Комплекс средств для оценки свойств массивов горных пород на карьерах

Актуальность темы

.

Эффективность ведения буровзрывных работ на карьерах во многом определяется точностью и оперативностью сведений о свойствах горных пород разрабатываемого массива. Ошибки при определении и учете свойств пород приводят к ухудшению дробления или перерасходу взрывчатых веществ, что увеличивает затраты на буровзрывные работы. На участках со сложным геологическим строением для получения удовлетворительных результатов дробления приходится вести работы с явно завышенными удельными расходами взрывчатых веществ (например, на разрезе «Ольжерасский» в 1995 г. он составлял 1,4 кг/м3, что в 1,5 раза выше среднего по Кузбассу). В то же время снижение удельного расхода, разрежение сетки скважин, не обоснованные более точными сведениями о массиве, могут привести к существенным экономическим потерям. Наиболее адекватные и оперативные сведения о массиве могут быть получены на основе исследований свойств пород в естественном залегании методами многоволновой сейсмометрии. Однако большинство средств, используемых при таких исследованиях, сложны, не приспособлены к условиям открытых горных работ, требуют привлечения высококвалифицированных специалистов, плохо вписываются в технологический процесс, вследствие чего не находят широкого применения на действующих горнодобывающих предприятиях. Таким образом, проведение исследований, направленных на повышение технологичности средств измерений и создание специализированного аппаратурно-измерительного комплекса для совершенствования информационного обеспечения буровзрывных работ на карьерах является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка средств для оперативного определения свойств пород в естественном залегании при проведении буровзрывных работ на карьерах.

Основная идея состоит в повышении технологичности средств информационного обеспечения, максимальной их адаптации к условиям действующего горнодобывающего предприятия.

Основными задачами исследований являются:

1. Определение принципов совместимости средств информационного обеспечения с технологическим процессом буровзрывных работ при разработке сложноструктурных массивов пород на действующих предприятиях.

2. Обоснование структуры алпаратурно-измерительного комплекса для получения надежных и оперативных сведений о свойствах пород массива сложного строения в составе технологического процесса буровзрывных работ.

3. Изучение влияния воздействия помех в условиях действующего горнодобывающего предприятия на качество получаемой информации, разработка адекватных мер борьбы с ними и соответствующих устройствоценка эффективности их применения.

4. Разработка оптимальных систем управления электродинамическим, электроискровым, электромашинным и акустическим источниками колебаний.

5. Разработка элементов алпаратурно-измерительного комплекса для получения информации о свойствах и состоянии массива горных пород: невзрывных источников сигнала, помехозащищенных приемных устройств, средств связи, управления и синхронизации, узлов регистрирующих устройствиспытания и оценка их применения.

Защищаемые научные положения:

1.Повышение точности сведений о массиве горных пород, необходимых для эффективного проведения буровзрывных работ, целесообразно, если информационное обеспечение является частью технологической цепи, а применяемые для этого средства объединены в специализированный аппаратурно-измерительный комплекс, предназначенный для работы в условиях действующего горнодобывающего предприятия.

2.Повышение оперативности и надежности информационного обеспечения буровзрывных работ при разработке сложноструктурного массива горных пород возможно при использовании в алпаратурно-измерительном комплексе разработанных источников колебаний, с автоматизацией и оптимизацией режимов их работы, помехозащшценных приемных устройств, синхронизации процесса измерений по радиоканалу.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, рекомендаций подтверждаются результатами комплексных исследований разработанных средств и способов на горнодобывающих предприятиях с различными горногеологическими условиями (на угольных разрезах КАТЭКа, Кузбасса, строительных и рудных карьерах, при инженерных изысканиях) в течение длительного времени (более 10 лет), большими объемами исследований с обработкой экспериментального материала методами математической статистики, положительными результатами испытаний и использования созданных образцов новой и модернизированной аппаратуры.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— установлены принципы совместимости средств информационного обеспечения с технологическим процессом буровзрывных работ, заключаю-' щиеся в том, что повышение точности информации не должно сопровождаться увеличением длительности, стоимости, ухудшением безопасности проведения этих работ;

— обоснована структура алпаратурно-измерительного комплекса для получения оперативной информации о свойствах сложноструктурного массива горных пород методами многоволновой сейсмометрии в специфических условиях действующего горнодобывающего предприятия;

— установлены оптимальные параметры устройств управления источниками сейсмического сигнала (электродинамическим, электроискровым, акустическим, электромашинным) по критериям обеспечения эффективного возбуждения, оперативности и безопасности работ в условиях действующего горного предприятия;

— разработан способ оценки работы помехоподавляющих и согласую-ще-симметрирующих устройств аппаратурно-измерительного комплекса по критерию отношения показателей дисперсий на частоте полезного сигнала к сумме отношений остальных дисперсий разложения сигнала в выбранном частотном окне.

Методы исследований: обобщение и анализ существующих способов и средств получения информации о массиве горных породфизическое моделирование условий открытых горных работ при лабораторных исследованияхматематический анализ при определении оптимальных характеристик средств информационного обеспечениякомплексные эксперименты в промышленных условиях с использованием разработанных устройствстатистический анализ при обработке экспериментального материала.

Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты позволяют производить оперативную оптимизацию буровзрывных работ на действующих предприятиях открытых разработок со сложной структурой залегания и широко меняющимися свойствами горных пород, обнаруживать локальные неоднородности, проводить инженерные изыскания для строительных работ, разрабатывать специализированные комплексы аппаратуры для решения задач горного производства с учетом структурных и производственных условий проведения горных работ.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы: при проведении работ по корректировке параметров буровзрывных работ на разрезах «Красногорский», «Ольжерасский», «Листвянский» Кузбасса, на карьере «Новосмолинский» (Челябинск) — при проведении опытных работ для оптимизации буровзрывных работ в Уранасбесте (г. Асбест, Свердловской обл.) — при разработке технологии и проведении опытных работ по обнаружению крепких включений во вскрышных массивах КАТЭКа на разрезах «Бородинский» и «Березовский» — при исследовании геологического строения и выявления участков повышенной прочности на разрезе «Красногорский» Кузбассапри детализации геологического строения, изучении блочности и трещиноватости по профилю перехода строящегося метрополитена через реку Миассдля выявления старых горных выработок около города Челябинскадля оценки свойств грунтов под фундаментом пильгерстана на ЧТПЗпри проведении модельных исследований, отладки вновь разрабатываемых устройств, других исследованиях (например, при разработкеспособа и аппаратуры для дефектоскопии изделий ЮУФЗ).

Личный вклад автора заключается в определении структуры и свойств элементов аппаратурно-измерительного комплекса для исследований слож-ноструктурного массива, для реализации способа корректировки параметров буровзрывных работ по сейсмическим данным, определении принципов совместимости средств информационного обеспечения с технологическим процессом буровзрывных работ, разработке критерия эффективности и способа оценки работы помехоподавляющих устройств, установлении оптимальных параметров управления электродинамическим, электроискровым и акустическим источниками, принципов построения, алгоритмов и режимов работы привода источника крутильных колебаний на моментном двигателе, исследованиях и испытаниях разработанных способов и устройств в лабораторных и промышленных условиях.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы по частям и в целом докладывались и получили одобрение: на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г.Люберцы, 1987 г.), на конференции «Молодые ученые КАТЭ.

Ку" (г. Красноярск, 1988 г.), на IV Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г. Москва, 1989 г.), на научных семинарах и ученом совете НИИОГР (1985;1999 гг.), на предприятиях и в организациях, где проводились практические работы и испытания методов и аппаратуры.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ (в том числе 2 патента), в которых отражено ее основное содержание.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе д.т.н., проф. Галкину В. А., Макарову A.M.,.Ташкинову A.C., Хохрякову B.C.,.

Шестакову А.Л., Бирюкову A.B., к.т.н. Воронцову И.В.

4.3. Выводы.

1. Средства алпаратурно-измерительного комплекса успешно прошли опытно-промышленную проверку, использовались для решения технологических задач в период с 1988 по 1998 гг. на угледобывающих разрезах КАТЭ-Ка и Кузбасса, других горно-добывающих предприятиях, при инженерных изысканиях, а также в некоторых других областях промышленности. Испытания и применение разработанных средств информационного обеспечения показали, что они позволяют повысить оперативность и точность определения свойств массива в условиях сложноструктурного залегания горных пород на разрабатываемых блоках для корректировки параметров буровзрывных работ, что дает возможность снизить затраты на эти работы, без ухудшения качества дробления, до 20%.

2. Разработанный алпаратурно-измерительный комплекс содержит большой ассортимент технических средств, позволяющих решать широкий круг технологических задач при разработке полезных ископаемых открытым способом.

3. Состав комплекса постоянно обновляется, совершенствуются входящие в него устройства и блоки по мере накопления опыта работ, постановки новых технологических задач, появления новой элементной базы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основании проведенных автором исследований изложены научно обоснованные технические разработки средств оперативной оценки свойств разрабатываемого массива пород, что имеет существенное значение для решения важной прикладной задачи повышения эффективности буровзрывных работ на карьерах.

Основные научные выводы и результаты заключаются в следующем:

1. Информационное обеспечение должно быть частью технологической цепи буровзрывных работ, а его элементы — объединены в специализированный аппаратурно-измерительный комплекс, позволяющий получать достоверные и оперативные сведения о сложноструктурном массиве горных пород методами многоволновой сейсмометрии в условиях действующего горнодобывающего предприятия при наличии интенсивных электромагнитных, сейсмических и геологических помех.

2. Применение в технологии буровзрывных работ средств информационного обеспечения для повышения точности сведений о свойствах пород разрабатываемого массива эффективно при соблюдении принципа совместимости: повышение точности не должно сопровождаться увеличением длительности,. стоимости, ухудшением безопасности проведения буровзрывных работ.

3. Для обеспечения оперативности детальных исследований массивов пород сложной структуры, качества возбуждаемого сейсмического сигнала в различных условиях, в составе аппаратурно-измерительного комплекса должны быть специальные устройства управления, обеспечивающие автоматизацию процесса измерений, синхронизацию регистрирующей аппаратуры по радиоканалу, оптимизацию импульсов возбуждения, минимизацию времени подготовки к излучению. Длительность импульсов, подаваемых на излучатели электродинамических источников, должна варьироваться от 0,5 до 8 мс, при амплитуде от 20 до 80 В. Оптимальная форсировка по напряжению позволяет снизить время подготовки к излучению электроискровых источников с предварительным накоплением энергии высокого напряжения в 1,5−2 раза.

4. Для исследований с поверхности разрабатываемого блока пород целесообразно применять источник крутильных колебаний на базе момент-ного привода. Разработано устройство управления, позволяющее автоматически менять режимы работы привода, отрабатывая по заданному алгоритму необходимые для качественного возбуждения сигнала перемещения ротора, с оптимизацией энергетических характеристик.

5. Разработан способ оценки эффективности работы помехоподавляю-щих и с-огласующе-симметрирующих устройств по критерию, использующему статистический анализ спектральных разложений сейсмических сигналов. Применение разработанных устройств в условиях открытых горных работ при наличии интенсивной электромагнитной помехи позволяет улучшить соотношение «сигнал/помеха» до трех раз и, тем самым, повысить достоверность информации.

6. По результатам проведенных исследований разработан алпаратурноизмерительный комплекс для получения информации о массиве горных пород, содержащий: устройства автоматического управления скважинными источниками малой мощности электродинамического типа, мощным источником крутильных колебаний, источником электроискрового типаустройства для приема сейсмического сигнала в условиях повышенных электромагнитных помех на индукционных сейсмоприемниках и на базе акселерометровустройство для вывода и обработки информации аналоговыми приборами и записи ее на магнитный носителькоммутатор входных сигналоврегистрирующие устройства с кассетным накопителем на магнитной ленте и на гибких магнитных дисках.

7. Средства аппаратурно-измерительного комплекса успешно прошли опытно-промышленную проверку, использовались для решения технологических задач в период с 1988 по 1998 гг. на угледобывающих разрезах КАТЭ-Ка и Кузбасса, других горно-добывающих предприятиях, при инженерных изысканиях, а также в некоторых других областях промышленности. Испытания и применение разработанных средств информационного обеспечения показали, что они позволяют повысить оперативность и точность определения свойств массива в условиях сложноструктурного залегания горных пород на разрабатываемых блоках для корректировки параметров буровзрывных работ, что дает возможность снизить затраты на эти работы, без ухудшения качества дробления, до 20%.