. Репин Н.Я., Ташкинов A.C. Комплектование драглайнов и буровых станков при бестранспортной разработке скальных пород на угольных разрезах // Добыча угля открытым способом:Реф.сб. - М.: ЦНИЭИуголь, 1972. - № 10. - С. 9-1I.

2. Испытание кумулятивных зарядов при дроблении негабарита на карьерах Кузбасса / Н.Я.Репин, А.С.Тешкинов, Е.Ф.Сапрыкин и

' др.//Взрывное дело. - ¿1,:Недра, 1972'. - & 71/28. - С. 139-143.

3. Производительность драглайнов при разработке скальных пород/Н.Я.Репин, А.С.Тешкинов, И.А.Паначев и др.//Изв.вузов.Горный .журнал. - 1974. - » 8. - С. .19-23.

, 4.. Релин H.H., Ташкинов A.C. Рациональные параметры взрывной подготовки пород при их бестранспортной разработке с использовани-• ем драглайнов//Изв.вузов.Горный журнал. - 1975. - И. - C.I03-I07.

5. Репин Н.Я., Ташкинов A.C. Определение параметров экскавации при разработке взорванных пород//Добыча угля открытым спосо-бом:Реф.сб. - М,¡ЦНИЭИуголь, 1975- - № - С. И-12.

6. Репин Н.Я., Ташкинов A.C., Бирюков A.B. Технологические свойства пород угольных разрезов¡Учебное пособие/Кузбас.политехи, ин-т. - Кемерово, 1975. - 145 е.-

7. Временная методика расчета параметров взрывной отбойки пород на угольных разрезах / Н.Я.Репин, А.С.Ташкинов, И.А.Паначев и др. // Материалы Межведомственной комиссии по взрывному делу. -М.-.ИГД им. А.А.Скочинского, 1976. - 46 с.

8. Ташкинов A.C., Паначев H.A., Бирюков A.B. Взрывная подготовка порол в угленасыщенной зоне:Учебное пособие/Кузбас.политехи, ин-т. - Кемерово, 1979. - 106 с.

9. Ташкинов A.C., Бирюков A.B. Оптимизация параметров взрывной подготовки пород при открытой разработке угольных мееторожде-ний:Учебное пособие/Кузбас.политехн.ин-т. - Кемерово,I9ül.- 108 с.

10. Ташкинов A.C., Бирюков A.B. Об оценке кусковатости взорванной породы при циклично-поточной технологии//Изв.вузов.Горный журнал. - X98I. - № 3. - С. 53-56.

11. Таижинов A.C. Проектирование взрывных работ¡Учебное посо-бие/Кузбас.политехи.ин-т. - Кемерово, 1982. - 106 с.

12. Ташшнов A.C., Паначев H.A., Мазаев В.М. Прогнозирование структурно-прочностных характеристик вскрышных дород разрезов // Уголь. - 1982. - № 9. - С. 55-5?.

13. Репин Н.Й., Твншинов A.C., Бирюков A.B. Определение рациональной степени взрывного дробления пород // Уголь. - 1964. -К' 5. - С. 25-27.

14. Тааяшнов A.C. К обоснованию степени взрывного дробления пород при цкклично-потачной технологии //.Перспективы разпития открытого способа добычи угля в восточных районах страны:Ме»вуз. сб.науч.тр./Куэбас.политехи.ин-т..- Кемерово,1984. - С. I0I-IIQ.'

15. Репин Н.Я., Ташкинов A.C., Мазаев В.М. Критерий оценки сложности строения вскрышных уступов //• Изв.вузов.Горный журнал.-

1986. - » 3. - С. 13-15.

16. A.c. 1263850 СССР МНИ Шс41/00. Способ отвалообразова-ния вскрышных пород / А.С.Ташкинов, С.А.Прокопенко (СССР). . -Куэбас.политехи.ин-т. - Опубл. 15.10.86. - Вш. № 38.

17. Ташкинов A.C., Бирюков A.B. О среднем диаметра кусков взорванной породы//Изв.вузов.Горный журнал.-1987.- №1. - С.55-57.

18. Обоснование параметров подготовки вскрышных пород на разрезах при циклично-поточной технологии/А.С.Ташкинов,О.З.Бастриков, В.И.Ческидов и др.//Йзв.вузов.Горный журнал.-1987.- №3.- С.34-40.

19. Буровзрывные работы на угольных разрезах / Н.Я.Репин, В.Д.Буткин, А.С.Ташкинов и др. Под ред. Н.Я.Репина. - М.:Недра,

1987. -254с.

20. Ташкинов A.C., Бирюков A.B., Мазаев В.М. Опыт ведения взрывных работ на разрезах Кузбасса/Куэбас.политехи.ин-т. - Кемерово, 1987. - 26 с. - Деп. в ЦНИЭИуголь II.05.87. - $ 4130. .

21. Ташкинов A.C., Бирюков A.B., Мазаев В.М. Современные методы регулирования качества взрывной подготовки пород/Кузбас.политехи.ин-т. - Кемерово, 1987. - 26 с. - Деп. в ЦНИЭИуголь 8.06.87. - Л» 4171.

22. Ташкинов A.C., Бирюков A.B., Мазаев В.М. Взрывное дробление пород скважинными зарядами/Кузбас.политехи.ин-т. - Кемерово, 1987. - 13 с. - Деп. в ЦНЙЭКуголь 6.07.87. - № 4204.

23. Ташкинов A.C. Критерии оценки качества дробления пород в" условиях угольного разреза // Тез. Всесоюзной научно-технической конф. "Технология и техника открытых горных разработок при-извлечении полезных ископаемых". - IL, 1988. - С. 86.

24. Ташкинов А.С , Бирюков A.B., Мазаев В.М. Обоснование параметров буровзрывных работ на угольных разрезах/Кузбас.политехи, ин-т.- Кемерово,1987. - 19 с. - Деп. в ЦНИЗИуголь ;3.12.&7. -

Л> 4335. • " '

25. Повышение эффективности взрывных работ на разрезах Кузбасса / A.C.Ташкинов, В.И.Кузнецов, В.М.Ыазаев и др. - Кемерово: Кемеровское книж.изд-во, 1989. - 166 с.

26. Ташкинов A.C., Бирюков A.B., Кононов А.П. О коэффициенте разрыхления породы в развале/Проблемы открытой добычи угля в Кузбассе. - Кемерово:изд-во "Родник", 1990. - С. 210-217.

• * 27. Ташкинов A.C., Бирюков A.B., Кононов А.П. Гранулометрические характеристики взорванной породы/Проблемы открытой добычи угля в Кузбассе. - Кемерово:изд-во "Родник", 1990. - С. 190-198.

28. Ташкинов A.C., Бирюков A.B., Кононов А.П. Форма развала породы при взрыве скважинных зарядов/Проблемы открытой добычи угля в Кузбассе. - Кемерово:изд-во "Родник", 1990. - С. 233-237. _ * '29. Ташкинов A.C., Иазаев В.М. Прогноз технологических свойств углевы^щавщих пород по первичной геологической документации//Труды Всесоюзной конф. по развитию производительных сил Сибири "Угольный кошлекс-90". Тоы I. - Ленинск-Кузнецкий, 1990. - С. 95-96.

30. A.c.' I6I0005 СССР, МИ Е21сЗЭ/00. Способ определения кус-коватости взорванной горной массы/А.С.Ташкинов,А.В.Бирюков,В.М.Ма-заев (СССР). - 4-460004/24-03(110032); Заявлено 30.11.90; Опубл. 30.11.90; Бюл. 44. - 2 с.

31. Ташкинов A.C. Оценка неоднородности строения уступов при ' открытой разработке угольных ыесторождений//Угодь. - 1990, - ЩО,-

С. 6I-6S.

32. Ташкинов A.C. Эффективность процесса экскавации при выемке взорванных пород, на угольных карьерах//Изв.вузов. Горный журнал.'- 1991. - № I. - С. 18-22.

Подписано в печать 28.03.91 г. Печать офсетная, объем 2,4 п.л. Формат 60x84/16. Тираж 100 экз. . . Заказ 303.

Типография Кузбасского политехнического института. 650027, Кемерово, .ул. Красноармейская, 115