Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании: Структура и методика выполнения курсовой работы

Глава I. Как заложить прочный фундамент вашей курсовой работы

Введение в курсовой работе — это не просто формальное требование, а стратегический план вашего исследования. Именно здесь вы закладываете логику всей работы, демонстрируете научному руководителю глубину понимания темы и задаете вектор для будущих расчетов. Ключевая задача этого раздела — четко и убедительно обосновать, почему ваша работа важна и что конкретно вы планируете сделать.

Начать следует с определения актуальности. Это ваш ответ на вопрос: «Зачем мы это делаем?». Актуальность напрямую вытекает из потребностей современной горнодобывающей отрасли. Эффективное и безопасное разрушение горных пород — основа рентабельности любого горного предприятия. Оптимизация параметров бурения и взрывания позволяет снизить затраты, повысить производительность и обеспечить устойчивость горных выработок.

После обоснования актуальности необходимо сформулировать цель и задачи. Цель — это глобальный результат, которого вы хотите достичь. Она должна быть амбициозной, но реалистичной. Хороший шаблон для постановки цели может звучать так: «Разработать и обосновать параметры буровзрывных работ для эффективной отбойки [название породы] на [название месторождения]». Для достижения этой глобальной цели ее нужно разбить на конкретные, измеримые шаги — задачи:

  • Изучить теоретические основы физики разрушения горных пород.
  • Проанализировать физико-механические свойства заданной горной породы.
  • Рассчитать и выбрать оптимальные параметры буровых работ.
  • Спроектировать и рассчитать параметры взрывных работ для достижения требуемого качества дробления.

Такая структура превращает введение из размытого эссе в четкий проектный документ, который задает ритм всей дальнейшей работе и показывает вашу компетентность.

Глава II. Теоретические основы, которые формируют ядро исследования

Любой инженерный расчет должен опираться на прочный научный фундамент. В курсовой работе по физике разрушения горных пород таким фундаментом является теоретическая глава. Ваша задача — не просто пересказать содержание учебников, а системно изложить ключевые концепции, демонстрируя их взаимосвязь и практическое значение для горного дела.

Начать следует с базовых понятий механики разрушения твердых тел. Горная порода — это сложное, неоднородное тело, и ее реакция на нагрузку описывается фундаментальными законами. Здесь важно раскрыть суть основных процессов, которые происходят при бурении и взрывании: трещинообразование, отколы и дробление. Эти процессы являются физическим проявлением внутренних напряжений, возникающих в массиве под действием внешних сил.

Центральное место в теоретической части занимают теории прочности. Они представляют собой математические модели, которые позволяют предсказать, при каких условиях порода начнет разрушаться. Для горных пород, работающих преимущественно на сжатие, одной из наиболее распространенных и практически применимых является теория прочности Мора-Кулона. Эта теория устанавливает зависимость между касательными и нормальными напряжениями в момент разрушения, учитывая такие важные параметры, как угол внутреннего трения и сцепление. Понимание этой теории позволяет инженеру оценить, какие именно комбинации напряжений приведут к разрушению массива, что является ключом к проектированию эффективных технологий.

Визуализировать и анализировать напряженное состояние породы помогают диаграммы механического состояния. Они графически показывают, как порода деформируется под нагрузкой, и позволяют определить ее ключевые характеристики: предел прочности, модуль упругости, пределы пластичности и хрупкости. Именно эти параметры, полученные из теоретических моделей и лабораторных испытаний, лягут в основу всех последующих инженерных расчетов. Таким образом, теоретическая глава формирует научную базу, связывая абстрактные физические законы с конкретными практическими задачами горного инженера.

Глава III. Анализ свойств горных пород как ключ к успешным расчетам

После погружения в теорию необходимо перейти к объекту исследования — горной породе. Успех всех дальнейших расчетов на 90% зависит от того, насколько точно и полно вы опишете ее свойства. Этот раздел курсовой работы требует от вас выступить в роли геолога-инженера, который составляет подробный «паспорт» материала, с которым предстоит работать.

В горной практике используются две комплексные характеристики, которые служат отправной точкой для анализа:

  • Крепость — это обобщенное свойство породы сопротивляться разрушению от внешних нагрузок. Чаще всего ее оценивают по шкале профессора М.М. Протодьяконова.
  • Буримость — это технологический показатель, характеризующий податливость породы разрушению при бурении. Он напрямую зависит от физико-механических свойств.

Чтобы количественно описать породу, необходимо проанализировать целый комплекс ее физико-механических свойств. Прочность породы напрямую зависит от ее минерального состава, структуры и условий залегания, таких как горное давление и трещиноватость. В курсовой работе необходимо детально описать следующие параметры:

  1. Предел прочности на одноосное сжатие и растяжение: Это фундаментальные показатели, определяющие, какую нагрузку может выдержать образец породы до разрушения. Они являются основой для большинства расчетов.
  2. Модуль упругости (модуль Юнга) и коэффициент Пуассона: Эти параметры описывают упругие свойства породы — ее способность деформироваться под нагрузкой и восстанавливать форму после ее снятия.
  3. Минеральный состав и структура: Наличие твердых минералов, как, например, кварц, значительно увеличивает прочность и абразивность породы.
  4. Плотность, пористость и трещиноватость: Эти характеристики влияют на распространение ударных волн при взрыве и на общую устойчивость массива.

Эти свойства определяются с помощью стандартных лабораторных (например, испытание образцов на одноосное сжатие) и полевых методов. Результатом этой главы должен стать систематизированный набор данных, который можно назвать «паспортом прочности» горной породы. Этот документ, содержащий все ключевые характеристики и их числовые значения, станет исходной информацией для проектирования процессов бурения и взрывания.

Глава IV. Проектирование буровых работ с инженерной точностью

Имея на руках «паспорт прочности» горной породы, мы можем приступить к первому этапу технологического проектирования — расчету параметров бурения. Эта глава носит сугубо практический характер и требует инженерного подхода. Ваша задача — шаг за шагом обосновать каждое решение, от выбора оборудования до установки режимов его работы.

Процесс проектирования удобно разделить на несколько логических блоков.

1. Выбор бурового оборудования.
Выбор типа бурового станка — это первое и ключевое решение. Он зависит от множества факторов: крепости и буримости пород, требуемого диаметра скважин (шпуров), условий разработки (открытые или подземные работы) и общей производительности. Например, для бурения крепких пород на открытых карьерах чаще всего применяют тяжелые станки шарошечного бурения, тогда как для проходки шпуров в подземных выработках используют перфораторы. Выбор должен быть четко аргументирован: почему именно этот станок подходит для заданных горно-геологических условий?

2. Расчет режимов бурения.
Это ядро главы, где теория напрямую переходит в практику. Эффективность бурения определяется тремя основными параметрами режима:

  • Осевое усилие (нагрузка на долото): Недостаточное усилие не позволит эффективно разрушать породу, а избыточное приведет к быстрому износу и поломке инструмента. Его величина подбирается исходя из прочности породы и рекомендаций производителя долота.
  • Частота вращения инструмента: Этот параметр влияет на скорость разрушения и эффективность удаления шлама из скважины.
  • Параметры очистки забоя: Количество и давление сжатого воздуха или промывочной жидкости, необходимых для своевременного удаления разрушенной породы, что критически важно для поддержания высокой скорости бурения.

Расчет этих параметров производится по эмпирическим формулам и номограммам, которые связывают свойства породы, тип инструмента и характеристики бурового станка.

3. Оценка производительности.
После определения режимов необходимо рассчитать прогнозируемую производительность. Различают техническую (чистое время работы) и эксплуатационную (с учетом всех вспомогательных операций) производительность. Этот расчет показывает экономическую эффективность выбранных решений и позволяет спланировать весь технологический цикл добычи.

Каждый шаг в этой главе должен завершаться выводом и обоснованием. Важно не просто привести формулы и цифры, а показать инженерную логику, которая стоит за принятыми решениями, связывая их со свойствами породы, определенными в предыдущей главе.

Глава V. Как рассчитать параметры взрывных работ для максимальной эффективности

После того как скважины спроектированы, наступает следующий этап — их заряжание и подготовка к взрыву. Эта глава является кульминацией курсовой работы, где вы должны рассчитать параметры буровзрывных работ (БВР), которые обеспечат необходимое качество дробления массива с минимальными затратами и максимальной безопасностью. Подход здесь — это решение комплексной инженерной задачи.

Проектирование БВР выполняется в строгой последовательности.

1. Выбор взрывчатого вещества (ВВ).
Выбор ВВ — это компромисс между его мощностью, стоимостью и условиями применения. Основные критерии:

  • Крепость пород: Для прочных и вязких пород требуются высокобризантные ВВ с высокой скоростью детонации. Для трещиноватых и слабых пород более эффективны ВВ с фугасным действием.
  • Обводненность скважин: В обводненных условиях необходимо применять только водоустойчивые взрывчатые вещества.
  • Требуемый гранулометрический состав: Энергетические характеристики ВВ напрямую влияют на средний размер куска взорванной горной массы.

2. Расчет геометрии расположения зарядов.
Правильное расположение скважин (шпуров) в массиве — залог равномерного дробления. Здесь рассчитываются ключевые геометрические параметры:

  • Диаметр и глубина скважины (шпура): Определяются на предыдущем этапе, но могут быть скорректированы под выбранное ВВ.
  • Линия наименьшего сопротивления (ЛНС): Расстояние от заряда до ближайшей открытой поверхности. Это один из важнейших параметров, определяющих эффективность отбойки.
  • Расстояние между скважинами в ряду и между рядами: Эти параметры определяют равномерность распределения энергии взрыва в массиве и рассчитываются на основе ЛНС и свойств породы.

3. Расчет массы и конструкции заряда.
На этом этапе определяются весовые параметры. С помощью эмпирических или энергетических методик расчета вычисляется масса заряда, необходимая для разрушения заданного объема породы. Также проектируется конструкция заряда: определяется длина боевика и забойки (инертного материала, запирающего энергию взрыва в скважине).

4. Оценка эффективности взрыва.
Финальный шаг — прогнозирование результатов. Эффективность взрывных работ оценивается по нескольким ключевым показателям:

  • Удельный расход ВВ (кг/м³): Ключевой экономический показатель, отражающий затраты взрывчатки на кубометр взорванной породы.
  • Коэффициент разрыхления: Показывает, насколько увеличился объем породы после взрыва, что важно для планирования работы экскаваторов.
  • Гранулометрический состав: Прогноз распределения кусков по фракциям, который определяет производительность погрузочного и дробильного оборудования.

Каждый расчет в этой главе должен быть подкреплен ссылками на принятые методики и нормативные документы.

Глава VI. Интеграция расчетов и анализ сопутствующих факторов

После выполнения двух ключевых расчетных глав — по бурению и взрыванию — необходимо свести полученные результаты воедино и рассмотреть проект комплексно. Этот раздел демонстрирует широту вашего инженерного кругозора и понимание того, что технология разрушения пород не существует в вакууме, а связана с вопросами безопасности и современными методами анализа.

Главной задачей является оформление итогового документа — «Паспорта буровзрывных работ». Это сводная таблица или схема, которая содержит все ключевые расчетные параметры: тип бурового станка, диаметр и глубину скважин, их сетку расположения, марку ВВ, массу и конструкцию заряда, схему взрывной сети и ожидаемые показатели эффективности (удельный расход ВВ, выход негабарита). Паспорт БВР — это, по сути, готовая инструкция для производства работ.

Далее следует кратко коснуться важнейших сопутствующих факторов. В первую очередь — это вопросы безопасности. Необходимо упомянуть о методах управления негативными последствиями взрыва, такими как:

  • Сейсмическое воздействие: Расчет безопасных расстояний до охраняемых объектов для предотвращения их повреждения от сейсмической волны.
  • Разлет осколков: Определение опасной зоны и мероприятий по ее контролю.

Чтобы показать глубину проработки темы и знакомство с передовыми инженерными практиками, целесообразно упомянуть о современных подходах к моделированию. Укажите, что для более точного прогнозирования процессов разрушения сегодня все чаще применяются методы численного моделирования (например, метод конечных элементов). Они позволяют на компьютере симулировать процесс взрыва и оценить его последствия еще до проведения работ в поле, что значительно повышает точность проектирования.

Глава VII. Формулируем выводы, которые демонстрируют результат

Заключение — это финальный и один из самых важных разделов вашей курсовой работы. Его цель — не просто пересказать содержание предыдущих глав, а подвести итоги, продемонстрировать, что поставленные во введении цели и задачи были полностью выполнены. Сильное заключение оставляет у проверяющего чувство завершенности и логической стройности всей проделанной работы.

Главное правило — избегайте воды и простого перечисления глав. Вместо фразы «В первой главе было рассмотрено…» используйте деятельностную формулировку. Наиболее эффективный способ структурировать заключение — это написать его по пунктам, где каждый пункт является прямым ответом на одну из задач, сформулированных во введении. Такая структура наглядно демонстрирует результат.

Примерная структура выводов может выглядеть так:

  • В ходе работы были проанализированы физико-механические свойства [название породы], ключевыми из которых являются предел прочности на сжатие [значение] и коэффициент крепости [значение].
  • На основе анализа свойств был выбран и обоснован комплекс бурового оборудования, включающий станок [модель] и долото [тип], что обеспечивает оптимальную производительность в данных условиях.
  • В результате выполненных расчетов были определены оптимальные параметры БВР: удельный расход ВВ составил [значение] кг/м³, что соответствует требованиям по качеству дробления.
  • Разработан паспорт буровзрывных работ, который может быть использован в качестве основы для проектирования производственных взрывов.

В конце необходимо подчеркнуть практическую значимость выполненных расчетов. Укажите, что предложенные параметры позволяют обеспечить эффективное и безопасное ведение горных работ, что напрямую влияет на технико-экономические показатели предприятия.

Глава VIII. Финальное оформление и подготовка к защите

Научная и инженерная ценность вашей работы готова. Последний шаг — придать ей академический вид, чтобы не потерять баллы из-за формальных ошибок. Аккуратное оформление демонстрирует ваше уважение к правилам и внимание к деталям.

Перед сдачей работы обязательно проверьте ее по следующему чек-листу:

  • Структура: Убедитесь в наличии всех обязательных элементов: титульный лист, задание на курсовую работу, оглавление, основная часть, заключение и список литературы.
  • Список литературы: Все источники, на которые вы ссылались, должны быть оформлены в соответствии с требованиями ГОСТа.
  • Нумерация: Проверьте сквозную нумерацию страниц, а также корректную нумерацию всех таблиц и рисунков в тексте работы.

При подготовке к защите сделайте краткую (5-7 минут) презентацию. Не пересказывайте всю работу — сфокусируйтесь на главном: покажите исходные данные, обоснование ключевых решений (выбор оборудования и ВВ) и, самое важное, — итоговые результаты ваших расчетов, представленные в паспорте БВР.

Список использованной литературы

  1. Латышев ОТ. Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании. Учебное пособие. -Екатеринбург: Изд. УГГГА, 2004. -201 с.
  2. Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании» / О. Г. Латышев, В. В. Сынбулатов, И. С. Осипов. -Екатеринбург: Изд. УГГГА, 2003.
  3. Кутузов Б.Н. Теория, техника и технология буровых работ. -М.: Недра, 1972.-212с.
  4. Крюков Г.М. Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании.
  5. Основы теории деформирования и разрушения горных пород при бурении и взрывании. Учебное пособие. -М.: МГГУ. 2002. -134 с.
  6. Латышев ОТ. Физические основы разрушения горных пород. Конспект лекций. -Екатеринбург: Изд. УГГГА, 1998. -114с.
  7. Латышев ОТ. Физика процессов разрушения горных пород. Учебное пособие. -Екатеринбург: Изд. УГГГА, 2000. -88с.
  8. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. -М.: Недра, 1984.-359с.
  9. Ржевский В.В. Процессы открытых горных работ. -М.: Недра, 1984. -520с.
  10. Расчет параметров процесса буровзрывной подготовки горной массы к выемке. 4.1. Расчет параметров буровых работ / Ю.В.Стенин. Екатеринбург: Изд. УГГГА, 2001.-30 с.
  11. Справочник инженера-шахтостроителя. Том 2. —М.: Недра, 1983. —423с.
  12. Шахтное и подземное строительство. Проведение горизонтальных и наклонных выработок: Учебное пособие / М.В.Корнилков, В.Е.Боликов, О.Г.Латышев и др. — Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2002. -188 с.

Похожие записи