автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Физико-техническое обоснование взрывного разрушения горных пород на карьерах с применением утилизируемых ВВ

РГБ ОД

1 1 МАР 1995

-------------------___________________На, правах„рукописи_

БЕЛИН Владимир Арнольдович

УДК 622.235

ФЙЗИКО-ТЕХНИЧЕСКООВОСНОВАНИЕ ВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА КАРЬЕРАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ УТИЛИЗИРУЕМЫХ ВВ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации пасоискание ученой степени -доктора технических наук

Москва 1996

Работа ¡вькполнена в Московском государственном горном университете.

Заслуженный деятель, науки и техники Российской Федерации 'профессор, доктор технических паук КУТУЗОВ Б. Н.

докт. техн. наук, проф. КОМАЩЕНКО В. И.,

Лауреат государственной премии СССР, докт. техн. наук ВИКТОРОВ С., Д.,

Лауреат премии Правительства РФ, докт. техн. наук БАРОН В. Л.

Ведущая организация — АОЗТ «Трансвзрывпром» г. Москва.

Защита диссертации состоится « » 1996 г.

в / Р. чае. на заседании диссертационного совета Д-053.12.06 при Московском государственном горном университете по адресу: Т17049, г. Москва, Ленинский проспект,, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан « <г-~. »

1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. БАКЛАШОВ И. В.

Общая хйржггерисшка ря(Ь>гм

4;ггузлы«>:гг!. проблем»;. Разпетс горчодоСыь.-иоших отрва.Рй промышг Pucc1 iH неразрывно связано с роэроаот:^ местооож1<9н«й полезны* иску ••

ОТКРЫТЫМ Г.ппппбпм Ппиим W4 няипппрй ЧНРПГПРМУМУ tinn /апг-г-уи! п гл 1,1« n'i'ui'i'JL I --

ММГПврмЫК является ВЗрЫВОПОДГОТОПК»? горной МОССЫ, которая РО МНОГОМ ОПр«Т"Ч&? эффекжвность и себестоимость добычи. От качества взрывной отбойки зависят

'»'>- -чты ряботы «с?- i "эхмог-огичосгого (.омппепсд и полноте ■•овпочонип оог; •.

Важным направлением совершзнствования пэоывных оабот на каоьеоах м-

»1ГТа I Ln ljn.1l Jtll Л 11 К М Ж1Н11НК1ИНКЫК Г1НПУ1)ГПГПРПВГЯ1П111М< тршпппгии ро-аГИ/1 I IÍSMMU

крупноблочных обводненных скальных горных пород. Решение этой проблемы : воэмоано без учета физико-техниччса'.х свойств рзрывнямьс; пород, их соппоти-влнемости действию взрыва, дэтонвц^.оннь:" и энергетических .".ерЕктеристг,; применяемых взрывчатых веществ (8B!. Основные резэрвы позышения эффокпта ;ост%; а:рызных работ на карьерах связаны о разработкой и приуонамиэм В9. хзрсглер:*-стики которых максимально соответствуют периметрам рвгрушрвмых ¡.«

í.. руд.

с.и'4,9т ига.йпгп.. что сушестпу.ощж» г-"0> •, :,к- ггм-у.то'лчиоьч-. <■'■'- >'<-■■'•-"■:•

т.- - изготорпо'^'п ■--.»■■ г.'« ■¡-.ое- --а]!- '■■ > ■

.,.,IV'| C'f ■! 'WOl-'X TI'.! ПН •-. ,<".' 'i !. U. ' pO- И». П."',

..чсЮг-Ц". -- h'fW."!; iifií'B •:•/.!,. ■- fi-.M, . .1,4 . ■. .«юн.!?

для открытых горных работ нзпосредственно кэ гор: предприятиях с испсл^aof -

•••• ' '---ü - ВЗ завадского изтог-.-п; г- •• >- .-л -. --•<. ... . • ¡ »,v t ¡ ведет к дополнительным затратам, которые можно исключить за счет исполы-с?««'..-. утилизируемых ВВ, извлекаемых из боеприпасоз с истекшим сроком хранений.

На основании изложенного в диссертационной работе была сформулирсвек-.

■ :,.vОВ гоот;;«,^--."/'"!'*""

сниженив затрат на взрывные работы и повышение их эффективности за счет использования утилизируемых ВВ.

Эта актуальная научная проблема может быть эффективно решена путем создания новых взрывчатых материалов из утилизируемых компонентов боеприпасов, теоретического и экспериментального обоснования критерия их взрывной эффективности в различных горно-геологических условиях.

Основой сырьевой бэзь) железорудной промышленности и цветной металлургии России являются месторождения, при разработке которых в процессе взрывной отбойки происходит значительное снижение качества полезных ископаемых из-за интенсивного перемешивания руд с вмещающими породами.

Кроме того, в рудах (железные, медные, полиметаллические и др.), содержащих примеси сульфидов, при применении ВВ на основе аммиачной селитры (АС) в последних возникают химические экзотермические реакции, которые приводят к аварийным ситуациям.

Настоящая диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям, позволяющим обосновать и разработать новые, исключающие указанные недостатки способы взрывного разрушения горных пород и технологии ведения взрывных работ на карьерах на основе применения утилизируемых взрывчатых материалов.

Практическую часть работы составляют результаты исследований, выполненных при непосредственном участии автора в рамках Федеральной программы "Конверсия" и "Конверсия и высокие технологии" Госкомвуза России.

Целью работы является установление закономерностей и обоснование параметров взрывного разрушения скальных горных пород для разработки способов взрывания массивов горных пород с использованием утилизируемых компонентов боеприпасов, обеспечивающих повышение эффективности взрывных работ, снижение потерь полезных ископаемых и повышение безопасности их добычи.

Идея работы состоит в обосновании и определении параметров зарядов ВВ с регулируемыми детонационными, энергетическими и технологическими характеристиками, изготавливаемых с использованием утилизируемых компонентов и обеспечивающих рациональное взрывное разрушение и перемещение скальных обводненных горных пород на карьерах.

Объекты н методы исследований. Объектами исследований являются месторождения черных и цветных металлов, разрабатываемые открытым способом, и заряды взрыачатых веществ, получаемые из утилизируемых компонентов боеприпасов.

При реализации идеи использовались методы математического и физического могл-лирования, математического программирования, статистического и физико-химического анализа.

I !аучные положений, выносимые на ннцкту:

- комплексный критерий эффективности (Е) взрывного разрушения горных пород утилизируемыми ВВ, з котором учтены сопротивляемость пооод взрыву (В), способы инициирования зарядов к плотность к-. зооч*;анмр (р) скорость ттчэьгч ВВ [О), удельные значения энергонвсыщенности (О) и газовыделения ВВ (V), позво-

м^Ьп^Ьаю каНо^ТВО щм&гёпИл ЬЗОрЬаипип { ороОу! шиииъи,

- закономерности дрооленин 'л перемещен-***' и;меш ъ» вэрые** н эи»^-си^ости от глубины рнссматриввемого слоя, наличия и мощности "зажимающей среды", энергетических и детонационных характеристик штатных и утилизируемых ВВ, физико-технических свойств массива, причем величина перемещения горной массы по высоте уступа изменяется по гиперболической зависимости с максимальным значением а верхней части уступа и минимальным -в нижнем;

- закономерность образования гранул тротила из капель расплава утилизируе-ж 9В на гремицв слэов двух жидкостей, учитывающая что размер гранул зависит в •.•л .овном от" плои «кли и вязкоеги х.идксстей в/};.-r-.ro м нижнего сиоея и претн^еехч ■г! :ш.'н:сит от первоначального размера кпгвпь

- получение гр&мупкроовкмыг про&ъаигсиш>.х 1.8 с эврсчсв зедвинымя круг-гронуп •> зэсызче* рффгжтияч'япьч; "л'* -»крувмь'» тратилого^рр*-*:!"»*

£-лтн*лзсов о соответствии с ре-зрвЗотгт'ым спэсЛзм гранулирования тро!Ип;

~ улучшение качестве дооЬпемич крупк^-."«»"»*»' герных перед за счет с:>; --чр(.ме^ИО! О вэрь-?') рГ<ССПвЯСТО"<.*н«чх ИлСрткЫЧ М1)ТС.ОИаЛОМ зарядов. выголмочк*. X из утилизируемых ВВ с мощным линейным инициатором и шахматным расположением их "встей в соседних скважинмых зоотгдпх, обг-.печиваюшпго создание щ.ир ж дэформвчий вблизи М.С.СКОС1НЙ. ССВДЧИЯГЩИХ ;"I.1 бП'1»ОЙШИ< 43CT.it> ?врПЛ.:г

- создание на контакте руды и вмещающих пород клинообразной (в поперечном сечении) демпфирующей зоны дробления за счет предварительного взрывп заряр^з, ^^"Л-'ЧгОКего^.'.Х п ЗОН''- ;> и •<!»!, гд, 'Т.3'5.0 !".■ МО • Г,■><■.'*>•■■ ;«<

и вмещ-.'^щих пород и улушкрд г,л чь-сп: 5 дро* п:;ния гор! «оЛ массы 1Ь ■ ГЧЗ" •

Обосноваииость и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- удовлетворительной сходимостью (погрешность не превышает 15%) результатов теоретических исследований дробления трещиноватых горных пород с данными, полученными при натурных опытных взрывах;

- качественным согласованием величины перемещения горной массы при взрыва на "подпорную стенку", рассчитанной на основа петромеханики, с результатами проведенных натурных опытно-промышленных взрывов и данными, приведенными в исследованиях других авторов:

- сопоставимостью результатов аналитических исследований процессов взрывного дробления горных пород с экспериментальными данными, полученными в производственных условиях;

- положительными результатами испытаний разработанных способов, техноло-(ий и рекомендаций по взрыванию и отработке рудных блоков.

Научное течение работы состоит в установлении закономерностей взрывного дробления и перемещения горной массы в зависимости от физико-технических свойств и состояния разрушаемого массива, физико-химических и детонационных характеристик ВВ, изготавливаемых из утилизируемых боеприпасов. Установленные закономерности также могут быть использованы при исследованиях действия взрыва в сложноструктурных массивах и оценке эффективными применения других типов ВВ.

Практическое значение работы заключается в разработке способов, рекомендаций и инструкций по взрыванию и отработка рудных блоков на сложноструктурных месторождениях с использованием утилизируемых ВВ. позволяющих эффективно управлять дроблением и перемещением горной массы рри взрыве, обеспечивать снижение потерь полезных ископеемых при добыче и повышение безопасности, а также в разработке алгоритма и пакета программ расчета параметров буровзрывных работ (БВР).

Реализация результатов работы. "Рекомендации по взрыванию и отработке рудных блоков' внедрены на Ковдорском ГОКе. Разработанная технология получения гранулированного тротила из утилизируемых боеприпасов принята в опытную эксплуатацию на заводе "Эластик". Опытная партия этого тротила (конвертола) выпущена Э в/ч 63661, Разработанный с участием автора гранулятор ГП-001 принят для производства конвертола в условиях предприятий в/ч 64176Н. "Инструкция по технологии заряжания скважин в сульфидосодержащих рудах на железорудных карьерах" внедрена на предприятиях Комитета РФ по металлургии. Результаты работы

внедрены на карьерах АООТ 'Лебединский ГОК", АООТ "Стойленский ГОК", АООТ "Карельский окатыш". Методика расчета параметров БВР и программный продукт использованы при проектировании БВР на АООТ "Лебединский ГОК". Экономический эффект от использования результатов диссертационной работы превышает 15 млрд руб/год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладыва лись на заседании Межведомственной комиссии по взрывному делу (1991 г.), VII' Всесоюзной конференции по физике горных пород и процессов (1981 г.), Между народном конгресса "Конверсия, неука и образование" (1993 г., г. Тула), Первой Российской научно-технической конференции "Кемпляксмпп утилизация обычных видов боеприпасов"(1995 г., г. Кросноэрмейсх), на технических совещаниях АООТ "Лебединский ГОК". АООТ "Ковдорский ГОК", АООТ "Оленегорский ГОК", АОЗТ "Павповскгранит", АОЗТ "Росстром", ТОПО "Роснеруд", в/ч 63661 , завода "Эластик", в/ч 64176Н, ПКТ "Разряд", АОЗТ "Нитро-взрыв", АОЗТ Трансвзрыапром". Мааньшаньском НИИ черной металлургии (КНР), на Международных российско-шведских курсах повышения квалификации инженеров-взрывников.?

Публикации. По тема диссертации опубликовано 27 работ, в том числа 1 патент.

Обгея раЯсты. Дяссертрция состоит из езодвмип, шести глав и звключ^т-я. изложенных на52^стра>1ицзх машинописного текст«, содержите рисунка ,¿L таблиц и список использованных источников из 131 наименования.

А:;тор рирвжоет глубокую благедзрмэзть ссэ^му уч!»гопю, научному консультанту, Заслуженному деятелю науки и твхии» v. РосскГскоА Федерации, проф, док.1 тохм наук Б.Н Kyrysosy, коппг-кпягу кг<ф«£ры Тозруи'чнив горных пород взрывом" МГГУ, коллегам по совместной работе: иьж В.О.Г«п».ину. ict.ii. в С.Никитичу, к.тн Д.Н.Мирошничеи*'0, проф. FJ.O.Hoorony, проф. В П.Тарвсонко, дач В А.Винмихосу, a также работникам организаций, воинских частей и горных предприятий за помощь в гсг-згеатг,™ з-сгсрмлектельных p¿5oi .

Оснсгког содграаня* работы

В настоящее время одной из важнейших залпч горной неуч* те*нм*и ггттг-

'">■■'.кг.1!>'й'>. К>£/р5Сс5чр*Г0<0<ДО«. эхологичвс«и ЧИ^П.-.- Г- > . ■г.1.,/, ■>,,■• • ^_>1__i.2.íiííí f wfMtbík ■ юрод на карьерах.

Большой вклад в развитие науки о взрывном разрушении горных пород внесли ученые Е.Г. Баранов, В.Л. Барон. Ф.А. Баум, С.Д. Викторов, O.E. Власов, Г.П. Демидюк, М.Ф. Друкованый, Э.И. Ефремов, Б.Н. Кутузов, В.Н. Мосинец, Г.И. Покровский. ВВ. Ржевский, В Н. Родионов. А.Ф. Суханов, В.П. Тарасенко, А.Н. Ханукаев, Б.П. Юматов, Г. Кольский, М. Кук, У. Лангефорс и др. Ими проведены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, позволившие выяснить различные аспекты действия взрыва в твердой среде, однако единой теории разрушения горных пород взрывом создать пока не удалось.

Это обьясняется тем, что массив горных пород является чрезвычайно сложным обьектом для строгого математического описания, а процесс разрушения горных пород взрывом зависит от большого числа факторов, доля которых в работу разрушения различна и изменяется в зависимости от поставленных перед взрывными работами задач (взрыв дробления, на выброс и т.д.) и конкретных горно-геологических и горнотехнологических условий.

Вместе с тем существуют нерешенные проблемы, обусловленные необходимостью повышения эффективности буровзрывного комплекса. Это связано с резким удорожанием взрывчатых материалов, углублением рабочих горизонтов карьеров, увеличением обводненности массивов, взрыванием в агрессивных сульфидосодер-жащих рудах, а также с необходимостью использования для ведения взрывных работ на карьерах более дешевых и эффективных ВВ, характеристики которых максимально соответствуют свойствам разрушаемых пород.

В связи с этим становится целесообразным использоввние для взрывных работ более дешевых и высокоэнергетических утилизируемых взрывчатых материалов (ВМ).

Значительный вклад в развитие этого направления горного дела внесли ученые В.А. Боровиков, В.В. Галкин, A.C. Державец. Л.В. Дубнов, Э.И. Ефремов, Б.П. Жуков, H.H. Казаков, В.И. Калацей, В.Х. Кантор, В.И. Комащенко, Г.М. Крюков. Б.Н. Кукиб, Б.Н. Кутузов, Г.И. Медведев, Б.А. Меньшиков, В.И. Пепекин, Н.Я, Репин. Ю.Г. Щукин и другие.

Проведенный анализ показал, что установление закономерностей взрывного разрушения обводненных скальных горных пород на карьерах и обоснование рациональных параметров зарядов ВВ, соответствующих разрушаемым горным породам и обеспечивающих снижение затрат на взрывные работы и повышение их эффективности за счет использования утилизируемых ВВ. представляет важную народнохозяйственную проблему. Сложность решения этой проблемы связана с

большим разнообразием конструкций боеприпасов, высокой взрыво-пожароопасностью их взрывчатых компонентов и отсутствием апробированных технологий переработки и рецептур промышленных ВВ, выполненных полностью или с частичным использованием утилизируемых ВВ. Имеющиеся разработки и опыт использования таких ВВ в основном относятся к применению элементов боеприпасов без их существенного передела и глубокой переработки. Кроме того, следует отметить, что имеющиеся технологии переработки боеприпасов и рецептуры утилизируй мых ВВ недостаточно полно отвечают задачам горного производства.

Цель настоящей работы - установление закономерностей и обоснование параметров взрывного разрушения скальных горных пород для разработки способов взрывания массивов горных пород с использованием утилизируемых компонентов боеприпасов, обеспечивающих повышение эффективности взрывных работ, снижение потерь полезных ископаемых и повышение безопасности их добычи.

Для достижения поставленной цели требуется решить ряд основных задач:

- установить основные закономерности влияния параметров взрывных работ и физико-технических свойств массива на. интенсивности взрывного дробления и пе-

, ремещения горной массы:

- разработать эффективные способы взрывания, позволяющие улучшить качество дробления горной мессы и повысить полноту извлечения полезных ископаемых;

- разработать методику расчета пврпметроз взрывных работ для сложно-структурных рудных массивов, обеспечивающую заданное качество дробления горной массы;

- выбрать наиболее технологичные методы получения информации о структурных характеристиках и механических свскстЕах массиаао горных пород;

- разработать аппаратурный метод оценки крепости и треимчоватост!? ои<вд горных пород;

и;хзоеси1 исследования и усшссцить закономерности получения гранул утилизируемых ВВ заранее заданных размеров;

- разработать технологию получения промышленных ВВ из утилизируемых

гг^йсст^ «омгик^сиыс иссяед'эвпмич утилизируемых ВВ.

- разработать рецептуры нпвкк промышленных ио с мспояьзсзе»'»»ч> у ¿¡к. .•. "■л ••■■•.,.<. п-.-рохоз и смесррыхтвердыу рекетных топлил'

- ¿ззрзСготзгь критерий эффективности применяемых утилизируемых ВВ;

-8- экспериментально проверить полученные аналитические зависимости, выводы и рекомендации;

- установить эффективность разработанных способов и рекомендаций.

При решении поставленных задач использовался комплексный метод экспериментальных и теоретических исследований, включающий:

- анализ и обобщение существующих методов управления процессами дробления и перемещения горной массы при взрыва;

- аналитические исследования процесса дробления и перемещения блочного массива при взрыве с использованием методов теории упругости и механики грунтов;

- аналитические исследования процесса разрушения отдельностей при взрыве с учетом сил зацепления;

- лабораторные исследования влияния естественной трещиноеатости и материала заполнителя трещин на размер зоны трещинообразования с использованием сигнальных линий и электронной аппаратуры;

- натурные экспериментальные исследования процессов дробления и перемещения горной массы при взрыва с использованием маркшейдерских приборов, глубинных и поверхностных маркирующих элементов;

- анализ и обобщение существующих методов извлечения ВВ из боеприпасов;

- аналитические и лабораторные исследования процессов образования гранул из плавких компонентов (тротила);

- лабораторные исследования физико-химических и детонационных характеристик утилизируемых ВВ;

- анализ и обработку результатов экспериментальных данных с помощью ме-тодоз математической статистики и корреляционного анализа;

- промышленные испытания предложенных способов управления дроблением массива и перемещением горной массы при взрыве;

- техникр-экономическое сравнение разработанных, рекомендованных к внедрению и применяющихся на практика способбв взрывания.

Анализ известных технических решений и технологий БВР показал, что для получения рациональной степени дробления горной массы необходимо использовать ВВ, скорость детонации которых соответствует скорости распространения продольных волн в массиве горных пород.

При этом следует отметить, что скорость продольных волн существенно зависит от трещиноватости и пористости пород. Присутствие в пористых породах водного

эаполнителя вместо газообразного приводит к увеличению скорости продольных волн в 3+5 раз.

Имеющийся опыт ведения взрывных работ показывает, что существующие промышленные водоустойчивые взрывчатые вещества заводского изготовления имеют практически одинаковые характеристики, в отличий по скорости детонации не превышает 25 %.

Сопоставляя имеющиеся данные, можно сделать вывод что существующий

ассортимент ВВ соответствует, в основном, породам и рудам средней и высокой крепости. Для горных пород с низкими скоростями распространения продольных волн необходимо использование ВВ со скоростью детонации 2+3,5 км/с, которые прзк тически не выпускаются. Это приводит к низкому коэффициенту полезного испопь зования действия взрыва, к переизмельчению породы в ближайшей от заряда зоне и недостаточному дроблению горной массы в целом по блоку. При разработке строительных материалов на щебень (гранита, мрамора, известняка, доломита и др.) и использовании ВВ заводского изготовления наблюдается выход переизмельченных (некондиционных) фракций до 25+30%, что существенно ухудшает технико-экономические показатели добычи.

Для того чтобы наилучшим образом подобреть ВВ для взрывания конкретной горной породы, можно использовать ВВ с повышенным содержанием компонентов с низкой скоростью детонации (например, аммиачную селитру), но такие ВВ не имеют необходимую водоустойчивость.

Регулирование скорости детонации гранулированных тротилосодержащих ВВ наиболее целесообразно путем изменения гранулометрического состава ВВ и плотности заряжания шпуров и скважин.

Однако штатные ВВ паводсксо изгиювленич выпускаются в соответствии с техническими условиями и с четко фиксированными характеристиками. Перерабатывать такие ВВ нецелесообразно, так как и* стоимость в иенах 1995 года уже превысила 5,5+6,5 млн. руб/т

Исследования, проведенные с участием автора данной работы, показали, что получение ВВ с заранее заданными энергетическими и детонеционными хвректсри -птикоми роэможно путем использовония утилизируемых взрывчатых хомпон' шов боеприпасов с истекшими сроками хранения. При этом извлекаемые из боаприпвсон взрывчатые вещества имеют различный химический соствв и саойстпя

-10В нестоящей работе рассмотрены средства и способы переработки тротило-содержащих боеприпасов, смесевых ракетных твердых топлив (СРТТ), пироксилиновых порохов и других взрывчатых компонентов, которые после соответствующей переработки можно эффективно использовать для взрывания горных пород с различными физико-техническими характеристиками. Утилизируемые ВВ можно использовать как самостоятельное ВВ или в качестве энергетических добавок в другие ВВ. Области их применения также явились предметом исследований автора, результаты которых приведены ниже.

В связи с конверсией и утилизацией специзделий непосредственно в местах хранения возникла необходимость создания небольших по размерам и очень простых грануляторов для переработки утилизируемого тротила в гранулотол. Учитывая ограниченные производственные возможности воинских частей по расснаряжению боеприпасов, была поставлена задача по разработке новой технологии гранулирования тротила непосредственно в местах хранения боеприпасов без использования многочисленного вспомогательного оборудования.

Имеющийся у автора опыт научных исследований в области технологии переработки боеприпасов, создания и использования гранулированных, водосодержащих и эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) позволил принять решение по разработке нового гранулятора тротила по нетрадиционной схеме.

Экспериментальным путем исследовался процесс гранулирования расплавленного тротила в воде и других жидкостях. Обнаружено, что при падении капли расплава в воду с небольшой высоты и ударе о поверхность воды капля расплава сплющивается, превращается в тоненькую лепешку и застывает в таком виде. Никакой гранулы при этом не образовывалось, в вода покрывалась тонкими чешуйками застывшего продукте.

При падении капли расплава в уайт-спирит или минеральное масло, налитое на поверхность воды, образовывалась гранула сферической формы.

Далее было обнаружено явление автоматического формирования на границе поверхностей двух жидкостей гранул нужного размера из нескольких капель расплава, падающих в одну точку.

Установлено, что размер грану/1 звёИсйт от состава жидкостей и параметров слоя буферной жидкости и практически Йё зависит от первоначального размера капель. Гранулы, образующиеся на ГраНЙЦё Ййух жидкостей, покрыты слоем буферной жидкости и не содержат в0Дь1. НрЬ'стоту процесса и его склонность к са-

морегулированию. было рёшено йсШтЬЗоё'ать обнаруженное явление для создания

новой технологии гранулирования тротила, получаемого из утилизируемых боепри пасов. Чтобы избежвть применение плавильников, насосов и других устройств, бып использован способ прямого плавления кускового тротила на теплообменных трубки*, расположенных параллельно друг другу. При этом весь расплавленный тротил стекает по трубкам вниз и капает в буферную жидкость, т.е. непосредственно сразу подается на гранулирование. Это решение исключает накопление расплавленного тротила, позволяет обойтись без сложных плавильников, фильтров, насосов и т.п., что значительно упрощает гранулятор, повышает его надежность и безопасность.

Центральным звеном предлагаемой технологической схемы является процесс формирования гранулы на поверхности раздела двух жидкостей, так как именно о г него зависят основные параметры готового продукта. Поэтому основное внимание было уделено исследованию явлений, протекающих в ходе этого процесса.

Процесс формирования гранулы не границе двух жидкостей иллюстрируется рис. 1. Экспериментальные исследования показали, что поверхность раздела двух специально подобранных жидкостей является эффективным накопителем и сепаратором. Капли, размер которых меньше заданного, удерживаются на поверхности ргэделэ за счет сил поверхностного нвтяжем«».

Уравнений движения гранулы черээ поверхность раздела буферной и охлаж-дающзй жидкостей может бьтть записано в следующем виде:

гдч - маем гранулы;

/■дая - сила поверхностного нэтя:кзнип;

- сило реакции кппли;

- сила тяжести, действующая на гранулу.

Диаметр гранулы, формирующееся но поверхности, опре»о/«*егся оьгч<"«м« '<

и -г -я

' ' <»р ^ Л я о е 'гг. гхк •

(1)

где - размерный коэффициент, определяемый экспериментально,

а - коэффициент поверхностного иатпъяния;

р^ро-плотность рай-лева трап-иг ч :*идюсп%

Я - ускирСПИ!.; сообокнс! О ПОГ,'-! «•-.

Рис. 1. Формирование гранулы конвертола на граница двух жидкостей:

1 - буферная жидкость;

2 - охлаждающая жидкость;.

3 - граница раздела двух жидкостей;

4 - капля расплава тротила;

5 - гранула

Основной характеристикой гранулятора, которая закладывается в основу методики его расчета, является годовая производительность. Технико-экономический анализ показал, что грануляторы предложенного типе целесообразно иепользозоть на предприятиях с малым обьемом производства, до 600+1000 т продукта в год. При этом оптимальные параметры по эксплуатационным критериям будут иметь грануляторы производительностью до 200 т в год. Для достижения большей производительности целесообразно использовать несколько отдельных агрегатов.

Разработанные способ гранулирования и устройство для гранулирования разнообразных легкоплавких материалов (тротила, серы, парафина, воска и др.] на -правлены на решение задачи получения гранул заданных размеров и формы. Достигаемый при этом технический результат состоит в повышении однородности гранулометрического состава, приближении формы гранул к сферической и увеличении их крупности (до 20 мм).

Получение гранул различного размера может быть достигнуто путем изменения плотности и вязкости жидкости верхнего буферного слоя и (или) жидкости нижнего, основного слоя. Это позволяет осуществлять регулирование размера гранул и получать гранулы заданного размера в одном и том же технологическом процессе и на том же оборудовании, что дополнительно повышает эффективность способа и устройства.

Система разгрузки и отделения гранул от жидкости в виде транспортера - драги с сетчатыми или решетчатыми скребками позволяет дополнительно упростить устройство, повысить его надежность за счет исключения возможности образования пробок и снизить росход жидкой охлаждающей среды '

Результаты работы по выпуску опытной партии хонвертогю покезвли, что на разработанном гранулпторе можно получать гранулы диаметром от 1 до 20 мм. При лебораторно-полигонных испытаниях было выяснено, что в зависимости от размера гранул можно плавно регулировать платность заряжания В8 в* Диаметрах заряда 40+400мм в предепех от 0,72 до 1,05 г/смэ.

Знание объвмно-плотностных характеристик скважинны/ из грану-

лированных ВВ и возможных пределов их изменения имеет йаУ^Ьв практическое значение, так как позволяет регулировать параметры зарядов, тё&юлогию их формирования и эффективность применения, особенно в обводненных' условиях, когда часть гранул имеет возможность некоторое время находиться в войй йь взвешенном состоянии (мелкие и разбитые гранулы). Кроме того, плотность заряда и обьам пустот существенно влияют на величину обьемной энергии заряда и его детонационные

свойства. За счет более компактной укладки гранул увеличивается масса вещества в единице объема, и наоборот.

Проведанные экспериментальные исследования показали:

- по контролируемым физико-химическим показателям конвертол находится на уровне гранулотола высшей категории качества;

- по показателям, характеризующим безопасность применения, хранения и транспортирования, конвертол соответствует аналогичным показателям гранулотола;

- конвертол. в сравнении с. фанулотолом, обладает более высокими значениями критического диаметра детонации и критической скоростью вследствие наличия в его составе большого количества гранул с размерами частиц 5+7мм;

- по своим. детонационным характеристикам конвертол не уступает грану-лотолу. Максимальные значения скоростей детонации достигаются, как и у гранулотола. в диаметре заряда до 10Омм;

- по показателю относительной работоспособности как в сухом, так и в водо-налолненном состоянии конвертол находится на уровне гранулотола.

Проведенные испытания и теоретические расчеты основных детонационных и энергетических характеристик показали существенное влияние плотности заряжания и взрываемости пород на эффективность применения конвертсша и полученных с его использованием ВВ.

Для обеспечения высокой эффективности и безопасности взрывных работ утилизируемые ВВ должны отвечать целому ряду следующих требований: высокие энергетические и детонационные характеристики, определяющие их работоспособность и эффективность использования в заданных условиях; безотказность и полнота детонации; регулируемая плотность заряжания, сшлучесть, водоустойчивость, потоплиамость, физическая стабильность, сохранность своих свойств при хранении и применении; безопасность применения, хранения и транспортирования.

Основными показателями ВВ, в наибольшей мере влияющими но уровень энергоемкости взрывного разрушения горных пород, являются теплота (энергия! и полная идеальная работа взрыва, объемная концентрация энергии, детонационное давление, давление газообразных продуктов взрыва в скважине, скорость детонации и мощность ВВ.

Поэтому для объективной оценки эффективности утилизируемых ВВ разработан комплексный критерий эффективности (Е). Критерий связывает как свойства самого утилизируемого ВВ, так и свойства разрушаемых пород позволяет с доста-

точной точностью прогнозировать способность утилизируемого ВВ к эффективному дроблению и перемещению разрушаемых горных пород и определяется выражением

£>„,, О. - скорости детонации эталонного и испытуемого ВВ; С?™. (?« - объемные концентрации энергии при взрыве эталонного и испытуемого

Р-т. А ~ плотности заряжания эталонного и испытуемого ВВ;

Рт Р.-давление продуктов детонации в зарядной полости при взрыве зта-

Из анализа критерия [ 3 ] следует, что если Е < 1, то испытуемое утилизируемое ВВ более эффективно, чем эталонное промышленное ВВ.

В результате экспериментальных исследований были определены зависимости плотности заряжания конвертола от размера гранул (рис. 9), которые позволили оценить эффективность применения утилизируемых гранулированных ВВ в различных , горно-геологических условиях. Зависимость скорости детонации конвертола от плотности заряжания поквзвнв на рис. 3.

Оценка эффективности применения нодосодержащих ВВ, изготавливаемых с использованием утилизируемых ВВ. связана с определением объемной концентрации энергии, выделяемой при взрыве зарядов ВВ различного состава и процентного содержания компонентов.

Анализ критерия эффективности также показывает, что при взрыве в идежич ных горно-геологических условиях эффективность применения ВВ тем выше, чем выше его энергетические и детонационные характеристики.

При равной удельной энергии взрыва и плотности заряжания критерий эффек тивности становится функцией скорости детонации, что подтверждает эффективность использования составов водосодержащих ВВ с утилизируемыми компонентами, имеющими скорость детонации выше, чем у промышленных ВВ.

Поэтому одной из важных практических задач является использование у!или зирувмых баллиститных порохов и смесеоых ракетных твердых топлив (СРТГ) в не родном хозяйстве. Обычно пороха после длительного хранения заметно теряю' свои эксплуатационные свойства и подвергаются уничтожению путем сжигания

13)

где 5 - параметр, учитывающий сопротивляемость пород действию взрыва;

ВВ;

лонного и испытуемого ВВ.

Рис. 2. Зависимость плотности заряжания (р) цонвертола от размера гранул (I):

1 - диаметр заряда 40 мм;

2 - диаметр заряда 105 мм;

3 - диаметр заряда 250 мм

í>, «Wo

e.o

»,o

1 i Isí у

* 1 1 ^^^

0,85 0,8 0,86 1,0 1,0Б^>, г/см

Рис. 3. Зависимость скорости детонации (О) конаертола от плотности заряжания (р):

1 - экспериментальные данные;

2 - расчетные значения

Использование в народном хозяйстве порохов с истекшими сроками хранения и порохов из расснвряжеемых боеприпасов выдвигает ряд научных проблем, тре -бующих детального изучения.

Исследования зависимости скорости детонации от начальной плотности рас смзтрис2емь!х псрохсз, тротила и с.тгогснз покозгля, тто скорости дзтс"ец;«1 пссх рассматриваемы* составов лежат примерно посередине между значениями для одного из наиболее мощных В8 - октогена и штатного ВВ - тротила.

В связи с образованием при взрыва порохов свободного углерода улучшение их детонационных характеристик можно достичь добавлением к ним компонентов с положительным кислородным балансом, например аммиачной сел игры. Иппппцяпяя-ние »¿миачней селитры в качеств« вебески к порогам позпопгвт сущ-стввмко повысить скорость их детонации и приблизить ее значение в максимуме к скорости детонации октогена.

Повышения безопасности взрывчатых систем не основа порохов можно достичь путам использования флегматизатороз. Эффективным флегматизирующим агентом является вода, тем более что водосодержащие ВВ (ВВВ) известны и широко используются. Заполняя пустоты между частицами сыпучих ВВ, вода повышает их

плотность, придает системе текучесть и пластичность. До"евки воды способствуют снижению критического диаметра БВ, повышению скорости детонации и бризвнтного действия взрыэе. снижению чувствительности к мзханическим воздействиям Всг.едсю(*ч рзстворения селитры в рода пространстве между частицами ВВ заполняется насыщенным раствором с ппотностью около 1 3 г/смэ . бпегодеря чему при содержании поды 5» 15 % средняя плотность водосодержащих ВВ существенно по вышается.

Изменение объемной концвнтроции энергии ВВВ в зависимости от содержания крошки Chi i и зерненого пироксилинового пороха представлено на рис. 4.

Из графических зависимостей видно, что существуют оптимальные содержа -нип СР7Т и зерненого пироксилинового пороха (29,5+31%) и составе BGB. готорыв соответствуют нулевому кислородному балансу. При нулевом кислородном балансе имеет место максимальная энергия взрыва, которая полностью соответствует гнергвтическим характеристикам вкаатола Т-20, но в езязн с там; что скорости детонации утилизируемых компонентов выша, чем у тротила, то скорости детонации ВВВ с этими компонентами выше, чем у акватолов.

о,

кДж/кг

4000

8000

/У* \ 42 X4

20 »0 40 90 60

7.

Рис. 4. Зависимость теплоты взрыва (О) водосодержащих ВВ с утилизируемыми компонентами от содержания горючих составляющих:

1 - крошка СРТТ; • В - зерненый пироксилиновый порох

Испытания акаатолов, в которых вместо тротила используется крошка СРТТ или зерненый пироксилиновый порох, показали, что работоспособность таких составов на 1 СМ 5 % выше, чем у обычных акватолов.

Проведенные исследования выявили, что пироксилиновый порох имеет высо кую способность к возбуждению очагов взрыва и низкую способность к распространению взрывчатого превращения из очагов, возникающих при механических воздействиях. Составы, содержащие порох, имеют такую же высокую способность к возбуждению очагов взрыва, как у пороха.

На основании полученных результатов при участии автора были разработаны рецептуры новых водосодержвщих ВВ с использованием утилизируемых компонентов боеприпасов, обеспечивающие необходимый уровень безопасности и чувствительности к механическим воздействиям.

В отличие от известных составов ВВВ, включающих энергетическую добавку, , нитрат натрия, полиакриламид и воду, в рвэработанном составе в качестве энергетической добавки вводится смесевое ракетное твердое топливо лри следующем со -отношении компонентов, мас.%:

Разработан также состав ВВВ, в число компонентов которого дополнительно введен нитрат аммония (аммиачная селитра).

Наличие в составе СРТТ перхлората аммония и октогена предопределяй! их высокую чувствительность к тепловым и механическим воздействиям и токсичнисть. По этим причинам снятые с вооружения СРТТ не могут самостоятельно использоваться в качестве взрывчатых составов без дополнительной переработки. В то же время водоустойчивость и высокие энергетические херактеристики [теплота взрыва на уровне алюмотола) и параметры детонации (скорость детонации достигает 7,0 км/с) СРТТ представляют большой практический интерес для использования их в качестве компонента взрывчатых составов.

Использование водосодержащих и эмульсионных ВВ при взрывании крепких горных пород является эффективным, а при использовании утилизируемых компонентов затраты на взрывоподготовку существенно снижаются.

СРТТ

40.85...64.71

19,07.39,93 0,49.0,92 11,28... 21,43

нитрат натрия

полиакриламид

вода

Безоткезность действия, улучшение взрывчатых характеристик, в частности повышение теплоты взрыва, плотности и объемной концентрации энергии, экологическая чистота продуктов взрыва обеспечиваются указанными ингредиентвми и их содержанием в составе.

Наиболее часто ВВВ и ЭВВ используются при отбойка железных руд, которые содержат примеси сульфидов от долей до нескольких процентов. Опыт использования таких составов показал, что в определенных условиях их применение может привести к аварийным ситуациям. На ряда предприятий (АООТ "Стойленский ГОК". АООТ "Лебединский ГОК", ССГОК и др.) в скважинах происходили химические реакции взаимодействия ВВВ с сульфидами. Видимые признаки реакции проявлялись через 3060 минут в виде выделения паров, газов, в в отдельных случаях бурых газов с резким запахом (очевидно, оксиды взота). На карьере ССГОКа, кроме того, наблюдалось в некоторых скважинах выбрасывание ДШ и боевиков, а также незастывших компонентов акватолов.

Учитывая имевшие место факты экзотермического взаимодействия зарядов акватола с сульфидами в скважинах, Госгортвхнадзор России резко ограничил с 1993 г. использование горячих акватолов в рудах, содержащих включение сульфидов, т.е. по существу приостановил использование этих типов ВВ на железорудных карьерах. Поэтому возникла необходимость разработки безопасной технологии использования горячельющихся ВВ типа акватол в агрессионых средах сульфидосо-держащих руд

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что для начала реакции взаимодействия сульфидоа с зарядом необходимы следующие условия: определенная степень минерализованное™ пиритом, достаточная масса руды, контактирующей с аммиачной селитрой, повышенная температура и кислая среда.

• Наиболее вероятным является взаимодействие раствора аммиачной селитры (составной части акватола Т-20) с буровым шламом. Жидкая консистенция акватола Т-20, его плотность, значительно превышающая плотность воды, и нагнетание на дно скважины с большой скоростью (более 2.5 м/с) способствуют взмучиванию бурового шлама и перемешиванию его с зарядом. В результате образуются локальные участки, в которых концентрация реагирующих веществ достигает оптимальной для возникновения реакций, а большая поверхность контакте, обусловленная мелкодисперсными частицами бурового шлама, способствует развитию реакций.

Наличие свободной азотной кислоты в растворе в сочетании с высокой температурой и достаточной концентрацией реагирующих веществ приводит к взаимодействию сульфидов с аммиачной селитрой. Реакция развивается ввтокаталитиче-ски с интенсивным выделением тепла и окислов азота.

Отсюда следует, что одним из основных способов предупреждения химического взаимодействия ВВВ типа акватол Т-20 с сульфидами является нейтрализация раствора аммиачной селитры Это подтверждается отсутствием реакций при ис-. пользовании о качества загустителя натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ). которая содержит кроме основного продукта карбонат натрия и едкий натрий. Эти веществ« имеют сильно выраженную щелочную реакцию и нейтрализуют азотную кислоту в растворе, Так, рН 60-процентных растворов аммиачной селитры с содержанием КМЦ 1 +2 % находится в пределах 6,6+6,8.

В отличие от КМЦ полиакриламид, используемый также в качестве загустителя для ВВВ, на имеет щелочной реакции. Этим можно объяснить тот факт, что все случаи реакций в скважинах на Сарбайском карьере относятся к акватолу Т-20 с полиакриламидом.

Снижение концшггрпции азотной кислоты в растворе аммиачной сапитры может бьль достигнуто также введением в него углекислого натрия, углекислог о кальция, гашеной извести и других ингибиторов.

Лабораторные испытания влияния углекислого натрия на характер взаимодействия измельченного бурового шлама с раствором аммиачной селитры показали что при одинаковой интенсивности нагрева температура в сосуде с ингибиторим через 2 часа была на 18° ниже, чем в сосуда без ингибитора. В сосуде баз ингибитора наблюдалось также обильное пеновыделение. Эти факты свидетельствуют о наличии реакции в смеси без интобитора, в результате которой выделяется дополнительное тепло.

Таким образом, введение в состав акватола Т-20 ингибиторов, нейтрализующих азотную кислоту, предотвращает возникновение реакций. Однако ряд других недостатков акватола Т-20 не позволяет реализовать его потенциальные возможности и существенно снижает эффективность его применения.

Для определения параметров взаимодействия раствора аммиачной селитры с сульфидными рудами при участии автора были проведены лабораторно-полигснт® исследования для условий железорудных карьеров.

Испьгтвния проводились по методике, разработанной в МГГУ, которая включает изучение интенсивности взаимодействия горячего водного насыщенного раствора аммиачной селитры на границе контакта с буровым шламом и при механическом их смешении.

По результатам испытаний установлено, что наиболее вероятной причиной возникновения экзотермической реакции и образования разогретого очага в сква-жинном заряде является взаимодействие горячего ВВВ с буровой мелочью, расположенной на дна скважины и содержащей, как правило, повышенное содержание пирита. Реакционная способность пиритосодержащей буровой мелочи резко возрастает, если в процессе подачи горячего ВВВ по шлангу на дно скважины происходит размывание буровой мелочи и вовлечение ее в массу заряда. При этом частицы пирита буровой мелочи со всех сторон окружены горячим ВВВ, быстро разогреваются и вступают в реакцию с раствором селитры ВВВ.

С учетом проведенных исследований была разработана технология заряжания, которая исключает попадание в горячий заряд акватола частиц буровой мелочи.

Для исключения контакта между буровой мелочью, расположенной на дне скважины, и горячим ВВВ в скважине создают инертный слой-пробку высотой 0,3+0,4 м. Пробка может быть однослойная или двухслойная из инертных к пириту материалов. В качестве материалов для создания инертного слоя-пробки рекомендуется применять песок, буровую мелочь, не содержащую включения сульфидов, отходы обогатительных фабрик, гранулотол.

Преимущества породных слоев-пробок заключаются в большей плотности материала (2,2+2,3 г/см3) по сравнению с гранулотолом (плотность гранул 1.54+1.59 г/см3), а также в большем сцеплении между частицами породной мелочи по сравнению с округлыми гранулами тротила.

Следует отметить, что использование ВВВ с добавками СРТТ позволяет снизить температуру заряда до 60-70РС и существенно уменьшить вероятность возникновения реакции'взаимодействия ВВВ с сульфидосодержащими рудами. Последовательность заряжания блока должна быть такой, чтобы участки блока с повышенным содержанием пирита заряжались в последнюю очередь.

Предложенная технология принята к использованию при взрывании в суль-фидосодержащих рудах на железорудных карьерах России.

Анализ современных теоретических представлений о процессах, происходящих при разрушении горных пород взрывом, а также проведенные теоретические ис-

следования позволили выявить основные предпосылки для постановки экспериментальных исследований, направленных на достижение рациональных параметров взрывания в сложноструктурных массивах на базе комплексного учета свойств пород и структурных особенностей массива с применением утилизируемых ВВ.

В.В. Ржевским, Г.Я. Новиком показано, что в общем случае трудность рвэруше-

\

ния при бурении и взрывании определяется одними и теми же показателями: преде лом прочности на сжатие (осж ); пределом прочности на растяжение I a? J и пределом прочности на сдвиг ( т ). Следовательно, знание затрат энергии на бурение позволяет определить на корреляционном уровне затраты энергии на взрывание. Отсюда следует, что энергоемкость шерошечного бурения может служить комплексным показателем. количественно оценивающим буримость и взрываемость исследуемых горных пород.

Все это послужило автору основанием для проведения широких экспериментальных исследований энергоемкости шарошечного бурения в различных горногеологических условиях на четырех сложноструктурных месторождениях - Златоуст-Беловском Северо-Джезказганского рудника, карьерах Средней Азии (Мурунтау) и Забайкальского ГОКа, а также на руднике "Железный" Ковдорского ГОКа

Исследования производились нз станках СБШ-250 и СБШ-250 МН при бурении долотами типа 2430КП, 244.50КП и 2690КП. В качества регистрирующей аппаратуры использовались самопишущие ваттметры Н-348, Н-354 с различными скоростями протяжки ленты и аппаратура "Прогноз-1".

В результате обработки полученных экспериментальных денных установлена

зависимость удельной энергоемкости е от крепости пород f:

е = 0,6exp(0,233f). (4)

Корреляционное отношение г = 0,9310,04.

Грзнкци интервалов удсли-ioft знярговмхост бурснш для различных пород приведены в тпбл. 1.

Изучение энергоемкости бурения также показало, что существует тесная корреляционная связь между содержанием магнетита в комплексных железных рудах и удельной энергоемкостью бурения.

Исследования, проведенные на Ковдорском ГОКе, показали, что существует зависимость содержания железа от размера естественных отдяльностей в массиве. Данное обстоятельство позволило нам разработать программу расчета крепости и трещиноватости железорудного массива по показателю удельной энергоемкости бу -

Таблица1

Породы Коэффициент крепости Г Удельная энергоемкость бурения

линейная, МДж/м объемная, МДж/м'

Красный песчаник (СДР) 8-10 5,5-6,2 112-126

Серый песчаник (СДР) 14-16 22,3-24 453-483

Апатит-магнетитовая руда (Ковдорский ГОК) 8-11 6-7 127-143

Ийолит (Коедерскнй ГОК)1 12-14 11-12,5 229-258

Маложелеэистые комплексные руды (Ковдорский ГОК) 8-12 9-10 181-210

Руда аномальной' зоны (Ковдорский ГОК) 8-14 12-14 262-293

Углистый сланец* (Забайкальский ГОК) 4-6 2-3 49-61

Пегматит (Забайкалиамй ГОК) 10-12 8,8-9,6 181-195

Красноцветный алевролит (Мурунтау) 4-6 1.9-2,1 40-43

Окварцованный алевролит (Мурунтау) 6-8 3-3,4 62-69

рения. Следовательно, показатель е может являться представительной информационной характеристикой1 массива, которую можно успешно использовать для проектирования рациональных параметров взрывных работ.

Анализ диаграмм энергоемкости процесса бурения позволил установить надежную корреляционную связь (коэффициент корреляции /■=0,8910,021) между приведенной частотой низкочастотных колебаний (п 2 2+3 Гц) энергоемкости бурения с большой амплитудой и удельной трещиноватостью массива X:

л = 3,048 + 5,0141пХ, (5)

где л-частота низкочастотных колебаний энергоемкости бурения, приведенная к 1 м скважины.

Было также установлено, что на диаграммах уровень записи связан с прочностными характеристиками горных пород. Это послужило основанием для разработки

принципивльной схемы устройства определения крепости и трещиноватости горных пород в процессе бурения. В основу схемы заложена идея разделения сигнала энергоемкости бурения на две составляющие, одна из которых характеризует крепость, другая - трещинозатость массива. Характерной особенностью предложенной схемы является то, что анализу подвергается полезный сигнал, получаемый непосредственно из технологического процесса бурения взрывных скважин.

Проведенные исследования показали, что взрываемый блок сложноструктур-ного месторождения имеет сильно изменяющиеся в плане и по глубина характеристики и взрываемость.

На действующих кярьерах применяется мзстноя классификация пород по взрываемости, согласно которой каждому типу пород соответствует определенное значение расчетного удельного расхода взрывчатых веществ. Расчетный расход ВВ, диаметр скважин и высота уступа позволяют по предложенной методике определить базовые параметры взрывных работ: расстояния между скважинами и их рядами; значение линии сопротивления по подошве; величину заряда ВВ и т.д. Эти параметры легко рассчитываются для каждого типа однородных пород но для сложноструктурных месторождений возникают трудности и ошибки при расчете, что в конечном итога приводит к неудовлетворительному качеству дробления породы или к увеличению ширины развала горной массы.

В связи с этим нами разработан метод расчета параметров БВР, отличающийся от известных тем, что в нем учитывается строение сложноструктурных массивов горных пород.

Для практического использования достаточно применять местную классификацию, состоящую из трех-четырех основных категорий пород.

Присвоив соответствующим параметрам БВР индексы ¡; ¡; к...а определим суммарный заряд ВВ на взрываемый блок:

где 2 - суммарный заряд ВВ;

V - объем взрываемого блока; с¡, су, сх - процентное содержание соответствующей категории пород в общем обьеме V;

Ч,. ц,, (/л. - расчетный удельный расход ВВ соответствующей категории взры-

ввемых пород.

Тогда средний удельный расход по блоку:

Далее в зависимости от типа пород, слагающих подошву уступе, определяется сетка расположения скважинных зарядов ВВ. Для определения величины заряда ВВ в скважине вводится обозначение:

Ц}бч-1«<р

Моб ир-Д?-• I0'

где М0 а щ - относительная длина звряда;

1?3б щ - длина заряда ВВ с учетом его части в перебуре; /„, - величина перебура: Н - высота уступа.

Используя ( 7 ), ( 8 ), находим приведенную относительную длину заряда, например Л/"/, показывающую значение относительной длины заряда при изменении сетки скважин на блоке:

М-Р-^ЙЙ.. (9)

аА

где М*}р- значение относительной длины звряда, используемой для взрывания слоев ¡-й категории по базовой сетке 1-й категории;

a,, расстояние между скважинами в ряду для соответствующих категорий пород:

b,, ¿>у - расстояние между рядами скважин.

Длина заряда, необходимого для дробления '¡-го слоя мощностью пх] по базовой сетке ¡-й категории:

(10)

Аналогично находятся длины зарядов для слоев т,. тк... ту. Для улучшения качество дробления горной массы в ряда случаев необходимо применять рассредоточение скважинных эсрядов воздушными или инертными промежутками. Примзнгнив воздушных промежутков но получило большего распространения из-за нетехнологичности процесса их создания и практической неаоз-

можности их получения в обводненных условиях. Рассредоточение заряда инертным материалом приводит к тому, что рассредоточенные части ВВ мало взаимодействуют и размеры зон регулируемого дробления уменьшаются. Для устранения этого недостатка нами разработан ¡способ взрывания крупноблочных пород (рис 5). при котором рассредоточенные части соседних, одновременно взрываемых скважинных зарядов ВВ располагаются в шахмвтнрм. порока, с учетом блочности массива. При взрыва происходит взаимодействие отдельных частей смежных зарядов и наблюдается улучшение качества дробления горной массы.-по сдррдению с обычной технологией взрывания (средний размер куска уменьшеетс«<8а.20

По сравнению с извисгными предложенный евосеб|обеспечивает повышение коэффициента полезного использования энергии взрыва здадра ВВ, на 10+15 %. Это обусловлено тем, что увеличивается зона регулируемого дробления при той же энергии взрыва ВВ. Кроме того, способ обеспечивает более равномерное дробление горных пород с пониженным выходом переизмельченных фракций и уменьшение удельного ресхода ВВ, что в свою очередь приводит к уменьшению перемещения горной массы при взрыве. Следовательно, данный способ взрывания являвтея также зф&ективным способом упревления перемещением горной массы при взрыве.

Экспериментальная проверка предложенных метода расчета и схем взрывания на Свперо-Джезказганском руднике, руднике "Железный" и на Павловском ГОКе показала, что учат особенностей сложноструктурного массива позволяет улучшить качество дробления горной массы на 15+20 %. исключить завышения подошны уг.тупч и на 20;-25 % снизить потери и разубожиеаниэ полезных ископаемых при езрыеных работах.

При обычном взрывании рудных блоков происходит значительное перемещение и интенсивное перемешивание рудных и нерудных масс. Для уменьшения их смещения наиСо1,ее эффективно взрывание на "подпорную стенку" (М.Ф. Друковвный, Е.Г Эерочов, З.И Ефремов, В.И. Комощенко и др ). Однако закономерности процесса перемещения горной массы по высота уступа, наиболее сильно влияющие на потери и разубоживание полезных ископаемых, изучены недостаточно. Поэтому нами рассмотрен этот процесс перемещения горной массы при взрыве на "подпорную стенку".

Рис. 5. Схема размещения зарядов ВВ при шахматном расположении их частей в массиве:

1 - взрывчатое вещество; ' 2 - инертный промежуток;

3 - мощный ДШ или шланговый заряд (ШЗ);

4 - отдельности массива

Для оценки перемещения горной мессы по высоте уступа в зависимости от параметров взрывного воздействия и механических свойств пород "подпорной стенки' и взрываемого блока получено выражение

где ¿Р]-ширина раскрытия трещин;

р - объемная плотность пород;

У0 - начальная скорость движения породы на границе о газовой полостью;

г0 - радиус заряда;

!1j - глубина залегания рассматриваемого слоя;

Км - коэффициент, характеризующий контактирующие поверхности; величина линии сопротивления на глубине Н^

В - мощность "подпорной стенки";

X - коэффициент сопротивления уплотнению.

Выражение ( 11 ) показывает, что величина перемещения горной массы в наибольшей степени зависит от глубины залегания перемещаемого слоя, изменяясь по гиперболической зависимости от минимальных значений в нижней части уступа до максимальных в верхней его части. Анализ сходимости результатов теоретических исгледоеэний с имеющимися экспериментальными данными (Е.Г. Баранов, И.Л. Тенгеев, В.К. Ким) показал, что отличия не превышают 15 %. Следует отметить, что представительные данные имеются только для взрывов с удельными расходами ВВ ц =0,-ио,5 кг/мэ.

Результаты исследований, проведенных на Ковдорском ГОКе, при взрывах с удельными расходами ВВ у = 0,3+1,2 кг/мэ показали, что при незначительных перемещениях горной массы на уровне подошвы уступа их величина в верхней его части достигает 15+20 м и более. Величина горизонтального перемещения Л1 поверхности уступа при удалении от его бровки изменяется по экспериментальной зависимости:

где 1мас - расстояние от рассматриваемого элемента массива до бровки вэры веемого уступа.

Корреляционное отношение для этой зависимости г = 0,75±0,078.

¿0=1 ¿п +

/

(11)

ткмн\*пт + + ту)

(12)

Дпя ряда сложноструктурных месторождений характерно вертикальное падение контактов между рудами и пустыми породами. Их перемещения после взрыва в верхней части уступа на десятки метров Приводят к потерям и разубоживанию полезных ископаемых при экскавации. Это объясняется тем, что траектория черпания ковша экскаватора отличается от плоскости контакта и, чем больше это отличив, тем больше потери.

Управление перемещениями горнбй массы при взрыве, в основном, связано с изменением удельного расхода ВВ. взрыЙ'анием на 'подпорную стенку", раздельным взрыванием руды и пустых пород Основнбй недостаток этих способов - ограниченная область применения или их нетехнологйчность.

Для разработки эффективного и технологичного способа управления дроблением и перемещением нами использован эффект уплотнения взорванной горной массы при приложении динамических нагрузок. Для снижения потерь полезных ископаемых за счет уменьшения перемещения горнйй'массы предложено создавать взорванную массу на контакте руды и вмещающих Пород которая выполняет роль демпфера.

Теоретическими исследованиями установлено, что размеры демпфирующей зоны должны с глубиной изменяться от максимальной величины в верхней части уступа до минимальной в нижней. Для удовлетворения таких условий нами разработан способ взрывания горных пород; при 'котором для улучшения качества дробления горной массы и уменьшения потерь 'и разубоживания при совместном взрывании рудных тал и породы по контуру рудного -тела взрывом предварительно образуют зону дробления клинообразной (в саченйй) формы с основанием, обращенным вверх (рис. 6).

При подготовке блока к 'взрыв/его обуривают скважинами для размещения зарядов ВВ массового взрыва и Скважинами, оконтуривающими рудное тело. Свежинные заряды взрывают короткозамёдпенно, начиная с оконтуривающих зарядов.

Взрывы оконтуривающих зарядов ВВ образуют клинообразную (в сечении] зону дробления. Эта зона дробления можёт 'быть образована взрывом одного ряда зарядоз ВВ, расположенных в оконтуривающих (иногда сближенных) скважинах на расстоянии '/2 от контура проекции рудного тела на горизонтальную плоскость.

При взрывании на "подпорнуУо стенку", когда вмещающие породы требуют для этбойки меньшего удельного расхода ВВ, чем руда, оконтуривеющие скаажины бурят знутри контура проекции рудного тела на горизонтальную плоскость. Взрывание со-

Рис. 6. Способы взрывания рудных блоков, имеющих контакты с пустыми породами (римскими цифрами показана очередность взрывания скважин-нЫх зарядов ВВ):

Чг Ча~ удельный расход ВВ при взрывании руды и породы соответственно;

1 - рудная часГь блока;

2 - порода;

3 - демпфирующая зона дробления;

4 - зона уплотнения;

5 - поверхность хонтактарудыспустыми породами

садних с оконтуривающими скважинами зарядов ВВ. размещенных в рудном теле, производят перед взрыванием зарядов во вмещающих породах (рис. 6, а).

В случае, когда вмещающие породы требуют для отбойки большего удельного расхода ВВ, чем руда, оконтуривающие скважины бурят за контуром проекции рудного' тела. Взрывание же соседних с оконтуривающими скважинных зарядов ВВ, размещенных во вмещающих породах, производят перед взрыванием зарядов в рудном теле [рис. 6, б).

Если производится взрывание без 'подпорной стенки", характеризующееся значительным (более 10+15 м) горизонтальным смещением, то расположение зоны дробления и очередность взрывания зарядов ВВ определяют таким образом, чтобы зона дробления находилась относительно поверхности контакта со стороны, противоположной направлению перемещения горной массы при взрыве.

В предложенных схемах взрывания смещение горной массы компенсируется за счет уплотнения зоны дробления без нарушения контакта рудного тела и вмещающих пород. Это позволяет снизить потери, разубоживаниэ полезных ископаемых и получить взорванную горную массу с удовлетворительным дроблением, тек как зона дробления в этих случаях выполняет роль "подпорной стенки".

Испытания такого способа взрывания проведены на Ковдорском ГОКе. Было взорвано 366 тыс. м3 горной массы на рудных блоках, что достаточно для получения достоверных результатов. Измерения перемещений проводились с использованием поверхностных маркирующих элементов. Данные измерений обработаны методами математической статистики.

Для оценки перемещений (А/лг) отдельностей горной массы при взрыве, находящихся вблизи поверхности уступа в зоне контакта руды с вмащзющими породами, получено уравнение регрессии:

д/,=-5—:—. (13)

* 0,076 + 0,0076 /^

где расстояние от отдельности массива, расположенного в зона контакта, да бровки уступа, м.

Корреляционное отношение г = 0,9410,029.

Сопоставление экспериментальных данных показывает, что перемещение горной массы в зона контакта руды с вмещающими породами при предлоххнном способа взрывания □ 2-3 раза меньше, чзм при обычной технология взриавния.

Качестио дробления горной массы, прилегеющей к зоне контакта, также улучшилось (средний размер куска уменьшился на 1В %).

Анализ технологических схем отработки контактной зоны показал, что рациональная (из условия минимума потерь и разубоживания) величина перемещения от вертикали контакта между рудой и вмещающими породами в верхней чести уступа определяется углом падения поверхности контахта и разностью между максимальным радиусом черпания и радиусом черпснил на уровне стояния экскаватора. Наиболее рациональной схемой следует считать отработку контактной зоны со стороны висячего бока.

I основании геоижичяских и экпп«пим«цтвпьных исследований реэрвботены рекомендации по взрыванию и отработке рудных блоков на сложноструктурных месторождениях, которые включают:

- изучение структуры и механических свойств взрываемого массива (крепости и трещиноватости) с помощью метода, основанного на анализе энергоемкости бурения взрывных скважин:

- сопоставление полученных данных с классификацией горных пород по взрывеемости для выбора удельного расхода ВВ:

- определяй«; сетки сквяжин в соответствии с породами подошпы уступа и росч.:г '»с;;ичины схсвхикного заряда с учетом взрываемости слоев, слагающих уступ;

- иыбор гния ВВ (преимущественно с использованием утилизируемых компонентов босг.рипасов) в зависимости ог обводненности массива, конструкции скыя-,ии"нсго заряда с учетом строения массива, схемы взрывания зарядов в соответствии с предложенными способами взрывания;

- анолиз результатов взрывания по степени дробления горной массы и проработал подошвы уступа, потерям и разубоживанию полезных ископаемых.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работа осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы установления закономерностей взрывного разрушения обводненных скальных горных пород на карьерах и обоснования рациональных параметров зарядов ВВ. соответствующих разрушаемым горным породам, имеющей важное народнохозяйственное значение и обеспечивеющей снижение затрат на взрывные работы, повышение их эффективности за счет использования утилизируе-

мых ВВ, снижение вредного воздействия взрывных работ на окружающую среду, улучшение качества дробления и полноты извлечения полезных ископаемых из недр.

Основные научные результаты и выводы:

1. Установлены закономерности влияния параметров взрывных робот, физико-технических свойств пород и взрывчатых характеристик ВВ но зффсктинность дробления и перемещение горных пород при взрывах на карьерах, рззрабатызвющих обводненныа и сложноструктурныа месторождения.

2. Существенное повышенно эффективности взрызных работ, снихсекиа потерь и повышение безопасности добычи полезных ископаемых достигсзтси за счот использования более дещавых утилизируемых ВВ, которыо по сзо;;м знсрготкчзским и дотонациониым характеристикам в большой мера соаггеотствукзт физико-техническим свойством хро.тких горных пород, особенно при вррьваиня о2вгд:!С1.ных и сложноструктурных массивов.

3. Разработан комплексный критерий зффзктигностм, сспг^а.-аи^й как свойства утилизируемых !0В, так м свойства разрушаемых горных переп и позаол.лЮ-щий прогнозировать способность этих ВВ или ВВ с использованием утилизируемых компонентов к эффективному дроблению ¡и ¡перемещению разрушаемых пород.

4. Установлены явление (и закономерности формирования гранул плавких взрывчатых веществ (тротила) на дранице двух несмашивающихсл жидкостей путем изменения плотностей и вязкости эзде яркостей. Теоретически обоснозоя и реализован способ получения .фамупцровемнопо ^ротилосодержащего ВВ (коивертола) из утилизируемых боеприпасов, о заранее заданными размером гранул и детонационными характеристиками.

5. Разработаны составы водосод^ржащих .взрывчатых веществ для открыты.", горных работ, которые в качестве зн^ргаимческой добавки содержат утилизируемое смесевое ракетное твердое топливо >или .пироксилиновый порох, имеющие высокую экологическую чистоту,и эффекхионоот^^мспользования.

6. РазработамоФезопренвя технология,использования горячельющихся ВВ типа вкватол, в том \шояе >с .использованием утилизируемых .компонентов в агрессивных средах сульфидооэдчржзщих ,р,уд, .основанная ,на .изоляции оставшегося но зебое скважины буроаого .шпамаин^ртнымслоем -.пробкой.

7. Теоретически ,-обоснованы, |разрпботаиы ,и .внедрены рпособы оперативного определения механитоеккх свойств горных пордд .и ¡трещинсватоен' .массисов по показателю удельней аме^гремкости бурения, позволяющие.полунат^ииформацион-

ныз характеристики массива для проектирования рациональных параметров взрывных работ.

8. Для уменьшения смещения контакта руд и вмещающих пород и их переме шивания предложен способ взрывания, основанный на создании клинообразной (в поперечном сечении) демпфирующей зоны дробления за счет взрьюо зарядов, расположенных в зоне этого контакта. Смещение контакта руды и пород при этом уменьшается в 2,0+3,0 раза по сравнению с обычной технологией взрывания. Кроме того, улучшается дробление горной массы, прилегающей к зоне контакта (средний размер куска уменьшается на 18 %).

9 С цет.ю мггенсифихгчгги дргблгмия крупноблочных горных пород разработан способ взрывания, при котором части соседних, одновременно взрываемых скважин-ных зарядов, рассредоточенных инертным материалом, располагаются в шахматном порядке (с учетом блочности массива). Способ позволяет на 20+27 % снижать выход крупных и негабаритных фракций, на 15+20 % уменьшать средний размер куска взорванной горной массы.

10. Разработанные а диссертации технические решения, способы взрывания, технология получения тротиле (конвертолв), отраслевая "Инструкция по технологии заряжания скважин а сульфидосодержащих рудах на железорудных карьерах" внедрены на Ковдорском ГОКе, АООТ "Лебединский ГОК" и предприятиях Минобо-ронпрома и Минобороны РФ. Экономический эффект от использования результатов диссертационной работы превышает 15 млрд. руб/год.

Основное наложения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Бвлии В А. Метод расчета параметров Б8Р для сложноструктурных месторождений - В кн . Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов. - М.; МГИ, 1981. с. 53.

2. Белин В.А. Определение типа разбуриваемой горной породы по энергоемкости шарошечного бурения - Монтажные и специальные строительные работы, 1982, вып 10, с 9-11.

3 Белин BAO некоторых особенностях взрывного разрушения сложноструктурных массивов. -Монтажные и специальные строительные работы, 1982, вып. 12, с. 16-19.

4. Белин В.А. Определение структурных особенностей угольного массива. - Добыча угля открытым способом, 1382, №6, с. 22-23.

5. Белин В А, Белина Е.П. Метод расчета'параметров взрывного разрушения сложноструктурных массивов. - В сб: Физические и химические процессы горного производства. - М.: МГИ. 1982, с. 16-21.

6. Белин В.А, Эквист Б.В, Влияние физико-механических свойств разбуриваемой горной породы на энергоемкость и скорость бурения станка СБШ-250МН применительно к условиям Северо-

Джезказганского руднике. - Физические и химические процессы горного произзсдстса. Научные труды - М.: МГИ, 19В2, с. 123-126.

7. Белин В.А. Схема отработки контакта пласта угля и вскрышных порея - Добыча угля открытым способом. 1983. №2. с. 7-8.

8. Белин В.А. Управление дроблением и перемещением горной массы при взрыва. - О кн.: Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов. - М.: МГИ, 1384, с. 21 -23.

9. Кутузов Б.Н., Носков В.Ф., Белин В.А. Управление процессом перемещения горной массы при взрыве. - Проблемы физики горных пород. Научные труды. - М.: МГИ, 1984, с. 56-59.

10. Белин В.А Механизм взрывного разрушения отдельностей трощинооотого массиса с учетом сил зацепления. - Взрывное дело №з 66/43. - М.: Нодра, 1004, с. 43-51.

11. Белин В.А., Бенина Е.П. Влияние трещиноватости мзссисч ни распространение взрывных волн. - В сб.: Исследование физических свойств горных пород и процессов горного произсодства. -М.: МГИ, 1984. с. 28-31.

12. Белин В.А. Взрывное разрушение отдельностей тращиноватого »/зссиза с учзтом сиг, зацепления. - В сб.: Интенсификация и контроль горного производегза физжс-иадчссж.'.»! мзтодсми. -М.:МГИ, 1985, с. 19-22.

13. Белин В.А., Исмаилод Т.Т. Управление дроблекизи и пергмгц^.к"!;.! гс^ :сй ь'и^зд при взрыве на глубоких горизонтах карьеров. - Цветная металлурги"-*, 1Г03, Р^ 1Г,

14. Новикова М.А., Белин В.А., Бекетов П.М. Исследоизниз стегана) сЗводнсниостм ра^очгге борта карьера Павловского ГОКа. - В сб.: Физические процессы горного производства. - М.: МГИ, 1987,с.83-85.

15. Белин В. А., Исмаилов Т.Т. Вэрываемость горных пород на глубоких гориэсяп ох керьарое. - В сб.: Проблемы физических процессов в горном деле. - М.: МГИ, 1963. с. 22-35.

16. Тарасенко В.П., Белин В.А., Исмаилов Т.Т. Влияние нбпркженно-д»формироеанмого состояния массива на величину удельного расхода взрывчатых веществ. - В сб.: Проблем физичсских процессов в горном дала. - М.: МГИ, 1988, с.153-154.

17. Тарасенко В.П., Белин В.А., Паршин И.А. Распределение комлонентоз вещественного состава фосфоритовых руд в зависимости от крупности взрывного дробления. - В сб.: Исспедосаниа физических процессов горного производства. - М.: МГИ, 1989, с. 121-123.

18. Горбонос М.Г., Мангуш С.К., Белин В.А.. Сивенков В И. Руководство для самостсАталоного выполнения индивидуальных заданий и расчета параметров БВР. - М.: МГИ. 198Э. - 52 с.

19. Дьячук В.И., Михальченко М.Г., Кутузов Б.Н., Белин В.А, Сиренко В Н. Технический прогресс в технологии добычи сырья для производства нерудных строительных мзтзр^елъа, - М: Еоесоюзмый институт повышения квалификации руководящих работников и слециалистсэ, 1930. - 129 с.

20. Кутузов Б Н„ Крюков Г.М., Мангуш С К., Болин В.А. и др Технология и безопасность взрывных работ. - М: МГИ. 1990. -127 с.

21 Белин В А., Куликов ВС, Сивенков В И. Определение объема мажгранупькых пустот сква-жкнных зарядов - В сб : Физические процессы горного производств - М: МГИ, 1331. с 14-17

22 Способ гранулирования материалов и устройство для ого осу^эстл! гния П.;течт РФ, ппло-жительное решение М- 5028340/26/003275 /ВС. Никитин. АН Мирошниченко, В А. &с;;ин/ Эонзт, 2002 92

23. Кутузов Б. Н., Белин В. А. Новая технология гранулирования тротила, извлекаемого из боеприпасов. — Тезисы докладов р _Первои. Российской научно-технической .конференции. _________

«Комплексная утилизация обычных .видов боеприпасов».— Красноармейск,"КНИИМ, 1995, с. 33—34.

24. Белин В. А.,-Галкин В. В.-Результаты! предварительных -лабораторно-иолигонных испытаний нового водоустойчивого

ВВ — конвертола. — Тезисы докладов Перзои Российской на-учно-технпчсЧ'кой ' конференции ' «Комплексная ' утилизация обычных видов ^боеприпасов». -г Красиоар'мейск,.,. КНИИМ,.: , ...:... 1995, с. 34—35.

25. Галкин В. В., Гильманов Р. А., Пупков В. В., Белин В. А. Критерии оценки взрывной эффективности утилизируемых взрывчатых материалов. — Тезисы докладов Первой Российской научно-технической конференции «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов». — Красноармейск, КНИИМ, 1995, с. 31—32.

'26. Кутузов Б. П., Белин В. А., Галкин В. В. Эффектив-

.„ность ¡применения...утилизируемых._боепри.пасов-на объектах...............- -

промышленности. — Горный информационно-аналитический бю ллетень № 2. — М.: МГГУ, 1995, с. 11.

27. Кутузов Б. Н., Белин В. А., Галкин В. В. Способы изготовления водосодержащих и эмульсионных ВВ с использованием конверсионных компонентов. — Горный информационно-аналитический бюллетень № 2. — М.: МГГУ, 1995, с. 10.

---------------------Подпнеано-в-печать-1|2.02.1996-г.------Формат-60х90/16------

Объем 2 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1516.

Типография Московского государственного горного университета. Ленинскнй проспект, 6