автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Влияние обводненности трещиноватых массивов на их взрываемость

На правах рукописи

ГАЛИЗИН ДМИТРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

УДК 622.235.5

ВЛИЯНИЕ ОБВОДНЕННОСТИ ТРЕЩИНОВАТЫХ МАССИВОВ НА ИХ ВЗРЫВАЕМОСТЬ

Специальность 05.15.11 "Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ докт. техн .наук проф. Кутузов Б.Н.

Официальные оппоненты: докт. техн .наук проф. Комащенко В.И., канд. техн .наук Граур М.И. Ведущее предприятие - трест "ТРАСВЗРЫВПРОМ"

Защита диссертации состоится "19" июня 1997 г.

в 14 час. на заседании диссертационного совета К-053.12.05 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935,В-49, Москва, Ленинский пр-т 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

МГГУ.

Автореферат разослан " 19" мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн .наук проф. Крюков Г.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время на карьерах стройматериалов добываются сотни миллионов метров кубических в год полезного ископаемого для производства щебня и цемента с предварительным рыхлением взрывным способом.

В ближайшем будущем объемы добычи строительных материалов не уменьшатся и будут проводиться на более глубоких горизонтах с увеличенной естественной обводненностью.

Карьеры стройматериалов, как правило, имеют небольшие объемы добычи, и применение дорогостоющего оборудования и инфраструктуры для осушения таких месторождений не экономично. Поэтому приходится проводить буровзрывные работы на этих карьерах в обводненных условиях. Массивы на этих карьерах относятся к И-\/категориям по трещиноватости, асами трещины в них могут быть заполнены разрушенной породой, воздухом, водой, что при прочих равных условиях меняетхарак-теристики сопротивляемости массива действию взрывной нагрузки. Наибольшее различие во взрываемости массивов имеет место при полном заполнении трещин водой.

На практике этот факт отчетливо наблюдается во время сезонных осадков, когда обычно сухие массивы оказываются полностью обводненными.

Однако до настоящего времени не существует рекомендаций или нормативных документов, дающих количественную оценку изменения взрываемости массива в зависимости от его обводненности.

Поэтомуустановление зависимости взрываемости массивов от их обводненности на карьерах строительных материалов является актуальной научной задачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в установлении закономерностей, характеризующих изменение взрываемости массивов горных пород различной степени обводненности, для разработки критериев, позволяющих определять параметры взрывных работ, обеспечивающих эффективную взрывную отбойку пород на карьерах стройматериалов.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в установлении зависимости акустического показателя трещиноватости массива от степени его обводненности для разработки критериев, характеризую-

щих взрываемость массивов на карьерах строительных материалов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Обобщение и анализ теоретических и экспериментальных исследований, выполненных ранее, и опыта ведения буровзрывных работ; лабораторные и промышленные эксперименты.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И НОВИЗНА

Сопротивляемость взрывному разрушению горного массива зависит от обводненности последнего и увеличивается при полностью обводненном массиве на 10-20 % по сравнению с сухим, так как его физико-технические характеристики и некоторые механизмы деформирования и разрушения пород в обводненном состоянии отличаюется от соответствующих характеристик и механизмов разрушения пород в сухом состоянии.

При насыщении трещиноватых массивов горных пород водой скорость распространения в них продольных волн увеличивается по линейному закону пропорционально высоте столба воды, что интерпретируется как условное изменение трещино-ватости массива с соответствующим изменением сопротивляемости его взрывному разрушению.

Различие механизма деформирования и процесса разрушения сухих и обводненных массивов заключается в следующем: в сухом трещиноватом массиве разрушение преимущественно происходит за счет соударения, а в обводненном - за счет волн напряжения.

Предложена величина Ср-скорость продольных волн как критерий, позволяющий оценивать изменение сопротивляемости массивов взрывному разрушению в зависимости от степени обводненности пород.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей изменения взрываемости трещиноватых горных пород различной степени обводненности.

Практическое значение работы заключается в разработке методики определения взрываемости трещиноватых обводненных массивов, позволяющей уменьшить выход негабарита, ликвидировать завышение подошвы уступа и снизить себестоимость БВР.

Реализация результатов:

Рекомендации по расчету параметров взрывных работ в об-

2

водненных массивах внедрены на карьерах строительных материалов Горнозаводского карьера известняков и Круторожин-ского карьера габбро-диабазов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:

-достаточной сходимостью результатов теоретических и лабораторных исследований с результатами промышленных взрывов трещиноватых массивов с различной степенью обводненностью;

-положительными технико-экономическими показателями применения разработанной методики определения взрывае-мости трещиноватых обводненных массивов на Круторожинс-ком карьере габбро-диабазов и Горнозаводском карьере известняка.

Апробация работы. Основное содержание, отдельные положения были доложены и получили одобрение на научных конференциях в МГИ и научных симпозиумах в МГГУ "Неделя горняка — 97", на научно-техническом совете треста "СОЮЗВЗ-РЫВПРОМ", технических советах Горнозаводского карьера известняка и Круторожинского гранитного карьера.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликованы 4 научные работы, материалы исследований отражены в 2 научных отчетах МГГУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 107 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы, 17 рисунков, список литературы из 59 наименований.

Основное содержание работы

Эффективное разрушение горных пород взрывом возможно лишь при наличии информации о физико-технических характеристиках пород и массивов, определяющих их взрываемость. Как показывает опыт, взрываемость массива горных пород зависит от прочности, вязкости, плотности породы и трещинова-тости массива. Существенное влияние трещиноватости массива на степень дробления горной массы отмечалось давно и

многими исследователями.

В разное время трещиноватость массива как основную характеристику объекта разрушения изучали А.Ф. Суханов, Л.И. Барон, Г.П. Демидюк, Б.Н. Кутузов, Ф.И. Кучерявый, В.К. Рубцов и многие другие.

Известно, что наиболее существенно влияют на эффективность взрывания массива горных пород трещины третьего порядка.

Эти трещины могут быть заполнены разрушенной породой, воздухом, водой, что при прочих равных условиях может резко изменить характеристики сопротивляемости массива действию взрывной нагрузки. В наибольшей степени характеристики массива изменяются при заполнении трещин водой, то есть взрываемость сухого и обводненного массива различна .

На практике этот факт наиболее отчетливо проявляется во время сезонных осадков, когда обычно сухие массивы оказываются полностью заполненными водой.

Однако до настоящего времени не существует каких-либо рекомендаций или нормативных документов, дающих количественную оценку изменения взрываемости массива в зависимости от его обводненности.

В качестве критерия взрываемости наибольшее распространение получил удельный расход ВВ.

В работах Кутузова Б.Н., Рубцова В.К. и других расчетный удельный расход ВВ представлен как функция среднего диаметра отдельности с1ср, крепости породы 1 и требований к кондиционному куску

Эта зависимость дает возможность классифицировать массивы потрещиноватости и взрываемости например, по классификации Междуведомственной комиссии по взрывному делу (МВК по ВД) или десяти категорийную шкалу Минцветмета (Кутузов Б.Н., Плужников В.Ф.)

С другой стороны, трещиноватость массива можно оценивать акустическим показателемтрещиноватости (Ржевский В.В., Якобашвили О.П.)

где См- скорость продольных волн в массиве;

С0- скорость продольных волн в отдельности.

Очевидно, что Ссух< С",6 а значит Асух<Аобв, то есть можно

говорить о некоторой "условной" трещиноватости, связанной с А.

Значение скоростей продольных волн можно получить непосредственным измерением, но в производственных условиях выполнить это практически невозможно из-за отсутствия соответствующей измерительной аппаратуры и специалистов. Но так как прочностные и упругие характеристики породы взаимосвязаны, то, зная предел прочности породы на сжатие стсж или коэффициент крепости породы по шкале проф. М.М. Про-тодьяконова можно определить скорость продольных волн в образце Со:

где - асжпредел прочности породы на сжатие, МПа. 1- коэффициент крепости породы по шкале проф.М.М. Про-тодьяконова.

Скорость продольных волн в массиве в свою очередь определяется из следующего выражения:

В обводненном массиве скорость продольных волн выше, чем в сухом, при прочих равных условиях, так как увеличивается скорость продольных волн в обводненном заполнителе тре-

С0

( \\ <зсж

- 5 км/с,

I 4,5 )

или

Ср - С0 ■А2 .

щин. Чтобы определить скорость продольных волн в обводненных массивах различной степени трещиноватости и с разным материалом заполнителя трещин, применим уравнение среднего времени М. Вилли:

1 _ Кп | 1 -Кп

С С С

^ р ^ 3 ^ о

где Ср - скорость продольных волн в массиве;

Со - скорость продольных волн в образце;

Сз - эффективная скорость продольных волн в заполнителе трещин;

Кп - величина трещинной пустотности.

В этом уравнении остается неизвестной величина Кп трещинной пустотности, чтобы ее определить, воспользуемся рекомендациями Гидропроекта.

Как показано в работах Гидропроекта, величины трещинной пустотности, определенные прямыми геотехническими методами и вычисленные по уравнению среднего времени, практически совпадают. Поэтому, зная для сухого массива значения Ср и Со, можно определить величину трещинной пустотности Кп сухого массива, значение которой понадобится при вычислении скорости продольных волн в обводненноммассиве (рис. 1)

К

п С С -С •

^ р ^ О 3

В работах Гидропроекта представлены экспериментально установленные значения скоростей продольных волн в твердой фазе ( то есть не трещиноватом образце) и в материале - заполнителе трещин для различных горных пород. Эти данные представлены в табл.1.

В обводненных массивах трещины заполняются водой и скорость продольных волн в материале - заполнителе трещин достигает значений Сз = 1500 м/с., и практически не зависит от состава материала заполнителя трещин.

Таким образом, оценив трещинную пустотность сухого массива и зная эффективную скорость продольных волн в обводненном заполнителе трещин, можно определить скорость про-

Таблица 1.

Породы Скорость в твердой фазе (образце) Со, м/с Скорость в заполнителе Сз, м/с

Магматические Габро, габро-долериты, амфиболиты 6500 360

Граниты,долериты, диабазы,диориты 6000-6500 550

Базальты 6000-6200 500-600

Метаморфические Сланцы и гнейсы 6000 500

Осадочные Известняки 5500 500

Песчаники 5500 500

Алевролиты,оргилиты 4800 650

Рис. 1. График зависимости между трещинной пустотностью (Кп) и скоростью продольных волн в массиве карбонатных пород

I-V - категория трещиноватости массива

дольных волн в обводненном массиве Ср.

Известен способ оценки взрываемости массива методом воронкообразования, по взрыву нормального выброса.

Существует также методика расчета удельного расхода ВВ заряда нормального выброса, разработанная Тарасенко В.П..

Здесь удельный расход ВВ представлен как функция

Теперь можно установить Кв от упругих характеристик массива. При прочих равных условиях изменение Кв будет пропорционально квадратному корню отношения скоростей продольных волн в обводненном и сухом массиве

К°б=Ксеу-

об\

С_Р_

гс У р у

2

Также определяется акустический показатель "условной" тре-щиноватости"обводненного массива. Фактическая трещинова-тость массива (то есть средний диаметр естественной отдельности в массиве) не изменилась при водонасыщении массива, поэтому ввели термин "условная" трещиноватость. Но, с другой стороны, очевидно изменились упругие характеристики массива, что дает возможность условно перевести обводненный массив в другую категорию трещиноватости.

Измерения скорости продольных волн в массиве с различной степенью обводненности (рис.2) позволили рассчитать, какой степени трещиноватости соответствует конкретная скорость продольных волн в одном и том же массиве с неизменным фактическим расстоянием между трещинами. На графике (рис.3) представлена зависимость изменения «условной» трещиноватости различных массивов от степени их обводненности. Здесь с1у - условный размер средней отдельности в массиве, Нв\Ну -отношение высоты столба воды в высоте уступа. Как видно из графика, обводненные массивы можно отнести к более крупноблочным по сравнению с теми же самыми, но сухими массивами.

В соответствии с изменением «условной», так же, как и при изменении фактической трещиноватости массива, изменя-

ется и его взрываемооть, как видно из графика (рис.4), зависимости изменения взрываемости массивов различной степени обводненности, сопротивляемость последних взрывному разрушению возрастает с увеличением обводненности. Здесь в качестве критерия взрываемости принят указываемый нами ранее удельный расход ВВ заряда нормального выброса.

Также эту поправку на обводненность можно ввести в зависимость, предложенную проф. Кутузовым Б.Н., по которой определяется расчетный удельный расход ВВ скважинных зарядов рыхления.

Физический смысл установленной нами зависимости изменения взрываемости массива горных пород при различной степени его обводненности заключается в следующем.

При переходе взрывных волн через трещины из одной отдельности в другую амплитуда волны снижается, снижаются также напряжения и энергия этих волн (рис. 5)

Трещины могут быть заполнены сыпучими материалами, жидкостями, газами.

Ширина раскрытия трещин в естественном состоянии может составлять 10 - 15 мм и более. Как правило, контакт двух от-дельностей по вертикальной трещине не превышает 0,5% от всей площади раскола кусков на две отдельности. При падении взрывной волны под прямым углом к плоскости трещины происходит практически полное отражение взрывной волны. При этом знаки напряжений меняются на противоположные.

Следовательно, падающая волна сжатия, амплитуда напряжения в которой а меньше предела прочности породы на сжатие стсж, но больше предела прочности породы на растяжение ар, вызывать разрушение в породе не будет (стсж>а >ар).

Но этаже волна, отразившись оттрещины, вызовет откол куска породы от отдельности, поскольку амплитуда в отраженной волне растяжения будет больше предела прочности породы на растяжение.

Если трещина заполнена сыпучими материалами и водой, то амплитуда отраженной волны может быть существенно мень-

q = (0,77• 10~8 • стс ж+ 0,345НО,6 + 3,3-Ю_3 -й3 -с}

А

Рис 2. Влияние обводненности массива горных пород на величину акустического показателя трещинова-тости.

1 - габбро-диабаз стсж = 160 МПа, с10 = 1,25 м

2- габбро-диабаз стсж = 105 МПа, с!0 = 0,6 м

3- известняк асж =90 МПа, с10 = 0,65 м

4-известняк асж=75 МПа, с10= 0,45 м

У.Т

2,0 -

1,6 -

1,2 -

0,8

0,4 -

.2 ■ 3 Ч

1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-Г Нв/Ну

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ^

Рис 3. Зависимость величины "условной" трещино-ватости массива горных пород от его обводненности

1- 2 габбро-диабаз 3 -4 известняк

кв

Рис 4. Влияние обводненности массива горных пород на величину акустического показателя трещиновато сти.

1 - габбро-диабаз стсж = 160МПа, АСУХ = 0,5

2-габбро-диабаз стсж = 105МПа, Асух=0,28

3- известняк асж =90 МПа, Асух= 0,3

4- известняк о =75 МПа, А = 0,23

Рис. 5. Характер изменеия напряжения во взрывной волне

1 - монолитная среда, 2 - в трещиноватых породах, 3 - в трещиноватых породах с заполнителем трещин.

ше, несмотря на то, что в падающей волне сжатия напряжение ст было больше предела прочности породы на растяжение ст , поэтому откола может и не быть (рис. 6.)

Можно привести соответствующие оценки по соотношению акустическихжесткостей породы и заполнителя трещин, но важно одно, чем выше акустическая жесткость заполнителя трещин, тем меньше вероятность возникновения откольных явлений в отдельности.

Отсюда следует, что при прочих равных условиях, в обводненном массиве большая, чем в сухом массиве, часть энергии взрывной волны будет уноситься за пределы зоны регулируемого дробления.

Особенно отчетливо это явление должно наблюдаться в крепких скальных породах , где преимущественный вклад в разрушение вносит волна напряжения.

В легковзрываемых сильнотрещиноватых массивах, где большую часть в разрушение вносит газовый фактор, влияние обводненности на взрываемость массива существенно меньше, чем в первом случае, и даже может наблюдаться обратная картина, то есть улучшение степени дробления, так как заполняющая трещины вода герметизирует расширяющиеся газопродукты взрыва и увеличивает эффективность их действия. Физическая картина данного явления подтверждается ниже приведенными расчетами и практическими экспериментами по определению взрываемости массивов горных пород различной степени обводненности.

В лабораторных опытах по определению влияния состава материала заполнителя трещин и его обводненности на степень дробления массива взрывом установлено, что при полном заполнении естественных трещин водой качество дробления ухудшилось по сравнению с сухим массивом.

Так как в этих экспериментах проводились непосредственно измерения скорости продольных волн в сухом и обводненном массивах, то можно рассчитать "условное" изменение акустического показателя трещиноватости.

Расчеты показали, что отношение скорости продольных волн в массиве, где трещины заполнены песком с воздухом, к скорости продольных волн в массиве, где трещины заполнены песком с водой, составляет

Волна сжатия

В

Волна растяжения

- - - 2

~ - - 3

Рис. 6. Отражение треугольной волны сжатия

1 - результирующее напряжение

2 - напряжение в падающей волне

3 - напряжение в отраженной волне

ссух

= 1,25 -е-1,29

с06 р

Таким образом, изменение акустического показателя трещи-новатости составит Аобв/Асух=1,55-1,66 , тогда поправка на удельный расход должна составить

с

к°бв=к:ух-

А-об в

А

V ух)

то есть удельный расход ВВ необходимо увеличивать на 1214%.

Так, на Горнозаводском карьере известняков в период сезонных осадков (весной) вынуждены увеличивать удельный расход ВВ на 20-25%, чтобы получить удовлетворительное дробление.

Расчеты, проведенные по вышеизложенной методике, полностью совпадают с практическими данными.

Так, для пород II категории трещиноватости (А=0,2) удельный расход необходимо увеличить на 25%, а для пород III категории (А=0,3) - на 20%

Сетку скважин необходимо уменьшить соответственно с 7,9 м до 7,1 м и с 7,7 м до 6,8 м.

Аналогичные расчеты выполнены для Круторожинекого карьере габбро (г. Орск). Здесь взрываются массивы с А=0,3 и А-0,5.

При полностью обводненном массиве удельный расход необходимо увеличивать соответственно на 20% и 15%, а сетку скважин уменьшать соответственно с 6,6м. до 5,8м и с 5,5м до 4,9м.

О хорошем совпадении расчетных поправок кудельному расходу ВВ при взрывании обводненных массивов, говорят опытные данные, полученные Кузнецким филиалом НИИОГР. В их работах влияние обводненности пород на качество их взрывного дробления учитывается коэффициентом. Значения этих коэффициентов приведены в табл. 2.

Как видно из таблицы, в породах IV категории по трещиноватости удельный расход рекомендуется увеличивать на 9-15%, а в породах V категории на 10-20%. Таким образом, наблюдается

Таблица 2.

Категория пород по блочности Значение коэффициента, учитывающего обводненность пород при высоте столба воды в скважине

Ь <0,1Н И =(0,1-0,5) Н Ь >0,5Н

I 1 1-0,9 0,9-0,85

II 1 1-1,05 1,04-1,07

III 1 1-1,04 1,07-1,13

IV 1 1-1,09 1,09-1,15

V 1 1-1,1 1,1-1,2

хорошая сходимость с расчетными и практическими данными, полученными на известняковых, диабазовых, угольных карьерах и в лабораторных экспериментах.

Необходимо отметить, что разработанная методика определения взрываемости обводненного массива дает конкретные значения поправочного коэффициента, а не его диапазон изменения, как в таблице НИИОГР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи установления зависимости взрываемости массивов от их обводненности на карьерах строительных материалов, позволяющее разработать методы расчета параметров взрывных работ в обводненных массивах, обеспечивающих заданную степень дробления горных пород.

Исследования, проведенные в работе, позволили сделать следующие основные выводы:

1. Изменение взрываемости массива горных пород, обусловленное влиянием их обводненности и определяемое удельным расходом ВВ заряда нормального выброса или рыхления, пропорционально квадратному корню отношения скоростей продольных волн в обводненном и сухом массиве.

2. Введено новое понятие "условной" трещиноватости для обводненных пород, по которому полностью обводненный массив III категории трещиноватости становится массивом IVкатегории, а массив IV категории - как массив V категории трещиноватости; это обстоятельство обусловлено тем, что с повышением обводненности горных пород увеличивается акустическая жесткость и скорость продольных волн в них за счет увеличения соответствующих характеристик в материале заполнителя трещин.

3. Разработанная методика расчета параметров взрывания при уступной отбойке пород обводненных массивов, основанная на лабораторных и теоретических исследованиях, позволила обеспечить качественное рыхление горной массы путем увеличения удельного расхода ВВ для полностью обводненных массивов на 10-20% по сравнению с сухими. Эти рекомендации полностью подтверждены результатами опытно-промышленных и промышленных взрывных работ на карьерах строительных материалов и угольных разрезах.

4. Установлено, что в обводненном массиве за счет изменения его упругих характеристик изменяется и эффективность применения ВВ, так как увеличивается количество откольных явлений на трещинах, заполненных водой и уменьшается лока-

лизация волн напряжений внутри отдельностей расположенных в непосредственной близости к заряду. Различие в эффективности ВВ достигает 10-20%. Приведена методика расчета эффективности ВВ в зависимости от обводненности массива.

5. Разработанная" Методика определения взрываемости обводненных массивов" была применена на карьерах строительных материалов: Горнозаводского карьера известняка и Круто-рожинского карьера габбро-диабазов. Что позволило уменьшить выход негабарита с 10% до 5% и леквидировать завышение подошвы уступов и снизить себестоимость буро-взрывных работ на 4,8 %.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кутузов Б.Н., Крюков Г.М., Гализин Д.Д. и др. Технология и безопасность взрывных работ.- М.: МГИ, 1990.

2. Думенко В.И., Исмаилов Т.Т., Гализин Д.Д. Лабораторные работы с использованием электроимпульсных зарядов.- М.: МГИ., 1990.

3. Сивенков В.И., Гализин Д.Д. Расчет оптимальных параметров взрывания на Судиловском карьере. Сборник научные труды МГИ. М.:МГИ, 1991.

4. Сивенков В.И., Гализин Д.Д. Влияние обводненности трещиноватых массивов на их взрываемость. Сборник научные труды МГГУ. М.: Издательство МГГУ 1997.