автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Определение параметров способа щадящего взрывания обводненных трещиноватых массивов с целью повышения сохранности кристаллосырья

n f) . ^

Мшшстерстао nay:-;;;, высшей школы и технической политики РФ

с-игСГ-пзтегбуихлк-» государсткш® гошя институт ижм

г.3.1щхлд0ва Texiur-iGCKiiíl университет

На правах рукописи

ЛАПИН Александр Алексеевич

CnPiy SEiE ПЛРА.'ЕТР03 СПОСОБА- ЕТАДШЩГО ЗЗППЗАПП ОСЗСДШЮХ ТРЩ'ПЮЗАИХ МАО-' ' СИЗСЗ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ СОХРАННОСТИ ■ НЕТОТАЛЛОСИРЬЯ

Спе£1иалыюсть Сб.15.11 - Зизическив процессы . горного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сгип:?~Пз'тёрбург

тосо

Работа выполнена в Сашст-Петсрбургско:.: Государственном горной институте киони Г.В.Плеханова /Техническом Уш:зорс::тето/.

Научный руководитель - доктор технических г:аук, профессор

Боровши® Виктор Александрович

. Официальные оппоненты :-доктор технических наук, профессор

; Фадеев Алехссацдр Еорксоинч

- кандаздат технических паук, с.н.с. Кучеряво,! Владислав *оодосьевич

Ведтцее предприятие - Северкварцсаноцветк"

,§ащига состоится "// " ¿сажЯ 1993- года в 'час.

" / \. ";.с:н. на заседании специализированного совета Д 063.15.01 з Санкт-Петербургском Государственно« горном институте ш.:.Г,В. Плеханова /техническом университете/ по адресу: 159026, С-Петер-бург, В.О. 21-я линия, .д.2, аудитория //¿?Ф ,

С диссертацией цояио ознако!.с:ться в библиотеке шгститута. Автореферат разослан " У " 1553 г.

УчешЗ секретарь '

'Специализированного Совета,

д.т.к., профессор *суолавс1скй Э,И'

"О"*

ОБЩАЯ Г^ЛКТЗИЮША. РАБОТЫ Актуальность '¿омп. Охрана окру.х£иэщеГ.' среда аддзигавт на первая план проблему г:с.; лонального использования природакх ресурсов, ' что при разработке месторождений алмазов проявляет высокие ■ требования к обеспечен::;:! целостности извлекаемых монокристаллов, принимая во внимание их ценность, в зависимости- от размеров и ка-, чества.

_ . Отбытая разработка коренных местсдеоздвшй влыа&ов Якутки ■ показала, что характерным--! для всех карьеров является: высокие темпы углубления горних работ при ограниченности раздгер'оЕ карьеров в плане;' обводненность нижних рудных горизонтов; "Необходимость использования шсокобркзщ'шдс; водоустойчивых БЗ. В эстх услсдагс; . имеет место существенное пошцёше объемов' обводнениях добичныз: ' блоков и как следствие увеличение затрат 7-га добьгсу к-снияенке качественных показателей добываемого кристаллосгырья. По .данным ПНО "Якуталмэз" в процессе буровзрнвкой подготовки повреэдаётся до 40?5 кристаллов-алмазов. В связи с отим проблема обеспечения сох-.' ранности монокристаллов алмазов приобретает важное значение.-

В' настоящее время решение проблемы сохранности кристаллосн- • рья в' сухих массивах обеспечивается использованием щадящего режима взрывного нагрул:ения за счет, применения г'алоплотшх ВЗ. Дчя обводненных массивов отот способ не приемлем. Первый опит отбойки . обводненных кимберлитов при уменьшенных удельных расходах /до 0,28 кг/м3/ с последзтацим разупрочнением горной массы рассолами карьерных вод, показал недостаточную гх ^ектишость, так .сак Потащиаль-но-опасная зона повре.тдаеиости кристаллов сохраняется, вследстзш применения мощных водоустойчивых ВВ п шеэ? место ив значительное снижение относительных потерь, кроме того удлиняется. цикл горных работ. 3 этой связи актуальность - задачи раяругсения обводненных-массивов кимберлитов при обеспечении естественной сохранности кристаллов не вдвигает сошеялЛ. • . ...... ...

Цель работы состоит в опрзделвпии параметров способа г.рдящегс взрывания обводненных трещшгсватмх массивов, обсспечиващих естёс-' ТЕеппуя сохранность 1ф;!С?аллов за счет изменения конструвшш заряда, на основе упрлвлекга парй:.:етра;д1 импульсного нагрутсения массива. • .......

ТЬсл таботы замучается в обеспечении заданных актлитудно- .

времедаых характеристик импульсной нагрузки, за счет создания рациональной величина водяного кольцевого зазора, обеспечивающей с одной стороны п^адящий реясим взрывного нагружсения, а с другой -удовлетворительную степень дробления вмещающих пород.

Методы исследования включают в себя анализ и обобщение результатов изменений волн напряжений при взрыве зарядов ВВ различ-• ных конструкций, с использованием методик, основанных на применении манганиновых и пьезодатчиков, математическую обработку резуль татов,. численное моделирование,' лабораторные и полигонные экспе-, рименты.

- На защиту выносятся следующие научные положения:

- наличие кольцевого водяного зазора позволяет уменьшить величину максимальной амплитуда волны напряжений при сохранении длительности импульса нагружения, тем самым снизить величину диссипа-тивных потерь в ближней зоне взрыва и уменьшить размеры зоны безусловных потерь кристаллов;

- отбойка конструкцией заряда с кольцевым водяным зазором обеспечивает щадящий режим нагруяения кристаллов и необходимую интенск-вность дробления кимберлита, что позволяет снизить радиус потенциально-опасной зоны повреждаемости кристаллов и величину их потерь;

' - наличие кольцевого водяного зазора позволяет снизить удельный расход ВВ при незначительном увеличении среднего размера куска и сохранении объема'отбитой горной массы.

. "Научная новизна выполненных исследований заключается в: ■ - установлении "закономерности 'формировагая и распространения вол! 'напряжений, в трещиноватых. обводнегскх массивах кимберлитов при использовании зарядов с кольцевым водяным зазором}

разработке методики оценки величины пстенцкалько-опасных зон повреядеемости кристаллов; •

- разработке принципов и, методики расчета параметров щадящего способа-взрывания при отбойке .обводненных трещиноватых массивов; -.установлении оптимальной величины водяного кольцевого зазора /2-2,5¿с*»/ ¿ЗАр/, обеспечивающей эффективную щадящую технологи» отбойки обводнённых кимберлитов и естественную сохранность крис-'таллосырья. - V

Достоверность научных положений, выводов' и т>чкоь<,епр,ац'лй

подтверждается применением современных методов исследований, общепринятых физических концепций, удовлетворительной сходимостью теоретических-и экспериментальных данных, положительными результатами внедрения 1фисталлосберегающих технологий з производственную практику.

Практическая ценность работа заключается в следующем:--

- обоснованы рациональные параметры ЕЗР, обеспечивающие получение высокой степени сохранности кристаллосырья при снижении удельного расхода ЕЗ на 30-40?2;

- разработан и апробирован способ форлзгрозагшя схва-мпного заряда в обводненных трещиноватых массивах, позволяющий регулировать размер кольцевого зазора, обеспечивающий щадящий ро:*им нагруже-ния кристаллов; _

- разработана программа расчета и оптимизации параметров БВР при' взрывании шланговых зарядов, состоящих из герметичных монопатрс-нов, в обводненных массивах с кольцевым водяным зазором.

Реализация результатов работы осуществлена на карьере "Удачный" путем совершенствования параметров отбойки обводненных кимберлитов, выполненных институтом."Якутниттроалмаз" на основе про- . веденных наш исследований и предложенных методик.

Апробация работы. Основные,положения диссертационной работы докладывались на конференции молодых ученых и специалистов /Апатита, 1587г./, на IX республиканской научно-технической конференции молодых ученых /Кохтла-Ярве, 1989г./, на заседаниях горной секции НТС института. "Якутонпроалмаз" в г.чирный /1939-1е32гг./( на шкеле-сешнаре по взрывным явлениям /Алушта, 1992г./, на заседаниях кафедр.. разработки месторождений открытом способом и разрушения горных пород Санкт-Петербургского горного института.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из ^35" наименований. Текст диссертации содержит .Ув^стр, мапинописного текста, включая 35 рисунков, ¿4 таблиц.

Автор выражает благодарность за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов сотрудникам лаборатории РГПВ и " кафедры РМОС и РГП Санкт-Петербургского горного института.

.-6-

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОМ Одним из условий снижения затрат при добыче ценного кристал-досьфья на стадии буровзрывной подготовки является разработка и совершенствование крис талдосберегшовдох технологий, применяемых в . обводненных условиях. Основными путями снижения повревдаемости : кристаллов являются: уменьшение удельного расхода ВВ при взрывной подготовке кимберлитов, расширение применяемого ассортимента ВВ /включал неводоустойчивые/, применение специальных конструкций ^зарядов в обводненных скважинах, обеспечивающих щадящие режимы взрывного нагружения. -

Большой вклад в исследование процессов разрушения горных пород с позиции волновых представлений о действии взрыва в среде внесли Р.И.Покровский, Ф.А.Баум, Е.Й.Шемякин, В.М.Гог'олев, В.Н.Ро-. 'дионов. Из зарубежных' ученых следует выделить М.А.Кука и П.Персона. При этом следует отметить установленные'Е.Г.Барановым, А.Н.Ха-нукаевым, Э.И.Ефремовым, М.Ф.Друкованным, В.А.Боровиковым, И.Ф.Ваня гиным, В.Н.Мосинцом экспериментальные закономерности параметров . •'• волн напряжений /ВН/ при взрывании зарядов осевой и сферической симметрии с учетом конструкций заряда и свойств горных пород. С позиции квазистатического действия продуктов взрыва большой вклад в представление о разрушении горных пород внесли Н.В.Мельников, " Г.П.ДемидюК, Л.Н.Марченко, В.М.Комир.

Работами отечественных и зарубежных ученье: сформировано современное представление о действии взрыва в среде, которое позволило дать качественную, картину и получить некоторые количественные . закономерности поведения кристаллов во вмещающих 'породах.. Наиболее

существенные результаты достигнуты в работах Н.М.Кузнецова, А.Л. • Исакова, В.А.Боровикова,. В.Н.Мосинца. В данных работах предложен механизм разрушения кристаллов, даны оценки динамической прочности кристаллов, ' оценены зоны повреждаемости кристаллов и заложены принципы и способы кристаллосберегающей технологии добычи.

Основой этих способов применительно к кристаллам алмазов, •является максимально допустимое снижение уровня действующих на. кристаллы динамических нагрузок, что достигается снижением удельного расхода -ВВ на дробление вмещающих порода Однако, снижение ■ удельного расхода в обводненных трещиноватых кимберлитах приводат

к резкому увеличению среднего размера куска, что при дальнейшей дезинтеграции кимберлита на стадии дробления сопровождается потерями качества, особенно крупных кристаллов. Поэтому при отбойке кимберлитов необходимо обеспечить равномерное дробление пород при минимизации некондиционных мелких и крупных фракций. Это возможно, обеспечить путем регулирования интенсивностью ВН, особенно в диапазоне реальных ЛНС.

•Согласно исследованиям, выполненным в лаборатории РГПВ, для необводненных массивов при применении штатных ВВ /гранулотол/, ' потснцналыю-отасная зона повреждаемости кристаллов составляз? 20-30/?оз. Очевидно, что в случае обводненных массивов эта'зона-будет сщсатаотю больпе'. Однако,' таких оценок ранее выполнено было.' Использующийся ранее подход, направленный на уменьшение действующих напряжений не достаточен, так как на основании' работ Е.И.Шемякина и В.М.Кикифоровского можно увидеть, что максимальный уровень напряжений - только одна из характеристик, определяющих разрушение .материалов при динамических нагрузках. На характеристики разрушения твердого тела оказывают существенное влияние не только амплитудные параметры импульса напряжения, но и его профиль /длительность положительной фазы Щ/.

Исходя из необходимости обеспечения сохранности кристаллов» нам представляется наиболее перспективной идея совершенствования' способа щадущего■взрывания трещиноватых обводненных кимберлитов, путем использования нетрадиционной технологии заряжания обвод- ■ нонных скважин, основанной на применении герметичных монопатро-нон из неводоустойчигых ВБ, заряжаемых в скважины с оставлением кольцевого водяного зазора. 3 этой связи необходимо определить рациональные параметры ЕЗР для колонковых-зарядов-с кольцевым. , водяным зазором, что возможно только в случае установления зако- -номерноетеЯ изменения импульса ЗН с расстоянием в кимберлитах и условий разрушения кристаллов.

Выполненные исследования взаимосвязи волнового.поля напряжений в кимберлите заключайте" в установлении количественной зако- -номорности воздействия на кристаллы квазистатической и динами- •. ческой нагрузок с характером разрушения, на ознозе разработан- . ной методики физического моделирования процесса' разрушения раз-.

мещенннх во вмещающей породе кристаллов.

Исследования параметров квазистатической нагрузки, разрушающей крирталлы, выполнялись с. использованием имштаторов кристаллов алмаза, размещенных в образцах с заданными свойствами из тиосульфата натрия и песчано-цемеиткой смеси. В качестве иммитаторов использовались кристаллы, изготовленные из оптического стекла и искусственного граната. Испытания проведены на прессе с образцами цилиндрической формы, в центре которых располагался опытный кристалл, заданной формы с необходимой ориентацией граней относительно прилагаемо:": нагрузки. Установлено, что при воздействии сжимающих нагрузок на цилиндрические образу,' с расположенными в них кристаллам, имеет место снижение прочности образцов на 20-40?6 по сравнению с образца:.?:; без кристаллов. Разрушение образца при заданных нагрузках происходит существенно раньше разрушения самого кристалла. Таким образом, статические нагрузки, приводящие к разрушению вмещающих пород,' не являются опасными для кристаллов. Разрушение кристаллоз возможно при возникновении изгибающих усилий в плоскости совершенной спайности кристаллоз или при наличии естественных дефектов в самих кристаллах.

Моделирование процесса воздействия динамической нагрузки на кристаллы выполнялось в несколько этапов. На первом этапе определялось влияние на разрушение кристаллов величины максимального давления и роли геометрического соотношения размеров кристалла и дличп волны, а таете влияние ориентации :сристалда относительно направления распространения ударной волны /УВ/. еПюры УВ фиксировались по методике преломленной в воду волны. Анализ результатов экспериментов позволил сделать следующие вывода:'при имеющем место в натуршх условиях соотношении длины воли:, прештющей в 100 и более раз размера кристаллов, фор:.:;, кристалла /октаэдр, ромбододекаэдр, куб/ и его расположение не оказывают влияния на разрушение кристалла. Влияние формы кристалла и ого ориентации на разрушение, начинает сказываться при соотношении цлшш волны к-размеру кристалла менее 20. В этом случае отпечено образование первых трещин у вершин кристаллов, расположенных со стороны роз-грузки, т.е. разрушение происходит под действием растягивающих нагрузок, возникающих при пробеге еол:к по крпстеллу и отражении

от его торцевой /по отношению к направлению распространения фро.^а/ грани. При этом существенную роль в интенсивности'разрушения играет скорость изменения величины напряжений во времен:? /форма эпюры УВ/ и форма кристалла.

На втором этапе, дан оценки влияния параметров динамической нагрузки на разрушение замурованных кристаллоз использовалась методика регистрации проходящей ВН при помощи мангашшэшх датчи- -ков, размещенных в сборке из эквивалентного материала о расположенным внутри кристаллом яилюатором, В эксперт тентах использовались модели среда, составленное из пссчагэ-цемсатнг.х c:.wcc£ и тиосульфата натрия, Лгзккс-:.:ехан:1"еские гвоЛстпа которых удовлетворяют критериям моделирования. Согласно разработанной методике физического моделирования процессия- ыи'рулиьнл к вме-

щающая порода подбирались исхода из условия равенства, отноаений акустических кесткостей исследуешх кристаллов i натур;с-;х пород и соответствующих отношений акустической жесткости иммптаторов .кристаллов и вмещающих сред. Равенство этих соотношений необходимо для соблюдения подобия процессов преломления и отражения ВН из вмещающей порода в кристалл и обратно. Кроме того, для обеспечения подобия процессов разрушения необходимо соблюдение равенства отношений прочностных характерно гкк криезьлла и е: эй порода и соответствующих отношений их и-.'.:.г,:татсров.

В качестве BraEWopon нр::сг:л.<оз алмаза исполы-озалксе кристаллы из оптического с текла со сл«ч?эдв.я: сво'стввку: р = =2,59 кг/мг, Ср =6,46 км/с, г-::]аТЯоС :"1а, [6 отр]=И0 !Ла. Песчано-цемеитная смесь имела: J> =7,4 ::г/;', Lp-3,r> км/о, Оо сг-:] =78 ., [6 отр]-3,5 '.Т.е., с:;бор данной пар:: "поропа-крис-талл" определяется близость..1 "рмт'.'рпев соотношения акустических кесткостей и отношения пределов прочности на сжатие и отрыв.

При использовании парк "спт:'.":~;::оэ гтгклс-пссч?!го-цементкая смесь", 150 вмещающей кристт.лл срезе но развивается 1:ор;ггльн«е напряжения, которые могут привести к разрушению кристалла и разрушение кристалла оптического стегсла мо;:<.чо отнести за счет их малой прочности на отрыв, считая, чти оно происходит под действием тангенциальной состазлхх.'цсГ' полна иапря.-.кмшй.

Анализ.результатов экопэрзнеитов и сопоставление с кзвест'п:-ми результатами деПстзия взрыва па грксталлъ* берил. :а и аквамари-

на, размещенные в тиосульфате натрия, показывает, что разрушение кристаллов, при выполнении модельных условий "кимберлит-алмаз", , начинает происходить при соотношении действующих в породе" радиальных напряжений и прочности на сжатие меньших 20, а также при соотношении; действующих в породе тангенциальных.'напряжений и предела прочности на отрыв меньших 9-II, т.е.:,

Кг-Ы/^20 •> (I;

Таким образом, с помощью определенных коэффициентов Кг и К у? * можно определить границы области, в которой действующие в породе напряжения вызывают разрушения кристаллов. При этом, полученные коэффициенты пересчета учитывают, в неявной форме, передачу напряжений из порода в кристалл. Исходя из этого, для определения зоны повреждения кристаллов принят подход, заключающийся в косвенном определении величины напряжений, разрушающих кристаллы-иммитаторы, основанный на установлении напряжений во вмещающих породах, при которых происходят повреждения кристаллов, и пересчете их на кристалл алмаза по коэффициентам перехода Кг и К ?:

; &=[Ъ>у>Зц/К? (2)

При выборе параметров БВР принят подход, основанный на определении характеристик поля напряжений, действующего при взрыве заряда ВВ. Для определения характеристик импульсного нагружения массива, при использовании скважинных зарядов с кольцевым водяным задором, необходимо установить взаимосвязь между конструктивными '^размерами заряда,- свойствами используемого ВВ, физико-меха-ничесташи свойствами'разрушаемой порода и параметрами волны напряжений.

Первым этапом экспериментальных работ является установление амплитудно-временных параметров ударной волны и сжимаемости кимберлитов при: взрывном, нагружении. В проведенных экспериментах . применялся модифицированный метод отражения с использованием манганинового датчика и плосковолнового генератора УВ. Отмечено, что при малых динамических нагрузках у кимберлита наблюдаются пластические свойства, при' больших - его поведение ближе к упру- ' , гому'. Таким, образом, поведение кимберлита, различно в ближней-и средней зонах взрыва: в ближней зоне наблюдаются высокие давления, малоизменяющаяся форма волны, близкая к ударной; в средней-

.скорость максимума амплитуда волны ниже скорости- звука, что приводит к быстрому развалу ударного фронта, растягиванию волны, больший диссипативным потерям онергии волны. Подобный тип поведения кимберлита приводит к сильной зависимости характера: разруше- • ния от длительности и амплитуда нагружения. Короткая интенсивная волна вызывает высокие нагрузки в ближней зоне взрыва , но быстро затухает в более дальней зоне за счет излучения упругих волн, обгоняющих основной фронт, и потерь ка-сжатие пор. Волна с меньшей амплитудой, но с большей длительностью, не вызывая таких больших давлений в ближней зоне, в то же врэ-№ более устойчива к распаду в средней зоне. Полученная ударная адиабата-кимберлита позволяет оценить параметры УЗ для различных 33 /штатных и смесевых/ и производить расчеты напряжений з бди-ялеР' зоне взрыва, необходимые для оценки радиуса потенциально-опасной зэш поарекдоемости кристаллов

/рис Л./, ,

Слсутт! этапом работы являлось установление в заионоибрн'остп гао!фсг.?раненчя БН л обводненных трещиноватых массивах при использовании- конструкции заряда с кольцевым зо~ ■■--цпным зазором. 1Сак усл&новлоно ранее, применение зарядов с ради-алъипмн зазорами, заполненными водой, но приводит к существенному снижении волнового дп?стркя взрыва, что обеспечивает их эф-' «Активность для отбойки горнчх нсрод. Данное явление, на наш кзглтд, связано с изуенеп/ем условий взрчвания и эффективного

Рис.Т. Пцх^етры/В на гранч-це ВВ-кимоерлит / I - ударная адиабата гшмбетшта; .. 2,3- ударные адаабаты . гранулотола и граммошта 79/21 соответственно/.

особенностей

радиуса заряда. Во-первых, основной границей раздела источника-возмущений и разрушаемой среды в рассматриваемом случае выступает не граница ВВ-порода, а вода-порода , Поэтому, по сравнению с зарядами ВВ того же диаметра, но без водяного зазора, увеличивается время пробега волн от центра симметрии к границе раздела. При этом имеет место несколько последовательных преломлений волны и их наложение друг ка друга, приводящие к тому, что общая длительность суммарной волны сжатия увеличивается. Дополнительным кфактором, способствующим увеличению длительности служат процессы испарения и последующей конденсации воды,.заполняющей зазор между ВВ и породой. Увеличение длительности приближает действие заряда ВВ уменьшенного диаметра к действию заряда с диаметром равным диаметру скважины. Во-вторых, амплитуда ВН убывает с увеличением относительного расстояния.по степенному закону:

сз)

где: акустическая жесткость ророды.

Поэтому имеет место снижение амплитуды ВН, особенно в ближней зоне взрыва, за счет уменьшения эффективного радиуса заряда. При применении зарядов с водяным кольцевым зазором абсолютная вели чина максимального давления на границе скважины снижается за счет изменившихся условий преломления из воды в породу. В соответствии с экспериментальными данными, полученными ранее в МОНИЛ РГПВ, при непосредственном контакте ВВ и породы соотношение , давления е породе к детонационному давлению ВВ находится в диапазоне 1,5-3, возрастая-с увеличением жесткости породы. При прелом-, лении детонационной волны в воду, согласно К.П.Станюковичу, давление, по сравнению с детонационным, уменьшается в 1,3-1,4 раза, а при переходе из воды в породу в 1,5-2 раза увеличивается. Поэтому максимальный эффект от применения зарядов с водяным зазором будет, наблюдаться в породах с малой акустической жесткостью. Так как в породах с малой акустической жесткостью коэффициент преломления из воды тем выше, чем больше расстояние от заряда, то и оптимальная величина зазора для них больше, чем для .крепких пород.

Совокупность рассмотренных физических явлений, происходящих при взрывании зарядов с кольцевым водяным зазором позволяет подтвердить' сделанный ранее вывод об экстремальном характере- зависимости передаваемой породе'энергии от величины водяного зазора.

Указанные особенности зарядов с водяным кольцевым зазором показывают, что несмотря на снижение удельного расхода БВ, разрушающее действие взрыва на больших расстояниях /в пределах реальных ЛЕС/ сохраняется.

С целью проверки установленных качественных закономерностей для зарядов с кольцевым водяным зазором цилиндрической форм были поставлены модельные эксперименты. В опытах изменение относительной величины зазора осуществлялось с помощью варьирования диаметра шпура при постоянных диаметре и массе заряда, а так-ке расстояния до свободной поверхности. 3 качестве модельной среда выбрано два материала - песчано-цементная смесь / j5 =I,S7'г/см3, Ср =2,1 км/с/ и известняк / р =2,5-г/см3, Ср =4,4 км/о/. В качество БЗ, использовался Т2Н. с плотностью I г/см3, длина заряда составляла 50 мм, диаметр заряда 4 мм, масса - 628 иг. /рис. 2,3/. Измерения напряжений производились методом преломленной в воду волны, с помощью пьезодатчиков. Так'как измеряемые давления не превышали 2,5*10® Па, то пересчет от давления в воде к напряжениям в породе велся в акустическом приближении:

; Кпг—Щ^Г ■'■'■< *> '■

где: - радиальное напряжение в породе;

Р ~ давление в воде;

C,i - акустический импеданс вода. Для удобства сравнения данные приведен:; к постоянному диаметру скважины, за точку отсчета ззяты исходный диаметр заряда при плотном заряжании tto и расстояние до свободной поверхности, равное 25 do , а также соответствующие и» удельный расход ВВ и максимальное "напряжение у свободной поверхности S© . - -

. "з рис.3 видно, что при постоянной сотке сквакин уменьшение ucxs на при плотном заряжании /снижение на 20%/ эквивалентно по уровню. напряжений уменьшению диаметра ■ заряда- на 55Й' при водяном зазоре /снижение примерно на 80Й/.-Например, уровень напряжений в районе подошвы уступа будет одинаковым, как при плотном заряжании скважин диаметром 180 мм, так и при применении патронов диаметром 90 юл в скважинах диаметром 214 мм.

Проведенные эксперименты /рис.2/ подтвердили экстремальный характер зависимости олох от К . Следует отметить, что ампли-

Рис.. 2.

Рис.

Зависимость максимальных давлений от относительного диаметра сквоуиш /при постоянном диамотре заряда/:

Т - пссчано-цсментиая смесь; 2

е/ег*

известня!..

1 { 1 1 1.....,„ г,5 1 -1 3.0 ¿Л А=

<3,67 ........>________-..-А-Л лсЬ Л о,ч Л.16 0,33 а.П 0,39 о08 о,г? 1 о.ов 1

¿и,

Зависимость максимальных напрптле.иий от дпаметто заряда . /при постоянном расстоянии до свободной поверхности/:

1 при уменычении а.ъ(ц> в скважине постоянного диаметра;

2 - при уменьшении Лскй вместе с диаметгюм заряца /плотное зарлжакио/.

туда напряжений при оптимальной величине зазора возрастали по сравнению с плотным заряжанием в известняке в 1,4 раза, в пос-чано-цементной смеси в 2,2 раза, несмотря на постоянство массы

. -15- -'

и формы заряда и расстояния от центра заряда до точки наблюдения.

С увеличением величины зазора длительность волны и-фая?! нарастания напряжений возрастают. Так, при оптимальной величине зазора длительность фазы нарастания у пбсчано-цвментпой смеси н ■ 2,7 раза больше, а у известняка в 1,4 раза больше, чем при плотном заряжании. ■

Закономерности изменения параметров ВН при распространении ее в массиве обводненных-трещиноватых кимберлитов исследовались на натурных образцах кимберлитов карьера '';'::р". В экспериментах использовались заряда ТСНа пониженно,! плотности, гонсгпру",о.:;не волну напряжений различной длительности /плотность ТШа 0,3 и 0,5 г/см3, вес заряда 3 г, диаметр 7 мм, дата 70 '?'./. Л:гутк? порченных зависимостей максимальных напряжений к длительности воли от относительного расстояния показывает, что при применении зарядов пониженной плотности максимальные напряжения снижаются примерно в 1,5-1,8 раза по сравнению с' плотным зарклнием. Однако, при этом длительность волны в 2-3 раза увеличивается и интенсивность затухания волн уменьшается.

Результаты проведенных экспериментов показывают, что при использовании ВВ пониженной плотности и зарядов с кольцевые зодягоэд зазором длительность импульса паприке нкя вшзе, чем г.рп использовании заряда с плотным заряжанием, несмотря на р'лиенстг-о их масс. Исходя из ртого, можо говорить о сохранении импульса ВН при уменьшении максимума действующих напряжений, га счет увеличения длительности волны.

Влияние треи<иноватос?и обзодленных кимберлитов на характер затухания ВН доследовалось на модельных экспериментах при прохождении подводной ударной волны через систему параллельных пластин, зазора !.х--:с,лу которыми т-.шгпрспзглп греа^гк. На основа пронедешяче экспсри ментов определен когМшзюнт затухания максимально», амплитуда ВН при прохождении через систему трещин и закономерности трансформации ее форет. Установлено, что наибольшее ослабление по амплитуде волга охазьтает одиночная трещина болыпиг замеров / а тр -5 г.сл/, но с увеличением чис.ла треки /при одинаковой их суммарной "'ирине Зтр =5 ш/ отмеченное ослабление снижается. • При этом имеет место увеличение длительности и времени нарастания волны до максимума, однако импульс, прокедвей через трепачу

волны, меняется незначительно. Кроме того, наблюдается запаздывание прихода волны, увеличивающееся с ростом одела трещин и при , их одинаковой толщине /, что свидетельствует о

снижении скорости распространения волны с увеличением трещиноватое ти массива. Таким образом, определены коэффициенты ослабления по напряжениям и энергии Ае для трех типов кимберлитов, раз' личающихся относительной трещиноватостью 2Г = А /£ /г.г.г/и/ и соответствующей крепостью /таблица I/.

Таблица I.

Расчетные значения коэффициентов ослабления по напряжениям / / и энергии / / для кимберлитов

Тип порода Плот- Скорость __Скорость

ность, волны в д I/ ¡/ волны в

образце, ЛБ массиве,

г/см3 км/с :.с;/м - - км/с

Слаботрещиноватые кимберлиты 2,5 4,42 0,01 .0,938 0,88 4,11

Кимберлиты средней трещиноватости . 2,43 4,13 0,03 0,842 0,71 3,48

Силькотрещиноватые кимберлиты 2,34 3,11 0,05 0,811 0,66 2,7

Для сравнительной оценки дробящего действия зарядов различных конструкций проведены эксперимента и анализ грансостава по известным методикам. Опыты проводились в кубиках известняка с ребром 100 мм. В первой серии использовались заряда ТШа диаметром 6 мм и массой 1,65 г, во второй - такие ке заряда помещались в шпуры диаметром 10 мм, заполненные водой. По результатам экспериментов размер среднего куска зарядов с кольцевым водяным зазором увеличился на 20& по сравнению с зарядами плотного заряжания. Кумулятивные кривые /в спрямляющих координатах логнормаль-ного распределения/ практически аналогичны друг другу. Логарифмическая дисперсия моды, описывающей крупные куски составляет для сплошного заряда 0,85, для заряда с зазором 0,85; для моды, описывающей'мелкие фракции - 3,0 и 2,85 соответственно.

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что заряды с водяным кольцевым зазором, также как и заряда малоплотных

ВЗ, приводят к снижению амплитудных характеристик при сохранении' качества дробления. Поэтому, есть все основания считать, что применение зарядов с кольцевым водяным зазором позволит распространить технологи-о щадящего взрывания на обводненные массивы кимберлитов.

По результатам выполненных экспериментов определены основные расчетные зависимости для вычисления параметров Ш при взрывании зарядов с кольцевым водяным зазором в трещиноватых обводнешшх кимберлитах. Разработана расчетная схема для определения параметров ЕВ?, которая включает в себя:

- расчет поля напряжений по методике лаборатории МОЛИЛ РГПЕ для удлиненного скваяинного заряда;

- корректировку значений характеристик поля напряжений с учетом влияния.обводненной трещиноватости и полученных зависимостей для зарядов с кольцевым водяным зазором;

- определение радиусов зон разрушения породы и потерь кристаллов, исходя из определенных значений прочности породе и кристаллов с учетом установленных коэффициентов концентрации напряжений;

- сражение соотношения объемов зоы» дробления и зоны потерь кристаллов }з рассматриваемых вариантах и выбор конструкции заряда, с максимально': разнниой объемов этих 3011;

- для выбранного зприаита лроиавоцктся оценка степени дробления.

Выполнение гасчетк по оценке .-Л'-ектпшгостк различных средств .ведения взрывных работ и анализ результатов опытно-проит.шекшх экспериментов по определению грансостава на карьере "Удачшй", показали хсропта схоот.-.ость р~зул!,таточ, кяк- в случаях использования пр^тннх ВВ /гранулотол, гтгаонит 7 ГУ 21 /, так и м'.леплот-ных составов ВЗ на основе аммиачной селитры и пепопетастирсла.

Разработашше параметр!! БВР представлены в таблице 2. Как видно из таблицы, объем потенциально-опасной зоны повреждаемости кристаллов д-я сар'-гдо«. с ао.»".!!ЧМ Кольцовым зазором снимется в 4-5 раз и достигает V х ::<; зиыюнай, '¡то и применении мелошот-ннх БЗ.

Таблица 2:

Параметр» EBP в обводненных скважинах id. скв. = 250мм/

Конструкция заряда

I

т

Радиус Сетт опасн, ка зоны,-, скв.,

d

if»

Коп, IЛ

М'М

Вес Объем Отн. зар.зоны рф-по- ■ фек-0 терь, тив-' «г ность KP -Я—

л.м.«в

Длина Уд. заря- рас-Да, ход,

0 -УЛ-м*

Средн. размер куска,

а ср,

сП

Гранулотол

Гранулотол "¡;а замочку"

Малоплотное ■ ВЬ на сухом уступо

Заряд с водяным зазором: ^заре150 мм

¿уэаря125 .км

2,7 2,7

8x8 440 22,9 0,64 10 10x10 440 22,9 0,77 10

0,46

0,28 после

17-19

40-50 ■ взрыва

I' 1,2

1,7 1,25 2,0 1,05

8x8

8x8 7x7

400 -4,5- 0,93 12.14

0,42 30-35

333 238

4,9 0,93 3,5 0,93

14 14

0,35 0,32

расчет

25-30

25-30

Теоретико-экспериментальные результаты исследований показывают, что взрывание конструкциями заряда с водяным кольцевым зазором обеспечивает снижение, по сравнению с взрыванием гранулотолом "на замочку" при расширенной сетке скважин, размера среднего куска на 30-35?$ и общем выходе негабарита 0,5-154 при достижении равномерной. степени дробления. Поскольку при зарезке .траншей не предстаэ-ляатся возможным обеспечить расширение сетки скважин и удельный расход ВВ достигает 0,46 кг/м3 /гранулотол в обводненной скважине/ резко увеличивается выход Мелких фракций, снижается размер среднего куска в 2 раза-и потенциально-опасная зона повреждаемос1-ти кристаллов, по сравнению с предлагаемой наш конструкцией паря-■ да, возрастает болео, чем в 2 раза.

Так.как плотность'рассола карьерных вод колеблется в пределах 1,2-1,35 г/смя, дат обеспечения потопляемости монопатрона их- роко-моцдуется снаряжать гранулотолом, либо водотлолнепнкм грашонитом 79/21, для которого (экспериментально определены взрывчатые характ ториотиюи Поскольку. иипедйно яодокаполпенного граммонита сутцест- • венно ниже импедмнеа гранулотолз!., он, предпочтительнее, принимая в'о вшй.шше существенное-сшженне бризантного действия

-19В работе предлагается технология заряжания рассолсодеряащих скважин, основанная на использовании герметичных монопатронов, заряжаемых• водосовмещенным граммонитом //¿в=1,4-1,5 г/см3/, изготовляемых на разработанном и прошедшем промышленную проверку пакетировочном комплексе. Комплекс позволяет наполнять взрывчатым, веществом полиэтиленовые монопакеты, доставлять их на взрывной блок и формировать. сквагжшые заряды с кольцевым водяным зазором. Дня повышения эффективности, надежности и стабильности детонации заряда рекомендуется производить центрирование монопатроноз путем установи! центраторов или фиксацией всей колонки заряда. .

При применении предлагаемой технологии заряжшия и взрывания • обводненных скважин, так не как и при использовании малоплотных ВВ на сухих уступах, обеспечивается повышение выхода ненарушенных кристаллов на 20^; кроме того, за счет сокращения удельного расхода ВВ в 1,4 раза и перехода на более дешевый тип ВЗ, затраты на\ буровзрывные работы сокращаются на 20-30?$..

. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

' 1,.Для цилиндрических зарядов установлена закономерность изменения параметров ВН в зависимости от величины кольцевого водяного зазора, характеризующаяся /для пород типа кимберлитов/ наличием оптимального значения в диапазоне 2-2,5 скв/ <£■ зар.

2. Установлен характер затухания амплитуды ВН в функции относительного расстояния для трещиноватых обводненных кимберлитов, характеризующийся спадом напряжений в зоне промышленных ЛНС на 10-2 по сравнению с взрыванием -монолитных пород зарядами . .сплошных конструкций. Получена ударная адиабата кимберлита на

границе заряд-порода.

3. Разработана методика моделирования условий'воздействия .динамических нагрузок на'кристаллы! размещенные во вмещающей породе', показано, что г. случае воздействия квазистатической нагрузки, при- . водящей к разрушению рмещающих пород, находящийся в ней кристалл

не разрушается, при предельных динамических • нагрузках разрушение -кристалла имеет место при соотношении длины волны к размеру кристалла менее-20. -■• ........:...

.-204. Определена величина потенциально-опасной зоны повреждаемости кристаллов с учетом установленных закономерностей распространения ВН при взрыве зарядов с кольцевым водяным .зазором и прочностных характеристик кристаллов алмазов и вмещающих пород; показано снижение радиуса потенциально-опасной зоны повреждаемости кристаллов по сравнению с традиционной технологией с 2,7 до 1,2-1 м, т.е. в 2-2,5 раза. .

5. Определены оптимальные параметры ЕВР для конструкций зарядов с кольцевым водяным зазором, отличающиеся сокращением удельного расхода ВВ в 1,4 раза, обеспечивающие равномерное дробление горной массы при размере среднего куска 25-30 см и существенном повышении естественной сохранности кристаллосырья.

6. Предложена техника и технология щадящего, взрывания трещиноватых кимберлитов при использовании герметичных монопатронов, заряжаемых' неводоустойчивым ВВ, в обводненные скважины с кольцевым водяным зазором.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Лапин A.A., Петров O.A. Некоторые энергетические свойства металлизированных гетерогенных систем.- В кн. Тезисы докладов кгнференции молодых ученых и специалистов. Апатиты, 1987г.

2. ..Лапин A.A., Петров С.А., Нигматуллин С.Ш. Испытания простейших ВВ на разрезе "Октябрьский".-В кн.Тезисы докладов IX республиканской научн.-техн.конференции молодых ученых,' Кохтла-Ярве, 1989г.■

3. Боровиков В.А., Лапин A.A., Петров С.А. Влияние водяного зазора при использовании простейших пакетированных ВВ на изменение интенсивности волн напряжений на контакте вода-горная порода.-В кн.Тезисы докладов IX республиканской научн.-техн.конференции молодых ученых, Кохтла-Ярве, 1989г.

'4. Боровиков В.А., Лапин A.A., Ермолаев И.Ю. Способ щадящего' взрывания кристаллосодержащих пород в обводненных трещиноватых массивах. Информационный листок Г746-92, ЦНТИ , С-Пб, 1992г.

5. Боровиков В.А., Лапин A.A., Афанасьев В.Н. Комплекс оборудования' по пакетированию и заряжанию в обводненные скважины неводоустойчивых взрывчатых веществ. Информационный листок [£745-92, 1ЩТИ, С-Пб, 1992г.