автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование и обоснование технологии разработки многолетнемерзлых пород крупногабаритными блоками

•,Т5 ОД

п з снз

На правах рукописи Заровнясв Борис Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД КРУПНОГАБАРИТНЫМИ БЛОКАМИ

Специальность: 05.15.11 Физические процессы

горного производства 05.15.03 Открытая разработка

месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи Заровняев Борис Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД КРУПНОГАБАРИТНЫМИ БЛОКАМИ

Специальность: 05.15.11 Физические процессы

горного производства 05.15.03 Открытая разработка

месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в Якутском государственном университете

Научный консультант член-корр. РАН Яковлев В.Л.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Фрейдина Елизавета Васильевна

Доктор технических наук, профессор Буткин Владимир Дмитриевич

Доктор технических наук, профессор Паначев Иван Андреевич

Ведущее предприятие: Финансово-промышленная компания

"Сахазолото"

Защита диссертации состоится 14 марта 1997 г. в 14 часов на заседании диссертационного ученого совета по присуждению ученых степеней Д 063.70.02 при Кузбасском государственном техническом университете по адресу:

650026. г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, ауд. 1242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Автореферат разослан " " января 1997 г.

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

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор А.С.Ташкинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблеш. Развитие экономики страны обусловливает необходимость поддержания и наращивания объемов добычи полезных ископаемых. Это происходит на фоне увеличения мощности вскрыт, снижения технике-экономических показателей и накопления нарушенных земель. В основном все угольные и россыпные месторождения зоны многолетней мерзлоты имеют благоприятные горно-геологические условия залегания для внутреннего отвалообразования драглайнами. Как показывает опыт разработки многолетнемерзлых пород, драглайны используются только при переработке разрыхленной горной массы. В связи с этим увеличение объемов вскрыши за последние годы привело к росту объемов буровзрывных работ на 36,1%, в 1,5 раза увеличились объемы зимней вскрыши с буровзрывным рыхлением, что в свою очередь привело к повышению себестоимости добычи полезных ископаемых. В структуре себестоимости значительная доля затрат приходится и на экскавацию вскрыт во внутренний отвал, объем которых растет с увеличением мощности вскрыши. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности открытых горных работ в условиях многолетней мерзлоты возможно в результате сокращения объемов буровзрывных работ и экскавации.

При достигнутых масштабах открытых горных работ площадь нарушаемых земель составляет 200-250 га на 1 млн куб. м полезных ископаемых. За 60 лет разработки россыпных месторождений нарушено земли свыше 150 тыс. га при ежегодном приросте 3-4 тыс. га. а восстановлено менее 1,5-2 л'. При существующей технологии ведения вскрышных работ рекультивация нарушенных земель производится раздельно и требует дополнительных затрат на ее проведение, что привело к тенденции накопления нарушенных земель.

Изложенное является проявлением технического противоречия между существующей технологией ведения открытых горных работ с внутренним отвалообразованием и комплексным решением проблем снижения себестоимости и сокращения площади нарушаемых земель, что в свою очередь выдвинуло новую актуальную научную проблему снижения объемов переработки горной массы при нарастающей мощности вскрыши и сокращения площади нарушаемых земель.

Одним из направлений решения научной проблемы является нетрадиционная технология перемещения крупных объемов вскрышных пород монолитными блоками. Сдерживающими факторами для разработки

новой технологии являются недостаточная изученность состояния мерзлого породного массива вскрышных уступов, согбенности их взрывного и динамического нагружений, закономерностей процессов формирования, отделения и перемещения массива вскрышных пород крупногабаритными блоками, отсутствие методов расчета соотношения параметров блоков и забоя, обеспечивающих их самоперемещение.

В свете изложенного исследование и обоснование технологии разработки многолетнемерзлых пород крупногабаритными блоками на основе изучения специфических условий криолитозоны, их влияния на технологию управления процессами отделения и перемещения массива вскрышных пород крупногабаритными блоками и разработка на этой основе технологии ведения открытых горных работ, обеспечивающую снижение себестоимости и зенлеемкости представляет крупную научно-техническую проблему, решение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в горнодобывающих отраслях промышленности.

Работа непосредственно связана с планами НИР ЯГУ по темам "Совершенствование горных работ в условиях многолетней мерзлоты" ГР 01880089313; "Подготовка многолетнемерзлых пород к выемке" ГР 0189026268; хоздоговорной НИР "Обоснование экологически чистой технологии ведения горных работ" ГР 0192011460; госбюджетной НИР ГК ВШ НиТП РС(Я) "Разработка технологии ведения открытых горных работ крупногабаритными блоками"; грантом по фундаментальным исследованиям в области горных наук по теме "Разработка экологически безопасной технологии ведения горных работ"; Республиканской научно-технической программы "Цветные металлы Якутии".

Цель работы заключается в научном обосновании технологии разработки многолетнемерзлых горных пород крупногабаритными блоками.

Идея работы заключается в оптимизации геометрических параметров забоя и крупногабаритных блоков.

Задачи исследований:

- установить влияние природных и технологических факторов на формирование и перемещение крупногабаритных блоков;

- разработать динамичную форму крупногабаритного блока, исследовать динамику и кинематику его перемещения во внутренний отвал;

- исследовать перераспределение напряжений в процессе перемещения крупногабаритных блоков и обосновать рациональные параметры технологических процессов их отделения и перемещения;

- разработать методические положения по выбору соотношения параметров крупногабаритных блоков и забоя, обеспечивающих их самоперемещение во внутренний отвал;

- установить основные факторы, обеспечивающие образование направленных трещин в мерзлом породном массиве и разработать на этой основе технологию подготовки блоков и перемещения во внутренний отвал;

- разработать технологию ведения горных работ системным формированием и заполнением выработанного пространства крупногабаритными блоками и обосновать параметры, обеспечивающие снижение себестоимости ведения вскрышных работ и улучшение экологической обстановки.

Методы исследовали!!. В работе использован комплексный метод исследования свойств горных пород и параметров взаимодействующих технологических процессов, включающий:

- статические и динамические испытания для изучения свойств горных пород;

- математическую статистику, теорию вероятностей и корреляционный анализ для обработки экспериментальных данных;

- производственные наблюдения, термометрию для установления геокриологического состояния массива пород;

- экспериментальные исследования действия взрыва на мерзлую среду в лабораторных условиях;

- оптическое и физическое моделирование на эквивалентных материалах, математическое моделирование с использованием ЭБМ для установления закономерностей перераспределения напряжений и кинематических характеристик в процессе перемещения блоков;

- натурные эксперименты отдельных элементов технологии и способов ее реализации в условиях многолетней мерзлоты.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Температура осадочных многолетнемерзлых горных пород -5°С и ниже создает достаточную прочность, обеспечивающую формирование крупногабаритного блока, отделение и сохранение его в процессе перемещения с учетом состояния деятельного слоя, обледенения и обводненности скважин.

2. Динамичность крупногабаритного блока зависит от его геометрии, которая определяется формированием треугольной подсечной выработки со стороны откоса с углом наклона более 20°, извлечением верхней треугольной призмы, обеспечивающей безопасный угол

откоса внутреннего отвала, при этой высота блока определяется как сумма высоты добычного уступа и ширины его площадки.

3. Угловая скорость перемещения крупногабаритного блока во внутренний отвал является циклически нарастающей и адекватно характеризуется четырьмя стадиями вращения: первой, когда блок выводится из состояния равновесия за счет приложенной нагрузки; второй, третьей и четвертой, когда блок движется с ускорением за счет накопленной кинетической энергии, при этом максимальная скорость возникает в конце третьей стадии.

4. Параметры блока, обеспечивающие эффективное управление технологическими процессами отделения и самоперемещения блока, характеризуются следующими значениями: показатель подсечки 0,4-0,55, угол подсечки более 40°; ширина блока не более 2/3 его высоты; место приложения усилия для выведения блока из состояния равновесия 0,6 - 0,7 высоты блока; угол верхней треугольной призмы определяет угол внутреннего отвала.

5. Критерием оптимальности параметров крупногабаритного блока является соответствие высоты блока к сумме высоты добычного уступа и ширины его площадки, при которых блок сохраняет динамичность во всех стадиях перемещения.

6. Удельный расход ВВ на образование единицы площади откола в осадочных многолетнемерзлых горных породах составляет 0,6 -0,64 кг/м2. при этом направленный раскол и сохранность блока от взрывного дробления обеспечиваются при расстоянии между оконту-ривающими скважинами 10-12 диаметров заряда, а при использовании зародышей трещин до 20 диаметров заряда.

7. Основные факторы, определяющие рациональные схемы и параметры буровзрывных работ при формировании и отделении крупногабаритных блоков, включают угол откоса внутреннего отвала, показатель подсечки, состояние деятельного слоя и потенциальную энергию, необходимую для выведения блока из состояния равновесия в первой стадии вращения.

8. Совмещенные во времени и пространстве технологические схемы ведения вскрышных работ с внутренним отвалообразованием крупногабаритными блоками обеспечивают увеличение вместимости внутреннего отвала на 21-24%.

Научная новизна работы заключается в следующем: - установлении температурного режима осадочных многолетне-мерзлых пород, при котором обеспечивается формирование крупнога-

баритных блоков, отделение и сохранение их в процессе перемещения;

- установлении основных факторов, определяющих динамику перемещения крупногабаритных блоков;

- установлении цикличности нарастания угловой скорости крупногабаритного блока в процессе перемещения;

- обосновании параметров блока, обеспечивающих эффективное управление технологическими процессами отделения и перемещения;

- установлении критерия оптимальности соотношения параметров крупногабаритного блока и забоя;

- установлении расстояния между скважинами оконтуривающего ряда, при котором обеспечивается откол и сохранность блока от взрывного дробления;

- обосновании основных факторов, определяющих рациональные параметры буровзрывных работ при формировании и отделении крупногабаритных блоков;

- разработке технологии ведения горных работ крупногабаритными блоками, обеспечивающих увеличение вместимости внутреннего отвала на 21 - 24%.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических, лабораторных и экспериментальных исследований;

- статистической обработкой результатов измерений, параметров физического моделирования и производственных экспериментов;

- доказательством научных положений и выводов аналитическими расчетами и сопоставительным анализом конкретных примеров;

- апробацией технологии формирования, отделения и перемещения крупногабаритных блоков на разрезах ГП "Якутуголь" и положительными результатами использования рекомендаций при разработке россыпных месторождений.

Личный вклад автора состоит:

- в установлении влияния прочности мерзлых пород на формирование и перемещение крупногабаритных блоков;

- в установлении геометрической формы крупногабаритного блока, обеспечивающей его самоперемещение во внутренний отвал;

- в установлении цикличности нарастания угловой скорости крупногабаритного блока в процессе его перемещения;

- в типизации горно-геологических условий угольных и россыпных месторождений, разработке оптимальных параметров блока,обес-

печивающих эффективное управление технологическими процессами;

- в установлении критерия оптимальности соотношения параметров крупногабаритного блока и забоя;

- в обосновании параметров расположения скважин оконтуриваю-щего ряда, обеспечивающих направленный раскол осадочных много-летнемерзлых пород;

- в обосновании группы основных факторов, определяющих рациональные параметры буровзрывных работ при формировании крупногабаритных блоков;

- в разработке технологических схем ведения горных работ крупногабаритными блоками.

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

- формировать крупногабаритные блоки, отделять и сохранять их с учетом состояния деятельного слоя;

- установить динамичную форму крупногабаритного блока;

- использовать методы расчета оптимального соотношения параметров блока и забоя для обеспечения самоперемещения крупногабаритного блока во внутренний отвал, при разработке нормативных материалов и рекомендаций проектным, научно-исследовательским организациям и горнодобывающим предприятиям;

- управлять технологическими процессами отделения и самоперемещения блока;

- обосновать параметры направленного раскола осадочных мно-голетнемерзлых пород;

- использовать технологические принципы, методические положения и программные средства для перемещения основного объема вскрыши крупногабаритными блоками, обеспечивающими увеличение вместимости внутреннего отвала.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Материалы диссертационной работы переданы Министерству охраны природы Республики Саха (Якутия), Мостостроительному управлению Амуро-Якутской автодороги, АК "Алмазы России-Саха", Харбалахскому разрезу. Министерству промышленности РС(Я), использованы при составлении "Концепции развития угольной промышленности Республики Саха (Якутия)", "Методических рекомендаций по обоснованию параметров технологии ведения вскрышных работ крупногабаритными блоками", учебного пособия "Основы технического творчества", в проектных проработках института "Якутзолотопроект", учебном процессе.

Фактический экономический эффект составил 319,44 млн рублей, ожидаемый - 1790 рублей на 1 м3 вскрыши.

Апробация работы. Основное содержание работы и научные положения докладывались на Всесоюзных и Всероссийских конференциях -г.Москва (1981 г., 1993 г.), г.Красноярск (1984 г.), г. Магадан (1987 г.), г. Новосибирск (1988 г.); Республиканских научно-технических конференциях - г. Якутск (1982 г., 1984 г., 1986 г.), г.Нерюнгри (1984 г.,1996г.); неделях горняка - г.Москва (1994г., 1995 г., 1996 г.); Международных конференциях и выставках -г.Москва (1994). г. Якутск (1996 г.), Варна (1995 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 30 работах, в том числе 4 изобретения, 1 монография.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 203 наименований, содержит 434 страницы машинописного текста, включая 29 таблиц, 103 рисунка и 48 страниц приложений.

Автор выражает глубокую признательность члену-корреспонденту РАН Яковлеву В.Л. за ценные советы при формировании и обсуждении работы, коллегам по работе в Якутском госуниверситете за поддержку и помощь, оказавшие положительное влияние на выполнение исследований.

Состояние проблемы.

Благоприятные горно-геологические условия россыпных и угольных месторождений позволяют применить экономичную и производительную бестранспортную систему разработки. Однако тенденция роста мощности вскрыши привела к осуществлению комплекса научно-практических мероприятий по повышению технического уровня горных работ, которыми являются внедрение драглайнов, мощной землеройно-транспортной техники, роторного комплекса, предусматривающих буровзрывное дробление вскрыши с последующей экскавацией и отвалообразованием. Таким образом дробление и экскавация вскрыши составляют основные затраты в общей стоимости работ.Следовательно, для повышения эффективности работ целесообразно сократить их долю путем самоперемещения вскрыши крупнообъемными монолитными блоками и совмещения процессов перемещения, отвалооб-разования и рекультивации, что требует научного обоснования технологии разработки месторождений крупногабаритными блоками.

Сцементирование частиц и отдельностей вскрышных пород в мерзлом состоянии создает монолитный массив, позволяющий переме-

щение его частей во внутренний отвал без дробления и экскавации.

Сдерживающими факторами разработки новой технологии являются недостаточная изученность состояния мерзлого породного массива вскрышных уступов, их температурного режима, влияния сезонного протаивания на формирование и сохранение блоков в процессе перемещения. Анализ научно-технической, специальной литературы показал, что подобная технология широко применяется при добыче строительных блоков, однако научно-исследовательские и проектные работы, направленные на разработку и совершенствование средств и способов отделения крупногабаритных блоков от массива многолет-немерзлых пород ранее не проводились.

При существующем уровне развития техники и технологии отделения блоков от массива и с учетом их масштабов наиболее подходящим является буровзрывной способ, позволяющий не только отделить. но и отодвинуть блок на определенное расстояние. Отсюда следует необходимость разработки буровзрывной технологии направленного раскалывания мерзлого породного массива и формирования крупногабаритных блоков.

Не разработаны процессы перемещения монолитных блоков крупных размеров, составляющих часть массива, смещение и укладка которых могут быть осуществлены только на основе изучения кинематики и динамики самоперемещения. Отсутствуют научные основы управления процессами отделения и перемещения массива вскрышных пород крупногабаритными блоками; обеспечивающие формирование внутреннего отвала путем их компоновки, что может быть достигнуто при системном формировании и заполнении выработанного пространства. Отсюда следует необходимость разработки технологии ведения открытых горных работ крупногабаритными блоками.

Таким образом, специфичность горно-технических условий разработки месторождений в зоне многолетней мерзлоты предопределила новые подходы к решению проблемы путем создания нетрадиционных способов и методов, учитывающих свойства многолетнемерзлых пород, специфику ограниченности производительности запасами месторождений. Поэтому потребовалось комплексное решение таких глобальных проблем как разработка технологии буровзрывного откалывания и управления процессами перемещения массива вскрышных пород крупногабаритными блоками, совершенствование технологии разработки месторождений с внутренним отвалообразованием крупногабаритными блоками и повышение эффективности открытого способа в

экстремальных условиях Севера.

При выполнении исследований использованы научные решения в развитии техники и технологии бестранспортных систем разработки, изложенные в трудах Е.Ф.Шешко, Н.В.Мельникова, В.В.Ржевского. Б.А.Симкина, Ю.С.Подэрни. Э.И.Реентовича. К.Н.Трубецкого. Ю.И. АнистратоЕа, Ю.И.Белякова, П. И. Томакова, В. Д. Буткина. В. А. Галкина, Н.Н.Мельникова, С.М.Шорохова, В.Н.Сиренко и др.; в области развития бестранспортной разработки месторождений в условиях многолетней мерзлоты - В.И.Емельянова, Г.3.Перльштейна, Н.П.Лаврова, A.C. Евсиовича, В.Л. Яковлева, К.Н. Костроыитинова, Г.А. Сулина, А.П.Микулевича и др.; в области исследований технологических свойств мерзлых осадочных горных пород - H.A. Цытовича. И. Н. Вотякова, С. С. Вялова, Г.Б.Фраш, В. Н. Скубы. И. 3. Дроговейко, 3. А. Нерсесовой, В.Н. Тайбашева, В.Ю.Изаксона,Е.Е.Петрова и др.; в области механики разрушения горных пород взрывом - Г.П.Деми-дюка, М.Ф.Друкованного, А.Н.Ханукаева, Б.Н.Кутузова, В.Н.Мосинца, В.А. Падукова, Э.И.Ефремова. Б.Р.Ракишева, Н.Я.Репина. А.С.Таш-кинова, И. А. Паначева, A.B. Бирюкова, A.A. Егупова, И. 3. Дроговейко. И.П. Балбачана, Г.Н.Добровольского, Г.0.Киприянова и др.

Влияние природных и технологических факторов на формирование крупногабаритных блоков.

Специфические геокриологические условия месторождений Северо-Востока, обусловленные сцементированием частиц и отдельностей вскрышных пород, обеспечивают благоприятные предпосылки для формирования и перемещения крупногабаритных монолитных блоков. При этом прочность пород зависит в основном от трех факторов: температуры, продолжительности действия нагрузки и содержания влаги. Установлено, что предел прочности на сжатие увеличивается с ростом влажности до значения, равного полной влагоемкости пород, после чего при дальнейшем увеличении влажности сопротивление сжатию уменьшается. Таким образом, рядом исследователей установлено, что основным цементирующим составом в многолетнемерзлых горных породах является лед.

Вскрышные породы месторождений в зоне многолетней мерзлоты представлены, в основном, чередующимися пластами песчаников, алевролитов и глин с включением песчано-глинистых пород сложного строения. При этом у вскрышных пород россыпных месторождений контакты слоев не выражены, что позволяет их рассматривать как изотропный массив. Коренное изменение физического состояния

пород за счет образования льда-цемента при низких температурах способствует одновременному проявлению совокупности упругих, пластичных и вязких свойств под действием статических нагрузок. Для раскрытия природы этих свойств и характера деформаций в процессе нагружения, проводились комплексные испытания образцов многолетнемерзлых осадочных пород, которые подтверждают вывод о том, что несмотря на небольшие значения предела прочности на одноосное сжатие (б= 8,035 - 14,4 МПа), мерзлые породы имеют высокую сопротивляемость в условиях динамической нагрузки. Это явление связано с тем, что прочностные свойства мерзлых пород, проявляющиеся как результат сложного комплексного взаимодействия ее составляющих, выражается в наличии больших сил сцепления и вязкости. На дополнительное деформирование вязко-пластической мерзлой породы с целью ее разрушения тратится большее количество энергии, чем на разрушение хрупкой полускальной породы.

Для прогноза поведения мерзлой породы при динамической нагрузке были исследованы их упругие свойства, которые позволили определить коэффициент затухания ультразвука в исследуемых породах. Наименьшие значения скорости распространения продольных и поперечных волн имеет мерзлая глина: Vp= 1640 м/с и У3= 1010 м/с, тогда как у мерзлых песков и песчаников эти параметры почти в 2,3 - 2,6 раза выше. Такое различие связано с дисперсностью частиц и более поздним в глинах фазовым переходом вода-лед. У песков процесс льдообразования протекает гораздо быстрее, и при температуре -4°С вся жидкая фаза в порах переходит в лед, а ниже -5°С лед полностью сцементирует все частицы и отдельности осадочных пород, в результате массив превращается в монолит.

Исследованы особенности состояния деятельного слоя многолетнемерзлых пород и их влияние на технологию подготовки крупногабаритных блоков. Изучен температурный режим деятельного слоя, в результате чего установлено, что глубина протаивания в летний период достигает 1,5 - 3,5 м и не нарушает монолитности массива в теле крупногабаритного блока. Продолжительность талого состояния деятельного слоя достигает до 3 - 5,5 мес (рис. 1).

Это позволяет формировать, отделять и сохранять крупногабаритные блоки в процессе перемещения. На процесс их подготовки влияет также обводненность скважин, источником которой являются поровые и карстовые коллекторы сезонноталого слоя, обеспечивающие дебит от 0,2 до 250 л/час. В свою очередь они питают процесс

Рис. 1. Температурный режим пород Ескрышных уступов

обледенения стенок скважин за счет их отрицательной температуры, сублимации и инверсии холодного воздуха. Установлено место образования наледи, его динамика в зависимости от глубины прстапва-ния, а также продолжительности роста наледи, учет которых необходим при оконтуривашш и отделении крупногабаритных блоков.

Другим фактором, влияющим на работоспособность технологии является коэффициент вскрыши. В силу технологических особенностей объектом применения способа являются месторождения с коэффициентом Ескрьигл 2 и более. По этому признаку произведена типизация их горно-геологических условий, в результате которой выявлены 26 месторождений с общими запасами по углю 68.44 млн м3, по золоту - 16,499 млн м3, по олову - 7,17 млн м3. В случае, когда коэффициент вскрыши более 2-х, имеет место остаточная вскрыша. объем которой оценивается коэффициентом остаточной вскрыши, являющимся отношением мощностей оставшейся после удаления крупногабаритного блока части вскрыши к полезней пошлости продуктивного пласта и определяет объем части вскрыши, подлежащей селективной выемке.

Таким образом, установлено, что природные и горно-технические условия месторождений зоны многолетней мерзлоты обеспечивают формирование и перемещение вскрышных пород крупногабаритными монолитными блоками.

Установление динамичной формы крупногабаритных блоков.

Разработана геометрическая форма крупногабаритного блока, обеспечивающая его самоперемещение (в дальнейшем динамичная форма крупногабаритного блока), создаваемая извлечением нижней тре-

угольной подсечной выработки (1) для облегчения выведения блока из состояния равновесия и верхней треугольной призмы (2), для Формирования угла откоса внутреннего отвала, а также бурением оконтуривающих скважин в тыльной части с последующим отделением блока от массива (рис. 2).

Таким образом, искусственно создается новая точка опоры Е, приближенная к проекции центра тяжести С в состоянии покоя блока. Для выведения блока из равновесного состояния достаточно наклонить его, чтобы проекция центра тяжести С оказалась за точкой опоры Е (I фаза). Далее перемещение блока происходит под действием сил инерции и следующей точкой опоры является верхняя кромка подсечной выработки Б (II фаза). Здесь вращение обеспечивается тем, что проекция центра тяжести находится за точкой опоры 0. Ширину добычного уступа В выбирают так. чтобы при горизонтальном положении блока проекция центра тяжести находилась за бровкой уступа. Тогда силы инерции обеспечивают вращение блока

относительно бровки добычного уступа О (III Фаза). Еысота добычного уступа определяется так, чтобы при вращении блок опирался верхней кромкой почвы добычного уступа, являющейся IV фазой относительно точки К. Дальнейшей вращение приводит к становлению блока во внутренний отвал. Б итоге блок, переворачивается на угол 180°+ с, где а - угол верхней треугольной призмы.

Для исследования кинематических характеристик блока определен полный момент инерции пятиугольника суммированием моментов инерции элементарных треугольников. Определен осевой момент инерции относительна точек вращения Е, D, С;, К как

Je= Jc+ S * dEC2. (i)

где Jc- суммарный момент инерции блока относительно собственного центра тяжести, м4; S - масса блока (т) или площадь сечения при толщине блока 1 м; dCc - расстояние между точками опоры Е и центром тяжести С, м. Соответственно определены угловые скорости блока: перед ударом о поверхность ED (I фаза)

/ 2-ш-д-НЕ-созфо + (1)0 ¿Е - 2 ш^-ИЕ- созф) 0)! = /- , с"1, (2)

^ е

где <Р1= £ ~ 5; <1 - ускорение силы тяжести, м/с2; а - массу блока, т; - радиус, равный от точки вращения Е до центра тяжести С, м; ^ - момент инерции при вращении блока вокруг течки Е, перед ударом гранью ОК (II стадия)

/ 2-rn-q-RD-costp2 +шгг-Зг - 2-m-q-RD-coscp3

ш2 = / - , с-1: (3)

/ Jd

при вращении относительно бровки уступа (III стадия)

m-q-b+ o>4Z-Jcl- m-q-b- costpm

ш3 --= /- . с ; (4)

Je 1

вращение относительно верхней кромки блока (IV стадия)

ш4 = / - . с"1 (5)

¿к

Таким образом, условием для переворачивания блока является выведение его из состояния равновесия приложением начального им-

пульса энергии (например избыточного количества ВВ). Дальнейшее перемещение происходит благодаря запасу кинетической энергии, накопленной в предыдущих фазах и набранной скорости при этом, блок проходит четыре опорные точки:

- первая фаза перемещения требует начального усилия для выведения блока кз состояния равновесия, равную энергии, затрачиваемой на поднятие центра тяжести блока на высоту разности расстояния от центра тяжести блока до нижней кромки подсечной выработки и перпендикуляра опущенной от центра тяжести до основания блока;

- вторая фаза вращения достигается за счет остаточной кинетической энергии после соударения в конце первой фазы;

- третья фаза вращения происходит на кромке добычного уступа и также происходит за счет сохраненной кинетической энергии в результате I и II фаз;

- четвертая фаза вращения сопровождается снижением центра тяжести блока и укладкой блока во внутренний отвал.

Обоснование соотношения параметров блока и элементов забоя

На основании уравнений фаз перемещения блока разработана программа "ВЮК" расчета и оптимизации соотношения параметров крупногабаритных блоков (высота, ширина, угол подсечки) и добычного уступа (ширина рабочей площадки, высота). Решение задачи заключалось в подборе таких размеров блока и элементов уступа, при которых он самоперемещался в отвал, не останавливаясь в конце каждой из фаз. Признаком остановки является равенство угловой скорости нулю (рис. 3). Подбор соотношения параметров, обеспечивающих самоперемещение блока осуществлялся изменением угла подсечки, ширины блока, ширины площадки и высоты добычного уступа.

С учетом конкретных горно-геологических условий 26 месторождений были выполнены моделирования:

- перемещения блока при изменяющемся угле подсечки (£);

- угловой скорости (ш) и кинетической энергии (Т) в зависимости от углового пути (<р) при разных параметрах блока и уступа;

- изменения характеристик перемещения блока от параметров добычного уступа.

В качестве критерия динамичности принимали угловую скорость блока (ш). Анализ результатов расчетов осуществлен по фазам перемещения и представлялись в виде графиков угловых скоростей и кинетических энергий. Установлено, что угол подсечки влияет на угловую скорость II фазы перемещения, так, если ^ < 20° блок оста-

Рис. 3. Угловые скорости (ш) и кинетические энергии (Т) при выбранных технологических параметрах блоков для россыпных месторождений Долина и Удума

навливается в начале II фазы, это на графике угловых скоростей характеризуется снижением ш до 0. Дальнейшее увеличение £ приводит к повышению ш, что благоприятно сказывается на динамических характеристиках блока. Соответственно изменяется и кинетическая характеристика блока.

Динамичность блока во второй фазе перемещения зависит от соотношения его ширины к высоте, характеризуемой показателем ширины блока (Кшб). Установлено, что блок способен самоперемещаться при показателе ширины блока Кшб< 0,7.

Третья фаза перемещения происходит относительно верхней кромки добычного уступа. Главным условием вращения является соотношение высоты блока и ширины рабочей площадки вскрышного уступа (Ьу). характеризуемое показателем ширины уступа (Кшу). Чрезмерное увеличение Ьу (Кыу> 0,62) приводит к остановке блока в конце второй фазы. Эта стадия сопровождается небольшой потерей кинетической энергии при правильном подборе Ьу. Чрезмерное уменьшение Ьу приводит к остановке блока в конце III фазы вращения (если Кшу < 0,26), т.к. верхняя кромка блока упрется в почву добычного уступа. Таким образом, установлено значение показателя ширины уступа от 0,27 до 0,62, при которых обеспечивается динамичность блока во II и III фазах перемещения.

Угловая скорость четвертой фазы перемещения зависит от высоты добычного уступа (hy) и крупногабаритного блока (h), характеризуемой показателем высоты добычного уступа (Кду). Установлена предельно минимальная высота добычного уступа, при которой ш = О и блок прекращает свое движение в начале 4 фазы.

Установлено предельно минимальное значение Кду, при котором сохраняется динамичность блока, Кду = 0,43. С учетом установленных соотношений параметров, критерия динамичности (ш) и горно-геологических условий угольных и россыпных месторождений разработаны технологические параметры крупногабаритных блоков и элементов забоя, отработана методика их расчета.

Исследование и управление процессами перемещения

Основным условием работоспособности технологии является сохранность блока в результате серий переворачиваний. Установлено, что при этом в точках опор всех стадий перемещения наблюдается разрушение острых кромок блока смятием, определяемая по формуле

1р = rf----1]. (6)

VSln фкр/2 )

где 1р - глубина разрушения острых кромок смятием; г - радиус зоны смятия; фкр- угол, ограничивающий профиль острой кромки блока.

Из всех фаз перемещения наиболее опасным является конец II фазы, когда блок на площадке добычного уступа образует консоль.

Разработана методика расчета динамических напряжений, возникающих при ударе блока плашмя. В результате расчетов установлено, что при ударе разрушение блока может произойти по линиям ослабле-

ния (слоистости, трещины). С целью предотвращения этого удара разработаны способы, предусматривающие размещение породной подушки на площадке добычного уступа, закругление острых кромок подсечной выработки и верхней бровки добычного уступа.

Происходящее в процессе перемещения перераспределение напряжений внутри крупногабаритных блоков исследовались моделированием на оптически чувствительных материалах. В качестве материала выбран игдантин составом: желатин - 15%; глицерин - 30%; вода - 55%. Модель изготавливалась в специальной форме, имеющей контуры крупногабаритного блока. Масштаб моделирования - 1:70, соотношение удельных весов породы и материала модели

*н/*м = 1.6.

Интерференционные картины при этом получались без внешней нагрузки, под действием собственного веса материала. Модели охватывали всю последовательность перемещения блока. В конце I фазы перемещения максимальные напряжения концентрируются в точке D защемления. В конце II фазы перемещения максимальные напряжения развиваются по середине образовавшейся консоли (см. рис.4, гр.4). Введение породной подушки позволяет сгладить пиковое напряжение (см. рис.4, гр.5). В конце III фазы перемещения максимальные напряжения сконцентрированы на точках касания блока с почвой и опоры

б-Ш.МПа.

5)

а;

Рис. 4. Эпюры контактных напряжений в конце II фазы: а - расположение блока в конце II фазы; б - эпюры напряжений по основанию блока (Х1); в - то же вдоль откоса блока (Хц)

3 А

7 Х/7

ка бровку добычного уступа. Таким образом, исследования на моделях из оптически чувствительных материалов установлены размеры зон максимальных напряжений, связанные в основном с точками контакта блока с опорной поверхностью.

Технологические параметры процессов перемещения крупногабаритных блоков исследовались физическим моделированием на эквивалентных материалах на стенде (пол. реш. по заявке N 94019799/03 (019715). Модель крупногабаритного блока изготавливалась из пес-чано-канифольно-парафиновой смеси в электронагревательной печи.

В результате исследований установлено:

1. Зависимость усилия выведения блока из равновесного состояния (F) от его углового пути

F = -А-апов+ Ь, т, (7)

где сспов - угловой путь блока; А - эмпирический коэффициент, принимающий значения от - 0,15 до - 0. 25; b - то же от 12,7 до 29, 02.

2. Зависимость F от глубины подсечки

F = - 0,000142*Впг~ О,028*ВП+ 6,745, Т. (8) где В„ - глубина подсечки, м.

3. Эффективное место приложения усилия F равное 0,6 - 0,7 высоты крупногабаритного блока.

4. Введено новое понятие "показатель подсечки" (Кп), являющийся отношением глубины подсечки В„ к ширине блока Ь. Установлено, что при угле откоса уступа 70° и показателе подсечки Кп = 0,87 и более, блок может наклониться под действием силы собственного веса при условии отделения его от массива.

5. Угол подсечки, равный 40° обеспечивает перемещение блока во II фазе без подъема его центра тяжести, в результате во II, III, IV фазах траектория центра тяжести представляет нисходящую, что обеспечивает безостановочное перемещение блока во всех фазах.

Исследования образования направленных трещин в осадочных многолетнемерзлых породах.

Обширные исследования особенностей действия взрыва в мерзлой среде позволяет базироваться на имеющихся достижениях науки и техники в этой области и изучить только технологию направленного трещинообразования в осадочных мерзлых породах. Следует отметить, что исследования и технологические разработки по направленному трещинообразованию в мерзлом породном массиве не проводились и многие явления, сопровождающие его не исследованы, что осложнило теоретическое описание процесса. Поэтому сначала были выполнены

экспериментальные работы по определению зоны действия взрыва одиночного заряда в мерзлой среде.

Наличие в составе вскрышных пород льда-цемента, газообразных компонентов и незамерзшей воды снижает механический эффект взрыва, при котором в ближней зоне происходит разрушение, расплавление, течение и испарение порового льда, приводя к разрыву связей минеральных частиц. В результате разрушаемая порода становится более пластичной, происходит переукладка частиц и образуется взрывная полость. Во второй стадии взрывного разрушения, под действием газообразных продуктов образуются зоны дробления и трй-щинообразования. Экспериментами установлено, что в ближней зоне на разогрев и пластические деформации поглощается 85-95Х потенциальной энергии заряда. При этом радиус взрывной полости составля -ет от 3 до 6,5-Рзар, а радиус зоны уплотнения и пластической деформации - 17■ I?зар. Это позволило установить прогнозное расстояние между зарядами, обеспечивающими направленное трещинообразова-ние от 3-6,5-йз до 17-(З3.

Результаты экспериментальных работ позволили разработать методику расчета необходимой удельной энергии, затрачиваемой на разрушение 1 м2 поверхности раскола на основании энергетического показателя разрушения осадочных многолетнемерзлых горных пород, полученного с учетом пределов их прочности и диаграмм напряжение-деформация. В результате получен удельный расход ВВ на образование 1 мг раскола в осадочных многолетнемерзлых породах, равный 0.5954 кГ/м2. Определена необходимая механическая энергия для выведения блока из равновесного состояния, равная 9,5% основного заряда. Используя результаты расчетов построена номограмма для определения потенциальной энергии, необходимой для выведения блока из равновесного состояния с учетом показателя подсечки.

Образование направленного трещинообразования взаимодействием двух зарядов исследованы в лабораторных условиях на искусственно замороженных образцах размером 200x200x100 мм. Это позволило сохранить физическую природу взрыва в мерзлой среде. Прочностные и акустические свойства образцов составляли бсж= 8,94 МПа, скорость продольной волны Vр = 4106 м/с. Таким образом, изготовленные образцы по своим физико-механическим свойствам адекватны с образцами из массива мерзлых горных пород. Оценка эффективности взрывного раскола произведена с помощью удельного расхода ВВ на площадь раскола gp= 0ВВ/3Р, кГ/м2.

Для оценки эффективности взрыва парносближеннкх зарядов предложен показатель раскола

Кр = 1Ьтр/1р,

где ХЬ1р - суммарная длина вновь образовавшихся трещин;

1Р - база раскалываемого участка.

В результате исследований установлены пределы расстояния между зарядами, обеспечивающее направленное трещинообразование, равное от 8-10-б3 до 15-16-о3 (й3- диаметр заряда).

Для окончательного определения расстояния между зарядами про-Е^дены экспериментальные исследования направленного трещпнообра-зования на Кангаласском разрезе, на участке, где вскрышные породы представлены разнозернистыми песками мощностью 2,2 м (бсж = 12.8 ± 1,16 МПа; бра.с= 1, 97 ± 0,84 МПа, Е = 0.63 ± 0. 18-Ю"3 МПа) и слабосцементированными мелкозернистыми глинистыми песками мощностью 4 м (бСж= 14,3 ± 1,26 МПа; брас = 1.98 ± 0,84 МПа, Е = 0,73 ± 0,20-Ю"3 МПа). Оттаявший верхний растительный слой удален бульдозером и сформирован уступ высотой 1,8 м, с углом откоса 75°. Влажность пород - 24%, трещиноватость отсутствует, температура пород в массиве - 5° С.

С этой целью на площадке пробуривались наклонные шпуры диаметром 40 мм. При этом расстояние между шпурами составляло от 6-(33 до 18-<33, серии составляли 4 группы, включающие по 4 скважины, которые взрывались послойно. Всего произведено 28 взрывов. Толщина откалываемого слоя - 0,5 м, глубина шпуров - 1,7 м. Из испытанных конструкций зарядов положительные результаты дали гирлянды на из 1/2 патронов аммонита N6 ЖВ, через 0.4 м. Таким образом, энергонасыщенность площади откола регулировалась расстоянием между шпурами. Результаты взрыва оценивались показателем раскола.

В результате взрывов получена зависимость Кр от расстояния между шпурами в диаметрах заряда (рис. 5)

Кр=(1/с1зГг'636-626,5. (10)

Рис.5. Зависимости показателя раскола от расстояния между шпурами в диаметрах заряда: 1 - лабораторная 2 - экспериментальная.

Также установлена зависимость Кр от удельного расхода ВВ на единицу площади откола кг/м2)

Кр = 4,197-ч3- 1,38. (И)

При интерпретации результатов учитывались Кр< 1, т.к. меньшие значения означают, что в результате взрыва длина магистральных трещин меньше, чем база раскола, то есть не обеспечивается откол. Учитывая это обстоятельство, установлен удельный расход на ■**" '•-:'■ ' '' ' ■ •" •• площадь откола д3= 0,58-

•....." - «¿У-4 0, 69 кг/м2, (Кр=1, 04-1, 07).

г"1?-.,, -••/ который обеспечивается рас-

гстоянием между зэрядами 10-

А. V'-' '-V 12-а3. Характерные линии

! откола представлены на рис.

г ' . . Ч'-Л*. 6. Как видим, результаты

} ■ \ экспериментальных работ на-

^ ' ходятся в пределах, уста-

I V, V: новленных лабораторными

\ -.-.V

; ■ исследованиями.

! -! > *

I ..-Л. Рис. 6. Характерные линии

I "-г- откола преследующих расс--

тоянпях между зарядами: ;„ а - 10й3; б - 12й3

Обоснование процессов формирования и перемещения крупногабаритных блоков.

Апробации параметров буровзрывных работ и технологии перемещения блоков проведены на разрезе Харбалахский и россыпном месторождении "Омолойский" с углом наклона пластов до 3°, расположенных в многолетней мерзлоте с температурой пород от -5°С до-7°С.

Параметры блоков и элементов добычного уступа, установленные с помощью программ "ВЬОК", при коэффициенте вскрыши К3= 4 (мощность продуктивного пласта 1,2 м) составляют: высота блока - 4 м; ширина - 2,4 м; показатель ширины блока - 0,6; показатель подсечки - 0,3; показатель ширины добычного уступа - 0,45 (вду= 1,8 м); показатель высоты добычного уступа -0,5 №ду= 2 м); коэффициент остаточной вскрыши - 0,66 (рис.7, г, д). Формирование блоков осуществлялось снятием верхней треугольной призмы с применением буровзрывного рыхления сезонномерзлого слоя мощностью 0,3 м. При этом расстояние между зарядами в ряду составило 1 м, между рядами

л

/ / /

/1 у

О 25 50 75 100 125 150 1

Рис. 7. Параметры БВР при формировании и угловые скорости перемещения блоков

0,7 м, глубина перебура - 0,15 м. удельный расход ВВ на разрыхление всего объема призмы -0,5 кг/м3 (рис. 7. а).

Одновременно с зарядами верхней- треугольной призмы взрывались заряды подсечной выработки, формирование которой достигнуто при следующих параметрах БВР: глубина оконтуривающих ипуров 0,8 м; подсечных - 2, 0 м; расстояние между оконтуривающими зарядами

0,66 м; между рядами - 0,6 м; удельный расход ВВ составил от 1,82 до 1,92 кг/м3 (рис. 7, б). Разрыхленные породы подсечной выработки использовались на формирование породной подушки.

После формирования блока были пробурены тыльные и торцевые оконтурквающие скважины. При этом расстояние между ними изменялось от 10(1;, до 16а3. Испытызались конструкции зарядов, составленные из целых и 1/2 патрона аммонита Г16ЖВ, из которых сохранность блоков обеспечивала последняя при расстоянии между зарядами 0,43 м. благодаря чему достигнуто равномерное распределение энергии заряда по высоте блока (рис. 7, в). При этом удельный расход ВВ на площадь откола изменялся от 0,5 до 0,9 кг/м2 и регулировался расстоянием между зарядами.

Всего таким образом формировались 14 блоков при разных параметрах буровзрывных работ. Из них сохранились в процессе формирования и перемещения - 8, раскололись: при взрыве контурных зарядов - 4, в процессе перемещения - 1, не обеспечен откол - 1.

Оконтуривание и сохранение блоков обеспечены при следующих параметрах ЕВР: удельный расход ВВ на площадь раскола 0,6-0,64 кг/м2, при расстоянии между зарядами 0.36 м (10^3). Для выведения блока из состояния равновесия использовалась энергия взрыва, размещением дополнительного ВВ в количестве 0,25; 0,5; 0,75 кг. Выведение блока из состояния равновесия обеспечивалось при количестве ВВ 0,75 кг (при показателе подсечки 0,53), что составило 9,5% основного заряда оконтуривающих скважин тыльной части блока. При этом торцевые заряды работали только на трещинообразование по линии расположения скважин.

При компоновке внутреннего отвала крупногабаритными блоками управление траекторией их перемещения осуществлялось изменением высоты породной подушки. Это позволяло при становлении развернуть блок до 7° относительно оси заходки и обеспечить пространство между блоками до 1,2 м между блоками. Глубина разрушения кромок блока в процессе перемещения по опорным точкам составляла: Е -0,02 м; Б - 0,1 м; С - 0,18 м; К - 0,35 м, которое показало расхождение с результатами лабораторных исследований на 8%.

Установлено, что на сохранность блоков решающее влияние оказывает температура пород, определяющая их прочность. При условиях выполнения экспериментов прочность пород на сжатие 7,5-8 МПа обеспечивалась их температурой ниже -5°С, которая оказалась достаточной для формирования и перемещения блоков высотой 4 м.

Таким образом, выполненные эксперименты показали возможность оконтуривания и отделения крупногабаритных блоков буровзрывным способом. В ходе экспериментов с расхождением 7,2% с теоретическим установлен удельный расход ВВ ка единицу площади откола блока 0,6-0,64 кг/к2, а также с расхождением до 10% с результатами лабораторных и опытных работ установлено расстояние между зарядами 10-d.,- 12-d3, при котором обеспечивается откол блоков.

Выбранные соотношения параметров крупногабаритных блоков и элементов забоя обеспечили перемещение 8 блоков, общим объемом более 700 м3, в результате чего доказана адекватность уравнений угловых скоростей и модели "BL0K", также технологическая возможность буровзрывного формирования крупногабаритных блоков.

Технология ведения горных работ.

Разработанная технология ведения вскрышных работ с внутренним отвалообразованием предусматривает проведение капитальной и разрезной траншей, создание пионерного пространства для размещения блоков.

Предлагаются три технологические схемы расстановки вскрышного и добычного комплексов по фронту работ при одно-бортовой и двухбортовой схемах развития. Схема I (рис.8, а) предусматривает развитие фронта работ с одного фланга. Работы начинаются с наращивания опережающего забоя 1 капитальной траншеи для создания дополнительной свободной поверхности с торца крупногабаритного блока и служащим одновременно для разворота транспортных средств. Схема II (рис. 8,6), когда фронт вскрышных и добычных ра-

Рис. 8. Схемы организации работы вскрышного и добычного уступов

бот развивается с двух флангов. Схема III (рис. 8, в) предусматривает центральное вскрытие карьерного поля и расположение опережающего забоя капитальной траншеи по центру. Фронт вскрышных и добычных работ развивается от центра к флангам.

Ширина заходки вскрышного и добычного уступов равна ширине переворачиваемого блока. Технология предусматривает разработку продуктивного пласта узким забоем, тупиковыми заходками с применением мобильных погрузчиков на пневмоколесном ходу в комплексе с автосамосвалами.

Технологические схемы предусматривают снятие верхней треугольной призмы вместе с плодородным слоем и их размещение на отвал из крупногабаритных блоков (рис.9), осуществляя тем самым совмещение рекультивации внутреннего отвала с горными работами. В результате, в процессе отработки месторождения нарушенной остается только рабочая зона карьера.

Таким образом, основным принципом технологических схем ведения горных работ является системное использование выработанного пространства для размещения крупногабаритных блоков, пород остаточной вскрыши, верхней и нижней треугольной призм. При оценке эффективности перемещения вскрыши крупногабаритными блоками целесообразно используется показатель остаточной вскрыши, с учетом которого разработаны следующие технологические схемы ведения вскрышных работ (рис.9):

Рис. 9. Технологические схемы вскрышных работ: а - при Кв = 2; б - при Кв > 2; в - комбинированная.

- монолитными блоками перемещают вскрышу на всю мощность, когда Кв= 2 (рис. 9, а);

- монолитными блоками перемещают часть вскрыши с селективной

выемкой продуктивного пласта, когда К3> 2 (рис.9, б);

- комбинированное применение драглайнов: когда объемы верхней части вскрыши перемещается драглайнами, а нижнего уступа крупногабаритными блоками (рис. 9, в).

В результате образуется комбинированный отвал из крупногабаритных блоков и пород и остаточной вскрыши. Обьем пород отвала при этом определяется из объемов крупногабаритных блоков и объемов остаточной вскрыши, пород подсечной выработки и верхней треугольной призмы с учетом коэффициента разрыхления

Votb= VK6 * N +(Vnc + V + V0B)*KP . (12)

где VK6- обьем перемещаемого крупногабаритного блока, м3; N - количество блоков в отвале; Vnc- обьем пород подсечной выработки, м3; V - обьем пород верхней треугольной призмы, м3; V0B- обьем пород остаточной вскрыши, м3.

Вместимость отвала определяется как сумма объемов вскрыши и продуктивного пласта

VbmotB= VBCK+ Vnn, (13)

где VBCK- обьем вскрыши; Vnn - обьем продуктивного пласта.

Технология обеспечивает совмещение во времени и пространстве вскрышных работ, отвалообразование крупногабаритными блоками, рекультивацию, где основным принципом является системное создание выработанного пространства и его погашение крупногабаритными блоками с восстановлением поверхности отвала в едином цикле.

Выбор схемы отвалообразования определяется горно-геологическими и горно-техническими условиями разработки. Благодаря укладке вскрыши во внутренний отвал крупногабаритными блоками без разрыхления, технология позволяет увеличить емкость отвала на 21-24% при Кв= 2. С увеличением Кв появляется объем остаточной вскрыши, который размещается в отвал с разрыхлением в результате селективной выемки. Это обстоятельство сокращает приращение емкости отвала за счет уменьшения удельного объема вскрыши, перемещаемой блоками в монолитном состоянии. Установлена зависимость приращения вместимости отвала от коэффициента вскрыши:

AV0T= Квск"°-бг497*42,158. (14)

Эффективность технологии:

Производительность. Технология предназначена для разработки россыпных и угольных месторождений с мощностью вскрыши от 6 до 10-12 м предприятиями малой производственной мощностью. Основным фактором, определяющим производительность технологии и скорость

подвигания фронта горных работ, является производительность бурения скважин оконтуривающего ряда, подсечной выработки и верхней призмы. Как показали экспериментальные работы, при бурении имеющимися станками СВБ-2М и ИКР-100 производительность составляет в среднем 70 и 35 м/см ссответственно. Оценка производительности технологии по вскрыше производилась при высоте (Ь) вскрышного уступа от 6 до 12 м, ширине Ь = (0,6 - 0,7)11, длине блока 16л= 2Ь.

Установлено, что с увеличением высоты уступа увеличивается выход горной массы с 1 п.м. по следующей линейной зависимости:

Увых= 0.399*11 - 1, 189. (15)

Интенсивность технологии может быть повышена применением буровых станков ДГА-550, КГА-660, Ксммандо-660, производительность которых составляет 200-300 м/см и двухбортовым развитием горных работ. На рис. 10 приведено сравнение производительности предлагаемой технологии с бульдозерной и шагающими экскаваторами. Производительность бульдозеров при расстоянии транспортирования свыше 100-150 м резко снижается и их применение при дальнейшем увеличении длины фронта горных работ нецелесообразно. Предлагаемая технология может обеспечить при однобортовой схеме, одностороннем развитии фронта горных работ и односменной работе (6) годовой объем вскрыши от 26230 до 105460 м3 в год. при двухсменной - от 52460 до 210450 м3 в год. а при двухбортовой схеме (7) - 104910 до 420900 м3 в год, что обеспечивает гибкую производительность по вскрыше. При этом скорость подвигания фронта горных работ умень-

Рис. 10. Зависимости производительности по вскрыше от длины фронта горных работ: 1- ЭШ-5/45; 2 - Д-9Н; З-ДЭТ-250; 4 - Т-180: 5 - Т-100; 6, 7, 8 -технология ведения вскрышных работ крупногабаритными блоками при однобортовой схеме с односторонним, двухбортовой схеме с односторонним и двухбортовой схеме с двусторонним развитием фронта работ соответственно.

шается с его увеличением и составляет от 24 м/год при Ьфр= 230 м до 180 м/год при Ьфр= 50 м.

Таким образом, технология ведения вскрышных работ крупногабаритными блоками обеспечивает производительность предприятий, разрабатывающих мелкие россыпные и угольные месторождения в условиях многолетней мерзлоты.

Экологическая эффективность достигается снижением пылеобра-зования в результате: уменьшения удельного расхода ВВ до 0,45 кг/м3; исключения экскавации; сокращения эрозии отвальных терриконов вследствие совмещения их рекультивации с горными работами. Все это позволило сократить уровень загрязненности по основному пылевому фактору на 53% по сравнению с существующей.

Экономическая эффективность. Положительные результаты апробации технологии отделения и перемещения массива вскрышных пород крупногабаритными блоками, внедрение в практику проектирования, а также в производство (технология направленного раскола, использование результатов исследований физико-механических свойств мерзлых горных пород при ведении БВР), рекомендаций, разработанных на основе теоретических положений и выводов диссертации, подтвердило их достоверность и эффективность. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 319,44 млн.рублей за 1966 г.

Применение технологии разработки многолетнемерзлых пород крупногабаритными блоками позволит исключить экскавацию, существенно увеличить для россыпных месторождений высоту вскрышного уступа, отрабатываемой с внутренним отвалообразованием, существенно увеличить для россыпных месторождений высоту вскрышных уступов, более полно использовать выработанное пространство для внутренних отвалов. Ожидаемый экономический эффект составляет 1790 руб/м3 вскрыши.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны теоретические положения по обоснованию параметров технологических процессов отделения и перемещения крупногабаритных блоков осадочных многолетнемерзлых пород, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления исследований процессов горного производства в условиях многолетней мерзлоты, а также изложены научно обоснованные технологические решения по

обоснованию параметров новой технологии открытой разработки мно-голетнемерзлых пород крупногабаритными блоками, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в горнодобывающих отраслях промышленности.

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

1. Термометрическими, гидрогеологическими и гляциологическими исследованиями установлены следующие специфические условия зоны многолетней мерзлоты, влияющие на технологию ведения горных работ крупногабаритными блоками:

- цементирование льдом твердого скелета рыхлых осадочных отложений при температуре -5 * -6°С и ниже обеспечивает достаточную их прочность, позволяющую формирование и перемещение блока во внутренний отвал;

- глубина протаивания 1,5 * 3,5 м в летний период не нарушает монолитности массива в теле крупногабаритного блока, однако его учет необходим при формировании верхней треугольной призмы;

- на процесс формирования блока влияют обводненность взрывных скважин, источниками которой являются надмерзлотные трещин-но-карстовые и поровые коллекторы, питающие процесс обледенения стенок скважин, образующихся за счет их отрицательной температуры пород, сублимации и инверсии холодного воздуха.

2. Установлено, что переворачивание блока обеспечивается при условии, когда сумма высоты добычного уступа и ширины его площадки равна высоте крупногабаритного блока, при этом его динамичность достигается геометрией самого блока, формируемого извлечением со стороны откоса треугольной подсечной выемки, облегчающей выведение блока из состояния равновесия и снятием верхней треугольной призмы, создающей безопасный угол внутреннего отвала.

3. Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что для переворачивания блока необходимо вывести его из состояния равновесия приложением начального импульса энергии. Дальнейшее его перемещение происходит благодаря запасу кинетической энергии, накопленной в предыдущих фазах, для которых необходимыми условиями являются:

- начальная энергия первой фазы, необходимая для поднятия блока на высоту разности расстояния от центра тяжести блока до нижней кромки подсечной выработки и перпендикуляра, опущенного от центра тяжести до основания блока, составляет 9,5% основного

оконтуриващего заряда;

- угол откоса подсечной выработки более 20° и остаточная кинетическая энергия после соударения в конце первой фазы обеспечивают вторую фазу перемещения;

- сохранение накопленной кинетической энергии в I и II фазах обеспечивает третью фазу вращения на верхней кромке добычного уступа;

- снижение центра тяжести крупногабаритного блока в конце третьей фазы обеспечивает четвертую фазу вращения относительно верхней кромки самого блока.

4. Впервые установлены закономерности перераспределения контактных напряжений крупногабаритных блоков по стадиям вращения:

- в первой стадии, когда блок вращается опираясь на нижнюю кромку подсечной выработки, максимальные напряжения сконцентрированы в точке опоры и с увеличением наклона блока в сторону вращения перемещаются в верхнюю кромку подсечной выработки;

- размещение породной подушки предотвращает образование пикового напряжения в конце второй стадии перемещения;

- в третьей стадии максимальные напряжения, сконцентрированные в центре блока, перемещаются в точку опоры вращения - верхнюю бровку блока;

- в четвертой стадии вращения максимальные напряжения, сконцентрированные в верхней бровке блока, перемещаются в основание перевернутого во внутренний отвал блока;

- максимальные напряжения, сконцентрированные в точках опор вращений, могут вызвать только смятие опорных зон.

5. Эффективность технологии перемещения и укладки крупногабаритных блоков во внутренний отвал обеспечивается углом подсечки более 40°, исключающим во второй стадии подъем центра тяжести блока и уменьшающим его угловой путь шириной блока не более 2/3 его высоты, а также сглаживанием острых кромок подсечной выработки и бровки добычного уступа, смягчающими динамические и площадные удары.

6. Самоперемещение крупногабаритных блоков во внутренний отвал обеспечивается выбором соотношения их параметров и забоя, методика и расчет которых основывается на следующих положениях:

- минимальный угол подсечки составляет 20°;

- показатель ширины блока (отношение ширины блока к его высоте) от 0, 35 до 0, 7;

- показатель ширины площадки добычного уступа (отношение ширины площадки добычного уступа к высоте блока) от 0,27 до О.С-2;

- минимальное значение показателя высоты добычного уступа (отношение высоты добычного уступа к высоте блока) равно 0,о.

7. Теоретическими, лабораторными и экспериментальными исследованиями установлены следующие основные Факторы, обеспечивающие формирование крупногабаритных блоков созданием направленных трещин в мерзлом породном массиве:

- необходимая минимальная удельная энергия 101315 Дне, затрачиваемая на образование 1 м2 поверхности раскола, составляет 4,6-4,7% потенциальной энергии заряда откола и является основанием для установления теоретического удельного расхода ВВ на образование единицы площади раскола 0,595 кг/м2;

- направленное трещпнообразование достигается при взаимодействии оконтуривающих зарядов зонами пластической деформации и дробления и обеспечивается расстоянием между скважинами, равным 10-12 диаметрам заряда, а при использовании зародышей трещин до 20 диаметров заряда;

- поглощение 85-95% потенциальной энергии заряда в ближней зоне взрыва на образование полости и пластические деформации среды позволяют сохранить крупногабаритный блок от разрушения.

8. Разработана буровзрывная технология Формирования, отделения и перемещения крупногабаритных блоков во внутренний отвал и экспериментально установлены следующие основные технологические параметры процессов:

- подсечная выработка формируется оконтуривающими зарядами и обеспечивается удельным расходом ВВ на от 1,82 до 1,92 кг/'м3;

- формирование верхней треугольной призмы осуществляется с учетом состояния деятельного слоя, при этом буровзрывные работы применяются в зоне сезонномерзлого слоя;

- удельный расход ВВ на образование единицы площади раскола 0,6-0,64 кг/м2 обеспечивает откол блока от массива и сохранение при их отделении и перемещении;

- общий удельный расход ВВ на формирование, откол и перемещение блока составил в среднем по экспериментам 0,45 кг/м3.

9. Установленные с помощью программы "ВЮК" соотношения параметров блоков и добычного уступа, а также определенные экспериментально параметры БВР обеспечили надежность выхода блоков на 88% и их сохранение в процессе перемещения.

IG. Разработаны совмещенные бо вреьени а пространстве технологические схемы ведения открытых горных работ, предусматривающие системное формирование, отделение и внутреннее отвалообразование крупногабаритными блоками, создание ограниченной по ширине рабочей зоны с концентрацией погрузочно-транспортного оборудования на добычном горизонте и отработкой продуктивного пласта вслед за забоем вскрышного уступа.

11. Внедрение рекомендаций, основанных на результатах выполненных исследований обеспечило экономический эффект 319,44 млн рублей за 1996 г., ожидаемый экономический эффект составляет 1790 рублей на 1 м3 вскрыши. Экологический эффект достигается снижением уровня загрязненности окружающей среды, увеличением вместимости внутреннего отвала на 21-24%, а также совмещением процессов перемещения вскрыши с отвалообразованием.

12. Технология ведения вскрышных работ крупногабаритными блоками обеспечивает производительность по вскрыше от 26,3 до 210,4 тыс. м3 в год и предназначена для разработки мелких россыпных и угольных месторождений зоны многолетней мерзлоты. Объектом применения технологии являются 33 пологих и горизонтальных месторождений с углом падения до 6°, коэффициентом вскрыши более 2-х и общими запасами по углю 68,44 млн м3, по золотоносным пескам -16,499 млн м3, по оловоносным пескам - 7,17 млн м3.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Заровняев Б.Н., Добровольский Г.Н., Николаев H.H. Прибор для замера температуры.горных пород во взрывных скважинах. Инф. лист. N11-82. Якутск.: ЦНТИ, 1982. 3 с.

2. A.c. 1041690, МКИ Е21С 41/00. Способ открытой разработки крутопадающих россыпных месторождений полезных ископаемых/ Н.Н.Чемезов, Г.Н.Добровольский, Б.Н.Заровняев, С.П.Альков. Опубл. 15.09.83, Бюл. N34.

3. A.C. 1066690 (СССР) Устройство для измерения температуры горных пород в скважине/Якутский госуниверситет/Б.Н. Заровняев, Г.Н. Добровольский. Заявл. 9 июля 1982, N3469270; Опубл. 15.01.84. Бюл. N2.

4. Заровняев Б.Н., Добровольский Г.Н., Комзолов А.В. Подготовка вскрышных пород к взрыванию на основе изучения мерзлот-но-гидрогеологических условий уступов//Уголь, 1984. N12. С.20-21.

5. Добровольский Г.Н., Заровняев Б.Н., Скуба В.Н. Исследование гидрогеологических условий взрывных скважин и рекомендации по выбору ВВ//'Колыма, 1986. N 12. С. 12-14.

6. Заровняев Б.Н. Совершенствование технологии взрывных работ в условиях обледенения скважин на разрезе Нерюнгринский//Сб. на-учн. тр. Открытая разработка угольных месторождений. Кемерово, 1987. С. 27-31.

7. Шмелев Н.П., Советникова В.Г., Заровняев Б.Н. Износ экскаваторного оборудования и перспективы его обновления на примере разреза Нерюнгринский/Сб. научн. тр. Проблемы открытой добычи угля в Кузбассе. Кемерово: Концерн "Кузбассразрезуголь", 1990. С. 263-269.

8. Патент РФ 1677317. Способ внутреннего отвалообразованпя. Авторы Заровняев Б.Н., Добровольский Г.Н., Павловцев С.Н. и др. Заявл. 24.04.89. Опубл. 15.09.91. Бюлл. N34. 133 с.

9. Трумбачев В.Ф., Кусов А.Е., Заровняев Б.Н. Исследование методом фотомеханики распределения напряжений внутри крупногабаритных блоков в процессе их перемещения во внутренний отвал// ФТПРПИ. 1992. N6. С. 32-36.

10. Заровняев Б.Н., Малинин Н.И.. Ларионов A.A. Взрывное отделение блоков с учетом физико-механических свойств массива много-летнемерзлых пород// Ученые записки ЯГУ. Якутск: Изд-во ЯГУ, 1994. С. 32-40.

И. Заровняев Б.Н., Киприянов Г.0.. Ларионов A.A., Сорокин

B.C. Технология ведения открытых горных работ крупногабаритными блоками// Сб. докл.: Междунар. конфер. по откр. горным, землян., дорожным работам, М., 1994. С. 100-104.

12. Добровольский Г.Н., Заровняев Б.Н. Пути совершенствования открытых горных работ на карьерах Якутии//Горное дело: Проблемы и перспективы. Сб. статей. Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1994. С. 131-135.

13. Заровняев Б.Н., Киприянов Г.О., Сорокин B.C., Корякин И.И. Факторы, влияющие на распространение магистральных трещин в мерзлой горной породе// Сб. докл. II Межд. конфер. по буровзр. работам, М. 1995. С. 30-32.

14. Заровняев Б.Н.. Малинин Н.И. Геометрические характеристики крупногабаритных блоков// Изв. вузов Горный журнал. 1995. N 7.

C. 30-34.

15. Заровняев Б.Н.. Ларионов А.А. Кинематические характеристики перемещения крупногабаритных блоков//Экологическ.ие проблемы

горного производства, переработка и размещение отходов. Тез. докл. Второй научно-техн. конфер. T.l. М.:МГГУ, 1995. С.585-590.

16. В. Zarovnyaev, G. Kiprlanov, V. Sorokin, A. Larlonov Large size blocks mining technology//Exhlbltlon of Invention, research and Innovation, Varna, East-West Euro Intellect'95, 1995.

17. Заровняев Б.Н. Введение в научные основы разработки пологих месторождений крупногабаритными блоками. Новосибирск.: Наука, 1996. 91 с.

18. Заровняев Б.Н., Киприянов Г.0., Изаксон В.Ю. Расчет параметров технологии ведения горных работ крупногабаритными блоками: Методическое пособие/Изд-во ЯГУ. Якутск, 1996. 20 с.

19. Zarovnyaev В.N. Surface mining technology's schemes by large size blocks.- Proceedings of the Fourth International symposium on mining In the Arctic/SINTEF.- Trondhelm.- 1996. P. 129-133.