автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка рациональных параметров взрывания при проходке подземных выработок на основе установленных закономерностей образования зон разрушения

#

#

ч

На правах рукописи

АНДРИЕВСКИЙ Александр Порфирович

УДК 622.235

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВАНИЯ ПРИ ПРОХОДКЕ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ УСТАНОВЛЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ЗОН РАЗРУШЕНИЯ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ) и Институте химии и химико-металлургических процессов СО РАН (ИХХМП).

Научный руководитель докт. техн. наук КУТУЗОВ Б. Н.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук ПРОТАСОВ Ю. И., канд. техн. наук ГОРЛОВ Ю. В.

Ведущее предприятие — «Сибцветметниипроскт». Защита состоится « » . ^ ^^г^г** . . 1998 г.

в /\Г. час. на заседании диссертационного совета К.053.12.05 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « . » . . 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

проф., докт. техн. наук КРЮКОВ Г. М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Развитие промышленного производства обуславливает повышенную потребность страны в основных видах минерального сырья и продуктов его переработки. Наращивание объемов добычи полезных ископаемых повлечет за собой дальнейшее увеличение объемов горнопроходческих работ. Анализ современного состоггмя буровзрывных работ при проведении горных выработок показывает, что достигнутые средние значения коэффициента использования шпуров (КИШ) не превосходят 0,8. С учетом возрастающих объемов проведения выработок это приводит к потере темпов их проведения и повышению затрат на эти работы.

Одна из причин такого положения - отсутствие технически обоснованной методики проектирования буровзрывных работ, в которой были бы даны обоснованные принципы расчета рациональных конструкции врубовых, отбойных и оконтуривающих шпуров на площади забоя.

Эффективность отбойки пород при проходке выработок обеспечивается в основном рациональной конструкцией врубов и соответствующим ра (мощением по площади забоя отбойных и оконтуривающих шпуров, чем дости-пкчся существенное увеличение КИШ и что способствует снижению затрат на поддержание и проветривание выработок, повышает безопасность работ.

Научная задача. Установление закономерностей процесса разрушения горных пород взрывом удлиненных зарядов для разработки рекомендаций по рациональным параметрам врубовых, отбойных и оконтурт* пощнх шпуров является актуальной научной задачей.

Цель работы. Установление влияния физико-технических свойств горных пород на эффективность их взрывного разрушения врубовыми, oiôoii-ными и оконтуривакмцнми зарядами для разработки рекомендации но рациональным параметрам паспортов буровзрывных работ для по пемных горизонтальных выработок, обеспечивающих повышение технико-эконо-мичееккх показателей этих видов работ.

Идея работы. Использование количественных зависимостей размеров зон смятия и трещинообразования ог физико-технических свойств горных пород и параметров удлиненных зарядов для определения рациональных неличин и расположения врубовых, о томных к оконпрннаюших нарядов при проходке подземных юриюнгадьных выработок.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- размер образующейся при взрыве в скальном массиве удлиненного заряда зоны смятия прямо пропорционален диаметру зарядной полости и корню квадратному от давления, развиваемого продуктами детонации применяемого ВВ. и обратно пропорционален корню квадратному от предела прочности породна сжатие;

- размер образующейся при взрыве в монолитном скальном массиве удлиненного заряда зоны трещинообразования (призмы разрушения) прямо пропорционален диаметру образующейся зоны смятия, корню квадратному от давления, развиваемого продуктами детонации применяемого ВВ, отношению радиусов взрывной полости и зоны смятия, и обратно пропорционален корню квадратному от предела прочности разрушаемых пород на срез;

- для оценки взрывного разрушения трещиноватого скального массива удлиненными зарядами предложен коэффициент структурного ослабления, определяемый по количеству трещин, приходящихся на размер радиуса воронки взрыва призмы разрушения для условий отбойки монолитного массива;

- радиус призмы разрушения при отбойке трещиноватого горного массива удлиненными зарядами прямо пропорционален диаметру образующейся при взрыве зоны смятия, корню квадратному от давления, развиваемого продуктами детонации применяемого ВВ, отношению радиусов взрывной полости и зоны смятия и обратно, пропорционален корню квадратному от произведения предела прочности разрушаемых пород на срез и коэффициента структурного ослабления, определенного для условий разрушения взрывом трещиноватого массива;

- необходимым условием достижения максимальной эффективности взрывного разрушения скального массива, обеспечивающей КИШ не менее 0.У5, при проведении выработки является размещение шпуров во фубовой полости: первого под углом 60° к поверхности забоя, глубиной, не превышающей радиус призмы взрыва, а остальных таким образом, чтобы угол между осью обвиваемого шпура и линией, соединяющей забои последующего н предыдущего врубовых шпуров, составлял (>()", при этом расстояние между их забоями должно быть равно радиусу пришы рацишеиия.

Обоснованность и достоверность научных положении, выводов и рекомендаций подтверждаются большим объемом промышленных и математических экспериментов, технико-экономическими показателями результатов внедрения, соответствием результатов теоретических исследований полученным данным опытно-промышленных испытаний; широкой апробацией разработанных рекомендаций на горных предприятиях, их внедрением с положительным эффектом.

Научное значение работы заключается в установлении новых закономерностей формирования в скальном массиве, при его взрывном разрушении удлиненными зарядами, зон смятия и трещинообразования и разработке на их основе методов определения параметров буровзрывных работ при проведении горизонтальных подземных горных выработок.

Практическое значенне работы заключается в разработке и обосновании паспортов буровзрывных работ, обеспечивающих высокоэффективную технологию буровзрывных работ при проведении горных выработок, обеспечивающих высокую эффективность разрушения пород для различных горногеологических и горнотехнических условий.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные положения и рекомендации диссертации использованы при разработке:

- инструкции по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок на Североуральских бокситовых месторождениях;

-инструкции по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок на шахтах треста "Бокситстрой";

-инструкции по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок на шахтах НПО "С'нбруда";

-отраслевой инструкции по составлению паспортов буров (рмнны.х работ при проведении горных выработок для подк-мных рудников Российской Федерации.

Суммарный годовой экономический эффект только от внедрения результатов исследовании на шахте 14-14бис Сенеро\ рлльското иоксигопою рудника на проходке по известнякам составил 100 шс.рчол. < пени тог.)

Апробация работы. Содержание работы и отдельные ее положения обсуждались на произвола веж ю-1е\нмческом совещании при 1амдлавн'.чо

инженера концерна ."Совалюминий" (г.Москва, 1990 г.); на производственно-техническом совещании при главном инженере треста "Бокситстрой" (г.Североуральск, 1990 г.); на производственно-техническом совещании при главном инженере НПО "Сибруда" (г.Новокузнецк, 1991 г.); на производственно-техническом совещании при начальнике горного отдела Комитета металлургии Российской Федерации (г.Москва, 1994 г.); на Международной конференции по открытым горным, земляным и дорожным работам (г.Москва, 1994 г.); на И Международной конференции по буровзрывным работам (г.Москва, 1995 г.); на II Международной конференции по открытым горным работам (г.Москва, 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 5 изобретений и положительных решений о выдаче патентов Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и 4 приложений, содержит 97 страниц машинописного текста, 28 рисунков, список использованной литературы из -|57 наименований и 81 страницу приложений.

ОСНОВНОЕСОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Анализ современного состояния буровзрывных работ (БВР) при проведении горных выработок показывает, что достигнутые средние значения коэффициента использования шпуров (КИШ) не превосходят величину 0,8. С учетом возрастающих объемов проведения выработок это приводит к потери значительных объемов буровых работ и повышению затрат на буровзрывной цикл. - -

Одна из причин такого положения - отсутствие единой научно обоснованной -технической политики в области проектирования буровзрывных работ.

Анализ существующих методик' по расчету Л НС при отбойке обна-асннук) плоскость показывает, что, несмотря (в некоторых случаях) на их мно!офакторность, наиболее правильные результаты получаются при определенных условиях и требуют постоянных корректировок.

Ни одна из предлагаемых методик по определению /1НС не учитывает 1чЯщеи)вестные факты, сот.таено которым при взрыье мряда » массиве обра-

зуются три зоны: зона смятия (раздавливания); зона трещинообразования; зона упругих деформаций.

На основании теории сопротивления материалов (теория возникающих напряжений в т<\-стостенных цилиндрах) получена зависимость для определения размеров зоны смятия при взрывном нагружении скального массива удлиненными за рядам Л, согласно которой:

Кем = 4 ■ = 4■ = 0.3536,/я.■ й-(1)

V асж У8-<тсж>

где Ясм - радиус образующейся зоны смятия, м; с1„ - диаметр заряжаемого шпура, м; Рв. давление, развиваемое продуктами детонации ВВ, Па: О - скорость детонации применяемого ВВ, м/с; (/ - плотность ВВ в заряде, к'г/м'; асж - предел прочности пород на сжатие. Па.

С целью проверки работоспособности полученной зависимости (I) в производственных условиях был забурен ряд параллельно-сближенных шпуров (161 пара; рис.1) разного диаметра с различными расстояниями между ними. В процессе экспериментов шпуры заряжали различными ВВ, один из спаренных параллельных шпуров заряжали, второй (компенсационный) нет. С нка размеров зоны смятия проводилась по характеру разрушения компенсационного шпура (учитывалось свойство пород в зоне смятия приобретать свойство текучести, т.е. должно происходить заполнение компенсационного шпура перемятой породой, если он находится в пределах радиуса юны смятия).

По результатам экспериментов обнаружены следующие эффекты шры-вания:

1) компенсационный шпур запрессован перемятой породой (зона смятия перекрыла расстояние, на котором забурен компенсационный шпур), /ц/<ЛСИ0(рис.1.а);

2) компенсационный шпур заполнен обломками либо произошло смещение перемятой породы в сторону незаряжаемого шнура без его запрессовки (компенсационный шпур находится на границе зоны смятия), /„ ^ Ясц ф (рис. 1,6);

Рис ), Вснможные состояния расположения компенсационного шпура но 01 ношению к образующейся в массиве зоны смятия. 1 - заряжаемый шпур. 2 - компенсационный шпур; !и1- расстояние от заряжаемого шпура до стенки компенсационного; - радиус образующейся зоны

СМЯП1Я

3) стенки компенсационного шпура не нарушены (размер смятия меньше расстояния, на котором находится компенсационный шпур), (рис. 1,в).

С целью уточнения данных по прочностным характеристикам пород известняка (в которых проводились эксперименты) был проведен статистический анализ изменчивости пределов прочности его на сжатие (<тсх: 610 образцов), разрыв (стр; 636 образцов) и срез (гср; 594 образца), который показал, что изменчивость рассматриваемых величин находится в широких пределах (коэффициент вариации 18-33%). Группировкой данных по интерпалам глубин (с шагом 50 м, согласно принятой технологической схемы вскрыгия месторождения) установлено наличие связи между прочностными характеристиками пород и глубиной залегания (индекс корреляции по пределу прочности на сжатие составил Я=0,94; на разрыв Е1=0,69; на срез 11=0,96). С использованием ЭВМ получены функции регрессии параболическою вида, близкие к линейным.

Так как предел прочности пород и скорость детонации ВВ изменяются в пределах, то теоретически возможны три ситуации:

1) компенсационный шпур запрессован перемятой породой, /,„ < (рис. 2,а);

2) компенсационный шпур: а) запрессован; б) частично нарушен; в) не нарушен при </„, < <Р»с. 2,6):

3) компенсационный шпур не нарушен при /,„^/^"¿'7-где Л.Тт =<1.(РГ)""'-(О) =^.(Р.™")",-(ст™")",.м.

. Результаты сравнительного анализа фактических эффектов взрывания с теоретическими показывают хорошую согласованность результатов (100'!.> для случаев /„, < И"""- и /„, > Я™}) (рис. 2.в).

С целью установления достоверности выведенном ¡ависимосги (I) по определению радиуса зоны смятия методами статистической проверки гипотез обработан статистический материал, полученным в экспериментах для случая Л™';. < '„<Я™}.

/

6 \

\

/

6 \

\

I / /

Рис. 2. Возможные состояния расположения компенсационного шпура, предсказанные по теоретическим радиусам зоны смятия. 1- заря>1 ечый шпур, 2- компенсационный шпур; 1ш- расстояние от заряжаемого шпура доаенки компенсационного, минимально возможный радиус

мни смятия, предсказанный теоретически; максимально

возможный радиус зоны смятия, предсказанный к'оретическин

к

Математическая модель зависимости имеет вид мультипликативной функции^ •(*?>)* (2)

где Уi - радиу 1бразутощенся при взрыве зоны смятия; диаметр заряжаемого шпура. л<!> - плотность заряжания, л]3* - скорость детонации применяемого ВВ, л-}'*- предел прочности пород на сжатие; а0..,а4. неизвестные параметры модели.

Для сгруппированных данных выполнен корреляционный анализ, который показал наличие тесной связи между входными переменными и функцией (коэффициент множественной корреляции Л=0,969; критерии Фишера табличное значение критерия Фишера для точности 59,5%

В результате регрессионного анализа получены оценки неизвестных параметров зависимости (2) (а0.....а Л и оценена степень тесноты множественной статистической связи (Я=0,734; Г(Ята/11)=5,64). Регрессия

х' ) '(*■ ) '(*•) 4х. ) • (3)

С учетом оценки средних значений переменных на 1-х уровнях мультипликативная функция примет вид:

Л = ■(&)* +Р, -Л^'Г. (4)

В результате регрессионного анализа мультипликативной функции (4) получены оценки неизвестных параметров (да.....а*) н оценена степень тесноты множественной статистической связи (/?= 0,88; Р(Ю=19,26;

Регрессия имеет вид у,- =0,3557-^-"77-В1'0501 -а^5094 (5)

и хорошо согласована с теоретической (1).

Для определения размеров зоны трещинообразования (воронки взрыва призмы разрушения) на основании теории сопротивления материалов (теории возникающих напряжении в толстостенных цилиндрах) при взрывном нагружении скального массива удлиненными зарядами получена зависимость (учитывающая влияние зоны смятия, в которой порода мелко измельчается и переход!гг в текучее состояние, за счет чего происходит пере-

распределение давления, развиваемого продуктами детонации во взрываемом шпуре на окружающий згу зону массив), согласно которой

Яг=0,7-</с Р«'Г* , (6)

V КСМ •

где - радиус воронки взрыва призмы разрушения, м; Рв - давление, развиваемое продуктами детонации ВВ, Па; ге - радиус заряжаемого шпура; Ясм , (1СМ - соответственно радиус и диаметр образующей зоны смятия, м; ажв - эквивалентное предельное напряжение, при котором происходит разрушение массива, Па.

Поскольку в рассматриваемой модели (разрушения толстостенных цилиндров рис.3) можно использовать две теории прочности: "третью теорию прочности" и теорию прочности О.Мора, в последнее время хорошо зарекомендовавшие себя в горном деле, то получим две расчетные зависимости: - по "третьей теории прочности"

- по теории прочности О.Мора

= 0.1486+ А с. (8)

а

Р.-г.

И

где ар - предел прочности пород на разрыв, Па; тср - предел прочности пород на срез. Па: остальные обозначения те же.

С целью проверки работоспособности полученных зависимостей (7, 8) в производственных условиях забурены параллельные ряды шпуров разлнчно-ю диаметра (по три в ряду; 101 ряд) с переменной линией наименьшего сопротивления. Отбойка шпуров проводилась на параллельную относительно шпуров плоскость.

Поскольку прочностные характеристики пород и скорость детонации применяемого ВВ заданы в пределах, то расчетные радиусы определены в пределах (для граничных условий) по следующим заиисимоаям: - по "третьей теории прочности"

я™"=0.2102-4- / ^ • С, • • С«: (9>

ю

а .

5

Рис. 3. Схема образования воронки взрыва

л;п"=0,2102-а: а0-15.И15 -а-0-25 -т^"5 • (10)

' - ' в ' тех слстш српип» '

- по теории прочности О.Мора

Я™ =0.1486-^1 + ^ (11)

ЯГ = 0,1486-+ (12)

Произведен сравнительный анализ между фактическими и теоретически возможными (9, 10,11, 12) радиусами взрывных воронок призмы разрушения (исходя из логических соображений фактические радиусы взрывной воронки призмы разрушения должны находиться в интервале расчетных; рис. 36).

С целькг установления степени достоверности выведенной зави лмости (7) по определению радиуса воронки взрыва (зоны трещинообразования) призмы разрушения методами статистической проверки гипотез обработан статистичесхий материал, полученный в экспериментах.

Математическая модель связи имеет вид мультипликативной функции:

у. =а4(*:")ц (х»1)" -(*:<>)■•.(««)-. <13>

где у,- радиус образующейся при взрыве воронки взрыва (зоны трещинообразования) призмы разрушения; диаметр заряжаемого шпура; плотноегь заряжания; лр*- скорость детонации применяемого ВВ; х}4'- предел прочности пород на сжатие; х}5*- предел прочности пород на срез; ао...а5 -неизвестные параметры модели.

Для сгруппированных данных выполнен корреляционный анализ, который показал наличие тесной связи между выходными переменными и изменением уровней объясняющих переменных (Л=0,923, Я) =20,71; ^«^=1.83).

В результате регрессионного анализа получены оценки неизвестных параметров зависимости (а^.м^ и оценка степени тесноты множественной статистической связи (й=0,751; /УЯ;=10,131; Г(Кта6л)=3.99).

Регрессия имеет вид

С учетом оценки средннх значений переменных на 1-х уровнях функционал имеет вид:

У. = а. (х!")" •(х|!,)'! -(х|" • Ах'»)" +0, .Дх|")" - (;•> Д • Дх«.")" .(15)

Решение данной задачи сводится к решению системы нелинейных уравнений градиентным методом. В результате регрессионного анализа искомой функции (15) были получены оценки неизвестных параметров зависимости (ар...я5) и оценена степень тесноты множественной спи этической связи (Л=0.891; гГК)=29.88: ГГ/?иойл)=3.99).

Полученная эмпирическая зависимость имеет вид

Ят = 0.1995.^ .^."03.^8.^0.24,9,^0.500^ (16)

и показывает хорошую согласованность с теоретической.

Поскольку трещиноватостью обладает подавляющее большинство пород разрабатываемых месторождений, то возникает необходимость в изучении трещнноватости горных пород (породных массивов) как фактора взрывной отбойки, т.е. в установлении влияния той или иной насыщенности пород трещинами на параметры взрывной отбойки.

Если для выявления зависимости по определению радиуса воронки взрыва призмы разрушения при его взрывном нагружешш удлиненными зарядами воспользоваться предыдущей схемой (разрушение цилиндров, рис.4), то, очевидно, ее можно записать следующим образом:

Д=0,74 Р>Г> , (17)

где Кс - коэффициент структурного ослабления массива для условий его взрывного разрушения, доля ед.; остальные обозначения ге же.

Как видно из приведенной схемы (рис. 4), при взрыве происходит разрушение либо тонкостенных цилиндров (рис. 4,а), либо балок с одним или двумя защемленными концами (рис. 4,6).

Согласно теории сопротивления материалов расчет "тонкостенных цилиндров" ведется н: разрыв, а "балок" по эквивалентному напряжению, равному пределу прочности материала на срез или на разрыв.

а

б

Рис. 4. Схема образования воронки взрыва в трещиноватом массиве.

Таким образом, для расчета радиуса взрывной воронки призмы разру-

Р ■ г Я

шения получаем две зависимости: Я =0,7с/СЛ, I——-———- = (18)

I "си "ТФ '

Л = 0,7 с1см\-^-= (19)

у/?,.„ -стр ■

Объем зоны развала, объем зоны дробления и их. соотношения зависят от мощности применяемого ВВ и от прочностных характеристик массива, т.е расстояние между трещинами 0,5 м (или блочность массива п.5x0,5 м) окажет различное влияние на результаты взрывов скважишюго и шпурового зарядов.

Наиболее полно мощность взрывного импульса и прочностные характеристики массива саккумулированы в величине радиуса взрывной воронки призмы разрушения, определенном для условия отбойки монолита, т.е. интенсивность трещиноватости для условий взрывного разрушения трещиноватого массива целесообразно определять в зависимости от количества трещин, приходящихся на радиус воронки взрыва, определенный для условий отбойки монолита.

С целью проверки данного предположения и расчетных зависимостей (18, 19) на шахтах Североуральского бокситового рудника была проведена серия экспериментов по шпуровой отбойке трещиноватого массива на обнаженную плоскость с изменением диаметров зарядов и типов взрывчатых веществ (взорвано 88 шпуров).Из формул (18, 19) можно получить выражения

Ч^Ч^Н ^йЧ!)2- (21)

где Яф • фактический радиус взрывной воронки, образующийся при разрушении трещиноватого массива, остальные обозначения те же.

Для полученных значении Кс, Кс выполнен регрессионный анализ и построены графики полученных зависимостей К. (Р»с- 5). Как видно из

приведенных графиков, коэффициент структурного ослабления, рассчитанный по пределу пр>. мюсти на разрыв (в интервале от 0 до 10,2), получился

Рис. 5. Графики зависимости коэффициента структурного ослабления от количества трещин, приходящихся на расчетный радиус взрывной воронки, определенный для монолитного массива по пределу прочности: а) на разрыв; б) на срез.

больше 1, что противоречит здравому смыслу, поэтому в дальнейшем рассматривалась схема расчета по пределу прочности па срез (зависимости18,19).

Для выявления вида функциональной связи между коэффициентом структурного ослабления и трещиноватостью массива (/7) были рассмотрены три модели:

Ke,=f(lT) (22), Кс1 = ) (23), KCJ=f(R^Q. (24)

Для исследуемых зависимостей (22, 23, 24) выполнен корреляционный анализ; коэффициенты корреляции между функцией и аргументом для всех моделей значимы и равны соответственно: 0,648; 0,719; 0,722.

Функция f(Z) находилась методом регрессионного анализа по лучшим в совокупности характеристикам; наилучшей оказалась регрессия вида

-!-гР~ (25)

0,97 + 0,13^21 h

со следующими показателями: полная дисперсия 5,15; дисперсия регрессии 2,78; остаточная дисперсия 2,57; критерий Фишера 43,7 (табличное значение критерия Фишера для точности 95% 13,11); коэффициент множественной корреляции 0,72.

На основе полученных зависимостей разработана методика построения паспортов БВР при проведении горных выработок. В основу разработанной методики заложено следующее: каждый из шпуров, расположенный на площади забоя проводимой выработки, отбивает массив мощностью не более линии наименьшего сопротивления (ЛНС) при условии образования воронки взрыва призмы разрушения радиусом Лт(либо R в трещиноватом массиве) с углом раствора образующейся воронки, равным 60°.

При построении комплекта шпуров клинового ступенчатого вруба поступают следующим образом: на отрисованной в масштабе горизонтальной проекции выработки на расстоянии В„ = 0,516+Ву (В}, - зазор для управления буровым оборудованием; рис. 6) от борга выработки отмечают точку забу-рнвания шпуров 1 и под углом 60" к плоскости забоя проводят прямую, на которой в глубь массива откладывают отрезок 1-Г длиной R, (глубина шпуров первой ступени). Расположение шпуров второй ступени находят следующим образом. Из донной части первого шпура Г проводят окружность

Рис. 6. Схема построения клинового ступенчатого вруба.

радиусом К г , на линию которой должен выходить забой второго шпура 2'. При этом необходимо выполнение условия: ось второй ступени 2'-2 должна составить угол 60° по отношению к радиусу 1'-2'. Перемещением вершины требуемого угла Г-2'-2 (60°) по линии окружности до пересечения оси проводимого шпура 2'-2 с линией зазора Ву на расстоянии 16 от плоскости забоя (рис. 6) определяют расположение второй ступени. Отмечают точки забоя 2' и забуривания - 2. Вспомогательные шпуры должны обеспечить расширение полости, сформированной клиновым ступенчатым врубом до площади, размеры которой меньше проектного сечения проводимой выработки по периметру на величину, меньшую либо равную IV; на вертикальной проекции сечения выделяют "ложный" контур (рис. 7, область, выделенная пунктирной линией). В границах "ложно! о" контура вспомогательные шпуры располагаются по прямоугольной сетке а0 х в0 (а0 ¿IV ; в0 й 11т - для монолитного массива; а0 < IV' ; в0 < К -для трещиноватого, массива). Оконтуривающие шпуры размещают равномерно по периметру проводимой выработки на расстоянии друг от друга, не превышающем радиуса взрывной воронки призмы разрушения (Ит - для монолитного массива, Я - для трещиноватого массива; рис. 7).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи по установлению закономерностей процесса разрушения горных пород взрывом удлиненных зарядов и разработке рекомендаций по рациональным величинам и параметрам расположения врубовых, отбойных и оконтуривающих шпуров при проходке горизонтальных выработок в подземных рудниках.

На основе выполненных исследований даны следующие основные выводы:

1. Величина радиуса зоны смятия прямо пропорциональна диаметру взрывной полости, корню квадратному из давления, развиваемого продуктами детонации применяемого ВВ, и обратно пропорциональна корню квадратному из предела прочности разрушаемого массива на сжатие.

2. Величина радиуса призмы разрушения прямо пропорциональна ди > метру образующейся при взрыве зоны смятия, корню квадратному из давления, развиваемого продуктами детонации применяемого ВВ, отношению ра-

диусов взрывной полости и зоны смятия и обратно пропорциональна корню квадратному из предела прочности разрушаемого массива на срез.

3. Получена расчетная зависимость определения коэффициента структурного ослабления трещиноватого массива по сравнению с монолитным для условий взрывания удлиненных зарядов при проведении подземных выработок в рудниках.

4. Коэффициент структурного ослабления взрываемого трещиноватого массива определяется числом трещин, приходящихся на расчетный радиус образующейся призмы разрушения, получен для монолитного массива по значению предела прочности породы на срез.

5. Расстояние между шпурами по контуру проводимой выработки должно быть не более радиуса образующейся при взрыве удлиненного заряда в скальном массиве призмы разрушения.

Расстояние между отбойными и вспомогательными шпурами (в рядах) по площади забоя проводимой выработки должно быть не более радиуса призмы разрушения, образующейся при взрыве удельного заряда в скальном массиве.

Каждый из шпуров по площади забоя отбивает массив (на открытую поверхность) мощностью не более линии наименьшего сопротивления при условии, что минимальный угол образующейся призмы разрушения равен 60°.

6. Разработаны инструкции по составлению паспортов буровзрывных работ:

- при проведении горных выработок на Североуральских бокситовых месторождениях;

- при проведении горных выработок на шахтах треста "Бокситстрой";

-при проведении горных выработок на шахтах НПО "Сибруда";

- отраслевая инструкция по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок в подземных рудниках.

Апробация паспортов, рассчитанных согласно рекомендуемым в диссертации методическим положениям, осуществлена на шахтах ПО "Севуралбокситру.1.. . треста "Бокситстрой". НПО "Сибруда" и рудниках Норильского ГМК. Результатами промышленного внедрения инструкций доказана возможность достижения разрушения пород в забое за цикл с вели-

чиной КИШ не ниже 0,95 при различных горно-геологических и горнотехнических условиях с одновременным снижением удельных расходов на бурение до 25-30% и взрывчатых веществ до 25%. Внедрение паспортов БВР, рассчитанных по методике, разработанной в диссертации, на шахте 14-14бис Североуральского бокситового рудника только на проходке горных выработок по известнякам позволило получить реальный экономический эффект в год в размере 100тыс.рублей(в ценах 1990 г.); средний КИШ=0,97.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Андриевский А.П. Методика определения расстояния между шпурами и скважинами для щелеобразования /У ФТПРПИ. 1983. N 4. - С.34-38.

2. Андри-пский А.П. Методика расчета щелевых врубов II Управление технологическими процессами добычи на больших глубинах / Сб. научн. трудов под ред. академика Е.И.Шемякина. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР. 1983.- С.89-97.

3. Андриевский А.П. Методика расчета линии наименьшего сопротивления при отбойке на обнаженную плоскость II Моделирование технологических процессов при подземной разработке рудных месторождений / Сб. научн. трудов, под ред. академика Е.И.Шемякина.-Новосибирск: ИГД СО АН СССР.1987.-С.172-179.

4. A.c. № 1438372. Заряд для отбойки горных пород / А.П.Андриевский, Ю.И.Николаев, А.В.Богайчук. 1988 г.

5. Андриевский А.П. Методика расчета оптимальных параметров паспортов буровзрывных работ при проходке с прямым щелевым ярусным врубом // ФТПРПИ. 1992. N5. -С.71-77.

6. Андриевский А.П., Петров В.Ф., Николаев Ю.И. и др. Влияние физико-механических свойств горных пород на параметры взрывной отбойки при проведении горных выработок / Сб. докладов Международной конференции по открытым горным, земляным и дорожным работам. - М.: ЦНИИОМТП.1994.-С. 107-119.

7. Андриевский А.П. Рациональные параметры буровзрывных работ при проведении горных выработок с использованием клинового ступенчатого вруба 1С б. докладов II Международной конференции по буровзрывным работам. - М.: ЦНИИОМТП. 1995. - С.23-26.

8. Патент Российской Федерации № 2006581 от 30.01.94. Способ разрушения горных пород при проходке горных выработок. Андриевский А.Г1.

9. Патент Российской Федерации № 2052103 от 10.01.96 г. Способ отделения блоков природного камня. Андриевский А.П., Кузнецов А.Г.

10. Андриевский А.П., Кутузов Б.Н., Половов Б.Д. и др. Влияние трещинова-тости и физико-механических свойств горных пород на параметры взрывной воронки при отбойке на обнаженную плоскость / Сб. докладов II Международной конференции по открытым горным работам. - М.: ЦНИИОМТП.1996. - С.200-204.

11. Положительное решение 92-006254/03(052308) от 1.03.96 на выдачу патента. Способ образования врубовой полости. Андриевский А.П.

12. Андриевский A.FI., Кутузов Б.Н., Матвеев П.Ф. и др. К вопросу образования воронки взрыва (зоны трещинообразования) в скальном массиве при его взрывном нагружении колонковыми зарядами // ФТПРПИ. 1996. № 5. - С.58-64.

13.Положительное решение 95105787/03(010568) от 13.01.97 на выдачу патента. Способ взрывного разрушения трещиноватого горного массива при отбойке на обнаженную плоскость. Андриевский А.П.

14. Андриевский А.П., Кутузов Б.Н., Матвеев П.Ф. и др. К вопросу образования зоны смятия в скальном массиве при его взрывном нагружении колонковыми зарядами//ФТПРПИ. 1997. № 1.-С.39-44.

15. Андриевский А.П., Кутузов Б.Н., Половов Б.Д. и др. Влияние физико-механических свойств и трещиноватости массива на параметры образующейся взрывной воронки при отбойке на обнаженную плокость // ФТПРПИ.!997.№ 4.-С.59-61.

Подписано в печать 18 . 03. 1998 г. Формат 69x90/16

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ

Типография Московского государственного горного университета М Ленинский пр. 6.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 622.235

АНДРИЕВСКИЙ АЛЕКСАНДР ПОРФИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВАНИЯ ПРИ ПРОХОДКЕ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ УСТАНОВЛЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ЗОН

РАЗРУШЕНИЯ

Специальность 05.15.11 —Физические процессы горного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: проф., д.т.н. Кутузов Б.Н.

Москва — 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................... 4

1. КРАТКИЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ВЗГЛЯДОВ НА ПРОЦЕСС РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ..........10

2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ

ОЦЕНКИ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД.......................................13

3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ......16

3.1. По удельному расходу ВВ.........................................................17

3.2. По числу шпуров на забой........................................................17

3.3. По линии наименьшего сопротивления при отбойке на обнаженную плоскость (радиус трещинообразова-

ния или радиус образующейся взрывной воронки)..................18

4. ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД НА РАЗМЕРЫ ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ПРИ ВЗРЫВЕ УДЛИНЕННОГО ЗАРЯДА ЗОНЫ СМЯТИЯ............19

5. ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД НА РАЗМЕРЫ РАДИУСА ВЗРЫВНОЙ ВОРОНКИ ПРИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ОТБОЙКЕ УДЛИНЕННЫМИ ЗАРЯДАМИ НА ОБНАЖЕННУЮ ПЛОСКОСТЬ В МОНОЛИТЕ.......................................................36

6. ВЛИЯНИЕ ТРЕЩИНОВАТОСТИ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД НА ПАРАМЕТРЫ ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ВЗРЫВНОЙ ВОРОНКИ ПРИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ОТБОЙКЕ НА ОБНАЖЕННУЮ

ПЛОСКОСТЬ...................................................................................50

7. СПОСОБЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВАНИЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК..........................60

7.1. Врубы с наклонным расположением шпуров...........................60

7.1.1. Прямые врубы.....................................................................68

7.2. Распределение шпуров по площади и контуру

проводимой выработки..............................................................69

7.3. Методология расчета расположения зарядов

для различных групп шпуров в забое........................................70

7.4. Схема построения комплекта шпуров клинового ступенчатого вруба....................................................................72

7.5. Схема расположения вспомогательных шпуров.......................77

7.6. Схема расположения оконтуривающих шпуров......................80

7.7. Показатели БВР (объем бурения, расход ВВ)...........................81

8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ............................................................84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................86

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................89

ПРИЛОЖЕНИЕ I.............................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ II............................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ III..................................:.........................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ IV............................................................................179

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Основными направлениями и задачами экономического и социального развития нашей страны предусматривается обеспечение всемерной интенсификации эффективности производства на базе научно-технического прогресса. Немалая роль в достижении поставленной цели отводится горнодобывающей промышленности.

Дальнейшее развитие промышленного производства обуславливает повышенную потребность в основных видах минерального сырья и продуктов его переработки. Для этого необходимо значительное наращивание объемов добычи полезных ископаемых, что влечет за собой дальнейшее увеличение объемов горнопроходческих работ. Однако анализ современного состояния буровзрывных работ при проведении горных выработок показывает, что достигнутые средние значения коэффициента использования шпуров (КИШ) не превосходят величину 0,8. С учетом возрастающих объемов проведения выработок это приводит к потере значительных объемов буровзрывных работ и повышению затрат на буровзрывной цикл.

Одной из причин такого положения является отсутствие единой научно обоснованной технической политики в области проектирования буровзрывных работ, определяющей принципы расчета рациональных конструкций врубов, схем расположения комплекта шпуров на площади забоя.

Эффективность буровзрывных работ обеспечивается надежной работой как конструкции вруба, так и рациональным размещением по площади забоя вспомогательных и оконтуривающих шпуров и способствует снижению затрат на поддержание и проветривание выработок, повышает безопасность работ.

Предлагаемый в работе метод прост и удобен, позволяет определять рациональные параметры как различных конструкций клиновых врубов, так и размещение по площади забоя вспомогательных и оконтуривающих шпуров в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий проведения выработки.

Цель работы: выявление влияния изменчивости физико-механических свойств горных пород на качество взрывных работ; разработка научно обоснованных практических рекомендаций для рудников цветной и черной металлургии по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели производства этих видов работ для различных горногеологических и горнотехнических условий.

Идея работы. Основой для составления паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок являются зависимости, позволяющие с достаточной степенью точности определять размеры образующихся при взрыве удлиненного заряда в скальном массиве зон смятия и трещино-образования, учитывающие физико-механические свойства пород, их на-рушенность, тип и плотность применяемого взрывчатого вещества и диаметр сформированного заряда.

Основные научные положения, выносимые на защиту. Автором установлено и доказано, что

— размеры образующейся при взрыве в скальном массиве удлиненного заряда зоны смятия зависят от предела прочности пород на сжатие, диаметра шпуров (скважин), типа и плотности применяемого взрывчатого ве-. щества;

— размеры образующейся при взрыве в скальном массиве удлиненного заряда зоны трещинообразования (воронка взрыва призмы разрушения) зависят от размера образующейся зоны смятия, предела прочности пород на срез, диаметра шпуров (скважин), типа и плотности применяемого взрывчатого вещества;

— на оценку , интенсивности трещиноватости; разрушаемого нарушенного скального массива удлиненными зарядами для определения коэффициента структурного ослабления влияет количество трещин, приходящихся на радиус воронки взрыва призмы разрушения, определяемый для условий отбойки монолита;

— радиус воронки взрыва призмы разрушения при отбойке трещиноватого горного массива удлиненными зарядами зависит от размера образующейся зоны смятия, предела прочности пород на срез, коэффициента структурного ослабления, диаметра шпуров (скважин), типа и плотности применяемого взрывчатого вещества;

— расстояние между шпурами по контуру проводимой выработки должно быть не более радиуса образующейся при взрыве удлиненного заряда в скальном массиве воронки взрыва призмы разрушения;

— расстояние между отбойными и вспомогательными шпурами (в рядах) по площади забоя проводимой выработки должно быть не более радиуса взрывной воронки призмы разрушения, образующейся при взрыве удельного_заряда в скальном массиве;

— каждый из шпуров по площади забоя отбивает массив (на обнаженную плоскость) мощностью не более линии наименьшего сопротивления при условии, что минимальный угол образующейся воронки взрыва призмы разрушения равен 60°.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом промышленных и математических экспериментов, технико-экономическими показателями соответствующих предприятий; соответствием результатов теоретических исследований полученным данным при опытно-промышленных испытаниях; широкой апробацией рекомендаций на горных предприятиях, их внедрением с положительным эффектом.

Научная новизна состоит в следующем:

— выявлена зависимость для зоны смятия в скальном массиве при его взрывном нагружении удлиненными зарядами, из которой следует, что радиус образующейся при взрыве удлиненного заряда зоны смятия прямо пропорционален диаметру зарядной полости и корню квадратному от давления, развиваемого продуктами детонации применяемого ВВ, и обратно

пропорционален корню квадратному от предела прочности пород на сжатие;

!

— выявлена зависимость для воронки взрыва призмы разрушения \ (зоны трещинообразования) в монолитном скальном массиве при его взрывном нагружении удлиненными зарядами, из которой следует, что радиус воронки взрыва призмы разрушения прямо пропорционален диаметру образующейся при взрыве зоны смятия, корню квадратному от давления, развиваемого продуктами детонации применяемого ВВ, отношению радиуса взрывной полости и зоны смятия, и обратно пропорционален корню квадратному от предела прочности разрушаемых пород на срез;

— выявлено, что интенсивность трещиноватости для условий разрушения нарушенного скального массива удлиненными зарядами для определения коэффициента структурного ослабления необходимо вычислять в зависимости от расстояния между трещинами, приходящимися на расчетный радиус взрывной воронки, полученный для условий отбойки в монолите (рассчитанный по пределу прочности на срез);

— выявлено, что радиус воронки взрыва призмы разрушения при взрывном нагружении удлиненными зарядами трещиноватого скального массива прямо пропорционален диаметру образующейся при взрыве зоны смятия, корню квадратному от давления, развиваемого продуктами детонации применяемого ВВ, отношению радиусов взрывной полости и зоны смятия и обратно пропорционален корню квадратному от предела прочности разрушаемых пород на срез и коэффициенту структурного ослабления, определенного для условий разрушения взрывом трещиноватого массива;

— выявлено, что при проектировании паспорта буровзрывных работ на проведение горной выработки обуривание забоя производят таким образом, что расстояние между оконтуривающими и отбойными шпурами в рядах должно быть не более расчетного радиуса взрывной воронки призмы разрушения в скальном массиве при его взрывном нагружении удлиненны-

ми зарядами, а расстояние между рядами отбойных шпуров должно быть не более линии наименьшего сопротивления при условии, что минимальный угол образующейся воронки взрыва призмы разрушения равен 60°.

Научное значение работы заключается в. теоретическом обосновании высокоэффективной технологии проектирования паспортов бурозрывных работ при проведении горных выработок для различных горногеологических и горнотехнических условий.

Практическое значение работы состоит в разработке научно обоснованных практических рекомендаций по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок для различных горногеологических и горнотехнических условий.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные положения и рекомендации диссертации использованы при разработке:

— Инструкции по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок на Североуральских бокситовых месторождениях;

— Инструкции по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок на шахтах треста "Бокситстрой";

— Инструкции по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок на шахтах НПО "Сибруда";

— Отраслевые инструкции по составлению паспортов буровзрывных работ при проведении горных выработок.

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований на шахте 14-14бис Североуральского бокситового рудника только на проходке по известнякам составил 100 тыс.рублей в год (в ценах 1990 г.).

Апробация работы. Содержание работы и отдельные ее положения обсуждались: на производственно-техническом совещании при зам.главного инженера концерна "Собалюминий" (г.Москва, 1990 г.); на производственно-техническом совещании при главном инженере треста

"Бокситстрой" (г.Североуральск, 1990 г.); на производственно-техническом совещании при главном инженере НПО "Сибруда" (г.Новокузнецк, 1991 г.); на производственно-техническом совещании при начальнике горного отдела Комитета металлургии Российской Федерации (г.Москва, 1994 г.); на Международной конференции по открытым горным, земляным и дорожным работам (г.Москва, 1994 г.); на II Международной конференции по открытым горным работам (г.Москва, 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 5 патентов Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и приложений, содержит 104 страниц машинописного текста, 28 рисунков, список использованной литературы из 163 наименования и 81 страницы приложений.

1. КРАТКИЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ВЗГЛЯДОВ НА ПРОЦЕСС РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ

До настоящего времени еще не предложено общепризнанной теории разрушения горных пород взрывом. В связи с этим имеются самые различные, а иногда совершенно противоположные концепции механизма разрушения горных пород взрывом.

Так, Г.И. Покровский [1] объясняет процесс разрушения горных пород взрывом действием волн напряжений, возникающих в результате динамического ударного действия продуктов детонации. При этом он отмечает, что отражение волны сжатия от свободной поверхности и одновременное ее преобразования в волну растяжения происходит по законам геометрической оптики или акустики. Несмотря на то, что напряжения в массиве, создаваемые волной растяжения, по абсолютным величинам меньше волны сжатия, волна растяжения производит большие разрушения, так как сопротивление горных пород сжатию значительно больше сопротивления растяжению. По мнению академика Н.В. Мельникова [2] "такое представление о явлении взрыва в твердой среде находится в противоречии с действительным явлением взрыва". Согласно его теории, в результате действия взрыва на стенки зарядной камеры инерция окружающей среды создает условия для протекания явления, аналогичного взаимодействию упругих шаров при ударе, сопровождающееся обменом скорости, которая вызывает разрушение среды в радиальном направлении к отраженной поверхности в виде конуса с вершиной в центре заряда.

Представления о механизме разрушения горных пород взрывом несколько сходные с воззрением профессора Г.И. Покровского, высказаны А.Н. Ханукаевым [3,4], Ф.А. Белаенко, М.Ф. Друкованным, Ф.И. Кучерявым [5] и др. Основываясь на теории разрушения горных пород отраженной волной выдвигается предположение по которому процесс разрушения по-

род взрывом ВВ неодинаков для различных горных пород и в значительной степени зависит от их акустической жесткости. Отмечается, что характер разрушения горных пород обусловлен количеством энергии, переносимой ударной волной в определенный период времени. Этот промежуток времени зависит от амплитуды волны, которая, в свою очередь, зависит от продолжительности и интенсивности действия давления газообразных продуктов взрыва на окружающую заряд ВВ горную породу.

Профессор O.E. Власов [6], приняв допущение о несжимаемости среды предложил гипотезу критических скоростей, согласно которой разрушение в массиве наступают в тех местах, где скорости больше некоторого значения.

Профессор Ф.А. Баум [7] объясняет механизм разрушения среды следующим образом: расширение продуктов детонации при взрыве, которым отводится основная роль в разрушении среды, вызывает образование зон текучести и пластических деформаций, сжимающих и растягивающих напряжений. После выхода ударной волны и образования радиальных трещин вследствие бокового распора сжатой среды возникают растягивающие напряжения и появляются новые трещинообразования, вызванные действием отраженной волны. После двукратного пробега к источнику отражения волна гаснет и уже не вызывает деформации среды. Роль откольных явлений в процессе разрушения незначительна. Согласно данным профессора JI.И. Барона [8] дробление горных пород при отбойке от массива связано как с действием ударной волны, так и с давлением газов взрыва. Таким образом, обобщая основные гипотезы разрушения без конкретизации разрушающего фактора условно можно выделить следующие: волновую, энергетическую, квазистатическую и гидродинамическую.

В целом же в современной теории действия взрыва в твердой среде недостаточно изучен вопрос критериев разрушения горных пород. Это приводит к многообразию и гипотетичности представлений, преимущественно качественному описанию характера разрушения среды. Как резуль-

тат такого состояния теории, расчет результатов взрывания на основе только теоретических представлений, б�