CC BY
49
I. ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОМЕХАНИКА INDUSTRIAL SAFETY AND GEOMECHANICS
9
Ю.А. Масаев
действительный член Академии Горных наук РФ, канд. техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «КузГТУ»
В.Ю. Масаев
канд. техн. наук, доцент кафедры экономики и управления на предприятии Кемеровского института (филиал) ФГБОУ ВПО «РЭУ им. Г. В. Плеханова»
тш
Н.В. Мильбергер
аспирантка ФГБОУ ВПО «КузГТУ»
УДК 622.235.535.2
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ СХЕМ ВРУБОВ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Рассмотрены условия формирования врубовых полостей при взрыве зарядов ВВ в призматических и клиновых врубах. Разработаны новые схемы врубов для различных горнотехнических условий.
Ключевые слова: ЗАРЯД ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА, ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА, ВОЛНА НАПРЯЖЕНИЯ, КОМБИНИРОВАННЫЙ ВРУБ
Кузбасс относится к числу наиболее развитых регионов нашей страны, и основу его развития обеспечивает горнодобывающая отрасль промышленности. Кузнецкий бассейн богат не только залежами высококачественных углей, здесь добываются также железные, медные, цинковые и другие руды.
Условия формирования горных пород на железорудных месторождениях коренным образом отличаются от угольных месторождений. В этих условиях горные породы, как правило, являются крепкими, упругими, вязкими, что в значительной степени затрудняет их отбойку. Но главной проблемой является то, что в таких породных массивах зачастую наблюдается наличие напряженных зон, особенно с увеличением
глубины их залегания. Результатом данного явления служит появление различных геодинамических процессов. Такие процессы наблюдаются и при разработке угольных месторождений.
При строительстве и эксплуатации угольных и рудных шахт отбойка горных пород производится с применением взрывных работ, эффективность которых зависит от целого ряда факторов.
Исследования эффективности и состояния взрывных работ позволили выявить целый ряд отрицательных факторов, влияющих на конечные результаты взрыва как с точки зрения расчетных параметров, так и технологичности выполнения работ.
Качество взрыва комплекта шпуровых за-
14
рядов взрывчатых веществ (ВВ) во многом предопределяется эффективностью работы врубовых шпуров, поэтому особое внимание должно уделяться выбору и разработке оптимальных схем врубовых шпуров, оцениваемых по следующим параметрам:
- объем обуренной врубовой полости;
- удельная энергия вруба - количество энергии ВВ, приходящейся на единицу полного объема вруба;
- активный объем вруба - объем горной массы во врубе, оконтуренной той частью шпуров, где размещены заряды ВВ;
- удельная энергия зарядов ВВ, приходящаяся на единицу активной части вруба;
- коэффициент заполнения вруба, равный отношению активной части к полному объему вруба.
Для решения проблемы качественного разрушения породного массива необходимо правильно выбирать взрывчатые вещества с учетом способности горной породы разрушаться под воздействием взрыва и для этого необходимо предварительно оценивать состояние породного массива впереди забоя проводимой выработки. К сожалению, в практике производства взрывных работ при сооружении капитальных и подготовительных горных выработок чаще всего схему вруба принимают исходя из удобства бурения шпуров и размера поперечного сечения горной выработки.
Авторами статьи были проведены лабораторные и производственные исследования призматических и клиновых врубов с целью изучения механизма формирования врубовой полости.
В лабораторных условиях исследования проводились на моделях из органического стекла толщиной 10, 20 и 40 мм в прямом и поляризованном свете. Глубина шпуров составила 70 мм, диаметр - 3 мм. В качестве зарядов ВВ применялся ТЭН с насыпной плотностью 0,5-0,6 г/ см3.
Съемка процессов производилась сверхскоростной фоторегистрирующей установкой СФР-1. При исследовании призматических врубов расстояние между шпурами на моделях составляло 26 мм, длина заряда ВВ - 40 мм, а остальная часть шпуров оставалась свободной. Инициирование зарядов ВВ было прямым. На кадрах съемки наблюдалось начало процесса детонации, движение фронта волны напряжения и расширение газового пузыря в процессе разрушения модели.
У данных схем врубов был отмечен су-
щественный недостаток: зона между устьями шпуров у плоскости обнажения не охватывается действием газового пузыря, а разрушается лишь за счет откольных явлений от действия отраженной волны напряжения, и за счет этого происходит образование крупных фракций. Образованная врубовая полость имела неправильную форму, расширяющуюся в глубине массива и зауженную к устьям шпуров, выброс разрушенной массы при этом был затруднен.
Лучшие условия формирования врубовой полости достигаются, когда в центре призматического вруба пробурен короткий шпур (0,5 в) и заряжен на всю длину. Взрывание всех врубовых зарядов ВВ производится одновременно, наличие центрального короткого шпура обеспечивает формирование системы трещин в устьевой незаряженной части основных врубовых шпуров, и их совместное развитие обеспечивает более эффективную проработку врубовой полости и выброс разрушенной породы.
При взрывании клиновых врубов имеются те же недостатки, что и в призматических. В клиновых врубах расстояние между устьями шпуров значительно больше, чем в призматических, и проработка этой части менее эффективна, особенно в породах повышенной крепости. Более эффективное формирование врубовой полости происходит, когда шпуры клинового вруба заполнены взрывчатым веществом на всю глубину. В этом случае (при прямом инициировании зарядов ВВ) развитие газовых пузырей начинается от устьев шпуров, причем, их боковые поверхности внутри вруба параллельны друг другу и в процессе детонации зарядов ВВ происходит сближение по всей длине шпуров. Соединяясь между собой, газовые пузыри заполняют весь объем формируемой врубовой полости, что способствует качественному разрушению и выбросу разрушенной среды. Но в угольных шахтах шпуры никогда не заполняют зарядами ВВ на всю их длину и в этом случае проработка устьевой части врубовой полости происходит еще хуже, чем в призматических врубах. Более качественное формирование врубовой полости происходит в комбинированных врубах с укороченными шпурами в устьевой части вруба.
Для изучения качественной стороны процесса разрушения и оценки возможных методов управления энергией взрыва врубовых и отбойных шпуров была проведена серия экспериментов по изучению характера протекания взрывного процесса при расположении удлиненных зарядов ВВ параллельно обнаженной поверхности и под различными углами наклона.
Эксперименты проводились на моделях из оргстекла размерами 100x100x32 мм, в которых разделывались полости по форме призматических и клиновых врубов на различных расстояниях, от которых просверливались шпуры длиной 70 мм, диаметром 3 мм, весом заряда ВВ - 125 мг. Съемка осуществлялась сверхскоростным фоторегистром со скоростью 1,375 млн. кадров в секунду. Величина линии наименьшего сопротивления составляла 6, 10 и 16 мм.
При взаимодействии с призматической полостью время достижения газовым пузырем обнаженной поверхности составило 8, 16 и 26 мкс, когда детонация заряда ВВ еще не была завершена, а разрушение перемычки происходило через 22,0; 25,2 и 35-40 мкс.
В донной части шпуров разрушения начинались с отставанием в зависимости от длины заряда ВВ и проработка была некачественная. Скорость смещения среды составила 120; 112 и 163 м/с.
При взаимодействии удлиненных зарядов ВВ с клиновой полостью газовый пузырь достигает обнаженной поверхности со стороны устья шпура также значительно раньше завершения детонации заряда ВВ и скорость смещения среды со стороны устья шпура значительно выше, чем в глубине врубовой щели (табл. 1). В этом случае сдвижение перемычки в глубине массива происходит при увеличении линии наименьшего сопротивления (ЛНС) и сниженном давлении газообразных ПВ, что не обеспечивает качественного разрушения среды.
На основе проведенных производственных и лабораторных исследований основными направлениями разработки новых схем врубов, обеспечивающих качественное формирование врубовой полости, были приняты следующие:
1. Наилучшие результаты взрыва способны обеспечить комбинированные врубы.
2. Проектирование комбинированных врубов должно быть основано на взаимодействии волн напряжения с вновь образованной поверхностью обнажения.
3. Конструкция вруба должна обеспечивать создание зоны предразрушения (микро-нарушенности) после взрыва первой серии зарядов ВВ для облегчения работы последующих серий.
Из большого разнообразия применяемых на практике комбинированных врубов ни в одном из них не приводится обоснованности порядка расположения и взрывания зарядов ВВ в системе вруба. При этом не учитывается такой важный фактор, как взаимодействие волн напряжения с вновь образованной поверхностью в системе вруба. На этой основе нами был разработан комбинированный вруб с разнонаправленным инициированием зарядов ВВ [1].
Вруб состоит из внутреннего клинового вруба, в котором применяется прямое инициирование зарядов ВВ, и внешнего призматического вруба, инициирование зарядов - обратное. Первой серией взрываются заряды ВВ во внутреннем клиновом врубе, а последующей серией, через интервал, зависящий от свойств породного массива, взрываются заряды ВВ внешнего призматического вруба.
На рисунке 1 показан характер взаимодействия волн напряжения при взрыве зарядов ВВ внешнего призматического вруба с обнаженной поверхностью, образованной после взрыва внутреннего клинового вруба при прямом инициировании (рис. 1 А), как это применяется в существующих врубах, и при обратном инициировании (рис. 1 Б) зарядов ВВ внешнего призматического
Таблица 1 - Временные параметры процесса разрушения межшпуровой породной зоны
Наименование параметров Единица измерения Величина
Угол наклона плоскости обнажения град. 70-80 70-80 70-80
Расстояние устья шпура от устья врубовой полости мм 6 10 16
Линия наименьшего сопротивления зарядов ВВ мм 13-23 17-25 22-23
Время достижения полем разрушения поверхности обнажения в направлении ЛНС мкс 19-37 21-54 37-65
Скорость разрушения в пределах ЛНС м/с 630-540 580-520 57-51
Скорость смещения среды за пределами обнаженной поверхности м/с 107-85 95-77 88-60
вруба в рекомендуемом нами комбинированном врубе.
На первом кадре рисунка 1А показано положение фронта волны напряжения через 20 мкс после начала детонации заряда ВВ. Через 28 мкс волна напряжения уже достигла обнаженной поверхности (кадр 2), указывая на образование в этой части первичных трещин, через которые газообразные продукты взрыва найдут преждевременный выход из зарядной полости, не совершая работы по разрушению породы. На рисунке 1Б время первого кадра составляет 10 мкс и видно, что фронт волны напряжения движется параллельно обнаженной поверхности. Через 32 мкс (кадр 2) фронт волны напряжения приближается к обнаженной поверхности по всей ее длине одновременно, а через 48 мкс (кадр 3) волна напряжения охватывает всю обнаженную поверхность. Формирующиеся отраженные волны взаимодействуют с прямыми волнами напряжения. В этом случае происходит формирование густой системы трещин одновременно по всей поверхности обнажения первичной врубовой полости, и за счет этого обеспечи-
вается качественное конечное формирование основной врубовой полости и выброс разрушенной породной массы. При прямом инициировании (рис. 1 А) через 48 мкс (кадр 3) фронт волны напряжения охватывает лишь часть обнаженной поверхности, порода в глубине массива за счет преждевременного выхода газообразных продуктов взрыва не разрушается, и формирование полноценной врубовой полости не происходит.
Разработанный комбинированный вруб с разнонаправленным инициированием зарядов ВВ обеспечивает хорошие результаты при проведении горных выработок в породах средней крепости.
При взрывании горных пород с коэффициентом крепости по шкале профессора М. М. Про-тодьяконова / = 10-14 и более клиновые врубы не обеспечивают полноценного формирования врубовой полости.
Для таких условий был разработан двухъярусный вруб [2], состоящий из призматического внешнего яруса и щелевого вруба внутреннего яруса (рис. 2).
В составе щелевого вруба имеются две
А Б
Рисунок 1 - Взаимодеиствие волн напряжения с оонаженнои поверхностью внутреннего клинового вруба: А -при прямом инициировании; Б - при обратном инициировании
Рисунок 2 - Расположение шпуров в двухъярусном врубе и созданная врубовая полость после взрыва зарядов
ВВ
пары сдвоенных незаряжаемых шпуров, длина которых равна проектной длине основных шпуров, расположенных на одной горизонтальной линии. Незаряжаемые шпуры выполняют функцию компенсационного пространства и дополнительной обнаженной поверхности в системе вруба. При взрыве первой серии щелевого вруба внутреннего яруса за счет формирования системы отраженных волн в области незаряжаемых шпуров образуется зона предразрушения в виде густой сети радиальных и концентрических трещин, что значительно облегчает разрушение породы при взрыве второй серии зарядов призматического вруба внешнего яруса и обеспечивает формирование врубовой полости на проектную глубину.
Практическое применение такого вруба обеспечивало получение коэффициента использования шпуров 0,95-1,0.
Для сооружения горных выработок в породах, подверженных геодинамическим проявлениям, разработан и рекомендован вруб, состоящий из шести шпуров, в центре которых пробурена передовая скважина диаметром 125150 мм [3]. В скважине, на глубине, соответствующей концам врубовых шпуров, располагается заряд ВВ, взрывание которого производится
первой серией и его назначение состоит в том, чтобы создать условия перераспределения напряжений впереди забоя горной выработки и снизить опасность геодинамических проявлений. Одновременно, в породном массиве формируется зона трещиноватости, за счет которой повышается эффект взрыва врубовых шпуров и формирования врубовой полости.
Для проведения горных выработок глубокими заходками разработан комбинированный призматический вруб, обеспечивающий подвига-ние забоя выработки на 4,5-5,0 м за один взрыв [4].
Вруб состоит из 8 шпуров, в зарядах которых применено разнонаправленное инициирование, за счет которого и обеспечивается эффективное формирование врубовой полости увеличенной глубины.
Применение такого вруба в выработках сечением 7,5-8 м2, проводимых по породам с / = 10-12, обеспечивало эффективное формирование врубовой полости и отбойку породы взрывом основного комплекта шпуровых зарядов ВВ.
Внедрение разработанных схем врубов позволит решить проблемы сооружения горных выработок в различных горногеологических условиях.
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF NEW CUT-IN SCHEMES FOR MINE OPENING CONSTRUCTION
Masaev Y.A., Masaev V.Y., Milberger N.V.
Formation conditions of cut-in openings during explosive charges blasting in prismatic and wedge cut-ins are reviewed. New cut-in schemes are developed for different mining-technical conditions.
Key words: EXPLOSIVE CHARGE, MINE OPENING, STRESS WAVE, COMBINED CUT-IN
Масаев Юрий Алексеевич e-mail: recess@bk.ru
Масаев Владислав Юрьевич e-mail: recess@bk.ru
Мильбергер Наталья Владимировна
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. 89689 РФ, МПК F42D3/04. Комбинированный вруб / Масаев Ю. А., Масаев В. Ю., Мильбергер Н. В.; заявитель и патентообладатель Кузбасс. гос. техн. ун-т. - № 2009129018/22 ; заявл. 27.07.2009 ; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 34. - 4 с.
2. Пат. 110833. РФ, МПК F 42 D 3/04 (2006.01). Двухярусный вруб / Масаев Ю. А., Карасев В. А., Сельков А. Я., Масаев В. Ю.; заявитель и патентообладатель Кузбасс. гос. техн. ун-т. - № 2011128745/03; заявл. 11.07.2011; опубл. 27.11.2011. Бюл. № 33.
3. Пат. 122476. РФ, МПК F 42 D 1/08 (2006.01). Вруб для разрушения крепких пород / Масаев Ю. А., Копытов А. И., Масаев В. Ю., Лебедев А. А.; заявитель и патентообладатель Кузбасс. гос. техн. ун-т. - № 2012124493/03; заявл. 13.06.2012; опубл. 27.11.2012. Бюл. № 33.
4. Пат. 146195 РФ, Комбинированный призматический вруб / Масаев Ю. А., Стафеев А.А.; заявитель и патентообладатель Кузбасс. гос. техн. ун-т. - № 2014109190/03, заявл. 11.03.14, опубл. 10.10.14. Бюл.№28.
