МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Жуков Сергій Олександрович

УДК 622.271

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ВИДОБУТКУ

ПРИРОДНОГО КАМЕНЯ ЯК ПОПУТНОЇ

СИРОВИНИ В ДІЮЧИХ КАР'ЄРАХ

Спеціальність 05.15.03 - «Відкрита розробка

родовищ корисних копалин»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Кривий Ріг - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор Бизов Володимир Федорович,

Криворізький технічний університет, ректор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Щєлканов Владлен Олександрович, Криворізький технічний університет, професор кафедри;

доктор технічних наук, професор Єфремов Ернест Іванович

Інститут геотехнічної механіки НАН України, завідувач відділу;

доктор технічних наук, професор Гуменик Ілля Львович,

Національна гірнича академія України, завідувач кафедри.

Провідна установа - Науково-дослідний гірничорудний інститут Міністерства промислової політики України (НДГРІ), м. Кривий Ріг.

Захист відбудеться 23 жовтня 1998 року о 14 годинi на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 Криворізького технічного університету за адресою: 324002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, ауд. 301.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 324002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

Автореферат розісланий "22" вересня 1998 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Фаустов. Г.Т.

ВСТУП

Актуальність досліджень.

Для всіх напрямків гірничого виробництва і гірничих наук характерний багатогалузевий технічний і економічний підхід до вирішення наукових і виробничих завдань, комплексний підхід до використання корисних копалин у поєднанні з вимогами мінімального збитку природі.

Значні запаси марганцевих і особливо залізних руд, що перевищують 15% світових (21 млрд. т.), а також наявність великих гірничо-збагачувальних комбінатів і рудників, поставили Україну в один ряд з країнами - найбільшими виробниками товарної руди. Збереження цього промислового потенціалу передбачається в основному за рахунок підвищення комплексності освоєння родовищ.

Разом з тим, ситуація в гірничовидобувних регіонах продовжує погіршуватися як в економічному, так і в екологічному плані. У найбільш важких умовах у перехідний період виявилися потужні гірничовидобувні підприємства, тому інтенсивні пошуки нетрадиційних напрямків забезпечення їх виживання є на сьогоднішній день єдиним виходом з кризи. Одним із таких перспективних напрямків освоєння рудних родовищ є попутний видобуток природного каменя, якому до цього часу не приділялося належної уваги.

Як показує аналіз динаміки приросту розвіданих родовищ природного каменя і тих, що розробляються, обсягів видобутку блоків облицювального каменя і виробництва облицювальних матеріалів, за останнє десятиріччя в середньому вони зросли відповідно в 2, 20 і 50 разів, що свідчить про зростаючий дефіцит цієї сировини і підтверджує актуальність пошуку альтернативної сировинної бази для його видобутку. Такою базою можуть бути кар'єрні поля гірничо-збагачувальних комбінатів України, які містять десятки мільйонів кубометрів високодекоративних скельних порід, що можуть бути ефективно використані, але втрачаються у відвалах пустих порід.

Взагалі залізорудні родовища України є в геологічному відношенні унікальними не тільки за запасами і різновидами залізних руд, але і за обсягами і переліком найменувань вміщуючих порід, багато з яких за своїми характеристиками і властивостями повністю відповідають вимо-гам, що пред'являються до природного, в тому числі і до облицювального, каменя. На світовому ринку ціни на цю сировину коливаються від 300 до 1400 $/м3, але, незважаючи на це, вона продовжує вважатися на рудних кар’єрах відходами.

Таким чином проблема розроблення теорії і практики попутного видобутку природного каменя набуває особливої актуальності. Її рішення дозволить значною мірою підвищити

економічні, екологічні і технічні показники виробничої діяльності гірничих підприємств.

Мета роботи полягає у створенні науково обгрунтованої ефективної технології попутного видобутку природного каменя в діючих кар’єрах, узгодженої з основною технологією.

Відповідно до мети, завданнями досліджень є наукове обгрунтування і розроблення методів локалізації і класифікації масивів природного каменя в проектних контурах кар'єрів, прогнозування вмісту в масиві і виходу при їх розробці блоків кондиційної сировини, формування типових комплексів технологічного обладнання й ефективних технологій.

Ідея роботи полягає у використанні екрануючих властивостей природних і штучних порушень у масивах кристалічних порід, які оберігають матеріал всередині природних окремостей від руйнівного впливу вибухових хвиль, у виділенні на основі цього масивів, потенційно придатних для видобутку блоків природного каменя, і створенні для їх розробки відповідних типових технологічних комплексів з використанням існуючого в діючому кар’єрі обладнання.

Об’єктами досліджень є масиви скельних і напівскельних розкривних порід рудних кар’єрів та технології їх розробки.

Основні наукові положення, що захищаються:

1. Придатність масиву кристалічних порід для попутного видобутку природного каменя в діючому кар'єрі залежить від параметрів системних макротріщин у масиві, його локалізації і технології, що застосовується в кар'єрі.

2. Розкол породи по площинах, що плануються, при буровибуховій підготовці природного каменя в монолітних породах досягається за рахунок узгодженого розташування ініціюючих детонуючих шпурів і просторового розташування свердловинних зарядів вибухових речовин, що забезпечує умови для створення концентраторів напружень; у шаруватих і блокових породах параметри буровибухових робіт повинні визначатися з урахуванням як просторової орієнтації і стану системних макротріщин, так і співвідношення акустичної жорсткості породи і заповнювача тріщин.

3. Створення режиму регульованого імпульсного навантаження гірської породи для її розколу, що не супроводжується виникненням у ній руйнуючих пружних хвиль, забезпечується двофазовим спаленням горючих речовин у спеціально розробленому піроклиновому пристрої.

4. За умов комплексного освоєння родовища на напрям розвитку і режим гірничих робіт у кар'єрі впливають кількість видів попутних корисних копалин, а також їх якісні характеристики і обсяги видобутку, які визначаються з урахуванням взаємного впливу основної і попутної технологій.

5. Склад комплексів технологічного обладнання для попутного видобутку природного каменя залежить від параметрів породних масивів, обсягів його видобутку, а також від можливостей використання в попутній технології основного кар'єрного обладнання.

6. Економічна ефективність технології попутного видобутку блочної сировини визначається не загальним виходом кондиційних блоків, а співвідношенням його з виходом некондиційної сировини порівняних розмірів.

Наукова новизна одержаних результатів досліджень полягає у тому, що:

1. Розроблена класифікація масивів природного каменя як попутної корисної копалини в діючих кар'єрах.

2. Запропоновані інтегральний показник оцінки стану масиву природного каменя і методика типізації комплексів обладнання за цим показником.

3. Розроблено новий метод оцінки тріщинуватості і блочності масиву гірських порід.

4. Встановлені особливості і закономірності руйнування масиву природного каменя при підготовці його свердловинними зарядами, на основі чого розроблена нова методика розрахунку параметрів буровибухових робіт.

5. Вдосконалена методика оцінки екрануючих властивостей системних макротріщин.

6. Розроблено принципово новий спосіб створення регульованих направлених імпульсних зусиль, що не супроводжується виникненням пружних хвиль в породі, яка руйнується.

7. Обгрунтовано критерії оцінки ефективності поєднання технологій виробничих процесів попутного видобутку природного каменя та визначення напряму розвитку гірничих робіт.

8. Встановлені основні закономірності взаємного впливу основної і попутної технологій у рудному кар'єрі при попутному видобутку природного каменя.

9. Запропонований і обгрунтований новий критерій і метод розрахунку еколого-економічної оцінки ефективності видобутку попутної сировини.

Наукове значення роботи полягає в теоретичному обгрунтуванні доцільності і можливості, способів і параметрів технології попутного видобутку природного каменя в діючих кар'єрах і оптимізації попутної технології з урахуванням основної.

Практичне значення роботи полягає в розробці:

- методик визначення придатності масивів розкривних порід для попутного видобутку природного каменя, прогнозування вмісту в масиві і виходу блокової сировини заданих параметрів;

- методів захисту масивів природного каменя від руйнуючого хвильового впливу масових вибухів;

- технологічних рішень і технічних засобів, що підвищують ефективність виробничих процесів попутного видобутку природного каменя;

- типових комплексів технологічного обладнання, адаптованих для розробки масивів різних типів.

Реалізація роботи. Перевірка результатів та впровадження розробок дисертації здійснені на різних кар'єрах, як спеціалізованих, розробляючих родовища природного каменя, так і рудних. Так на Токівському гранітному кар'єрі відпрацьовувалися і були впроваджені у виробництво: способи відколу блоків за допомогою піроклинового пристрою, пристрій для руйнування мінеральних середовищ струменем високотемпературного газу, «Методика визначення раціонального напряму розколу і розпилювання блоків природного каменя". Впровадження розробок дисертації забезпечило сумарний економічний ефект в обсязі 132,250 тис. грн. В умовах Євпаторійського кар'єру ВАТ «Славутич-Крим" використання результатів дослідження дозволило здійснювати підготовку вапняків (карбонатної сировини) буропідривним способом, без порушення шару пильних сарматських вапняків (економічний ефект 375,580 тис. грн). У кар'єрі ЗАТ «Новоселівське кар’єроуправління" (Крим) аналогічний ефект був досягнутий при заміні механічного рихлення розкривних напівскельних порід на їх буропідривну підготовку (економічний ефект 165,070 тис. грн.). Визначення раціонального напряму розвитку гірничих робіт з урахуванням попутного видобутку пильного каменя з вапнякових порід розкриття забезпечило економічний ефект на Чкалівському кар'єрі № 2 ВАТ «Орджонікідзевський ГЗК" в розмірі 246,270 тис. грн. В ВАТ «Сорокський гранітно-щебневий кар'єр" (Молдова) були використані розроблені в дисертації методи управління мірою дроблення при здійсненні буропідривних робіт (економічний ефект 620,4 тис. лей). В умовах кар'єру ВАТ «Інгулецький ГЗК" використовуються такі розробки: методика оцінки масивів порід розкриття, потенційно придатних для попутного видобутку природного каменя; методика розрахунку параметрів буропідривних робіт, що забезпечують збереження монолітності блоків, які відбиваються; технологія попутного видобутку природного каменя зі скельних розкривних порід; технічні засоби, розроблені для адаптації гірничого обладнання до видобутку блокової сировини. Очікуваний економічний ефект від використання цих розробок на ІнГЗК становить 711,374 тис. грн.

Окремі розробки дисертації використовуються в навчальному процесі Криворізького технічного університету в робочих програмах дисциплін «Екологія гірничого виробництва" і «Ресурсозберігаючі і маловідходні технології".

Особистий внесок автора в одержання наукових результатів, які виносяться на захист, полягає в формулюванні мети, наукових положень та завдань дослідження; одержанні аналітичних виразів для розрахунків параметрів: екрануючих щілин, буровибухових робіт при свердловинній та шпуровій підготовці природного каменя, а також піроклинового пристрою; розробці класифікації масивів природного каменя, розташованих у контурах рудних кар’єрів, критеріїв та методик визначення: доцільності попутної технології, напряму розвитку гірничих робіт, взаємодії основної та попутної технологій, оптимальності поєднання в попутній технології виробничих процесів; розробці нового способу створення направлених зусиль у породі і пристрою для його здійснення, термоструменевого та інших пристроїв для забезпечення попутної технології.

Апробація роботи. Результати досліджень по дисертаційній роботі доповідалися, обговорювалися і були позитивно оцінені на щорічних науково-технічних конференціях Криворізького технічного університету (Кривий Ріг, 1986-1998 рр.), засіданнях Президії Академії гірничих наук України (1993, 1997 рр), технічних рад концерну "Укррудпром" (Кривий Ріг, 1992, 1995, 1997 рр.), республіканському семінарі «Комплексне використання надр Кривбасу і охорона навколишнього середовища" (Кривий Ріг, 1988 р.), V регіональній конференції «Розробка і вдосконалення способів і засобів видобутку та збагачення корисних копалин Кольського півострова" (Апатити, 1987 р.), всесоюзній науково-технічній конференції «Маловідходні і безвідходні технології при розробці рудних родовищ" (Кафан, 1988 р.), семінарах Вищої національної гірничої школи Парижа (Франція, 1996 р.), Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми і напрями використання САПР в навчальному процесі і автоматизація проектно-конструкторських робіт сучасних виробництв" (Кривий Ріг, 1998 р.), I-й міжнародній конференції «Проблеми комплексного освоєння надр" (Дніпропетровськ, 1998 р.). науково-технічних нарадах гірничо-збагачувальних комбінатів ІнГЗК, ПГЗК, ОГЗК (1986-1997 рр.) та підприємств по видобутку природного каменя (ЗАТ «Рось», Черкаси; ВАТ «Славутич-Крим та ЗАТ «Новоселівське кар’єроуправління», автономна республіка Крим; ВАТ «Сорокський гранітно-щебневий кар’єр, Молдова).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 45 друкованих працях. Всього по темі дисертаційної роботи опубліковано 69 робіт, у тому числі одержано два авторських свідоцтва на винаходи.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається з введення, 6 розділів і висновків, викладена на 298 сторінках, містить 29 таблиць, 59 рисунків, список літератури з 254 найменувань і додатку.

Автор висловлює глибоку вдячність науковому консультанту, доктору технічних наук, професору, академіку АГН України Бизову В.Ф. за наукові консультації; доктору технічних

наук Карасьову Ю.Г. за цінні поради при обговоренні результатів досліджень.

Автор висловлює вдячність співробітникам кафедри відкритих гірничих робіт Криворізького технічного університету, а також працівникам виробництва, наукових і проектних інститутів за сприяння у збиранні матеріалів і реалізації результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан проблеми та постановка завдань досліджень.

Особливістю попутного видобутку природного каменя є те, що він, з одного боку, вимагає дуже специфічних технологій, а з другого - запроваджуюється в діючому кар'єрі і входить до його загального технологічного комплексу. Це значною мірою ускладнює проблему його реалізації і зумовлює необхідність комбінованого наукового підходу до розв'язання цієї проблеми.

Розв'язанню проблем розробки і комплексного освоєння залізорудних родовищ присвячені роботи Ю.І. Аністратова, О.І. Арсентьєва, В.Г. Блізнюкова, В.Ф. Бизова, І.Л. Гуменика, Е.І. Єфремова, Б.І. Іванова, С.О. Ільїна, А.І. Коваленка, Б.М. Кутузова, М.В. Мельникова, О.М. Михайлова, М.Г. Новожилова, А.К. Поліщука, В.В. Ржевського, Б.А. Симкіна, Б.Н. Тартаковського, К.Н. Ткачука, П.І. Томакова, К.М. Трубецького, П.Й. Федоренка, Г.О. Холоднякова, В.С. Хохрякова, Є.Ф. Шешка, І.Б. Шлаїна, В.О. Щелканова і інш.

Найбільший внесок в розробку наукових основ і технологій видобутку природного каменя зробили такі вчені, як: В.Я Альмухаметов, М.М. Анощенко, М.Т. Бакка, А.А. Барський, Н.В. Дегтяренко, Ю.Г. Карасьов, Н.Т. Корсаков, А.І. Косолапов, Е.П. Окользін, А.М. Орлов, Г.Д. Першин, В.Г. Пічугін, С.Н. Подойніков, Б.Р. Ракішев, В.Р. Рахімов, В.Н. Сіренко, І.С. Солонінко, Ю.І. Сичов, К.К. Ткачук, С.С. Фазилов, М.М. Чесноков та інші.

Віддаючи належне попереднім дослідженням, треба однак відзначити, що до цього часу не існує не тільки єдиного завершеного комплексу науково-практичних розробок, який би дозволив здійснювати ефективний видобуток природного каменя в діючих кар'єрах як попутної сировини, але навіть науково обгрунтованих концепцій розв'язання даних питань. У зв'язку з цим, поставлена в дисертаційній роботі мета досягається виконанням досліджень по структурній схемі, що відображає весь комплекс робіт - від вивчення особливостей об'єктів розробки до одержання готової продукції, з теоретичним обгрунтуванням попутного видобутку природного каменя і практичних рекомендацій щодо його здійснення.

Таблиця 1. Об'єми розкривних порід, придатних для одержання блоків природного каменя, млн. м3 (чисельник - потенційно придатні, знаменник - якісні)

Гірська | Найменування комбінату

порода | ІнГЗК | ПГЗК | НКГЗК | ЦГЗК | ПівнГЗК | ПолтГЗК

Сланці та безрудні

кварцити | 18,2

-----

2,9 | 311,5

------

21,5 | 537,3

-------

49,9 | 180,6

-------

11,3 | 216,7

-------

10,6 | 360,2

------

37,7

Граніти | 6,4

-----

2,2 |

- |

- |

- |

- | 28,2

-----

10,5

Амфібо-

літи | 3,5

----

1,4 |

- |

- |

- | 8,4

----

2,7 | 77,4

-----

18,8

Мігматіти | 14,3

-----

6,3 |

- |

- | 52,0

-----

9,1 |

- | 43,8

-----

11,6

Пегматіти | - | - | - | 6,2 / 2,3 | - | -

Гнейси | - | - | - | 11,5/ 2,7 | - | -

Некондиц.

залізисті

кварцити |

- |

- |

- | 124,4

-------

15,6 | 115,9

-------

9,4 |

-

Вапняки | 5,9

-----

1,1 | - | - | - | - | -

Розділ 2. Аналіз ресурсів природного каменя й оцінка сировинної
бази рудних кар’єрів України

Одним із головних об'єктів досліджень даної роботи є масиви скельних і напівскельних розкривних порід, розташовані в проектних контурах діючих кар'єрів, які за своїми характеристиками відповідають визначенню "природний камінь".

Для створення найбільш повного уявлення про потенціал рудних родовищ України, як альтернативної сировинної бази по видобутку природного каменя, були досліджені мінералого-петрографічні характери-стики і фізико-механічні властивості практично всіх основних різновидів скельних і напівскельних розкривних порід, а також особливості масивів, складених цими породами. У результаті були визначені найбільш перспективні в даному аспекті породи і підраховані запаси потенційно придатної сировини, розташованої в проектних контурах найпотужніших рудних кар'єрів (табл. 1).

Наведені цифри відображають лише частину загальних запасів вказаних порід без урахування вивітрілих і порушених вибухами. Дослідженнями встановлено, що товща вивітрілих порід коливається залежно від виду породи, її стану і в середньому складає 35-70 м. Як найбільш перспективні для розробки облицювального каменя виділені такі породи: граніти, мігматіти, амфіболіти, пегматіти. Як штучний стіновий і бутовий дорожний камінь: гнейси, сланці, кварцити. Як пильний камінь - вапняки. Для кожного виду порід встановлені закономірності зміни основних властивостей залежно від їх локалізації, а також механічної анізотропії, зумовленої їх шаруватістю й орієнтацією зерен мінералів. Встановлені закономірності дозволяють визначати найменш енергоємкісні способи відокремлення блоків від масиву та їх розпилювання шляхом орієнтування площин руйнування, що задаються.

Розділ 3. Дослідження структурних особливостей масивів розкривних порід.

Для родовищ природного каменя фізико-механічні і декоративні характеристики породи не є такими, що визначають питання про їх придатність для розробки. Одними з найбільш важливих (особливо в умовах діючих рудних кар'єрів) є показники тріщинуватості масиву.

На відміну від родовищ природного каменя групи гранітів, для яких типовою є близька до горизонтальної орієнтація первинно-пластових тріщин системи L і наявність субортогональних до неї крутопадаючих тріщин систем S, Q і D, вміщуючі породи залізорудних родовищ, внаслідок особливостей тектонічних процесів, мають орієнтацію власної шаруватості і тріщинуватості, переважно узгоджену з вигинами синклинально-антиклинальних складок рудних товщ. Ця їх характерна особливість значно ускладнює як саме визначення тріщинуватості і блочності масиву, так і вибір параметрів елементів системи розробки. До того ж, внаслідок специфіки генезису і багаторазових циклічних сейсмічних впливів масових вибухів, масиви кристалічних порід мають тріщинуватість більш регулярну у всіх системах і більш досконало пророблені тріщини. Блочність їх досить однорідна, а об'єм переважаючої окремості рідко перевищує 4-5 м3.

Методи, випробувані на родовищах облицювального каменя, не завжди можуть бути застосовані в умовах рудних кар'єрів. Тому автором розроблена методика визначення блочності масиву і відсоткового виходу кондиційного матеріалу, в основу якої покладені такі умови:

1) Всі системи тріщин орієнтовані довільним чином, тріщинуватість у них досить регулярна.

2) Блочність має високу міру однорідності.

3) Всі окремості, що контактують з вибуховими свердловинами, а також ті, що розтинаються діагональними тріщинами, вважаються некондиційним матеріалом.

За цих умов розроблена методика дозволяє обчислювати як блочність масиву, так і вміст та прогнозний вихід кондиційної сировини при різних параметрах технології, що застосовується.

На основі аналізу структури породних масивів розроблені методи обгрунтування вибору технології попутного видобутку блокової сировини, а також визначення меж раціонального використання типового кар'єрного обладнання.

Блочність масивів (розміри, форми, об'єми та співвідношення природних окремостей, обмежених системними тріщинами) існує об'єктивно і повинна прийматись як основна їх характеристика. З іншого боку, є виймально-навантажувальне і транспортне обладнання певної вантажопідйомності і з певними геометричними характеристиками (об'ємами і пропорціями) робочих органів. Зрозуміло, міру і умови можливого застосування обладнання для виїмки-навантаження і транспортування блоків можна визначити тільки на основі порівняння характеристик об'єктів розробки - природних блоків порід і технічних можливостей обладнання.

Суть розробленого методу полягає в тому, що в масиві природного каменя визначається кількісне співвідношення окремостей різних розмірів і їх об'ємні характеристики, а потім графо-аналітичним методом встановлюються межі зон можливого використання обладнання конкретного типу.

Передусім окреслюються масиви гірських порід, які відповідають вимогам, що пред'являються до блокової продукції. Потім у межах виділених зон визначаються параметри структури масиву (тріщинуватості і блочності) та закономірності зміни цих параметрів за площею і глибиною. Для цього формується банк даних по тріщинуватості за результатами вивчення оголень на розкритих ділянках масиву і опису кернів геологорозвідувального буріння. У банк даних заносяться висотні позначки гирл і забоїв свердловин. За допомогою розробленої програми «Forage-1", яка дозволяє здійснювати перерахунок і інтерполяцію значень для будь-якої висотної позначки, одержані дані свердловинного випробовування тріщинуватості перераховуються по заданих горизонтах. На основі одержаних даних і характеристик виймально-навантажувального обладнання визначають висоти добувних уступів і підуступів, а також висотні відмітки відповідних робочих площадок. Після цього виконуються наступні операції.

На погоризонтному плані, в межах оконтуреного масиву або його ділянки, за допомогою пакету прикладних програм будуються трьохвимірні графіки зміни міжтріщинних відстаней по кожній з існую-

чих систем тріщин залежно від площинних координат. Одержані графіки дозволяють заздалегідь оцінити можливості й області застосування різних типів виймально-навантажувального обладнання за лінійними розмірами максимального куска, межі локалізації яких оконтурюються відповідними ізолініями. Потім значення координат Z, за однакових X і Y всіх трьох графіків, перемножуються і на основі одержаних даних будується нова топоповерхня (рис. 1), яка є трьохвимірним графіком блочності масиву по заданому горизонту.

Програма автоматично наносить на графік ізолінії об'ємів блоків: мінімального за вимогами якості, що задається, і максимального - відповідно до можливостей обладнання. Одержані золінії і є межами ділянок, у межах яких можливе використання обладнання відповідного типу і з відповідним оснащенням (рис. 2). Поза одержаними контурами необхідно або застосовувати більш потужне обладнання, або спеціальні технології.

Різноманітність структурно-технологічних і інших ознак масивів природного каменя значною мірою ускладнює процедуру підбору комплексів технологічного обладнання, які б максимально відповідали конкретним умовам розробки. Разом з тим, за певними ознаками їх можна об'єднати в окремі групи і провести класифікацію за геологічними особливостями, технологічними характеристиками і споживчими властивостями сировини. Об'єднання масивів в групи дозволяє виділити декілька класів, які полегшують визначення оптимального типу

технології (розпушення блочного масиву по природних тріщинах свердловинними зарядами або відбійка блоків по заданих площинах), вид можливої продукції, спеціальні заходи для підготовки масиву до розробки. Виділення названих класів передбачає формування відповідних їм типових технологічних комплексів попутної технології.

Розділ 4. Аналітичні передумови розробки технології попутного

видобутку природного каменя в діючих кар’єрах.

Під час виконання досліджень враховувалося, що сейсмічні впливи вибухової природи, які регулярно повторюються, поступово руйнують мінеральний матеріал, що заповнює природні тріщини, приводячи до підвищення їх екрануючих властивостей і збереження монолітності породи в окремості. Цей фактор звичайно негативно відбивається на рівномірності дроблення гірничої маси, що підривається.

Досліджувалися особливості розповсюдження вибухових хвиль у масивах кристалічних порід, які найбільш істотно впливають на якість блокової сировини. Внаслідок цих досліджень доведено, що видобуток якісних блоків найбільш продуктивний у масивах, які мають розвинену макротріщинуватість, з високою мірою проробки макротріщин, що є характерною особливістю більшості розкривних порід рудних кар'єрів. Для розрахунків екрануючих властивостей таких тріщин пропонується вдосконалений метод ступінчастого «зрізання" амплітудної компоненти хвиль.

У масивах зі зцементованими системними макротріщинами виявляється ефект утворення хвилеводів, у межах яких руйнуючий вплив хвиль на масив максимальний. Формуються хвилеводи залежно від параметрів вибуху, характеристик масиву і співвідношення акустичної жорсткості породи і заповнювача тріщин. Розраховувати такий процес пропонується графо-аналітичним методом з використанням таблиць співвідношень параметрів хвиль при перетині ними меж розділу середовищ і графіків залежності параметрів вибухових хвиль від характеристик порід.

Як показали результати аналітичних розрахунків і їх експериментальної перевірки, хвилеводи формуються після перетину хвилями не менше 3-7 паралельних тріщин. Враховувати їх вплив на сировину має сенс тільки в масштабах всього масиву, виділяючи на основі розробленої методики зони мінімальних і максимальних порушень і узгоджуючи з ними орієнтацію зон підвищенного дроблення та зон блокової сировини, а також елементи системи розробки і напрями просування фронту робіт.

У випадку, коли вектори максимальних хвильових впливів направлені у бік масиву якісної сировини, рекомендується ізолювати його екрануючими щілинами: або підриванням рядів

зближених свердловин, для чого розроблена методика розрахунків, або випереджальною виїмкою блокової сировини з приконтурної зони виділеної дільниці масиву з боку масових вибухів, що плануються.

Враховуючи різноманітність різновидів порід і гірничогеологічних умов, а також підготовку порід до виїмки свердловинними зарядами, були досліджені можливості одержання блокової сировини за допомогою традиційних для цих кар'єрів способів. За цих умов за допомогою конформних відображень досліджені процеси руйнування пружно деформованого середовища і обгрунтовані конструкції і параметри лінійних зарядів, що розташовуються у вибухових свердловинах для руйнування породи в заданих площинах. Конструкція являє собою лінійні заряди з детонуючого шнура, що розташовуються по утворюючих свердловини в площинах передбачуваних розколів. Підривання зарядів формує концентратори напружень на стінках свердловини та ініціює заряд низькобризантної вибухової речовини, що заповнює свердловину.

Для розробки особливо цінних монолітних порід вибуховий спосіб підготовки є недоцільним, оскільки веде до великих втрат сировини. Автором розроблений принципово новий спосіб навантаження масиву для відокремлення блоків по заданих площинах. Суть його полягає в тому, що статичний спосіб навантаження породи (з допомогою гідроклинів, невибухових руйнуючих сумішей і інш.) виключає викид і розвиток мережі мікротріщин навколо шпуру, однак, при повільному наростанні напружень початкові тріщини часто розвиваються в довільних напрямах, внаслідок чого площина відколу блоку має значні відхилення від тієї, що задається. В той же час динамічний спосіб (за допомогою вибухових речовин, гидроудару й інш.), хоч і забезпечує відкол блоку по заданих площинах, але значно ушкоджує матеріал всередині нього. Найбільш сприятливим є такий режим навантаження, при якому напруження наростають з високою швидкістю, але в той же час в породі не виникає руйнуючих пружних хвиль. Такий режим можна забезпечити тільки за умов, коли швидкість деформації породи на стінках шпуру буде близькою до швидкості поширення звуку в цій породі, але нижчою за неї. Подібний режим навантаження середовища пропонується створювати двохстадійним спаленням порохового заряду і рідкого палива в спеціально розробленому піроклиновому розколюючому пристрої, схема якого і принцип роботи представлені нижче. У роботі досліджені термодинамічні та інші фізичні процеси, що забезпечують субдинамічний режим навантаження породи й одержані аналітичні залежності для інженерних розрахунків параметрів фізичних процесів та режимів управління ними при відокремленні блоків з використанням розробленого пристрою.

Розділ 5. Геометричний аналіз кар’єрних полів і проектування режиму гірничих робіт

При розробці природного каменя в діючих кар'єрах як попутної сировини значно ускладнюється геометричний аналіз кар'єрних полів і обгрунтування режиму розвитку гірничих робіт. Ці питання вимагають повного узгодження, оскільки об'єкти, до яких застосуваються технології, поєднуються в межах одного кар'єрного поля.

На відміну від спеціалізованих кар'єрів по видобутку природного каменя, де всі параметри розробки, а також напрям розвитку гірничих робіт підлеглі структурно-технологічним властивостям масивів порід і умовам розробки цих родовищ, на рудних кар'єрах попутна корисна копалина є другорядною і тому - підлеглою за основними умовами і вимогами ведення гірничих робіт.

Спеціалізовані кар'єри характеризуються малими швидкостями просування фронтів робіт і забоїв. У зв'язку з невеликою інтенсивністю відпрацювання родовища, значення поточного коефіцієнта розкриття протягом року змінюється незначно, тому цей показник недоцільно застосовувати як критерій при геометричному аналізі кар'єрних полів родовищ пильного і облицювального каменя. Навпаки, рудні кар'єри характеризуються високою інтенсивністю добувних і розкривних робіт. Об'єми вилучення гірських мас обчислюються десятками мільйонів кубометрів у рік. У цих умовах найдоцільніше розглядати частину порід розкриття - кондиційний природний камінь - як попутну, але повноцінну корисну копалину.

Аналіз показав, якщо функцією мети при плануванні гірничих робіт виступають не тільки об'єми видобутку рудної сировини, а й об'єми попутної корисної копалини, тоді змінюється і сам принцип розвитку та режиму гірничих робіт. У цьому випадку критерієм оптимальності при виборі напряму розвитку гірничих робіт, може виступати технологічний показник - коефіцієнт розкриття або коефіцієнт гірничої маси з урахуванням використання частини розкривних порід як товарної продукції. Як економічний критерій може виступати сумарний прибуток від реалізації як основної, так і товарної продукції, що попутно видобувається.

При постановці завдання в загальному вигляді в кар'єрі, відносно початкового положення гірничих робіт (лінія 1 на рис. 3), встановлено контур на t-й період його експлуатації (лінія 2) згідно з раніше прийнятим критерієм, що не враховує комплексне освоєння родовища. За цих умов в контури може потрапити певний об’єм попутної корисної копалини (заштрихована область). У такому випадку, при плануванні гірничих робіт, необхідно виходити з того, що попутна корисна копалина, яка не увійшла у встановлені контури, може бути залучена до розробки шляхом зміни напряму розвитку гірничих робіт.

Повний прибуток за t-й період комплексної експлуатації кар'єру визначиться за формулою:

t n

П = [ Р i j(Цп i j - Cv i j / kв i j ) + Ki (Цк i - Cп i ) - Cд i Ад i -

i=1 j=1

- Cv i (Vi + Vi)] max, (1)

де відповідно в i-му році: Цпi j і Цк i - ціна видобутку j-го виду попутної продукції й одержання одиниці товарного рудного концентрату; Сдi, Cvi, Спi - собівартість видобутку руди, розкриття і переробки руди в концентрат; Cv i j - підвищення собівартості розкривних робіт, зумовлене їх подорожчанням при видобутку з них попутної сировини j-го виду; Рi j, Ki, Ад i, Vi - обсяги виробництва попутної продукції j-го виду, рудного концентрату, видобутку руди і розкриття; Vi - додаткові обсяги розкриття, зумовлені зміною напряму розвитку гірничих робіт; kвij - коефіцієнт виходу з масиву попутної сировини j-го виду.

Функціональний взаємозв'язок обсягів загального і додаткового розкриття з обсягами корисних копалин (Vі, Vi, Рij), що попутно видобуваються, в функції мети визначається для умов реального кар'єру за конкретними геолого-технологічними умовами.

Формула (1) є функцією мети економіко-математичної моделі оптимізації напряму розвитку і режиму гірничих робіт з урахуванням комплексного освоєння родовища. Максимізація цільової функції методом Лагранжа дає її максимум і базисне рішення рівнянь зв'язків.

Суть методики визначення оптимального напряму розвитку гірничих робіт з урахуванням обсягів попутного видобутку природного каменя полягає у нижчевикладеному.

Вихідне на початок залучення в попутну розробку природного каменя положення гірничих робіт представлено на рис. 4 (попутна сировина позначена заштрихованою областю). Воно характеризується положенням робочого борта АОК. У кар'єрі встановлено напрям розвитку гірничих робіт, що характеризується лінією заглиблення ON. У цьому випадку можливий видобуток попутної корисної копалини 1 (рис. 4). У разі виникнення необхідності збільшення обсягів видобутку попутної корисної копалини, мета може бути досягнена шляхом зміни напряму заглиблення кар'єру. Для цього від початкового положення гірничих робіт (точка О) у межах області закладення дна розрізної траншеї відбудовують положення робочої зони, в контурах якої знаходятся необхідні обсяги попутної корисної копалини 2. Для цього положення робочої зони, відповідно до встановленого напряму розвитку гірничих робіт (лінія заглиблення GТ), роблять підрахунок об'ємів руди, розкриття і попутної корисної копалини в одержаних контурах. Після того, як зафіксовано напрям розвитку, проводять подальшу нарізку об'ємів по горизонтах їх розкриття і підготовки. На основі одержаних вимірів на графіку V=f(р) (рис. 5), у вигляді об'ємів, що зростають, наносять значення даних і проводять квадратичну апроксимацію за об'ємами розкриття (крива 2) загалом і попутній корисній копалині зокрема (крива 3). Крива 1 побудована без урахування видобутку попутних копалин. Будується шкала часу Т (років) і, відповідно до заданої продуктивності по основній сировині,

визначаються для кожного поточного року обсяги розкриття і попутних корисних копалин.

Між обсягами попутної корисної копалини j-го виду Pj і обсягом експлуатаційного розкриття кожного року Vi встановлюється взаємний зв’язок, який являє собою залежність вигляду Pij=a, де a, b - коефіцієнти, що залежать від геолого-технологічних чинників.

У випадку, коли оптимізація за критерієм (1) не дає поліпшення економічних показників, змінюється напрям розвитку гірничих робіт із зміною в контурах обсягів попутної корисної копалини до тих пір, поки не буде досягнуто очікуваного результату.

Розділ 6. Розробка технології попутного видобутку природного

каменя та її промислові випробування.

Одним із найбільш важливих і складних завдань, що виникають під час впровадження попутної технології, є оцінка ефективності поєднання в ній варіантів здійснення виробничих процесів. Ефективність попутного видобутку природного каменя при реалізації тих або інших конкретних технологічних рішень по окремих виробничих процесах визначається шляхом порівняння варіантів, що аналізуються.

Критерієм вибору в діючому рудному кар'єрі технологічних рішень, що забезпечують попутний видобуток природного каменя, є умова:

Пчм > Пчс (2)

де Пчс, Пчм - відповідно наднормативні річні розміри чистого прибутку при існуючому і модифікованому варіантах.

Величини Пчс і Пчм визначаються:

Пчс = (Црс - Срс) Qрс - ЭнэКрс , (3)

n n

Пчм = (Ц jм - Сjм) Qjм - ЕнеКjм + DЕек , (4)

j=1 j=1

n

де Cjм = Cpc + Cпк + Сщ + Споп ; (5)

j=1

n

Кjм = Kpc + Kпк + Kщ ,

n j=1

Ц jм = Цpc + Цпк + Цщ ,

j=1

де Црс, Срс, Qрс - відповідно ціна, собівартість 1 т та обсяги видобутку товарної руди при існуючій технології; Ц jм, Сjм, Qjм - відповідно ціна, собівартість 1 т. та обсяги видобутку корисних копалин j-го виду при модифікованій технології; Енє - нормативний коефіцієнт економічної ефективності; Еек -розмір економії від реалізації екологічних заходів, зумовлених впровадженням попутної технології; Спк, Сщ - відповідно витрати на виробництво блоків природного каменя і супутне одержання щебеню; Споп - розмір додаткових витрат, які пов'язані зі зміною умов виробництва від впровадження нової технології попутного видобутку природного каменя; Крс, Кпк, Кщ - відповідно капітальні вкладення, що забезпечують існуючу технологію, попутний видобуток природного каменя, щебеню; Ц пк, Ц щ - відповідно ціни на природний камінь і щебінь.

У виразі (4) Еек - розмір відверненого економічного збитку навколишньому природному середовищу визначається як:

Еек = Усп - Усм ,

де Усп, Усм - відповідно економічний збиток навколишньому середовищу по існуючому і запланованому варіантах (економічний збиток від порушення, забруднення і вилучення з продуктивного використання земельних площ).

У = пз Sнз,

де пз - питома комплексна оцінка збитку, грн./га; Sнз - площа порушених земель, га.

У формулі (5) необхідно прагнути до зниження величини Спк. Цього можна досягти за рахунок підвищення виходу кондиційних блоків.

Як правило, підвищення крупності зірваної маси супроводжується здешевленням буровибухових робіт. Однак відомо також, що підвищення відсоткового виходу великих блоків зумовлює зниження продуктивності виймально-навантажувального обладнання і підвищення витрат на повторне подрібнення тих із них, які є некондиційними. У зв'язку з цим доцільно вводити критерій визначення оптимальності поєднання параметрів виробничих процесів.

Св.р. + Сбур + Сзар + Св.д. + Секс min, (6)

де відповідно витрати: Свр - на підривні роботи, Сбур - на буріння свердловин; Сзар. - на роботи по зарядженню свердловин; Свд - на повторне подрібнення некондиційних негабаритів; Секс. - на екскавацію.

За цим критерієм однакова сумарна собівартість може досягатися довільним поєднанням вищенаведених показників, тобто він не відображає головного - виходу кондиційної сировини та її співвідношення із загальною кускуватістю породи. Але, якщо записати критерій (6) у вигляді

(Свр + Сбур + Сзар) + (Св.д. + Секс) min,

то можна відзначити, що сума, взята в перші дужки (позначимо її С1) , зумовлює загальний вихід великих блоків - Vо, а та, що стоїть у других дужках (позначимо її С2) - визначається, певною мірою, виходом некондиційних блоків тих же розмірів - Vн, тобто Vо = f(С1); Vн = f(C2). Фізична суть цих частин відображає витрати, пов'язані з формуванням певного гранулометричного складу підірваної маси (перші дужки) і негативним впливом на собівартість природного каменя виходу некондиційних блоків (другі дужки). f(С1) і f(C2) є економіко-технологічнми функціями, що визначаються конкретними умовами і оптимізуються залежно від їх вигляду. Отже, частковою умовою, що розкриває внутрішню суть критерію (6) може бути відношення:

f(С2) / f(C1) min. (7)

Умова (7) визначає технічний критерій вибору варіантів технології:

Vн.б. / Vк.б. min, (8)

де Vк.б,. Vн.б. - відповідно вихід кондиційних і некондиційних блоків.

Таким чином, вищевикладене свідчить, що ефективність технології попутного видобутку природного каменя визначається не просто відсотковим виходом блоків певних розмірів, а співвідношенням їх виходу з виходом аналогічних некондиційних блоків.

Аналіз двох критеріїв (6) і (8) дозволяє встановити залежність між ними і вивести інтегральний критерій вибору технології видобутку природного каменя.

См / Сс = f(l пq ) min, (9)

де См и Сс - відповідно собівартість процесів у модернізованій та старій технологіях, l пq = Vк.б. / Vн.б..

Запропонований критерій дає можливість оперативно і комплексно оцінювати оптимальність поєднання параметрів виробничих процесів у варіантах технологій, що розглядаються.

Стосовно самих виробничих про-цесів, то, залежно від вибраного типу технології, вони можуть бути запозичені з добре апробованих в умовах як рудних, так і гранітних кар'єрів. Разом з тим, для підвищення їх ефективності, в рамках досліджень, що проводились, були розроблені спеціальні пристрої і технічні рішення. Так наприклад, при термічному способі руйнування кристалічних порід ефективність процесу значно зростає (15-30%) з використанням термоструменевого пристрою (1) (рис. 6),