автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка методов оценки комплекса технологических свойств горных пород с целью оптимизации распиловки природного камня на рамных станках

гзг ^

О ^

о ^^

- о

На правах рукописи ^

Веков Виталий Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КОМПЛЕКСА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД С ЦЕЛЫ) ОПТИМИЗАЦИИ РАСПИЛОВКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ ПА РАМНЫХ СТАВКАХ

Специальность 05.15.11 - Физические процессы

горного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государствен» горном институте имени Г.В.Плеханова (Техническом университете) Институте геологии Карельского научного центра Российск< Академии наук.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Менжулин Михаил Георгиев! Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Горшков Лев Капитонович кандидат технических наук,

Работа Эдуард Николаевич Ведущее предприятие: Акционерное общество "Р0СГРАН"

Защита диссертации состоится "¡/У" ^лАЛ* 1995 г. в час. мин. на заседании диссертационного совет

Д. 063.15.01 в Санкт-Петербургском горном Институте ш Г.В.Плеханова по адресу: 199026, Санкт-Петербург. 21 линия, д.2 ауд.*

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саны Петербургского горного института им. Г.В.Плеханова.

Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор / ^ Э.И.Богуславский

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Облицовочный камень занимает важное место среди строительных материалов, используемых в современном строительстве для облицовки зданий, сооружений и производства ритуальных изделий.

На сегодняшний день производство плит условной толщиной 20 мм для использования в качестве облицовочных материалов в мире достигло 360 млн. квадратных метров.

Важнейшими показателями, определяпцими эффективность производства плит, являются затраты на производство единицы продукции из различных типов горных пород. В структуре себестоимости производства плит 802 составляют затраты на распиловку камня, которая осуществляется, в подавляющем большинстве случаев, на рамных станках с использованием свободного абразива.

В настоящее время, при переходе на мировые цены, наиболее актуальной становится проблема снижения затрат на распиловку и повышение эффективности производства облицовочного камня на отечественных предприятиях.

Вовлечение в эксплуатацию новых видов облицовочного камня ставит с особой остротой проблему технико-экономической оценки этих пород до начала их разработки, чтобы иметь реальное представление об их конкурентноспособности с мировыми аналогами.

Решение этих вопросов может быть реализовано на основе оценки комплекса технологических свойств горных пород, включающий их упругие, термокинетические свойства и никротрещиноватость, на ранних этапах изучения, а также в увязке их с основными технологическими параметрами при распиловке, с целью снижения затрат на испытания и оптимизацию процесса. Имеющиеся рекомендации в области оценки технологических свойств горных пород не носят комплексного характера и основываются очень часто на эмпирическом опыте.

Оценка объективных технологических свойств горных пород и соотнесение с ними определенных технологических приемов при их обработке позволит проводить предварительную оценку новых видов облицовочных материалов расчетным путем, а на последующих этапах для каждого конкретного типа горной породы выбрать адекватный технологический режим. Научно-обоснованные решения по формированию технологии распиловки камня будут способствовать повышению качества и снижению себестоимости производства продукции и тем

самым повышать рентабельность производства

Цель исследования состоит в разработке научно обоснованных методов оценки технологических свойств горных пород и обоснования на этой базе методики расчета технологических параметров распиловки природного камня на рамных станках с использованием свободного абразива.

Идея работ заключается в том, что расчет и обоснование технологических и технико-экономических параметров при абразивной распиловке облицовочного камня должны производиться на базе учета упругих, термокинетических параметров , камня и его микротрещиноватости

Работа выполнена в соответствии с НИР по темам: "Изучение физико-механических и технологических свойств новых видов облицовочных материалов.", (JS гос.per. 01850003776) -Исследование процессов абразивного изнашивания облицовочного камня с целью совершенствования технологии его обработки на камнеобрабатываодих предприятиях Карелии" (# гос.per.01890060507).

При решении поставленных задач использовался комплексный подход, который включал в себя изучение практического состояния дел в области распиловки камня, аналитические и экспериментальные исследования, расчет оптимальных параметров распиловки.

Научные положения защхирелые автором:

- разрушение торной породы в пропиле осуществляется главным образом катящимися колотыми частицами, диаметр которых варьирует от 0.25 до 1.0 мм;

объем разрушения единичным зерном задается микроструктурными, упругими и термокинетическими свойствами камня, а также упругими свойствами абразива и рассчитывается по методике, изложенной в диссертации;

- оптимальные технологические параметры горных пород определяются скоростью подачи, расчитанной на основании оценки объема разрушения материала единичным зерном, свойств абразива и количества активно работающей дроби и достигаются выбором содержания дроби в пульпе, в зависимости от числа работающих пил;

- установлено различными методами испытаний, что вариации микроструктурных свойств гранитов незначительны в пределах одного карьера, что позволяет снизить объем экспериментальных работ при изучении термокинетических параметров и микротрещиноватости

исследуемых пород.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана физическая и математическая модель процесса распиловки горных пород на станках с использованием свободного абразива;

- обоснованы критерии разрушения горной породы в процессе внедрения в нее индентора;

- разработана методика оптимизации параметров распиловки горных пород на рамных станках с использованием свободного абразива;

- выявлена и экспериментально оценена зависимость трудоемкости распиливания камня от структурных свойств камня;

- разработаны положения технико-экономической оценки горных пород с позиций их обрабатываемости;

- предложены методика определения технологических параметров процесса распиловки блоков на рамных распиловочных станках и методика оценки технологических свойств горных пород на основе разработанной физической и математической модели процесса, позволяющей раздельно учитывать влияние упругих характеристик камня и его микротрещиноватости на пилимость горных пород.

Научная и практическая ценность работы:

Научное значение работы заключается в создании теоретических основ оценки параметров разрушения горной породы при обработке ее свободным абразивом на основании изучения упругих, микроструктурных и термокинетических характеристик материала. Практическое - в разработке рекомендаций, повышающих эффективность распиловки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реколендаций подтверждается:

- большим объемом натурных наблюдений (более 250 распиленных ставок) за процессом распиловки в заводских условиях и значительным объемом лабораторных испытаний;

- совпадением расчетных показателей и данных, полученных в производственных условиях-,

- применением современных физических моделей разрушения горных пород при разработке требований к технологии распиловки;

- применением в лабораторных условиях и экспериментах современной регистрирующей аппаратуры;

- корректностью постановок задач и использование при их

решении методов физического и математического моделирования;

- достаточной сходимостью результатов с натурными исследованиями;

- внедрением результатов исследований для расчетов технико-экономических параметров процесса.

Личный вклад автора сосшаш в:

- постановке вопроса о возможности формализации процесса распиловки горных пород на рамных станках с применением свободного абразива в виде физической и математической модели, с помощью которой можно рассчитывать и оптимизировать параметры распиловки конкретных горных пород и самого процесса в общем;

- постановке вопроса о роли микротрещин в формировании технологических свойств горной породы и влиянии их на технологические параметры при распиловке;

- проведении теоретических исследований механизма разрушения горной породы в процессе воздействия на нее абразива;

- разработке комплекса программ для ПЭВМ по расчету математической модели процесса распиловки;

- разработке методики оптимизации процесса распиловки с учетом реальных свойств камня;

- разработке программы АРМ технолога-распиловщика по установлению параметров распиловки в зависимости от физико-механических свойств блока, его размеров, требуемого выхода плит и параметров распиловочного станка

- разработке . методики технико-экономической оценки горных пород с позиций их обрабатываемости на рамных станках с использованием свободного абразива.

Реализация выводов и рекомендаций работ.

Разработанная методика оценки технологических свойств использована в АО "Карельский камень" (Кондопожский камнеобрабатывающий завод) для расчета параметров распиловки. Институте геологии КНЦ РАН при проведении технологических испытаний некоторых видов горных пород Карелии, а также в фирме "Экономика плес" (ранее экономический отдел ПО "Карелстройиатериалы") при расчете экономических проектов по разработке различных месторождений.

Методика технико-экономической оценки облицовочного камня использовалась при расчетах экономических показателей при

разработке комплексной программы "Облицовочные камни Карелии" для обоснования экономической целесообразности использования того или иного камня при сравнении их с зарубежными аналогами.

Апробация работ.

Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались на совещаниях

- На Совещании молодых ученых Карельского научного центра 15-16 ноября 1992 года. г.Петрозаводск. КНЦ РАН;

- На Всесоюзном совещании Комплексное освоение минеральных ресурсов Севера и Северо-запада СССР. Петрозаводск, июнь 1989 г.;

- На международном совещании Минерально-сырьевые ресурсы Карелии. 9-14 сентября 1993 года;

- На международном симпозиуме "Минерально-сырьевые ресурсы России, 10-13 ноября 1993 года. С.-Петербург, 1993 г.;

- На научных семинарах лаборатории геологии и технологии неметаллов Института геологии.

Публикации- По теме диссертационной работа опубликовано 9 научных работ, в том числе получено одно авторское свидетельство.

Объел работы: Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, изложенных на 177 страницах, содержит 86 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 124 наименований, 2 приложения.

Автор выражает признательность и благодарность научному руководителю проф. Менжулину М.Г. за большую помощь при работе над диссертацией, асс. Здитовецкому A.B. за консультации при подготовке диссертации, зав.лабораторией геологии и технологии неметаллов Института геологии Щипцову В. В. за помощь и доброжелательное отношение в продолжение всего периода работы над диссертацией. Автор благодарен всем другим сотрудникам лаборатории геологии и технологии неметаллов ИГ КНЦ РАН. а также кафедры РМОС и РГП Санкт-Петербургского горного института за помощь в подготовке и проведении экспериментов, обсуждении их результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Отрасль по производству строительных материалов из природного камня является на сегодняшний день одной из наиболее динамично развивающихся в мире.

По оценкам зарубежных специалистов ежегодное увеличение

объемов производства изделий из природного камня составляет &% в год из расчета до 2000 года. С учетом того, что после периода спада подъем в любой стране сопровождается бурным ростом стрительства, следует ожидать, что в России в ближайшем будущем появится отребность в огромном количестве природных строителных материалов, в том числе облицовочных.

С другой стороны, после развала СССР и образования новых независимых государств, основные центры по добыче камня остались за рубежом (Украина, Казахстан, Армения, Грузия) или в восточной части России.

По оценкам многих отечественных и зарубежных специалистов и в силу своего геологического строения и географического расположения наиболее перспективным районом по добыче облицовочного камня может стать Республика Карелия. И в условиях жесточайшей конкуренции на мировом рынке очень актуальной становится проблема оценки потенциальных месторождений с точки зрения их обрабатываемости и технико-экономических параметров.

Среди основных способов распиловки блоков лидирующее место сегодня занимает способ распиловки на рамных станках с использованием свободного абразива, во-первых, как наиболее экономичный при производстве плит из рядовых сортов камня, а во-вторых, - как единственный, позволящий получать плиты большой площади (слябы). В нашей стране таким способом производится 98% всех облицовочных изделий из твердых горных пород.

В производстве облицовочных изделий из твердых горных пород в общей структуре себестоимости затраты на распиловку составляют до 802, таким образом, этот процесс можно считать основным.

Технологическое опробывание нового месторожения облицовочного камня включает в себя отбор партии блоков с общим объемом до 10 м1 и распиловку их в заводских условиях на серийном оборудовании. Однако такой объем пробы с одной стороны, слишком мал для того, чтобы оценить технологические параметры (пшшмость) данного типа горной породы для определенного типа распиловочного станка, не говоря о разных типах распиловочного оборудования, с другой стороны достаточно велик, чтобы получить информацию о декоративных качествах породы и способности получать крупноразмерные плиты из нее. Необходимо отметить, что в новых экономических условиях затраты на предварительную оценку

месторождения облицовочного камня должны быть минимальными, а получаемая оценка максимально полной, поскольку в соответствии с ныне действующими положениями, разработка месторождения может быть начата до его детального геологического изучения и совмещена с ним.

Нынешняя практика предварительной оценки технологических и технико-экономических свойств облицовочного камня основывается, в основном на эмпирическом опыте специалистов или очень приближенных критериях пилимости, в реальности не позволяющих производить количественные оценки.

Анализ существующих исследований в области распиловки горных пород на рамных станках с использованием свободного абразива позволил установить, что в разное время этими вопросами занимались и занимаются сегодня ряд исследовательских групп и подразделений. Огромный вклад сделан институтом НИИКС (Армения, Ереван), Лабораторией декоративного камня института ВНИПИИСтромсырье (г.Москва) под руководством Орлова A.M. и Сычева Ю.И., институтом ВНИИнеруд (г.Тольятти). Проделана работа в Киевском политехническом институте на кафедре технологии и механизации горных работ под руководством А.Н.Туренко, в ряде работ ученых других ВУЗов и НИИ. Большой опыт накоплен производственными организациями, который отражен в работах Дмитриева А.Г., Мартынова В.Н., Насейкина JI.B., Егорова B.C. и других.

Современное состояние камнераспиловки и основные направления его развития в СССР и за рубежом рассмотрены в работах разных лет Сычева Ю.И. с соавторами. Однако, как правило, основное внимание в развитии технологии распиловки камня уделяется совершенствованию конструкций станка, что выражается в переводе рабочего инструмента (штрипсовых пил) на прямолинейную траекторию движения; увеличение количества одновременно работающих пил; повышение мощности и жесткости распиловочного оборудования. Вопросы взаимодействия абразивных зерен и горной породы в процессе распиловки рассматривались на упрощенных моделях и совсем не рассматривались вопросы влияния на него физико-механических и микроструктурных свойств используемых материалов.

Следует констатировать, что, за исключением нескольких эмпирических примеров, неполно отражающих вопрос, очень мало

сделано в области теоретической оценки технологических свойств твердых горных пород с позиций их обрабатываемости гладкими пилами со свободным абразивом, что несколько затрудняет технико-экономическую оценку камня на рынке.

Теория разрушения материала отдельными инденторами, с помощью которых можно описать процесс разрушения породы в исследуемой технологии распиловки, также изучена недостаточно с точки зрения влияния свойств материала на объемы разрушения.

Ножно утверждать, что на сегодняшний день не существует простой методики расчета разрушаемое™ материала на основе изучения его объективных свойств.

В связи с вышеизложенным в рамках настоящей работы были поставлены следующие задачи:о

1. Несоответствие имеющихся гипотез о механизме разрушения горной породы в процессе распиловки ее на рамных станках с использованием свободного абразива реальной практике определило задачу ' более детального изучения процессов, происходящих непосредственно между пильным полотном и камнем.

2. Отсутствие данных о корреляции физико-механических и структурных свойств с определяющими технологическими параметрами распиловки определили задачу установления конкретных свойств камня, влияющих на указанные параметры.

Анализ физической модели процесса позволил предположить, что в качестве базовых ножно рассматривать следующие характеристики: микротвердость, микротрещиноватость, минералогический состав, термокинетические параметры исследуемых гранитов и их упругие свойства.

3. Отсутствие данных по оптимальным режимам распиловки горных пород конкретных типов, т.е. зависимостей скорости подачи от типа породы, расхода дроби на распиловку определенного вида камня, оптимальная толщина плит для разных типов блоков, выдвинули задачу разработки вычислительного аппарата, на основе которого могут быть рассчитаны указанные режимы, а также методики контроля за содержанием абразива в пульпе.

4. Отсутствие расчетного механизма для предварительной оцёйки облицовочного камня на стадии его изучения выдвинули задачу разработки методики технико-экономической оценки пилимости твердых горных пород на станках с использованием свободного

абразива на основании изучения их физико-механических и микроструктурных свойств.

Методологической основой диссертации' является системный подход, использующий обобщение производственного опыта, научных исследований, технико-экономический анализ, натурные и лабораторные измерения, аналитические метода с обработкой полученных данных на ЭВМ.

В рамках решения указанных выше задач защищаются научные положения выдвинутые автором. Первое из них:

- разрушение горкой породы в пропиле осуществляется главный образом катящимися колотыми частицами, диаметр которых варьирует от 0.25 до 1.0 №1;

Для обоснования первого положения на Кондопожском камнеобрабатываюием заводе проводились наблюдения за процессом распиловки различных типов гранитов, среда которых наиболее детально были изучены граниты месторождений Кашина гора и Сюсккянсаари. В процессе изучения технологических особенностей распиловки были выполнены соответствующие анализы в лабораторных условиях.

Проведенное изучение позволило установить основные параметры процесса и сделать следующие вывода:

1. Рабочие режимы распиловки устанавливаются исходя из опыта распиловщика, что объясняется отсутствием данных по научно обоснованным режимам распиловки горных пород на рамных станках с использованием свободного абразива-,

2. Контроль со стороны технологической службы отсутствует, что приводит к большому разбросу характеристик пульпы на каждом станке, а так же содержанию в ней неоптимального количества абразива;

3. Сложность контроля за характеристиками пульпы можно объяснить отсутствием простых и эффективных приборов или устройств для экспресс - определения показателей абразивной пульпы.

4. Производительность станка прямо пропорциональна суммарной длине пропила.

5. Износ дроби в процессе распиловки имеет постоянный и линейный характер. Наблюдения показывают, что он фактически одинаков для всех исследованных фракций .

6. Распределение дроби по фракциям неравномерно и представляет из себя логнормальное. Основную роль играют фракции 0.4-0.8 мм. Крупная исходная дробь присутствует по большей части в небольших количествах и не может оказывать решающего влияния при распиловке камня.

7. В процессе эволюции дроби при распиловке наблюдается тенденция к окатыванию более мелких фракций по сравнению с рабочими фракциями, что подтверждает мысль о том, что основная масса колотой дроби в процессе перемещения по забою не скользит по нему, а вращается.

В дополнение к натурным наблюдениям за процессом распиловки были проведено лабораторное изучение эволюции формы и размера дроби в процессе распиловки на моделях.

В соответствии с детальным анализом процесса предложена физическая модель для его описания, которая рассматривает процесс распиловки горных пород свободным абразивом как направленное движение вращающихся частиц, имеющих три острых грани, которые в процессе вращения контактируют острыми гранями с породой, в результате чего выполняется полезная работа разрушения материала с учетом двух механизмов - раздавливания и скола. Сечение пропила иллюстрирующее физическую модель распиловки приведено рисунке 1.

Рис. 1. Иллюстрация к физической модели процесса. На основании изучения гранулометрического состава пульпы, а

также динамики износа дроби выведена формула для определения числа рабочих частиц в зоне контакта абазива и породы в виде

= v

Ро.ъа °-5*Ро.г« °-25*P0.»Jd - + - + -

V0.5d V0.25d ^0,12d

где р,„ - объемное содержание дроби с размером в 1 умноженное на диаметр исходной частицы, м'/мэ (насыпная плотность)

vid - объем занимаемый единичным зерном с тем же размером к исходной частице м5.

v - единичный объем, м'.

Pta и vu могут определяться экспериментально, либо расчитываться, исходя из условий эволюции дроби в процесе распиловки.

В процессе анализа механизма разрушения установлено, что разрушение забоя может происходить в соответствии с двумя механизмами - первый реализуется на монолитных участках породы, где отсутствует дефекты и нарушения сплошности и представляет из себя выкалывание породы за счет внедрения зерна (индентора) из поверхности при превышении критического предела прочности материала на расчетной глубине. Этот механизм условно называется раздавливанием. Второй механизм реализуется в окрестностях микротрещин и других подобных дефектов в виде скола частиц породы, размер которых значительно (в несколько раз) превышает объем разрушения при раздавливании.

В рамках изучения этих эффектов доказывается второе защищаемое положение:

объем разрушения единичным зерном задается микроструктурными, упругими и терыокинетическими свойствами камня, а также упругими свойствами абразива и рассчитывается по методике, изложенной в диссертации.

Микротрещины, являясь фактором снижающим прочность породы, вполне могут оказывать влияние и на трудоемкость распиловки. Следовательно, при формировании технологических параметров, необходимо в той или иной степени учитывать этот факт.

Задача в такой постановке впервые была выдвинута автором диссертации и решалась экспериментальным путем.

Для проверки степени влияния микротрещиноватости на технологические свойства гранита были проведены работы по

определению.: трудоемкости распиливания его от количества микротрещин.

Для снижения ошибок за счет варьирования составов и содержаний минералов в различных породах, измерения были проведены на одном типе гранита месторождения Возрождение, поскольку он является крупнозернистым и влияние размеров зерен, таким образом, сводилось к минимуму.

Образцы были отобраны из готового блока, предназначенного к распиловке. Далее на лабораторном камнерезном станке из них выпиливались призмы с размерами: высота 30 мм, ширина 150 мм, длина 200 мм. В соответствии с разработанной методикой, трещины в образцах были получены искусственным путем с помощью нагревания части образцов до температуры 300°С и 600°С с выдержкой при такой температуре в течение 20 минут. Затем образцы охлаждались при комнатной температуре. Для определения наличия микротрещин они прозвучивались на ультразвуковой установке УКБ-Ш с определением скорости прохождения продольных волн и наблюдались в аншяифах для получения качественного представления об их состоянии.

Удельная трещиноватось образцов при разных температурах составляла: 0° - 4.6 мм/км2; 300е - 10.3 им/им2; 600° - 24 мм/мм2. Результаты показаны на рас.2.

Таким образом было установлено, что роль микротрещин может быть достаточно значимой для разных типов горных пород и при расчетах единичных объемов разрушения их необходимо иметь, ввиду.

В соответствии с изложенным были проведены экспериментальные работы по определению микротрещиноватости некоторых горных пород, для чего предложена оригинальная методика, реализованная на ЭВМ.

Для расчета объема разрушения, выполняемого единичным зерном в различных режимах для условий раздавливания, использованы известные формулы Р.И.Зйгелеса и С.П.Тимошенко, а пятно контакта рассчитывалось на основании решения Г.Герца. Глубина разрушения при сколе рассчитывалась по тем же формулам, однако на основе проведенных экспериментальных работ, позволивших установить закономерности скалывания материала, была выделена гона, где и рассчитывались критические параметры.

В качестве критерия прочности использовано значение , полученное из формулы С.Н.Буркова для реальных скоростей приложения нагрузки и термокияетическяе параметры изучаемых

р/с. 2. Влияние ударного нагревания на скорость фрезеровки гранита Возрождение.

пород, подученные ранее автором.

и0 - ВТ1п(г/т0)

где и0 - энергия активации разрушения, в - универсальная газовая постоянная, т - абсолютная температура, г - время процеса, 7 - структурный коэффициент, т0 = 10-» сек.

В результате были рассчитаны объемы разрушения для разных гранитов при воздействии единичного абразивного зерна. Результаты расчета показаны на рисунке з. Также проведены расчеты для механизма скола, которые могут быть проиллюстрированы рисунком 4.

И агрузка, кГ

100 1000 10000 100000 Объем разрушения, куб.мкм

Рис. з. Зависимость объема разрушения под одним зерном от величины приложенной нагрузки, а - Токовский гранит, о - гранит Ооскюянсаари. х - гранит Кашина гора.

4

3

2

1

Нагрузка, к^ I I; Я »

-•I...............— --------------- * * I . • 1 * ' 1 • • / а * ' "'"—"у........*#:*"" / # : * я # • , ш г : / 0 ж * / /

¿Л * ж * У; 0 ^

100 1000 10000 100000 Объем разрушения, куб.мкм

Рис. 4. Объем разрушения при раздавливании и при сколе для гранита месторождения Сюскшнсаари.

Обозначения: - раздавливание; —скол.

На основании расчетов объема разрушения для данных типов

породы для механизма скола установлено, что вокруг трещины существует, так называемая, "разупрочненная" зона ширина которой равна удвоенному значении расчетной ширины площадки скола. Общая площадь этой зоны определится из соотношения

S =2J*fc*S, ММг

где 1 - удельная микротрещиноватость породы, мм/мм2;

ь - ширина площадки скола для данной породы, мм;

s - поверхность разрушения (площадь забоя), мм2.

Если отношение s,/s будет больше единицы, это означает, что при разрушении поверхности преобладающим будет механизм скола, а значит при более низких нагрузках могут быть достигнуты объемы разрушения значительно большие, нежели в материале, где отношение s,/s не превышает значения 0.5.

И тогда общий объем разрушения за один удар составит

S *N

H =3(-j-*w, + (M-H,)»w2) .

где Ni - число частиц в разупрочненной зоне; », - объем разрушения под одним зерном в окрестностях трещины; *г объем разрушения в "монолитной" зоне; н - общее число абразивных частиц в зоне резания.

Минутная подача определится из соотношения

п . ! .

s

где s - площадь забоя.

На основании полученной математической модели процесса предложена методика расчета технологических параметров являющаяся третьим защищаемым научным положением:

оптимальные технологические параметры горных пород определяются скоростью подачи, расчитанной на основании оценки объема разрушения материала единичным зерном, свойств абразива и количества активно работающей дроби и достигаются выбором содержания дроби в пульпе, в зависимости от числа работающих пил;

Основным разрушающим элементом в процессе распиловки природного камня на рамных станках является абразивная пульпа, технические параметры и качество которой определяют в конечном итоге его эффективность. В свою очередь состав пульпы зависит от количества поступающих в нее компонентов - частичек породы, свежей дроби, что определяет, как показано выше скорость подачи пилы.

Если процесс нестационарен и объем поступающей в пульпу

породы во времени имеет разное значение, то возникают значительные трудности по поддержании ее постоянного состава и, как следствие, со снижением хачества получаемых плит.

При стационарном процессе, как показано в диссертации, прирост породных компонентов в пульпе будет постоянным, что дает возможность, не использую сложной контролирующей аппаратуры, поддерживать ее качественный состав на оптимальном уровне, проводя регулярное (дискретное) добавление свежих порций дроби, извести, и удаление мелких фракций дроби и породы с излишками воды. Учет свойств камня позволяет рассчитать оптимальные параметры разрушения и отсюда оптимальную скорость подачи.

Оптимизация процесса должна проводиться из следующих соображений: при максимальных скоростях распиловки усилие подачи должно обеспечивать эффективное разрушение забоя, когда каждая дробинка выкалывает из монолитной породы конус, при том условии, что усилие подачи не превыаает максимального разрушающего усилия для дробинки, то есть, в конечном итоге при максимальной производительности процесса минимальные затраты на него.

При определении оптимальных параметров распиловки необходимо учитывать в первую очередь характеристики станка и сопутствующего оборудования, такие как производительность пульпового насоса, усилие натяжения пил, их толщина, материал, из которого они изготовлены, технические характеристики дроби. Эти параметры являются исходными для каждого расчета и в диссертации приведены детально форцулы для расчета этих показателей

Вопросы оптимального размера дроби при распиловке горных пород практически решен и полагается, что он не должен отличаться по размерам от дробинки в I мм более чем 1 0.2 мм. Сила натяжения пил на различных типах станков определяется индивидуально изготовителем оборудования.

Расчет технологических параметров для распиловки камня определенного типа должен включать в себя следующую последовательность операций:

- расчет силовых показателей для данного типа станка, то есть максимального усилия подачи по формуле Ваннингера или С.Ы.Хасдана;

- принять за максимальную нагрузку максимальное усилие подачи;

- провести расчет условий для разрушения дроби и если максимальное усилие подачи больше, чем прочность дробинки на сжатие по паспорту, то весь расчет провести для нескольких усилий подачи;

- расчет объема разрушения забоя;

- вычисление производительности станка для данного блока и потребных затрат времени-,

- расчет потребного количества абразива и извести на основании эмпирической формулы, полученной в диссертации;

- вычисление потребного количества электроэнергии, исходя из затрат времени на распиловку;

- вычисление потребного количества трудозатрат, исходя из критериев практики;

- вычисление себестоимости процесса распиловки, включая сюда только производственные расходы.

Оптимальным считать тот режим, при котором затраты на распиловку минимальны.

Поскольку провести расчет по вышеуказанной методике можно только используя компьютерную технику, разработано несколько программ, позволяющих упростить процедуру расчетов.

В частности, разработан программный комплекс для расчетов силовых показателей станка и объема разрушения, в среде БирагСаХс разработана программа для оценки экономических параметров распиловочного ставка и для технолога разработана программа АРЫ технолога, позволяющая оперативно оценить вышеуказанные параметры и выдать задание на распиловку в привычном виде - раппортичке.

Из-за того, что рассчитанные характеристики пульпы, в особенности содержание и крупность дроби, являющиеся центральным фактором при оптимизации распиловки камня, должны поддерживаться на постоянном уровне, а в настоящее время не существует достаточно надежных приборов для контроля за ними, предлагается: в качестве решения такой проблемы использовать простейшее устройство и разработанные рекомендации по его использованию, пропгедиее апробацию в лаборатории геологии я Технологии неметаллов в периоды различных технологических испытаний.

Устройство представляет из себя набор сит, на верхнюю часть которого выливается исследуемая проба объемом 0,5 литра и промывается под сильной струей воды. Объем оставяегося на ситах

продукта измеряется мерным стаканчиком.

Для упрощения процесса измерения предлагается вмонтировать мерный стаканчик, выполненный из сетки с ячеей соответствующей ситу, в боковую поверхность и после промывки, перевернув устройство мерным стаканом вниз, смыть в него оставшийся продукт. Отсчет производить по делениям , нанесенным на стаканчик.

Исходя из наблюдений, при нормальном установившемся режиме распиловки ритмичность контроля содержания дроби и плотности пульпы может составлять 1-2 раза в смену, а в случае определения нарушения технологии на определенном станке, до тех пор, пока режим не установится.

Можно использовать крупность сит 0.25 и 0.5 мм. Соотношение между измеряемыми фракциями должно быть 2:1 для устоявшегося режима. Содержание дроби в пульпе и ее расход определятся предварительно для каждой ставки.

Плотность пульпы определяется простым взвешиванием.

Четвертое защищаемое положение преследует цель обоснования количества проб, отобранных из месторождения, представительность которых обеспечивала бы достоверные результаты расчетов, для чего было проведено обследование м-ний Сюскюянсаари и Кашина гора.

- установлено различными методами испытаний, что вариации шжроструктурньгх свойств гранитов незначительны в пределах одного карьера, что позволяет снизить объем экспериментальных работ при изучении тернокинетических параметров и микротрещиноватости исследуемых пород, о

1. Несмотря на кажущуюся неоднородность, значения микротвердости основных породообразующих минералов, таких как кварц и полевой шпат, незначительны, что может быть проиллюстрировано рисунком 5.

2. Для месторождения Кашина гора значительных изменений значений микротрещиноватости так же не наблюдается.

3. Видимые изменения микротрещиноватости по полю месторождения Сюскюянсаари , по-видимому, связаны с техногенными причинами, обусловленными применением на карьере в больших масштабах бризантных ВВ.

4. Микротрещиноватость может быть хорошим показателем при оценке влияния взрывных работ, использующих различные технологии и ВВ на карьерах облицовочного камня.

Рис. 5. Характер распределения значений микротвердости полевого шпата по площади месторождения Сюскюянсаари в трехмерной системе координат.

5. Несмотря на сложную структуру гранита месторождения Сюскюянсаари, где выделены как участки гранита, так и гнейсо-гранита, минеральный состав его достаточно однороден по полю, в пределах которого разведаны запасы.

6. Все вышеизложенное позволяет предположить, что и на других карьерах ситуация в пределах небольшого участка, выделенного под карьер будет сходная. Таким образом, автор диссертации считает оправданным использование показателей термокинетических параметров, получаемых по образцам, отобранным случайным образом, но в пределах разрабатываемого поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

. Обзор существующих методов распиловки твердых горных пород

показывает, что, несмотря на широкое применение алмазного

инструмента и соответствующего оборудования, технология

распиловки гранитов и подобных им пород на рамных станках с

использованием свободного абразива занимает прочное положение, особенно при производстве крупноразмерных плит.

В диссертации предложены научно обоснованные решения по оценке технологических свойств горных пород с точки зрения их пилиыости на рамных распиловочных станках, а также даны рекомендации по оптимизации параметров распиловки. Установлено, что основными физико-техническими параметрами, определяющими абразивное изнашивание горных пород (пилимость) являются упругие характеристики абразива - модуль Юнга и коэффициент Пуассона, упругие характеристики самой породы, ее термокинетические параметры и количественная характеристика микротрещиноватости породы - удельная мшсротрещиноватость.

На основании экспериментальных и теоретических исследований распиловки твердых горных пород предложена физическая модель разрушения камня в зоне резания и предложена математическая модель для ее описания.

Из результатов исследований вытекают следующие выводы и рекомендации:

1. Разрушение породы происходит как с использованием механизма раздавливания, так и с использованием механизма скола, при котором объем разрушения при единичном взаимодействии увеличивается в несколько раз.

2. Количественный учет микротрещиноватости позволяет рассчитать суммарный объем разрушения в процессе распиловки горной породы на рамных станках. -

3- В качестве критерия разрушаемости горной породы в процессе воздействия на нее абразивным зерном предложено критическое напряжение разрушения, определяемое из термокинетической теории прочности горных пород.

4. Представляется возможность для теоретического расчета скорости подачи на основании знания физико-механических параметров горной породы и абразива, которая является ключевым показателем для дальнейших расчетов технологических параметров распиловки на рамных ставка с использованием свободного абразива.

5. Определено количество активно работающих дробинок в зависимости их диаметра и содержания в абразивной пульпе. На основании расчета можно получить оптимальное содержание дроби в пульпе и ее расход при, распиловке конкретных типов пород в конкретных условиях без учета технологических потерь.

6. Предложено устройство для оперативного контроля за

содержанием в пульпе абразивных зерен рабочих фракций.

7. Составлен ряд программ для реализации предложенного математического аппарата на ЭВМ.

8. Получены результаты, позволяющие стандартизовать технологические испытания новых видов облицовочных камней и расширить диапазон их оцениваемых параметров.

9. Разработана и составлена программа для компьютера IBM PC AT по оценке технологических режимов распиловки блоков различных месторождений с различными геометрическими размерами и оценкой параметров промывочной пульпы.

10. Установлено, что изменчивость физико-механических свойств в пределах разведанного поля гранитного месторождения невелика и для предварительных расчетов (пока не будет установлено иного для конкретного месторождения) можно пользоваться данными испытаний для ограниченного количества образцов, выбранных по случайной схеме.

11. Результаты исследований использованы фирмой "Экономика -плюс" (ранее экономический отдел ПО "Карелстройматериалы") для выполнения экономических проектов по разработка месторождения гранатовых амфиболитов Нигрозеро и гранитов Слюдозеро при расчетах технологии их обработки. Ведется разработка проекта для месторождения габбро-норитов Черная Салма.

12. Результаты работ используются в Институте геол.-.гии КНЦ РАН при проведении технологических испытаний новых типов горных пород Карелии и Кольского полуострова.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Шеков В.А., Рылеев A.B.«Дьяконов В.Н. A.C. СССР Ш97859, кл. В 38Д/06,1983. Устройство для распиловки камня. Выдано 27.10.80.

2. Шеков В.А. Контроль за состоянием промывочного раствора при распиловке гранита. Оперативно-информационные материалы. // Результаты технологических исследований 1987 - 1988 г., КФАН СССР, 1988 Г., стр. 47 - 50.

3. Шеков В. А. Механизм разрушения горной породы в процессе распиловки на рамных станках с использованием свободного абразива. // Актуальные проблемы геологии, петрологии и геохимии Балтийского щита. Петрозаводск, КНЦ АН СССР, 1990. с. 169 - 177.

4. Шеков В. А. Технологические и декоративные качества гранатовых амфиболитов местопроявления Нигрозеро. /В сб. Геолого-технологические исследования минерального сырья Карелии. Петрозаводск. КНЦ СССР. 1990. стр.10-12.

5. Шеков В. А. Экспертная система для оценки декоративных свойств облицовочных материалов из горных пород. /В сб. Информационные технологии в экологических и природоохранных исследованиях. КНЦ РАН, Петрозаводск, 1991, ст 70-73.

6.. Шеков В.А. Опыт оптического изучения микротрещин в граните месторождения Сюсюоянсаари,// Вопросы геологии докембрия Карелии. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1993. с.121-127.

7. Шеков В.А., Серышев C.B. Термокинетические параметры гранитов месторождений Сюскюянсаари и Кашина гора.// Вопросы геологии докембрия Карелии. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1993. с.121-127.

8. Щипцов В.В., Скамницкая JI.C.. Шеков В.А. Геологическая, петрографическая, минералогическая. геохимическая и технологическая оценка неметаллических полезных ископаемых Карелии. // В сб. Геолого-технологическая оценка и переработка руд месторождений разных генетических типов. Тезисы докладов международного симпозиума "Минерально-сырьевые ресурсы России, 10-13 ноября 1993 года. С.-Петербург, 1993 г.

9. Рылеев A.B., Соколов В.И., Шеков В.А. Устройство для определения предела прочности горных пород при растяжении. /Ияф. л.*Ю?-85 Карельский ЦНТИ, Петрозаводск, 1985, - 6 стр.