CC BY
146
© Ю.И. Виноградов, C.B. Хохлов, 2015
УДК 622.235
Ю.И. Виноградов, С.В. Хохлов
МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ НА ЗАДАННЫЙ ГРАНУДОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВЗОРВАННОЙ ГОРНОЙ МАССЫ
На основе многолетних исследований получены инварианты процесса дробления массива горных пород энергией взрыва, которые позволили создать методику расчета параметров буровзрывных работ на заданный гранулометрический состав взорванной горной массы. Ключевые слова: параметры буровзрывных работ, распределение энергии, взрыв, гранулометрический состав взорванной горной массы, волна, напряжение, инвариант, методика расчета.
Экономические показатели основных технологических процессов горнодобывающих предприятий напрямую зависят от качества дробления горных пород, причем эта зависимость для каждого технологического процесса различна. Полученные в работе [1] зависимости влияния средневзвешенного диаметра куска взорванной горной массы на затраты технологических процессов, четко указывают на существование такого гранулометрического состава, при котором на предприятиях образуется максимальная прибыль.
Все это говорит о том, что необходим метод расчета параметров БВР, обеспечивающих заданный гранулометрический состав взорванной горной массы. В основе такого метода расчета параметров БВР должны быть положены инварианты, т.е. уравнения, законы, константы и т.д. не меняющиеся в зависимости от свойств массива горных пород, времени нагружения и масштабности.
Первый инвариант процесса дробления можно сформулировать следующим образом: блочность массива горных пород, совокупность кусков взорванной и раздробленной механическим способом горной массы подчиняются логарифмически-нормальному закону распределения, а логарифмическая дисперсия этого закона является структурным инвариантом.
Анализ экспериментальных исследований [2] показал, что в аналогичных по физико-механическим свойствам породах (в условиях одного массива) в широком диапазоне изменения параметров отбойки при постоянной логарифмической дисперсии данные гранулометрического состава раздробленного массива хорошо аппроксимируются логарифмически-нормальным законом распределения. В то же время нами установлено [3], что даже в широком диапазоне физико-механических свойств разрушаемых пород значительная вариация математического ожидания размеров кусков (среднего размера куска) не сопровождается какой-либо существенной вариацией дисперсии.
Малая реализация возможных исходов, по-видимому, является результатом осреднения элементарных актов разрушения (разрыва межмолекулярных связей). Таким образом, можно объяснить, например, почему идентичная статистика кускова-тости получается, как в результате многовекового нагружения массива, путем образования систем блоков и трещин, так и при взрывном разрушение того же массива [4].
Эти экспериментальные факты позволяют сделать вывод, что логарифмическая дисперсия логнормального закона распределения является структурным инвариантом на уровне статистической совокупности блоков и кусков.
Согласно вышеизложенному, задача получения равномерного дробления (кусков взорванной горной массы с одним определенным размером) путем изменения условий разрушения массива взрывом практически не разрешима.
Второй инвариант процесса дробления связан с перераспределением энергии взрыва по формам работы и формулируется так: энергопоглощающая способность взрываемого участка массива горных пород является переменной величиной, зависящей от соотношения удельных энергозатрат и линии наименьшего сопротивления.
Существующие методы расчета параметров буровзрывных работ на заданный гранулометрический состав горной масса базируются на определении корреляционных зависимостей между отдельными параметрами БВР и показателями дробления горных пород. Одним из недостатков такого подхода к решению задачи управления качеством дробления является то,
что метод парной корреляции требует определения количественной взаимосвязи отдельных параметров БВР и показателей качества дробления. Причины возникновения корреляционных зависимостей авторами данных методик не исследовалась, но она, по-видимому, обуславливается перераспределением энергии взрыва по формам работы при изменении параметров БВР. Это и объясняет тот факт, что существующие методы расчета параметров БВР на заданную кусковатость действенны только для тех условий, в которых проводились экспериментальные исследования и результаты, которых послужили исходными данными для получения конечных расчетных зависимостей.
Для выяснения закономерностей распределения энергии взрыва при изменении параметров БВР (сетки скважин и удельных энергозатрат, как наиболее важных) проводились исследования по двум направлениям:
1. Исследование качественной и количественной взаимосвязи наиболее важных, с технологической точки зрения, форм работы взрыва: дробление и перемещение горной массы, сейсмические колебания массива горных пород от изменения соотношения ЛНС и веса заряда ВВ.
2. Исследование характера зависимостей затрат энергий взрыва на дробление и перемещение горных пород от изменения удельных энергозатрат и сетки расположения скважин.
Основной объем экспериментальных исследований проводился на Оленегорском карьере методом воронкообразования. Аналогичные эксперименты были выполнены так же в условиях руд Малеевского рудника и на гранитных карьерах Ленинградской области. В процессе исследований определялись: объем воронки разрушения; гранулометрический состав горной массы; средняя скорость разлета кусков горной массы; ускорение смещения частиц массива. Для оценки затрат энергии взрыва на дробление горных пород, была принята вероятностно-статистическая гипотеза разрушения [5].
В результате экспериментальных данных были получены зависимости показателя эффективности взрывного дробления
( п/о) от изменения приведенной ЛНС (V/^ф), используя основное уравнение вероятностно-статистической гипотезы разрушения:
П=-1m W, (1)
с q0 d
где n - к.п.д. (доля потенциальной энергии взрыва, расходуемая на дробление); с - прочностная характеристика массива горных пород, кг/м2; qo — удельные энергозатраты, кг/м3; W — линия наименьшего сопротивления, м; d — математическое ожидание размера куска взорванной горной массы, м.
Полученные зависимости [6] изменения показателя эффективности взрывного дробления для трех различных пород Оленегорского карьера и Малеевского рудника позволили установить, что они аппроксимируется следующим выражением:
П = По
f K
Ko у
2 ( и, ^2
или
П =По
W
Wo у
' Qл2/3
Q
(2)
где п - доля потенциальной энергии взрыва, идущая на дробление массива горных пород при каком-либо 1-ом значении К (К = ); По - то же, только для другого значения К
равного Ко; Q - масса заряда ВВ.
Таким образом, зависимость (2) позволяет расчетный путем, зная значения п0, №0, Q0 для какого-нибудь одного взрыва, получать значения коэффициента полезного действия для любого другого взрыва, выполненного на этих же породах, при вариации соотношения ЛНС и массы заряда.
Обработка, по вышеизложенной методике, результатов опубликованных экспериментальных исследований [7] (метод воронкообразования) позволила получить зависимости изменения показателя эффективности взрывного дробления при использовании различных взрывчатых веществ.
Анализ результатов массовых взрывов, с применением зависимости (2) говорит о том, что даже при значительном изменении удельных энергозатрат (~ в 2 раза) и сетки скважин (~ 1,5 раза) расчет, по полученной экспериментальным путем зависимости, показывает хорошую сходимость с результатами фактических данных производственных взрывов, что позволяет
рассматривать ее как инвариантную относительно физико-механических свойств горных пород (под инвариантностью в данном случае понимается не постоянство значений величины, а характер ее изменения).
Третий инвариант относится к диаметру заряда. Коэффициент полезного действия взрыва (энергия, идущая на дробление) определяется через удельную поверхность контакта заряда с массивом горных пород (поверхность заряда ВВ, отнесенная к его массе).
Целым рядом исследований [8, 9] установлено, что при сохранении постоянного значения удельной энергии ВВ изменение диаметра заряда влияет на степень дробления. Это свидетельствует о том, что условия подобия распределения энергии взрыва не обеспечивают подобного дробления массива горных пород, при этом суммарная удельная вновь образованная поверхность кусков раздробленной породы тем больше, чем меньше диаметр заряда.
Этим объясняется тот факт, что нормы удельного расхода ВВ для больших диаметров скважин выше норм, установленных для малых диаметров. Вышеуказанные факты улучшения дробления с уменьшением диаметра заряда противоречит законам подобия, согласно которым расстояние равных действий волн напряжений пропорциональны линейным зарядам ВВ. Данное противоречие может быть объяснено только лишь изменением доли энергии, передаваемой зарядом массиву горных пород.
Для проверки этих предположений была проведена серия опытных взрывов при следующих условиях:
— сохранение объема и физико-механических свойств массива горных пород, полной энергии и высоты заряда, плотности и типа ВВ, объема заряда при изменении его диаметра и конструкции;
— сохранение объема и физико-механических свойств массива горных пород, полной энергии заряда, плотности и типа ВВ, объема заряда при изменении его диаметра и высоты.
Первая часть экспериментов была выполнена в условиях железистых кварцитов Оленегорского карьера при использовании метода воронкообразования. Оценка результатов действия взрыва зарядов ВВ осуществлялась по объему во-
ронки разрушения и гранулометрическому составу взорванной горной массы. Кроме этого, определялись кинематические параметры движения среды в волне напряжений при малых значениях относительных расстояний заряда, т.е. практически в зоне разрушения.
Диаметр заряда в различных сериях составлял соответственно 76, 105 и 132 мм при сохранении его высоты, энергии и типа ВВ. Высота зарядов различного диаметра выдерживалась постоянной путем размещения в центре заряда бетонных стержней.
В ходе проводимых экспериментов измерялись значения скорости и ускорения массива горных пород на одинаковых расстояниях от центра заряда и было выявлено, что значения данных величин, приведенные к их действительным радиусам соответствуют значениям скоростей и ускорений в массиве пород, полученных для сплошного заряда ВВ. Этот факт указывает на то, что зона сейсмического действия взрыва (зоны равных значений скоростей и ускорений смещения массива пород) увеличивается пропорционально увеличению удельной поверхности заряда постоянного веса при увеличении его диаметра и с заполнением центральной части инертным вкладышем, т.е. условному удельному объему зарядов ВВ.
По результатам трех серий опытов было установлено, что расчитанные по формуле (2) относительные значения КПД взрывного дробления меняются пропорционально отношению
,4/
п
диаметров зарядов в степени 4/3, т.е. — =
п,
Учитывая, что в процессе эксперимента определяющим параметром являлась удельная поверхность контакта заряда с зарядной полостью, т.е. не диаметр заряда, как в формуле (2), а отношение поверхности заряда к его массе, вышеуказанное соотношение должно быть выражено следующим образом:
( Ро-Ро
где Р,, р,, — соответственно диаметр и плотность нового за ряда ВВ.
V Р У
П, = По
(3)
Проведенная серия опытов убедительно показала, что эффективность дробления горных пород взрывом определяется периферийной частью заряда ВВ.
Вторая часть экспериментов была выполнена на гранито-гнейсах в Ленинградской области.
Для проведения второй части экспериментов три одиночных заряда аммонита № 6 ЖВ весом 1.2 кг переменного диаметра 64, 89, 102 мм были помещены на одинаковую глубину заложения заряда 1.2 м (данная глубина соответствует приведенной ЛНС равной 1, при которой были получены максимальные значения скоростей и ускорений смещения массива горных пород). На расстоянии 1.0 м от заряда были размещены пьезоакселерометры, с помощью которых измерялись кинематические параметры движения среды. В ходе проведения экспериментов взрыв каждого диаметра заряда ВВ осуществлялся 4 раза.
Сопоставление двух проведенных частей эксперимента (на гранито-гнейсах и железистых кварцитах) позволяет сделать вывод о том, что зависимости изменения кинематических параметров движения среды от удельной поверхности контакта заряда с породой при взрыве зарядов и переменной высоты подобны.
Из вышеприведенных результатов следует, что скорость смещения массива горных пород в сейсмовзрывной волне (сейсмический эффект взрыва) является функцией удельной поверхности контакта заряда с массивом горных пород, а изменение КПД взрывного дробления может быть определено при помощи зависимости (3).
Результаты промышленных экспериментов подтверждают справедливость полученной экспериментальным путем зависимости (3) для горных пород с различными физико-механическими свойствами.
Таким образом, предлагаемый метод расчета параметров БВР на заданный гранулометрический состав взорванной горной массы основывается на выше указанных инвариантах и представляет собой решение следующей системы уравнений:
(
П = По %D2
q =
DoPo DiPi lp
4 V2 '
где - математическое ожидание размера куска, м; W0- параметр сетки скважин, м; д0 - удельный расход ВВ, кг/м3; П0- КПД взрывного дробления; й0 - старый диаметр скважин, м; Щ, дI - проектируемые параметры сетки и удельного расхода ВВ при диаметре Ц.; 1 - высота заряда, м; L - высота уступа, м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виноградов Ю.И., Гринберг И.Н., Макарьев В.П., Прокопова В.Г., Деев Е.А. Определение оптимальной степени дробления при переходе на циклично-поточную технологию в условиях Оленегорского ГОКа. // Горный журнал. М.:Недра, 1976. C. 28—31.
2. Виноградов Ю.И., Михайлов В.А., Макарьев В.П., Головин Г.М., Деев Е.А. Постоянство логарифмической дисперсии распределения размеров кусков при разрушении горных пород. - Физические процессы горного производства. Межвузовский в. 1976. C. 6-9.
3. Виноградов Ю.И., Тумашева Т.А. Об оценке дробления горных пород взрывом. - Сб.«Новые исследования в горном деле». -вып.8- Л.: ЛГИ, 1975. C. 17-21.
4. Виноградов Ю.И., Артемов В.А., Виноградова Е.Ю., Гендлер С.Г. Влияние соотношения глубины заложения заряда и массы ВВ на параметры сейсмовзрывных волн в ближней зоне взрыва. Сб. Взрывное дело № 101/58, М., 2009. C. 303-307.
5. Виноградов Ю.И., Макарьев В.П. Оценка затрат энергии взрыва на дробление. - Всесоюзная научная конференция вузов СССР «Комплексные исследования физических свойств горных пород». - М., 1977.
6. Виноградов Ю.И., Густов С.В., Яковлев А.А. Влияние поверхности заряда ВВ на эффективность дробления массива горных пород. Modern resources and energy saving technologies in mining industry. Process innovation collection/ Kremenchuk, № 1/2010(5), C. 38-45
7. Головко Г.С., Козловский Б.В., Мамашев Ю.П. Исследование эффективности применения водосодержащих ВВ. Сб. Взрывное дело № 74/31, М.: Недра, 1974. C.38-42
8. Технические правила ведения взрывных работ в энергетическом строительстве. М.: АО «Институт Гидропроект», 1997. С. 232
9. Леев Е.А. Исследование влияния диаметра заряда и объемной концентрации энергии на эффективность дробящего действия взрыва // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л.: ЛГИ, 1978. Е2Э
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Виноградов Юрий Иванович — кандидат технических наук, доцент, vinogradov_yuri@mail.ru,
Хохлов Сергей Владимирович — кандидат технических наук, начальник отдела качества НИР, khokhlov_sv@spmi.ru, Национальный минерально-сырьевой университет »Горный».
UDC 622.235
THE DRILLING-AND-BLASTING PARAMETERS DETERMINATION METHOD FOR SPECIFIED GRAIN-SIZE COMPOSITION OF THE BLASTED ROCK MASS
Vinogradov Ju.l., National Mineral Resources University (Mining University), associate professor department of Blasting Operations, Candidate of Engineering Sciences, Russia,
Khokhlov 5.V., National Mineral Resources University (Mining University), head of R&D QA department, Candidate of Engineering Sciences, Russia.
On basis of researches the invariants of rock mass fracture by blasting energy were obtained, which enabled to establish the drilling-and-blasting parameters determination method for specified grain-size composition of the blasted rock mass.
Key words: drilling-and-blasting parameters, energy distribution, blast, grain-size composition of the blastedrock mass, a wave, pressure, invariant, determination method.
REFERENCES
1. Vinogradov Ju.l., Grinberg I.N., Makar'ev V.P., Prokopova V.G., Deev E.A. Opre-delenie optimal'noj stepeni droblenija pri perehode na ciklichno-potochnuju tehnologiju v us-lovijah Olenegorskogo GOKa (Determination of the optimal degree of fragmentation in the transition to cyclic-flow technology in terms of Olenegorsk GOK) // Gornyj zhurnal. M.:Nedra, 1976. C. 28—31.
2. Vinogradov Ju.I., Mihajlov V.A., Makar'ev V.P., Golovin G.M., Deev E.A. Posto-janstvo logarifmicheskoj dispersii raspredelenija razmerov kuskov pri razrushenii gornyh
porod (Deev constancy of the logarithmic variance of the distribution of sizes of pieces in the destruction of rocks). Fizicheskie processy gornogo proizvodstva. Mezhvuzovskij v. 1976. pp. 6-9.
3. Vinogradov Ju.l., Tumasheva T.A. Ob ocenke droblenija gornyh porod vzryvom (On the evaluation of rock crushing explosion). Sb.«Novye issledovanija v gornom dele». vyp.8. Leningrad: LGl, 1975. pp. 17-21.
4. Vinogradov Ju.l., Artemov V.A., Vinogradova E.Ju., Gendler S.G. Vlijanie soot-noshenija glubiny zalozhenija zarjada i massy VV na parametry sejsmovzryvnyh voln v blizhnej zone vzryva (The effect of the ratio of the depth of the charge and mass of explosives per options samoupravnih waves in the near zone of the explosion). Sb. Vzryvnoe delo No 101/58, Moscow, 2009. pp. 303-307.
5. Vinogradov Ju.l., Makar'ev V.P. Ocenka zatrat jenergii vzryva na droblenie (Estimation of explosion energy for crushing). Vsesojuznaja nauchnaja konferencija vuzov SSSR «Kompleksnye issledovanija fizicheskih svojstv gornyh porod». Moscow, 1977.
6. Vinogradov Ju.l., Gustov S.V., Jakovlev A.A. Vlijanie poverhnosti zarjada VV na jeffektivnost' droblenija massiva gornyh porod (The influence of the surface of the explosive charge on the efficiency of the crushing of rocks). Modern resources and energy saving technologies in mining industry. Process innovation collection/ Kremenchuk, No 1/2010(5), pp.
7. Golovko G.S., Kozlovskij B.V., Mamashev Ju.P. Issledovanie jeffektivnosti prime-nenija vodosoderzhashhih VV (Research of efficiency of application of slurry explosives). Sb. Vzryvnoe delo No 74/31, Moscow: Nedra, 1974. pp.38-42.
8. Tehnicheskie pravila vedenija vzryvnyh rabot v jenergeticheskom stroitel'stve (Technical regulation of blasting operations in the energy construction). Moscow: AO «Institut Gidroproekt», 1997. pp. 232.
9. Deev E.A. Issledovanie vlijanija diametra zarjada i ob#emnoj koncentracii jenergii na jeffektivnost' drobjashhego dejstvija vzryva (Study of the effect of charge diameter and volume concentration of energy on the efficiency of the crushing action of the explosion) // Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. Leningrad: LGI, 1978.
38-45.
