автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка технологии взрывного разупрочнения массива горных пород с целью повышения эффективности буровзрывных работ на карьерах

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи

КОЛОМОЕЦ Василий Васильевич

УДК 622.658.512.22.011.56 (043.3)

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЗРЫВНОГО РАЗУПРОЧНЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ НА КАРЬЕРАХ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. ГОНЧАРОВ С. А.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук КАЗАКОВ Н. Н„ канд. техн. наук, доц. БЕЛИН В. А.

Ведущее .предприятие — «Росрудпром».

В . . . 114 VI ни ии уъ^ишш V Чгч^л-гч** «л

К-05.15.11 в Московском горном институте по адресу 117935, Москва, В-49, Ленинский .пр., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. М.

\

РОССИЙСКАЯ ГОС^л^ЛЗаННАЯ БИБЛИОТЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное состояние горнодобывающей промышленности в нашей стране и за рубежом характеризуется широким применением открытого способа добычи полезных ископаемых. Характерная особенность развития открытых горных работ заключается в росте объема буровых и взрывных работ в крепких и обводненных горных породах, что существенно отражается на себестоимости добычи полезных ископаемых, имеющей тенденцию к неуклонному росту. Дальнейшее увеличение лроизводства руды в железорудной промышленности будет происходить за счет интенсификации работы действующих горно-обогатительных комбинатов, а удельный вес добычи руды открытым способом к 2000 году достигнет 85%. В этой связи большой практический интерес представляет разработка новых технических решений, направленных на повышение эффективности буровзрывных работ и снижение материалоемкости этого технологического процесса. Серьезной проблемой является увеличение расхода дефицитных и дорогостоящих шарошечных долот и водоустойчивых взрывчатых веществ с увеличением крепости и обводненности горных пород на нижних горизонтах. По этой проблеме накоплен большой научно-исследовательский материал. Тем не менее внедрение в производство высокоэффективных технологий сдерживается все еще недостаточной изученностью процессов взрывного воздействия на массив и особенностей разупрочнения горных пород. Требуют повышенного внимания процессы осушения массива при буровзрывных работах. Поэтому задача оптимизации параметров буровзрывных работ на основе исследований физических процессов взрывного разупрочнения и осушения массива горных пород является весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей взрывного разупрочнения и осушения масси-

<ва горных пород для обоснования рациональных параметров технологии буровзрывных работ, обеспечивающей повышение производительности бурения, экономию шарошечных долот и дорогостоящих водоустойных взрывчатых веществ.

Идея работы заключается в использовании разупрочнения .массива горцых пород и водапонижения в нем за счет развития микротрещиноватости в результате предварительного Езрывного воздействия перед базовым циклом БВР.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и i:x новизна:

— разработана .математическая модель процесса разупрочнения пародного массива .при взрыве скважинного заряда ВВ;

— впервые установлены зависимости разупрочнения железистых кварцитов -от параметров предварительного взрывного .нагружения массива;

— установлены закономерности изменения эффективности бурения и огневого расширения скважин в железистых «кварцитах в зависимости от интенсивности их предварительного взрывного разупрочнения;

— установлена закономерность водопонижения на рабочих уступах карьеров железистых кварцитов в зависимости от их техногенной нарушенное™.

Достоверность научных -положений, выводов и рекомендаций подтверждена:

— удовлетворительной сопоставимостью представленных в диссертации теоретических и экспериментальных данных с результатами, описанными в научной литературе (расхождение не превышает 10%);

— удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных значений крепости и обводненности массива .после взрывного воздействия;

— результатами .математической статистики при обработке экспериментальных данных;

— результатами внедрения .предложенной технологии БВР •с предварительным взрывным разупрочнением массива.

Практическое значение работы состоит в разработке технологии БВР с предварительным взрывным разупрочнением массива с учетом его физико-механических свойств и параметров взрывного воздействия.

Реализация работы. Результаты работы явились основой для разработки Инструкции по проектированию параметров буровзрывных работ в условиях Михайловокого ГОКа.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы докладывались на технических советах Михайловского ГОКа и на конференции по «Физическим процессам горного'производства» (Москва, М.ГИ, 1991г.)..

Публикация. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 67 наименований, два приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ возможных путей повышения эффективности буровзрывных работ в крепких и обводненных породах показал, что наиболее перспективными на современном этапе развития технологии горных работ являются технические решения, основанные на целенаправленном изменении физических свойств разрабатываемого породного массива. Большой экономический потенциал заключен в предварительном разупрочнении пород с применением энергии взрыва. В этом случае три распространении взрывной волны в горных породах возникают микро- и макротрещины, понижающие крепость пород и повышающие коэффициент фильтрации породного .массива. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода дорогостоящих шарошечных долот и водоустойчивых ВВ.

Проблеме повышения эффективности буровзрывных работ крепких и обводненных горных породах посвящено большое количество работ. Значительный вклад в теорию и практику БВР внесли ученые В. А. Боровиков, И. Ф. Ванягин, С. А. Гончаров, М. Ф. Друкованный, Э. И. Ефремов, Н. Н. Казаков, Г. М. Крюков, Б. Н. Кутузов, Ю. С. Мец, В. Н. Мосинец, Н. Я. Репин, В. П. Тарасенко, А. Н. Ханукаев и др.

Однако в настоящее время проблема разупрочнения горных пород взрывной волной изучена все еще недостаточно полно. Поэтому новые результаты исследования в этой области имеют большое научное н практическое значение. Для обоснования рациональных параметров технологии БВР с предварительным взрывным разупрочнением этород в диссертации решены следующие задачи:

— теоретически исследованы закономерности разупрочнения пород при взрыве цилиндрического заряда в условиях прямого и обратного инициирования ВВ;

— теоретически исследованы закономерности осушения породных массивов при образовании в них щелей при взрыве смежных блоков;

— разработан новый технологический вариант БВР, обеспечивающий разупрочнение и осушение прородного массива перед базовым циклом БВР;

— выполнены производственные испытания предложенного варианта, собран и обработан статистический материал! по стойкости шарошечных долот, уровню воды в отбойных сква-

жинах, ^производительности бурения и расширения скважин;

— произведен технико-экономический анализ результатов производственных испытаний и; разработаны рекомендации, направленные на ¡повышение эффективности БВР в крепких и обводненных .породах.

Процесс взрывного разупрочнения горных пород может быть описан на базе кинетической теории .прочности, учитывающей накопление микродефектов от предшествующей нагрузки. Функция потери сплошности при этом имеет вид:

"о —

1 г

Ф = — | ехр ^о ь

М, (1)

ат

где т0 — период .колебаний атомов, т0= 1(Н2-М0-13 с; и0 — энергия активации разрушения, Дж/моль; у — структурный коэффициент, Дж/,(Па-моль); а (()—эквивалентное напряжение, зависящее от главных напряжений, Па; Я—универсальная постоянная, Я = 8,31

Дж/(моль-К); Т — абсолютная температура, К; (— время, с.

'В «ачестве эквивалентного напряжения в условиях слож-нонапряженного состояния использовано полное напряжение на октаэдрической площадке, равнонаклонной к направлениям действия главных нормальных напряжений. Установлено, что если хотя бы одно из главных напряжений является растягивающим,'что практически, всегда реализуется при взрыЕ-ном нагружении, то в выражении (1) следует использовать:

в (0 -КЗ(а%кт + хг0К1) , (2)

и = /г0р, (3)

где (Тскт , Токт —нормальное и касательное напряжение на октаэдрической площадке, Па; и0р—энергия активации при растяжении. Напряженное состояние упругого полупространства, обусловленного взрывом цилиндрического заряда, определено на основе принципа, суперпозиции напряжений от элементарных сферических зарядов, инициируемых в заданном порядке в различные моменты времени. Распространение сферической волны в полярно симметричной постановке задачи с учетом уравнения неразрывности деформаций описывается уравнением:'

дг2 ^ г дг ' г-* ~ а2 дР'

где и — радиальные смещения, м;

а — скорость распространения 'продольной волны, м/с.

На основе решения уравнения (4) л с учетом линейной-зависимости между напряжениями и деформациями определены компоненты напряжений в сферической системе ¡координат:

1 — V

089 ^ оГт. = — 0,5агп (6)

где сгп оев, а;? —радиальные и окружные напряжения, Па; г0 — радиус заряда, м; Е —модуль упругости, Па; у — коэффициент Пуассона; Р (т—5)—функция давления <в сферической полости; т— время, с;

р — плотность породы, кг/.м3; 5 —.переменная интегрирования.

Выполнен анализ закономерностей изменения давления в цилиндрическом заряде с учетом особенностей вылета, забойки из скважины. Для оценки давления использовано уравнение Пуассона, описывающее процесс адиабатического расширения газа. Получена! следующая зависимость для давления в элементарном скважинном заряде:

/>(.) = />ф[1 +**(,_-)*]-/<, Па, (7)

где Рф—.максимальное давление продуктов детонации, (Па; .

а* = с"2, (8)

Нз — высота забойки, ;м; и 5г— сечение скважины в местах расположения заряда и забойки соответственно, м2; ¿вв — высота заряда ВВ, м; ¿в—время вылета забойки из скважины, с; тI — момент времени детонации 1-го заряда в скважине, с.

В математической модели влияние границы отражения учитывается за счет одновременного включения действительного и .мнимого зарядов расположенных симметрично относительно границы отражения. При этом величина давления в мнимом заряде принимается с противоположным знаком.

Результирующее напряжение, характерное для ¡цилиндрического заряда, детонирующего с определенной скоростью, определялось по законам суперпозиции напряжений в цилиндрической системе координат. Получены расчетные формулы для следующего тензора напряжений:

На базе построенной математической модели на 3iBM выполнен расчет напряжений и определены значения функции потери сплошности для условий прямого и обратного инициирования. Установлено, что с позиций разупрочнения массива обратное инициирование 'предпочтительнее прямого. Однако в средней относительно цилиндрического заряда горизонтальной 'плоскости, прямое инициирование обеспечивает больший разупрочняющий эффект.

Известно, что взрывное разупрочнение массива горных пород оказывает двойное влияние. С одной стороны, за счет развития ми'кротрещиноватости .пород происходит понижение их .крепости (по ложительный фактор), а с другой стороны — -появление макротрещин в массиве приводит .к заклиниванию шарошечных долот и уменьшению скорости бурения за счет усиления вибрации.

Для ответа на .вопрос о положительном или отрицательном влиянии взрывного разупрочнения .пород на стойкость долот выполнен анализ доступной статистической информации, включающей, общую длину I скважин, пробуренных за ¡прошедший период по месяцам данным типом долот в породах крепостью f, длину 1\ скважин первого ряда, расход шарошечных долот за указанные ¡периоды. На базе статистики, сформированной по результатам .производства БВР на карьере Михайловского ГОКа,построены корреляционные зависимости .между стойкостью долот «С» и относительным количеством скважин первого ряда «/¡/Ь:

при / = 15...17, С = 45,77+70,05 (/,//)—71,0 (/,//) 2; i(10) при / - 18...20, IС = 25,37+48,31 (/,//)—52,52 (/,//) 2. (11)

Таким образом, установлено, что с ростом li/l, что фактически соответствует бурению в зоне взрывного разупрочнения, наблюдается повышение стойкости долот. Коэффициенты .корреляции указанных зависимостей составляют соответственно 0,99 и 0,95, а достоверность вывода о наличии ¡корреляции, вычисленная по статистическим критериям, превышает 99%.

Кроме того, в условиях карьера Михайловского ГОКа накоплен обширный статистический материал по скорости шарошечного бурения и огневого расширения скважин в зависи-

(9)

мбсти от расстояния до кромки уступа. Установлено, что наибольшая скорость образования скважин имеет место на расстоянии 15...25 м от кромки уступа. На меньших расстояниях скорость уменьшается вследствие повышенной .макротрещино-ватости, а на больших—вследствие монолитности массива. В тоже время из анализа зависимостей (10) и (11) следует, что размеры зоны взрывного разупрочнения в железистых кварцитах не превышают 30 м. Этот вывод находится в хорошем соответствии с известными теоретическими и экспериментальными исследованиями процесса распространения взрывных волн в горных породах.

Выполненные исследования послужили основой для разработки нового способа производства буровзрывных работ, предусматривающего предварительное взрывное разупрочнение массива перед базовым циклом буровых и взрывных работ. В (предлагаемом варианте БВР разработку осуществляют в две стадии: на первой стадии бурят и взрывают ряды отбойных окважин, перпендикулярных кромке уступа; на второй стадии обуривалот и, взрывают разупрочненный массив. Ожидаемая экономическая эффективность основана на предварительном разупрочнении и осушении .массива, что при производстве БВР по базовому циклу обеспечивает повышение стойкости долот, производительности бурения и экономию водоустойчивых ВВ.

В работе представлены исследования процесса осушения массива при .мгновенном образовании двух вертикальных свободных поверхностей в массиве. В основу анализа положено уравнение нестационарной фильтрации:

(12)

Ы дх2

где Л = к (х, () —уровень депрессионной кривой, м;

а—уровнепроводность, а — К Но/т, м2/с;

К —коэффициент фильтрации, м/с;

Я о—уровень водьг относительно водоу.пора, м; т — водоотдача, м3/м3; {—'Время, с.

Осушение .массива, имеющего в начальный момент времени уровень воды Н0, в котором мгновенно образованы две протяженные параллельные вертикальные свободные поверхности, от которых достаточно быстро отводится вся вода, описывается выражением:

, при /7о>0,3, (13)

где/^о—критерий Фурье,/'.о = й^/62;

6 —половина расстояния между вертикальными поверхностями, 1М;

Э — относительный уровень депрессионной кривой.

Анализ выражения (13) свидетельствует о том, что при осушении породных массивов в условиях Михайловского ГОКа (высота уступа 15 м) практически через сутки происходит значительное понижение уровня депрессионной .кривой в массиве шириной 40...60 !м.

Следовательно, можно утверждать, что разработанный способ обеспечивает достижение второй важной цели, а именно— резкое понижение уровня воды в отбойных скважинах перед ил заряжанием ВВ. Это открывает возможность широкого применения более дешевых .неводоустойчивых ВВ при производстве взрывов.

Разработанный способ БВР апробирован в производственных условиях Михайловского ГОКа. Методикой экспериментов предусматривалось определение 'влияния последовательности взрывания соседних блоков с целью разупрочнения экспериментального блока. Фиксировались показатели стойкости шарошечных долот и уровень воды в отбойных скважинах перед заряжением ВВ.

Установлено, что порядок взрывания соседних блоков (одновременное или разновременное взрывание) не оказывает существенного влияния на стойкость шарошечных долот. Результаты обработки статистического материала позволяют утверждать, чтб на. экспериментальных блоках произошло увеличение стойкости шарошечных долот на 27% при доверительном интервале ±11% и доверительной вероятности 0,95.

Результаты бурения в зоне взрывного разупрочнения и за ее пределами позволяют утверждать о повышении окорости бурения лримерно на 20% с достоверностью вывода 90%.

Проведен также производственный эксперимент с одновременным взрывом двух рядов скважин, перпендикулярных кромке уступа. Анализировался уровень обводненности массива на экспериментальном и контрольном блоках. Зафиксировано понижение уровня воды в отбойных скважинах ? зоне разупрочнения более чем в 10 раз. Анализ эффективности огневого .расширения скважин в зоне разупрочнения свидетельствует о понижении диаметра котловых полостей на 1,8%. Однако этот отрицательный фактор вполне компенсируется выигрышем за, счет понижения крепости .пород.

На основе выполненных исследований сделан сравнительный анализ базового и предлагаемого вариантов БВР. В таблице указаны прогнозируемые производительности бурения и расширения скважин с учетом микро- и макротрещиновато-сти в сравниваемых вариантах.

Технические показатели вариантов Базовыи Предлагаемый

в породах крепостью вариант вариант

! = 15—17 БВР БВР

Чистая скорость шарошечного буре-

ния в монолите, м/ч 14,75 17,03

Сменная производительность шаро-

шечных станков:

скважин в смену Ц7 5^6

в процентах по отношению друг

к другу 100 119

Чистая объемная скорость огневого

расширения скважин, м3/ч 3,05 2,47

Сменная производительность расши-

рения скважин, в процентах по от- 100 96

ношению друг к другу

Количество скважин с уровнем воды

более 2 м

в процентах 53,6 3,6

Стойкость шарошечных долот, м 48,8 75

в процентах по отношению друг

к другу 100 127

Выполнен расчет экономической эффективности от приме-

нения нового технологического варианта на Михайловском ГОКе. Ожидаемый экономический эффект в ценах 1990 г. в расчете на 1 млн. ,м3 взорванной горной массы составляет 121 тыс. руб., в том числе — 54 тыс. руб. за счет экономии: шарошечных долот и повышения производительности буровых работ и 67 тыс. руб. за счет уменьшения расхода дорогостоящих водоустойчивых ВВ на основе тротила. В пересчете на цены 1992 т. следует ожидать увеличение экономического эффекта в 5—10 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессов взрывного разупрочнения горных пород и. фильтраци воды в массиве, на основе ■которых решена актуальная научно-техническая задача разработки экономичной технологии производства буровзрывных работ на карьерах.

Основные научные и практические результаты работы:

1. Разработана математическая модель процесса разупрочнения горных пород под действием динамических напряжений, вызванных взрывом в полупространстве цилиндрического заряда ВВ.

2. Исследованы закономерности .процесса осушения массива .при образовании одной или двух вертикальных поверхностей. Выполнены расчеты водопонижения применительно к технологическим вариантам производства БВР на карьере.

3. Разработан способ производства БВР, обеспечивающий предварительное взрывное разупрочнение и осушение массива горных пород.

4. Установлены закономерности влияния степени разупрочнения массива .взрывной волной на стойкость шарошечных долот.

5. В производственных условиях Михайловского ГОКа апробирована новая технология БВР и определены ее рациональные .параметры.

6. Выполнен технико-экономический анализ технологии БВР с предварительным разупрочнением и осушением массива. Экономический эффект от применения технологии достигается за счет повышения производительности буровых работ на 10%, повышения стойкости шарошечных долот на 27% и уменьшения расхода водоустойчивых ВВ в 4—5 раз.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гончаров С. А., Каркашадзе Г. Г., Коломоец В. В. Напряженное состояние от взрыва скважинных зарядов в полуограниченном '.пространстве. Физико-технические проблемы горного производства. Сб. научных трудов—М.: МГИ, 1990, с. 50—55.

2. Гончаров С. А., Каркашадзе Г. Г., Коломоец В. В. Методика определения степени разупрочнения массива при взрыве цилиндрических зарядов.— Известия высших учебных заведений. Горный журнал, № 8, 1990, с. 54—57.

3. Коломоец В. В., Мочалов В. И., Клейн А И. и др. Анализ влияния степени, взрывного разупрочнения ¡массива на стойкость шарошечных долот.—'Черная металлургия. Бюллетень научно-технической информации, выпуск 8 (1108), 1991, с. 24—26.

4. Дмитриев А. П., Мочалов В. И., Коломоец В. В. и др.

Технология формирования котловых полостей взрывных «ква-жин огневыми станками СБШ-250 МНР.— Горный журнал, № 5, 1986, с. 33—34.

5. Дмитриев А. П., Гончаров С. А., Мочалов В. И., Коломоец В. В. и др. Шарошечное бурение и термическое расширение скважин на .карьерах.— Горный журнал, № 5, 1984, с. 35—37.