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

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

На правах рукописи

Жуковский Алексей Алексеевич

Комплекс средств для оценки свойств массивов горных пород на карьерах

Специальности 05.15.03. Открытая разработка месторождений

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: доктор технических наук

Денисов Сергей Егорович

Челябинск,1999 г.

_ о _

£О

Содержание

Введение 4

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

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

1.2. Средства для определения свойств массивов горных

пород в условиях ОГР 15

1.3. Требования к разрабатываемым средствам 22

1.4. Основные задачи, методы и структура научных исследований 26

Глава 2. Оценка свойств массивов горных пород в процессе их

разработки для обеспечения БВР 31

2.1. Целесообразность повышения точности сведений о свойствах горных пород 31

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

2.3. Уточнение параметров БВР по сейсмическим данным. 52

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

свойств горных пород на карьерах 60

3.1. Управление процессами измерений 60

3.2. Возбуждение колебаний при исследованиях в условиях

ОГР 63

3.2.1.Электродинамические излучатели для скважинных источников малой мощности 63

3.2.2.Мощный источник крутильных колебаний 69

3.2.3.Возбуждение колебаний в водной среде источником электроискрового типа 76

3.2.4.Импульсный источник звуковых колебаний в воздушной среде 81

3.3. Прием сейсмического сигнала в условиях ОГР 86

3.3.1.Прием сейсмического сигнала в условиях интенсивых электромагнитных помех 86

3.3.2.Применение акселерометров в качестве датчиков сейсмического сигнала. 94

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

3.4.2.Увеличение числа регистрирущих каналов сейсмос-

танции 99

3.4.3.Анализ сигнала, записанного в памяти сейсмостан-

ции, аналоговыми приборами. 100

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

4.1. Структура аппаратурно-измерительного комплекса 107

4.2. Применение аппаратурно-измерительного комплекса 110

4.3. Выводы 115 Заключение 116 Литература 119 Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

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

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

ных работ на карьерах.

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

Основными задачами исследований являются:

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

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

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

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

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

Защищаемые научные положения:

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

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

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

- установлены оптимальные параметры устройств управления источни-

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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