автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка эффективных способов разупрочнения и рыхления мерзлых пород

РГВ ОД од

На правах рукописи

/

Глушков Юрий Павлович

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ РАЗУПРОЧНЕНИЯ И РЫХЛЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ПОГОД (На примере Забайкалья)

Специальность 05.15.11. Физические процессы горного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чита-1997

Работа выполнена в Читинском государственном техническом универс тете.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор, академик РЭА Воронов Е.Т.

канд. техн. наук, доцент

ЯшкинА.З.

Официальные оппоненты: докг. техн. наук, профессор В.В.Ушаков

канд. техн. наук Б.С .Волков

Ведущее предприятие - разрез "Восточный"

Защита состоится " 19 " си^НЯ 1997г. в Ю часов, на заседании специализированного совета К.064.80.01 при Читинском государственном техническом университете (г.Чита, ул. Горького, 28, корпус ГЕО, ауд.9 )

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу: 672039, Чита, улЛлекзаводская, 30,41 ТУ, ученому секретарю специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Читинского государственного технического университета.

Автореферат разослан " У " ис&Л. 1997г.

7

Ученый секретарь специализированного^/) г

совета, доктор геол.-мин. наук / // У ВтСГ.Салихо

Введение

Актуальность темы: В восточных регионах России сосредоточена подавляющая часть разведанных и прогнозных запасов важнейших дер-лезных ископаемых: золота, алмазов, олова, вольфрама, меди, сурьмы, ртути, никеля, угля, нефти и других. Хозяйственное освоение этих перспективных районов, строительство железных и автомобильных дорог, отработка россыпных месторождений и т.д. сопряжено с выполнением большого объема земляных и открытых горных работ в условиях вечно-мерзлых или сезонно-ь^злых грунтов.

Из всех способов разработки мерзлых грунтов наибольшее распространение в северо-восточных регионах получило разрушение грунтов рыхлителями, на которые приходится около 60% объемов вскрышных работ. Однако, повышенная прочность и энергоемкость разрушения мерзлых грунтов в значительной мере снижает эффективность и область применения землеройных машин. Для снижения энергоемкости разрушения мерзлых грунтов в настоящее время применяются различные методы разупрочнения ( механические- с предварительным щелеобразованием; тепловые- с естественной или искусственной предварительной оггайкой; криогенные- с дополнительным промораживанием рыхлых горных пород). Выбор и оптимизация рациональных способов разупрочнения мерзлых грунтов и их комбинации требуют внимательного учета природно-климатических, мерзлотно-геологических и тегшофизических факторов.

Забайкалье по своим природно-климатическим, геологическим условиям, физико-механическим свойствам и гранулометрическому составу грунтов отличается большим разнообразием. Наряду с более или менее однородными супесчаными и суглинистыми грунтами часто встречаются вечномерзлые гравийно-песчаные смеси и галечники, покрытые слоем ягельного мха, торфяника и другим растительным покровом,

ограничивающим возможность их сезонного оттаивания. Толщина снел ного покрова, как правило, незначительна, что способствует глубоком сезонному промерзанию поверхностного слоя ( до 4 м ).

Особенности климата, разнообразие грунтов по их физико-мехаш ческим свойствам вызывают необходимость учета конкретных приро; но- климатических и мерзлотно-геологических условий при выборе те} ники и оптимальных комбинированных технологических схем ведени открытых горных работ.

Идея работы заключается в том, что повышение эффективности по^ готовки к выемке глубокопромерзающих грунтов достигается нарезание в них щелей, интенсифицирующих теплообменные физические процесс] разупрочнения мерзлых грунтов и создающих благоприятные условия да механического их рыхления.

Целью работы является расширение технико-экономических во: можностей рыхлителей на открытых горных работах на базе использовг ния предварительного (опережающего) разупрочнения мерзлых грунтов.

На разрешение были поставлены следующие основные задачи:- дат анализ условий разрушения мерзлых грунтов в районах Забайкалья обосновать ( выявить) наиболее рациональные способы разработк мерзлых грунтов; - исследовать закономерности и энергоемкость разр] шения мерзлых грунтов при рыхлении с опережающим нарезанием щеле в горном массиве; - определить рациональные конструктивные парамеп ры комбинированного универсального рабочего органа "фрезг рыхлитель" для разработки мерзлых грунтов; - оценить возможность эффективность применения тепловой и криогенной мелиораци (подготовки) мерзлых грунтов для повышения эффективности вскрьш ных работ на Татауровском буроугольном месторождении и Малхак ском месторождении цветного турмалина;

- разработать эффективные технологические схемы комбинированного разрушения мерзлых грунтов для различных природно-климатических и геокриологических условий с учетом времени года.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовался комплекс методов, который включал: а) анализ современного состояния корчн и практики разработки мерзлых грунтов; б) аналитические и экспериментальные исследования, стендовые и промышленные испытания, технико-экономические расчеты. Исследования проводились о применением современной измерительной аппаратуры и методов статистической обработки полученных результатов на ЭВМ.

Оценка практических результатов исследований проводилась на основе внедрения рациональных способов разупрочнения и разработки мерзлых грунтов на вскрышных работах Татауровского буроугольного и Малханского месторождения камнесамоцветного сырья, осуществляемых при непосредственном участии автора в 1980-94 гг. в ходе выполнения хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ.

Научные положения, выносимые на защиту:

- повышение эффективности разработки мерзлых пород достигается за счет применения униг^эсального комбинированного рабочего органа "фреза-рыхлитель", обеспечивающего опережающее ослабление горного массива фрезой и создающего благоприятные условия для рыхления грунта за счег создания напряжений отрыва и скола;

- полученные эмпирические зависимости позволяют определять оптимальные конструктивные параметры и режим работы комбинированного рабочего органа с учетом физико-механических свойств мерзлых пород, обеспечивающих значительное (на 25-30 %) снижение энергоемкости разрушения горных пород;

- предварительное нарезание компенсационных щелей в условиях резко континентального климата Забайкалья позволяет значительно ин-

,^русифицировать естественное разупрочнение мерзлых [фунтов за счел тепловой мелиорации в летний период и образования "сушенцов" в зим ний период;

- комплексное применение механических, тепловых и криогенныз способов разупрочнения мерзлых грунтов с учетом конкретных природ но-климатическнх условий позволяет избежать применение дорогостоя ших, экологически вредных и опасных при реализации буровзрывных ра бот на вскрышных работах угольных месторождений Забайкалья.

сформулированных I

диссертации обеспечена достаточным объемом лабораторных, стендо вых и производственных испытаний и их удовлетворительной сходи мостью, а также подтверждена результатами внедрения эффективны; способов разупрочнения и'разработки мерзлых грунтов при эксплуатацш ряда месторождений Забайкалья.

Научная новизна работы заключается:

- в применении единого методического подхода при исследовании комби нированного способа разработки мерзлых фунтов, заключающегося максимальном использовании природно-климатических и геокриоло гических условий Забайкалья для естественного разупрочнения мqззлы грунтов;

- в установлении законо.^чноетей разрушения мерзлых грунтов, позво ляющих определять рациональную расстановку зубьев и фрезы в комби нироиашюм рабочем органе (КРО);

- в установлении зависимостей рацпональногорасстояния зубьев рыхлите ля и предварительно нарезанной щели и глубины рыхления с учетом фи зико-механических свойств грунтов;

- в установлении многофакторной роли предварительно нарезанных щс лей для технологического разупрочнения грунтов, а также в интенсифг кации тепловой мелиорации и искусственной подготовке сушенцов ;

- в формировании рациональных комплексов предварительного разупрочнения и рыхления мерзлых грунтов, обеспечивающих всессзонную' эффективную разработку пэунтов в условиях Забайкалья.

Личный вклад соискателя заключается:

- в разработке универсальных стендов и проведении лабораторных исследований по определению конструктивных рациональных параметров и режимов работы КРО - "опережающая фреза-рыхлитель";

- в разработке математической модели процесса разрушения мерзлых грунтов КРО и создании методов расчета оптимальных его конструктивных и рабочих параметров;

- в разработке методов расчета усилий и параметров КТО;

- в обосновании целесообразности применения предварительно нарезанных щелей как эффективной составляющей комбинированного способа разупрочнения мерзлых пород;

- во внедрении всесезонной комбинированной разработки мерзлых грунтов при эксплуатации (вскрытии) Татауровского буроугольного месторождения и Малханского месторождения камнесамоцветного сырья.

Практическое значение работы состоит в том, что:

- выполнен анализ природно-климатических и геокриологических условий Забайкалья, который позволяет обосновывать использование опережающего и предварительного щелеобразования как эффективного всесезон-ного способа разупрочнения мерзлых грунтов с целью снижения энергоемкости его разработки;

- разработан универсальный стенд для исследования разрушения мерзлых грунтов различными рабочими органами;

- разработана рабочая конструкция универсального рабочего органа -рыхлителя с опережающей фрезой, применение которого позволяет на 2025% снизить э!^эгоемкость разрушения мерзлых грунтов;

- разработана и внедрена на 'Гатауровском буроугольном месторожде-

I г:

нии (разрез "Восточный") гибкая технология ведения вскрышных работ;

- предложены эффективные технологические схемы разработки мерзлых qзyнтoв с учетом суровых природно-климатических условий Забайкалья.

Реализация работы в промышленности . Всесезонная технология разрушения мерзлых грунтов при вскрышных работах испытана и внедрена при эксплуатации Тагауровского буроугольного местророждения.

Технология разрушения мерзлых грунтов щелевым методом разупрочнения грунтов использована при разработке (вскрытии) Малханского месторождения камнесамоцветного сырья. Результаты исследований широко используются в учебном процессе в ЧитГТУ при подготовке инженеров по специальности "Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях Сибирского автодорожного института (Омск, 1984-1986 г.г.), Читинского политехнического института (г.Чита, 1985-1992 г.г.), на научно-практической конференции "Геокриологические проблемы Забайкалья" (г.Чита, 1987г.), на технической секции Ученого Совета ЗабНИИ (г.Чита, 1996г.), а также на совместном заседании кафедр разработки месторождений полезных ископаемых и кафедры охраны труда и охраны природы Читинскою государственного технического университета.

Публикации. Основные положения и результаты по теме диccqз-тации опубликованы в 8 печатных работах.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из Шб наименований и coдq>-жит листов машинописного текста, табл., 4Ь рисунков и 3

приложений, подтверждающих внедрение результатов дайной работы.

Во введении обоснованы актуальность работы и методы проводимых исследований.

В первой главе приведены сведения о природно-климатических и геокриологических условиях разработки мерзлых грунтов в районах Забайкалья, дан анализ изученности проблемы, обосновывается целесообразность предварительного щелеооразования как комплексного способа разупрочнения мерзлых грунтов.

Во второй главе приведены экспериментально-теорешческие исследования процесса механического разрушения мерзлых грунтов, выделены основные факторы, влияющие на энергоемкость разрушения мерзлых грунтов комбинированным способом.

В третьей главе дано обоснование оптимальных конструктивных параметров комбинированного рабочего органа "фреза-рыхлитель" и оценка его эффективности на полупромышленном стенде.

В четвертой главе приведены результаты производственных испытаний и внедрения наиболее эффективных способов предварительного разупрочнения мерзлых и обводненных грунтов при отработке Татау-ровского буроугольного месторождения, приведены технологии тепловой мелиорации и технология подготовки искусственных сушенцов. Рекомендованы оптимальные технологические схемы разупрочнения и разработки грунтов комбинированным способом. В заключении приведены основные выводы по работе.

Работа выполнена на кафедре строительных и дорожных машин Читинского государственного технического университета.

Краткие сведения по изучаемому вопросу В условиях Забайкалья наибольшее распространение получил способ подготовки мерзлых грунтов к выемке рыхлителями статического действия.Одним из реальных путей повышения эффективности разра-

ботки грунтов в суровых природно-климатических и сложных геокриологических условиях Забайкалья является использование рациональных методов опережающего или предварительного разупрочнения грунтов. Высокая прочность и значительная глубина мерзлых грунтов резко ограничивают область эффективного использования землеройных машин (рыхлителей).

Научные основы разрушения мерзлых грунтов освещены в работах известных ученых В.П.Горячкина, А.И.Зеленина, Н.Г.Домбровского,

A.Д.Далина, Ю.А.Ветрова, М.И.Гальперина, В.И.Баловнева, Д.И.Федорова, А.М.Холодова, И.А.Недорезова, К.А.Артемьева, И.К.Растегаева, В.Д.Телушкина, Д.А.Лозового.

Большой вклад в совершенствование техники и технологии разупрочнения мерзлых грунтов при разработке россыпных месторождений внесли С.В.Потемкин, В.И.Емельянов, В.Г.Гольдман, А.В.Рашкин, М.В.Костромин, С.Д.Чистопольский, В.В.Знаменский, Г.З.Перельштейн, 3.И.Богуславский,Б.А.Оловин и др.

На выбор оптимальной технологии разупрочнения и разработки мерзлых грунтов огромное влияние оказывают конкретные геокриологические и климатические условия района земляных работ. Значительные работы по мерзлотной разведке грунтов в Забайкалье проведены

B.С.Петровым, Д.М.Шестерневым,П.И.Сальниковым и др.

Большое разнообразие способов разупрочнения и разрушения мерзлых грунтов, а также геокриологических и климатических условий peí ионов Забайкалья обуславливают необходимость разработки и оптимизации гибких комбинированных технологий разработки мерзлых грунтов с учетом конкретных мерзлотио-геологических и горнотехнических условий.

Анализ ранее проведенных исследований показывает, что для условий Забайкалья одним из пq:>cпeктивныx направлений дальнейшего повышения эффективности разработки мерзлых грунтов является использование ог^эежающего или предварительного щелеобразования в мq?злoм массиве, выполняющего многофункциональную задачу по комплексному разупрочнению мq)злыx грунтов:

а) технологическое разупрочнение за счет создания дополнительных плоскоаей (1 раней) обнажения: б) ин Iепсификация процессов Н01^'рх-ностной гепловой мелиорации грунтов; в) подготовка искусственных су-шенцов.

Одним из пq)cпeктивныx направлений в области разработки землеройных машин нового поколения является создание комбинированных рабочих органов, в которых одновременно используются опережающее разупрочнение горных пород и их разрушение. При этом опережающие рабочие органы создают благоприятные условия для свободного резания основным рабочим органом. На эффективность рыхления мчэзлых грунтов рабочими органами землеройных машин влияют параметры рабочего органа, режим резания, свойства разрабатываемой среды. На усилие резания в значительной мере влияет степень блокированное™ стружки, которая определяется числом открытых поверхностей. Рассматривая процесс резания при различных условиях, можно сделать вывод, что блокированное резание является наиболее энергоемким (рис.1). Усилие резания составляет 75% при полублокированном резании, а при свободном - 55% в сравнении с блокированным резанием.

Для подтверждения данной закономерности был проведен комплекс лабораторных исследований на специальном стенде, физическою моделирования резания мерзлых q:>yнтoв.

В результате выполненных исследований установлено, что эффективность рыхления одним зубом возрастает до определенной, так называемой "критической" глубины, когда может быть получена максималь-

ная производительность. Дальнейшее заглубление зуба приводит I резкому возрастанию усилия резания, а площадь сечения скола возрастает незначительно лишь за счет прорезаемой зубом щели (Рис.2,а). При глу бине рыхления, позволяющей реализовать тяговое усилие базового тя гача при двух зубьях получена оптимальная их расстановка для обра зования максимальной формы сечения скола (рис.2,6). При дальнейше; удалении зубьев друг от друга снижается их взаимодействие и снижаете эффективность рыхления. Существенным повышением эффективност рыхления является комбинированный способ, заключающийся в предва рительной нарезке компенсационных щелей. Эффективность комбинирс ванного способа можно объяснить следующими положениями: а) предвг рительно нарезанные щели ослабляют массив и создают условия дл разрушения грун та за счет напряжений отрыва и скола; б) отделение эл< ментов от массива происходит по поверхности наименьшего сопротивл< ния разрушению (на рис.2 (- образующая этой пoвq)xнocти)• Осла( ляющее действие щели на массив обнаруживается на расстоянии от зус до щели, не превышающем длины образующей I поверхности скола.

\

Р.*Н

Рис. 1. Виды резания по степени блокированное™ и графики зависимости усилия резания от глубины при блокированном (1), полусвободном (2) и свободном (3) резании

•яп

-с

5

тг

I I

,1

Рис.2. Формы сечения скола. 1 - зуб рыхлителя; 2 - предварительно нарезанная щель; а - форма прорези при рыхлении одним зубом; б - то же при рыхлении двумя зубьями; в,д - рыхление одним зубом при наличии двух щелей; г,е - рыхление двумя зубьями при наличии одной щели; hP- глубина рыхления; hkP- критическая глубина рыхления; Ьш- глубина щели; h-высота расширяющейся части со стороны щели; hi- высота расширяющейся части со стороны массива; Sour - оптимальное расстояние между зубьями; S - расстояние зуба до щели; ¿-образующая поверхности скола; а - угол наклона образующей поверхности скола

В общем случае это расстояние определяется как S = i-sina = Лр cosa-sina .

Угол скола а будет различным для конкретных грунтовых условий и

во многом зависит от прочности грунта, гранулометрического состава, влажности, температуры, параметров рабочего органа и других

факторов, и может принимать значения в пределах 35°... 60й.

Характерные формы сечений скола при различных сочетаниях и р становке зубьев относительно предварительно нарезанной щели представлены на рисунке 2, а сравнительные данные лабораторных нее ледов; нин сведены в табл. I.

Таблица 1

Сравнительные данные по результатам лабораторных исследований

Параметры Сочетание рабочих органов

процесса рыхления Рыхление одним зубом Рыхление двумя зубьями

Без щелей При наличии двух щелей Без щелей При наличии одной щели

Глубина рыхления Ьр—Ь^р=5ш Ьр=Ьш Ьр=2Ьш Ьр=Ькр Ьр=Ьщ Ьр=1,5Ьш

Оптимальное расстояние между зубом и нарезаемой — Усилие резания, Р, кН - 17,5 10 6,5 17,5 7,5

40 36 | 50 70 57 75

Площадь сечения скола, смг 12,5 31,25 52,5 24 37,5 33.75

Отношение 1 1 1 ! 1 > усилия реза- | | | шикплоща- ] 3,2 ) 1,15 | 0,95 ди сечсния 1 | | скола.кН/см3 | | ! 2,9 1,52 11

Из приведенных данных видно, что наибольшая эффекгивность нолуча при рыхлении одним зубом с двумя предварительно нарезанными шеля При этом скалываемые куски в 5... 10 раз превышают размеры кусков, г лучаемых при рыхления одним зубом без предварительной нарезки ще обеспечивая меньшую энергоемкость (рис.3).

Анализ рис.2 и 3 убедительно показывает, что при нарезанных на 20 - 25% снижается удельная энергоемкость разрушения грунтов и

5-7 раз увеличивается производительность рыхления.

При одновременном нарезании разупрочняющсй щели и рыхлении зубом рыхлителя, различном сочетании и расстановке щелерезных и разрыхляющих рабочих органов на энергоемкость процесса, выполняемого комбинированным рабочим органом (КРО) влияют следующие параметры: а) физико-механические свойства мерзлого грунта; б) глубина рыхления; в) количество ц^^эезных устройств; г) количество зубьев рыхлителя; д) параметры рабочих органов; е) скорость перемещения КРО; ж) расстояние между зубьями и щeлq:>eзными устройствами в продольном и поперечном направлениях; з) соотношение глубины рыхления

Рис.3. Графики зависимости усилия рыхления Рот глубины рыхления ¡1Р и расстояния зуба до щели Б: 1 - зависимость усилия рыхления Р от глубины Ьр для одного зуба; 2 - зависимость усилия рыхления при работе двух зубьев на глубине ЬкР от расстояния между ними; 3,4 - рыхление двумя зубьями при наличии одной щели на глубине соответственно Ир=Ьш и Ьр =1,5 Ьш ; 5,6 - рыхление одним зубом при наличии двух щелей на глубине соответственно 1тр=Ьщ и ЬР= 21ы; ЬкР= 5см - критическая глубина рыхления для зуба шириной Ь =12мм

Из различных вариантов компоновки КРО исследования проводились для двух из них, наиболее характерных с минимальным сочетанием рабочих органов: а) рыхление двумя зубьями при наличии между ними одной предварительно нарезанной щели; б) рыхление одним зубом при наличии двух щелей.(рис.2).

Выполненными исследованиями было установлено, что ослабляющее действие щели на массив обнаруживается на расстоянии от щели до зуба, не превышающем длины образующей 1 поверхности скола (рис.2,в). Отсюда следует, что максимальное удаление зуба от щели не должно превышать размера I , в противном случае зуб рыхлителя и щелерезное устройство будут работать автономно без взаимного влияния, то есть должно удовлетворяться условие S <(.

Плоскость скола образуется по кратчайшему расстоянию к обнаженной поверхности, и угол а наклона образующей t может изменять^ при традиционном рыхлении для пластично-мерзлых грунтов V-VI кате гории - 40° ... 50° , для более прочных - 55° ... 60°. При комбинировать способе угол наклона образующей с принимает значения 90" ... 120° npi Ьщ > hp (см. рис.2, в). В результате выполненных исследований установле но, что в продольном направлении необходимо отставание зуба рыхлите ля на размер длины скалываемых кусков, чтобы последние не могли соз давать дополнительное сопротивление вследствие заклинивания их в ра бочем органе (рис.4).

Рис.4. Принципиальная схема

КРО.

Минимальное расстояние стойки зуба до фрезы определяется из Д ABC (рис.4) и будет зависеть от параметров рабочих органов, глубины нарезаемой щели Ьщ , глубины рыхления hp, а также от физико- Mexái'm4e-ски.х свойств мерзлого грунта (в частности угла скола а'). В общем случае это расстояние определяется по формуле:

а = hp sin а', м , (1)

где hP - глубина рыхления, м; а - угол скола.

Энергоемкость процесса рыхления мерзлого грунта КРО слагается из мощности, затрачиваемой на рыхление NP и мощности, затрачиваемой на нарезание щели

Nkpo = Np + Кф = Р-о, + 2Мф • аз, кВт, (2) где Р - усилие рыхления, Н ; ир- скорость рыхления , м/с ; Мф - крутящий момент на валу фрезы,Нм ; со-угловая скорость вращения фрезы, с1.

Производительность КРО определяем из выражения:

Шро = 3600-F« оР1 м3/ч, (3)

где Fe* - площадь поперечного сечения скола, м2;

Тогда, энергоемкость рыхления КРО будет:

Hw=Pu'+2M»-ü',kBT/M3. (4)

ЗбОО-f -ир

После преобразований формула (4) примет вид:

Hw - -----¡=--'-— , кВт/ м , (5)

3600-

где ко -удельное сопротивление рыхлению; Ьф - ширина фрезы; кф-удельное сопротивление грунта резанию зубом фрезы; кр - коэффициент разрыхляемосги грунта.

Одной из важных задач при обосновании предложенной технологии является выбор глубины щели hra, глубины рыхления hp и расстояния между осями щелей t, обеспечивающих максимальную плошадь попереч-

ного сечения скола Foc. Для определения зависимости Foc = f(hm, hp, t) нами'оыл использован многофакгорный эксперимент типа 21 , план которого позволяе; получить максимальную информацию по оптимальной расстановке рабочих органов в восьми экспериментах.

На основании математической обработки результатов 3Kcriq)H-мента на ЭВМ получено уравнение зависимости между осями щелей /, глубиной рыхления Лр и глубиной щели /ц:

FCK = 55+ 23 г + .52,25-/iF + 30,25-27,75 -г II + 11-t-h^ 23.5 h, -h . Влияние щелей на интенсификацию процессов тепловой мелиорации, сублимационной сушки и послойного оттаивания мерзлых грунтов было испытано на экспериментальном участке Татауровского буроуголь-ного месторождения с торфяным верхним слоем, где было установлено 2 термостанций для замера температуры грунта до глубины 15 м. Параллельные щели нарезались с различным расстоянием друг от друга в пределах 1 ... 5 м с помощью баровой установки на базе трактора Т-130 на глубину, превышающую мощность торфяного слоя на 10-12 см. Каждый участок между соседними щелями был поделен на 2 части - с почвенно-растительным слоем и без него. Наблюдения за состоянием торфяного слоя на экспериментальном участке продолжались в течение года, и позволили установить следующее:

- щели в летний период интенсифицируют процесс естественной оттай -кп во всех случаях за счет осушения фунта, причем скорость оттайки грунта в зоне расположения щелей увеличивается приблизительно в два раза, а в средней зоне между щелями - на 60-10 % при изменении расстояния между

щелями от I до 5 м;

- в зимний период щели интенсифицируют процесс сублимационной сушки грунта в условиях сухой и суровой зимы Забайкалья, в результате чего влажность грунта уменьшается до предела и позволяет проводить его разработку землеройными машинами без предварительного механическо-

го рыхления. Заблаговременное удаление почвенно-расгительного слоя целесообразно во всех случаях, так как это способствует резкому увеличению скорости оттаивания (рис. 5).

На основании выполненных исследований предложены два метода разупрочнения мерзлых грунтов с применением щеленарезания:

- метод послойно-тепловой мелиорации мерзлых грунтов;

- щелевой метод приготовления искусственных сушенцов.

Рнс. 5. Характер естественного оттаивания пород при различных условиях: I- без нарушения растительного слоя; 2 - после уборки растительного слоя; 3 - после нарезания щелей без уборки растительного слоя ; 4 - после уборки растительного слоя и нарезания щелей

Метод послойно-тепловой мелиорации заключается в нарезании весной параллельных щелей глубиной на 0,1 м, превышающей глубину естественной оттайки в течение нескольких дней. Указанную глубину рекомендуется устанавливать опытным путем. После оттайки грунт удаляется бульдозером, и нарезаются новые щели в промежутке между предыдущими, и процесс оттайки повторяется. По сравнению с распространенной сезонной тепловой мелиорацией этот метод более интенсивен и позволяет производить огтайку и разработку мерзлых грунтов мощностью 1,6 - 2,0 м в течение одного месяца.

. Работы по реализации щелевого метода подготовки искусственных сушенцов при выемке водонасыщенных фунтов должны начинаться весной, когда грунты обеспечивают хорошую проходимость землеройной техники. В начале удаляется растительный слой, затем нарезаются щели на полную мощность грунтов, из которых готовятся сушенцы.

Дренаж воды осуществляется в течение летнего сезона с помощью водосборной канавы, на которую замыкаются все нарезанные щели (рис. 6).

Рис. 6. Последовательность выемки пород вскрыши на разрезе "Восточный" : 1 - торф; 2 - дренажная канава; 3 - песчано-гравийный слой (аллювий); 4 - линия раздела талого и мерзлого грунтов; 5 - аргиллит; 6 -линзы льда; 7- уголь; 8 - отвал; Лц,-глубина нарезаемой щели; - толщина слоя торфа

В осенний период, когда грунт становится вновь проходимым для землеройных машин, нарезаются новые щели, предназначенные для дренирования воды и проникновения холодного наружного воздуха для сублимационной сушки грунта. Таким образом, к следующему весеннему сезону грунт готов к разработке.

)00-!20м

80-Ю Ом

1

Метод отличается от традиционного тем, что с его помощью можно готовить сушенцы из торфосодержащих грунтов, отличается высокой интенсивностью теплообменных процессов и более механизирован.

При обосновании оптимальных технологических схем разработки мерзлых грунтов автором для условий Татауровского буроугольного месторождения выполнен анализ процессов подготовки пород к выемке с помощью критерия удельной энергоемкости (рис.7).

Как видно из приведенных зависимостей, наиболее энергоемким является буровзрывной метод (кривая 1). 2.0

«П £

чэ *

В <А

*

I * I V

1 0,6

%

0,4 0,2

/ /! Ш IV V VI /// VIII IX X // XII

Месяцы года

Рис.7. Зависимость удельной эт^гоемкости подготовки пород к вскрыше различными способами н течение года: 1 - буровзрывной способ; 2 -нарезание щелей с последующим рыхлением; 3 - разрушение грунта рыхлителем; 4 - разработка грунта бyльдoэqэoм после мелиорации; 5 - разработка искусственных сушенцов бульдозером; 6 - нарезка щелей

Ведение буро-взрывных работ также затруднено в зимнее время следующими обстоятельствами: а) необходимость подготовки площадок для установки буровых станков; б) заштыбовка бурового става при бурении торфяного слоя; в) обводнение и заиливание скважин; г) вторичное смерзание (режеляция) взорванных пород; д) дополнительные буровзрывные работы по размельчению негабаритов; е)увеличение удельного расхода ВВ и другие затраты.

Нарезание щелей с последующим рыхлением (кривая 2) возможно только в холодный период, когда мерзлый грунт удерживает машины для нарезки щелей и рыхления. Применение КРО или комбинированного способа в летний период очень ограничено или вообще невозможно. Разрушение пэунта только рыхлителем ( кривая 3) довольно энергоемко и его применение ограничено летним периодом. Предварительное нарезание щелей возможно только в мерзлом грунте ввиду обводненности поверхности месторождения, но после подготовки площади с помощью нарезанных щелей их оставляют на определенное время, в течение которого идет естественное выветривание , оттайка и дренирование влаги, в результате чего появляются естественные сушенцы. Подготовленный таким образом грунт возможно разрабатывать всесезонно как рыхлителем (кривая 5), так и бульдозером или экскаватором (кривая 4). Различные технологии ведения подготовительных работ в течение года приведены в таблице 2. Они различаются горногеологическими и сезонными условиями применения.Технология подготовки мерзлых грунтов к выемке щелс-нарезанием с послойной тепловой мелиорацией была внедрена на Мал-ханском месторождении цветного турмалина при мощности отрабатываемых мерзлых вскрышных пород 1,2 м; состав мерзлых пород-суглинок. уклон поверхности 10°. Подготовка мерзлых грунтов к выемке осуществлялась следующим образом. В апреле на всей площади участка работ (100x40 м) были нарезаны щели баровой установкой на базе трак-

тораТ-130 глубиной 0,5 м на расстоянии друг от друга 2,5 м. Через 3 дня бульдозером был удален слой оттаявшей породы мощностью 0,4 м. Затем комплекс указанных работ повторялся еще дважды. В результате добычные работы были начаты на месяц раньше, чем это предусматривалось проектом, а годовой экономический эффект составил 90 млн. рублей. На Татауровском буроугольном месторождении внедрена технология подготовки обводненных торфяных отложений путем приготовления искусственных сушенцов. Щели для дренажа воды проходились весной перпендикулярно вскрышному фронту горных работ. Длина щели до 120 м, ширина 0,14 м, расстояние между щелями 8 м. Осенью проходились новые щели посредине между предыдущими. Вода по дренажным канавам отводилась в общий водосборник карьера. В результате массив торфяных отложений весной следующего года был удален бульдозерно-рыхлитель-ным агрегатом без применения буровзрывных работ. Годовой экономический эффект составил 368 тысяч рублей ( в ценах 1986 года).

Таблица 2

Классификация технологий подготовки мерзлых грунтов к выемке комбинированным способом

Вид подготовки мерзлых грунтов к выемке Физический процесс подготовки Оборудование Сезон эффективного применения

1. Бороздами Механическое рыхление в блокированном забое Рыхлители статического действия Осень

2. Бороздами с одновременным щс-ленарезаннем Мехашшеское рыхле-1шс в разблокированном забое Агрегат с комбинированным рабочим органом "опережающая фреза - рыхлитель" Зима, весна, осень

3. Бороздами с опережающим ще-ленарезанием Механическое рыхление в разблокированном забое Комплекс машин: рыхлитель статического действия, баропая или дискофрезерная машина Зима, весна, осень

4. Щелями для послойной тепловой мелиорации Естественная отгайха Блровая или дискофрезерная машина Весна, лето

Образование сушенцов щеленаре-занпем Дренаж воды в сочетании с сублимационной сушкой Баровая или дискофрс- ] Весна, лето, зерная машина 1 осень, зима

24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены результаты экспериментальных исследований, позволяющие определить оптимальные конструктивные параметры комбинированного рабочего органа. Для конкретных условий Забайкалья определены экономичные технологические и естественные способы разупрочнения мерзлых грунтов, на основании чего рекомендованы рациональные технологии подготовки мерзлых грунтов к выемке. В результате выполненных исследований дано решение актуальной задачи повышения эффективности разрушения мерзлых пород для специфических природно-климатических условий Забайкалья.

Основные научно-практические результаты выполненных исследований сводятся к следующему.

1. Выявлены закономерности разрушения мерзлых грунтов при рыхлении с опережающим нарезанием компенсационных щелей в горном массиве, на основании чего предложен более эффективный комбинированный рабочий орган, существенно изменяющий механизм разрушения мерзлых грунтов при рыхлении.

2. Предложен эффективный способ комбинированного рыхления мерзлых грунтов на базе использования оборудования двух модификаций: бульдозерным агрегатом с навесным комбинированным рабочим органом - "ог^эежающая фреза - рыхлитель"; комплексом, состоящим из машины для нарезания щелей и оульдозерно-рыхлительного агрегата.

3. Разработана принципиальная схема и определены оптимальные конструктивные и рабочие параметры комбинированного рабочего органа "опережающая фреза - рыхлитель", применение которого позволяет на 25-30% снизить энергоемкость разработки мерзлых грунтов.

4. Разработана классификация и рациональные технологические схемы подготовки мерзлых грунтов к выемке в зависимости от применяемого оборудования и сезонности работ.

5. Доказана доминирующая роль нарезаемых щелей для комплексного кругло-годичного разупрочнения разрушаемых мерзлых грунтов в словиях Забайкалья (технологического, теплового и криогенного). Уста-овлено.что при разработке рациональных технологий разрушения мерз-ых грунтов необходимо учитывать фактор времени нарезания щелей.

6. Изучены геокриологические условия Татауровского угольного деторождения , на основании чего разработана методика по определе-ию энергозатрат на вскрышных работах. Установлена высокая эффек-ивность и целесообразность применения тепловой и криогенной мелио-ации мерзлых грунтов (торфов) в условиях резко континентального кли-:ата.

7. Для угольных месторождений Забайкалья разработана и частич-о внедрена гибкая всесезонная технология ведения вскрышных горных абот без применения буровзрывных работ. Экономический эффект от недрения на Татауровском месторождении составил 368 тыс.руб (цена 986 г.)

8. Разработан универсальный полупромышленный сгенддля ис-тсдования и оптимизации процессов разрушения мерзлых грунтов раз-ичными рабочими органами. Стенд успешно используется в учебном роцессе в ЧитГТУ при подготовке инженеров по специальности Подьемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудо-ание".

Основные положения дессертации опубликованы в следующих работах:

1.Глушков Ю.П., Тагиров М.Т. Лабораторные исследования процесса разработки мерзлых грунтов комбинированным рабочим органом// В сб.: "Дорожные и строительные машины. Исследования, расчеты, испытания". - Омск, ОмПИ.1985. с. 45-51.

2.Глушков Ю.П., Тагиров М.Т. Лабораторные исследования процесса рыхления мерзлых фунтов комбинированным рабочим органом// Омск. СибАДИ. Сб.трудов, 1985. с. 28-37.

3.Глушков Ю.П. Исследование процесса разработки мерзлых грунтов комбинированным способомЮмск, СибАДИ. Сб.трудов,198б. с. 21-25.

4.Глушков Ю.П., Козлов В.А. Геокриологические условия и их влияния на разработку Татауровского буроугольного месторождения// Материалы региональной конференции "Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья". Чита, Институт мерзлотоведения СО АН СССР, 1987. с. 13-17.

5.Козлов В.А., Шестернев Д.М., Глушков Ю.П. Геокриологические условия и их влияние на разработку Татауровксого буроугольного мес-торождения//Тезисы ЧитПИ, 1987. с. 19-20.

6.Глушков Ю.П. Совершенствование разработки мерзлых грунтов комбинированным способом// Омск, межвузовский сб., 1988. с.34-35.

7.Козлов В.А., Глушков Ю.П. Особенности разработки многолег-немерзлых пород в Забайкалье// Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья. Сб.научлр. Ин-т мерзлотоведения СО РАН - М.:Наука, 1993 с. 21-24.

8. Глушков Ю.П. Эффективность комбинированного способа разработки мерзлых грунтов// Вестник Читинского политехнического института: Выпуск 2- М.: издательство Московского государственного горного института, 1995. с. 11-15.