автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка физико-технических способов повышения эффективности и безопасности взрывного разрушения пород при проведении подземных выработок

На правах рукописи

МЛН ГУ Ш Сергей Кириллович

УДК 622.233/236

РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном горне университете.

Научный консультант проф., докт. техн. паук Г. М. КРЮКОВ.

Официальные оппоненты: докт. техн. паук, проф. КУСОВ Н. Ф.,

лауреат Государственной премии СССР, докт. техн. паук, проф. ВИКТОРОВ С. Д.,

докт. техн. наук, проф. ПРОТАСОВ 10. И.

Ведущее предприятие — акционерная фирма «Гндроспе! строп» (г. Москва).

Защита состоится 27 июня 1997 г. в 11 час. 00 мин. па зг седанни диссертационного совета Д-053.12.06 при Московско государственном горном университете по адресу. 11704! г. Москва, Ленинский проспект, дом 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке уш верситета.

Автореферат разослан « . . . » мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. паук, проф. БАКЛАШОВ И. В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Взрывные работы являются одним из основных способов разрушения горных пород при разработке полезных ископаемых, проведении горных выработок, строительстве и реконструкции шахт и рудников, подземных сооружений, железнодорожных, автотранспортных п метрополитеновских тоннелей, размещении атомных электростанции и экологически неблагоприятных производств, а также при освоении подземного пространства крупных городов. На шахтах н рудниках России более 98% всех капитальных и подготовительно-нарезных выработок в крепких породах проводится с использованием энергии взрыва. Буровзрывные работы занимают до 60% времени от продолжительности проходческого цикла и составляют 35—40% стоимости одного метра проведения гор-нон выработки.

Опыт подземной разработки полезных ископаемых показал, что в среднем за 10 лет горные работы углубляются примерно на 150—160 м.

С увеличением глубины разработки полезных ископаемых возросли папряженпо-деформпроваппос состояние, температура горного массива, участились газодинамические явления, проявляющиеся в форме внезапных выбросов угля, породы и газа, повысилась газообнльность выработанных пространств.

По состоянию на 1995 г. из 280 эксплуатируемых шахт компании «Росуголь» 70 — еверхкатегорные, 31 шахта — опасна по внезапным выбросам, 48 — по горным ударам.

Увеличение общего количества опасных и сверхкатегорных проходческих забоев сдерживает темпы проведения горных выработок, повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций.

Проблемы, связанные с проведением горных выработок в обычных и опасных проходческих забоях, зависят от эффективности разрушения горных пород и обеспечения безопасности взрывных и горнопроходческих работ.

Как показал анализ эффективности взрывного разрушения горных пород при взрывных работах в 190 проходческих за-

боях на шахтах Донбасса и России, КИШ в крепких и весьма крепких породах не превышает в среднем 0,75—0,8.

Значительны переборы пород и нарушепность законтурного пространства (от 20 до 40% общего объема взрываемого массива), вследствие чего ухудшается устойчивость подзем-пых выработок. Применяемые ВВ при проведении горных выработок в крепких и весьма крепких породах не отличаются должной работоспособностью, их детонационные характеристики не соответствуют физико-техническим свойствам взрываемых пород. Аналогично положение при проведении подземных выработок по породам средней крепости и крепким, склонным к газодинамическим проявлениям, где применяются предохранительные ВВ III, IV и V классов.

Применение более мощных ВВ (скальный аммонит № 1, прессованный) в этих условиях противоречит действующим нормативным документам и ЕПБ при ВР.

Свойства взрываемого массива изменить практически невозможно. Поэтому можно регулировать только детонационные характеристики таким образом, чтобы обеспечить необходимую эффективность взрывного разрушения горных пород как в донной части шпуров, так и между комплектами зарядов. С увеличением глубины ведения горных работ интенсифицируются проявления горного давления, возрастает опасность внезапных выбросов пород, угля и газа и естественно со снижением устойчивости выработок возрастают затраты на их поддержание.

Размещение горных выработок па глубоких горизонтах шахт в крепких породах (песчаниках) является обоснованным технологическим решением. Это в свою очередь выдвигает целый ряд требований к технологии взрывного разрушения горных пород как с точки зрения эффективности работы взрыва, так и по критерию безопасности ведения горных работ, особенно па месторождениях, опасных по внезапным выбросам породы, угля и газа

В соответствии с изложенным научная проблема разработки способов управления действием взрыва в горном массиве при проведении подземных выработок в различных горно-геологических условиях на базе обоснования параметров удлиненных зарядов ВВ со специальными устройствами, повышающими эффективность и безопасность взрывного разрушения пород, является весьма актуальной.

Цель работы — установление закономерностей действия взрыва в горном массиве, обоснование параметров взрывного разрушения пород удлиненными кумулятивно-канальными зарядами с ЦКП и без них, обеспечивающих эффективное и бе-зочаспое ведение взрывных работ, рост интенсивности проведения горных выработок и снижение затрат на их поддержание.

Идея работы состоит в управлении параметрами удлиненных кумулятивно-канальных зарядов ВВ для эффективного регулирования детонационных, энергетических и технологических характеристик, соответствующих свойствам взрываемых массивов.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются угольные шахты России и Донбасса, предприятия АООТ «Трансвзрывпром». В работе применен комплекс методов исследований, включающий научный анализ и обобщение опыта. Теоретические и лабораторные исследования выполнялись с применением современных ЭВМ и программного обеспечения, теории действия взрыва в горной породе, физики взрыва, гидродинамики, теории выброса породы, угля и газа, воспламенения пылегазовых смесей. Шахтные экспериментальные взрывные работы выполнялись с использованием апробнрованпых и разработанных методик, результаты исследований обрабатывались методами математической статистики, теории вероятностей и корреляционного анализа.

Научные положения, представленные к защите.

1. Показатели эффективности взрывного разрушения горных пород при проведении подземных выработок зависят от соотношения скорости детонации О »применяемого ВВ и скорости распространения продольных волн в массиве С,, и принимают наибольшее значение при О/Ср> 1,2 с обеспечением рационального разрушения горных пород удлиненными зарядами.

2. Установлена параболическая закономерность изменения скорости детонации удлиненного заряда со стеклянным цилиндрическим каналом от соотношения диаметров внутреннего канала и заряда ВВ, с максимальным значением скорости детонации Оак — 1,3...1,35£> ,ар при й = с1т = 0,1 . 0,16, плотности стекла рст =2,22 г/см3.

3. Установлен пульсирующий характер детонации в удлиненных зарядах с цилиндрическими каналами с преградами (ЦКП), при этом максимальное значение скорости детонации соответствует расстоянию -между преградами /пр = (10...15)аг1;:1 Е и толщине преграды 1...2 мм.

4. Особенности механизма действия взрыва удлиненных кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП па горные породы проявляются в увеличении скорости детонации в 1,5—1,75 раза и мощности применяемых ВВ за счет уменьшения времени взрывчатого разложения и создания неравномерного -поля напряжений в разрушаемом массиве.

5. Теоретически обоснованные -параметры кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП при глубппном взрывании позволяют значительно увеличить трещиноватость массива по направлению проводимой выработки, в результате чего повышаются

дебит и скорость газовыделения, снижается вероятность выброса породы и газа.

6. Установлены оптимальные концентрации йодистых соединений н карбамида в жидкостной забойке, ее расход и параметры размещения на основе решения теоретической задачи истечения ПД, при взрыве шнурового заряда, исключающие'воспламенение пылегазовых смесей (стехиометрическая смесь СН4 = 9,5%).

Научная новизна.

1. Установлен параболический характер изменения скорости детонации удлиненного заряда со стеклянным осевым цилиндрическим каналом в зависимости от соотношения диаметров внутреннего канала и заряда.

2. Впервые предложено использовать внутренние преграды в зарядах с ЦК, позволяющие достигнуть приращения скорости детонации и создать неравномерное поле напряжений, повысить тем самым эффективность разрушения горных пород взрывом.

3. Впервые созданы кумулятивно-канальные заряды с ЦКП, обеспечивающие рациональное использование их энергии для разрушения горных пород взрывом врубовых, вспомогательных и отбойных зарядов.

4. Применение кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП для глубинного взрывания по направлению проводимой выработки позволяет повышать эффективность дегазации выбро-соопасных пород и угольных пластов (при вскрытии), снижая вероятность выбросов породы, угля и газа.

5. Разработана жидкостная забойка на основе йодистых соединении карбамида, применение которой предотвращает взрыв пылегазовых смесей при ВР в проходческих забоях.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

удовлетворительной сходимостью (погрешность не превышает 10%) результатов теоретических исследований разрушения горных пород взрывом, выполненных с использованием теории упругости, с результатами, полученными при взрывных работах в шахтных условиях;

достаточным объемом промышленных н лабораторно-поли-гонных экспериментальных взрывных работ;

теоретическим обобщением выявленных закономерностей, результаты которых подтверждены шахтными экспериментальными взрывными работами;

коэффициентом корреляции между результатами теоретических исследовании, лабораторных, полигонных (в опытном штреке МакНИИ) и шахтных экспериментов, который составляет не менее 0,9;

положительными результатами шахтных экспериментальных взрывных работ, разработанных способов п рекоменда-

ций гто взрывному разрушению горных пород при проведении горных выработок па строящихся, реконструируемых и действующих шахтах Ростовской области и Донбасса.

* Научное значение работы состоит в установлении закономерностей управления эффективностью и безопасностью взрывного разрушения горных пород в зависимости от детонационных характеристик, применяемых удлиненных кумулятивно-канальных зарядов и физнко-мехапических свойств взрываемых пород. Установленные закономерности могут быть использованы при исследованиях, связанных с действием взрыва в твердых средах, в условиях высокой степени вы-бросоопасности горных пород и полезных ископаемых, опенке эффективности применения новых типов ВВ.

Практическое значение диссертации заключается в разработке способов, рекомендаций, методик, используемых при проектировании взрывных работ, составлении паспортов БВР с применением кумулятивно-канальных зарядов, подготовке и проведении мероприятий, связанных со снижением вероятности выбросов породы, угля и газа, воспламенением пылега-зовых смесей в опасных проходческих забоях при взрывных работах, позволяющих управлять эффективностью п безопасностью взрывного разрушения горных пород при проведении горных выработок.

Реализация результатов работы.

Разработанные способы и методики по управлению эффективностью разрушения горных пород взрывом удлиненных ку-мулятивно-каиальпых зарядов нашли широкое применение при проведении гоппых выработок па шахтах АО «Гуков-уголь»: ш/у «Алмазная», па шахтах Донбасса: ПО «Артем-уголь» --шахты им. Изотова, «Комсомолец»; ПО «Торезан-трацит» — шахты «Прогресс», им. Лутугнпа, «Красная Звезда», «Ударник», а также на предприятиях АООТ «Транс-взрывпром» — «Песковскип КСА\», «Афанасьевский карьер» (Воскресенский р-н Московский области). Методики глубинного взрывания кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП для борьбы с выбросами породы, угля и газа широко применяются па шахтах Донбасса: шахты «Кочегарка», им. Изотова, «Комсомолец» ПО «Артемуголь»; шахта им. Артема ПО «Дзер-жипскуголь»; шахта им. А. А. Скочинского ПО «Донецк-уголь», проектными институтами «Оргшахтострой» п «Доп-гнпрошахт» (г. Донецк)—при проектировании, строительстве, реконструкции действующих шахт, а также шахтострои-тельными и шахтоироходческнми организациями при проведении стволов и горных выработок, на шахтах и рудниках, а также в других отраслях промышленности.

Результаты работы используются в учебном процессе по следующим курсам: «Технология и безопасность взрывных работ»; «Техника и технология бурения н взрывные работы

па горных предприятиях»; «Проектирование и безопасность взрывных работ».

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались на заседаниях Межведомственной комиссии по взрывному делу в 1978, 1979, 1980, 1981 гг.; на Всесоюзных конференциях по физике горных пород и процессов в 1974, 1981, 1991 гг.; на технических советах угольных объединений Донбасса: ПО «Лртемуголь», «Торезаптрацит», «Дзержинскуголь» в 1970, 1980, 1981, 1986, 1987, 1990 гг.; АО «Гуковуголь» — в 1995— 1993 г.; на Международных симпозиумах, посвященных дню горняков, в 1996, 1997 гг. (г. Москва, МГГУ).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 41 работе, в том числе в трех учебных пособиях, в двух авторских свидетельствах. Новые технические решения, созданные в процессе работы над диссертацией, представлены автором к защите двумя патентами.

Диссертационная работа является итогом целенаправленных исследований, выполненных автором в рамках научно-исследовательских хоздоговорных тем и целевой государственной программы «Уголь России».

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка использованных литературных источников из 175 наименований. Диссертация изложена на 37з~ страницах машинописного текста, содержит 1/$- рисунков, /? таблиц, приложений па стр.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, проф., докт. техн. наук Г. М. Крюкову; заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, проф., докт. техн. наук Б. Н. Кутузову; коллективу кафедры «Разрушение горных пород взрывом»; проф., докт. техн. наук 10. II. Кузнецову за научно-методические консультации; вице-президенту ОАО «Росуг^ль» А. П. Фисуну; техническому директору АООТ «Трансзрывпром» Е. С . Быстрову; инж. В. В. Галкину, а также работникам АО «Гуковуголь», ПО «Лртемуголь», «Торезантрацпт» за помощь, оказанную при проведении экспериментальных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Современное состояние проблемы

Важнейшей задачей современной горной науки и техники является разработка высокоэффективных ресурсосберегающих, экологически чистых и безопасных технологий взрывного разрушения горных пород при проведении горных вырабо-

ток и подземной разработке месторождении полезных ископаемых.

Значительный вклад в разработку и совершенствование методов разрушения горных пород взрывом в подземных условиях внесли академики М. И. Лгошков, Ф. А. Баум, Л. Д. Ландау, М. А. Лаврентьев, Я. Б. Зельдович, В. В. Ржевский, М. А. Садовский, Л. И. Седов, Н. Н. Семенов, Е. И. Шемякин; профессора В. В. Адушкип, В. Е. Александров, В. А. Боровиков, С. Д. Викторов, А. Ф. Беляев, С. С. Григорян, Г. П. Де-мидюк, М. Ф. Друкованый, Г. М. Крюков, Н. Ф. Кусов, Б. Н. Кутузов, В. М. Комнр, Н. Н. Казаков, В. Н. Мосипец, В. Н. Мисник, Г. И. Покровский, Н. М. Покровский, 10. И. Протасов, В. Н. Родионов, В. К. Рубцов, А. Ф. Суханов, П. Я. Таранов, В. П. Тарасенко, К. К- Шведов и многие другие отечественные ученые.

Среди иностранных ученых неоспоримые результаты в области взрыва были получены Г. П. Атчисоном, Г. Л. Броудом, Р. Густфсопом, М. А. Куком. Б. Кпльстремом, Г. Кольским, К. Коуэлом, У. Лангефорсом, Г. Лундбернгом, А. Персопом и многими другими исследователями и специалистами.

В работах отечественных и зарубежных ученых достаточно глубоко изучены закономерности детонации ВВ, воздействие энергии взрыва зарядов ВВ на горную породу, имеющие важное значение в теории и практике ведения взрывных работ при добыче полезных ископаемых.

Исследования, посвященные детопацни ВВ и воздействию энергии взрыва на разрушаемую среду, можно условно разделить на две группы.

К Т группе относятся исследования процесса детонации взрывчатых материалов, связанные с установлением основных закономерностей при взрывчатом превращении, позволивших создать стройную математическую, гидродинамическую теорию детонации ВМ как для конденсированных (жидких и твердых), так и для газообразных смесей. Это позволяет с достаточной степенью точности рассчитывать основные параметры взрывчатого превращения (скорость детонации D, первоначальное пиковое давление Р», температуру Т, ¡плотность рвв , теплоту взрыва Q,np , энергию в детонационной волне Е).

Основоположником в современной гидродинамической теории детонации является русский физик В. А. Михельсон, разработавший ее основные положения в 1889 г. Позднее этой теорией занимались иностранные ученые Чепмеп (1890 г.), Жуге (1905 г.) и Крюсар (1907 г.). Дальнейшее развитие эта теория получила в работах Л. Д. Ландау. Я. Б. Зельдовича, А. А. Гриба, К. П. Станюковича. К. И. ГЦелкпна, Я. К. Тро-шипа п др.

В работах ученых II группы исследований рассматриваются процессы деформирования и разрушения твердых сред

взрывом заряда ВВ. Результаты этих исследований лозволили сформулировать ряд гипотез и основные закономерности действия взрыва на горную породу.

Поскольку процессы деформирования и разрушения горных пород взрывом удлиненных зарядов при .проведении горных выработок являются предметом настоящей работы, то »перейдем к более подробному анализу основных моделей и рассмотрим наиболее шрйстой случай — ка-муфлетпый взрыв сосредоточенного заряда.

Впервые наиболее близкая к действительности модель разрушения горных пород сосредоточенным зарядом была сформулирована Г. И. Покровским. Им были указаны три основные зоны деформирования и разрушения горных пород: мелкодисперсное дробление вблизи заряда; радиальное трещннообразование; упругое деформирование сейсмической волной. Г. И. Покровский подчеркивал, что -после 'падения давления во взрывной полости возможны возвратные движения к центру заряда частиц породы, в результате чего могут формироваться системы кольцевых трещин в зоне радиального трещинообразования. Кроме того, им отмечалась возможность дополнительного разрушения отделыюстей >под действием сейсмических волн.

В работах А. Н. Ханукаева установлено влияние волн растяжения на процесс разрушения отдел-ьностей, формирующихся в результате многократных преломлений и отражений упругих взрывных волн сжатия в блоках -массива, разделенного трещинами с разным наполнением. При этом учитывалось значительно меньшее (на один, два порядка) значение -предела прочности пород на растяжение, чем соответствующая величина предела прочности на сжатие.

Модель действия камуфлетного взрыва сосредоточенного заряда па торную породу, -предложенная Г. И. Покровским, детально развита в ИФЗ им. О. 10. Шмидта РАН учеными В. И. Родионовым, В. И. Цветковым н др. ;под руководством акад. М. А. Садовского.

Изложим основные результаты этих исследований. В принятой модели массив горных пород представляется средой квазппопрерывной, .квазиоднородной и -квазиизотропной с упругими параметрами Е и и, плотностью р и пределами прочности на сжатие асж и растяжение араСг- В массиве имеется сферическая тюлость радиусом «о, в которой размещен заряд ВВ некоторой массы. Детонация заряда осуществляется в его центре. В начальный момент / = /0 = 0 порода не нагружена. Предполагается, что разрушение породы .под действием взрыва заряда ВВ происходит в несколько последовательных этапов.

На I этапе предполагается, что мощная ударная волна, возникшая в заряде ВВ в результате его инициирования, мгновенно, одновременно в некоторый момент времени выходит всюду на сферическую поверхность 'контакта «ВВ — порода». Этот момент принимается как начальный / = /0 = 0 момент воздействия ПД на 'породу. Амплитуда ударной волны при этом превышает теоретическую прочность породы (принимаемую приближенно равной 0,1£), вследствие чего происходит сублимация вещества.

Величины возникающих нагрузок на несколько порядков превышают прочностные характеристики породы, в связи с этим среда считается несжимающейся жидкостью, т. е. средой без касательных напряжений.

Начальная энергия ПД (при /- = 0) вычисляется по фор-

(-Л™- + hEüYojn i, (!)

муле

3 \ Топд

где -;о ил — показатель изоэптроаы ПД;р0пл—плотность Г1Д, ро пд ~ рпв.

Связь давления с плотностью описывается формулой

/>„д~А>опд(^)Т,,л, (2)

V ро II д /

где Р пд и рпд — соответственно давление и плотность ПД.

Масса взрываемого заряда ВВ связана с «0 и ропд соотношением:

Мнв ~я0''оц пд- (3)

Разрушаемая порода .при этом характеризуется плотностью ропор, модулем упругости Е, коэффициентом Пуассона V и показателем изоэитропы у (для большинства пород у~3— 4), так что для сублимированных частиц выполняется соотношение

Ясг^Яосв^У"', (4)

V Рос.,

где Ро сб и рев —начальные давление п плотность газообразного сублимированного вещества; Рсб п рсс —текущие значения давления и плотности.

По породе распространяется УВ, передний фронт которой R больше радиуса а и .полости с ПД, поэтому между поверхностями радиусом а н R находится сублимированное вещество шороды.

Для скорости распространения УВ — в твердых средах

и скорости частиц сублимации в этих волнах существует связь:

/? = Ср-МКсб, (5)

где Ср—скорость распространения продольных волн в породе; к = 1,4....1,0 — коэффициент .пропорциональности.

После прохождения УВ термодинамические характеристики породы скачкообразно изменяются.

По мере расширения ПД увеличиваются а и снижаются скорости ПД п сублимации, скорость УВ — Я, Рхсб, Рхсь, а также температура ПД сублимации.

На И этапе действия взрыва амплитуда упругой волны, действующая на породу, меньше 0,1£ породы, но больше предела ее прочности на одноосное сжатие. В результате действия волны происходит мелкодисперсное дробление частиц породы— от сотых долей до миллиметров, при этом ¡полость с ПД интенсивно расширяется, вызывая дополнительное перемещение и измельчение породы. С (момента 1 = 1^ фронт мелкодисперсного дробления начнет отставать от переднего фронта упругой волны. При этом амплитуда переднего фронта упругой волны уменьшается до значений = в этом

случае снижается и скорость ее распространения до С\ (скорость распространения волн малой амплитуды), поэтому

50сж ,г~\

е2 =-- . (6)

Ро пор^1

На втором этапе действия взрыва рассчитываются закономерность расширения полости а(/) и все термодинамические параметры.

В завершение расчета II этапа действия определяется радиус полости а2.

В начальной стадии III этапа происходит упругое деформирование породы без ее разрушения. При этом напряжения, возникающие в породе, вычисляются по формулам:

огг=-2р(^-)3 = -2ою=-2с9?-, (7)

и==(1 (10)

где огп сах, ар?—соответственно радиальные, полярные и азимутальные напряжения; егг, е„, г33—соответственно ра-

диалыше, полярные и азимутальные деформации; и — радиальное перемещение частиц.

Таким образом, на III этапе действия взрыва около области с ПД возникают две зоны:

ближняя — зона трещинообразовапия; упругого деформирования без разрушения. Радиус границы двух зон обозначается через b0, на котором

2з

—'

"рас а в„

^рас-

В соответствии с изложенным напряженно-деформированное состояние в зоне упругого деформирования без разрушения описывается соотношениями, аналогичными (7)... (10).

С учетом граничных условий на поверхности с г = Ь0, згг — = —2сГрас напряжепно-деформпровапное состояние в гопе радиального трещинообразовапия устанавливается соотношениями:

и — ■

(1 + v)°pacÄo

¿3

рас

Г

(а<г < bü)\

/ b \2 ч г

(И) (12)

перемещение частиц па границе г = Ь0.(Щ

Радиус границы между зонами мелкодисперсного дробления, и радиального трещинообразовапия, на которой агг ~ о^, а азимутальные ст^ и полярные аа« напряжения имеют разрыв, обозначается через Ь ,.,.

Связь между Ь0 и ¡получается в виде

Ь. ba

2з

(14)

рас

у.\ является первым критерием подобия деформирования и разрушения двух различных сред -камуфлетным взрывом сосредоточенных зарядов.

При этом

Ьл

< Ь.

(15)

Если

а >> а2, то — = а

Оi+ !)■

(16)

а

ст

где y.2 — второй критерий подобия деформирования и разрушения -породы камуфлетным взрывам сосредоточенного заряда.

В конце III этана действия взрыва радиус полости а рассчитывается по формуле

Максимальный объем шолости -при идеальном медленном квазистатическом нагружепии породы вычисляется по формуле

Сравнивая (17) и (18), можно увидеть, что при самых благоприятных условиях квазистатического нагружения породы требуется энергии в 1,7 раза меньше, чем при взрыве.

Резюмируя изложенное, необходимо отметить следующее.

При решении предложенной модели установлены принципиальные закономерности формирования взрывной полости для камуфлетного взрыва сосредоточенного заряда в однородной непрерывной изотропной среде, выявлена взаимосвязь между величиной энергии заряда, размерами полости зоны мелкодисперсного дробления, радиального трещииообразова-ния и объемом расширения полости с учетом упругопрочност-ных свойств пород.

Определены I и II критерии подобия деформирования и разрушения пород камуфлетным взрывом сосредоточенных зарядов ВВ, однако результаты выполненных расчетов но этим формулам для ¡конкретных пород 'показывают, что они в 1,5...2,5 раза больше, чем реальные.

Главной особенностью камуфлетного взрыва удлиненного заряда является не мгновенная и постепенная его детонация с формированием значительной по величине (1... 1,5 км/с) ¡продольной скорости частиц ПД, на которую расходуется некоторая часть энергии заряда, не используемая на полезную работу по деформированию и разрушению июроды в 'поперечном к оси заряда направлении. При этом в породе будет формироваться неоднородное напряженно-деформированное состояние, особенно в начальный 'момент времени. Постепенно, по мере формирования квазистатического поля напряжений эта неоднородность уменьшается и на III этапе деформирования около заряда в основной зоне, за исключением кондов, около него будет формироваться плоскодеформированное напряженное состояние.

(17)

(18)

Применяя модель 'мгновенного взрыва удлиненного заряда но всей длине и ряд допущений,, аналогичных принятым для описания камуфлетного взрыва сосредоточенного заряда, были рассчитаны соответствующие этапы деформирования и разрушения породы. При этом установлены первый и второй критерии подобия камуфлетных взрывов удлиненных зарядов в разных породах:

К

■'•I — -

Е

(19)

(п -f П-,,.

1

п т 1

(20)

Для конкретного месторождения при заданной технологии БВР я3 определяется по формуле

г-5- / ос» \ 1 ■ « I 4 т- . (21)

| ОС \ jc;K /

где Э — энергия единицы длины заряда; к\ — коэффициент, определяется на основе опытных взрывов и позволяет рассчитывать радиус зоны регулируемого дробления.

Ьй — А', —— h,. н соответственно bn = w.

Зрас

Определение аз опытным путем сопряжено со значительными трудностями, однако достаточно просто определяется

Коэф(|)нииент прострелкп вычисляется соотношением А'пр =Ь /Ь0.

По результатам определения b :

Существенное влияние па процесс разрушения пород оказывает расположение зарядов относительно свободных поверхностей, с увеличением которых разрушение облегчается, а интенсивность дробления повышается.

При взрыве заряда вблизи свободной поверхности частицы породы, находящиеся на ней, получают возможность перемещаться в сторону от заряда и приобретают существенно большую величину перемещений в сторону свободной поверхности. Оценка этого явления осуществлялась размещением относительно свободной поверхности мнимого отрицательного заряда, величина которого одинакова с действительным взор-

а

l.'i

ванным зарядом, расположенным во внешней части породы на расстоянии, равном л. и. с. действительно взрываемого заряда. При этом суммарные растягивающие напряжения увеличиваются в 2 раза, а агг = 0; чем дальше расположены частицы породы от свободной поверхности, тем меньше проявляется этот эффект, так как 'падение волн сжатия на свободную поверхность происходит под меньшим углом, весьма малыми являются отраженные волны растяжения. В результате этого трещина формируется в -первую очередь по л. н. с. с приближением заряда ¡к свободной -поверхности.

Дальнейшее приближение заряда к свободной .поверхности приводит к явлению выброса, при котором зона разрушения в глубь массива от центра заряда оказывается существенно меньшей, чем по л. п. с. Если дополнительная свободная поверхность образуется в массиве при КЗВ, то в этом случае возможен еще один 'процесс разрушения—тут ем соударения 'кусков породы между собой.

Изложенные результаты позволяют описать процессы разрушения горных пород взрывом сосредоточенного и удлиненного зарядов и произвести качественную оценку влияния термодинамических параметров зарядов ВВ и физико-технических свойств пород на процессы деформирования и разрушения. Однако при реальных процессах взрывного разрушения пород взрывом удлиненными зарядами при .проведении 'подземных выработок установленных взаимосвязей недостаточно для разработки рациональных параметров БВР. Это обусловлено тем, что .процессы разрушения пород удлиненными зарядами, расположенными в разных частях забоя, имеют своп особенности, которые не учтены в изложенных выше общих взаимосвязях.

В результате большого количества теоретических и экспериментальных исследований и длительной .практической деятельности принято все шнуры, располагаемые на забое выработки, разделять на врубовые, вспомогательные, отбойные и оконтуривающие. Как указывалось ранее, с увеличением числа свободных поверхностей п с приближением к ним удлиненного заряда ВВ эффективность разрушения горных пород возрастает.

■Перед взрыванием комплекта шпуровых зарядов забой имеет только одну свободную .поверхность. Для повышения эффективности разрушения введены врубовые заряды, первоочередное взрывание которых и формирует дополнительную свободную 'поверхность. Иногда -при проведении горных выработок смешанным забоем (по угольному пласту и -породе) вруб формируют механическим способом, с раздельной выемкой полезного ископаемого и последующим взрывным разрушением 'породы. Взрывной вруб образуют взрыванием небольшого -количества шпуров, расположенных наклонно или пер-

пендикулярно к плоскости забоя. В зависимости от их расположения по отношению к плоскости забоя и принципа их действия все применяемые врубы делятся на три группы:

1) наклонные (отрывающего действия);

2) прямые (дробящего действия);

3) комбинированные.

Для расширения врубовой полости применяют вспомогательные шпуры. Основную отбойку горной массы производят взрыванием зарядов в отбойных шпурах, которые бурят перпендикулярно плоскости забоя — в горизонтальных выработках пли параллельно продольной осп—в наклонных выработках. Оконтурнвание горной выработки производится взрыванием зарядов в контурных шпурах, которые бурят под углом (85—87°) таким образом, чтобы донная часть шпура заходила за проектный контур не более чем на 10—12 ом.

Для разрушения горных пород применяются сосредоточенные, удлиненные и линейно-протяженные заряды. При буровзрывном способе проведения горных выработок наибольшее применение получили удлиненные заряды, ось которых перпендикулярна к свободной поверхности или наклонена к ней под некоторым углом. Эффективность разрушения горных пород зависит от типа применяемых ВВ, удельного расхода, схемы расположения шпуров, направления, очередности инициирования и ряда других факторов. Анализ процесса разрушения пород взрывом удлиненных зарядов, продольная ось которых перпендикулярна поверхности забоя, свидетельствует, что по характеру этого действия па породу различаются три области разрушения горного массива: в донной части шпуров (скважин), в колонковой (средней) и в устьевой частях.

Процессы деформирования и разрушения горных пород взрывом удлиненных зарядов ВВ донной части шпуров адекватны взрыву некоторых эквивалентных сосредоточенных зарядов, размешенных в шпурах.

Для процессов формирования приустьевой воронки выброса установлены следующие закономерности: глубина и объем воронки выброса возрастают с увеличением длины заряда; после достижения зарядом некоторого предельного значения его длины, зависящего от условий взрывания, глубина и объем воронки выброса не изменяются.

Процесс образования приустьевых воронок определяется в значительной степени концевым эффектом п объясняется особенностями действия взрыва в направлении свободной поверхности, которое аналогично действию некоторого эквивалентного сферического заряда, размещенного симметрично относительно свободной поверхности действительного заряда.

Первые попытки расчета соответствующих частей удлиненного заряда ВВ с учетом физико-технических свойств взрываемых пород и разного рода характера их нагружепня этими

частями зарядов сделал Куамо Хнно. Однако представленные им зависимости не получили практического применения из-за чрезмерного упрощения модели действия взрыва удлиненного заряда. В частности, пе подтверждена выдвинутая им гипотеза о решающем значении отраженных волн напряжений в процессе разрушения горных пород в устьевой части заряда.

Эффективность разрушения горных пород взрывом в основном определяется колонковой средней частью заряда, которая может быть повышена, если будет дополнительная свободная поверхность.

Наибольшая эффективность достигается при направленном инициировании, позволяющем управлять процессом разрушения пород при взрыве шпуровыми и скважинными зарядами.

При прямом инициировании сближенных зарядов малого диаметра и короткозамедленном взрывании возможен подбой зарядов при движении породы в сторону свободной поверхности.

Обратное инициирование рекомендуется применять при взрывании сближенных зарядов во всех случаях применения КД и ЭД замедленного действия.

Преимущество обратного инициирования заключается в увеличении времени воздействия ПД на разрушаемый массив, в результате чего увеличивается интенсивность дробления, поэтому наиболее целесообразно его применение при взрывании в условиях сильного «зажима» (при проведении горных выработок, восстающих, стволов шахт и рудников в крепких породах).

Кроме описанных способов, для повышения интенсивности разрушения горных пород применяются рассредоточенные заряды, создающие местные зоны дробления (подробное их рассмотрение будет осуществлено ниже).

Дополнительная свободная поверхность существенно облегчает процесс разрушения, а для ее формирования применяются различные типы врубов. Условия применения каждого типа вруба и его особенностей при разрушении горных пород зависят от типа проводимой горной выработки, ее сечения, применяемого бурового оборудования.

К наклонным врубам относят те, в которых осн шпуров образуют с горизонтальной осью выработки углы, отличные от 90° (воронкообразный, пирамидальный, клиновой, веерный врубы).

Воронкообразный применяется главным образом при проведении стволов шахт круглого сечеппя в породах различной крепости. Вруб образуют взрыванием пяти-восьми шнуров, расположенных по окружности и направленных к оси ствола под углом 10—30°.

;Т. 16

Применительно к проведению горизонтальных и наклонных горных выработок модификацией воронкообразного вруба является пирамидальный.

Клиновой вруб получил широкое распространение при проведении горных выработок на угольных шахтах. Он образуется взрыванием от двух до шести пар шпуров, наклоненных один к другому при расстоянии между концами шпуров не менее 20 см. Перегружать шпуры клинового вруба ВВ не рекомендуется вследствие опасности подрыва одного шпура другим.

Преимуществами клинового вруба являются его простота, удобство обуривания. Наиболее рациональное его применение-получается при перпендикулярном направлении оси вруба к напластованию горных пород.

Недостатки клинового вруба — ограниченные глубины бурения и подвигапие забоя за взрыв, большой разброс взорванной породы, нарушение целостности крепи и боков выработки, сложность бурения шпуров. Для бурения глубоких клиновых врубов необходима достаточная ширина горной выработки; врубы в узких выработках получаются остроугольными и вследствие возрастания зажима КИШ не превышает 0,7—0,75 в крепких и весьма крепких породах, кроме того, на их эффективность оказывает влияние точность бурения.

Веерный вруб требует соблюдения точного угла наклона при забурнвании и бурении, высокой культуры буровых работ. Завершая анализ применения наклонных врубов, можно сделать вывод о том, что на шахтах и рудниках России наибольшее применение имел клиновой вруб, однако в последнее время все большее распространение получают прямые врубы.

К этой группе относятся врубы, образованные шпурами, пробуренными перпендикулярно плоскости забоя. Большинство прямых врубов составляют комбинацию заряженных н компенсационных (незаряженных) шпуров или скважин. Поэтому в практике ведения взрывных работ их классифицируют в зависимости от комбинации заряженных и компенсационных шпуров (скважин).

Достоинства прямых врубов:

глубина заходки не зависит от ширины выработки;

малый разброс породы;

максимальная концентрация бурового оборудования у забоя.

Недостатки:

трудоемкость бурения скважин большого диаметра;

необходимость в дополнительном буровом оборудовании для бурения скважин большого диаметра.

Комбинированные врубы представляют собой комбинацию прямых и наклонных пли только наклонных сдвоенных врубов. Применяются в основном при наличии высокопроиз-

о

17

водительного мобильного бурового оборудования, обеспечивающего необходимые скорости бурения шпуров и компенсационных скважин большого диаметра.

Несмотря на многочисленность наклонных п прямых врубов, применяемых при проведении горных выработок, КИШ при взрывном разрушении крепких и весьма крепких пород не превышает 0,7...0,8. Неточность бурения оконтурнвающих шпуров и избыток энергии в зарядах при их взрывании приводят к значительным переборам породы, нарушенности и интенсивному трещинообразованию массива, к потере устойчивости подземных выработок. Анализ проведения горных выработок на шахтах ПО «Артемуголь», «Торезантрацнт», АО «Гуковуголь» показал, что переборы пород составляют, %:

по шахтным стволам— 12—18;

по капитальным выработкам — 25—30;

по пластовым выработкам — 30—40.

Для выявления основных причин значительных переборов породы в законтурном пространстве рассмотрим напряженно-деформированное состояние массива при воздействии на него энергии взрыва.

При проведении горных выработок освобождается потенциальная энергия сжатого массива, происходит перераспределение и формирование новых полей напряжений вокруг выработки, величина которых в каждой точке массива зависит от геометрических размеров выработки, свойств пород, при этом возникающие поля напряжений оказывают существенное влияние на эффективность взрывного разрушения. Исследованиями установлено, что при глубине шпуров, превышающей половину ширины выработки, разрушаемый массив находится в условиях сильного «зажима», поэтому работа взрыва затрудняется и вследствие этого стремятся увеличить энергоемкость взрывного разрушения массива, приводящую к формированию мощных ударных н сейсмических воли, к деформациям и к разрушениям возведенной крепи, значительному трещинообразованию, потере устойчивости пород.

При проведении горных выработок различают три зоны деформаций, размеры которых меняются во времени и в пространстве:

1-я зона — деформация растяжения в центральной части вдоль продольной оси выработки, обусловлена сжимающими напряжениями. Глубина этой зоны— (0,2...0,5)/?пр .

2-я зона — все компоненты тензора сжимающие, размеры зоны — (0,5...0,8)Япр ;

3-я зона — нетронутый массив, расположен вне зоны влияния выработки.

Для уменьшения переборов породы необходимо контурные шпуры располагать в непосредственной близости от проектного контура параллельно продольной оси выработки. Это

условие практически невыполнимо из-за больших негабаритов бурового оборудования, поэтому шпуры в породах средней крепости, крепких и весьма крепких бурят под некоторым углом к контуру, чтобы донная часть шпуров выходила за проектный контур на 5—10 см, а в слабых — параллельно оси выработки, чтобы их дойные части не доходили на 5... 10 см до проектного контура.

Для уменьшения переборов пород до 3—5% необходимо окоптуривапие горной выработки производить методами: предварительного щелеобразования; контурного взрывания;

использования зарядов с двусторонней продольной кумулятивной облицовкой, ориентированной вдоль линии, соединяющей их центры, между которыми расположен компенсационный шпур, на его свободной поверхности смыкаются магистральные трещины.

Контурное взрывание обеспечивает минимальное трещипо-образование и нарушенность пород по контуру выработки, значительно сокращает переборы пород в законтурном пространстве, снижает себестоимость одного метра проведения выработки.

Основные преимущества контурного взрывания: минимальные переборы пород (не более 3...5%); уменьшение объемов работ по креплению (особенно при возведении монолитной ж/б крепи);

уменьшение зоны трещипообразования в законтурном массиве;

сокращение объемов оборки пород.

При применении технологии контурного взрывания необходима высокая точность бурения шпуров, допустимая величина их отклонения при забуривании и бурении не должна превышать 3 см на 1 м длины шпура. Смысл контурного взрывания заключается в равномерном распределении энергии ВВ по периметру оконтуривающпх шпуров, при взрывании которых обеспечиваются минимальная нарушенность законтурного пространства и формирование контура выработки, близкого к проектному.

Выбор типа ВВ и СИ производится с учетом бризантного действия взрываемых зарядов, их плотности. Высота донной части заряда:

Ая=(8...10 )</„„. (23)

Концентрация ВВ в донной части:

О' кд = ^т-Ро- (24)

4

2*

19

Общая масса в донной части заряда:

где Лд — высота донной части заряда. Длина незаряженной части шпура:

/о=(0,2...0,5)ш, (26)

где на — л. п. с. контурных шпуров, ш=(В—0,4)/2 (В — ширина выработки).

Высота колонковой и устьевой частей заряда:

а их концентрации принимается 0,7(3 к д •

Площадь, отбиваемая контурными шпурами:

== 50{т (2 Ь)

где 50бщ, ^пм — соответственно общая площадь выработки и внутренняя площадь (площадь, отбиваемая врубовыми, вспомогательными п отбойными зарядами).

Необходимое количество контурных шпуров:

^=1,05-^-4-1, (29)

V к

где ш> — л. н. с. контурных шпуров; П — периметр выработки по контуру.

Общая масса заряда контурного шпура:

(?к„„т^л + <3кг (30)

Расстояние между шпурами

а=( 1,0...1,2)и». (31)

Для уменьшения динамического воздействия взрыва на законтурный массив в контурных шпурах применяют заряды ВВ уменьшенного диаметра — 25...28 мм с установкой вдоль их осп с внешней стороны .демпфирующих прокладок из пористых 'материалов или деревянных реек. Кроле описанных факторов важное значение при формировании контура выработки имеют физпко-техпичеекне свойства пород, очередность взрывания зарядов.

При предварительном щелеобразовании оконтуривающие шпуры взрывают в первую очередь для образования отрезной щели, которая образуется по линии, соединяющей шпуры. Расстояние .между шпурами принимается: в породах средней крепости и крепких — 30—40 см; слабых — 45—60 ом. Анализ экспериментальных работ, проведенных на шахтах ПО «Артемуголь», показал, что у крайних шпуров прорастающая

трещина отклоняется от схемы расположения шпуров и распространяется по направлению естественного «кливажа», однако при сближении шпуров это явление нейтрализуется, трещину вынуждают прорастать вдоль линии, соединяющей центры шпуров.

Оптимальное расстояние между шпурами при предварительном щелеобразовании, -как-показали опытные экспериментальные взрывания, при проведении горных выработок на шахтах «Прогресс», им. Лутугнна ПО «Торезантрацнт» (в породах />6—10 по шкале проф. М. М. Протодьяконова) составляет 0,35...0,5 м. Если нет ограничений уровня сейсмических колебаний, применяют разновременное взрывание, так как интенсивность трещинообразования в этом случае гораздо меньшая, чем при одновременном взрывании, следовательно, необходимо уменьшить расстояние -между шпурами. При этом заметим, что при больших интервалах замедления (т>200 мс) щелеобразования по контуру не происходит, поэтому необходимо подбирать электродетонаторы с минимальным разбросом во времени срабатывания.

Для щелеобразования -можно применять различные схемы взрывания с разбивкой зарядов на группы, причем заряды каждой группы взрывают одновременно, диапазон ступеней замедления выбирают таким образом, чтобы масса заряда в каждой ступени была небольшой.

При предварительном щелеобразовании наиболее рационально взрывать окоптуривающие шпуры перед обуриванием и взрыванием остального 'комплекта шпуровых зарядов. В этом случае шпуры, примыкающие к щелеобразующему ряду, необходимо располагать от него на расстоянии, равном половине расстояния между шпурами в заходке, причем это условие справедливо для шпуров различного диаметра.

Расчет параметров -предварительного щелеобразования: предел прочности пород на сжатие [стСж]. растяжение [ар], диаметр шпуров, на основе указанных -параметров определяется расстояние между шпурами.

Определяется объем необходимого ВВ:

Уг = ъаЧ. (32)

Давление в шпуре при взрыве заряда:

V Р

р„ = 1г.СА . (33)

2УС

Оконтурнвание горной выработки с применением двусторонних -кумулятивных облицовок, расположенных параллельно оси зарядов по линии, соединяющей их центры, было экспериментально проверено при проведении заезда на пром-квершлаг участка № 70 -горизонта 870 м шахты им. Изотопа

ПО «Артсмуголь», с использованием компенсационного шпура в качестве дополнительной свободной поверхности, на которой замыкались трещины, образованные взрывом зарядов.

Для уменьшения динамического воздействия взрыва на законтурный массив с внешней стороны шпура установлены демпфирующие экраны из деревянных реек. В результате проведенных десяти опытных взрываний было установлено, что применение продольных кумулятивных облицовок параллельно оси зарядов (25 мм)1 и демпфирующих прокладок позволяет получнть контур, близкий к проектному, с минимальной пару-шенностью законтурного массива, при переборах пород не более 2%.

На основании проведенных экспериментальных работ подтверждена высокая эффективность использования разработанного способа оконтуривания горных выработок. Применение разработанных способов оконтуривания горных выработок на глубоких горизонтах угольных шахт в условиях высокой степени выбросоопасности песчаников будет малоэффективным, если не применять специально разработанные 'мероприятия, снижающие вероятность выброса породы, и газа. При ведении взрывных работ в опасных условиях подземных выработок существует вероятность воспламенения лылегазовых смесей, представляющая собой серьезную проблему, ее решение будет рассмотрено ниже.

Выполненный анализ взрывного разрушения горных пород при проведении горных выработок позволяет провести техническую и технологическую оценку эффективности разрушения пород и определить главные задачи.

Главными критериями такой оценки являются высокий КИШ и оконтуривание горной выработки в пределах проектного сечення с обеспечением минимальной нарушенное™ законтурного массива. Поэтому необходимо решить две задачи: увеличение энергонасыщения массива для увеличения КИШ и уменьшение динамического воздействия энергии взрыва на контурную часть для обеспечения оконтуривания горной выработки в пределах проектного сечения.

Для получения высокого КИШ необходимо сформировать глубокий вруб, от которого зависит эффективность разрушения породы вспомогательными, отбойными и контурными зарядами. Кроме изложенных требований, необходимо обеспечить минимальное динамическое воздействие на контурную часть выработки и оконтурить ее в соответствии с проектом. Таким образом, остается один единственный критерий — КИШ, его увеличение до 0,95... 1 позволит значительно повысить эффективность разрушения породы вспомогательными, отбойными и контурными шпурами.

Получение высокого КИШ зависит от физико-технических свойств взрываемых пород и детонационных характеристик

применяемых ВВ. Анализ исследований взрывного разрушения горных пород на глубоких горизонтах показал, что с увеличением глубин разработки возросло напряженно-деформн-рованное состояние, значительно ухудшилась эффективность разрушения пород средней крепости, крепких и весьма крепких (КИШ не превышает 0,75...0,8). Общеизвестно, что на эффективность взрывного разрушения пород влияет множество факторов, главными из которых являются свойства взрываемых массивов и детонационные характеристики применяемых ВВ.

Комплексным показателем сопротивляемости горных пород взрывному разрушению является акустическая жесткость:

где Ср — скорость распространения продольных волн в массиве; () пор -- плотность пород.

С возрастанием плотности пород увеличиваются скорости распространения продольных волн в массиве, прочность пород и модуль упругости. Общеизвестно, что породы деформируются и разрушаются в основном хрупко. Однако при хрупком по внешним признакам разрушении развитию трещин сопутствует пластическая деформация. Поэтому разрушение в действительности может быть как хрупким, так и пластичным, это зависит от внутреннего строения массива, характера и условия возникновения и развития трещин, скорости на-груженияи деформации.

Процесс развития трещин в этом случае может быть условно разделен па следующие этапы:

при превышении 0,1 технической прочности материала на разрыв скорость роста трещин постоянна и равна (0,25... ■ ••0,3) Ср;

при превышении указанной скорости роста трещин на их концах начинает формироваться некомпенсированное поле напряжений, вследствие чего эта скорость резко падает;

физически равномерное и устойчивое развитие трещин с постоянной скоростью реализуется в режиме, соответствующем предельной скорости перевода упругой энергии накопленной средой в поверхностную энергию трещин. Это достигается в том случае, когда удельная плотность энергии соответствует некоторой критической величине, а интенсивность ее подвода к вершине трещине несколько превышает скорость расхода упругой энергии на ее рост.

В соответствии с описанной теорией разрушения пород взрывом, в которой наблюдается различная реализация предельной энергоемкости разрушения, можно выделить три зоны действия взрыва:

1) зона активного разрушения горных пород, в которой удельная плотность энергии равна

и,125РпорСр

(35)

Радиус зоны активных трещин определяется из условия

2) зона управляемого разрушения пород с удельной плотностью значительно меньше предельной ее величины. В этой зоне управлять степенью дробления возможно путем повышения удельной плотности энергии без перевода действия взрыва из области дробления в область выброса;

3) зона неуправляемого дробления горных пород, где удельная плотность энергии еще меньше, чем в зоне 2. Разрушение происходит по наиболее развитым дефектам. Радиус зоны неуправляемого разрушения составляет

Для управления степенью дробления горных пород взрывом необходимо, чтобы детонационные характеристики ВВ соответствовали физико-техническим свойствам взрываемых массивов. Наиболее универсальным показателем из них является скорость распространения продольных волн в массиве, характеризующая упруго-прочностные свойства (модуль упругости, удельный вес, плотность, модуль всестороннего сжатия, коэффициент Пуассона, а также параметры Ляме X и б). Экспериментальные исследования были проведены на шахте им. Изотова ПО «Артемуголь» в забоях: полевого штрека гор. 870 м участка № 96, откаточного штрека участка № 70 гор. 870 м, промквершлага участка № 41 в породах средней крепости и крепких, на шахте им. Лутугина ПО «То-резантрацит», в забое коренного штрека гор. 840 м. Оптимальное расстояние между шпурами соответствовало радиусу дробления: р~аит. Однако, несмотря на приведенное соответствие удельной плотности энергии ВВ и параметров расположения шпуров, эффективность взрывного разрушения существенно не улучшилась. Это объясняется тем, что эффективность взрывного разрушения пород при проведении выработок в основном определяется разрушением шпуров в донной части, где сопротивляемость пород отрыву весьма велика из-за интенсивного «зажима».

Для -повышения эффективности взрывного разрушения горных пород известны следующие способы: применение ВВ

Рпор ^"р

(37)

повышенной мощности, увеличение диаметра заряда, плотности ВВ, изменение конструкции заряда (применение рассредоточенных зарядов с воздушными и инертными промежутками), изменение направления инициирования и т. д. Однако замена одних менее мощных 'ВВ на более мощные не всегда регламентируется нормативными документами н полностью исключается при взрывных работах в опасных забоях. В связи с этим рассмотрим возможность изменения детонационных характеристик и в первую очередь скорости детонации штат-но применяемых ВВ. Общеизвестно, что скорость детонации применяемых ВВ можно регулировать до определенных пределов изменением плотности и диаметра заряда, процентного содержания взрывчатых компонентов.

Конфигурация фронта результирующей волны при взрыве удлиненного заряда зависит от соотношения скорости продольной волны и скорости детонации. В этом случае не учитывать скорость детонации — это значит не оценивать волновой этап действия взрыва и его влияние па разрушение породы.

В своих исследованиях В. П. Тарасенко доказал, что детонационное давление и скорость детонации являются мерой силового воздействия взрыва на стенки зарядной камеры вдоль оси заряда. Улучшение качества дробления было достигнуто Н. Ф. Кусовым и Э. О. Мипделн при инициировании зарядов ВВ с помощью ДШ. В. Н. Мосннец считает в своих исследованиях, что эффективность разрушения определяется соотношением 0/Ср :

при Д/Ср< 1,6 — рекомендуется прямое инициирование зарядов;

при /)/Ср> 1 — обратное инициирование;

при О/Ср< 1—прямое, так как при этом удельная плотность импульса на .30—35% выше, чем при обратном инициировании.

А. Н. Ханукаев установил взаимосвязь детонационных характеристик с параметрами взрываемых пород и вывел соотношение, зависящее как от свойств ВВ, так и от свойств взрываемых пород. На основе расчетов и сопоставлений полученных результатов с пределом прочности пород при динамическом нагруженип в ближней зоне взрыва им было замечено, что в большинстве случаев для слабых пород давление па границе раздела «заряд — порода» превышает .пределы прочности породы.

Для установления области, в которой соблюдается соответствие детонационных характеристик свойствам взрываемых пород (скоростью распространения продольных волн в массиве), нами проведены исследования и сгруппированы горные выработки по типам ВВ, параметрам ВР, по глубине

шпуров (/=1,8—2,5м); 'крепости (по шкале проф. М. М. Про-тодьяконова) и видам взрываемых пород:

для'песчаников / = 8,0...16 — Ср = 4,8; 6,1; 6,2; 6,3; 6,5; 6,6; для известняков / = 6...Ю — Ср=3,5; 3,8; 4,0; 4,1; 4,38; фля алевролитов / = 4...8 — Ср = 2,3; 2,7; 3,51; 3,8; 4,45 и построены графики зависимостей КИШ от соотношения О/Ср. Анализ построенных зависимостей показал, что В/Ср — = 1,2...1,75 КИШ >0,95...0,97. Отношение 0/Ср = К3 является коэффициентом эффективности.

Как видно из соотношения /?/Ср, можно регулировать только скорость детонации, а свойства взрываемых шород остаются неизменными.

Для решения указанных проблем в диссертационной работе рассмотрены способы повышения эффективности разрушения горных пород взрывом за счет создания неравномерного поля напряжений:

приведение термодинамических характеристик применяемых ВВ в соответствие с -параметрами взрываемых пород;

применение зарядов с внутренними цилиндрическими каналами;

исследование удлиненных зарядов ВВ с внутренними цилиндрическими каналами с преградами:

применение рассредоточенных комбинированных и зарядов ВВ с коническими кумулятивными облицовками.

Рассмотрим кратко каждый из них. Детальный анализ проведенных исследований показал, что критерий эффективности разрушения горных пород взрывом связан с определенной областью соотношений £)/Ср, при котором КИШ равен не '.менее 0,95...1,0. Для достижения указанного КИШ необходимо увеличить скорость детонации применяемых ВВ, так как скорость распространения -продольных волн во взрываемом массиве изменить невозможно без предварительного воздействия на пего.

Увеличить скорость детонации можно заменой применяемого ВВ на более 'мощное, однако не все мощные ВВ допущены к применению в опасньгх проходческих забоях (например, скальный аммонит № 1 — прессованный вместо ■предохранительных аммонитов АП-5ЖВ, Т-19 или ПЖВ-20). В связи с этим необходимы специальные устройства, обеспечивающие требуемую скорость детонации для применяемых ВВ, в том числе и в опасных условиях.

Рассмотрим возможность повышения эффективности взрывного разрушения пород рассредоточенными зарядами. Детонация отдельных его участков при этом рассматривается как взрыв отдельного сосредоточенного заряда, а воздушный ■промежуток увеличивает время действия ПД на стенки шпура (скважины), таким образом, происходит перераспределение

энергии. Однако наряду с перераспределением энергии необходимо воздействие взрыва для равномерного дробления /породы, которое достигается инициированием заряда по всей его длине ДШ. В этом случае усиление действия взрыва достигается за счет интерференции взрывных воли, возникающих за счет разницы в скоростях детонации ДШ н ВВ.

При взрывах на выброс с использованием рассредоточенных зарядов увеличение КПД происходит за счет увеличения времени воздействия ПД на породу, что позволяет сократить расход энергии ВВ на пластические деформации и переизмельчение породы в ближней зоне. Применение рассредоточенных зарядов при проведении горных выработок не обеспечивает достаточное разрушение породы в торцевой части шпура, вследствие чего остаются «стаканы», хотя интенсивность дробления между рядами шпуров улучшается. Для увеличения объемной концентрации энергии ВВ при разрушении горных пород и руд применяют комбинированные заряды различных типов ВВ, при этом в их донной части используют более мощное ВВ. На шахтах Кузбасса для проведения горных выработок были использованы комбинированные заряды различной модификации, в том числе и в опасных забоях, по из-за недостаточной их изученности широкое распространение они не получили.

Детонация удлиненных зарядов с внутренними каналами исследовалась отечественными и зарубежными учеными.

Применение замкнутых сфер с газом является частным случаем точечного инициирования и создания горячих очагов. Нами па основе анализа отечественных и зарубежных исследований использован линейный инициатор из замкнутой стеклянной трубки, которая устанавливается строго по оси удлиненного заряда. Исследования проводились по методике, разработанной в ОИХФ РАН (п. Черноголовка /Московской обл.).

В качестве исследуемого ВВ был принят аммонит № бЖВ в патронах диаметром 30 мм и длиной 360 мм.

После установки стеклянной трубки по оси заряда в картонную оболочку ее заполняли ВВ с обеспечением естественной плотности р0= 1 г/см3. В качестве электрокоптактных датчиков использовались два скрученных эмалированных провода диаметром 1 мм. Для обеспечения высокого уровня сигнала по отношению к помехам напряжение на датчиках было принято 100 В. Датчики располагались от места инициирования на 6, 7, 8 и 9 диаметров заряда. База измерений 20 мм. В качестве инициатора использовалась прессованная таблетка ТГ-50/50 массой 10 г, диаметром 20 мм и длиной 20 мм. Анализ полученных результатов исследований показал, что с увеличением диаметра капала при постоянном диаметре заряда скорость детонации сначала возрастает до определенных пределов, а затем резко падает. Резкое падение скорости де-

тонацнн заряда ВВ с внутренним цилиндрическим каналом, равным 6 мм, объясняется тем, что толщина кольца заряда ВВ становится соизмеримой с критическим диаметром аммонита № 6ЖВ. График зависимости скорости детонации соот-

^ПЦ К 1

ношения - представлен на рис. 1.

^ззр

Из построенного графика следует, что -максимальное значение скорости детонации наблюдается при соотношении й =

— к- = 0,1...0,16. Определено, что максимальное значение

^зар

/_) — ^ил = 1,3...1,45 имеет место при ?ст =2,22 г/см3.

-^зар

Используя методику, разработанную ОИХФ РАН, нами была исследована возможность увеличения скорости детонации предохранительного аммонита Т-19 в картонных гильзах с внутренним диаметром заряда 32 мм и длиной 400 мм.

На основе анализа 'полученных результатов установлено, что максимальная скорость детонации наблюдается при диаметре внутреннего канала ¿/1ШК- = 4...6 мм, что соответствует

соотношению —^^ =0,1...0,16, дальнейшее увеличение

^зар

диаметра заряда приводит к резкому снижению скорости детонации. График зависимости -представлен на рис. 2. Полученная закономерность повышения скорости детонации предохранительных ВВ типа аммонита Т-19 позволит значительно улучшить эффективность взрывного разрушения горных -пород в опасных проходческих забоях. Увеличение скорости детонации в зарядах с внутренними цилиндрическими каналами имеет место в том случае, когда длина стеклянной трубки 4т ^ >10^>н к, т. е. это расстояние является минимальным для разгона внутренней -канальной ударной (КУВ) волны до максимальной скорости. Кроме того, были изучены -переходные процессы, происходящие при переходе КУ-В из -канала с -малым в канал с большим сечением, и наоборот. При переходных процессах наблюдается в одних случаях 'при переходе из -канала малого сечения в канал большего сечения резкое уменьшение скорости детонации, что обусловлено резким падением давления па переднем фронте внутренней -канальной волны. Применение зарядов с внутренними замкнутыми осевыми цилиндрическими каналами позволяет увеличить скорость детонации ВВ в среднем на 35—50%, следовательно, повысить эффективность разрушения горных пород взрывом, что особенно актуально при ведении взрывных работ в подземных выработках, в том числе и в опасных забоях.

Устройство замкнутых осевых цилиндрических -каналов в удлиненных зарядах непредохранительных и предохраннтель-28

ных ВВ III и IV классов три фиксированных соотношениях dBn кМир =0,1...0,16 позволяет увеличить скорость детонации в 1,5 раза, что позволяет повысить эффективность разрушения горных пород крепостью / = 6...Ю по шкале проф. М. AI. Про-тодьякопова. Таким образом, доказано второе научное положение.

Для повышения эффективности разрушения крепких и весьма крепких пород необходимо при детонации зарядов сформировать неравномерное поле напряжений.

Неравномерное поле напряжений создавалось устройством внутри удлиненных зарядов цилиндрических стеклянных каналов с преградами (ЦКП), имеющих ряд особенностей: исключение возможности перекрытия канала; технологичность изготовления и применения канала; уменьшение потерь энергии КУВ.

Для проведения экспериментальных исследований нами была разработана методика, .которая утверждена и принята техническим директором АООТ «Трансвзрывпром». Экспериментальные исследования по изучению процессов, происходящих в зарядах с замкнутыми цилиндрическими каналами с преградами, были проведены на Песковском карьере строительных материалов (г. Воскресенск Московской области).

В качестве исследуемого ВВ был принят аммонал А-200 в патронах диаметром 36, 40, 80 мм, длиной 400 мм, толщина преграды менялась от 1 до 6 мм, а расстояние между преградами было принято равным 12,5 м.

В качестве электроконтактных датчиков использовались два скрученных эмалированных провода диаметром 1 мм. На основе анализа результатов экспериментальных работ установлено, что увеличение скорости детонации* удлиненных зарядов с цилиндрическими каналами с преградами наблюдается при соотношении d = d,UK/d3ip =0,1...0,16, толщине преграды 6=1...2 мм и расстоянии между преградами /„,,= (10... ...15)dimK. Применение в удлиненных зарядах цилиндрических осевых каналов с .преградами позволило увеличить скорость детонации в 1,8—2 раза.

Внезапное возрастание скорости детонации происходит в тех случаях, когда преграда тормозит движение КУВ с газом (воздухом) и газ задерживается у преграды. Задержка ударного фронта КУВ способствует формированию отраженной волны сжатия с крутым фронтом, которая воздействует на участок ВВ, производя его интенсивное уплотнение и разогрев, что приводит к неравномерному нагружению на расстоянии (0,25...0,3)/тр. В результате этого в указанной области происходит пульсирующее возрастание скорости детонации с формированием неравномерных полей.

С увеличением толщины преграды более 2 мм отмечено уменьшение скорости детонации ВВ вследствие падения ско-

рости движения газового потока. Дальнейшее увеличение толщины преграды приводит « ликвидации влияния КУВ на скорость детонации и исчезновению «стопорящего эффекта» и детонация удлиненного заряда с ЦКП становится равной скорости детонации сплошного заряда. Зависимость скорости детонации зарядов с ЦКП от расстояния до преграды представлена на рис. 3.

Применение в удлиненных зарядах с цилиндрическими каналами внутренних лреград определенной оптимальной толщины 1...2 мм лозволило создать локальные области пикового давления, сформировать неравномерное поле напряжений, тем самым вызвать неравномерное нагружение породы как на трудноразрушаемых участках массива, так н по всей длине шпура или скважины, что значительно увеличивает .эффективность разрушения горных пород между комплектами шпуровых (скважшшых) зарядов, повышает КПД взрыва.

На основе полученных результатов исследований .построен следующий механизм детонации удлиненных зарядов с ЦКП. В момент детонации удлиненного заряда с ЦКП в канале генерируется канальная ударная волна (КУВ). При ударе КУВ о преграду в канале на какой-то малый промежуток времени появляется отраженная волна сжатия. ВВ в этой области сильно сжато и разогрето, .поэтому детонационная волна, распространяющаяся по сжатому ВВ, опережает невозмущенную волну, ее конический детонационный фронт движется по несжатому ВВ. В некоторый момент точка (2, находящаяся внутри заряда, выходит па поверхность и вызывает скачкообразное изменение скорости детонации. Пульсирующее возрастание скорости детонации возникает в тех случаях, когда преграда тормозит движение КУВ с газом, в результате этого происходит ее задержка у преграды и формирование крутого фронта отраженной волны сжатия, что увеличивает первоначальное давление па малом участке, а затем по всему заряду. Таким образом, в зависимости от расстояния между преградами I пр= (10...15)йш, к формируется пульсирующий характер изменения скорости детонации с резким ее увеличением до значений (1,8...2,0)/) в области (0,25...0,3)/пр до преграды, генерируемых в породу.

Установленные закономерности формирования пульсирующих волн напряжений и увеличения скорости детонации у преград использованы для целенаправленного разрушения горных пород в донной части шпуров (скважин).

Эта идея реализуется применением кумулятивных облицовок в донной части заряда.

Объем активной части кумулятивного заряда ВВ с металлической конической облицовкой определяется по формуле

'(п.пшдрпчсскнм каналом от coin ношения </ = —"■--"•

<Lt

(тип ИП - аммошгг №(>ЖВ)

D.km./c

О 0 004 0 008 0 012 0 016 0 02 0 024 0 028 (I ' . . О г "л, <59 04Га*9 886еЗ'сГ2-4 343e5'dA3+ops

Рис.1

Зависимость скорости детонации удлиненного заряда с

- d

цилиндрическим к.,палом от соотношения </ =

D,KM/C 5.4

(тип ВВ-аммони г -T-I')) у = Dislance Weighted Least Squares + eps

0 004 0 008 0 012 0 016 0.02 0 024 0 028 Л

РйсЛ

D..km с.

32 5

75 /.

Рнс. Зависимость скорости детонации от расстояния до преграды в «арндах

с Ц.К.П.

О )

(38)

где Го — радиус основания кумулятивной облицовки.

Масса активной части заряда вычисляется по формуле

где ро — плотность применяемого ВВ.

При этом соотношение общего объема заряда ВВ к объему активной части составит

VWV.-5.11. ' (40)

Активная часть кумулятивного заряда составляет примерно 19,4% общей массы удлиненного заряда.

Определение оптимальных геометрических параметров кумулятивных облицовок для разрушения горных пород проводилось лабораторно-полигонными исследованиями на песча-но-цементиых блоках путем взрывания кумулятивных зарядов .массой 6 г с различным углом конусности при вершине облицовок. Проведенными исследованиями установлено, что оптимальный угол раствора облицовок, при котором осуществляется максимальное разрушение и внедрение кумулятивной струи в образец, равен а = 40...50°, это соответствует фокусному расстоянию от заряда кумулятивного ВВ до забоя шпура (скважины) ¡'^2Ьо6р ~2с10тп .

На основе выполненных исследований и выбранного технического критерия оценки эффективности разрушения пород впервые воплощена идея соединения кумулятивного и канального эффектов в единый механизм кумулятивно-канального заряда для интенсификации разрушения горных массивов. При этом существует тесная взаимосвязь между канальным и кумулятивным воздействием взрыва на разрушаемую породу.

С помощью внутреннего канала при взрыве удлиненных зарядов с цилиндрическими каналами воздействуем на ВВ, увеличивая скорость детонации и мощность ВВ за счет сокращения времени взрывчатого превращения, а через диаметр заряда ВВ производим воздействие па массив, интенсифицируя процесс разрушения породы в ряду и между комплектами шпуров за счет сформированных волн напряжений, генерируемых в массив. При этом мощность взрываемого ВВ выражается следующей зависимостью:

где д — масса взрываемого заряда; <3„,р ■—теплота взрыва; / — механический эквивалент теплоты; т — время взрывчатого превращения ВВ.

(Звв = Кар„,

(39)

Кумулятивные облицовки с обоснованными оптимальными параметрами используются для повышения эффективности взрывного разрушения пород в донной части шпура (скважины). Оптимальными параметрами кумулятивных зарядов являются активная масса заряда ВВ, участвующая в формировании и поддержании необходимой скорости кумулятивной струи, диаметр основания облицовки, толщина ее стенок, общая масса и угол при вершине конической насадки. После получения качественных и количественных закономерностей процессов, происходящих в удлиненных зарядах с цилиндрическими каналами, а также в кумулятивных зарядах было принято решение о создании единой конструкции заряда, при которой генератором энергии являются заряды ВВ с ЦКП, а исполнительным органом — активная часть кумулятивного заряда. Таким образом, на основе проведенных исследований впервые созданы кумулятивно-канальные заряды с цилиндрическими каналами, испытанные в шахтных условиях. Критерием оценки их эффективности был принят КИШ. Экспериментальные опытные взрывы проведены при проходке восточного коренного штрека ш/у «Алмазное» в песчаниках с коэффициентом крепости /=14...16 по шкале проф. М. М. Про-тодьяконова, тип ВВ — детонит-М, патроны диаметром 36 мм, тип СИ — ЭДЗД, глубина шпуров — 2, 2,5 м, тип вруба— пирамидальный, 1„р— 2,2...2,7 м. При опытном взрывании вруба КИШ повысился с 0,75 до 1,0. Положительные результаты опытных взрываний врубовых шпуров позволили сформировать глубокие врубы и перейти на проходку выработок с длинными заходками со взрыванием зарядов за один прием, с применением кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП во врубовых, вспомогательных и отбойных шпурах. В результате выполненных двадцати опытных взрываний КИШ повысился в среднем до 0,98—1,0, снизились переборы пород до 3—5%, уменьшились удельный расход ВВ с 3,2 до 2,5— 2,7 кг/м3, разброс и грансостав пород — с 12 до 7 мм. Аналогичные взрывания проведены при проходке горных выработок в крепких породах с />8—12 на шахтах им. Изотова, «Комсомолец» ПО «Артемуголь», им. Лутугипа, «Прогресс», «Ударник» ПО «Торезантрацнт». Для оконтуривапия выработок были использованы двусторонние кумулятивные заряды диаметром 25 мм, расположенные по контуру выработки. В этих экспериментальных взрываниях установлено, что КИШ увеличился с 0,7 до 0,95—1,0, выработки оконтурены в пределах проектного сечения, уменьшены переборы пород до 3— 5%. Проведенные исследования позволили установить оптимальные области применения кумулятивно-канальных, кумулятивных и комбинированных зарядов для разрушения пород различной крепости.

Полученные закономерности и выявленные области эффективного применения кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП позволили рассмотреть возможность их применения для глубинного взрывания скважинных зарядов в целях снижения вероятности выброса породы и газа при проведении выработок в условиях высокой степени выбросоопасиости пород. Проведенными исследованиями установлено, что внезапные выбросы породы и газа обусловлены в основном энергией газа, заключенной в порах, напряженно-деформированным состоянием угольных пластов и вмещающих пород. Поэтому предварительная дегазация выбросоопасных угольных и породных массивов методом глубинного взрывания скважинных зарядов наиболее эффективна. Для реализации этого метода необходимо рассчитать минимально допустимый размер ненарушенного участка массива, размещенного между устьем взрываемых зарядов и нарушенной породой, который определяется по формуле

. , , ,___-Л р

где I?о—радиус свода горной выработки; V — коэффициент Пуассона; [ар] — предел прочности песчаников па растяжение; Р — давление газов взрыва.

Расстояние между скважинами па основе опытных взрывов:

а =*= 20г/ск„. (.}:■})

Количество скважин, необходимых для дегазации выбро-соопасного массива, определяется по формуле

(14)

"■'др

где5в. — площадь выбросоопаспого забоя; 5др—эффективная площадь дренирования при взрыве одной скважины;

— = (45)

где /?тр—радиус зоны трещннообразовання; С\=2,4—3,5 — коэффициент учета свойств пород.

Эффективная глубина дегазации равна

/-.■ит =/з + /2 + /ь (46)

где /з — длина кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП; — участок породы, нарушенный предыдущим взрывом.

Эффективность разработанного 'метода была подтверждена три проведении горных выработок в условиях высокой степени выбросоопасиости пород на шахтах им. Артема ПО

3 33

«Дзержинскуголь», «Кочегарка» ПО «Артемутоль», им. А. А. Окочинского ПО «Донецкуголь»; при глубинном взрывании скважипных зарядов и проходке выработок выбросы не зарегистрированы. Методика глубинного взрывания скважипных зарядов успешно применяется на шахтах Донбасса при проведении горных выработок по выбросоопасным породам.

Общеизвестно, что лрн ведении взрывных работ в забоях, опасных но газу и шыли, существует опасность их воспламенения. Для решения данной ¡проблемы проведены теоретические исследования .процесса детонации шпурового заряда, при этом разработанная модель рассмотрена в виде отдельных ячеек. Исследованы процесс динамического истечения ПД шпурового заряда, а также процесс распространения УВВ в иризабойном пространстве. В качестве исходных расчетных параметров приняты: диаметр шпура 40—42 мм, его глубина 2,5 м, тип ВВ — аммонит № 6ЖВ (граммонит 79/21), -плотность заряжания р0=1 г/см3. Число расчетных ячеек — 20 с начальным их размером с газом 0,1 м, количество ячеек в нрнзабойном ¡пространстве — 30 с первоначальной толщиной 0,5 м. На основании полученных результатов давление при детонации шпурового заряда определяется по формуле

3320 Г

(47)

V

где V — удельный объем ПД; Т — температура ПД, К.

Тем-пература ПД вычисляется по формуле

/ 773 \П'4Г)

Т 300 | —\ . (48)

На основе полученных результатов .построены профили температур и давлений, позволяющие определять процесс формирования УВВ в прпзабойном пространстве и их .перемещения, а также характер распределения давлений и температур .по всей длине детонирующего заряда, являющиеся основными причинами воспламенения пылегазовых сред. .Полученные сведения имеют важное значение для -принятия мер .по подавлению вспышек .пылегазовых смесей. Для предотвращения воспламенения пылегазовых смесей при агроходке горных выработок и вскрытии выбросоопасных угольных пластов и породных массивов нами разработана жидкостная забойка на основе йодистых соединении н .карбамида с плотностями раствора Ррастр =1,31 г/см3; 1,52; 1,74 г/см3. Взрывопредотвра-щающая эффективность забойки .проверена в опытном штреке по методике и с использованием приборов и аппаратуры МакНИИ. Опытно-полигонные испытания показали высокую взрывопредотвращающую эффективность жидкостной забойки. При плотности раствора рр=1,31—'1,74 г/см3 и расходе

50—100 г/м3 исключается взрыв пылегазовон смсси стехио-метрической концентрации (СН4 — 9,5%). Согласно заключению комиссии МакНИИ разработанная забойка была рекомендована к проверке на эффективность взрывоподавления в шахтных условиях при вскрытии выбросоопасньтх н угрожаемых угольных пластов. Экспериментально-промышленная проверка эффективности применения кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП и жидкостной забойки на основе йодистых соединений и карбамида проводилась при вскрытии и дегазации выбросоопаспых и угрожаемых пластов т5\ Ц ; /з; /¿з участков № 66-960; 82-960; 122-960 шахты «Комсомолец» ПО «Ар-темуголь» по методике, разработанной в МакНИИ. Для их вскрытия были пробурены шпуры диаметром 42 мм и глубиной 5 м, в качестве ВВ применялся детоппт-М, расход жидкостной забойки составлял 100 г/м3, взрывание зарядов — сотрясательное. Вскрытие выбросоопаспых угольных пластов подтвердило высокую эффективность кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП н жидкостной забойки на основе йодистых соединений н карбамида, позволивших создать неравномерное нагружение взрываемых массивов, снизить вероятность выброса угля и газа, предотвратить воспламенение и взрыв пы-легазовьтх смесей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований осуществлено решение научной проблемы, заключающейся в разработке физико-технических способов повышения эффективности и безопасности взрывного разрушения пород с применением кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП и жидкостной забойки на основе йодистых соединений н карбамида, имеющих важное народнохозяйственное значение для угольной и горнодобывающей промышленности России и позволяющих повысить эффективность и безопасность взрывных работ, темпы и устойчивость проводимых выработок.

Наиболее существенные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе выполненных теоретических исследований и шахтных экспериментов установлено, что низкая эффективность взрывного разрушения горных пород при проведении выработок (низкий КИШ, переборы пород до 40%, интенсивная парушепность пород в законтурном пространстве, значительный разброс взорванной горной массы, деформация, разрушение крепи и горнопроходческого оборудования и т. д.) обусловлена несоответствием детонационных характеристик п удельных расходов применяемых ВВ свойствам взрываемой

3*

35

среды, отсутствием надежных способов управления энергией взрыва зарядов ВВ. Для уменьшения динамического воздействия энергии взрыва на разрушаемый массив в контурном ряде шпуровых зарядов рекомендовано применять патроны малого диаметра (17—25 мм), снижающие интенсивность тре-щннообразования в 2,5—3 раза.

2. Применение удлиненных зарядов ВВ с внутренними замкнутыми осевыми цилиндрическими каналами из стекла позволяет увеличить скорость детонации на 30—40% при соотношении внутреннего диаметра канала и диаметра заряда, равном 0,1—0,6 при плотности стекла рст = 2,22 г/см3, причем увеличение или уменьшение этого соотношения приводит к снижению скорости детонации и первоначального давления.

3. Установлена закономерность изменения скорости детонации удлиненных зарядов с ЦКП в зависимости от расстояния между преградами /пр = (10...15)^,,,, к, при этом выявлен пульсирующий характер изменения скорости детонации в области (0,25...0,3)/пр до преграды, позволяющий сформировать пульсирующие волны напряжений, генерируемых в породу.

4. Для максимального использования энергии взрыва и целенаправленного разрушения горных пород предложено в торцевой части зарядов ВВ устанавливать конические кумулятивные металлические облицовки с углом раствора при вершине конуса 40° -50°, фокусным расстоянием кумулятивной облицовки от зарядов ВВ до забоя шпура или скважины, кратным длине образующей конуса, обеспечивающие максимальную глубину внедрения кумулятивной струи в горную породу.

5. На основе выполненных исследований впервые разработаны кумулятивно-канальные заряды с ЦКП, позволившие уменьшить удельный расход ВВ на 25—30%, увеличить эффективность взрывного разрушения горных пород (/>12 по шкале проф. М. М. Протодьяконова). Конструкции кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП рекомендованы, приняты к широкому внедрению и позволили при глубинных взрываниях екважинпых зарядов снизить вероятность выбросов породы, угля и газа, а также обеспечить надежную проработку подошвы уступа при больших л. н. с. в 1-м ряду скважин па карьерах.

6. Теоретически обоснован и в шахтных условиях подтвержден минимально допустимый размер ненарушенного массива, позволяющий при глубинном взрывании екважинпых ку-мулятнвно-канальпых зарядов с ЦКП снизить вероятность выброса породы и газа.

7. Обоснована и разработана модель детонации шпуровых зарядов ВВ, позволяющая установить закономерности исте-

чснии продуктов детонации и выявить основные источники воспламенения нылегазовых смесей при взрывных работах.

Разработан способ снижения вероятности воспламенения пылегазовых смесей и подтверждена эффективность применения жидкостной забойки на основе йодистых соединений п карбамида при плотностях раствора ррасти =1.4—1,75 г/см:! п расходе 50—100 г/см3, исключающей взрыв стехиометрпче-ских составов нылегазовых смесей.

9. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании взрывных работ на подземных и открытых разработках, проведении транспортных, железнодорожных, автодорожных тоннелей, камер большого сечения в подзем-пых условиях для размещения экологически неблагоприятных и опасных производств, в гидротехническом строительстве, при составлении паспортов БВР па проведение выработок на угольных шахтах в условиях высокой степени выбросоопасно-стп пород и угольных пластов, для предотвращения воспламенения нылегазовых смесей.

10. Результаты исследований реализованы при строительстве и эксплуатации шахт им. А. А. Скочинского ПО «Донецк-уголь», им. Изотова, «Комсомолец» ПО «Артемуголь». «Прогресс», им. Лугугина ПО «Торезаптрацит», иг/у «Алмазное» АО «Гуковуголь», па предприятиях АООТ «Трапсвзрывпром».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Л\аигуш С. К. Шаблоны, обеспечивающие точность бурения шпуров в забоях вертикальных стволов шахт.— В сб.: Разработка месторождений полемпых ископаемых, вып. 16.— Киев: Техника, 1969.

2. Мангуш С. К., Кутузов Б. II., Крюков Г. Л\. и др. Анализ н вероятность распределения выбросов при проведении горных выработок в выбро-соопасных породах. Труды Московского института радио техник;!, электроники и автоматики. Выпуск 68. Механика. М., 1973.

3. Мангуш С. К., Кутузов Б. Н., Крюков Г. М., Стрельников В. В. Определение минимальной толщины прнзабойного целнкового пространства для предотвращения внезапного выброса породы. Труды Московского института радиотехники, электроники и автоматики. Выпуск 68. Механика М„ 1073.

-1. Мангуш С. К., Кутузов Б. Н„ Габдрахманов С. Б. Разработка методов прогноза и предотвращения выбросов породы н газа при проведении горных выработок в условиях шахты «Петровская-Глубокая». Отчет но ПИР ГФ-4-390. М„ 1973".

5. Д\а мгуш С. К*, Кутузов Б. Н., Габдрахманов С. Б. Совершенствование методов борьбы с воспламенением метана и пылсвоздушпых смесей на угольных шахтах Донбасса. Отчет по НИР ПУ-4-576. — М.: МГИ, 1973.

6. Мангуш С. К. Оценка источников энергии выбросов породы при проведении горных выработок на угольных шахтах Донбасса. — В сб.: Фишка горных пород и процессов. Всесоюзная конференция вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов. — М.: МГИ, 1974.

7. Мангуш С. К. Оценка выбросоопасности песчаников при строительстве угольных шахт Донбасса на больших глубинах.— В сб.: Физические и химические процессы горного производства. — М.: МГИ, 1974.

8. Мангуш С. К., Петров В. Ф. Измерение микроподвижск горного массива интерференционным методом. — Шахтное строительство, 1975, Л1< 6, с.

,9. Мангуш С. К-, Крюков Г. М. Энергетический баланс выброса породы при проведении горных выработок на глубоких горизонтах угольных шахт.— 1975, Л"° 9, с.

40. Мангуш С. К. Разрушение горных пород взрывом (спец. главы). Учебное пособпе для студентов спец. 0202. — М.: МГИ, 1,980.

IL. Мангуш С. К. Исследование процесса выброса .пород при проходке выработок па глубоких горизонтах угольных шахт. — В сб.: Ко1.мплексное исследование физических свойств горных пород и процессов. — М.: МГИ, 1081.

12. Мангуш С. К., Петров В. Ф. Исследование начальной скорости газовыделения из пластов песчаника. VII Всесоюзная научная конференция с участием вузов СССР м научно-исследовательских институтов. — М.: МГИ, 1981.

1,3. Мангуш С. К. Глубинное взрывание зарядов для борьбы с выбросами и газа. VII Всесоюзная ¡научная конференция с участие,м вузов ,и научно-исследовательских .институтов.—М.: МГИ, 1981.

111. Мангуш С. К., Горбунов В. В. Внутренняя баллистика продуктов детонации шнурового заряда. Ф.изи'ко-тсхничеекшс проблемы разработки полезных ископаемых, 1985, № 5, с. 50. Изд-ibo «Наука», СО АН СССР, Новосибирск.

15. Мангуш С. К., Цыпленков А. Г., Моисеев Ю. А. Измерение скорости распространения продольных волн в массиве для оценки его нарушенное™ энергией взрыва при проходке торных выработок. — В сб.: Физические процессы горного, производства,. — М.: МГИ, 1991, с. 66.

■ 16. Мангуш С. К. .и др. А. С. № 1600067. Устройство для ингибирова-ння метанопылсвоздушной среды.

17. Мангуш С. К., Кутузов Б. Н., Горбонос М. Г. Техника и технология взрывных работ. Часть II. Взрывные работы при подземной разработке полезных .ископаемых. Учебное пособие для студентов спец. 0210, нро-фил.нзации «Разрушение горных пород взрывом». — М.: МГИ, 1986.

il,8. Мангуш С. К., Кутузов Б. Н., Крюков Г. М. н др. Методические указания по выполнению лабораторных и полигонных работ по дисциплине «Разрушение горных пород взрывом (по программе «Единая книжка взрывника»). Для студентов горных специальностей. — М.: МГИ, 1986.

1,9. Мангуш С. К., Кутузов Б. Н., Крюков Г. М. Практические .и лабораторные занятия по курсу «Разрушение горных пород взрывом для спец. 0201, 0202, 0206, 021,0». Учебное пособие. — М.: МГИ, 1988.

20. Мангуш С. К., Бобрышев А. А., Моисеев Ю. А. и др. Разработка методики расчета параметров БВР при проходке горных выработок с применением контурного взрывания. Отчет по научно-исследовательской теме ГФ--1-410. — М.: МГИ, 1990.

21. Мангуш С. К., Кутузов Б. Н., Крюков Г. М. и др. Технология и безопасность взрывных -работ (по программе «Единая книжка взрывника»). Учебное пособие. — М.: МГИ, 1990.

22. Мангуш С. К., Цыпленков А. Г. Использование кумулятивных экранов различной формы для концентрации энергии взрыва при проходке горных выработок. — В сб.: Физические процессы горного .производства. X Всесоюзная научная конференция вузов СССР с участием научно-исследовательских .институтов.— М.: МГИ, 1,991, с. 98.

23. Мангуш С. К., Стадник В. В. Исследование ¡и выбор оптимальных параметров кумулятивных выемок для формирования зарядов ВВ, повышающих эффективность разрушения горных пород взрывом. Симпозиум «Современное горное дело: образование, наука, промышленность».- Информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 1996, № 5, с. 406.

24. Мангуш С. К. Повышение эффективности разрушения горных пород кумулятивными и кумулятивно-канальными зарядами ВВ 'при проведении горных выработок. Симпозиум «Современное горное дело: образование, наука, промышленность». Информационно-аналитический бюллетень.— М.: МГГУ, 1996, № 5, с. 53—54.

25. Мангуш С. К., Галкин В. В. Изучение возможности увеличения скорости детонации штатно применяемых ВВ для повышения эффективно' 'стн разрушения горных пород. Симпозиум «Современное горное дело: образование, паука, промышленность». Информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 1996, № 6, с. 82.

26. Мангуш С. К. Экспериментальные исследования процессов, протекающих в зарядах с замкнутыми цилиндрическими каналами с преградами. Симпозиум «Современное горное дело: образование, наука, промышленность». Информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 1997, Л« 1, с. 58-60.