Направления повышения эффективности технологий добычи и обработки природного камня на Урале тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, доктор технических наук Бычков, Геннадий Васильевич

• Бычков, Геннадий Васильевич
• доктор технических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор технических наук Бычков, Геннадий Васильевич

Введение.

1. Состояние добычи и обработки камня на Урале.

1.1. Краткая справка о развитии технологии добычи и обработки камня на Урале.

1.2. Базовые добывающие и камнеобрабатывающие предприятия Урала.

1.3. Состояние изученности сырьевой базы Урала, вопросов добычи и обработки природного камня. Направления исследований

2. Состояние и перспективы развития сырьевой базы камнеобра-ботки.

2.1. Оценка минеральных ресурсов природного камня Урала.

2.1.1. Месторождения мраморов, мраморизованных известняков и доломитов.

2.1.2. Месторождения гранитоидов.

2.1.3. Месторождения габброидов.

2.1.4. Месторождения серпентинитов.

2.1.5. Месторождения пироксенитов.

2.1.6. Месторождения порфиритов.

2.1.7. Месторождения лиственитов.

2.1.8. Прочие разновидности природного камня.

2.2. Освоение сырьевой базы природного камня и потребности камнеобработки.

2.3. Направления дальнейшего развития сырьевой базы для камнеобработки Урала.

Выводы.

3. Исследование способов вскрытия месторождений природного камня.

3.1. Схемы вскрытия рабочих горизонтов на месторождениях природного камня Урала.

3.2. Схемы вскрытия месторождений природного камня, применяемые в зарубежной практике.

3.3. Особенности применения бестраншейных схем вскрытия

3.4. Классификация способов вскрытия месторождений природного камня.

3.5. Перспективные способы вскрытия месторождений природного камня.

Выводы.

4. Исследование технологии подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород.

4.1. Способы подготовки к выемке вскрышных пород, традиционно применяемые на карьерах природного камня Урала.

4.2. Краткая характеристика возможных способов подготовки к выемке выветрелых вскрышных горных работ.

4.2.1. Механическое рыхление вскрышных пород.

4.2.2. Рыхление вскрышных пород с использованием НРС.

4.2.3. Отработка вскрышных пород с использованием добычного оборудования.

4.3. Исследование состояния продуктивного массива при подготовке вскрышных пород к выемке взрывным способом.

4.3.1. Максимальные давления, возникающие при взрывах промышленных взрывчатых веществ.

4.3.2. Физические аспекты разрушения горных пород взрывом.

4.3.3. Исследование влияния массовых взрывов на окружающие горные породы.

4.4. Перспектива дальнейшего использования заброшенных карьеров для добычи блочного камня.

4.5. Исследование эффективности защиты продуктивного массива при взрывной подготовке к выемке вскрышных пород.

4.6. Исследование технологических параметров при взрывном рыхлении горных пород на месторождениях природного камня.

Выводы.

5. Исследование технологии добычи природного камня.

5.1. Краткая характеристика технологических схем добычи природного камня, применяющихся на Урале

5.2. Исследование камнерезного способа добычи блочного камня.

5.3. Исследование алмазоканатного резания.

5.4. Исследование буроклинового способа добычи блоков.

5.5. Исследование буровзрывного способа отделения монолитов и блоков от массива.

5.5.1. Исследование влияния на массив нового взрывчатого вещества ГДК-2.

5.5.1.1. Анализ прочностных свойств гранита.

5.5.1.2. Анализ результатов ультразвукового про-звучивания образцов гранита.

5.5.1.3 Исследование параметров взрывания при отделении монолитов зарядами ГДК-2.

5.5.2. Исследование технологии отделения монолитов от массива зарядами «мягкого взрывания».

5.6. Способы подготовки к выемке и технологические комплексы для добычи блочного камня.

5.7. Технико-экономическая оценка технологических комплексов карьерного оборудования.

5.7.1. Расчет производительности основного технологического оборудования на добыче камня.

5.7.2. Расчет технико-экономических показателей для

Т оценки технологических комплексов карьерного оборудования.

5.8. Перспективные технологические схемы добычи блочного камня.

5.8.1 Перспективные технологические схемы добычи блочного камня средней прочности.

5.8.2. Перспективные технологические схемы добычи блоков из прочных горных пород.

Выводы.

6. Исследование технологических схем обработки природного камня.

6.1. Существующий камнеобрабатывающий комплекс Урала.

6.2. Классификация технологических схем обработки камня.

6.3. Расчет производительности и подбор оборудования для кам-необрабатывающего технологического комплекса.

6.3.1. Основное назначение технологических схем обработки природного камня.

6.3.2. Производственные мощности камнеобрабатывающеи го комплекса Урала и их освоение.

6.4. Перспективные технологические схемы обработки природного камня.

Выводы.

7. Основные направления дальнейшего развития добычи и обработки природного камня на Урале.

7.1. Прогнозы производства изделий из камня на Урале в сравнении с мировым производством.

7.2. Прогнозы по сырьевой базе для камнеобработки.

7.3. Организация обработки природного камня.

7.4. Состояние и перспективы развития машиностроительной и инструментальной базы для добычи и обработки камня.

7.5. Организационная структура вновь создаваемого камнеобрабатывающего и машиностроительного производств.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Направления повышения эффективности технологий добычи и обработки природного камня на Урале»

Актуальность работы. В период экономической нестабильности в стране в 1990 - 1999 гг., охватившей и камнеобрабатывающий комплекс России, на Урале, вопреки всему, многие предприятия, находящиеся рядом с сырьевой базой, оснастились новым высокопроизводительным оборудованием для добычи блоков и производства изделий из камня. Ежегодный прирост объемов производства изделий из камня в период с 1996 по 1999 гг. достиг рекордной величины - 62,6 %. По показателям добычи и обработки природного камня Урал устойчиво занял ведущее положение в России.

В последующем пятилетии производственный потенциал камнеобра-батывающих предприятий Урала начинает постепенно снижаться. Достигнутые темпы ежегодного прироста объемов производства сменились застоем и даже снижением по отдельным позициям. Качественный уровень сырьевых блоков, готовых изделий из камня и номенклатура выпускаемой продукции не достигли уровня зарубежных аналогов. Имеющиеся на кам-необрабатывающих предприятиях производственные мощности на основе высокопроизводительного импортного оборудования освоены на уровне 50 - 60 %. Урал длительное время не может выйти на внешний рынок камня из-за низкой декоративности и качества изделий, несоответствия их не только жестким требованиям зарубежных норм, но и внутренним стандартам. По изделиям из цветных разновидностей гранитов, мраморов и других высокодекоративных горных пород российский рынок природного камня в значительной степени занят зарубежными поставщиками.

При богатстве и неэффективном использовании собственной сырьевой базы отдельные камнеобрабатывающие предприятия Урала импортируют высокодекоративное сырье из Италии, Украины и других стран.

Оборудование и инструмент для добычи и обработки камня закупаются преимущественно за рубежом. В то же время мощности гигантского машиностроительного комплекса Урала в значительной степени недогружены.

В связи с этим возникла необходимость детально проанализировать ситуацию на предприятиях по добыче и обработке природного камня, выявить слабые звенья и научно обосновать рекомендации по повышению эффективности отрасли на Урале.

Актуальность работы обусловлена необходимостью совершенствования теоретических основ и подготовки принципиально нобых технологических решений по добыче и обработке природного камня. В связи с этим необходимо выполнить исследования по сырьевой базе для обеспечения в перспективе уральских камнеобрабатывающих предприятий высокодекоративным сырьем. Для перевода карьеров природного камня и камнеобработки на современные высокотехнологичные схемы производства и постепенного перехода уральских предприятий на отечественное оборудование и инструментальную базу необходимо выполнить комплекс исследований в области добычи и обработки камня.

В результате этого можно реально увеличить объемы производства на Урале изделий из природного камня к 2010 году в 2,5 - 3 раза. Таким образом, рассматриваемая тема исследования актуальна как в научном, так и в прикладном плане.

Объектом исследования в диссертации являются технологические процессы на добыче и обработке природного камня на уральских предприятиях.

Предметом исследований являются закономерности развития сырьевой базы, способов подготовки к выемке вскрышных пород, добычи блочного камня и производства изделий из него.

Тема диссертации соответствует приоритетному направлению Государственной программы «Направления увеличения объемов валового продукта в Российской Федерации к 2010 году в 2 раза», высказанному в ежегодном послании президента РФ 16.05.03 г.

Цель работы заключается в исследовании закономерностей развития сырьевой базы и технологий добычи и обработки природного камня для разработки оптимальных направлений повышения эффективности отрасли, обеспечения стабильного роста объемов производства изделий из природного камня на Урале.

Основная идея работы заключается в установлении рациональных технологических параметров на подготовке к выемке вскрышных пород и блоков, в разработке предохранительных мероприятий, обеспечивающих сохранность продуктивного массива блочного камня на основе изучения закономерностей затухания волн напряжений в массиве, с учетом коэффициентов выхода блоков из массива, плит из блоков и производительности применяемых технологических комплексов на добыче и обработке камня.

Задачи исследования:

1. Исследовать возможности и состояние развития минерально-сырьевой базы для камнеобработки и определить направления развития ее на ближайшую перспективу.

2. Исследовать возможность подготовки к выемке вскрышных пород на месторождениях природного камня буровзрывным способом.

3. Разработать специальные предохранительные мероприятия, обеспечивающие сохранность продуктивного массива блочного камня при взрывной подготовке к выемке вскрышных пород и доказать их эффективность.

4. Обосновать необходимость нового подхода к расчету сопротивления по подошве и основных параметров взрыва для эффективного дробления горных пород в ограниченном контуром массиве.

5. Исследовать возможности применения стандартных и новых взрывчатых веществ на отделении блоков от массива.

6. Доказать необходимость применения новых высокопроизводительных технологических схем на добыче и обработке природного камня и разработать направления повышения эффективности работы отрасли на Урале.

Методы исследований. В работе использован комплекс теоретических и опытно-производственных исследований, в том числе:

- изучение состояния керна на различной удаленности от зарядов ранее произведенных взрывов на карьерах, отработанных взрывным способом без предохранительных мероприятий;

- экспериментальные исследования новых технологических схем взрывной подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород для определения эффективности предохранительных мер, обеспечивающих сохранность охраняемого массива, отрабатываемого на блочный камень;

- оценка ультразвуковым методом и лабораторными испытаниями с построением паспортов прочности горных пород, подвергнутых взрывному воздействию в сравнении со свежими, добытыми буроклиновым способом;

- использование фото- и видеосъемки объектов исследования, опытных взрывов и изучение по ним результатов экспериментов;

- статистический анализ и научная обработка данных по отечественным предприятиям и зарубежным аналогам с использованием ЭВМ.

Научные положения, представляемые к защите:

1. Максимальное значение начального давления продуктов взрыва зависит от плотности заряжания, объема газов и возникающей при этом температуры. Изменяя плотность заряжания и объем взрывной камеры, можно управлять действием взрыва на окружающую среду.

2. Величина зоны разрушения горных пород при массовых взрывах в горных породах зависит от формы волнового фронта и составляет для сферической волны напряжений вдоль оси заряда вниз 32 -г 34 радиуса скважины, а для волны цилиндрической формы - 64,4 радиуса скважины или шпура - в перпендикулярном направлении. За этими пределами разрушения отсутствуют и возможна добыча блоков природного камня.

3. Снижение разрушающего действия взрыва на охраняемый массив до безопасной величины обеспечивается за счет применения комплекса предохранительных мер, включающих: создание экранирующих щелей по контуру массового взрыва, устройство демпфера с высоким волновым сопротивлением в нижней части скважины, раздельное действие зарядов рыхления и равномерное размещение взрывчатого вещества в разрыхляемом массиве.

4. Величина сопротивления по подошве зависит от высоты уступа, диаметра скважины, линейной плотности заряжания, длины заряда и способа размещения его в пространстве.

5. При отделении блочного камня от массива расстояние между соседними зарядами определяется по условиям пробоя промежутка между ними и по минимально необходимой ширине раскрытия щели.

Научная новизна:

1. Впервые систематизированы основные данные, включающие выход блоков из горной массы, декоративность и радиоактивность горных пород, качественно-коммерческую оценку их, с указанием зарубежных аналогов, спроса на внешнем рынке камня, по обширному комплексу месторождений природного камня, представляющему минерально-сырьевую базу Урала для перспективного развития камнеобработки региона.

2. Установлена зависимость параметров зоны разрушения горных пород при массовых взрывах от радиуса заряда, физических свойств горных пород и формы волнового фронта, обусловленного конструкцией взрывной скважины для сферической волны в направлении вдоль оси заряда вниз и цилиндрической - в перпендикулярном направлении.

3. Установлена возможность эффективной защиты продуктивного массива на месторождении природного камня при использовании взрывания на подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород и проходке горно-капитальных выработок.

4. Установлена зависимость максимальной расчетной величины сопротивления по подошве от высоты уступа, диаметра скважины, параметров заряда и забойки в диапазоне высот от 1,0 до 10,0 м.

5. Доказано, что при отделении блочного камня от массива расстояние между соседними зарядами определяется по условиям пробоя промежутка между ними и по минимально необходимой ширине раскрытия щели.

6. Разработаны базовые технологические комплексы оборудования для добычи природного камня и методы оценки их эффективности, на основе которых выполнена классификация способов подготовки блочного камня к выемке и выбраны наиболее оптимальные для применения в перспективе.

7. Разработаны технологические схемы обработки природного камня на базе ленточнопильных, канатных и дисковых камнеобрабатывающих станков, учитывающие вид горных пород, тип изделий и фактуру их поверхности для последующего расчета производственных мощностей предприятий и подбора оптимальных вариантов обработки камня.

8. Определены направления дальнейшего развития камнеобрабатывающего комплекса Урала на основе целенаправленного использования сырьевой базы камнеобработки, перехода на высокопроизводительные технологические схемы производства вскрышных работ, добычи и обработки природного камня и адаптации отрасли к потребностям Российского и мирового рынков камня.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверяедается:

- значительным объемом экспериментальных исследований в области добычи и обработки природного камня, проведенных в лабораторных и производственных условиях;

- проверкой и внедрением с положительным эффектом разработанных технологических и технических решений на карьерах природного камня и камнеобрабатывающих предприятиях Урала. Результаты теоретических исследований, опытно-промышленных испытаний и экспериментов имеют расхождение не более 5 -т- 7 %.

Практическая значимость работы. В результате выполненных исследований стало возможным:

- оценить состояние и реальные возможности по эффективному использованию минерально-сырьевой базы природного камня Урала;

- разработать перспективные направления развития отрасли на Урале с использованием передовых технологий в процессе добычи и переработки природного камня;

- реально определить границы разрушений в массиве, возникающих при взрывах промышленных взрывчатых веществ, что позволило прийти к выводу о возможности разработки вмещающих пород на природный камень на карьерах, ранее разрабатываемых на другие полезные ископаемые;

- разработать и внедрить специальные предохранительные мероприятия, позволяющие при подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород с использованием взрывания, предотвратить разрушения в продуктивном массиве на месторождениях природного камня;

- разработать новый метод расчета технологических параметров взрывания на рыхление, отличающийся от известных учетом высоты уступа, длины демпфера, длины заряда и способа размещения его в пространстве, обеспечивающий сочетание качественного дробления и сохранности продуктивного массива, разрабатываемого на блоки природного камня;

- разработать рекомендации по развитию машиностроения и инструментальной базы камнеобработки.

Реализация результатов работы.

Основные научные положения и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, использованы при подготовке и реализации проектов разработки, строительства и реконструкции Коелгинского (центрального), Южно-Коелгинского, Верхне-Тагильского, Полевского, НовоИвановского, Глинского, Верхне-Уфалейского, Хамитовского и Походи-ловского месторождений мрамора и мраморизованных известняков, при проходке опытных карьеров в период проведения геологоразведочных работ на Рыскужинском и Амангильдинском месторождениях мрамора. По результатам исследований подготовлены учебно-методические пособия для использования в учебном процессе: «Качественная и коммерческая оценка готовой продукции из природного камня», «Расчет и выбор технологического оборудования для добычи блоков», «Расчет технологических процессов на добыче блочного камня», «Общие вопросы проектирования камнеобрабатывающих производств» и «Расчет и выбор технологического оборудования для обработки природного камня».

Рекомендации по развитию машиностроения для отрасли использованы при организации производства оборудования для добычи природного камня на машиностроительном заводе имени М.И. Калинина в г. Екатеринбурге и Режевском экспериментальном заводе в г. Реже, Свердловской области.

Фактический экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 30 млн. руб. в действующих ценах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на десяти научно-технических конференциях по тематике научного, практического и информационного обеспечения добычи и обработки природного камня, организуемых Центром Камня на базе ООО «Экспериментальный завод» (г. Реж) в 1993 - 2002 гг., на региональных и Международных научно-технических конференциях по проблемам добычи и обработки камня в Уральской государственной горногеологической академии (г. Екатеринбург) в 1992 - 1998 гг., на научно-технической конференции по проблемам развития камнеобработки на Урале в УГГТА (2000 г.), на Республиканской научно-практической конференции, посвященной 80-летию геологической службы Башкортостана (2000 г.) в г. Уфе, на конференции «Все о камне» в 2000 г. (г. Челябинск), на международной конференции «Добыча, обработка, применение природного камня» в Магнитогорском горно-металлургическом университете (2001 г.), на научно-практической конференции на тему «Эффективность использования минерально-сырьевой базы природного камня Свердловской области» в министерстве по природным ресурсам правительства Свердловской области (2001 г.), на специализированной конференции «Камнедобыча и камнеобработка в XXI веке: Современное оборудование, технологии добычи и обработки», проводимой в рамках XI Международной выставки «Уралстрой-2001» в г. Уфе, на научно-практической конференции «Природный камень в России» на 3-й Международной выставке «Экспокамень-2002» в г. Москве.

Публикации. Всего автором опубликовано 47 научных работ, в том числе по теме диссертации - 24 научных работы.

Личный вклад автора:

- научно обоснованы и разработаны методы расчета предохранительных мероприятий при ведении буровзрывных работ на охраняемых массивах месторождений природного камня;

- научно обоснованы и разработаны методы расчета технологических параметров взрывов на выветрелых вскрышных породах и добыче блочного камня на месторождениях природного камня;

- разработаны базовые технологические комплексы оборудования для добычи природного камня, на основе которых выполнена классификация способов подготовки блочного камня к выемке и выбраны наиболее оптимальные для перспективы;

- на основе исследований разработаны методы расчета производительности технологического оборудования для добычи и обработки природного камня.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложена на 385 страницах машинописного текста, имеет 39 таблиц, 118 рисунков и список использованной литературы из 241 наименования.

Заключение диссертации по теме «Геотехнология(подземная, открытая и строительная)», Бычков, Геннадий Васильевич

Основные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Богатая и разнообразная по расцветке минерально-сырьевая база природного камня Урала, осваивается медленными темпами, а добываемые горные породы представлены в основном серыми и серо-белыми разновидностями с низким показателем декоративности. Значительная часть цветных разновидностей сырья для переработки на изделия закупается за рубежом.

В исследованиях по сырьевой базе решены задачи увеличения не только объемов добываемого сырья, но и пополнения цветовой гаммы его за счет более интенсивной разработки действующих месторождений мрамора и мраморизованных известняков Полевского, Сарапульского, Корко-динского, Инзерского, Полоцкого, Черновского, Янгельского, Нижнетагильского, гранитов Мансуровского, Сибирского, Исетского, Суховяз-ского, Западно-Султаевского, серпентинитов Южно-Шабровского и Григорьевского месторождений и освоения ранее разведанных и находящихся в резерве Октябрьского, Починковского, Нижнетагильского, Верхнетагильского, Ново-Ивановского и Фоминского месторождений мраморизо-ванных известняков, Головыринского, Малышевского и Камышевского месторождений гранита, Черновского месторождения гранодиоритов.

Для дальнейшего развития сырьевой базы камнеобрабатывающих предприятий Урала и пополнения цветовой гаммы добываемого сырья целесообразно ускорить освоение 90 рекомендуемых к разработке наиболее ценных месторождений, имеющих высокий показатель декоративности -от 28 до 34 баллов и повышенный спрос на рынке камня. С вводом в эксплуатацию этих месторождений появится возможность уверенно выйти на мировой рынок камня по сырьевым блокам.

2. Применяющиеся в настоящее время на Урале способы вскрытия месторождений природного камня наклонными траншеями или полутраншеями внутреннего, внешнего и смешанного заложения, не всегда учитывают горно-геологические и горнотехнические условия разработки конкретного месторождения, размеры залежи и элементы залегания горных пород и, зачастую, оказываются высоко затратными. Вскрытие их затягивается на долгие годы. По этой причине на некоторых разведываемых и эксплуатирующихся месторождениях природного камня в сложившихся экономических условиях горные работы были прекращены. Учитывая особенности Урала, необходимо широко использовать зарубежный опыт бестраншейного вскрытия малых месторождений природного камня. Особенно актуально это для месторождений природного камня Республики Башкортостан, находящихся в горной местности. На некоторых месторождениях природного камня, расположенных в районах с равнинным рельефом, целесообразно использование бестраншейных способов вскрытия, с применением для транспортной связи забоев с поверхностью деррик-кранов, козловых или кабель-кранов. Это позволит существенно снизить затраты на вскрытие и сократить сроки производства горных работ как на опытных, так и на эксплуатирующихся карьерах месторождений природного камня.

В диссертации уточнена классификация способов вскрытия без проведения горных выработок применительно к месторождениям природного камня.

3. Установлена истинная расчетная величина давления продуктов взрыва, которая зависит от плотности заряжания, объема газов и температуры взрыва. Доказано, что для реальных газообразных продуктов взрыва справедливо уравнение Клапейрона-Менделеева. Изменяя плотность заряжания можно управлять действием взрыва на окружающую среду. Установлено также, что показатель адиабаты газообразных продуктов взрыва не может быть выше теоретических значений п = 1,28-4,66. Никакие другие искусственно созданные зависимости с произвольно принимаемыми значениями показателя адиабаты п и «коволюма» Ъ не могут применяться для определения давления газообразных продуктов взрыва.

4. Проведенные исследования по оценке влияния взрыва на массив по ряду месторождений облицовочного камня Уральского региона - Кошка-рихинскому, Полевскому и Коелгинскому и Южно-Коелгинскому мраморным карьерам - показали, что произведенные ранее промышленные взрывы не оказали существенного влияния на качество массива мрамора. Установлена зависимость размеров зоны разрушения при массовых взрывах в горных породах от формы волнового фронта и радиуса заряда в направлениях вдоль оси заряда вниз - для сферической волны и цилиндрической волны - в перпендикулярном направлении, а также наличия дефектов в виде раскрытых трещин в горных породах. Необратимые деформации при взрывах без каких-либо предохранительных мероприятий зарядами диаметром 105 и 146 мм достигают, соответственно, 1,7 и 2,5 м вдоль оси заряда вниз, что составляет Нзд = (32 ч- 34) гс, а в перпендикулярном направлении зарядом диаметром 105 мм - 3,38 м, или Язц = 64,4гс - радиуса скважины.

В связи с этим, перспективно возобновление горных работ по добыче блочного камня на заброшенных территориях бывших карьеров различных полезных ископаемых, где наблюдаются выходы высоко декоративных горных пород. Опыт такой на Урале уже есть. Достаточно сказать, что на территориях бывших карьеров никелевых руд возникли такие карьеры облицовочного мрамора, как Уфалейский, Ольховский, Каркодинский.

5. Выветрелые горные породы месторождений природного камня Урала представлены в основном сильно трещиноватой горной массой, непригодной для производства облицовочных изделий. Мощность выветре-лой зоны на большей части уральских месторождениях природного камня составляет 4,0-М 0,0 м и более.

Способы подготовки к выемке вскрышных пород, традиционно применяемые на карьерах природного камня Урала, основанные на добычном оборудовании, низкоэффективны и малопроизводительны, требуют значительных капитальных затрат, а срок подготовки к выемке новых запасов по продуктивной части массива затягивается на длительное время. Выполненные в диссертационной работе исследования показали, что применение добычного способа на подготовке к выемке выветрелых вскрышных пород на месторождениях природного камня экономически оправдывается только при мощности их не более 1,5 2,0 м. В связи с этим была исследована возможность применения для подготовки к выемке вскрышных пород взрывного рыхления.

Доказано, что снижение разрушающего действия взрыва на охраняемый массив до безопасной величины обеспечивается за счет применения комплекса предохранительных мер: устройства демпфера с высоким волновым сопротивлением в нижней части скважины, создания экранирующих щелей по контуру массового взрыва, раздельного действия зарядов рыхления и равномерного размещения взрывчатого вещества в разрыхляемом массиве. Это позволило разработать эффективные защитные мероприятия, предупреждающие возникновение трещиноватости в продуктивном массиве при взрывании вскрышных пород на месторождениях природного камня.

6. Теоретическими исследованиями была установлена новая аналитическая зависимость между высотой уступа Ну и диаметром взрывных скважин с1с, которая позволила уточнить параметры буровзрывных работ на месторождениях природного камня. Установлено, что при высоте уступа до 2,7 м более целесообразно применение шпурового метода буровзрывных работ, а при больших значениях Ну следует переходить на сква-жинный метод.

Автором настоящей работы была предложена объемная формула для расчета сопротивления по подошве (И7, м) при взрывании с демпферной защитой вдоль оси заряда вниз. Эта методика расчета сопротивления по подошве в настоящее время широко используется при проектировании промышленных взрывов на Уральских месторождениях природного камня.

На качество дробления горной массы существенное значение оказывает длина забойки. При больших диаметрах скважин и относительно небольшой высоте уступа длина заряда незначительна, а вся оставшаяся

часть скважины заполняется забойкой. Это приводит к чрезмерному дроблению горных пород в нижней части уступа и плохой проработке верхней части. В связи с этим заряд большого диаметра целесообразно рассредоточить за счет промежутков или лучше перейти на скважины меньшего диаметра. Проведенными производственными и теоретическими исследованиями доказана возможность взрывной подготовки к выемке выветрелых вскрышных пород на месторождениях природных облицовочных камней при выполнении эффективных предохранительных мероприятий, обеспечивающих сохранность продуктивного массива от разрушения.

7. В работе обоснован метод производства буровзрывных работ, обеспечивающий раздельное действие каждого заряда на массив с замедлением между скважинами в ряду до 1000 мс. Это обеспечило снижение радиуса разлета осколков, разрушающего и сейсмического действия взрыва на массив при повышении качества дробления в ближней зоне и сохранности продуктивного массива, разрабатываемого на блоки за пределами этой зоны.

8. Исследование буровзрывного способа для добычи блочного камня показало, что для каждого вида горной породы, на которой планируется применение буровзрывных работ для добычи блочного камня, необходимо индивидуально подбирать тип взрывчатого вещества и конструкцию заряда путем проведения экспериментов по одной из описанных в диссертации методик. Выбранный вариант производства буровзрывных работ должен обеспечивать четкий пробой промежутка между шпурами и минимальное разрушение горной породы в виде густой сети симметричных трещин во всех остальных направлениях.

Разработан метод расчета расстояния между соседними зарядами при отделении блочного камня от массива по условиям пробоя промежутка между шпурами и обеспечения минимально необходимой ширины раскрытия щели. Исследованы возможности и даны рекомендации по применению новых взрывчатых веществ на отделении блоков от массива.

Рекомендованы для дальнейших испытаний в производственных условиях на месторождениях природного камня газодинамические заряды ГДК-2 (ГТК-2) и заряды «мягкого» взрывания ЗМВ-10-2. Исследования показали, что физико-механические свойства горных пород при использовании для откола блоков этих зарядов практически не измеВяшгнж время, сделан вывод о том, что буровзрывные работы целесообразно применять только на отделении крупных монолитов в прочных горных породах. Деление монолита на блоки целесообразно производить буроклиновым способом.

9. На основе изучения отечественного и зарубежного опыта из всего многообразия технологических комплексов оборудования для добычи природного камня была выделена основная базовая группа, состоящая из 16 разновидностей. В диссертации даны основные рекомендации по применению базовых технологических комплексов на добыче блоков.

На мягких малотрещиноватых горных породах высоко эффективны технологические комплексы с одностадийной схемой добычи блоков камнерезными машинами с баровым режущим органом.

На породах средней прочности высокие технико-экономические показатели достигаются при применении технологических схем на базе алмазных канатных камнерезных машин, а так же комбинированных комплексов на базе камнерезных машин с алмазоканатным и баровым режущим органом. Для карьеров Урала наиболее эффективно применение высокоуступной технологии, сочетающей алмазоканатное резание вертикальных плоскостей с горизонтальной подрезкой камнерезными машинами с цепным баром.

На прочных горных породах следует принимать технологические комплексы на базе высокопроизводительного бурового оборудования фирмы «ЗапсМк Ташгоск». Высокая эффективность достигается при использовании установок для резания камня струей воды высокого давления в комбинации с оборудованием для буроклинового способа разделения монолитов на блоки.

На массивах с многосистемной или бессистемной трещиноватостью следует практиковать разборку массива по естественным трещинам мощным карьерным экскаватором, оснащенным ковшом с активными зубыЫш.основе базовых комплексов оборудования был выполнен выбор наиболее эффективных перспективных технологических схем добычи блоков на горных породах средней и высокой прочности.

10. В диссертационной работе исследованы возможности алмазока-натного резания на горных породах средней и повышенной прочности. Установлено, что для большей части уральских месторождений природного камня средней прочности наиболее эффективно использование алмазных канатов с режущими элементами, изготовленными методом порошковой металлургии (синтеризованный канат). Применение канатов с режущими элементами, изготовленными электролитическим способом (электродепозитный канат) может быть рекомендовано только для месторождений с горными породами низкой прочности.

Из-за высокого расхода каната и низкой производительности резания, при неоправданно высокой стоимости его, применение алмазоканатного резания на прочных горных породах в условиях уральских карьеров нерационально.

11. Установлено, что качественный откол блоков при буроклиновом способе добычи гранитов и хорошо раскалывающихся крупнокристаллических мраморов возможен при значениях коэффициента ослабления по плоскости откола более 0,032, а для гранитов Султаевского месторождения - более 0,041. Это достигается увеличением глубины бурения по плоскости откола. Откол возможен и при меньших значениях коэффициента ослабления поверхности откола, однако получаемые при этом блоки не соответствуют стандарту по отклонениям от геометрической формы.

12. На основе анализа технологических процессов на камнеобрабаты-вающих предприятиях Урала были систематизированы технологические схемы обработки природного камня. По каждой технологической схеме на принципе совмещения близких по исполнению последовательных операций формируется базовый технологический комплекс камнеобрабатываю-щего оборудования, основными машинами которого являются камнерас-пиловочные станки. Разработаны два вида технологических схем обработки природного камня: первый - на базе ленточнопильных и канатных кам-нераспиловочных машин (14 базовых схем) и второй - на базе дисковых камнеобрабатывающих станков (10 базовых схем). Установлено, что наиболее перспективными и эффективными являются технологические схемы на базе многоканатных камнераспиловочных станков с алмазными режущими элементами и ортогональных многодисковых камнеобрабатывающих станков с раздельными мостами для вертикальных и горизонтального дисков. Для обработки блоков 3-4 групп горных пород любой прочности перспективна технологическая схема, разработанная ООО «Камнеобраба-тывающий завод-автомат» (Санкт-Петербург).

13. На основе компьютерной обработки фактических данных по добыче блоков и производству изделий из природного камня за 1995 - 2001 гг. установлены зависимости для расчета объемов производства на карьерах и камнеобрабатывающих предприятиях Урала в перспективе до 2010 г.

Перспективное развитие камнеобработки возможно по трем вариантам. Если динамика производства плит не изменится, то перспективное развитие будет идти по варианту 1. В этом случае перспектива для Уральского региона будет складываться неблагоприятно, что грозит полной потерей контроля внутреннего рынка камня, наполнением его изделиями, импортируемыми из Китая, Италии, Испании, Индии и ряда других стран. Во втором варианте все добытое сырье перерабатывается на уральских камнеобрабатывающих заводах. К концу расчетного периода в 2010 году объем производства плит увеличится почти в 8 раз, чего трудно достигнуть в реальности. Если на уральских предприятиях будет обрабатываться 60 % добываемого сырья, получаем вариант 3. В этом случае объем производства плит к 2010 году возрастет в 4,78 раза. Объем производства изделий на одного жителя Уральского региона составит в 2010 году 22,1 % от сегодняшнего уровня потребления камня на душу населения в Греции. Эту задачу на перспективу следует считать минимально необходимой.

14. Дальнейшее развитие камнеобрабатывающего комплекса Урала возможно лишь на основе целенаправленного развития сырьевой базы камнеобработки, перехода на высокопроизводительные технологические схемы производства вскрышных работ, добычи и обработки природного камня, создания в регионе мощной машиностроительной и инструментальной базы для отрасли, адаптации ее к потребностям российского и мирового рынков камня.

15. Значительный рост объемов производства на добыче и обработке камня будет возможен при условии объединения разрозненных добычных и камнеобрабатывающих предприятий в крупную холдинговую компанию, в которую так же войдут машиностроительные и инструментальные предприятия, обслуживающие камнеобработку, а все промышленные предприятия будут объединены собственным акционерным банком реконструкции и развития камнеобработки Урала.

16. Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс и на предприятиях по добыче и обработке камня. Общий экономический эффект от использования результатов диссертационной работы в промышленности превышает 30 млн. руб. в действующих ценах.

заключение

В диссертационной работе на основе выполненных исследований и теоретических обобщений обоснованы технологические решения по направлениям повышения эффективности на добыче и обработке природного камня: взрывная подготовка к выемке выветрелых вскрышных пород, двухстадийные высокоуступные схемы добычи блоков, высокотехнологичные схемы обработки изделий из камня. Внедрение их позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели в камнеобработке за счет повышения качества изделий из камня, роста производительности труда, снижения затрат на производство и способствует поступательному развитию камнеобработки на Урале.

Это вносит значительный вклад в развитие экономики страны в области производства облицовочных материалов из природного камня.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Бычков, Геннадий Васильевич, 2003 год

1. Аглюков Х.И., Гуров М.Ю. Обоснование эффективной технологии добычи блочного гранита // Добыча, обработка, применение природного камня: сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2003. - С. 114-117.

2. Агеев С.Г. Учет особенностей строения природного камня при взрывном отделении монолитов // Камень и бизнес. — 1994. № 2 (4) -с. 28-29.

3. Александров В.А. Обработка природного камня алмазным дисковым инструментом Киев: Наукова Думка, 1979. - 240 с.

4. Арустамян A.C. Вопросы эффективности дисковой распиловки гранита // Добыча, обработка, применение природного камня: сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2001, - С.149 - 154.

5. Бадумян K.JL, Барсегян Э.Е., Мерян Ф.А. Оборудование для добычи и обработки природного камня // Отраслевой каталог. — М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1987. 378 с.

6. Бакка Н.Т., Ильченко И.В. Облицовочный камень. Геолого-промышленная и технологическая оценка месторождений. М.: Недра, 1992.-303 с.

7. Безматерных В.А., Берсенев Г.П. Теория разрушения твердых тел ударом и взрывом // Изв. вузов. Горный журнал. 1993. - № 3. - С. 85 -87.

8. Беликов Б.П., Петров В.П. Облицовочный камень и его оценка. М.: Наука, 1977.- 139 с.

9. Блюменфельд В.М. Рациональный способ добычи гранитных блоков // Горный журнал. 1996. - № 6. - с. 33 - 35.

10. Бренер И.Ш., Егоров Ю.А. и др. Использование нетрадиционных способов рыхления горных пород в карьере//Камень и бизнес. — 1994 -№ 1.С. 21-24.

11. Буровзрывные работы на карьерах штучного камня / Берсенев Г.П., Бычков Г.В., Белов С.Н., Артамонов O.A., Метельков A.B. // Изв. вузов. Горный журнал. 1999. - № 7 - 8. - С. 69 - 73.3.