Обоснование параметров экологически чистого направленного невзрывного метода разрушения пород на основе расширяющейся цементной смеси при разработке гипсовых месторождений

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем горной промышленности является рациональное использование природных ресурсов, сырья и материалов.

В настоящее время разрушение массива горной породы осуществляется, в основном, буровзрывным способом. Взрывной способ является причиной больших потерь минерального сырья, негативно влияет на устойчивость законтурного массива горных пород и геоэкологию.

Одним из перспективных способов, обеспечивающих улучшение экологии окружающей среды от вредных воздействий взрывных газов и охрану природных ресурсов, снижение себестоимости добычи руды и энергоемкости горных работ и повышение безопасности их ведения, является использование невзрывчатой разрушающей смеси на основе расширяющегося цемента (ЕД'С).

Перспективным направлением, обеспечивающим частичный отказ от использования взрывчатых веществ при подземной разработке гипсовых месторождений, является применение НРС для направленного раскола пород по заданному контуру.

Отсюда повышение эффективности способа направленного разрушения горных пород для раскола массива с применением НРС является важной научно — практической задачей. При этом одним из методов повышения эффективности направленного раскола горных пород с использованием НРС является использование в шпурах концентраторов напряжения. Совершенствование конструкции концентраторов напряжения позволит направленно формировать и концентрировать поля напряжения на контуре шпура в плоскости предполагаемого раскола, приводящие в конченом счете к направленному расколу массива горных пород — в заданном направлении.

Поэтому задача по обоснованию параметров экологически чистого направленного невзрывного метода разрушения пород на основе невзрывчатой разрушающей смеси при разработке гипсовых месторождений с использованием высокоэффективных конструкций концентраторов напряжения является актуальной.

Работа выполнялась в рамках программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Минобразования России и подгфограммы «Экология и рациональное природопользование», раздел: 207.06 «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий» .

Цель работы заключается в обосновании параметров экологически чистой технологии направленного раскола горных пород с использованием НРС, позволяющей повысить безопасность горных работ и обеспечить охрану окружающей среды от деформации законтурного массива и вредных взрывных газов.

Идея работы состоит в том, что направленный раскол горных пород при использовании НРС обеспечивается путем изменения поперечного рабочего сечения шпура из круглого в эллиптическое за счет установки в нем двух металлических сдвоенных пластин (концентраторов напряжения), расположенных параллельно плоскости направленного раскола пород.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Повышение геоэкологической безопасности и устойчивости гипсовой кровли камер от динамических взрывных волн, исключающих прорыв подземных вод в горные выработки, достигается за счет создания поверхности раскола пород методом их разрушения по заданному контуру, в котором вместо взрывчатого вещества (ВВ) в контурных шпзфах используется невзрывчатое разрушающее средство (НРС) на основе расширяющегося цемента с установкой в шпурах концентраторов напряжений.

2. Поверхность раскола гипсовых пород при применении НРС образуется регулированием процесса развития магистральной трещины между контурными шпурами концентраторами напряжений, в качестве которых используются металлические пластины, и способствует улучшению устойчивости кровли камер и геоэкологической обстановки в подземных условиях за счет со-краш-ения количества взрываемых шпуров, снижения удельного расхода ВВ на 15%, вредных взрывных газов — на 17%.

3. Длина развития магистральной трещины на контуре шпура с учетом совместного действия напряжений гравитационного поля и НРС зависит от прочностных свойств пород, радиуса шпура, геометрических размеров и количества концентраторов напряжений и изменяется со временем по логарифмическому закону. При этом её величина увеличивается в 1,1−2 раза при установке в шпур двух параллельных концентраторов напряжений в виде металлических пластин, чем при использовании одного концентратора (пластицы).

4. Расстояние между смежными шпурами от относительной прочности гипса изменяется по гиперболическому закону ½ степени, а использование двух концентраторов напряжений по сравнению с одним увеличивает это расстояние в 1,1−1,3 раза.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением комплексного метода, включающе.

U С" U с" го: анализ и обобщение достижений отечественной и зарубежной горной науки и практики в области изучения механизма образования направленной трещины между смежными шпурамианалитические исследования с привлечением методов теории упругости и обработкой данных методами математической статистики, а также сходимостью результатов, полученных аналитическим путем и в лабораторных условиях на моделях, с результатами, полученными в условиях гипсового рудника.

Научное значение работы заключается в установлерши влияния квазистатического и гравитационного полей напряжения на формирование плоскости направленного раскола в зависимости от структурных и прочностных свойств гипсовых пород при использовании в смежных шпурах смеси НРС со вставками в виде параллельных металлических пластин прямоугольного сечения.

Практическое значение работы состоит в обосновании параметров метода направленного разрушения пород для создания экранирующей магистральной трещины, отделяющей кровлю камеры от массива гипса, в дальнейшем, подвергающеюся разрушению взрывными волнами при ведении очистных работ в камерепроведении вентиляционных окон в панельных целиках на ОАО СП «Гипс Кнауф», и разработке конструкции концентраторов напряжения в виде двух металлических пластин, установленных в шпур параллельно и позволяющих изменить рабочее сечение шпура из круглого в эллиптическое и тем самым повысить эффективность использования экологически чистого метода направленного раскола горных пород с помощью НРС.

Реализация выводов и рекомендаций. Результаты исследований переданы в ОАО СП «Гипс Кнауф», г. Новомосковск. Материалы исследования используются в учебном процессе Московской государственной геологоразведочной академии при чтении курсов: «Геоэкология», «Охрана окружающей среды», «Технология разработки месторождений полезных ископаемых». '.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались на конференциях: I Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 1995 г.), VI Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2001 г.), научной конференции «Экология и рациональное природопользование» (С-Петербург, ноябрь 2001 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы пять печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четьфех глав, заключения, изложенных на 164 стр. машинописного текста, содержит 47 рисунков, 30 таблиц. Библиография 75 источников информации.

4.8. Выводы по главе 4.

1. В результате лабораторных исследований концентраторов напряжения в виде прямоугольных стальных пластин на гипсовых блоках было установлена эффективность применения концентраторов напряжения в виде прямоугольных стальных пластин, расположенных параллельно в шпуре.

2. Расстояние между смежными шпурами от относительной прочности гипса изменяется по гиперболическому закону ½ степени, а использование двух концентраторов напряжений по сравнению с одним увеличивает это расстояние в 1,1−1,3 раза.

3. Исследования, проведенные в лабораторных и промышленных условиях, показали хорошую сходимость полученных результатов с аналитическими зависимостями и позволили их рекомендовать к промышленному внедрению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано решение актуальной научно — технической задачи — обоснования параметров экологически чистого направленного невзрывного метода разрушения пород на основе расширяющейся цементной смеси (НРС) при разработке гипсовых месторождений раскола гипсовых пород, обеспечивающего повышение устойчивости кровли камер и сохранность земной поверхности от деформаций и вредного влияния взрывных волн и газов.

Основные научные результаты, выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:

1. При добыче полезного ископаемого разрушение массива горных пород осуществляется, в основном, буровзрывным способом, который является причиной больших потерь минерального сырья, негативно влияет на устойчивость законтурного массива горных пород и геоэкологию. Поэтому для разрушения массива горных пород следует заменить взрывчатые вещества (ВВ) на экологически чистые безопасные невзрывные способы направленного раскола пород.

2. Известные способы невзрывного разрушения горных пород целесообразно систематизировать по виду энергии воздействующей на массив. В предлагаемой систематизации все возможные известные способы разрушения горного массива разделяются на три группы: механические, физико-технические и комбинированные.

3. Одним из наиболее перспективных способов, обеспечивающих улучшение экологии окружающей среды, более полное и рациональное использование запасов недр, снижение себестоимости добычи и повышение безопасности проведения работ является способ использующий невзрывчатые разрушающие смеси (НРС).

4. Анализ применения невзрывных способов направленного раскола горных пород показал, что невзрывчатые разрушающие смеси (НРС) имеют очевидные преимущества перед другими способами направленного раскола. При этом повышение эффективности направленного раскола массива горных пород возможно путем применения металлических вставок — концентраторов напряжения.

5. Поверхность раскола гипсовых пород при применении НРС образуется регулированием процесса развития магистральной трещины между контурными шпурами концентраторами напряжений, в качестве которых используются металлические пластины, и способствует улучшению устойчивости кровли камер и геоэкологической обстановки в подземных условиях за счет сокращения количества взрываемых шпуров, снижения удельного расхода ВВ на 15%, вредных взрывных газов — на 17%.

6. Длина развития магистральной трещины на контуре шпура с учетом совместного действия напряжений гравитационного поля и НРС зависит от прочностных свойств пород, радиуса шпура, геометрических размеров и количества концентраторов напряжений и изменяется со временем по логарифмическому закону. При этом её величина увеличивается в 1,1−2 раза при установке в шпур двух параллельных концентраторов напряжений в виде металлических пластин, чем при использовании одного концентратора (пластины).

7. Расстояние между смежными шпурами от относительной прочности гипса изменяется по гиперболическому закону ½ степени, а использование П1вух концентраторов напряжений по сравнению с одним увеличивает это расстояние в 1,1−1,3 раза.

8. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, логут быть рекомендованы для предприятий, ведущих разработку рудных и не-зудных месторождений.