Разработка физико-технических исходных данных для проектирования добычного комплекса с электротермической отбойкой руды

© В.И. Городниченко, 2003

УДК 622.236.7:535.15

В.И. Городниченко

РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОБЫЧНОГО КОМПЛЕКСА С ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОТБОЙКОЙ РУДЫ

Р

азработка физико-технических исходных данных для проектирования электротермического добычного агрегата должна базироваться на основах механики разрушения горных пород в жилах электротермическим способом и основах механики устройства электротермического агрегата во взаимосвязи с горно-геологическими параметрами залегания рудных тел.

Наиболее рациональным при разработке физикотехнических исходных данных на основе механики электротермического разрушения горных пород было бы представить условие разрушения одним обобщенным параметром. В качестве одного из таких параметров можно было бы рассмотреть, например, критерий «К», характеризующий интенсивность напряжений, формирующихся тепловым потоком на различных участках площади очистного забоя и в прилегающих к нему боковых породах. При этом должен рассматриваться весь объем массива, где распространены рудоносные ветви жил, так как их необходимо извлечь из массива. Последнее обстоятельство накладывает ограничение на область применения критерия «К» для анализа процесса разрушения, так как наличие неоднородного по свойствам массива обусловливает не только упругие, но и упруго-пластические и пластические деформации. Поэтому целесообразно также рассмотреть параметры, учитывающие нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями, формирующимися в зоне очистного забоя, при электротермической отбойке, например, энергоемкость разрушения.

Рассмотрим процесс формирования деформаций массива горных пород, прилегающих к очистному забою при электротермической выемке тонкой жилы.

Под воздействием температурного поля, создаваемого электротермическим агрегатом по площади очистного забоя, рудное тело (жила) будет растягивать массив в направлении перпендикулярном к плоскости залегания жилы. При этом зона влияния электротермического агрегата (Э.Т.А), являющаяся объектом рассмотрения, расположена достаточно близко от груди забоя, где пластические деформации проявляются в зависимости напряжение-деформация, в случае двумерного поля напряжений, в виде: п

є = с + ас

где X и П - постоянные характеристики горной породы.

В начальный период воздействия инфракрасного излучения на поверхность массива горных пород происходит на-

копление потенциальной энергии dП в приповерхностном слое. В дальнейшем, по мере отбойки горной породы, на груди забоя происходит периодическое разрушение вновь образованной поверхности. Длительная работа ЭТА сопровождается перераспределением потенциальной энергии в окружающем забой массиве, которое характеризуется величиной

J = -дП / д(г, 0),

оказывающей влияние на интенсивность процесса отбойки, его энергоемкость и зависящей от свойств окружающего массива, а значит и от горно-геологических и горнотехнологических факторов, которые влияют на свойства.

Периодическое обновление груди забоя и монотонное нагружение окружающего массива создают нелинейноупругую систему, в которой часть вводимой в нее энергии теряется в процессе пластических деформаций. Поэтому для такой системы нельзя использовать (уравнение (2)) для оценки процесса разрушения физический смысл теории Гриффитса о балансе энергии деформации и работы внешних сил с поверхностной энергией образуемых трещин. Параметр, представленный уравнением (2), может стать критерием разрушения в нашей системе, если связь между напряжениями и деформациями будет представлена в виде:

г ™ У/

с,

с

є г,

V

_£Е_ Ааст у

= а

J Е

у /

є,

Щ

ст1

= а

J Е

ч1/

уАас^І у

(г /1 )1/( п+1) И (0),

где А - безразмерный коэффициент, входящий в зависимость J = АК К ; К , К - коэффициенты интенсивности, соответственно, напряжений и деформаций; при п = 1 система характеризуется линейно-упругим состоянием; є

- предельная пластическая деформация и соответствующие ей напряжения ст; Г и 0 - полярные координаты, начало которых в центре груди забоя; И - величина смещений; І - длина очистного забоя.

Рассматривая уравнения (2) и (3) можно установить связь их с характером разрушения горной породы, а точнее с интенсивностью шелушения, которая связана с крупностью откалывающихся от массива пластин. Если процесс разрушения горной породы идет достаточно интенсивно, то есть идет практически непрерывное шелушение мелкими частицами размером, например, менее 1 мм, то процесс этот можно рассматривать как монотонный, идущий с непрерывным нагружением горной породы и стабильным подви-ганием очистного забоя. При этом параметр J в уравнении

(2) теряет свой физический смысл потенциальной энергии, необходимой для разрушения горной породы. Если же, в силу свойств горной породы или величины теплового потока или их определенной сопокупности, разрушение-отбойка горной породы, происходит достаточно крупными пластинами, толщиной, например, более 2 см, то происходит как бы периодическая разгрузка приконтурного массива в забое и для продолжения отбойки необходимо вновь наращивать потенциальную энергию J. Темп накопления ее в призабойном массиве зависит от параметров Г и 0 . Наличие в массиве пластических зон в виде, например, включений других типов пород, минералов, руд, прожилков способствует возникновению пластических деформаций и неустойчивому разрушению, поэтому в качестве исходных данных надо иметь в виду коэффициент интенсивности напряжений и в частности его предельное значение, относящееся к началу разрушения и характеризующее трещиностойкость породы или вязкость разрушения. Поэтому в забое, который идет в таком сложном массиве, величина J может быть выражена через коэффициенты интенсивности напряжений К К К, представляющие сложный процесс разрушения

отрывом в направлении перпендикулярном груди забоя и сдвигом по двум направлениям: по простиранию рудного тела и перпендикулярно к нему:

J =

Е Е

где V - коэффициент Пуассона горной породы.

Энергоемкость каждого из этих видов разрушения, с учетом того, что £ = 2СТ (1 + V) может быть представлена так:

01 =

1 - V2

~Е~

К2- П = 1 - v ^2

к1 ; П2 =

Е

к 22; пз =

к 2-

з

а суммарная - равна П = П1 + П2 + nз,

То обстоятельство, что можно принять эквивалентность между (4) и (5, 6) позволяет отметить связь между энергоемкостью процесса разрушения и коэффициентами интенсивности напряжений и следовательно эти параметры можно рассматривать в качестве некоторых исходных данных для проектирования параметров электротермомеханическо-го агрегата. Формирование исходных данных должно учитывать физические признаки и факторы, которыми обладает породоразрушающий инструмент, в данном рассматриваемом случае - это поток инфракрасного излучения. Поток излучения от плоского источника распределяется в пространстве по определенному закону. В связи с этим, а также с связи с неоднородностью состава и строения массива, коэффициент интенсивности напряжений будет иметь различную величину, изменяясь от центра груди забоя к контактам с боковыми породами вынимаемого рудного тела.

Практически, можно принять, что в точках контакта руды с боковыми породами он равен нулю. Используя коэффициент интенсивности напряжений Кх , обусловленный

напряжением у от горного давления в массиве горных

пород и коэффициент К2 от действия напряжений уу, вы-

зываемых инфракрасным излучением можно записать условие

К1 + К2 = 0,

Величину К по площади забоя можем записать равной

К1 = у V Пв,

где у = уН, в = 0,5т,

где т - мощность вынимаемого рудного тела или ширина очистного пространства.

Полагая, что разрушение породы происходит от растягивающих напряжений, причем на центральном участке груди забоя, ограниченном шириной 21, происходит хрупкое разрушение, для приконтактовых участков, то есть для точек с координатами / < |х| < в, можем определить коэффициенты концентраций напряжений.

Для зоны прилегающей к почве

_ -У-^Х в + X ,

А ЖвЧв - х

и прилегающей к кровле

К в =

ат дх \в - х

4Пі

К2 =-^И(

4п,

\в + х в - хч 7 +./-----------------)ах

После интегрирования

К2 = -2ат>/в/П агеео8(1 /в),

С учетом (10) (7) примет вид:

а \[Пв - 2ат агеео8(1 / в) = 0,

или после преобразования

I / в = ео8(Па /2ат),

Отсюда можно записать ширину приконтактовой пластической зоны

7 7/ /7 1\ 1 ( / т—г / ^ задают-также физические свойства горных пород: кре-

гр = в - / = /(в / / -1) = / {sec(Пу ^уЭт-дЦ, -

А для случая, когда толщина слабых поконтактовых прослоек мала в сравнении с мощностью рудного тела, что

можно выразить условием у  ут:

ь продольной упругости, коэффициент линейного теплового расширения, коэффициент теплопроводности, удельную теплоемкость и другие.

Для определения параметров добычного электротермического агрегата по мощности т рудные тела целесообразно разделить, базируясь на результатах исследований влияния условий залегания, на следующие типы

П2у2/ ПК

Г =

8у

Здесь видна связь коэффициента концентрации напряжений с физическими СТ — и технологическими Гр

параметрами электротермической выемки руды на жилах, и, следовательно, с параметрами добычного агрегата, такими как геометрические размеры секций инфракрасных излучателей, схемы расположения излучателей относительно друг друга и относительно границ вынимаемого рудного тела, удельная мощность инфракрасных излучателей. Все эти параметры влияют на энергоемкость процесса отбойки руды, что следует также из того, что последнее уравнение применимо к рассматриваемому процессу при условии, что

ут достаточно большая величина в сравнении с у .

Таким образом, исходные данные, характеризующие условия залегания рудных тел в массиве, включают мощность и угол падения рудного тела, сведения о физических свойствах горных пород, о напряженном состоянии пород, о наличии или отсутствии четкой границы между рудным телом и боковыми породами, о минеральном составе руды.

Мощность рудного тела и угол ее залегания задают в виде записи

где X среднее значение мощности или угла залегания;

Ах - доверительный интервал, при доверительной вероятности а = 0,95 и определенном коэффициенте вариации, %.

Выражением вида

I тип

т < 30см т < 1,5 ^ 2,0 м

и по углу залегания:

I тип

а > 60° а = 45° - 60°

II тип

Ш тип

т > 2,0м

II тип

Ш тип

а < 45°

По параметрам напряженного состояния массивов горных пород предлагается разделить намечаемые к электротермической разработке жильные месторождения на два типа: тип А - характеризуется тем, что напряженное состояние обусловлено действием лишь гравитационных сил налегающих пород, напряжения определяются величиной

уН

тип Б - в массиве горных пород, кроме гравитаци-

онных, действуют также тектонические силы.

Величину максимальных сжимающих напряжений от действия тектонических сил можно определить применяемым для добычи руды электротермическим способом разрушения горных пород. Для этого используется зависимость скорости электротермического разрушения горных пород, измеряемой, например, при расширении шпура, от действующих в массиве напряжений. Установленная пропорциональная связь скорости электротермического разрушения с величиной действующих в массиве напряжений дает основания определять величину максимальных напряжений

утаУ, обусловленных тектоническими силами, исполь-тах

зуя измеренную скорость ^1 электротермического разрушения при действии напряжений у = уН и скорость разрушения \^2 , измеренную в условиях действия

напряжений

у

тах

у = у ± Ау,

утах =

В типе Б выделяем месторождения или участки его, которые обозначим как тип Б1 , на которых максимальные

1

сжимающие напряжения направлены вкрест простирания рудного тела: угол Р между плоскостью простирания рудного тела и направлением действия максимальных сжи-

мающих напряжений составляет

р = 45...900

Б,

ме-

сторождения, или участки месторождения, типа 2 , на

которых максимальные сжимающие напряжения направлены вдоль простирания рудного тела, то есть угол •°

р < 450

Достижение оптимального уровня производительности и энергоемкости электротермической отбойки руды может быть обеспечено учетом реальных исходных данных о свойствах и состоянии массива горных пород путем управления параметрами режима отбойки. Так для оптимальной

отбойки руды температура Т поверхности массива должна быть равна

Т = Кар

-1

К -

где - коэффициент, учитывающий величину максимальных сжимающих напряжений, действующих в массиве горных пород;

ур - предел прочности горной породы;

V - коэффициент Пуассона;

- коэффициент линейного теплового расширения породы;

р

- модуль продольной упругости породы.

Отбойка породы при нагреве ее до температуры как выше, так и ниже указанной (17) будет идти с повышенной энергоемкостью процесса. Потому, что в первом случае, часть энергии будет непроизводительно расходоваться на перегрев отдельных участков, несмотря на интенсивное шелушение породы мелкой фракцией, а во втором - создание разрушающих напряжений будет замедляться. Для обеспечения оптимального расхода энергии на отбойку руды с известными свойствами необходим контроль и управление температурой нагрева породы. Такая система включает датчики температуры, установленные на массиве в зоне нагрева и соединенные с блоком управления источником питания электротермических нагревателей. Контроль разрушения породы осуществляется с помощью акустических датчиков по интенсивности и амплитуде акустических сигналов, поступающих из зоны отбойки. Акустические датчики также подключают к блоку управления источником питания нагревателей. Периодический нагрев породы до заданной температуры позволяет полностью передать в массив горных пород подводимую энергию излучения

П = Pt = ^рт,

где Р - мощность нагревателя;

t - время работы нагревателя;

С - удельная теплоемкость горной породы;

V - объем нагреваемой горной породы;

Р - объемная масса горной породы;

Т - температура горной породы,

которая создает в его приповерхностном слое разрушающие напряжения, Создание полностью автоматизированного и компьютеризированного добычного электротермического агрегата позволит управлять режимом отбойки при изменчивости свойств пород и напряженного состояния в процессе добычи путем введения в компьютер новых данных о свойствах пород и действующих в массиве напряжениях.

Для жильных месторождений, особенно малой мощности, характерна значительная изменчивость параметров залегания, поэтому в исходных данных надо учесть это.

По изменчивости мощности рудного тела целесообразно выделять, во-первых месторождения, на которых величина изменения мощности в пределах очистного забоя, разрабатываемого одним агрегатом, не превышает ширины очистного пространства, которую может сформировать электротермической породоразрущающий орган. При этом минимальная ширина очистного пространства будет равна ширине рабочего органа, а максимальная - определяться возможностями проработки приконтактовой зоны, то есть ее шириной, зависящей как от параметров, например, удельной мощности излучения, рабочего органа, так и от свойств горной породы. По данным экспериментальных исследований эта величина ориентировочно может быть принята равной Г ^ 0, 3 М, а для каждого конкретного месторождения должна уточняться расчетом и экспериментально.

Расчетное значение Г определяется с учетом закономерностей рассеивания излучения от породоразрушающего органа и свойств разрушаемой породы из следующего выражения:

g = 0,5 gc

1 -

7(12 + в2 + К2)2 - 4в2К

где g - удельная мощность излучения, поступающего в рассматриваемую точку груди забоя, вт/м2;

go

удельная мощность источника излучения,

вт/м :

/ - расстояние от излучателя до груди забоя, м;

R - радиус излучателя, м; в = (R + г) - радиус площади разрушения на массиве пород, который равен:

в =

К2 -12 +

Кт =

Ат

X, у

а изменчивость угла залегания - коэффициентом изменчивости угла залегания рудного тела, град/м:

а максимальное значение равно:

К =

Аа

X, у

втах

КІ0

2л/ і г

где gг - удельная мощность излучения необходимая для разрушения горной породы,

іг =

Я(т-т0)Уя

2л[аг

Ат

где

- относительное изменение мощности

х, у

рудного тела по простиранию (I х ) и по падению (/ ),

х у

Аа

х, у

- изменение угла залегания (град/м) рудного

тела также по простиранию и по падению.

В соответствии с этим, исходные данные по изменчивости параметров залегания рудных тел можно записать в виде:

I

т < 0,3м;Км < ±0,03;Ка = ±3...5

где Я - коэффициент теплопроводности горной породы, вт/м.К;

т - температура массива горных пород, К; а - температуропроводность горной породы,

м /с;

т

время цикла разрушения горной породы, С;

температура горной породы, определяется выражением (17).

Изменчивость мощности и угла залегания, целесообразно учитывать задавая в исходных данных относительное изменение этих параметров для каждого из типов месторождений по мощности и углу залегания. Например, изменчивость мощности задавать коэффициентом изменчивости мощности:

т < 1,5...2,0м;Км < +0,05;Ка = +5...10

ш

т > 2,0м; Км < ±0,05; Ка = ±10...15

Представление в исходных данных сведений об изменчивости параметров залегания рудного тела должно способствовать конструкторской проработке функциональных узлов добычного электротермического агрегата, обеспечивающей выполнение ими функций с заданными показателями по производительности и энергоемкости отбойки, по разубоживанию и потерям руды за счет адаптивности агрегата в изменяющихся условиях.

Исходными данными для проектирования добычного агрегата, характеризующими предлагаемую технологию добычи жильных руд являются также следующие сведения.

Сущность электротермического способа разрушения горных пород состоит в том, что создавая с помощью элек-

а

тротермических устройств тепловой поток с преобладающим инфракрасным излучением и направляя его на поверхность горной породы нагревают ее до температуры 70 -1500С. Приповерхностный слой, нагреваясь, стремится к деформированию, и вследствие сопротивления массива, откалывается от него. Скол происходит пластинами диаметром, в большинстве случаев, 0,13 - 15 см, и толщиной 1

- 20 мм. Скорость разрушения породы электротермическим способом (скорость подвигания забоя) около 10 см/час, производительность с 1 м2 площади забоя - 0,1 м3/час. Отбойка горной породы происходит только на облучаемой площади, разрушения массива за пределами этой площади не происходит.

Для очистки груди забоя от отколовшейся, но задержавшейся на ней горной породы, может применяться механический инструмент или сжатый воздух. Своевременная очистка груди забоя интенсифицирует разрушение горной породы, увеличивая скорость на 15 - 25%. Электротермическое устройство, инфракрасные излучатели, для отбойки горной породы состоит из излучающего элемента, нагревающегося электрическим током от промышленной сети переменного напряжения до температуры 700 - 7500С; из корпуса, на котором закрепляется излучающий элемент; теплоизоляции между корпусом и излучающим элементом. Г абариты и форма инфракрасных излучателей определяются с учетом их назначения и технологии отбойки породы, которая обусловливается горно-геологическими параметрами рудного тела: мощность, угол залегания, физические свойства, напряженное состояние массива. Плоские излучатели изготовляют для плоского очистного забоя, цилиндрические - для отбойки в шпурах и скважинах. Мощность источника электроэнергии - 100 кВт на 1 м2 площади очистного забоя, соответствующая пусковая и управляющая электроаппаратура и кабели.

Технологическая схема выемки руд электротермическим способом определяется условиями залегания и свойствами руды и боковых пород, их состоянием в массиве. При крутом и наклонном залегании рудного тела приемлема технология выемки сплошным забоем с магазинированием руды. В этом случае проходят откаточные и вентиляционные штреки, расстояние между которыми ориентировочно составляет 50 м, а точнее определяется с учетом горногеологических условий на каждом конкретном месторождении и его участке. Откаточный и вентиляционный штреки соединяют восстающими выработками, которые проходят по рудному телу, также через 50 м ориентировочно.

На 5 - 10 м выше откаточного штрека проходят подсечной штрек и соединяют его с откаточным выпускными воронками через 5 - 7 м. Воронки оборудуют механизмами для выпуска руды. В подсечном штреке монтируют электротермический агрегат для отбойки руды. Отбойку руды осуществляют по восстанию рудного тела. Отбитая горная порода самотеком поступает в выпускные воронки. После

отбойки руды на полную высоту блока, возможно применять, в случае особо ценных руд, смыв рудной мелочи водой. Отбойка руды и боковых пород может осуществляться раздельно, при этом аккумулирование руды и боковых пород производят в различных воронках, а выпуск на откаточный горизонт - в разные вагоны.

Кроме рассмотренной выше, возможны также технологии выемки руды уступным очистным забоем или скважинами. В общем случае порядок отработки жильного месторождения и его отдельных участков должен определяться с учетом горно-геологических условий залегания, их изменчивости. Поэтому, очистные забои могут быть сплошными или прерывистыми, длиной от нескольких до десятков метров, могут быть горизонтальными, вертикальными или наклонными, направление выемки может быть как по восстанию, так и по простиранию рудного тела. Скважинная технология выемки руды включает бурение из горной выработки скважины диаметром 50 мм в зону рудного тела, размещение в скважине электротермического породоразрушающего устройства, подключение его к электросети и пневмомагистрали и сбор руды, поступающей из скважины. Производительность при скважинной технологии порядка 0,2 т в час с одного метра скважины. Оптимальный диаметр образуемой в скважине полости, при начальном диаметре

do = 50 мм, составляет 400 мм.

Для отбойки руды на горизонтальных жилах возможна сплошная или столбовая система разработки, параметры которых устанавливаются с учетом изменчивости горногеологических условий.

Горно-геологические исходные данные, в совокупности с физико-техническими признаками процесса разрушения горной породы инфракрасным излучением и с физикотехническими признаками породоразрушающего инструмента определяют выбор технологических исходных данных. На основе комплекса исходных данных определяются параметры добычного агрегата: удельная мощность потока излучения, площадь рассеивания его на груди забоя при изменении параметров рудного тела заданных исходными данными, общая электрическая мощность агрегата, габариты и количество секций излучателей при максимальной и минимальной мощности рудного тела, величина возможного снижения мощности излучения при повышении напряжений, действующих в массиве горных пород, определяются параметры системы доставки отбитой руды из очистного забоя в транспортное средство, определяются параметры системы управления работой отдельных узлов агрегата при изменении элементов залегания рудного тела, определяются параметры системы обеспечения безопасности работ в очистном забое и в прилегающих горных выработках, определяются параметры системы снабжения добычного агрегата электро- и пневмоэнергией.

Автор: Городниченко Василий Иванович, доцент кафедры Физики горных пород и процессов Московского Государственного горного университета, доцент, кандидат технических наук.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА