Експериментально досліджено вплив фізико-механічних властивостей порід, що вміщають і незв'язних корисних копалин на процеси піддонного видобутку методом воронок з використанням ежекторного робочого органу.

Анотація наукової статті з енергетики та раціонального природокористування, автор наукової роботи - Кухар В. Ю., Запара Є. С., Зіборов А. П.


Область наук:

  • Енергетика і раціональне природокористування

  • Рік видавництва: 2006


    Журнал: Геологія і корисні копалини Світового океану


    Наукова стаття на тему 'Аналіз впливу фізико-механічних властивостей порід, що вміщають і незв'язних корисних копалин на процес піддонного видобутку'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз впливу фізико-механічних властивостей порід, що вміщають і незв'язних корисних копалин на процес піддонного видобутку»

    ?УДК 622.271.63

    В.Ю. Кухарь1, Е.С. Запара1, А.П. Зіборов1

    АНАЛІЗ ВПЛИВУ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ порід, що вміщають І незв'язні корисних копалин НА ПРОЦЕС піддони ВИДОБУТКУ

    Експериментально досліджено вплив фізико-механічних властивостей порід, що вміщають і незв'язних корисних копалин на процеси піддонного видобутку методом воронок з використанням ежекторного робочого органу.

    Будівельні піски є одним з найважливіших видів корисних копалин шельфу Чорного моря, де їх геологія і ресурси досить добре вивчені. Великий інтерес в межах цього регіону представляють приховані захоронення акумулятивні форми - потужні товщі будівельних, в ряді випадків чистих кварцових пісків під шаром покривають порід. Цілком можливо, що в майбутньому ці піски зможуть скласти важливу сировинну базу будівельних матеріалів.

    Проблема їх освоєння пов'язана зі створенням екологічно сприятливих технологій, в т.ч. і для похованих родовищ, і розробкою для цих умов технічних засобів.

    Підводні морські та прісноводні родовища незв'язних корисних копалин (кварцовий і кальцієвий пісок, розсипи, гравій) можуть мати вигляд як досить протяжних в горизонтальній площині масивів, так і локальних утворень - лінз. Шар незв'язного корисної копалини (НПІ) родовища будь-якого типу обмежений породами з іншими фізико-механічними властивостями. Як правило, такі грунти не уявляють комерційної цінності, їх вилучення обумовлено необхідністю розкриття продуктивного шару. Ці грунти за сформованою в гірничій справі термінології відносяться до вміщуючих порід. Шар породи, що вміщає, підстильний корисна копалина, носить назву пліт, шар породи, що вміщає, що покриває корисна копалина, носить назву покрівля (в геології розсипів - торфу). Наявність плотика для масиву незв'язного корисних копалин обов'язково, покрівля може бути відсутнім [1,2, 3,6, 7].

    Розглянемо основні фізико-механічні властивості порід, що вміщають і їх вплив на процес видобутку НПІ і конструкцію грунтозаборного пристрої.

    Плотик в порівнянні з НПІ має рівну або більшу щільність скелета грунту, великі щільність складання, питоме зчеплення і раз-

    €> В.Ю. Кухарь1, Е.С. Запара1, А.П. Зіборов1:

    1 Національний гірничий упіверсітст, Дніпропетровськ, Україна.

    мивающую швидкість, менший коефіцієнт фільтрації [3]. Породи плотика можуть бути глинистими (глина, суглинок, щільні мули), грубозернистими (ракуша, раковини детрит, гравій), рідше скельними. Кордон між плотиком і НПІ може бути як чітка, так і змазана з поступовим насиченням НПІ порожньою породою.

    Вплив підстилаючих порід на процес видобутку НПІ і конструкцію грунтозаборного пристрою пов'язано з визначенням його граничної глибини заглиблення. За даними геологорозвідки розроблюваних родовищ, заглиблення грунтозаборного пристрою в масив НПІ припиняють при досягненні плотика або на розрахунковому відстані від нього. В останньому випадку залишають цілик НПІ, його потужність визначається з умови запобігання разубоживания видобувається НПІ породами плотика.

    Покрівлю в залежності від фізико-механічних властивостей і її поведінки при відпрацюванні піддонного забою умовно можна розділити на три типи: стійку (міцну), пластичну (в'язкопластичні, в'язку) і текучу.

    Стійка покрівля представлена ​​зцементованими породами, що мають міцні зв'язки між частинками. Прикладами порід стійкої покрівлі є ракушняк, зцементована ракуша або раковину детрит, злежалі глини, мули техногенного генезису з високим вмістом нафтопродуктів. Стійка покрівля допускає оголення своєї підошви па значних площах і зберігає непорушену структуру тривалий час (-104-103 с) після цього. Породи стійкої покрівлі мають порівнянну з НПІ щільність скелета грунту, великі питоме зчеплення і розмиває швидкість, значно менший коефіцієнт фільтрації (табл. 3), погано піддаються гідророзмиву. Породи стійкої покрівлі, як правило, ізотропні по потужності пласта.

    Таблиця I

    Основні фізнко-мсханічсскіе властивості підводних НПІ і порід, що вміщають [1,2,3,6 |

    Найменування породи Середній іаметр частинок. ММ Щільність скелета грунту, г / см3 Порістосгь. % Зчеплення в обводненому стані, кг / м2 Гідравлі- чна крупність. м / с Коефіцієнт фільтрації, см / с

    Пісок кварцовий: крупнозернистий срсднсзсрн справжній дрібнозернистий

    2.0-1,0 35-40 50 100-10'3 110 2-1-10 1

    1.0 0,5 2,5-2,7 зх-42 50 53-10 3 1-10 3-1-10 2

    0,5-0,1 40-45 50 6,910 3 1-Ю ^-МО "3

    Глина 0,005-0,001 2,0-2,7 40-55 1000 7-10 7 110 7

    Суглинок 0,003 2,0-2,3 35-50 500 5-10 5 МО 7-1-10 5

    Іл щільний 0,05 2,0-2,2 40-50 500 1,7-10 "3 МО ^ -ИО-3

    Іл пухкий 0,01 2,0-2,2 45-60 100 0,07-10'3 110'3-110-2

    Раковини детрит 5,0-0,5 2,1-2,4 35-65 50-150 - -

    Гравій 2,0-20,0 2,1-2.7 33-40 0-20 0,1-0,5 0.5-10

    Галька 20,0-50,0 2,1-2,7 35-40 - 0,3-1.5 5-20

    Пластична покрівля представлена, в осповном, глинистими грунтами або мулами щільного складання, іноді з включеннями ракуши, черепашкової детриту, гальки, скельних уламкових включень або піску. Породи пластичної покрівлі на деякий час (-103-104 с) допускають оголення своєї підошви зі збереженням ненарушенной структури, після чого відбувається їх плавне просідання або обвалення в вироблений простір забою. 11ороди мають в порівнянні з НПІ порівнянну або меншу щільність скелета грунту, великі питоме зчеплення і розмиває швидкість, значно менший коефіцієнт фільтрації, піддаються гідророзмиву. Міцність і розмиває швидкість порід пластичної покрівлі по потужності пласта вглиб збільшуються, а коефіцієнт фільтрації зменшується.

    Текуча покрівля представлена, в основному, илами нещільного складання або колоїдними взвесями, в нижніх шарах іноді з включеннями ракуши, черепашкової детриту або піску. Породи плинної покрівлі при оголенні підошви втрачають свою структуру і переміщаються в вироблений простір. Породи мають але порівняно з НПІ меншу щільність скелета грунту, мале зчеплення і розмиває швидкість, легко піддаються гідророзмиву. Як правило, текуча покрівля поступово переходять в НПІ без освіти чіткої межі.

    Одним з можливих способів екологічно щадить видобутку НПІ з-під покрівлі є спосіб воронок [4]. Видобуток НПІ з піддонного забою здійснюється циліндричним грунтозабірний пристрій у вертикальному положенні (спосіб що вступає грунтозаборного пристрої). Суть методу видобутку полягає в наступному: працююче грунтозаборное пристрій заглиблюють на необхідну глибину в добувається НПІ, при цьому частина НПІ, що знаходиться безпосередньо перед його всмоктуючим отвором, розпушується за рахунок гідродинамічного і фільтраційного впливів потоку води і всмоктується грунтозабірний пристрій. Створення розрідження перед всмоктуючим отвором може бути здійснено різними способами, наприклад, за допомогою ежектора. У міру відпрацювання забою відбувається переміщення НПІ та покрівлі, залежні від їх фізико-механічних властивостей. Виконані теоретичні дослідження [5] дозволили отримати параметр, кількісно характеризує процес переміщення покрівлі в міру відпрацювання піддонного забою. Експериментальні дослідження дозволяють більш обгрунтовано продовжити вивчення цього складного процесу.

    Процеси всмоктування НПІ з піддонного забою в масиві піску, а також освіти внаслідок цього виробленого простору без і при наявності покривають порід були вивчені візуальним спостереженням в ході експериментів на лабораторній установці.

    Грунтозабірний пристрій заглиблюють в масив НПІ і вибирали весь обсяг, що знаходиться над всмоктуючим отвором. Розпушення НПІ та створення пульпи, придатної до гідротранспортування, здійснювали за допомогою похилих водяних струменів, стікали з розмивають форсунок грунтозаборного пристрої.

    Вплив розмиває струменя на водонаповнених НПІ проявляється двояко. По-перше, на активній ділянці струминного потоку відбувається розмив НПІ за рахунок гідродинамічного впливу на його частинки, що приводить до їх відриву від масиву і зважування в потоці рідини. По-друге, у міру поширення струминного потоку відбувається перетворення кінетичної енергії струменя в потенційну енергію тиску з виникненням градієнта тиску. При цьому виникає осесимметричное об'ємне рух парової води НПІ, спрямоване від струминного потоку до його донної поверхні - фільтраційний потік.

    Розглянемо процес відпрацювання піддонного забою масиву піску без покривають порід (рис. 1). При включенні систем розмиву і всмоктування робочого органу починався розмив НПІ водяними струменями з утворенням зони розмиву. Одночасно відбувалося всмоктування утвореної при цьому водопесковой пульпи. Зона розмиву збільшувалася і досягала своїх максимальних і сталих розмірів при рівноважному балансі води, що надходить в зону розмиву, відсмоктуваної з неї в складі пульпи і фільтрується до донної поверхні НПІ. При цьому фільтраційний потік надавав додаткове дезінтегруючу вплив на шар НПІ, що лежить над всмоктуючим отвором робочого органу, за рахунок механічної суффозии дрібних частинок і збільшення при цьому пористості НПІ, а також за рахунок його додаткового насичення водою і перекладу в пливунів стан. Після вилучення всього обсягу з утвореної зони розмиву НПІ, що знаходиться над нею, опускалося вниз під дією сили тяжіння, додатково розпушує, насичувалося водою і відсмоктувати. Таким чином, створювався ток НДІ від поверхні дна до отвору всмоктування робочого органу.

    Залежно від швидкості фільтраційного потоку, яка визначається балансом витрат води та твердого в забої, висотою і властивостями шару НПІ над всмоктуючим отвором робочого органу, кутом нахилу осей розмивають форсунок, можливе утворення замкнутого (рис. 1) і незамкнутого забою (рис. 2). При незамкнутому забої відбувалося порушення цілісності шару НПІ, що лежить над всмоктуючим отвором, що виявляється у вигляді грифона з виходом його на донну поверхню. Грифон починався на найбільш віддаленій від осі робочого органу верхній межі зони розмиву і з незначними динамічними відхиленнями вертикально досягав донної поверхні. При цьому частина розмитого НПІ виносилася на донну поверхню і осідала з боків від грифона.

    Розділимо НПІ, розташований над зоною розмиву, на дві зони: руху і спокою (рис. 1). Візуальними спостереженнями встановлено, що максимальна швидкість струму НПІ в зону розмиву виявлялася уздовж робочого органу, мінімальна - на кордоні зон руху і спокою. Внутрішня межа зони руху розташована під кутом природного укосу для водонасиченого НПІ (для піску 27в-354). Зовнішня межа нахилена під деяким кутом (для піску 75 ° -80) і триває від отвору всмоктування до поверхні дна. В процесі виїмки НПІ внутрішня межа зони руху плоско-паралельно опускається. після достиже-

    зона

    руху

    зопа

    спокою

    всмоктуючий

    отвір

    Зона розмив »(активна ділянка струминного потоку)

    Грифон

    всмоктуючий

    отвір

    зона розмиву

    Мал. 1. Замкнуте піддонний забій масиву Рис. 2. незамкнутого піддонний забій

    піску без покривають порід масиву піску без покривають порід

    ня вершиною конусоподібної воронки, що утворює якої є внутрішня межа зони руху, отвору всмоктування видобуток НПІ з даного установа робочого органу припинялася.

    Розглянемо процес відпрацювання піддонного забою масиву піску з покривають породами (ПП). Наявність ПП практично не впливає на якісну картину відпрацювання забою. Залежно від зазначених вище параметрів також можливе утворення замкнутого (рис. 3) і незамкнутого вибоїв. При подачі в забій надмірної кількості розмиває води відбувається надмірне насичення НПІ над всмоктуючим отвором водою, його дезінтеграція і, як наслідок, локальне збільшення обсягу НПІ. Це призводить до підняття НПІ в сторону донної поверхні з одночасним підняттям і руйнуванням ПП. Утворені грифони прориваються на поверхню через місця порушення ПП. Незначний надлишок розмиває води призводить до утворення невеликих грифонів. Останній в місці свого підходу до кордону "НПІ-Г1П" утворює контактний розмив НПІ уздовж цієї межі, спрямований до отвору в ПП, через яке заглиблений робочий орган в НПІ.

    Поведінка ПГ1 в залежності від їх типу різному в міру відпрацювання забою і освіти воронки. Міцні ПП зберігають свою непорушену структуру до моменту, коли напруги в них, що виникають при оголенні їх підошви, перевищать межа міцності, після цього відбувається їх руйнування але кордоні оголення підошви (рис. 4). Пластичні ПП за час відпрацювання воронки допускають часткове оголення підошви при поступовому просідання в відпрацьоване простір, після чого, як правило, про-

    виходить їх руйнування по межі оголення підошви. Частини обрушилися СМТ переміщаються разом з піском в сторону вершини воронки і скупчуються в ній. Текучі ПІ1, мають менипій, ніж пісок, кут природного укосу, але міру утворення воронки стікають до центру воронки, накопичуються там. При цьому частина текучих ГІП змішується з піском і всмоктується разом з ним, разубожівая корисна копалина. Запобігти разубоживание піску текучими ПП без втрат НПІ практично неможливо.

    Проведені експериментальні дослідження дозволили встановити якісну картину поведінки незв'язного корисної копалини в процесі відпрацювання піддонного забою масиву з покрівлею, утвореної різними типами порід. Отримані відомості можуть бути корисні в області гідромеханізації, наприклад, при проектуванні грунтозабірний пристроїв для піддонного видобутку пісків або при натурної відпрацювання екологічно щадить технології видобутку незв'язних корисних копалин з можливістю збереження рельєфу донної поверхні.

    1. Геологія шельфу УРСР. Литология \ Під ред. ШнюковаЕ.Ф.- Київ, "Паукова думка", 1985.- 193 с.

    2. Геологія шельфу УРСР. Стратиграфія (шельф і узбережжі Чорного моря) \ Під ред. Штокової Е.Ф.- Київ, "Наукова думка", 1984.-186 з.

    3. Геологія шельфу УРСР. Тверді корисні копалини / Под ред. Шнюкова Е.Ф.- Київ: "Наукова думка", 1983.-199 з.

    4. Добрецов В.Б. Освоєння мінеральних ресурсів шельфу. Л .: Недра, Ленінградське відділення, 1980.- 273 с.

    5. Запара Е.С., Бондаренко АЛ. Аналіз поведінки донних покривають порід при виїмці підводних розсипних корисних копалин \\ Науковий вісник Национальной гірнічоі академии України.- 2000.- № 2.- С. 22-24.

    6. Словник по геології розсипів \ Під ред. Шило Н.А .; Арманд М.М., Білоус-вВ.Д., Биховський Л.З. и др М.: Недра, 1985. -197 с.

    7. Шнюков Е.Ф., Зіборов А.ГІ. Мінеральні богятотва Чорного моря.- Київ: І.чд-під НАНУ.- 2004.- 279 с.

    Експериментально досліджено Вплив фізико-механічніх властівостей вміщу-чих порід и незв'язніх корисних копалин на процеси піддонного відобутку методом Вирва Із Використання ежекторного РОбочий органу.

    The influence of physical and mechanical properties of enclosing rocks and incoherent mineral resources on the processes of a sublxjttom mining by funnels method with usage of an ejector end-effector has been investigated experimentally.

    Мал. 3. Замкнуте піддонний забій масиву піску з міцними покривними породами

    Мал. 4. Обвалення міцних покривають порід в вироблений піддонний забій


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити