автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Научные основы управления действием взрыва параллельно-сближенных зарядов при подземной добыче руд

У/ * 00

/ / * »и/

Российская академия наук

Институт проблем комплексного освоения недр

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЕЙСТВИЕМ ВЗРЫВА ПАРАЛЛЕЛЬНО-СБЛИЖЕННЫХ ЗАРЯДОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ РУД

05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных

ископаемых"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Кандидат технических наук Закалинский Владимир Матвеевич

Специальности:

Научные консультанты:

проф., докт. техн. наук

Викторов С.Д. докт. техн. наук Галченко Ю.П.

Москва, 1999

Оглавление

Введение 5 Глава 1. Состояние изученности проблемы, задачи и

методы исследований 11

1.1. Анализ современных методов управления взрывным разрушением

массива 11

1.2. Анализ опыта и тенденций взрывной отбойки при подземной

разработке рудных месторождений 19

1.3. Обоснование научного направления,, постановка задач и методов

исследования 30 Глава 2. Механизм действия взрыва пучка параллельно-

сближенных скважинных зарядов 39

2.1. Сущность универсального метода управления энергией взрыва

при подземной разработке 39

2.2. Образование фронта взрывной волны некруглой формы взрывом

пучкового заряда 42

2.3. Физическая модель процесса действия взрыва пучкового заряда 49 Выводы 61 Глава 3. Разработка нового принципа расчета параметров

крупномасштабной отбойки 62

3.1. Классификация эффективности крупномасштабной отбойки 62

3.2. Новый принцип расчета действия крупномасштабной отбойки 81 Выводы Ю2

Глава 4. Теоретические предпосылки процесса

формирования и управления фронтом взрывной

волны в интересах горных технологий ЮЗ

4.1. Взаимодействие волн напряжений, при одновременном взрыве

сближенных зарядов 103

4.2. Задача о взаимодействии упругих волн двух одинаковых

сближенных зарядов 115

4.3. Динамика формы результирующей квазиплоской волны от взрыва

сближенных зарядов 121

4.4. Исследование зависимости параметров волн сжатия в горной

породе от формы пучкового заряда 126

Выводы 153

Глава 5. Методология и методика расчета параметров крупномасштабной отбойки пучковыми зарядами с применением ВВ местного изготовления 155

5.1. Управление действием пучкового заряда путем изменения типа

ВВ и конструкции в единичных зарядах пучка 155

5.1.1. Разработка взрывчатых составов для пучковых зарядов 155

5.1.2. Способ заряжания пучковых скважин и формирование

конструкций единичных зарядов 168

5.2. Управление действием взрыва сближенных зарядов как

эффективный метод реализации требований горных технологий 172

5.3. Основы методологии расчета параметров крупномасштабной

отбойки 184

5.4. Методика расчета параметров отбойки пучковыми зарядами 189

Выводы 219

Глава 6. Промышленные испытания и внедрение

технологии отбойки руды пучковыми зарядами ВВ 221

6.1. Применение технологии отбойки на рудниках черной

металлургии 222

6.1.1. Технология отбойки руды пучковыми зарядами ВВ на рудниках

АО «Сибруда» 222

6.1.2. Внедрение созданной технологии отбойки руды в подземных

рудниках цветной металлургии 235

6.2. Применение технологии отбойки на рудниках цветной

металлургии 239

6.2.1. Внедрение технологии взрывной отбойки руды пучковыми

зарядами ВВ на руднике «Молибден» Тырныаузского

вольфрамомолибденового комбината 239

6.2.2. Испытание и внедрение технологии отбойки руды на рудниках Дальневосточного горнометаллургического комбината 241

6.3. Применение технологии отбойки на рудниках по производству

минеральных удобрений 243

6.4. Применение технологии отбойки на рудниках зарубежных стран 245

6.4.1. Результаты применения пучковых зарядов ВВ при разработке

жильных месторождений Узбекистана 245

6.4.2. Испытание и внедрение новой технологии отбойки руды

пучковыми зарядами ВВ в Кафанском руднике Зангезурского

молибденового комбината 246

6.4.3. Внедрение пучковых зарядов при отбойке массива в рудниках

Болгарии 249

Выводы 249

Заключение 251

Литература 254

Введение

Актуальность работы. Развитие горнодобывающих отраслей промышленности России неразрывно связано); с разработкой месторождений полезных ископаемых подземным способом. Одним из наиболее энергоемких процессов добычи полезных ископаемых является взрывоподготовка горной массы, которая во многом определяет эффективность и себестоимость добычи. От качества взрывной отбойки зависят результаты работы всего технологического комплекса и полнота извлечения полезных ископаемых из недр.

Важным направлением совершенствования взрывных работ на подземных рудниках является разработка ресурсосберегающих технологий разрушения | скальных горных пород в условиях значительного и все продолжающегося снижения

Г

уровня горных работ и высокого горного давления. В этих условиях традиционные способы ведения взрывных работ и управления действием взрыва не всегда справляются с поставленными задачами, а их применение не обходится без ущерба для производственной деятельности. В связи с этим встала актуальная проблема разработки более гибких методов управления действием взрыва, способных удовлетворить новым повышенным требованием в шахтных условиях на больших глубинах.

До создания технологии отбойки руды пучковыми зарядами ВВ как в Советском Союзе, так и за рубежом отбойка в основном осуществлялась с помощью одинарных скважин диаметром от 70 до 160 мм только по двум традиционным схемам - с параллельным или веерным расположением их в подлежащем обрушению массиве горных пород. Обычно применяемой технологии отбойки руды присущи такие недостатки как:

- большие объемы проведения нарезных выработок;

- недостаточное дробление горной массы, вследствие значительного относительного отклонения скважин от заданного направления, с увеличенным удельным расходом ВВ и объемом бурения;

- большая трудоемкость ручных работ при перестановке буровых станков от скважины к скважине;

- сложные схемы монтажа взрывной сети с увеличенным количеством патронов-боевиков и электродетонаторов или пиротехнических реле;

- значительная трудоемкость работ при механизированном заряжании скважин;

- повышенная загазованность и запыленность выработок при вторичном дроблении негабарита и ликвидации зависаний в выпускных пучках.

Этими недостатками в значительной степени сдерживается технический прогресс при разработке месторождений полезных ископаемых и создание новой технологии отбойки. Устранение указанных недостатков предопределяет актуальность работы в этом направлении.

Настоящая диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям, позволяющим обосновать, разработать и развить новый, исключающий указанные недостатки, способ управления взрывным разрушением горных пород и технологии его применения при разработке подземных месторождений.

На основании изложенного в диссертационной работе была сформулирована научная проблема гибкого управления действием взрыва в сложных горных условиях увеличения глубины работ при подземной разработке без снижения при этом показателей эффективности.

Целью работы является разработка научных основ управления действием взрыва параллельно - сближенных скважинных зарядов для интенсификации горного производства при подземной добыче руд.

Идея работы состоит в использовании для разрушения горного массива суммарной волны напряжения изменяемой формы, интенсивности и направленности от взрыва групп параллельно - сближенных скважинных зарядов путем варьирования их параметрами.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются месторождения черных и цветных металлов, разрабатываемых подземным способом.

Поставленная в диссертации цель определила комплексный метод исследования, включающий научный анализ и обобщение достижений в области подземной разработки полезных ископаемых, физики взрыва, разрушения горных пород и практики ведения, взрывных работ, теоретические расчеты, лабораторное моделирование, математическую обработку экспериментальных данных и их технико-экономический анализ, проведение испытаний и внедрение результатов исследований.

Положения, представляемые к защите:

1.Физическая модель процесса взрыва сближенных скважинных зарядов, согласно которой в результате взаимодействия волн напряжений пучка зарядов формируется

результирующий фронт взрывной волны с концентрацией или ослаблением напряжений в заданных направлениях. Предложенная модель позволяет определять возможные пути изменения энергетических и геометрических параметров полей напряжения в горном массиве.

2. Способ управления действием взрыва при массовой отбойке руды путем изменения параметров пучка скважин, позволяющий в интересах горной технологии формировать волну напряжений разной формы и интенсивности в заданных направлениях.

3. Принцип формирования единичных зарядов пучка с использованием взрывчатых веществ повышенной физической стабильности, основанный на эффекте принудительного связывания невзрывчатого сенсибилизатора в составе ВВ и энергонесущего компонента, обеспечивающего частичную кольматацию межгранульных пустот, и на предложенном способе подачи компонентов ВВ в скважину.

4.Принцип расчета параметров крупномасштабной отбойки пучковыми скважинными зарядами и закономерности взрывного разрушения, учитывающие масштабный фактор и использующие реализованные параметры взрывания и фактическое качество дробления горной массы.

5. Классификация эффективности крупномасштабной отбойки горного массива пучковыми зарядами по признаку его трещиноватости при подземной разработке месторождений.

6.Методология отбойки пучковыми зарядами, включающая принципы и технологические основы управления действием взрыва сближенных зарядов к определяющая способы реализации требований горных технологий к взрыву.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

-удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований, аналитических расчетов и результатов лабораторных экспериментов с данными промышленных испытаний

сопоставимостью результатов математического и физического моделирования процессов взрывного дробления горных пород с данными, полученными в производственных условиях

широким использованием результатов исследований в горной промышленности,

Научная новизна.

Проведенные исследования позволили разработать новое направление в теории и практике управления действием взрыва скважинных зарядов при подземной отбойке, основанное на предложенных в диссертационной работе моделях взрывного дробления горного массива, его структуры и способах целенаправленного разрушения. Научная новизна полученных результатов состоит:

- в показе реальной возможности образования и использования в широких пределах различных некруглых (нецилиндрических) форм взрывных волн, формирующихся от взрыва обычных скважинных зарядов круглой в сечении формы и имитирующих, таким образом технологию получения в массовом порядке удлиненных зарядов ВВ практически любой формы;

- в показе возможности управления такими характеристиками фронта волны некруглой формы как интенсивность (за счет количества скважин в пучке и типа применяемого ВВ), форма (за счет концентрации или геометрии расположения зарядов в пучке),направленность (в зависимости от технологических задач);

- в получении количественных данных по изменению интенсивности взрывной волны одного и того же пучкового заряда в различных направлениях;

- в принципиально новом качественном подходе к решению задачи повышения эффективности взрывного разрушения в условиях понижения уровня ведения горных работ и проявлений высокого горного давления при подземной разработке на основе создания метода управления энергией взрыва, гибко реагирующего на ужесточение требований горных технологий;

- в создании оригинальной методологии крупномасштабной отбойки пучковыми зарядами, позволяющей практически не снижать темпы ведения горных работ при переходе очистных работ на более низкие горизонты;

- в получении закономерностей, дающих количественные связи параметров пучкового заряда, степени дробления горных пород и структурной нарушенности массива;

- в разработке методики расчета технологических параметров пучковых скважинных зарядов, формул и зависимостей;

- в дифференцированном подходе к применению технологии управления действием взрыва на основе применения параллельно-сближенных скважинных,,. зарядов в различных горно-технических задачах и породах разной степени нарушенности, разбитых по классам трещиноватости и крепости, которые " определяют область применения технологии.

Личный вклад автора заключается в :

- разработке способа массовой отбойки руды пучковыми зарядами;

установлении закономерностей процесса действия взрыва групп параллельно-сближенных скважинных зарядов в горной породе на основе выполненного комплекса теоретических, лабораторных и производственных экспериментальных исследований, положенных в основу технологии массовой отбойки руды пучковыми зарядами;

- формулировании и реализации основных идей работы, расширяющих идеологию и диапазон применения нового метода управления действием взрыва;

Практическое значение работы заключается в:

-использовании установленных закономерностей формирования параметров взрывных волн в их взаимосвязи с процессом разрушения горных пород;

- применении результатов исследований эффективности отбойки разного масштаба и способов реализации различных требований горных технологий;

- разработке методологии управления разрушением горных пород с гибким изменением параметров волн напряжений} положенной в основу технологии добычи руды подземным способом на базе метода пучкового взрывания. Последний обладает большой степенью универсальности и его рассмотрение составляет основу нового научного направления 8 процессе разрушения горных пород взрывом.

Реализация результатов работы.

Разработанный способ используется на ряде горнодобывающих предприятий России, стран СНГ, Республики Болгарии.

Работы и результаты исследований автора использовались в научно-исследовательских и учебных институтах (ВостНИГРИ, НИГРИ, МГГУ, ИГД СО АН СССР). Способ отбойки пучковыми зарядами нашел отражение в ряде учебников

СССР). Способ отбойки пучковыми зарядами нашел отражение в ряде учебников и учебных пособий горного профиля России, войдя составной частью в качестве вариантов систем разработки с массовым обрушением руды при этажно-камерной системе

разработки и системы этажного принудительного обрушения.

Результаты работы экспонировались на ВДНХ СССР и были отмечены одном серебряной и тремя бронзовыми медалями.

За работу "Разработка и внедрение технологии взрывной отбойки руды пучковыми зарядами при подземной добыче" автор в 1995 году был удостоен премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научном семинаре б. Спецсектора ИФЗАНСССР, научно-технических конференциях Межведомственной комиссии по взрывному делу и пяти Всесоюзных и ведомственных совещаниях (1975-1987г.г.), научном симпозиуме в рамках "Недели Горняка -98" в МГГУ, международной научной конференции "Физические проблемы взрывного разрушения массивов горных пород", (Москва, 1998г).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 67 работ, в том числе 1 монография, 9 авторских свидетельств на изобретения и 1 патент.

I

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 266 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 54 таблицы, и список используемых литературных источников из 203 наименований.

Автор выражает глубокую признательность академику К.Н.Трубецкому за внимание к работе, докт. техн. наук, профессору С.Д.Викторову, коллективу лаборатории новых методов разрушения массива горных пород, докт. техн. наук Ю.П.Галченко и канд. техн. наук В Я. Пыжьянову за большую помощь при работе над диссертацией.

и

1. Состояние изученности проблемы, задачи и методы исследований

1.1. Анализ современных методов управления взрывным разрушением массива

В структуре горных наук явление разрушения горных пород определяется как первопричина всех физических процессов горного производства, в связи с чем проблема повышения эффективности взрывных работ управлением распределения энергии взрыва в отбиваемом массиве не теряет своей актуальности [1,2].

Способы управления разрушением массива при взрывной отбойке на горных предприятиях определяются задачами взрывного разрушения, которые коротко можно сформулировать так: дробление ограниченного проектным контуром части горного ма�