автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка способа повышения качества взрывного дробления горных пород котловыми зарядами переменного сечения

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

На правах рукописи ВЯТКИН Николай Леонтьевич

УДК 622.235 : 622.243.94 : 622.271(043.3)

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА

ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД КОТЛОВЫМИ ЗАРЯДАМИ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Специальность 05.15.11 —«Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и Оленегорском горно-обогатительном комбинате.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. ГОНЧАРОВ С. А.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. КАЗАКОВ Н. Н., канд. техн. наук, доц. БЕЛИН В. А.

Ведущее предприятие — акционерное общество «Росруд-•пром».

ийж £

диссертации состоится « V К » . . . 1994 г.

K-053.l2.0i~b Московском государственном горном университете ио адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

на заседании специализированного совета

Автореферат разослан

1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г., М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. На длительную перспективу добыча железных руд в России будет осуществляться, главным образом, за счет развития открытого способа разработки, удельный вес которого в общем объема добычи составит около 90?!. С увеличением глубины карьеров происходит увеличение крепости разрабатываемых горных пород, что приводит к увеличению доли затрат на дробление и измельчение горных пород как на стадии производства буро-взрывннх ра-¿от (БВР), так и на стадии обогатительного передела. Из анализа структуры затрат на рудоподготовку и обогащение по ряду горнообогатительных комбинатов следует, что затраты на электроэнергию и эксплуатационные расходы в значительной мере зависят от прочности перерабатываемой руды. В этой связи большой научный и практический интерес представляет разработка способа, обеспечивающего понижение'крепости горных пород и улучшение их технологических свойств на начальной стадии разработки полезных ископаемых. Учитывая, что на современном этапе развития технологии взрывных работ коэффициент полезного действия (КДД) взрыва не превышает 10-15$, направление исследований, связанное с повышением эффективности использования энергии взрыва, имев? большие потенциальные возможности. Особый интерес вызывает разработка технологических решений, не требующих дополнительных затрат на практическую реализацию и, напротив, - позволяющих сэкономить материальные ресурсы. Эта актуальная научно-техническая задача может быть решена за счет оптимизации форлы скважинных зарядов взрывчатых веществ (ВВ) на стадии буро-взрывных работ.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей распространения энергии взрывных волн в зависимости от геометрических параметров скважинного заряда ВВ, обеспечивающего повышение КДД взрыва, качества дробления горной массы и уменьшение расхода ВВ.

Идея работы заключается в использовании явления суперпозиции напряжений в массиве от зарядов сложной конфигурации, образованных после термического расширения взрывных скважин.

Научные положения, разработанные лично, соискателем, и их новизна: -

- установлена,закономерность процесса распространения энергии взрыва в массиве в зависимости от геометрии двухкотловых зарядов ВВ;

- установлено, что максимальная энергонасыщенность горного массива при взрыве двухкотловых зарядов достигается при расстоянии между их центрами,равном (0,3-f0,5)Hj и диаметре этих зарядов (0,03+0,04) Н, где Н - высота уступа;

- экспериментально установлено, что применение двухкотловых зарядов оптимальной конфигурации обеспечивает повышение КЦД взрыва на 20-25% по сравнению с цилиндрическими зарядами;

- установлены закономерности формирования двухкотловых зарядов оптимальной конфигурации при термическом расширении скважин.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- удовлетворительной сопоставимостью полученных в диссертации теоретических и экспериментальных данных;

- результатами качественного сопоставления теоретических выводов с результатами исследований процесса взрывного дробления массива в производственных условиях;

. - результатами статистической обработки экспериментального материала. .

Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по производству взрывных работ на карьерах с формированием двухкотловых зарядов в скважинах путем применения станков для иу термического расширения.

Реализация работы. Результаты работы отражены в' Инструкции по производству взрывных работ с применением котловых зарядов, котора: используется при производстве БВР на карьерах Оленегор-ского и Михайловского ГОКов.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы докладывались на технических советах Оле'негорского ГОКа и на научно-практическом семинаре "Ресурсосберегающие технологии горного производства" в рамках "Недели горняка" (Москва, ШТУ, 1994 г.,). „

Публикации. По теме работы опубликованы 2 статьи, получено одно авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит tOS страниц машинописного текста, 7 таблиц, список литературы из 58 наименований, 3 приложений.

ОСНОШОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное состояние процессов рудоподготовки железных руд характеризуется большими материальными затратами при их дроблении и измельчении, которые возрастают в сеязи с вовлечением в переработку более прочных руд, разрабатываемых на больших глубинах. Ре-, шение задачи совершенствования рудоподготовки, с целью снижения энергоемкости и материалоемкости процессов разрушения пород, возможно за счет разработки эффективных способов воздействия на породный массив на стадии взрывной отбойки. Большой экономический потенциал заключен в использовании комбинированной технологии шарошечного бурения и термического расширения взрывных скважин.Боль-шим достоинством этой технологии является возможность формирования зарядных полостей заданной конфигурации. В данном случае оптимизация формы зарядной полости для открытых горных работ позволяет повысить КОД использования взрывной волны и за счет этого, уменьшить расход ВВ, улучшить качество взрывного дробления и повысить производительность термического расширения взрывных скважин.

Проблеме повышения эффективности буро-взрывных работ в крепких горных породах посвящено большое количество научных работ.'Значительный вклад в теорию и практику взрывных работ внесли ученые С.Д.Викторов, М.Ф.Друкованшй, Г.П.Демидюк, Э.И.Ефремов, Н.Н.Казаков, Б.Н.Кутузов, В.М.Комир, Ю.С.Мец, В.Н.Мосинец, Н.Я.Репин и др.

В развитие теории и практики термического расширения скважин большой вклад внесли ученые: М.И.Великий, С.А.Гончаров, Л.Германович, А.П.Дмитриев, Л.С.Дербенев, В.И.Мочалов и др.

В настоящее времяпроллеыы термического расширение скважин и разрушения породных массивов 'зарядами сложной конфигурации изучены все еще недостаточно полно. Результаты исследований в этих областях имеют большое научное и практическое значение. Для обоснования рациональных параметров комбинированной технологии БВР с применением зарядов ВВ оптимальной конфигурации в диссертации решены следующие задачи: •

- оценка энергонасыщения массива при взрыве заряда сложной конфигурации; .

- определение зависимости КДД взрыва от конфигурации зарядов ВВ; '

- определение параметров термического расширения скважин при произвольном законе вертикального перемещения термоинструмента в скважине;

- разработка технологии термического расширения скважин оптимальной конфигураций; '

- улучшение качества взрывного дробления горной массы с применением зарядов оптимальной конфигурации;

- технико-экономическая оценка эффективности предложенной технологии БВР.

При ведении буро-взрывных работ на карьере важное значение имеет рациональное управление параметрами взрывного воздействия, под-дащимися регулировке еще на стадии проектирования БВР. Управлять взрывом можно, зная,каким образом влияют параметры заряда ВВ на эффективность взрывного дробления горных пород. Взрывное дробление горных пород можно улучшить за счет рационального перераспределения энергии взрыва в массиве. Этот путь повышения эффективности позволяет без существенных затрат увеличить долю энергии взрыва, идущей непосредственно на дробление горной массы, т.е. повысить коэффициент полезного действия взрыва.

Перераспределение энергии взрыва в массиве с целью интенсификации взрывного дробления может быть достигнуто за счет создания оптимальных начальных условий для взрыва. Одним из этих условий является форма заряда ВВ, так как геометрические параметры заряда определяют начальную форму взрывной волны. Применяющийся в настог ящее врс.мя на ряде карьеров термический способ расширений скважин позволяет создать практически лйбув форму заряжаемой части скважины. В данном случае изменяя диаметр котловых расширений, можно менять количество энергии взрывной волны,- "закачиваемой" в массив. В то же время, меняя высоту котловых зарядов и расстояние между ними, можно добиться перераспределения энергии взрывной волны нужным образом. Таким образом, изменяя геометрические параметры заряда НВ с двумя котловыми расширениями, можно создать требуемую степень насыщения энергией взрываемого массива. Это позволит повысить эффективность взрывного дробления при постоянном расходе ВВ, либо сократить расход ВВ при той же степени дробления.

Процесс взрывного воздействия скважшпшми зарядами с двумя котловыми расширениями моделируется двумя сферическими зарядами, центры которых расположены на оси цилиндрической области на раз-

личных высотах. Среда, в которой исследуется воздействие, является однородной и упругой. При взрывании двух сферических зарядов от них отрываются две сферические волны, распространяющиеся по всему объему цилиндрической области. В результате взаимодействия двух волн возникает результирующая волпа, распространяющаяся неоднородным фронтом с неравномерной интенсивностью, зависящей от координат.

Принимая во внимание, что напряжение в сферической волне убывает обратно пропорционально расстоянию от заряда, получим дяя первого заряда:

о "1

Для второго заряда

р ¿к(?г-а)

* Я , (2)

га»» с'

- давление на стенке котловой полости; $ - радиус заряда;

- расстояние от произвольной точки до центра первого заряда;

Рг - расстояние от этой же точки до центра второго заряда;

£ - скорость волнн;

^ - время.

Интенсивность волн напряжений для этих зарядов соответственно равна: .

I, 9,)* ;

(3)

1г= Тв (?./Я)2,

•*•« 6 - начальная интенсивность волн.

Интенсивность волны, возникающей в результате наложения двух сферических волн, можно определить на основе принципа суперпозиции.

В цилиндрической системе координат ока равна:

(5)

Ъ " Т'?°{[г* *(г-е)г]т )2]3/г) > <6>

Л и 1Я -

£г и Л-у - радиальная-и осевая составляющие ютенсив-ности в цилиндрических координатах; 2 - координаты рассматриваемой точки; б - половина расстояния между центрами сферических зарядов.

Общая интенсивность волны напряжений при взрыве двух зарядов равна:

7--А

(7)

Приведенная общая интенсивность имеет вид;

где. I = 1/Т9 ■ г = г/А ; г* г/Л; е- е/А.

Произведя усредняющие операции по осевой координате 2 :

О)

а затем - по радиальной координате,- получим среднюю интенсивность по объему: ~

-е - а

хт" ¿ Т Ыг 1 = —

.г

I г Л

/ (10)

которая принимает вид:л .V Ъ н-е

-<г

иг и

где К " " - дальние границы рассматриваемого оСъема,

£ - «/А ; £ - ^/Л ,

К половина расстояния междувзрывными скважинами;

Я - высота уступа.

Численное_интегрирование выражения (II) позволило получить зависимость X от расстояния 6 при различных значениях И ий. выделенного объема.

Как свидетельствуют результаты расчета по формуле (II), средняя интенсивность % в зависимости от расстояния между центрами зарядов ¿в в рассматриваемом диапазоне значений Н и Ч имеет максимум вблизи положения, определяемого условием £ = Согласно расчетам, наилучшая эффективность взрыва, характеризуе -мая интенсивность«? 3 , будет достигнута в случае, когда расстояние между центрами зарядов равно примерно половине высоты уступа. Варианты, когда расстояние между зарядами минимально (равно нулю в предельном случае ^являются наихудшими. В качестве критерия эффективности взрыва принята усредненная по объему интенсивность взрывной волны. Сравнительный анализ эффективности двухкотло-вого и однокотлового зарядов производился по отношению наилучшей и наихудшей интенсивностей, которое меняется.] в зависимости от объема, в пределах которого осуществляется интегрирование. Максимальное значение указанного отношения составило 1,<£.

В панном анализе принято в внимание; что достижение.край- ■ них значений расстояния между центрами зарядов невозможно, так как для случая сферических зарядов минимальное расстояние между центрами равно двум радиусам зарядов, а максимальное - высоте уступа за вычетом двух радиусов заряда и забойки.

На практике котловые расширения делают обычно не сферической, а цилиндрической формы. Фронт волны, возникающей при взрыве цилиндрического заряда конечной длины, имеет более-сложную форму, чем сферическая. Эта волна убывает с расстоянием более медленно, чем сферическая, поэтому график зьвиоимосаи усредненной по объе му интенсивности о? расстояния меду центрами зарядов будет более полетим, чем е случае сферических зарядов. По это? причине соотношение наилучшего и наихудшего вариантов на практике будет еде меньиыа.

Однако, с другой стороны, учет реальных свойств среды, приводящих к дополнительной диссипации энергии взрывной волны,говорит о том, что волна убывает с расстоянием быстрее, чем в идеально упругой среде. Следовательно, график зависимости усредненной по объему интенсивности от расстояния между центрами зарядов будет более крутым, чем для идеально упругой среды.Поэтому с учетом реальных свойств среды соотношение наилучшего и наихудшего вариантов будет существенно большим.

Таким образом, при учете реальной формы заряда с двумя котловыми расширениями и реальных свойств среды график зависимости эффективности взрывного дробления от расстояния между котловыми зарядами будет носить более выраженный характер. Поэтому-, если в теоретических исследованиях ожидается повышение КПД на 25%, то в реальных условиях еле,дует ожидать еще большего увеличения

Теоретические исследования послужили основой для разработки двухкотлового заряда оптимальной геометрик'для открытых горных работ. Данный скважинный заряд формируют из двух котловых зарядов, один из которых располагают в донной части скважины,а второй - в средней части на расстоянии

КПД.

где Ь, _ расстояние от забоя до центра второго котлового заряда, м;

Котловые расширения формируют так, чтобы расстояние между их центрами било равно.

И - высота уступа, м.

И

(13)

При этом диаметр котловых расширений должен-быть равным

(14)

Как отмечалось ранее, термический способ расширения взрывных скважин позволяет сформировать котловую полость любой конфигурации. Однако при этом необходимо подобрать режим термического расширения так, чтобы этот процесс происходил с наибольшей производительностью.

Диаметр котлового расширения можно регулировать путем изменения скорости продельного перемещения термоинструмента в скважине. Известно, что скорость термического расширения скважины выражается зависимостью.

где - коэффициент теплоотдачи теплоносителя на стенках

скважины, Вт/(м»К);

- удельная теплоемкость .породы, Дж/(кг«К);

у - плотность породы, кг/м ,

дв - температура газа, °С;

7ур - температура разрушения породы при термическом воздействии, °С. -

Закон изменения линейной скорости разрушения стенок скважины в зависимости от расстояния до торца термоинструмента, по данным экспериментов, имеет вид: ,

Ш) К е

(16)

Интегрируя (16) по ^ 1 получим зависимость радиуса скважины от месторасположения термоинструмента в скважине и свойств разрушаемых горных пород:

0 (17)

где ^ - коэффициент, зависящий от свойств теплоносителя;

в рассматриваемом случае $ = 11,4 Вт/ (м0'^ . К); - единичная функция Дирака)

-Ю-

/ , при г г* •

Ш-

1 о, при М) + гГ ; ав>

¿и)

л,1/ - координата торца термоинструмента-в различные моменты времени, м|

6

- расположение термоинструмвнта в начальный момент расширения скважины, м;

скорость продольного перемещения термоинструмента в скважине, м/с;

Ь - время, С.

На основе данной математической модели определен технологический режим термического расширения скважин, при котором формируется зарядная полость оптимальной конфигурации. Так,например, в железистых кварцитах Оленегорского ГОКа оптимально режим реализуется при следующей последовательности работы бурового станка:

1. Запуск и выход на рабочий режим горелки. Терморасширитель опускается в скважину до касания забоя и тут же поднимается примерно на 0,5 м. На этом уровне термоинструмент выдерживается в течение 3-5 мин. для образования вруба в нижней части сквадины.

2. Подъем бурового става со скоростью 0,2 м/мин- (12 м/ц) в течение 17,5 мин. Таким образом, образуется нижнее котловое, расширение диаметром до 500 мм и высотой 4 м.

3. С маневровой скоростью поднимают буровой став на 3 м.

4. Устанавливается скорость подъема 0,17 м/мин. (10 м/ч) я осуществляется подъем горелки в течение 18 мин. Таким образом, образуется верхнее котловое расширение диаметром до 500 мм и высотой "3 м. '

5. Продувка скважины в целях очистки от продуктов термического разрушения в течение 5 -10 мин.

С целью проверки теоретических зависимостей Ш1д взрыва от конфигурации зарядной полости были проведены лабораторные эксперименты. Методикой экспериментов предусматривалось проведение микровзрывов в пластичной среде и определениз объема ка-муфлетных полостей, возникающих под давлением продуктов взрыва. Результаты экспериментов подтвердили теоретические выводы о максимальном значении КПД взрыва при использовании двухкотловнх зарядов, геометрические параметры которых соответствуют расчетным формулам(12), (13) к (14).

Производственные испытания технологии ББР с применением двухходовых зарядов ВБ, выполненные на карьерах Оленегорского и Михайловского ГОКов^подтвердили эффективность применения заря-до!, оптимальной конфигурации. Так, например, по данным произвол ственных эксперим( нтов, при использовании на карьере Оленегорского ГОКа сквакинных зарядов с линейными размерами 4 — Ь м (нижний "котол"П - 2 — Зм (нерасашряемкй перешеек) — 3—4 м (верхний "кстел") на расал 1 рение скважин требуется времени на 10—меньше, чем при расширении скважин под однокотловой заряд высотой У м. Как свидетельствуют результаты анализа гранулометрического состава взорванной горной кассы на экспериментальных и контрольных блоках, применение зарядов опттгальной конфигурации действительно обеспечивает повышение К1Щ взрыва на 20-25";, что подтверждает правомерность теоретических выводов.

Как показали широкомасштабные производственные испытания на карьерах Ыихайловского и Оленегорского ГиКов, применение заря--дзв оптимально'! конфигурации позволяем при хорошем качестве дробления снизить удельный расход ЕВ на 10-12°£, что яьляется существенным фактором экономической эффективности. Эти результаты получены на основании экспериментальных материалов производственных экспериментов. Результаты обработаны с применением соответствующих статистических критериев.

Достоверность выводов о качественном и количественном изменении показателей взрывного дробления горной массы при использовании рекомендаций превышает 9Ъ%.

Выполненный технико экономический анализ применения предлагаемых двухкотловых зарядов для взрывного дробления свидетельствует о том, что их использование обеспечивает экономию ВВ в объеме 186 т, электроэнергии не менее 70 тыс.кВт.* час и горючзго-не менее 20 т в расчете на I млн.м3 взорванной горной массы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессов дробления горных пород с использованием зарядов ВВ переменного сечения, на основе которых решена актуальная научно-техническая задача разработки способа отбойки пород на карьерах, обеспечивающего повышение КПД энергии взрыва, улучшение качества взрывного дробления массива,экономию взрывчатых веществ и увеличение производительности термического расширения взрывных скважин.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ известных научных исследований в области взрывного дробления горных пород на карьерах показал, что наиболее перспективным путем повышения КПД взрыва является оптимизация формы зарядов ВВ.

2. При высоте уступов на карьерах^равной 15 м^наибольший КПД взрыва достигается при использовании двухисотловых зарядов ВВ, один из которых устанавливается на дне скважины.

3. Установлено, что оптимальная конфигурация двухкотлового скважинного заряда -соответствует следующим геометрическим параметрам:

¿(= (0,^~0,6).А/;

¿г = (0,15-г- О, ;

£) - ( 0,03 ~ 0,09) /-/,

где ¿7 - расстояние от забоя до центра второго котлового заряда, м; К - высота уступа, м;

>6а - расстояние между центрами двух котловых зарядов ВВ, м;

® - диаметр котловых расширений, м.

4. Установлена закономерность изменения режима продольного перемещения термоинструмента в скважине, обеспечивающего формиг ровакие двухкотлового заряда оптимальной конфигурации. В желе- -зистых кварцитах оптимальный режим термического расширения реализуется в режиме, когда нижнюю котловую полость формируют в течение 17,5 мин- при рабочей скорости подъема термоинструмента

12 м/час, затем на маневровой скорости термоинструмент поднимают на 3 м v в течение 18 мин. формируют вторую котловую полость на рабочей скорости подъема. 10 м/час. • .

5. Установлено, что применение двухкотловых скважинных зарядов обеспечивает увеличение КПД энергии взрыва на 21Й, уменьшение удельного расхсда ВБ на 10-12% и сокращение-на T0-I5 мин. длительности формирования зарядной полости переменного сечения станками для термического расширения скважин.

Основные положения диссертации опубликованы в следуюпих работах:

1. Патент Российской Федерации 2000432. Приоритет изобретения - 29.12.90. Способ создания заряда $зрыьного дробления / Ген* чаров С.А., Григорян И.Р., Морит P.E., Васин В.В., Вяткин И.Л.

и Каркаладзе Г.Г.

2. Гончаров С.А., Каркащадзе Г.Г., Дремин А.И., Кочалоа В.И. и Вяткин ti.Jl. Способ повышения КПД взрыва с использованием зарядов оптимальной конфигурации // Ьеделя горняка: Тез. докл. конф. 1994г. - 4|,:МГГУ, 1994.

3. Гончаров С А., Каркашадзе Г.Г., Мочалов В.И., Дремин А.И. и Вяткин Н.Л. Способ повышения коэффициента полезного действия скважинных зарядов при производстве взрывов на карьерах // Горный журнал. - 1994, № 3.

Подписано в печать '/9 l>f Формат 60X90/16

Объегл I д.л. Тэдзах 100 акз. Заказ ;; 305

Типографии Московского государственного горного ушгверситет, М. .Ленинский пр-т,д.6