|
|
|
|
|
Факультет: | Горный факультет (ГФ) |
| Специальность: | Безопасность трудовой деятельности | |
| Группа: | БТД – 11м | |
| Тема магистерской работы: | Обоснование параметров невзрывного разрушения горных пород саморасширяющимися составами, предотвращающим самопроизвольный выброс их из шпуров в процессе гидратации | |
| Научный руководитель: | к. т. н., доц., Сахно Иван Георгиевич |
|
|
|
|
|
|
|
В современной практике отработки карьеров, угольных шахт и рудников в большинстве случаев применяют буровзрывной способ разрушения горных пород, одним из недостатков которого является динамическое воздействие на породы и их разупрочнение. При этом, несмотря на достигнутые успехи в управлении процессом взрывного разрушения за счет создания и использования специальных конструкций зарядов, одной из актуальных проблем является высокий процент выхода некондиционных блоков, ликвидацию которых в основном ведут накладными зарядами ВВ.
Разрушение негабаритных блоков в условиях подземных горных выработок угольных шахт осуществляют либо механическим способом при помощи ручных инструментов или также накладными кумулятивными зарядами. При этом ведение взрывных работ зачастую ограничивается пылегазовым режимом, а применение механизированного способа – прочностью пород.
Альтернативой для решения этой и ряда других задач может быть использование невзрывчатых разрушающих веществ (НРВ), применение которых достаточно апробировано в промышленном строительстве при разрушении несущих элементов зданий и сооружений. Сведения показаны на (рис. 1).
Широкое внедрение технологий невзрывного разрушения сдерживается сложностью их практической реализации в реальных условиях, поскольку поведение НРВ приколебаниях температуры, влажности, соотношения входящих компонентов, степени перемешивания может существенным образом изменяться. Так, например понижение температуры окружающей среды приводит к снижению скорости гидратации и развиваемого давления саморасширения [1], что снижает эффективность невзрывного разрушения. Повышение температуры окружающей среды наоборот способствует росту скорости реакции гидратации [2], а поскольку реакция является экзотермической, это зачастую приводит к непроизвольному выбросу НРВ из шпура.
Таким образом, в настоящее время вопрос разработки способа невзрывного разрушения горных пород при снижении вероятности развития непроизвольного выброса смеси из шпура достаточно актуален.
 Рисунок 1 – Разрушение материала с помощью НРВ 80 |
|
Цель работы – обоснование параметров разрушения горных пород с помощью НРС, при исключении выброса их из шпуров в процессе гидратации.
Идея работы – заключается в обеспечении стабилизации термокинетического процесса гидратации оксида кальция при помещении заряда НРС в шпуровые и скважинные заряды (рис. 2).
Задачи, решаемые в магистерской работе:
1. Лабораторные исследования закономерностей изменения температуры состава НРС в процессе его гидратации в шпуровых и скважинных зарядах.
2. Разработка способа стабилизации температуры состава НРС по объему шпура при сокращении времени разрушения горных пород.
3. Определение параметров разработанного способа и его лабораторные испытания.
Объект исследования – породный массив вмещающий заряд НРС.
Предмет исследований – процесс разрушения горных пород с помощью НРС.
Методы исследования – математическое моделирование, метод физического моделирования, метод статистической обработки данных.
 Рисунок 2 – Результаты разрушения плит из гипсапри помощи ВВ и при помощи НРВ-80 |
|
Научная новизна работы заключается в следующем:
– установлены закономерности изменения температуры состава НРС по объему шпуровых и скважинных зарядах на разных стадиях гидратации.
Получена экспериментальная зависимость для расчета параметров разрушения пород НРС в шпуровых и скважинных зарядах большого диаметра.
Практическая ценность работы заключается в разработке способа разрушения пород (рис. 3) шпуровыми и скважинными зарядами НРС при повышении безопасности работ.  Рисунок 3 – Разрушение бетона |
|
В настоящее время бесспорным лидером разрушения прочных горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых как открытым так и подземным способом является буровзрывной способ. Основным недостатком этого способа является сейсмическое воздействие взрыва на породы, нарушение их сплошности, развитие трещин и ослабление массива. Наиболее остро это сказывается при добыче камнесамоцветного и кристаллосырья, блочных материалов, оконтуривании горных выработок. Применение низкобризантных ВВ, патронов и зарядов специальных конструкций позволяют снизить динамическое воздействие на околошпуровую область, однако их применение приводит к повышению затрат на разрушение и в ряде случаев не обеспечивает требуемых конечных результатов. Так, например, при добыче блочного камня потери достигают 40 и более %.
Одним из возможных направлений решения этой проблемы является применение статических методов разрушения горных пород. В настоящее время разработано множество способов невзрывного разрушения, в частности, механические методы (клиновой, гидроклиновой, алмазно канатное пиление, камнерезные буровые установки и комбайны), методы основанные на энергии жидкости (гидродинамический, физико-химический импульсный разрыв, гидроудар, гидрорезание, флюидоразрыв), тепловые (терморезка), электрические и электромагнитные (взрывание электрических проводников, электрический пробой, тепловой пробой, токами высокой частоты, плавлением, лазерным излучением, электромагнитным излучением), комбинированные методы. Большинство этих методов находятся на стадии научно-исследовательских и проектных разработок. Их промышленное использование сдерживается отсутствием оборудования, малой надежностью, высокой энергоемкостью, опасным воздействием на человека, высокой стоимостью. Все эти недостатки вынуждают искать пути создания дешевых и перспективных способов разрушения прочных горных пород.
Одним из перспективных направлений статического разрушения горных пород является использование невзрывчатых разрушающих составов НРС. Начиная с 1980 г. по настоящее время только в Японии разработано более двух десятков невзрывчатых разрушающих составов для практического применения на открытых и подземных предприятиях [3, 4]. Почти одновременно Государственным Всесоюзным научно-исследовательским институтом строительных и стеновых конструкций им. П.П. Будникова было предложено несколько невзрывчатых разрушающих составов [5, 6]. На сегодняшний день в мире разработано более 100 различных композиций НРС. Основными их недостатками является длительное по сравнению с буровзрывным способом время разрушения (8-24часа), ограниченный температурный режим работы. При отрицательных температурах эффективность разрушения резко снижается за счет замедления скорости гидратации, а при высоких положительных температурах наблюдается непризвольное выбрасывание смеси НРС из шпуров, вызванное резким повышением скорости гидратации. Причиной выбрасывания смеси НРС из шпуров является рост внутришпурового паро-газового давления, резко повышающегося при переходе химически несвязанной воды в пар при превышении температурой НРС в процессе гидратации, температуры кипения воды. В последнее время в ДонНТУ ведется работа, направленная на расширение области применения НРС, в частности использование их в условиях температурных полей подземных горных выработок. При этом основной задачей является сокращение времени разрушения и одновременно исключение явления самопроизвольного выброса НРС из шпура. Для решения этой задачи авторами проводятся комплексные исследования кинетики саморасширения НРС на основе оксида кальция (рис. 4). В результате проведенных исследований определены характерные стадии работы НРС и дана их характеристика [7], выявлены зависимости роста давления саморасширения при различном режиме их работы [8]. Анализ патентной литературы показывает, что управление скоростью реакции гидратации осуществляется путем добавления ускорителей, замедлителей и пластификаторов. Добавление ускорителей в основном рекомендуют при разрушении материалов в условиях низких температур, и их действие в большинстве случаев сводится к дополнительному повышению температуры смеси в жидкой фазе раствора НРС, за счет сильной экзотермичекой реакции ускорителя с оксидом кальция. Добавление замедлителей производят для стабилизации скорости гидратации в условиях высоких положительных температур, при этом предотвращается непроизвольное выбрасывание смеси из шпуров, но время разрушения материалов увеличивается. Действие пластификаторов в основном сводится к повышению подвижности смеси НРС. Литература показывает, что управление скоростью реакции гидратации осуществляется путем добавления ускорителей, замедлителей и пластификаторов. Добавление ускорителей в основном рекомендуют при разрушении материалов в условиях низких температур, и их действие в большинстве случаев сводится к дополнительному повышению температуры смеси в жидкой фазе раствора НРС, за счет сильной экзотермичекой реакции ускорителя с оксидом кальция. Добавление замедлителей производят для стабилизации скорости гидратации в условиях высоких положительных температур, при этом предотвращается непроизвольное выбрасывание смеси из шпуров, но время разрушения материалов увеличивается. Таким образом, существующими способами невзрывного разрушения с помощью НРС достичь сокращения времени разрушения пород в условиях шпуровых и скважинных зарядов большого диаметра при одновременном исключении «вышпуривания», достаточно сложно. Подобные решения в настоящее время в мировой практике не найдены. До настоящего времени исследований, посвященных изучению кинетики роста температуры НРС в скважинных зарядах не проводилось. |
Рисунок 4 – Исследование скорости расширения НРС с металлической вставкой
|
Основной перспективой исследований является возможность использования результатов работы на предприятиях угольной промышленности Украины.
|
|
|
|
|
|
|