МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

“ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

УДК 622.1: 622.35+622.013

КІСЄЛЬ ОЛЕНА ОЛЕКСАНДРІВНА

РОЗРОБКА МЕТОДИЧНИХ ОСНОВ ОЦІНКИ ТА ОБЛІКУ ВТРАТ ДЕКОРАТИВНОГО КАМЕНЮ ПРИ ЙОГО ВИДОБУВАННІ

Спеціальність 05.15.01 – Маркшейдерія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі геотехнологій та промислової екології гірничо-екологічного факультету в Житомирському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України (м. Житомир)

Науковий керівник :

доктор технічних наук, професор Бакка Микола Терентійович, завідувач кафедри геотехнологій та промислової екології Житомирського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Житомир)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Назаренко Валентин Олексійович, професор кафедри маркшейдерії Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, доцент Шолох Микола Васильович, доцент кафедри маркшейдерії Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Кривий Ріг)

Провідна установа: Український державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи НАН України, відділ гірського тиску (м. Донецьк)

Захист дисертації відбудеться “15 06 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.05 Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, І навч. корп. ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” (м. Донецьк, вул. Артема, 58, ІІ навч. корп.)

Автореферат розісланий “10 05 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, д.т.н., проф. В.П. Кондрахін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За обсягами запасів декоративного каменю Україна посідає провідне місце в світі. На її території нараховується близько трьохсот родовищ та проявів декоративного каменю, з яких половина розроблюється. Річний видобуток блоків становить 150–160 тис. м3. В Україні працює близько 800 каменеобробних підприємств, які щорічно виготовляють 2,5 млн. м2 продукції з декоративного каменю. Маючи великий ресурсний потенціал декоративного каменю, Україна за обсягами видобування блоків, виготовлення кам’яної продукції та її експорту займає, на жаль, останні місця. Аналіз сучасного стану каменевидобування засвідчує, що основними причинами низької конкурентоспроможності блоків вітчизняних підприємств є їх низька якість та невідповідність світовим стандартам, що зумовлено недосконалістю технології видобування блоків та її негативним впливом на технологічні, фізико-технічні та декоративні властивості сировини. Видобування блоків високоміцних порід залишається все ще трудомістким процесом і не забезпечує на відповідному рівні їх якісні показники, а каменевидобувна галузь України відчуває великий дефіцит блоків декоративного каменю. Ефективність каменеобробного виробництва, матеріалоємність продукції, що випускається, втрати сировини при її переробці на продукцію цілком і повністю залежать від таких якісних показників блоків, як їх розміри, монолітність породи, нерівності відколу лицьових поверхонь, кількість відбитих кутів і ребер. При видобуванні блоків мають місце великі кількісно-якісні втрати каменю. До причин, які зумовлюють погіршення властивостей каменю та його втрат належать: використання при підготовці блоків до виймання недосконалих способів руйнування порід; недостатнє врахування особливостей будови масиву та їхнього впливу на якість блоків при їх видобуванні; недосконалість чинних стандартів на блоки; недосконалі технічні і технологічні розробки комплексності використання сировини.

Розробка ефективних технологій видобування блоків можлива на основі: ретельного вивчення структур покладів каменю, формування раціональних технологічних комплексів і обґрунтування параметрів системи розробки на цій основі. Для розв'язання поставленої задачі потрібний широкий комплексний підхід у питаннях теоретичних і методичних розробок по вивченню структур і геометризації покладів каменю, виявленню закономірностей утворення і розвитку кількісних і якісних втрат при видобуванні каменю, наукових розробок по вдосконаленню видобувних і переробних технологічних комплексів і забезпечення комплексного підходу щодо використання мінеральної декоративної сировини.

Таким чином, розробка методичних основ оцінки та обліку втрат декоративного каменю при його видобуванні складає актуальну науково-практичну задачу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась відповідно до плану держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України у рамках науково-дослідної теми “Вплив гірничо-промислового комплексу на навколишнє середовище, теоретичне обґрунтування заходів з поліпшення екологічної і техногенної безпеки та розробка і впровадження екологічно чистих технологій видобування і переробки сировини”, 2002 р., реєстраційний номер 0102U001343; пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України № „Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, відповідно до постанови Верховної Ради України від 16.10.1992 року, № .

Метою дисертаційної роботи є розробка методичних основ зниження втрат і відходів при видобуванні декоративного каменю на основі встановлення закономірностей їх формування при застосуванні різних технологічних комплексів з урахуванням структури покладів.

Задачі дослідження:

1. Здійснити аналіз та узагальнення інформації з літературних джерел і виробничого досвіду по темі дисертації.

2. Розробити класифікацію втрат і розубожіння декоративного облицювального каменю при його видобуванні.

3. Встановити основні закономірності формування і розвитку якісних і кількісних втрат каменю при його видобуванні механічними, фізико-технічними і вибуховими способами та розробити методологічні основи їх обліку.

4. Здійснити еколого-економічну оцінку досліджень та запропонувати напрямки ресурсозбереження декоративного каменю.

Об’єктом дослідження є процес формування втрат декоративного каменю при його видобуванні.

Предмет дослідження – закономірності формування кількісно-якісних втрат декоративного каменю при застосуванні механічних, фізико-технічних і вибухових способів підготовки блоків до виймання з урахуванням структур покладів каменю.

Методи досліджень. Методичну основу досліджень складає комплексний підхід до проблеми аналізу і обробки геолого-маркшейдерської і гірничо-технологічної інформації. В дослідженні використані наступні методи: наукове узагальнення і аналіз теоретичних і експериментальних робіт, літературних джерел і передового досвіду з видобування декоративного каменю; графоаналітичні розрахунки, диференціювання вихідної інформації, комп’ютерна і цифрова обробка отриманих даних методами математичної статистики, техніко-економічного аналізу; візуальне спостереження за тріщинуватістю в масиві; застосування методів математичного моделювання, аналітичних і натурних досліджень з використанням теорії ймовірностей та графоаналітичних методів; проведення експериментальних досліджень і дослідних перевірок в промислових умовах.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в теоретичному узагальненні і розв’язку наукової задачі зменшення втрат декоративної сировини при її видобуванні, а саме: розробленні класифікації втрат декоративного каменю при його видобуванні, основними класифікаційними ознаками якої є технологічні процеси і операції; запропонуванні методологічних основ визначення, оцінки та обліку втрат декоративного каменю при його видобуванні; встановленні закономірностей формування якісних і кількісних втрат декоративного каменю при його видобуванні з урахуванням структури покладу, кутових і лінійних параметрів головних систем тріщин і анізотропії та технологічних характеристик видобувних комплексів.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Вихід блоків з розроблюваного масиву, їх якість, втрати і відходи каменю при його видобуванні та продуктивність технологічних комплексів закономірні і визначаються: розподілом систем тріщин в покладі, що підпорядковуються нормальному закону розподілу та розмірами природних окремостей; способом підготовки каменю до виймання; геометричним розташуванням фронту видобувних робіт відносно азимутального розвитку ліній простягання і кутів падіння головних систем тріщин; технологією видобування і схемою розкрою монолітів на блоки.

2. Кількісні і якісні втрати блочного каменю при його видобуванні закономірно розвиваються на стадії всіх технологічних процесів. Фізико-технічні і механічні способи виймання каменю обумовлюють переважно кількісні втрати, які апроксимуються лінійною функцією від площі різання і ширини щілини, а коефіцієнт вилучення зростає зі збільшенням об’єму блоку по логарифмічній залежності. Вибуховий спосіб підготовки каменю до виймання формує переважно якісні втрати за рахунок порушення його монолітності, збільшення виходу малогабаритних блоків та погіршення їх якості.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертації підтверджується наступними чинниками:

– застосуванням апробованих методів планування експериментів і математичної обробки даних;

– впровадженням результатів досліджень в практику;

– задовільною розбіжністю експериментальних і аналітичних даних в межах 2–12

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей утворення і формування якісних і кількісних втрат каменю та у теоретичному обґрунтуванні методики визначення, обліку і нормування втрат декоративного каменю при його видобуванні.

Практичне значення отриманих результатів роботи:

– розроблені рекомендації по вдосконаленню способів підготовки каменю до виймання, вибору розташування і напрямку переміщення фронту видобувних робіт, технології відокремлення монолітів від масиву і їх поділу на кондиційні блоки, з високим коефіцієнтом блочності та підвищенням їх якості і зниженням втрат каменю при видобуванні;

– розроблена і обґрунтована методика визначення, обліку і нормування втрат декоративного каменю при видобуванні, яка враховує структурні особливості масивів і кар’єрні технології видобування і дозволяє більш ефективно планувати і контролювати розробку родовищ блочного каменю та керувати його втратами.

Впровадження результатів досліджень. Практичні результати досліджень реалізовані в технологічних процесах ВАТ “Коростишівський гранітний кар’єр” (м. Коростишів, Житомирська обл.) з сумарним очікуваним економічним ефектом 24,96 тис. гривень. Теоретичні висновки досліджень реалізовані в навчальному процесі Житомирським державним технологічним університетом та Кам’янець-Подільським індустріальним технікумом.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи та окремі її результати обговорювались на науково-технічних конференціях, а саме: на міжнародній науково-практичній конференції “Видобування, обробка та застосування природного каменю” (м. Магнітогорськ, Росія, 2005 р.), на VIII міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих учених “Екологія. Людина. Суспільство” (м. Київ, Україна, 2005 р.), на III міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів” (м. Дніпропетровськ, Україна, 2005 р.), на III міжвузівській конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Сучасні проблеми екології” (м. Житомир, Україна, 2006 р.), на міжнародній науково-практичній конференції “Видобування, обробка та застосування природного каменю” (м. Магнітогорськ, Росія, 2006 р.).

Публікації. За результатами виконаних дисертаційних досліджень здобувачем опубліковано 10 друкованих праць, в тому числі – 5 у наукових спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 5 – у збірниках матеріалів конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 119 найменувань на 12 сторінках і 4 додатків на 16 сторінках. Загальний обсяг дисертації – 194 сторінки, з них машинописний текст – 135 сторінок і містить 51 рисунок і 33  таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Стан питання, мета, задачі і методика досліджень” проаналізований стан і виконана оцінка мінерально-сировинної бази декоративного каменю України, обсягів видобування, його експортного потенціалу; здійснені дослідження особливостей геологічної будови і розробки родовищ декоративного каменю; проведена оцінка факторів блочності; виконаний аналіз наукових досягнень та практичного досвіду в галузі видобування декоративного каменю, оцінки повноти його вилучення з надр, кількісних і якісних втрат сировини, їх підрахунку та обліку; сформульовані мета і задачі та розроблена загальна методика досліджень.

У другому розділі “Класифікація втрат декоративного каменю при його видобуванні” проведено дослідження питань інвентаризації, обліку і систематизації понять і термінів про втрати і розубожіння на кар’єрах по видобуванню природного каменю. Проаналізовані існуючі класифікації втрат і розубожіння корисних копалин, розроблено робочу класифікацію втрат і розубожіння для кар’єрів з видобування блоків декоративного каменю, в основу якої покладено формування кількісних і якісних втрат каменю на кожному процесі його видобування.

Розроблена класифікація втрат і розубожіння декоративного каменю дозволяє: організувати і впорядкувати єдиний облік втрат і розубожіння каменю за видами в процесі розробки родовища; контролювати правильність ведення гірничих робіт; виконувати кількісну оцінку втрат за видами з метою здійснення ряду організаційно-технічних заходів, спрямованих на мінімізацію втрат і розубожіння; визначати економічні наслідки, викликані втратами; поліпшити нормування втрат.

В третьому розділі “Вивчення закономірностей утворення і формування втрат декоративного каменю при його видобуванні і розробка наукових основ їх зменшення” досліджені закономірності утворення і формування кількісних і якісних втрат декоративного каменю при його видобуванні з застосуванням механічних, фізико-технічних та вибухових способів підготовки блоків до виймання і розроблені наукові основи їх зменшення.

При видобуванні блоків каменю термогазоструминними, термомеханічними, термодинамічними і плазмовими пальниками продуктивність різання і втрати каменю залежать від зернистості породи, загального показника її твердості, вмісту в ній багатоколірних мінералів і кварцу.

Джерелами утворення втрат каменю при термогазощілинному прорізанні є: недосконалість технологічних схем прорізання щілин; конструктивні недоліки термогазоструминного інструменту; необґрунтоване застосування термічного способу прорізання щілин в породах з невідповідними для цих цілей фізико-технічними властивостями; низька професійність оператора.

Коефіцієнт вилучення блочних гранітів при термогазоструминному методі підготовки їх до виймання становить  ,90–0,92 і збільшується зі збільшенням об’єму блоку (), який вирізається з масиву, апроксимуючись логарифмічною залежністю:

. | (1) | При термогазоструминному способі підготовки каменю до виймання якісні втрати відсутні, а кількісні формуються і розвиваються за лінійною залежністю від показників площі різання і ширини щілини, яка прорізається. Зменшення кількісних втрат каменю забезпечується: науково-обґрунтованою розміткою площин нарізання щілин з врахуванням виявлених закономірностей розвитку в масиві природних тріщин окремості; впровадженням термогазоструминних каменерізальних машин замість ручних пальників; конструюванням термогазоструминних пальників з мінімальними діаметрами.

При підготовці блоків до виймання з застосуванням бурогідроклинового і буроклинового механічних способів формуються кількісні і якісні втрати (розубожіння) каменю. Причинами їх утворення є: недостатнє вивчення структур покладів, тріщинуватості масиву, анізотропних властивостей каменю; виконання розколювальних робіт без врахування оптимальних напрямків анізотропної ділимості породи; відсутність оптимізації розкрою монолітів на блоки. Встановлено, що у визначенні напрямку найкращого розколювання каменю вирішальну роль відіграє аналіз просторової текстури, яка для кожного родовища має свої специфічні особливості, та визначення її просторово-геометричних параметрів. Анізотропність обумовлюється геометрично закономірним розташуванням мінералів та їх спайністю. Сутність розробленої методики визначення анізотропії декоративного каменю полягає: у виборі орієнтованих зразків каменю з певних ділянок родовища; формуванні цифрових відеозображень цих зразків; виділенні на відеозображенні кристалів мінералів, що утворюють масив декоративного каменю; вимірюванні геометричних характеристик кристалів, в тому числі їх орієнтування на площині; визначення на основі результатів вимірювань анізотропних властивостей зразків природного каменю та масиву родовища вцілому.

Для контролю визначення анізотропності запропонованим методом застосовувався метод визначення анізотропії за допомогою аналізу відстані між центрами сусідніх зерен за різними напрямками. Співвідношення довгої і короткої вісей еліпса характеризує величину коефіцієнта анізотропії, а орієнтування вісей еліпса визначає її напрям.

В результаті використання запропонованої методики визначення анізотропних властивостей каменю встановлені азимути найкращого поділу каменю ряду родовищ декоративних гранітів: Корнинського – 152°, Лезниківського – 108, Богуславського – 116, Покостівського – 130, Омелянівського – 144, Жежелівського – 135.

Відхиленням площини розколювання від напрямку анізотропії обумовлюються якісні втрати (нерівності сколювання лицьових поверхонь блоку), апроксимуючись еліпсом, у якого мала вісь співпадає з напрямком азимуту поздовжніх тріщин окремості S, а велика вісь співпадає з азимутом поперечних тріщин окремості Q.

Це встановлено автором на основі графоаналітичної обробки, по методу полярних координат, результатів вимірів нерівностей відколу по площинам розколювання з різним азимутним орієнтуванням. При обробці за полярну вісь приймалась геодезична вісь Х, за полярний кут азимут площини, в якій проводились вимірювання, а за полярний радіус приймалось середньоарифметичне значення нерівностей відколювання на 1 м2 в площині вимірювання.

Результати досліджень і промислові експерименти підтверджують, що нерівності відколу лицьових поверхонь блоків при відколюванні їх буроклиновим і бурогідроклиновим способами обумовлюються наступними факторами: розташуванням площини відколу відносно напрямку анізотропного площинного поділу каменю; динамічною межею міцності каменю на відколювання; висотою моноліту, який розколюється; питомою величиною послаблення площини розколювання шпурами. Встановлено, що опір вивержених декоративних каменів при відколюванні в декілька разів менший ніж при стиску і розтягу.

Автором запропонована аналітична залежність по визначенню площі відколу на один закладений клин, яка встановлена експериментальним шляхом і яка може бути виражена функцією

м2, | (2) | де – коефіцієнт, що враховує анізотропні властивості породи, які коливаються для вивержених порід в інтервалах від 0,2 до 1,0. Так при розколюванні каменю по напрямку найкращого поділу = 1,0, а по напрямку /2, 3/2 для лабрадориту , габро-нориту , граніту ;  – тиск в гідросистемі, Па; – крок встановлення гідроклинів, м; – питома величина послаблення площини розколювання шпурами і їх розташування в площині відколу; – межа міцності граніту на розтяг кг/см2.

При використанні гідроклинового методу відокремлення монолітів від масиву мають місце втрати-відходи через “зміщення розколу” яке потребує визначення граничної висоти моноліту.

Рис. 1. Графік залежності частоти діагонального відколювання від висоти моноліту для Корнинського родовища гранітів

За результатами проведених досліджень були побудовані графіки залежності частоти зміщення z від висоти моноліту h по кожному з родовищ. На рис. 1 зображено залежність z від h для Корнинського родовища гранітів.

Як видно з рис. 1, частота діагонального відколювання для корнинських гранітів знаходиться в прямопропорційній залежності від висоти моноліту, який розколюється і описується функцією виду:

. (3)

За наведеними аналітичними залежностями і графіками було встановлено, що розколювання гідроклинами монолітів відбувається без небажаних діагональних відколів при їх максимальній висоті 1,5–2,0 м, при цьому регламентується співвідношення довжини закладного клину до висоти моноліту, який розколюється, в межах 1:31:4.

Застосування механічного способу суцільного буріння щілин супроводжується як кількісними так і якісними втратами сировини. Кількісні втрати обумовлюються наступними чинниками: абсолютним значенням діаметра бурового інструмента – dсв, м; загальною довжиною щілини – Lщ, м; кількістю вибурюваних свердловин – Nсв, шт. При підрахунку кількісних втрат потрібно враховувати можливе відхилення проекції вісі свердловини від запроектованої. Якісні втрати формуються за рахунок відхилення бурового інструменту від заданої площини буріння через великий опір породи бурінню та неточності встановлення інструменту в заданій площині. Відхилення інструменту від заданого напрямку не тільки обумовлює розубожіння каменю, але й не дозволяє отримати суцільну щілину, що, як наслідок, призводить до додаткового розколювання нерозбурених ділянок, а відповідно до якісних втрат через нерівності відколу.

Моделюванням впливу діаметра свердловини на об’єми розубожіння для Омелянівського родовища граніту встановлено, що якісні втрати знаходяться в обернено пропорційній залежності від діаметра свердловини, описуючись рівнянням:

. | (4) | Встановлено, що якщо кількісні втрати від буріння зменшуються зі зменшенням діаметру свердловини, то об’єм розубожіння в свою чергу збільшується. Головне значення в дослідженнях мало обґрунтування оптимальності діаметру свердловини на основі мінімізації кількісних і якісних втрат. Оптимальність діаметру свердловини визначалась графічним способом по перекриттю зон якісних (Я) і кількісних (К) втрат рис. 2.

Рис. 2. Визначення оптимального діаметра свердловини за співвідношенням якісних (Я) і кількісних (К) втрат

Оптимальне значення діаметра свердловини знаходиться в межах від 80 до 90 мм (для Омелянівського граніту – 84 мм).

Мінімальні втрати каменю забезпечуються застосуванням каменерізальних машин.

Відокремлення моноліту від масиву за допомогою алмазно-канатних пил здебільшого супроводжується виникненням кількісних втрат сировини, якісні втрати мінімальні.

Кількісні втрати формуються наступними чинниками: гірничо-геологічними умовами родовища; кількістю площин оголення; розмірами моноліту, що вилучається; технологічними параметрами буріння свердловини для заведення канату; діаметром алмазних втулок канату.

При наявності в масиві природної пластової тріщини кількісні втрати каменю при відокремленні моноліту від масиву за допомогою алмазно-канатної установки пропонується обчислювати за формулою:

, м3, | (5) | де – питома площа різу, м2; – ширина щілини , м.

де – діаметр циліндричних алмазних втулок каната (застосовуються переважно втулки діаметром 10,5, 11,0, 11,5 мм); – ширина зазору між ріжучим канатом і бічними сторонами блоку ( мм); – площа свердловини для заведення канату, м2; – довжина свердловини, м.

За результатами досліджень на Осниківському родовищі лабрадориту залежність об’єму кількісних втрат від об’єму моноліту, що вилучається знаходиться в прямопропорційній залежності і описується поліномом виду:

, м3. | (6) | Якісні втрати при канатному пилянні формуються наступними чинниками: відхиленням канату від заданої площини пропилу; втратами за рахунок одностороннього зношування алмазних втулок; зміною товщини алмазоносного шару в результаті його зношування під час різання.

Встановлено, що зі зменшенням товщини робочого інструменту під час вирізання монолітів з масиву кількісні втрати зменшуються, але рівень розубожіння збільшується за рахунок відхилення бічних граней моноліту від перпендикулярності, описуючись рівнянням:

, м3. | (7) | Одним з важливих завдань проведених досліджень було отримання оптимальних параметрів відділення монолітів від масиву за допомогою алмазного канату, при якому якісні і кількісні втрати були б мінімальні. Таким параметром є діаметр свердловини, який слугує для заведення канату в масив. Оптимальність діаметру свердловини (шпура) визначалась графічним способом по перекриттю зон в інтервалах мінімальних значень якісних і кількісних втрат. За результатами проведених досліджень було встановлено, що оптимальне значення діаметру свердловини знаходиться в межах від 70 до 80 мм, а для Осниківського родовища лабрадориту це значення становить 75 мм.

Виконані дослідження дають змогу стверджувати, що зі збільшенням сумарної площини пропилу при використанні канатних каменерізальних машин спостерігається зростання як якісних, так і кількісних втрат декоративного каменю. Причому залежність носить прямопропорційний характер. Однак геометричні параметри моноліту більше впливають на виникнення кількісних втрат каменю, в той час коли на виникнення якісних втрат має вплив характер зношуваності алмазних втулок під час різання і можливе відхилення бурової штанги від проектної вісі свердловини.

Значна частина покладів високоміцних декоративних каменів відпрацьовується з застосуванням вибухових методів підготовки блоків до виймання.

Кількісні і якісні втрати каменю формуються як при виконанні скельного розкриву, так і при підготовці блоків до виймання. При вибуховому способі підготовки скельного розкриву до виймання кількісні втрати каменю обумовлені вийманням блочного каменю разом зі скельним розкривом до проектної відмітки покрівлі першого видобувного горизонту, а розубожіння викликано підривними роботами ділянок свіжого граніту, які потрапляють до розкривного уступу. Кількісні втрати пропонується обчислювати за формулою:

, м3, | (8) | де – потужність свіжого граніту, який втрачається при виконанні розкривних робіт, визначається за формулою: , де – проектна позначка покрівлі видобувного уступу; – середня позначка покрівлі свіжого граніту за результатами геологічної або експлуатаційної розвідки, м; – площа зняття скельного розкриву, м2; – потужність пачки свіжого каменю між проектною позначкою покрівлі видобувного горизонту і позначкою найближчої відносно покрівлі уступу пластової тріщини, м. У рівнянні (8) перша частина це кількісні втрати, а друга частина – втрати-відходи.

При будь-якому способі підготовки каменю до виймання, ефективність видобування блоків визначається числом площин оголення, що обумовлюють величину питомої площі відколу.

За результатами проведених досліджень було встановлено, що розрізну траншею доцільно проходити паралельно повздовжнім тріщинам S, врубову вздовж поперечних тріщин Q. Відколювання моноліту або блоку повинне проводитись так, щоб його довша сторона була паралельна повздовжнім тріщинам S. При проходженні траншей кількісні втрати каменю відсутні. Закономірність формування якісних втрат полягає у зменшенні виходу блоків вищих груп з корисної копалини, яка була видобута, і збільшенням виходу блоків нижчих груп в порівнянні з потенційною природною блочністю масиву. Виразити цю закономірність аналітичною залежністю не є можливим, так як досить складно математично описати анізотропні фізико-технічні характеристики породи досліджуваних родовищ.

Відомо, що руйнування монолітного масиву у випадку його квазістатичного вісісиметричного навантаження відбувається в напрямках найбільш слабкої спайності мінералів. Великий вплив на зародження і розвиток тріщин в масиві здійснюють природні і штучні порушення його монолітності, які містяться у породі, що руйнується.

Експерименти і промисловий досвід вибухового відокремлення каменю за допомогою ДШ свідчить, що найкраща якість площини відколу забезпечується бурінням шпурів чітко в одній площині, яка співпадає з площиною анізотропного поділу. При цьому повинно забезпечуватись дотримання наступних вимог: паралельність шпурів, рівність відстаней між ними, а глибина шпурів повинна дорівнювати висоті моноліту, який відокремлюється.

Від відстані між шпурами залежить не тільки якість блоків, які видобуваються, але й техніко-економічні показники роботи кар’єру. Зменшення відстані між шпурами призводить до збільшення обсягів бурових робіт, а збільшення призводить до зниження якості блоків. Для дослідження цих втрат були вибрані методи кольорової дефектоскопії, результати застосування яких оброблялись з допомогою ЕОМ. В якості основного чинника, який визначає величину порушення монолітності декоративного каменю була вибрана відстань між шпурами, оскільки при інших способах статичного і динамічного тріщиноутворення саме цей фактор визначав ступінь порушеності масиву.

Порядок проведення експерименту полягав в наступному: на бокові грані досліджуваних блоків наносились дефектоскопічні розчини; через певні проміжки часу (30–120 хв.) нанесені розчини змивались, в результаті чого барвник залишався в тріщинах; виконувались знімки поверхні блоку, на якій закріплена масштабна сітка, цифровою фотокамерою; за отриманими знімками за допомогою ЕОМ визначалась величина зон порушеності каменю внаслідок буровибухових робіт. Графічна залежність ширини зони розубожіння масиву від відстаней між шпурами наведена на рис. 3.

Рис. 3. Графічна залежність ширини зони порушення масиву від відстаней між шпурами

Дослідження показують, що основною причиною низької якості блоків є завищені значення міжшпурових відстаней, які розраховуються  за загально-прийнятою методикою, яка, на жаль, не враховує анізотропну направленість полегшеного розко-лювання каменю, а дає лише загальний варіант розрахунку.

Розвиваючи наукові розробки в цьому питанні, автором експериментальним шляхом були встановлені поправочні коефіцієнти , які враховують розташування площини вибухового відбивання по відношенню до напрямку анізотропного розколювання гранітів Корнинського і Корнинського північно-західного родовищ.

Відділення блоків за допомогою ДШ за технологічною схемою розташування шпурів, відстані між якими визначались з урахуванням запропонованого автором коефіцієнта анізотропної направленості граніту, дозволило зменшити порушеність монолітності каменю тріщинами в 1,5 рази.

Значні якісні втрати каменю обумовлені відкольними проявами в зоні дії першого і останнього зарядів, що є результатом відбиття повздовжніх хвиль від бічних вільних поверхонь. Ефективним способом усунення відкольного тріщиноутворення, як підтвердили дослідження, є створення екрану на шляху розповсюдження падаючої хвилі, виконаного у вигляді не менше двох холостих шпурів такого ж самого діаметру.

Вивержені породи характеризуються високою міцністю на стиск і значно меншою межею міцності на розтяг. В зв’язку з цим породи швидше руйнуються від розтягуючих напружень, тому радіальні тріщини проявляються значно сильніше ніж всі інші. Виникнення тріщин усіх систем і напрямки їх розвитку розглядались при одинарному свердловинному вибуху і при багатошпуровому.

Виконані дослідження свідчать, що максимальні зони розубоженого тріщинами каменю від підривання одиничних порохових свердловин або групових шпурових зарядів рівнозначні, але за вартістю і показниками трудовитрат відокремлення серією шпурових зарядів значно дорожче і більш трудомістке ніж при одиничному свердловинному підриванні. Вихід блочної продукції із видобутої корисної копалини при співставленні даних експериментів майже рівнозначний.

Втрати за рахунок нерівності бокової грані блоку зумовлені відхиленням магістральної тріщини від горизонтальної вісі відбивання.

В загальному випадку втрати при пасеруванні блоку за рахунок відхилення магістральної тріщини від вісі шпура можна визначити з виразу:

, м3(9) | де – відстань між шпурами, м; – глибина шпура, м; і – відповідно відхилення магістральної тріщини від горизонтальної вісі відбивання з боку першого і другого шпура, град.

Аналіз графічної залежності втрат декоративного каменю за рахунок відхилення магістральної тріщини від горизонтальної вісі відбивання дозволяє зробити висновок про прямопропорційну лінійну залежність між цими величинами. Тому досить актуальним є зменшення відхилення магістральної тріщини від заданої лінії розколу. Досягнути цього можна за рахунок штучного створення концентраторів напруг в стінках шпура з метою підвищення ефективності збереження сировини.

При відокремленні монолітів від масиву метальними ВР небезпека появи тріщин і сколів виникає не тільки в точці прикладення вибухового імпульсу, але й в кутових частинах блоку, що відокремлюється, оскільки тут виникають імпульсні реакції, обумовлені недотриманням ексцентриситету прикладення вибухового імпульсу, а сила цих реакцій визначається потужністю заряду і положенням його в товщі масиву і є достатньою для відколу блоків у верхній і нижній його частині.

Користуючись аналітичним методом вираження експериментальних кривих, була встановлена параболічна залежність коефіцієнту частоти відколювання кутів від інтервалу зміщення зарядів . Для Покостівського кар’єру ця залежність описується функцією виду:

. | (10) | При цьому коефіцієнт детермінації дорівнює R2 = ,893.

Переміщення блоків з підуступу на підуступ є найбільш важким і трудомістким процесом, який в більшості визначає їх якісні показники, так як в процесі завалювання відбувається відколювання кутів і граней блоку, в результаті чого вони втрачають потрібну форму і розміри. Мають місце випадки порушення монолітності каменю при завалюванні блоків з великої висоти.

При завалюванні блоків і переміщенні їх лебідками до місця навантаження закономірним є формування тільки якісних втрат, об’єм яких прямопропорційний довжинам відколів відбитих кутів, розмірам граней блоків в площинах перпендикулярних основному ребру відколу і кількості діаметрально протилежних відбитих кутів блоків.

В четвертому розділі “Еколого-економічна оцінка досліджень” проаналізовано вихід промислової продукції з видобутої сировини, вивчені основні напрямки комплексного використання природної декоративної сировини і відходів каменевидобування. Досліджені аспекти економічної ефективності видобування блоків в кар’єрах декоративного каменю при впровадженні результатів досліджень.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на підставі вперше встановлених закономірностей формування і розвитку якісних і кількісних втрат каменю при його видобуванні розроблені методичні основи оцінки і обліку втрат декоративної сировини.

1. Родовищам блочного каменю характерна наявність закономірного розподілу просторової орієнтації елементів залягання тріщин і анізотропних властивостей каменю, без врахування яких при веденні гірничих робіт не може бути забезпечений високий вихід кондиційних блоків з видобутої корисної копалини, їх якість і зниження якісних і кількісних втрат каменю при видобуванні;

2. Ефективному керуванню втратами блочного каменю при видобуванні і переробці на продукцію, плануванню і контролю показників використання надр при розробці родовищ природного декоративного каменю сприяє раціональне їх нормування, підрахунок і облік на основі класифікації за технологічними процесами і операціями;

3. Збільшення виходу блоків з видобутої корисної копалини, підвищення їх якості і зниження втрат блочного каменю при видобуванні реалізується впровадженням в практику розроблених в дисертації на основі результатів досліджень геометричних та структурних параметрів покладів, науково-обґрунтованих рекомендацій формування ефективних видобувних комплексів, першочергово:

– розробкою технологічних схем і оптимальних параметрів проходження розрізних і врубових траншей термогазоструминними машинами і терморізаками;

– вивченням структурно-текстурних характеристик і анізотропних властивостей каменю і вибором на його основі раціональних напрямків розколювання та оптимальних схем буріння шпурів при поділі монолітів на блоки гідроклинами і буроклиновим способом;

– встановленням за запропонованими аналітичними залежностями оптимальної площі відколу на один закладений клин при розколюванні монолітів на блоки гідроклиновими установками;

– встановленням і обґрунтуванням, на основі мінімізації кількісних і якісних втрат каменю, оптимального діаметру свердловин (шпурів) при відокремленні монолітів від масиву суцільним бурінням;

– дослідженням характеру виникнення якісних і кількісних втрат каменю при алмазно-канатному різанні і встановленням оптимального діаметру свердловини для заведення канату в масив;

– розробкою раціональних технологічних способів відбивання скельного розкриву і проходження гірничопідготовчих виробок з врахуванням закономірностей розподілу параметрів тріщинуватості;

– впровадженням раціональних способів і параметрів вибухового відокремлення блочного каменю від масиву з врахуванням тріщинуватості і геолого-структурних характеристик покладів;

– розрахунком геометричних схем і визначенням раціональних параметрів завалювання та переміщення блоків в кар’єрах лебідками.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Бакка М.Т., Кісєль О.О. Класифікація втрат і збіднення облицювальних гранітів // Вісник ЖДТУ. / Технічні науки. – № 33 (II). – Житомир. – 2005. – С. 133–135.

2. Бакка М.Т., Кісєль О.О. Можливості зменшення втрат граніту при видобуванні блоків термічним способом // Вісник Криворізького технічного університету. / Зб. наук. праць. – Вип. 9. – 2005. – С. 14–16.

3. Бакка М.Т., Кісєль О.О. Основні напрямки зменшення втрат сировини при обробці природного каменю // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. – № 34 (III). –Житомир. – 2005 – С. 110–114.

4. Кісєль О.О., Соболевський Р. В. Вивчення закономірностей утворення і формування втрат при видобуванні декоративного облицювального каменю методом суцільного буріння // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. – № 38 (III). – Житомир. – 2006. – С. –188.

5. Кісєль О.О., Соболевський Р.В., Коробійчук В.В., Зубченко О.А. Дослідження шляхів мінімізації втрат при буровибуховому способі видобування блоків декоративного каменя // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. – № 39 (IV). –Житомир. – 2006. – С. 301–307.

6. Кисель Е. А. Некоторые терминологические аспекты классификации потерь декоративных гранитов при их добыче. Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр.- Магнитогорск: МагГТУ, 2005. – С. 106–111.

7. Кісєль О.О. Проблеми раціонального використання мінерально-сировинних ресурсів України. / Збірка тез доповідей VIII Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство”. – К. – 2005. – С. 86.

8. Кисель Е.А. Разработка классификации потерь облицовочного гранита при его переработке на продукцию. Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО “МГТУ им. Г.И. Носова”, 2006. – С. 170–173.

9. Кісєль О.О. Дослідження закономірностей утворення і формування втрат природного каменю при його видобуванні. // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів. / Матеріали третьої міжнародної науково-практичної конференції. – Дніпропетровськ. – 2005. – С –124.

10. Кісєль О.О., Коробійчук В.В. Аналіз зменшення втрат облицювальної сировини при операції шліфування-полірування / Збірка тез доповідей III міжвузівської конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Сучасні проблеми екології”. – Житомир. – 2006. – С. –107.

Особистий внесок здобувача в роботах написаних у співавторстві: [1] – розглянуті та проаналізовані основні фактори, що впливають на вихід блочної продукції з видобутої гірничої маси в кар’єрах декоративного каменю; [2] – проаналізовано можливість зменшення технологічних втрат каменю шляхом впровадження технології термічного різання з урахуванням розподілу природної тріщинуватості масиву; [3] – запропонована класифікація втрат природного каменю під час його обробки; [4] – визначені і обґрунтовані оптимальні діаметри свердловин при проходженні щілин на основі мінімізації кількісних і якісних втрат каменю; [5] – проаналізовані основні фактори, що впливають на утворення кількісних та якісних втрат декоративного каменю при відділенні його від масиву буровибуховим способом; [10] – проаналізовані і визначені основні фактори, що впливають на виникнення втрат і відходів при фактурній обробці, а також запропоновані основні шляхи їх зменшення;

АНОТАЦІЯ

Кісєль О.О. Розробка методичних основ оцінки та обліку втрат декоративного каменю при його видобуванні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.01 – “Маркшейдерія”. – Державний вищий навчальний заклад “Донецький національний технічний університет”, Донецьк, 2007 р.

Дисертаційна робота присвячена питанням розробки методичних основ оцінки, обліку та зменшення кількісних і якісних втрат високоміцного декоративного каменю при його видобуванні з застосуванням механічних, фізико-технічних і вибухових способів підготовки каменю до виймання. В роботі проаналізовано стан та виконана оцінка мінеральної сировинної бази декоративного каменю України, його обсяги видобування та експорту. Виконана оцінка повноти вилучення каменю з надр, кількісних і якісних втрат сировини, їх підрахунку та факторів блочності. Розроблена класифікація втрат і розубожіння для кар’єрів з видобування блоків декоративного каменю, в основу якої покладено формування кількісних і якісних втрат каменю на кожному процесі його видобування.

В роботі досліджені закономірності утворення і формування кількісних втрат і розубожіння декоративного каменю при його видобуванні з застосуванням існуючих способів підготовки блоків до виймання, розроблені наукові основи їх зменшення, дано аналітичний опис закономірностей формування кількісно-якісних втрат каменю. Розроблена методика дефектоскопії мікротріщинуватості каменю від вибухових навантажень, як головного фактору розубожіння каменю тріщіноутворенням з застосуванням інформаційно-комп’ютерних технологій.

Ключові слова: декоративний камінь, способи видобування, кількісні втрати, розубожіння, закономірності формування.

АННОТАЦИЯ

Кисель Е.А. Разработка методических основ оценки и учёта потерь декоративного камня при его добыче. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.01 – “Маркшейдерия”. – Государственное высшее учебное заведение “Донецкий национальный технический университет”, Донецьк, 2007 р.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки методических основ оценки, учёта и уменьшения количественных и качественных потерь высокопрочного декоративного камня при его добыче с применением механических, физико-технических и взрывных способов подготовки камня к выемке. Рассмотрены закономерности формирования потерь камня при добыче блоков следующими механическими способами: буроклиновой, бурогидроклиновой, сплошного бурения щели, выпиливания монолитов алмазно-канатными установками. Из физико-технических способов подготовки камня к выемке и его качественно-количественных потерь детально исследован термогазоструйный способ. Детально рассмотрены технологии и качественно-количественные потери камня при его добыче с помощью термогазоструйных, термодинамических и плазменных резаков отечественного и зарубежного производства прямоточного и пульсирующего типов. Установлено, что производительность резания и количественные потери камня зависят от зернистости породы, общего показателя её твёрдости, содержания в породе многоцветных минералов и кварца. Количественные потери камня можно уменьшить за счёт резания щелей термогазоструйными камнерезальными машинами и применения технологических схем резания щелей с учётом развития главных систем природных трещин отдельности. Добыча блоков декоративного камня с применением взрывных способов подготовки блоков к выемке сопровождается увеличением количественных потерь за