Переход на новую высокоуступную технологию по двухстадийной схеме добычи блочного камня предопределил актуальность дальнейших исследований природной трещиноватости в соответствии с особенностями данной технологии.
Разработанные методики оценки трещиноватости и блочности массива в большей степени предназначены для определения целесообразности отработки месторождения в целом либо для скорейшей отработки менее трещиноватых участков. В свою очередь теоретический и экспериментальный анализ добычи блочного камня алмазно-канатными пилами показал, что выход товарных блоков из участка массива зависит от сочетания основных систем трещин с плоскостями пропилов, которые формируют различный выход товарных блоков рис.3.1. На рис.3.1 схематически сравниваются два варианта отработки одного участка массива с направлением перемещения фронта горных работ в крест простирания системы основных крутопадающих трещин (1) и вдоль простирания системы основных крутопадающих трещин (2). Как видно из рисунка, выпиливаемый монолит, соответствующий направлению 1 (см. рис.3.1), рассекается крутопадающей трещиной по всей длине, вследствие чего состоит из отдельностей формы пластин (рис.3.2, а). Отработка этого же участка массива по направлению 2 (см. рис.3.1) приводит к тому, что он рассекается трещинами, формируя отдельности преимущественно кубической формы (см. рис.3.2, б). Естественно, что вариант отработки массива, который формирует отдельности преимущественно кубической формы, будет соответствовать наибольшему выходу товарных блоков и минимальным потерям товарной продукции.
Рис.3.1. Схема формирования различного выхода товарных
блоков в зависимости от ориентации фронта горных работ:
1, 2 – направления фронта горных работ соответственно вкрест
и вдоль простирания системы основных крутопадающих трещин;
3 – горизонтальные трещины; 4 - вертикальные трещины;
5, 6 - вертикальные пропилы, создаваемые алмазно-канатной пилой
а б
Рис.3.2. Схематическое изображение отпиливаемых монолитов
при различном сочетании плоскостей пропилов и систем естественных трещин: при направлении развития фронта горных работ вкрест (а)
и вдоль (б) простирания основной системы крутопадающих трещин
Отсюда следует, что перед освоением месторождения по новой высокоуступной технологии необходимо изучать трещиноватость не только для обоснования экономической целесообразности его отработки, но и для определения последовательности выемки отдельных участков месторождения, а также определять направление развития фронта горных работ на каждом участке. При технологиях, когда добыча блочного камня осуществлялась в одну стадию, данный вопрос не возникал, так как блоки, выпиливаемые баровой камнерезной машиной, имели кубическую форму, и их общий объем на порядок меньше объема блоков, выпиливаемых с применением современного оборудования (рис.3.3).
а б
Рис.3.3. Структура блоков выпиливаемых баровой
камнерезной машиной
Как видно из рис.3.3, вследствие небольших размеров и кубической формы выпиливаемых блоков коэффициент выхода товарных блоков будет практически неизменен при различном сочетании основных систем трещин с плоскостями пропилов.
3.4. Методика расчета коэффициента выхода
товарных блоков
Решение таких задач, как планирование горных работ, выбор оптимального направления развития фронта работ, определение рациональных параметров отделяемых монолитов, обоснование производственной мощности и ее динамики в пространстве и времени, связанных с выбором технологического комплекса карьера облицовочного камня, может быть успешно решено, если использовать объемные модели блочности массивов облицовочного камня.
Известно несколько подходов к решению данной задачи. Один из них [7, 48] основан на разделении месторождения в плане на участки, однородные по интенсивности и ориентации трещин, и расчете для каждого из них показателя блочности как функции взаимного пересечения плоскостей, ориентации которых совпадают с центрами систем трещин. При этом методе оцениваемый участок должен содержать норму трещин для их систематизации. Вследствие этого площади опробования зависят от интенсивности трещин и не имеют одинаковых размеров и, как следствие, модель блочности дискретна.
Существует метод с оценкой блочности по данным бурения скважин с отбором керна [51, 16, 49, 53]. Но использование материалов изучения трещиноватости только по керну явно недостаточно для дифференцирования трещин и оценки их влияния на показатель блочности, хотя керновый материал дает вполне четкое представление об изменчивости блочности в пространстве массива месторождения.
Кроме этого, имеется опыт построения погоризонтных планов блочности (коэффициентов выхода блоков) по результатам замера трещин в обнажениях [22]. При этом рассчитывают представительную площадь обнажения для замера трещин и соответствующий им коэффициент выхода блоков. Затем рассчитанные значения приводят к центрам оцениваемых площадок для последующей интерполяции или экстраполяции по площади горизонта. В результате строят план, характеризующий изменение контролируемого показателя в пределах горизонта.
Прогноз коэффициента в глубину массива осуществляют методом экстраполяции на основе знания тенденции изменения показателя трещиноватости [7]. Следует иметь в виду, что полученная в результате этого модель пространственной изменчивости блочности только усредненно характеризует массив.
Однако наряду с достоинствами, вышеперечисленные варианты имеют определенные недостатки:
- не существует целостного подхода для построения объемной модели блочности массива на основе данных, определенных одновременно несколькими способами изучения природной трещиноватости;
- применение существующих методов ограничено условиями конкретных месторождений и в особенности структурой природной трещиноватости;
- для возможности практического использования необходимо углубленное изучение данных методик, вследствие чего возможность их использования ограничивается узким кругом специалистов;
- перечисленные методики не позволяют выбрать сочетание структуры природной трещиноватости с технологическими параметрами, обеспечивающими максимальный выход товарных блоков.
Поэтому целью нижеприведенных исследований является разработка методики расчета коэффициента выхода товарных блоков и на основе ее программы для ЭВМ, позволяющих определять теоретический выход блоков в оцениваемом участке массива, устранив вышеперечисленные недостатки.
В качестве исходных данных в методике определения коэффициента выхода товарных блоков на оцениваемом участке массива используются результаты замеров элементов залегания трещин на обнажениях и откосах рабочих и нерабочих уступов, а также линейные размеры и азимут фронта горных работ оцениваемого участка. К параметрам трещин относятся: азимут простирания, угол падения и координаты трещин.
Найденные параметры трещин преобразовываются в уравнение трещины (уравнение плоскости в пространстве) согласно рис.3.4.
Рис.3.4. Определение параметров трещин
и преобразование их в уравнение трещины:
1 – исследуемый монолит; 2 - плоскость трещины;
Р – угол падения трещины; Аz – азимут простирания трещины;
Т1, Т2 и Т3 точки на плоскости; Х, У – координаты точки Т1
Уравнение плоскости составляем по трем характерным точкам (см. рис.3.4) с координатами: Х1, Y1, Z1 (Т1); Х2 = Х1 
10·tg(Az); Y2 = Y1; Z2 = 10 (Т2) и Х3 = Х1 = Х 
10·tg(P)·cos(Az); Y3 = Y1 10; Z3 = Z1 10·tg(P)·cоs(Az) (Т3).
В зависимости от азимута трещины в формулах будут следующие знаки (табл.3.1).
Таблица 3.1
 Азимут,
градус
| Точка Т2 | ТочкаТ2 | ||||
| Х2 | Y2 | Z2 | X3 | Y3 | Z3 | |
| 0-90 | + | + | + | + | + | - |
| 90-180 | - | + | + | + | + | + |
| 180-270 | + | + | + | - | + | + |
| 270-0 | - | + | + | - | + | - |
Уравнение плоскости трещины, проходящей через три точки, полученное при раскрытии определителя:
(3.1)
имеет вид:
(3.2)
По уравнениям плоскостей естественных трещин в монолите отстраивается виртуальный массив, аналогичный исследуемому участку карьера. Он представляет совокупность отдельностей, образованных пересечением плоскостей трещин и пропилов (рис.3.5).
Рис.3.5. Схема отделяемого монолита со вписанными в него
предполагаемыми товарными блоками
Схема определения максимального объема товарного блока из сформированной трещинами отдельности представлена на рис.3.6.
а б
Рис.3.6. Схема определения максимального объема товарного блока
из сформированной трещинами отдельности:
а) исследуемое сечение АВСDE со вписанными прямоугольниками;
б) вписывание параллелепипедов максимального объема в исследуемую отдельность
Определение максимальных объемов (см. рис.3.6) товарных блоков из сформированных трещинами отдельностей любой формы сводится к следующему алгоритму:
1. Выбирается одна из сторон многогранника – отдельности (в данном примере плоскость АВСDЕ).
2. С осью Х совмещается одна из граней, размер которой превышает установленный минимум (например, АЕ).
3. Перпендикулярно оси Х с заданным шагом k из точек 1, 1’, 1’’ и так далее выстраиваются линии.
4. Находятся точки 2, 2’, 2’’ пересечения линии с гранью ВС многоугольника.
5. Из полученных точек 2, 2’, 2’’ проводятся параллельные оси Х линии до пересечения с соседней гранью (если грань ВС или СD параллельна оси Х, прямые проводятся в одном направлении).
6. Полученные точки (3, 3’, 3’’) проецируются на ось Х. В итоге, если перпендикуляры пересекают ось Х, получается система прямоугольников 1, 2, 3, 4; 1’, 2’, 3’, 4’; 1’’, 2’’, 3’’, 4’’ и т.д.
7. Проведением (с заданным шагом k вдоль оси Z) плоскостей, параллельных АВСDЕ, получаются сечения А’B’C’D’E’, А’’B’’C’’D’’E’’ и т.д., в каждом из которых повторяются операции, аналогичные выполненным (п. 2-6) для первого из сечений АВСDЕ.
8. Для построенных сечений АВСDЕ и А’B’C’D’E’ и т.д. из образованных прямоугольников подбираются примерно совпадающие по координатам точек 1, 2, 3,4 и 1/, 2/, 3/, 4/ по Х и Y.
9. Находится объем параллелепипеда, образуемого точками 1, 2, 3, 4 и 1/, 2/, 3/, 4/.
10. В объеме многоугольника, не занятом выбранными параллелепипедами, вновь проводятся построения и расчеты (п.п. 1-9).
11. Находится общий объем вписанных в исследуемую отдельность параллелепипедов.
12. Проводится построение и расчет по пунктам 2-11 по всем граням исследуемого многоугольника.
13. Расчет по пунктам 1-12 проводится для всех сторон многогранника и выбирается максимальный объем вписанных параллелепипедов.
Теоретический коэффициент выхода блоков составляет:
(3.3)
где KВ – коэффициент выхода блоков;
КП – коэффициент относительных потерь объема камня при опрокидывании монолита на рабочую площадку, зависящий от h и формы отдельностей в монолите, для которого в работе [20] проведены исследования количественной оценки: (КП = (0,5-7)·10-2);
Vi, VМ – объемы вписанного параллелепипеда и отделяемого монолита;
n – количество вписанных параллелепипедов.
3.5. Изменение коэффициента выхода товарных блоков