Горное дело

Хорошман В.А., аспирант Лемижанская В.Д., аспирант

Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского

Определение оптимальных параметров отбойки лабрадорита при использовании низкотемпературного метода разрушения породы

На сегодняшний день существуют различные способы разрушения горных пород. При этом, для отделения блоков от массива используют физико-механические методы, а также энергию взрыва. Однако, применение импульсного нагружения наряду с определенными преимуществами имеет и целый ряд недостатков, одним из которых является образование трещин вблизи шпура, сложность получения направленного раскола и др. Это в свою очередь повышает процент выхода некондиционного сырья. Поэтому необходимо исследовать и усовершенствовать новые методы направленного раскола, которые исключали бы отрицательные последствия взрывного метода. В качестве такого метода был предложен способ разрушения монолитов горных пород путем использование эффекта низкотемпературного расширения жидкости (в частности воды).

Проведенные исследования показывают, что взрывное и невзрывное воздействие, даже при одинаковом результате, имеет различную природу и характер. При взрыве мгновенно высвобождается большое количество энергии, что приводит к импульсному воздействию на породы. В результате такого воздействия породы контура шпура, находящиеся на фронте ударной волны, разрушаются от мгновенного действия сжимающих напряжений, не успевая перераспределить давления от расширения взрывных газов вглубь массива. При этом область влияния взрыва небольшая, так как происходит интенсивное затухание ударной волны. Передача давления от расширения льда на стенки шпура осуществляется постепенно: в массиве происходит перераспределение напряжений, и контур шпура успевает разгрузиться от повышенных сжимающих напряжений, в результате чего стенки шпура остаются практически не нарушенными, а вокруг шпура образуются сдвиговые трещины. При чем, направление этих трещин в свою очередь мы можем скоординировать путем нанесения на стенки шпура насечек. Был проведен комплекс теоретических и лабораторных исследований на образцах из лабрадорита размерами 130*130*40 мм для определения оптимальных параметров отбойки лабрадорита (соотношение диаметра шпура, глубины и расстояния между шпурами) (рис.1). Теоретическое исследование проводилось методом конечных элементов с использованием программного комплекса SolidWorks (рис. 2). Задача решалась в объемной постановке. Моделирование производилось в масштабе 1:1. Моделировался шпур с распорным элементом расположенный в лабрадорите с прочностью на растяжение – 5,9 МПа. На внутреннюю поверхность моделируемого шпура прикладывалась распределенная нагрузка, соответствующая давлению от расширения льда. Переменным параметром было расстояние между шпурами. Исследовав зону радиальных напряжений вокруг шпура, можно определить будет ли развиваться трещина в породе. Напряжение в каждом кольце составит: где d_i – напряжение в i-ом кольце; r₀ – радиус шпура; r_i – радиус i-го кольца; d₀ – напряжение, созданное расширением льда.

Меняя параметр расстояния между шпура, удалось определить оптимальный вариант для развития трещины и раскола образца по предполагаемому направлению: =10мм, =30мм, = 70 мм. Полученные результаты были проверены экспериментально. При этом бурился шпур диаметром 10 мм и глубиной 30 мм, в который заливалась вода и замораживалась с помощью жидкого азота. Увеличение объема льда вызывает развитие давления на стенки шпура, при котором в разрушаемом объекте развиваются напряжения, значения которых превосходят величину прочности при растяжении горных пород. В результате испытуемый образец раскололся на две части (рис. 3).

Рис.2 – Исследование напряжений в шпуре при различных межосевых расстояниях.

Рис. 3 – Испытуемый образец после статического нагружения.

При этом можно отметить следующие особенности:

- Ширина раскрытия трещины составляла 2...3 мм;

- при визуальном осмотре амплитуда неровностей раскола была незначительной;

- образовавшиеся поверхности раскола имели сравнительно ровный рельеф, ориентированный по шпурам;

- время формирования трещины составляло 5-10 мин.

Проведенные лабораторные испытания показали, что использование низкотемпературного способа разрушения лабрадорита позволяет:

- улучшить качество раскола, снизить потери кондиционного сырья;

-улучшить условия труда и снизить общую трудоемкость работ;

-значительно снизить время раскола по сравнению с использованием НРС, так как для затвердения НРС требуется, как правило, около 24 часов, а при низкотемпературном методе 5-10 минут.