                  Министерство образования и науки Российской Федерации
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
Южно-Уральский учебно-производственный центр
«Добыча и обработка природного камня»
ДОБЫЧА, ОБРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ
ПРИРОДНОГО КАМНЯ
Сборник научных трудов
RECOVERY, PROCESSING AND APPLICATION
OF NATURAL STONE
A collection of scholarly works
ESTRAZIONE, LAVORAZIONE E USO DELLA PIETRA NATURALE
Raccolta delle opere scientifiche
Магнитогорск – Екатеринбург
2013
УДК 622.35+679
Редакционная коллегия:
Б.М. Габбасов, канд. техн. наук (технический редактор),
Д.Х. Девятов, д-р техн. наук,
А.И. Косолапов, д-р техн. наук (зам. ответственного редактора),
Ю.А. Павлов, д-р техн. наук,
Г.Д. Першин, д-р техн. наук (ответственный редактор).
Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. / под ред. Г.Д. Першина. Вып.13. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова», 2013. – 166 c.
ISBN
Сборник включает 18 статей по результатам Международной технической конференции «Теория и практика добычи, обработки и прменения природного камня» 2013 г.
Задача сборника – информирование работников и руководителей камнедобывающих и камнеобрабатывающих предприятий отрасли, проектных и учебных заведений о достижениях науки и техники, передовом опыте предприятий в современных условиях.
УДК 622.35+679
ISBN 978-5-9967- Магнитогорский государственный
технический университет
им. Г.И. Носова, 2013
ПРЕДИСЛОВИЕ
В России Уральский регион традиционно занимает лидирующее положение по объёмам производства камнеблоков и облицовочно-строительных изделий из природного камня, что обеспечивается природными запасами. К настоящему времени Урал добывает порядка 60% блоков и производит около 40 % изделий из камня от общего объёма производства в России. Однако возможности сырьевой базы региона, как и высокие объёмы производства, не стимулируют в должной мере внутренний спрос на изделия из природного камня, на что есть несколько причин. Одна из них заключается в том, что спрос на природный камень формируют архитекторы, строители, дизайнеры, профессионалы в области городского хозяйства, ландшафтного дизайна, реставраторы, художники, работники ритуальных служб. Именно эти специалисты определяют культуру применения камня как в регионе, так и стране через идеи использования его в новых сферах и формах.
Соединение творческих идей дизайнеров, строителей и других специалистов с возможностями производителей индустрии камня плодотворна только в рамках системно проводимых специализированных выставках по камню. Основной целью недавно организованной (с 2010 г.) и проводимой ежегодно в г. Екатеринбурге выставке предприятий изготовителей облицовочных архитектурно-строительных изделий из камня является расширение информационного поля путём демонстрирования возможностей регионального производства для всех специалистов отделочно-строительного сектора.
Начиная с 2012 г. региональная выставка «Уралэкспокамень» и уже ставшая традиционной Международная научно-техническая конференция «Теория и практика добычи и обработки природного камня», ранее проводимая в г.Магнитогорске на базе МГТУ им.Г.И.Носова, объединились и проводятся совместно в силу единой главной цели – обеспечение научно-технического прогресса и эффективного производства в отрасли на основе решения актуальных задач как с практических, так и с научно-прикладных позиций.
Объединение этих важных для Уральского региона мероприятий состоялось, и хочется надеяться на их долгое и плодотворное сотрудничество.
С уважением, Першин Г.Д.
ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИКА
ДОБЫЧИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ
УДК 622.35:621.93.025.7
Першин Г.Д., д-р техн. наук,
Пшеничная Е.Г., канд. техн. наук,
Уляков М.С., инж.
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный
технический университет им. Г.И. Носова»
повышение выхода блоков гранита
на месторождениях со сложным залеганием природных трещин в массиве
Трещиноватостью и природной блочностью массива определяются возможность и экономическая целесообразность разработки месторождений облицовочного камня, поэтому горно-геометрический анализ структуры массива представляет не только теоретический интерес, но и имеет важное практическое значение. Под структурой массива понимается геометрическое множество его монолитных частей, образованных в результате развития в массиве природной трещиноватости. Природный структурный блок, ограниченный трещинами, имеет форму прямой или наклонной призмы. На форму природного блока оказывают влияние геометрические характеристики залегания трещин в массиве – азимут простирания и угол падения, а на его объем - межтрещинные расстояния основных систем трещин. Таким образом, структура горного массива может быть описана как параметрами природной трещиноватости, так и параметрами природной блочности, которые в совокупности и определяют теоретический выход товарных блоков из массива. Фактический выход блоков при добыче существенно отличается от теоретического (предельно-возможного) уровня, в связи с чем, процесс добычи облицовочного камня является многоотходным производством.
Причина невысокого использования потенциала месторождений облицовочного камня состоит в недостаточном соответствии применяемой технологии добычи блоков структурным особенностям разрабатываемого породного массива. Процентное содержание различных по объему природных блоков в массиве, а также их форма обуславливают экономическую целесообразность применения одностадийной или двухстадийной схем добычи камня. Необходимость применения двухстадийной технологии добычи обусловлена сложным залеганием природных трещин на месторождении, когда природный блок, слагающий массив, образован несколькими системами крутопадающих трещин и системой первично-пластовых (пологопадающих) трещин. При этом, как показывает опыт, двухстадийная технология особенно эффективна при разработке месторождений со слаботрещиноватой толщей горных пород.
В настоящее время по двухстадийной схеме отрабатывается более 90% месторождений группы мраморов, и, как правило, это единственный путь существенного повышения коэффициента выхода товарных блоков. Мраморный карьер Коелгинского месторождения (Челябинская область) после внедрения в 1997 году и работы в течение ряда лет по двухстадийной высокоуступной технологии с применением алмазно-канатных машин (АКМ), по сравнению с двадцатилетним периодом работы по одностадийной схеме с применением баровых камнерезных машин, добился повышения выхода товарной продукции в среднем на 65 % с повышением ее блочности за счет увеличения средневзвешенного объема блока на 75 %. При этом рост выхода товарных блоков был получен за счет снижения технологических потерь [1].
Применение современной высокоуступной двухстадийной технологии добычи мраморных блоков стало возможным с появлением и использованием в карьерах АКМ, позволяющих в широком диапазоне изменять линейные параметры отделяемых от массива монолитов камня. Так как природная блочность массива существует как заданность месторождения, то влиять на выход товарных блоков остается только линейными параметрами отделяемых монолитов. В связи с чем был разработан ряд методик расчета и выбора рациональных параметров отделяемых монолитов в зависимости от природной трещиноватости массива [2-4].
Породные массивы группы гранитов, как правило, разбиты тремя системами развитых, практически ортогональных друг к другу трещин с различными межтрещинными расстояниями. Первую систему образуют пластовые трещины, имеющие горизонтальное, либо слабонаклонное залегание (угол падения составляет 5-15 град). Ко второй и третьей системам относятся продольные и поперечные трещины, имеющие почти вертикальное падение. На долю продольных и поперечных трещин приходится 40-50 и 25-30 % от общего числа трещин соответственно.
При этом могут проявляться и диагональные трещины под углом падения ≈45 град. Неортогональность плоскостей продольных и поперечных трещин может достигать 15 град, что позволяет выкалывать из массива блоки, имеющие форму параллелепипеда. Так как мощность горизонтальных пластов от глубины разработки изменяется в широком диапазоне от нескольких сантиметров до нескольких метров, то отработку породного массива на его продуктивной толще осуществляют горизонтальными слоями. При этом выемка пород возможна продольными, поперечными и диагональными заходками в зависимости от расстояния между смежными вертикальными трещинами [5]. На пластовых месторождениях отделение блоков от массива осуществляют, как правило, по одностадийной схеме, которая предусматривает получение готовой продукции (товарных блоков) сразу после отделения объема камня стандартных размеров и прямоугольной формы.
При работе горизонтальными слоями мощность отрабатываемого слоя, как правило, соответствует высоте уступа (подуступа), т.е. высоте отделяемого блока. С повышением толщи горизонтальных слоев по мере понижения отработки находит применение и двухстадийная схема, когда готовую продукцию получают с помощью дополнительных операций уже после отделения крупноразмерных блоков – монолитов.
В качестве примера перехода с одностадийной на двухстадийную схему добычи блоков высокопрочного камня можно привести Мансуровский гранитный карьер (Республика Башкортостан). Причиной перехода явился низкий выход товарных блоков, отделяемых шпуровым способом с применением механических клиньев, с нарастанием мощности пластов.
У механических (либо гидроклиньев) распорное усилие локализовано в верхней части шпура. Поэтому с увеличением мощности пласта (уступа) наблюдается искривление трещины отрыва от заданного направления. Отклонение плоскости отрыва от намеченной контурной плоскости увеличивает технологические потери товарных блоков, что снижает коэффициент их выхода. Внедрение на Мансуровском гранитном карьере двухстадийной схемы с отделением на первом этапе крупных монолитов шпуровым способом с применением в теплый и переходный периоды (до -10 °С) года в качестве распорных средств НРС (невзврывчатые разрушающие смеси) повысило коэффициент выхода блоков товарной кондиции от 20 до 50 % в зависимости от участка карьера [6]. Высота уступа по данной технологии устанавливалась в пределах 3 м и включала один, два либо три пласта в зависимости от их мощности.
Пластовое залегание пород группы гранитов с практически горизонтальными слоями дает возможность вести добычу блоков с выходом до 75 % и более при невысоких трудозатратах. Однако такое благоприятное для камнедобычи залегание является лишь частным случаем генетической природы трещин в массиве. Более общим случаем является трансформация горизонтальных (слабонаклонных) трещин в пологопадающие, а вертикальных поперечных и продольных трещин – в крутопадающие, при этом количество крутопадающих систем может быть более двух. Выход блоков на таких месторождениях составляет 10-60 %, что и является главной причиной дефицита блочной продукции из высокопрочного облицовочного камня.
В последние годы в мировой индустрии камня наметилась стабильная тенденция применения АКМ на гранитных карьерах со сложным залеганием в массиве природных трещин. Основанием явился многолетний практический опыт и положительные результаты применения АКМ на мраморных карьерах. Более высокий удельный расход дорогостоящего гибкого алмазного инструмента на породах типа гранит по сравнению с породами средней прочности являлся сдерживающим фактором применения данного камнерезного оборудования при добыче гранитных блоков. Однако по мере совершенствования технологии и техники производства алмазно-канатного инструмента цена его снижалась, а применение на карьерах высокопрочного камня добычного оборудования с гибким режущим инструментом расширялось. Технология ведения добычных работ на гранитных карьерах полностью соответствует мраморным карьерам, т.е. применяется двухстадийная схема с отделением монолита от массива на первом этапе и разделкой на блоки опрокинутого монолита на рабочую площадку на втором этапе. При этом главной целью двухстадийной технологии также остается обеспечение повышения выхода товарных блоков в условиях сложного залегания природных трещин в массиве за счет обоснованного выбора линейных размеров отделяемого монолита.
Данную чисто геометрическую задачу будем решать при тех же упрощениях и допущениях, принятых в работе [4]. Принимаем, что природный блок ограничивается плоскостями трех почти взаимно ортогональных и наиболее развитых в массиве систем трещин, к которым относятся система пологопадающих и две системы крутопадающих трещин. Так как в первую очередь определяются высота и длина монолита, то фронтальную (продольную) плоскость монолита располагаем так, чтобы следы первой основной (пологопадающей) системы трещин и второй основной (крутопадающей) системы на фронтальную плоскость представляли собой линии падения данных трещин. В таком случае вторая система крутопадающих трещин будет располагаться практически параллельно фронтальной плоскости, которая в этом случае примет положение, ортогональное азимуту простирания первой основной системы трещин.
Полученная таким образом картограмма трещиноватости фронтальной плоскости монолита является проекциями природных отдельностей, ограниченных плоскостями отделения монолита от массива. На картограмме выстраиваются прямоугольники, одна из сторон которых совпадает с направлением системы трещин, имеющей минимальное межтрещинное расстояние, т. е. максимальное развитие в массиве. Площадки других геометрических фигур, как правило, треугольной формы, помноженные на ширину монолита, будут выражать технологические потери блочной продукции, так как согласно ГОСТ 9479-98 «Блоки из природного камня для производства облицовочных изделий» за технологические потери принимаются все объемы камня, составляющие монолит, которые не вписываются в форму прямоугольного параллелепипеда или близкую к нему.
Продуктивность принятой в работе [4] расчетной схемы заключается в том, что высота и длина монолита выражаются в целочисленных значениях количеством пологопадающих и крутопадающих отдельностей. Так, за высоту монолита принимается расстояние, кратное числу пологопадающих отдельностей, а длина монолита определяется числом, кратным круто- и пологопадающим отдельностям в пределах фронтальной плоскости монолита. Предложенная методика расчета позволила в простом виде получить геометрические уравнения, в параметрическом виде связывающие искомые линейные параметры монолита от горно-геометрических параметров трещиноватости массива:
 (1)
 ; (2)
 , (3)
где nк и nп – количество отдельностей систем круто- и пологопадающих трещин массива, шт;  к, п – углы падения круто- и пологопадающих систем трещин, град; γ – угол между круто- и пологопадающими системами трещин, град; lк и lп – расстояние между круто- и пологопадающими системами трещин, м;  – коэффициент относительных технологических потерь блочной продукции.
Суммарные относительные технологические потери блочной продукции предложено записать и как функцию высоты уступа (1). В результате выражение (3) примет следующий вид:
 . (4)
Нахождение экстремумов технологических потерь по условию
 (5)
дает зависимость для расчета оптимальной (с минимальными технологическими потерями) высоты уступа:
 . (6)
Определение оптимальной высоты уступа позволяет найти из (2) и длину монолита как рациональную величину:
 . (7)
Как видим из полученных выражений (6) и (7), каждому целочисленному значению nк при заданной характеристике трещиноватости массива соответствует оптимальное значение высоты уступа и рациональная величина длины монолита, которым отвечает условие минимальных технологических потерь блочной продукции, т. е. условие максимального выхода блоков (рис. 1).
В качестве критерия определения величины nк принято относительное снижение технологических потерь блочной продукции (рис. 2). По наибольшему значению данного показателя с учетом рациональных размеров рабочей площадки и возможности опрокидывания на нее монолита для горно-геологических условий Юго-Восточного участка Нижне-Санарского месторождения гранодиорита находим nк=3 либо nк=4.
а
б
Рис. 1. Зависимость: а – оптимальной высоты уступа и длины монолита от количества в нем крутопадающих отдельностей; б – длины монолита от оптимальной высоты уступа и количества в нем крутопадающих отдельностей
для Юго-Восточного участка Нижне-Санарского месторождения гранодиорита (δк=68°, γ=65°, lк=1,9 м, lп=2 м)
Рис. 2. Зависимость коэффициента относительных технологических потерь блочной продукции (kт.п) и относительного снижения его величины (Относительное снижение, %) от количества отдельностей крутопадающих систем трещин массива (nк, шт.)
Для оценки влияния режима работы АКМ на себестоимость пиления необходимо еще определить рациональную ширину монолита (B). Она находится из условия наибольшего выхода блоков из монолита и возможности его опрокидывания на рабочую площадку. Применительно к горно-геологическим характеристикам трещиноватости Юго-Восточного участка Нижне-Санарского месторождения гранодиорита (δк=68°, γ=65°, lк=1,9 м, lп=2 м) по разработанной методике были рассчитаны рациональные размеры отделяемого монолита: для nк=3 –  =5,6 м, Lм=8,4 м, Bм=1,7 м; для nк=4 – =6,2 м, Lм=10,7 м, Bм=1,7 м.
|
