CC BY
27й01: 10.24412/2181-144Х-2020-1-4-11 УДК 622.063.23:622.831:622.13 (043.5)
Заиров Ш.Ш., Равшанова М.Х., Эломонов Ж.С., Тошмуродов Э.Д.
РАЗРАБОТКА СТАТИЧЕСКОГО МЕТОДА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕВЗРЫВЧАТОЙ РАЗРУШАЮЩЕЙ СМЕСИ ИЗ МЕСТНОГО СЫРЬЯ
Заиров Шерзод Шарипович - профессор кафедры «Горное дело» Навоийского государственного горного института, доктор технических наук, профессор. 210100, Республика Узбекистан, г. Навои, ул. Южная, 27а.
Равшанова Мухаббат Хусниддиновна - старший преподаватель кафедры «Горное дело» Навоийского государственного горного института. 210100, Республика Узбекистан, г. Навои, ул. Южная, 27а.
Эломонов Жасур Салимович - магистрант кафедры «Горное дело» Навоийского государственного горного института. 210100, Республика Узбекистан, г. Навои, ул. Южная, 27а.
Тошмуродов Элёр Дехконович - магистрант кафедры «Горное дело» Навоийского государственного горного института. 210100, Республика Узбекистан, г. Навои, ул. Южная, 27а.
Аннотация. В работе изучены современная теория и представления о безвзрывном разрушении горных пород, проведено математическое моделирование создания высокого внутреннего давления в шпурах и скважинах при использовании невзрывчатой разрушающей смеси (НРС), исследован новый состав НРС и образцов пород в лабораторных условиях, разработаны и промышленно испытаны новый состав НРС с использованием компонентов из местного сырья и способ отделения монолитов от массива с использованием нового состава НРС.
Ключевые слова: Безвзрывное разрушение горных пород, невзрывчатая разрушающая смесь, шпур, скважина, математическое моделирование, высокое внутреннее давление, новый состав НРС, лабораторные исследования, компоненты из местного сырья, способ отделения монолитов от массива.
ПОРТЛОВЧИ БУЛМАГАН МАЙДАЛОВЧИ АРАЛАШМАНИ КУЛЛАШ БИЛАН ТОГ ЖИНСЛАРИНИ МАЙДАЛАШНИНГ СТАТИК УСУЛИНИ
ИШЛАБ ЧИКИШ
Заиров Шерзод Шарипович - Навоий давлат кончилик институти "Кончилик иши" кафедраси профессори, техника фанлари доктори. 210100, Узбекистан Республикаси, Навоий ша^ар, Жанубий кучаси, 27а.
Равшанова Мухаббат Хусниддиновна - Навоий давлат кончилик институти "Кончилик иши" кафедраси катта укитувчиси. 210100, Узбекистан Республикаси, Навоий ша^ар, Жанубий кучаси, 27а.
Эломонов Жасур Салимович - Навоий давлат кончилик институти "Кончилик иши" кафедраси магистранти. 210100, Узбекистан Республикаси, Навоий ша^ар, Жанубий кучаси, 27а.
Тошмуродов Элёр Дехконович - Навоий давлат кончилик институти "Кончилик иши" кафедраси магистранти. 210100, Узбекистан Республикаси, Навоий ша^ар, Жанубий кучаси, 27а.
Аннотация. Мазкур ишда портловчи булмаган майдаловчи аралашмадан фойдаланиш билан шпур ва скважиналар ичида юкори босимни *осил булишини математик моделлаштириш амалга оширилган, тог жинсларини портлатишсиз майдалаш тугрисида замонавий назариялар *амда тасаввурлар урганилган, лаборатория шароитида тог жинси намуналарида янги таркибли портловчи булмаган майдаловчи аралашма таджик килинган, махаллий хом ашёдан таркиб топган компонентлардан фойдаланган холда портловчи булмаган янги майдаловчи аралашма ишлаб чикилган, саноатда тадбик килинган ва портловчи булмаган янги майдаловчи аралашма куллаган *олда монолитларни массивдан ажратиб олиш усули ишлаб чикилган.
Калит сузлари: Tof жинсларини портлатишсиз майдалаш, портловчи булмаган майдаловчи аралашма, шпур, скважина, математик моделлаштириш, ички ю^ори босим, портловчи булмаган янги майдаловчи аралашма таркиби, лаборатория тад^и^оти, махаллий хом ашёдан таркиб топган компонентлар, монолитларни массивдан ажратиб олиш усули.
DEVELOPMENT OF A STATIC METHOD OF ROCK DESTRUCTION USING NON-EXPLOSIVE DESTRUCTIVE MIXTURE FROM LOCAL RAW
MATERIALS
Zairov Sherzod Sharipovich - Professor of the Department of Mining at the Navoi State Mining Institute, Doctor of Technical Sciences, Professor. 210100, Republic of Uzbekistan, Navoi, st. South, 27a.
Ravshanova Muhabbat Husniddinovna - Senior Lecturer, Department of Mining, Navoi State Mining Institute. 210100, Republic of Uzbekistan, Navoi, st. South, 27a.
Elomonov Zhasur Salimovich - Master's student of the Department of Mining, Navoi State Mining Institute. 210100, Republic of Uzbekistan, Navoi, st. South, 27a.
Toshmurodov Elyor Dekhkonovich - Master's student of the Department of Mining, Navoi State Mining Institute. 210100, Republic of Uzbekistan, Navoi, st. South, 27a.
Annotation. The work studied the modern theory and concepts of non-explosive destruction of rocks, carried out mathematical modeling of the creation of high internal pressure in boreholes and boreholes using a non-explosive destructive mixture (NDM), investigated a new composition of NDM and rock samples in laboratory conditions, developed and industrially tested a new composition NDMs using components from local raw materials and a method for separating monoliths from the massif using a new composition of NDMs.
Keywords: Non-explosive destruction of rocks, non-explosive destructive mixture, borehole, borehole, mathematical modeling, high internal pressure, new composition of NDM, laboratory research, components from local raw materials, method of separating monoliths from the massif .
В мире универсальным и практически единственным методом разрушения крепких горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых является буровзрывной с использованием энергии взрыва [1,2]. Данный метод по производительности и срокам выполнения остается лидирующим и на перспективу в ближайшие 30-40 лет, пока не будут изобретены новые способы разрушения крепких горных пород с использованием больших мощностей [3-6]. Главными недостатками буровзрывного метода является недостаточное обеспечение полной безопасности взрывных работ, прерывание горных работ и простои в связи с проветриванием объектов взрывания, большой объем вспомогательных работ, недостаточно полное использование энергии взрыва в разнопрочных горных породах, выделение огромного количества пыли и ядовитых газообразных продуктов, опасность хранения взрывчатых веществ (ВВ) и др. Данные недостатки вынуждают разрабатывать дешевые и перспективные способы разрушения крепких горных пород. В качестве перспективного направления решения данной проблемы является использование статического метода разрушения различных горных пород с использованием невзрывчатых разрушающих смесей (НРС) [7].
На сегодняшний день во всем мире известно более 120 различных смесей и композиций НРС, главными недостатками которых является их импортируемость, сложность получения состава, использование в качестве добавок редких и дорогостоящих веществ, длительное время разрушения (12 -24 ч), лимитный температурный режим работы, ограниченные условия применения, зависимость от климатических и температурных условий (например, в зимнее время не работает) [7]. В связи с этим возникает необходимость в проведении исследований по
разработке дешевого и качественного НРС с использованием компонентов из местного сырья и меньшим временем разрушения горных пород.
К настоящему времени в Республике выполнен ряд научно-практических работ, направленных на создание новых видов НРС с использованием компонентов из местного сырья, сокращению времени разрушения и одновременного исключения явления самопроизвольного выброса НРС из шпуров и скважин, проводятся исследования кинетики саморасширения НРС на основе неорганических соединений [8-9]. Анализ работ, посвященных проблемам разрушения, показывает, что наиболее широко в инженерных расчетах применяется теория Гриффитса-Ирвина, не требующая большого количества экспериментальных данных для расчета и удовлетворительно описывающая разрушение за счет роста одиночной трещины. Это дает основания выбрать ее положения в качестве базовых для решения задач разрушения горных пород с помощью НРС.
Главными достоинствами НРС является отсутствие динамического воздействия на разрушаемый объект, выделения вредных газов, звуковых и других колебаний. Для реализации способа не требуется приобретение дорогостоящего специального оборудования или устройств, способ может быть реализован вблизи транспортного и электрического оборудования, при этом исключается возможность их повреждения из-за отсутствия разлета частей разрушаемого объекта.
В настоящее время известно множество способов невзрывного разрушения, но 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.
При использовании НРС для получения сплошной прямой линии трещин в разрушаемых горных породах очень важно определить расположение шпуров. Их расположение и получение трещин по прямой зависит от структуры, прочности и степени растяжимости разрабатываемых горных пород. После применения НРС в горных породах появляются трещины. Эти трещины образуются в результате химико-физических реакций применяемого состава НРС. Трещины могут образовываться в произвольном месте шпура и развиваться в любом направлении.
Исследовано образование щели как результат действия тангенциальных напряжений сте в точке А, расположенной в плоскости щели на равном расстоянии от соседних шпуров (рис. 1). Установлено, что существенную роль в механизме образования щели оказывают радиальные напряжения от соседних шпуров, геометрически складывающихся в плоскости, пересекающей щель перпендикулярно к ней на расстоянии от соседних зарядов. Эти напряжения также создают растягивающие усилия в плоскости щели и необходимо знать затраты энергии на раздвижение стенок щели после образования магистральной трещины.
Щель возникает в массиве под действием растягивающих напряжений стев точке А и симметричных, направленных в разные стороны растягивающих напряжений в точках С и С-i, формирующихся в результате геометрического сложения радиальных напряжений сжатия стрв этих точках (рис. 1).
В результате проведенных аналитических и теоретических исследований разработана формула определения эффективного расстояния между шпурами при использовании НРС, позволяющая обеспечить ровный отрыв массива горных пород:
2 P(t)(0, 8 5+ -¡¡-)
а k = d с [ стЧст ^ ]2/3, м, (1)
где дс - диаметр скважины, м; Р(т) - сжимающее напряжение, вызванное действием НРС у стенки контурной скважины, МПа; м - коэффициент Пуассона; стър- предел прочности породы при растяжении с учетом коэффициента
структурного ослабления для данного массива, МПа; стх- дополнительные напряжения, необходимые для перемещения стенок контурной щэли на некоторую величину хш, и ее раскрытия, МПа.
В научной лаборатории Навоийского государственного горного института проведены опыты по поиску оптимальной рецептуры состава НРС, которая позволила бы ускорить процесс гидратация без дополнительного выделения тепла и обеспечила высокое давление в течение 5-8 ч после использования состава.
Подбиралась НРС для разрушения горных пород, бетона, железобетона, каменной кладки, а также как расширяющая добавка для производства тампонажных материалов.
B
\
е \
А РЛк I——4-Й)
ß V
\ i / Vci
ж
Bi
г
г»
Рис. 1. Схема к расчету расстояния между скважинами с НРС
В результате проведенных исследований подобран следующий приблизительный химический состав расширяющейся невзрывчатой смеси: СаО - 9-90%; Мг - 0,97-1,66%; Фе2О3 - 3,4-7%; СОз -0,33-0,65%; Ал2Оз -1,34%; СиО2 - 2%; На2О2 - 4%.
Было составлено 5 рецептур НРС, в мас.%:
1) хлорид кальция - 1,0-10,5; карбонат кальция с содержанием отхода сахарного производства - 5,0-20,0; негашеная грубоизмельченная известь - остальное;
2) алюминиевая пудра - 0,25-0,30; глицерин - 3,0-15,1; кальцинированная сода -2,0-9,9; лигносульфанат технический модернизированный (ЛСТМ-2) - 0,10-2,35; оксид кальция из обожженных известняка и гипса - остальное;
3) перманганат калия - 1,45-9,5; этиленгликоль - 5,0 - 21,0; борная кислота - 0,252,7;
4) мочевина - 1,8-23,0; глицерин - 2,6-12,8; оксид кальция из обоженных известняка и гипса - остальное.
5) состав смеси НРС-1, разработанная ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт строительных материалов и конструкций им. П.П.Будникова», основным компонентом (до 98%) которого является обожженная грубодисперсная известь. Обжиг негашеной извести производился в печах специальной конструкции при температуре, превышающей 1400°С. В качестве добавок использовали борную кислоту, кальцинированную соду, химическое вещество — сульфатно-дрожжевая бражка (СДБ). Порошок НРС-1, смешанный с водой в соотношении 3:1, образовал пастообразную массу, которая при затвердении увеличила свой объем, создавая в разрушаемом объекте давление до 50 МПа.
Таблица 1
Варианты составов НРС_
Состав НРС, мас. % Давление саморасш ирения, МПа, в возрасте Наличие непроизвольного выброса НРС из шпура
СаО На2СО3 ЛСТМ с*3соох 12 24
98,40 1 0,35 0,25 48 58 Выброс
96,35 3 0,4 0,25 40 52 нет
92,00 6 1,5 0,5 46 57 нет
88,00 9 2,5 0,5 38 45 нет
85,70 11 2,8 0,5 30 35 нет
98,15 1 0,35 0,5 55 69 Выброс
96,10 3 0,4 0,5 44 50 нет
91,75 6 1,5 0,75 48 56 нет
87,75 9 2,5 0,75 40 47 нет
85,45 11 2,8 0,75 32 38 нет
97,90 1 0,35 0,75 65 73 Выброс
95,40 3 0,4 1,2 75 82 Выброс
91,30 6 1,5 1,2 70 80 Выброс
87,30 9 2,5 1,2 56 65 Выброс
85,10 11 2,8 0,75 17 25 нет
Прототип 60 63 Выброс
На основании вышеуказанных химических составов подобраны оптимальные варианты, при которых химическая смесь может максимально расшириться и привести к разрушению стеклянных, гипсовых моделей, кирпича и мрамора.
Для выявления оптимальных рецептур смесей НРС, были использованы данные, представленные в табл. 1.
В последующих экспериментальных работах было выполнено более 200 экспериментов со стеклянными пенициллиновыми пузырьками. Только после получения повторяющихся результатов по разрыву стеклянных пузырьков, были использованы гипсовые модели, кирпичи и мраморные бруски, с предварительно пробуренными в них шпурами.
Также проведены лабораторные испытания в образцах из различных композитных материалов и определен предел прочности на одноосное сжатие образцов гипсового блока, керамического кирпича, мрамора и стекла. После получения необходимых экспериментальных результатов произведена статистическая их обработка и получены соответствующие физико-механические параметры.
3
2
1
1 - монолитный блок; 2 - пробуренные шпуры с НРС; 3 - пробуренные шпуры с НРС и установленными металлическими дугообразными пластинами Рис. 2. Способ отделения монолитов от массива с использованием нового состава
невзрывчатой разрушающей смеси
В результате проведенных исследований разработан способ получения НРС, предусматривающий раздельное приготовление твердой (Т) и жидкой (Ж) составов. Твердый состав получают путем измельчения извести (СаО) до порошкообразного состояния, перемешивание полученного порошка с кальцинированной содой (На2СО3), лигносульфонатом (ЛСФ) и технической солью (НаСл) при следующих соотношениях, масс. %:
- СаО - 48;
- На2СОз - 3;
- ЛСФ - 3;
- НаСл - 4.
Получается сероватая сыпучая масса.
Жидкий состав получают путем смешивания жидкого мыла, воды и уксусной кислоты при следующих компонентах, масс. %:
- жидкое мыло - 1,5;
- уксусная кислота - 1,2.
- вода - остальное;
Твердый и жидкий составы в соотношении Т:Ж=3:1 перемешивают до получения сметанообразной текучей массы и не давая застыть заливают в шпуры
или скважины. Время разрыва горных пород находится в пределах 6-8 ч в зависимости от температуры окружающей среды.
Разработанный новый состав НРСрекомендуется использовать для отделения монолитов от горного массива и для их раскалывания на соответствующие блоки.
Разработан способ отделения монолитов от массива с использованием нового состава НРС (рис. 2).
Согласно данному способу в монолитном блоке - 1 бурятся шпуры - 2 и 3 диаметром 32-43 мм под прямым углом и таким образом добычной уступ формируют под углом 90° для получения блоков монолитов правильной формы и дальнейшего их использования.
Глубина шпуров - 2 и 3 зависит от высоты отделяемого монолита и его способности к раскалыванию. Для лучшего образования трещин в монолите и более эффективного отделения массива глубина шпуров должна составлять в среднем 0,8-0,95 от высоты объекта, но не менее шести диаметров шпура и не более 1,5 м.
Расстояние между шпурами определяется по формуле (1).
В боковых шпурах - 3 формируют конструкцию концентратора напряжений, состоящего из двух дугообразных металлических пластин высотой дуги равной % радиуса шпура, и дугой которые направлены друг к другу в местах предполагаемой плоскости раскола между соседними шпурами, пространство между шпурами и сферой дуги заполняют забоечным материалом, а пространство между вершинами дуг и все остальные скважины полностью заполняют НРС (рис. 3).
/3
3 - боковой контурный шпур; 4 - металлическая дугообразная пластина;
5 - невзрывчатая разрушающая смесь; 6 - забоечный материал Рис. 3. Конструкция бокового контурного шпура с металлическими пластинами дугообразной
формы
Сдвижение блока монолита в выработанное пространство происходит под воздействием высокого давления саморасширения, исключая непроизвольный выброс смеси. Таким образом, исключаются затраты на дополнительные работы по стропиловке и повышается безопасность ведения горных работ.
В промышленных условиях исследованиями установлено, что использование нового состава и способа позволяет создать в шпурах высокое внутреннее давление, способствуя статическому разрушению и разрыванию горных пород.
Таким образом, выполненные теоретические и экспериментальные исследования по разработке нового состава НРС, практическая реализация их результатов на открытых горных работах позволили внести существенный вклад в
решение актуальной научной задачи - научному обоснованию и разработке статического метода разрушения горных пород с использованием НРС из местного сырья для использования на объектах открытых горных работ.
Список литературы:
1. Шеметов П.А., Норов Ю.Д. Буровзрывные работы. Учебное пособие. Навои, 2005. - 207 с.
2. Кутузов Б.Н., Скоробогатов В.М., Мосинец В.Н. и др. Справочник взрывника. -М.: Недра, 1988. - 511 с.
3. Бибик И.П., Рубцов С.К., Сытенков Д.В. Управление взрывной подготовкой пород в технологических потоках карьеров. - Ташкент: Фан, 2008. - 424 с.
4. Заиров Ш.Ш., Уринов Ш.Р., Равшанова М.Х., Номдоров Р.У. Физико -техническая оценка устойчивости бортов карьеров с учетом технологии ведения буровзрывных работ. - Монография. - Бухоро: изд-во «Бухоро», 2020. - 175 с.
5. Zairov, S., Ravshanova, M., & Karimov, S. (2017). Scientific and technical fundamentals for explosive destruction of the mass composed of rocks with different hardness. Mining of Mineral Deposits, 11, 46-51.
6. Заиров С.Ш., Равсх,анова М., Каримов С.Ш. Интенсифиcатион оф теcx1нологиcал проcессес ин дриллинг анд бластинг оператионс дуринг опен-cy мининг ин Кйзйлкум регион // Мининг оф Минерал Депосиц. Натионал Мининг Университй, 2018. Волуме 12. Иссуе 1. - п. 54-60.
7. Сахно И.Г. Научные основы управления состоянием горных пород невзрывчатыми разрушающими смесями при подземной разработке месторождений // Дисс. докт. техн. наук. - Красноармейск, 2015. - 457 с.
8. Норов Ю.Д., Заиров Ш.Ш., Равшанова М.Х. Разработка невзрывчатого разрушающего состава с использованием компонентов из местного сырья // Горный вестник Узбекистана. - Навои, 2018. - №4. - С. 136-139.
9. Заиров Ш.Ш., Тагаев И.А., Равшанова М.Х. Способ получения невзрывчатой разрушающей смеси // Заявка на получение патента на изобретение № ИАП 201 80574 от 29.11.2018 г. Опубл. в Бюл. изобр. №5. 29.05.2020. - С.29-30.
