автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров предварительного контурного взрывания пород при комбинированной разработке месторождений

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ, ПОВЫШАЮЩИХ УСТОЙЧИВОСТЬ ЗАКОНТУРНОГО МАССИВА НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ И В ИНЖЕНЕРНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

1.1. Практика применения БВР и их параметры для проведения горных выработок на карьерах.

1.2. Практика проведения горных выработок в гражданском и гидростроительстве.

1.3. Практика проведения горных выработок и выемка запасов руды в бортах карьера при комбинированной разработке месторождений.

1.4. Современные представления о деформациях откосов и причинах их возникновения.

1.5. Геомеханическое обоснование технологии отработки прибортовых запасов руды.

1.6. Пути повышения устойчивости уступов и бортов карьера.

1.7. Цели и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВЗРЫВНЫХ ВОЛН НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН В ОКРУЖАЮЩЕМ МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

2.1. Введение.

2.2. Факторы, влияющие на устойчивость бортов карьера.

2.3. Внедрение методов заоткоски бортов карьеров в скальных породах

2.4. Влияние БВР при проведении подземных горных выработок в зоне влияния карьера.

2.5. Оценка экранирующего эффекта отрезной щели при взрыве контурных скважин.

2.6. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАКОНТУРНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПРИМЕНЕНИИ

СПОСОБА НАПРАВЛЕННОГО ЩЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ.

3.1. Анализ исследований напряженного состояния уступов и бортов карьера.

3.2. Особенности влияния взрывных волн на напряженное состояние массива пород за откосом уступа.

3.3. Особенности влияния взрывных волн на формирование зон нарушений вокруг подземных выработок.

3.4. Оценка существующих разновидностей контурного взрывания.

3.5. Обоснование конструкции контурного заряда для применения способа предварительного щелеобразования.

3.6. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ И ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА КОНТУРНЫХ ЗАРЯДОВ ПРИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОМ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИИ.

4.1. Анализ исследований процесса трещинообразования в горных породах при приложении взрывных нагрузок.

4.2. Оценка существующих разновидностей контурного взрывания.

4.3. Аналитические исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород при образовании магистральной трещины между контурными скважинами.

4.3.1. Исследования НДС массива горных пород вокруг круглого сечения скважин.

4.3.2. Исследования НДС массива горных пород вокруг скважин эллиптического сечения.

4.4. Обоснование параметров способа предварительного щелеобразования с применением разработанной конструкции контурного заряда.

4.5. Выводы.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПОСОБА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОТРАБОТКЕ РУДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЭРДЭНЭТИЙН-ОВОО (МОНГОЛИЯ).

5.1. Общие горно-геологические характеристики месторождения.

5.1.1. Физико-механические свойства руд и пород и их структурная нарушенность.

5.1.2. Акустические свойства пород.

5.1.3. Характеристика трещиноватости пород.

5.2. Общие горно-геологические условия разработки месторождений.

5.3. Методика расчета параметров способа направленного предварительного щелеобразования.

5.3.1. Расчет параметров способа предварительного щелеобразования на открытых горных работах.

5.3.2. Расчет параметров способа предварительного щелеобразования на подземных горных работах.

5.4. Расчет экономической эффективности.

5.5. Выводы по пятой главе.

Горная промышленность в настоящее время характеризуется добычей полезных ископаемых горными предприятиями с нижних, глубоких горизонтов месторождений. Это вносит определенные трудности в эффективную технологию разработки месторождений из-за увеличения горного давления, изменения прочностных свойств и структурных особенностей подрабатываемого горного массива.

Геомеханические особенности разработки месторождений комбинированным способом характеризуются тем, что на карьере буровзрывные работы приводят к значительным деформациям уступов, обрушению их откосов, осыпанию, выполаживанию углов откосов, перекрытию берм, сдваиванию и страиванию уступов, а также к нарушению законтурного массива пород, окружающих карьер. Это необходимо учитывать при выемке прибортовых запасов месторождения подземным способом, особенно, в зоне влияния карьера. Недоучет этого фактора приводит к разрушению кровли и стенок подземных горных выработок и локальным вывалам пород.

Снизить разрушающее действие взрывов на законтурный массив и повысить устойчивость откосов бортов карьера и подземных горных выработок возможно путем применения широко внедряющегося в горнодобывающую промышленность контурного взрывания.

Контурное взрывание, особенно, способ предварительного направленного щелеобразования, предохраняя массив горных пород от интенсивного трещинообразования, позволяет:

- повысить устойчивость откосов бортов карьеров, что обеспечит увеличение углов их наклона;

- повысить устойчивость кровли и стенок подземных горных выработок в зоне влияния карьера, где породы разуплотнены;

- существенно улучшить качество профилируемых поверхностей горных пород;

- снизить трудоемкость работ по доведению образуемых поверхностей до проектного положения.

Поэтому задача по обоснованию параметров предварительного контурного взрывания при комбинированной разработке является актуальной.

Целью работы является научное обоснование метода предварительного контурного взрывания и его параметров, обеспечивающего сохранения законтурного массива от разрушения, охрану окружающей среды от снижения нарушений земной поверхности и рациональное использование недр при комбинированной разработке месторождения.

Идея работы заключается в том, что сохранение устойчивости бортов карьера, кровли и стенок подземных горных выработок, достигается за счет регулирования шириной экранирующей щели посредством изменения параметров предварительного контурного взрывания, а также применением конструкции контурного заряда, создающего дополнительные напряжения по линии предполагаемого раскола пород.

Научные положения, защищаемые автором:

- тангенциальные напряжения на контуре скважины эллиптического сечения, образованного взрывом комбинированного контурного заряда, увеличиваются в 2-2,2 раза по сравнению с обычным контурным зарядом за счет соотношения максимальной и минимальной составляющей природного гравитационного поля напряжений;

- показатель степени затухания остаточных деформаций в зоне законтурных нарушений зависит от коэффициента поперечных деформаций и акустической жесткости массива горных пород и изменяется от этих факторов по линейному закону;

- расстояние между контурными шпурами при проведении подземных горных выработок в зоне влияния карьера способом предварительного щелеобразования зависит от энергетических, прочностных и структурных свойств пород и напряженного состояния массива и изменяется от глубины разработки и коэффициента влияния контура карьера на окружающий массив по гиперболическому закону.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением комплексного метода, включающего: анализ и обобщение достижений отечественной и зарубежной горной науки и практики; изучение физического процесса образования направленной трещины между контурными зарядами, аналитические исследования с привлечением методов математической теории упругости и обработкой данных методами математической статистики, проведение опытных взрывов на карьере, технико-экономическое обоснование технологии БВР.

Научная новизна работы:

- разработан метод расчета параметров способа предварительного щелеобразования для повышения устойчивости бортов карьера;

- разработан метод расчета параметров способа предварительного щелеобразования для снижения законтурных нарушений массива при проведении подземных горных выработок в зоне влияния карьера;

- получены аналитические зависимости показателя степени затухания остаточных деформаций в зоне законтурных нарушений и относительной мощности зоны законтурных нарушений от прочностных и энергетических характеристик массива пород в зоне влияния карьера.

Практическое значение работы заключается в разработке инженерного метода расчета параметров способа предварительного щелеобразования при комбинированной разработке, учитывающего влияние карьера на окружающий массив.

Реализация результатов работы состоит во внедрении результатов исследований в проект отработки месторождения Эрдэнэтийн-Овоо (Монголия), что позволит увеличить проектный угол наклона южного борта Северо-Западного карьера с 45° до 50°, при этом снизить объем вскрышных

3 2 работ на 1,93 млн.м и поверхность борта карьера 6528 м и получить экономический эффект при достижении карьером проектной глубины в размере 149 млн.долларов, а в настоящее время при разработке гор. 1400-1415 м около 1,5 млн.долларов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на совещаниях в лаборатории «Перспективных технологий» НУЦ «Минеральные ресурсы» (1998-1999 г.г.), на IV Международной научной конференции «Новые идеи в науках о Земле» в 1999 г.

Публикации. По содержанию диссертационной работы опубликованы 6 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 17 таблиц, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 82 наименований.

5.5. Выводы по пятой главе

1. Для условий разработки карьера Северо-Западный месторождения «Эрдэнэтийн-Овоо» предложены методики инженерного расчета параметров способа предварительного щелеобразования при проведении подземных горных выработок в зоне влияния карьера и заоткоске уступов карьера и постановке их в конечное положение.

2. Расстояние между контурными шпурами при проведении подземных горных выработок в зоне влияния карьера способом предварительного щелеобразования зависит от энергетических характеристик ВВ, прочностных и структурных свойств пород и напряженного состояния массива и изменяется от глубины разработки и коэффициента контура влияния карьера на окружающий массив по гиперболическому закону.

3. Экономический эффект и технологическое преимущество применения способа предварительного щелеобразования на карьере достигается за счет увеличения угла наклона борта карьера с проектного 45° до 50° и повышения его устойчивости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение научной задачи обоснования параметров предварительного контурного взрывания при комбинированной разработке, позволяющей повысить устойчивость бортов карьера и законтурного массива от разрушения, безопасность очистных работ и обеспечивающей охрану окружающей среды от снижения нарушений земной поверхности и рациональное использование недр.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Анализ практики и экспериментальных исследований на карьерах показывает, что разрушения вглубь массива после взрыва зарядов ВВ на рыхление распространяются на глубину 4-5 м и составляют по обобщенным данным 30-40 диаметров заряда ВВ.

2. Ширина нарушенной зоны вокруг подземных выработок зависит от прочностных свойств пород и энергетических характеристик применяемого ВВ и изменяется от величины растягивающих напряжений в массиве по гиперболическому закону.

3. Предложена новая конструкция контурного заряда для способа предварительного щелеобразования, состоящая из линейных контактных зарядов ДШ, расположенных у стенок скважины в противоположных сторонах, и центрального шлангового заряда с радиальным воздушным зазором, при этом внутренние заряды взрываются разновременно.

4. Показатель степени затухания остаточных деформаций в зоне законтурных нарушений зависит от коэффициента поперечных деформаций и акустической жесткости массива горных пород и изменяется по линейному закону.

5. Расстояние между контурными шпурами при проведении подземных горных выработок в зоне влияния карьера способом предварительного щелеобразования зависит от энергетических характеристик ВВ, прочностных и структурных свойств пород и напряженного состояния массива и изменяется от глубины разработки и коэффициента влияния контура карьера на окружающий массив по гиперболическому закону.

6. Для условий разработки карьера Северо-Западный месторождения «Эрдэнэтийн-Овоо» предложены методики инженерного расчета параметров способа предварительного щелеобразования при проведении подземных горных выработок в зоне влияния карьера и заоткоске уступов карьера при постановке их в конечное положение.

7. Экономический эффект и технологическое преимущество применения способа предварительного щелеобразования на Северо-Западном карьере месторождения «Эрдэнэтийн-Овоо» достигается на счет увеличения угла наклона борта карьера с проектного 45° до 50° и повышения его устойчивости.

1. Авдеев Ф.А. Основные положения по применению укрытий от разлета породы при взрывах на рыхление. -М.: Главспецпромстрой, ЦБТИ, 1967, с.45.

2. Азаркович А.Е., Шуйфер М.И., Тихомиров А.П. Взрывные работы вблизи охраняемых объектов. -М. :Недра, 1984, с. 213.

3. Аксель A.M., Бабин Ю.Н., Звонков Ю.Е. Направленный раскол крепких горных пород гидроимпульсными устройствами. -М.:/Взрывное дело, 1986, № 89/46.

4. Анистратов Ю.И. Технология открытой добычи руд редких и радиоактивных металлов. -М.: Недра, 1968, с. 430.

5. Арсентьев А.И. Вскрытие и система разработки карьерных полей. -М.: Недра 1981.

6. Атчисон Т. Основы взрывного дробления. В сб. Открытые горные работы/ Труды Американского института горных инженеров/-М.: Недра, 1971.

7. Баланс полезных ископаемых СССР, природные облицовочные камни.-М.: Мингео СССР, 1978

8. Баранов Е.Г. Короткозамедленное взрывание.-Фрунзе: Илим, 1971.

9. Баренблатт Ч.И. Математическая теория равновесных трещин, образующихся при хрупком разрушении /Прикладная механика и техническая физика, М., 1961, №4.

10. Барон Л.И., Турчанинов H.A., Ключников A.B. Нарушение пород при контурном взрывании. -Л.: Наука, 1975.

11. Баум Ф.А. и др. Физика взрыва. -М.: Наука, 1975.

12. Безопасность взрывных работ в промышленности /Кутузов Б.Н., Галаджий Ф.М., Давыдов С.А. и др. -М.: Недра, 1977.

13. Bikerman S.S. The criterion of fracture. Spe Trans, 1964, №4.

14. Бротанек И., Вода И. Контурное взрывание в горном деле и строительстве. -М.: Недра, 1983.

15. Васильев М.В. Опыт открытой разработки рудных месторождений США. -М: Недра, 1981, с. 184.

16. Галустьян Э.Л. Управление геомеханическими процессами в карьерах. -М: Недра, 1974, с.208.

17. Гамбурцев Г.А. Основы сейсморазаедки. -М.: Гостоптехиздат, 1959, с.480.

18. Гидротехника в горном деле и строительстве /Под редакцией проф., д.т.н. Плотникова Н.А./.-М.: Недра, 1978, с. 407.

19. Граур М.И. Оценка экранирующего эффекта отрезной щели при производстве взрывных работ в приконтурной зоне на карьерах/ Известия ВУЗов, Горный журнал, 1979, №8, с.36-42.

20. Griffith A.A. The phenomen of rurture and flow in solids. Phil Trans.Roy.Sos. 1920,p.221.

21. Густафссон P. Шведская техника взрывных работ. -М.: Недра, 1977, с.263.

22. Давыдов С.А., Шифрин Е.И., Кузнецов В.А. Расчетные и технологические особенности контурного взрывания при разработке месторождений природного камня. /Сообщ. на Всесоюзном научно-техн. совещании ВУЗов СССР с участием НИИ, М.: 1973.

23. Демидюк Г.П., Ведутин В.Ф. Эффективность взрыва при проведении выработок. -М.: Недра, 1973.

24. Ильин А.И., гальперин A.M., Стрельцов В.И. Управление долговременной устойчивостью откосов на карьерах. —М.: Недра, 1985, с.248.

25. Инструкция по определению сейсмически безопасных расстояний при взрывах. -М.: Оргэнергострой, 1967, с.38.

26. Irwin G.K. Analisis of stresses and Strain near the end of a crack traversing a plate. I.Apple. Mech. 1957, №24.31 .Исследования волн напряжений при взрыве в горных породах.-М.:Наука, 1978, с. 112.

27. Ито И., Сасса К. Определение детонационного давления на внутренней поверхности зарядной полости. В кн.: Разрушение и механика горных пород. -М.: Госгортехиздат, 1962.

28. Ковалев И.А., Боровков Ю.А. Основы расчета контурного взрывания /Известия ВУЗов, Геология и разведка, депон. в ВИНИТИ, №5671-81 1981.

29. Кольский Г. В. Волны напряжений в твердых телах. -М.: Ил, 1955.

30. Корсаков Л.Ф. Современные методы добычи блоков облицовочного камня в СССР и за рубежом /Обзорная информация, -М.: ВнииЭСМ, 1974, вып. 8.

31. Кузнецов В.М. О нестационарном распространении системы трещин в хрупком материале /Прикладная механика и техническая физика, t 1968, №2.

32. Кузнецов Г.В. Внедрение эффективных методов заоткоски уступов бортов карьеров в скальных породах /Горный журнал, 1980, №12, с. 1819.

33. Кутузов Б.Н., Крюков Г.М., Габдурахманов С.Б. Физика взрывного разрушения горных пород /Раздел 2. Теория взрыва и промышленные ВВ.-М.:1972.

34. Кушнарев Д.М. Применение шланговых зарядов для строительства каналов и траншей //Горный журнал, 1978, №4, с.45-48.

35. Кушнарев Д.М., Беликов М.П. Взрывные работы в гидромелиоративном и сельском строительстве. -М.: Стройиздат,1972.

36. Кузнецов В.М. Математические модели взрывного дела. -Новосибирск: Наука, 1977, с.260.

37. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. -М.: Наука, 1965.

38. Лангефорс У., Кяльстрсм Б. Современная техника взрывной отбойки горных пород. -М.: Наука, 1968.

39. Мартынюк П.А. Взаимодействие системы трещин Грифитса в упругохрупком материале /Прикладная механика и техническая физика, 1966, №5.

40. Мельников Н.В., Марченко Л.Н. Конструкция заряда как один из методов повышения полезного использования энергии взрывчатого вещества. В сб.: Совершенствование буровзрывных работ. -М.: Углетехпром, 1959.

41. Мельников Н.В., Марченко Л.И. Энергия взрывай конструкция заряда. -М.: Недра, 1964.

42. Методические указания по определению углов наклона бортов, откосов, уступов и отвалов строящихся и эксплуатируемых карьеров,-Л.: ВНИМИ, 1972, с. 14.

43. Методические указания по оценке механического состояния массива с помощью упругих волн. -М.: ИФЗ АНСССР, 1976, с.59.

44. Можаев Л.В. и др. Оценка нарушенности скального массива уступов Оленегорского карьера по трещинной пустотности //Горный журнал, 1977, №4, с.44-46.

45. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. -М.: Наука, 1966, с.707.

46. Нейштадт Л.И., Пирогов И.А. Методы инженерно-геологического изучения трещиноватости горных пород. -М.: Энергия, 1969, с.245.

47. Обеспечение устойчивости бортов карьеров цветной металлургии /Обзорная информация, Горное дело. ЦНИИЦВЕТМЕТ экономики и информации, М., вып.5, 1987, с.49.

48. Певзнер М.Е. Борьба с деформациями горных пород на карьерах. -М.: Недра, 1978, с.240.

49. Пионерийн-Эрдэнэцогт. Обоснование параметров камерной системы при отработке руд в прикарьерной зоне / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М.: РУДН, 1999, с. 152.

50. Пейн P.C., Холмс Д.К., Кларк Х.Е. Предотвращение перебора породы посредством предварительного щелеобразования по контуру выработки. В кн. Разрушение и механика горных пород. -М.: Госгортеиздат, 1962.

51. Перечень рекомендуемых промышленных взрывчатых материалов. -М.: 1977, с.45.

52. Поздняков Б.В., Климов П.Н., Шапиро В.Я. Составы ВВ и конструкции зарядов для гладкого взрывания //Горнай журнал, 1977, №4.

53. Покровский Г.И. О наибольшей дальности разлета камней при взрывах в породе. В сб.: Взрывное дело № 55/12. -М.: Недра, 1964, с.5-9.

54. Покровский Г.И. .Федоров И.С. Действие удара и взрыва в| деформируемых средах. -М.: Промстройиздат, 1957, с. 176.

55. Прогнозирование сейсмического эффекта при взрывании вблизи малоэтажных сооружений. Medcaris K.Ratiomal damage criteria for low-rise structures Subjecteol to blasting ground motins «Pit and Quarry», 1978, 70, №11, 96-99, 102-103.

56. Райнхарт Дж.С. Действие волн напряжений в горных породах. В сб.: Разрушение и механика горных пород. -М. :Госгортехиздат, 1962.

57. Ржевский В.В. Технология и комплексная механизация открытой разработки месторождений полезных ископаемых. -М.: Недра, 1972.

58. Ржевский В.В. Открытые горные работы. -М. -.Недра, 1985.

59. Садовский М.А. Простейшие приемы определения сейсмической опасности массовых взрывов. -M.-JL: АН СССР, 1949, с.9.

60. Сафонов J1.B., Кузнецов Г.В. Сейсмический эффект взрыва скважинныхIзарядов. -М: Наука, 1967, с.84-89.

61. Семигин Р.И. и др. Противодеформационные мероприятия на карьерах Гайского ГОКа //Горный журнал, 1979, №7, с. 18-20.

62. Смирнов А.В. и др. Технология заоткоски уступов в скальных породах ССГОКе //Горный журнал, 1976, №2, с.27-29.

63. Справочник взрывника /под редакцией проф., д.т.н. Кутузова Н.М.: Недра, 1988, с.283-285.

64. IV Symposium uber die Wiedernutzbarmachurg der durch die Industrie devastierten Territorien in Leipzig, 1970. Deutsche Akademie der Landwirschaftswissenschaften zu Berlin.

65. Технические правила ведения взрывных работ в энергетическом строительстве. -M.: Энергия, 1967, с.43.

66. Технические правила ведения взрывных работ на дневной поверхности. -М. Недра, 1972, с.240.

67. Технический проект расширения и реконструкции Ковдорского горнообогатительного комбината с комплексным использованием руд.

68. Технологическая часть. Горно-геологическая характеристика месторождения, горные работы и горно-механические установки. Книга 1. Пояснительная записка. Л.: Гипроруда, 1973.

69. Указания по применению технологии контурного взрывания в поземных гидротехнических сооружениях большого сечения. -М. Оргэнергострой, 1968, с.31.

70. Фисенко Г.Л., Ревазов М.А., Галустьян Э.Л. Укрепление откосов в карьерах. -М.: Недра, 1974, с.208.

71. Фарафонов В.П. Опыт разработки Гайского месторождения комбинированным способом /Горный журнал, 1984, №4, с. 13-15.

72. Ханукаев А.И. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом. -М.: Недра, 1974.

73. Хохряков B.C. Открытая разработка месторождений полезных ископаемых. -М.: Недра, 1962,

74. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. -М.:Недра, 1981, с. 192.

75. Эстеров Я.Х., Бродов Е.Ю., Иванов М.И. Буровзрывные работы на транспортном строительстве. -М.: Транспорт, 1983, с. 328.

76. Юхансон К., Персон П. Детонация взрывчатых веществ. -М.:Мир, 1973.

77. Денисов H.H. Исследование механизма разрушения горных пород и волновых процессов при действии взрыва на подземные сооружения /Автореферат диссертации на соиск. ученой степени канд.техн. наук. -Алма-Ата, ИГД, 1963.