CC BY
1
УДК: 622.235.1:624.19.05
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ПАСПОРТА БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ ПРОХОДКЕ
ВЫРАБОТОК
А.В. Ремизов, А.Ю. Прокопов
Рассмотрены основные этапы составления паспорта БВР при проходке подземных выработок по крепким породам. Предложены современные буропогрузочные агрегаты для скоростного строительства транспортных тоннелей в породах прочностью на одноосное сжатие от 70 до 200 МПа. Выполнен анализ широко применяемых методик расчета основных параметров БВР. Проанализированы преимущества и недостатки широко используемых схем расположения шпуров и программа автоматизированного составления паспортов буровзрывных работ, которая оптимизирует размещение шпуров и ускоряет процесс формирования проектной документации.
Ключевые слова: паспорт буровзрывных работ, проектирование, породный массив, тоннель, шпур, программное обеспечение, проектная документация.
Введение. В эпоху роста урбанизированных территорий и актуализации транспортных проблем роль тоннелей как элемента транспортной инфраструктуры неуклонно растет. Современные технологии позволяют сооружать автомобильные, железнодорожные тоннели, а также тоннели метрополитена в любых инженерно-геологических условиях при минимальном проседании дневной поверхности. Эффективное внедрение прогрессивных технологических решений возможно при использовании высокопроизводительных горных машин, которые с минимальным количеством надзора или самостоятельно могут выполнять работы по подземному строительству.
В условиях современного тоннелестроения, применяемая техника от ведущих компаний мира, таких, как «Atlas Copco» и «Sandvik Mining» (Швеция) с комплектацией автоматизированным управлением и программным обеспечением позволяет существенно увеличить производительность горных работ, уменьшить травматизм рабочих и обеспечить внедрение безлюдных технологий. Однако ужесточение внешнего санкционного давления осложнили поставки необходимого оборудования и комплектующих, заставив компании серьёзно перестроить свою работу на импортозамещение.
На основании проведенных исследований и расчетов наиболее эффективными и обеспечивающими высокие темпы проведения, и наименьшую стоимость являются технологические схемы с использованием буропогрузочных агрегатов типа CMZY1-180/35 или CMZY1-150/25 китайской фирмы Jiangxi Lanxiang Heavy Industry Co. Ltd (рис. 1). Применение современной высокопроизводительной техники по
мнению многих ученых позволяет значительно сократить в проходческих забоях затраты времени на основные операции: бурение шпуров, уборку породы, установку крепи и перестановку оборудования [1, 2].
Рис. 1. Буропогрузочный агрегат типа CMZY1-180/35 китайской фирмы Jiangxi Lanxiang Heavy Industry Co. Ltd
Как показывает практика, строительство тоннелей в скальных и полускальных породах сопровождается в 90 % случаев с использованием буровзрывного способа проведения подземных выработок. Взрывные работы (ВР) являются доминирующим методом отделения горной породы от массива. Они также широко используются в гидротехническом строительстве, при сооружении плотин, каналов и т. д. Сама же скорость проведения выработок зависит от правильного составления и расчета паспортов буровзрывных работ, а также выбора механизированной техники для конкретных горно-геологических условий. Существующие технологии ведения буровзрывных работ не всегда обеспечивают требуемое дробление горной породы, что приводит либо к большому выходу негабаритов, либо к переизмельчению породы. Выполнение заданных требований возможно за счет разработки методов расчета параметров буровзрывных работ, обеспечивающих универсальность и автоматизацию основных этапов при проектировании, а также применения современной
высокопроизводительной механизированной техники.
Анализ. Основным этапом составления паспорта БВР является определение количества шпуров для забоя выработки, а также разработка рациональной схемы их расположения. Главным критерием, которым пользуются до настоящего времени, является количество шпуров для забоя, которое прямо пропорционально количеству взрывчатого вещества (ВВ), необходимого для разрушения определенного объема горной массы. Теоретические основы разрушения горных пород взрывом широко
освещены в исследованиях Н.М. Покровского, М.М. Протодъяконова, Б.Н. Кутузова и др. Наибольшее распространение получил метод Н.М. Покровского и ряд методик, базирующихся на его формулах, частично их дополняя [3, 4]. Недостатком этой методики является то, что используемые коэффициенты имеют весьма широкий диапазон изменения и принимаемые их значения зависят чаще от уровня подготовки и интуиции специалиста, выполняющего расчеты. В результате параметры БВР устанавливают по усредненным значениям, что отрицательно сказывается на эффективности ведения ВР. Кроме того, в некоторых существующих методиках представлены сложные эмпирические формулы, по которым определяют удельный расход взрывчатого вещества (ВВ).
В настоящее время нет единого мнения по выбору методики расчета основных параметров БВР, которая позволила бы получить положительные результаты на практике. Поэтому широко используют упрощенную методику, которая предусматривает определение рациональной вместимости ВВ в одном шпуре с установленным на практике его удельного расхода. На основании этих показателей определяется количество шпуров на забое горной выработки. Далее выбирают тип вруба со шпурами, которые размещают, в основном, в геометрическом центре выработки, а по остальной площади сечения распределяют отбойные и оконтуривающие шпуры [5 - 7].
Для достижения максимальной эффективности подвигания подземной выработки необходимо расположить шпуры по сечению забоя таким образом, чтобы отрыв горной массы по контуру выработки был с наибольшим коэффициентом использования шпуров, равномерным дроблением породы и с минимальным разлетом ее кусков.
Выбор параметров вруба, схемы расположения шпуров, тип ВВ и величина заряда, зависят от конкретных горно-геологических условий. Врубовые заряды предназначены для образования дополнительной поверхности обнажения и имеют повышенную мощность. Из различных схем расположения врубовых зарядов в практике тоннелестроения наибольшее распространение получили так называемый клиновый вруб (отрывающего действия) и по крепким, монолитным породам прямой вруб (дробящего действия). Место расположения вруба существенно влияет на показатели буровзрывных работ. На горно-строительных работах вруб могут располагать вверху, внизу, сбоку или в центре забоя выработки. После выбуривания врубовых шпуров приступают к бурению отбойных шпуров, основным параметром которых является величина отбиваемого слоя Ж, называемая линией наименьшего сопротивления (ЛНС) на вновь образованную поверхность обнажения. Параметр ЛНС, как правило, становится более точным после анализа результатов трех опытных взрываний.
При проектировании паспорта БВР одним из основных процессов является оптимальный выбор схемы расположения отбойных шпуров. Широкое распространение в практике получили два способа расположения отбойных шпуров по сетке и по отбойным контурам. При расположении шпуров по сетке нерационально располагаются контурные шпуры, а по отбойным контурам, наоборот, вспомогательные и у подошвы. Попытки комбинирования этих способов приводят к нарушению Ж между смежными рядами шпуров и сложностям при обуривании забоев буровыми установками. Следует отметить, что нерациональное расположение шпуров в забое выработки приводит к перерасходу взрывчатых материалов, бурового инструмента, а в некоторых случаях и к снижению безопасности горных работ.
В зависимости от способа строительства подземных сооружений чаще всего применяется прямоугольная, сводчатая и круговая формы поперечного сечения. Сравнительные расчеты паспортов БВР показали, что от правильного выбора способа расположения шпуров для различных форм и площадей поперечного сечения зависит степень рациональности расположения шпуров и, соответственно, их количество. В качестве примера рассмотрим две формы выработок - сводчатая и прямоугольно-сводчатая, которые широко применяются при строительстве тоннелей в прочных породах. Для сводчатой формы принят способ расположения шпуров по отбойным контурам, а для прямоугольно-сводчатой - по сетке. При близкой площади поперечного сечения выработок, 20,0 м2 и 21,0 м2, пределом прочности пород 100... 120 МПа, Ж = 0,6 м, расстояние от контура выработки до контурных шпуров - 0,2 м, расчетное количество шпуров составило 74 и 88 штук, расхождение до 16 %.
Анализ сравнительных расчетов показал, что на количество шпуров для забоя оказывает существенное влияние их схема расположения, форма и площадь поперечного сечения выработки, вид и место расположения вруба. Установлено, что эти параметры не имеют жесткой привязки друг к другу, а границы их рационального применения определяются проектировщиками исходя из производственного опыта. По мере усложнения горно-геологических и горнотехнических условий, видов буровой техники и технологий, повышения квалификации персонала становится очевидной необходимость совершенствования проектирования паспортов БВР.
Авторы работы [8] отмечают эффективность применения программного обеспечения по определению рационального размещения шпуров в забое, созданию библиотек типов врубов и взрывчатых материалов, составленных применительно к конкретным горно -геологическим условиям. Приводят автоматизированное проектирование паспорта БВР на основе рассчитанных координат шпуров, которое не требует проведения опытных взрываний и проверочных расчетов.
Шпуры в зонах расположения вруба и оконтуривания выработки размещаются согласно по описанным выше условиям по определению ЛНС. Площадь зоны с отбойными шпурами, определяется по формуле
^ = ^ - 5 - 5з, (1)
где 5пр - площадь выработки в проходке; 51 - площадь вруба; 53 - площадь, занимаемая оконтуривающими шпурами.
Отбойные шпуры размещаются по сетке с шагами Ах и Аг по горизонтали и вертикали. В процессе размещения шпуров заполняется массив признаков, в котором каждая ячейка определяется как шпур, либо участок в зоне его влияния или вне зоны влияния (рис. 2).
Рис. 2. Схема дискретизации сечения выработки сеткой с ячейками, соответствующими: 1 - шпурами, 2 - зонам влияния шпуров, 3 - участкам вне зон влияния шпуров
В пределах площади отбойных шпуров вокруг каждого шпура строится круговая область его влияния с радиусом влияния ^шп, который принимается равным ЛНС. Ячейки, более чем половина площади, которых попала в пределы такого круга, считаются находящимися в зоне влияния шпура. Положение центров шпуров устанавливается из условия минимального наложения соседних зон влияния (рис. 3)
|5Ш1П - 5тах| <А5, м2 (2)
где 5шп - площадь зоны влияния дополнительного шпура вне зоны влияния уже размещенных шпуров; 5тах - площадь зоны влияния шпура; А5 -площадь допускаемого перекрытия соседних зон, определяемая в виде
А5 = ^ах, (3)
где 8 - безразмерный параметр оптимизации, зависящий от формы сечения выработки. С помощью параметра 8 можно регулировать частичное перекрытие круговых зон влияния соседних шпуров.
Рис. 3. Схема перекрытия зон влияния соседних шпуров
При вычислениях £шп определяется как сумма площадей ячеек сетки, охваченных окружностью зоны влияния шпурового заряда. Визуальный просмотр ячеек существенно влияет на конечное распределение отбойных шпуров. При этом должно использоваться условие оптимального размещения шпуров по формуле (2).
В результате автоматического проектирования авторы [8] пришли к выводу, что созданное программное обеспечение позволяет проектировать модели для различных типов сечений и основывается на принципе оптимального позиционирования круговой области влияния шпуров друг на друга. Программа способна расположить шпуры в сечении таким образом, что делает возможным более равномерно разрушать горный массив по сравнению с принятыми в настоящее время способами размещения шпуров. Однако разработанное программное обеспечение не имеет практической значимости, а использованные для автоматизированного проектирования паспорта БВР формулы для радиусов влияния шпуровых зарядов, линии наименьшего сопротивления, расстояния между шпурами приняты из опыта.
Альтернативным примером автоматизированного расчета параметров БВР и построения схемы шпуров в трех проекциях являются разработки, описанные в работах [9, 10]. Основой графического построения схемы расположения шпуров в описанном программном комплексе является расчет рациональных диаметров и прямолинейных линий расположения врубовых, отбойных, почвенных и контурных шпуров в зависимости от формы и размеров поперечного сечения выработки вчерне; определение расстояний между шпурами на каждой из линий, а также их количества с дальнейшим нахождением координат каждого шпура в вертикальной плоскости забоя Х07 (для горизонтальных и наклонных выработок) или горизонтальной плоскости Х0У (для вертикальных стволов). По найденным координатам программа выполняет графическое построение в соответствующей плоскости схемы расположения шпуров, а затем, с учетом длины и углов наклона шпуров, строится вертикальная и горизонтальная проекции шпуров.
Вывод. Развитие способов автоматизированного проектирования, опирающихся на использование современных информационных технологий позволяет ускорить принятие решений в формирования проектной документации, оптимизировать и усовершенствовать процесс проектирования. На современном этапе развития науки и практики более реальным является методика установления основных параметров паспорта БВР на основании данных экспериментально-опытных взрываний. Необходимо проектировать паспорт буровзрывных работ с помощью программного обеспечения и применять исходные данные опытных взрываний для конкретных горно-геологических условий.
Список литературы
1. Воронова Э.Ю., Щербаков С.В., Воронов П.Р. Современное состояние и перспективы развития средств механизации при проведении выработок по крепким породам // Сб. науч. тр. «Современные прикладные исследования»: материалы четвертой национальной науч.-практ. конф. 1618 марта 2020 г. Шахты, ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ(НПИ), 2020. С. 17-20.
2. Khazanovich G.S., Voronova E.Y., Otrokov A.V. Simulation of the performance formation process of the loader with wedge-like working elements. 2017. Р. 457-464.
3. Покровский Н.М. Технология строительства подземных сооружений и шахт. Ч. 1: Технология сооружения горизонтальных горных выработок и тоннелей. М., 1977.
4. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М., 1992. 516 с.
5. Шевцов Н.Р., Таранов П.Я., Левит В.В., Гудзь А.Г. Разрушение горных пород взрывом: учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. Донецк, 2003. 253 с.
6. Меркулов А.В., Сильченко Ю.А., Скориков В.А. Проектирование паспортов буровзрывных работ при проходке горных выработок: учеб. пособие. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2002. 70 с.
7. Справочник по горнорудному делу / под ред. В.А. Гребенюка, Я.С. Пыжьянова, И.Е. Ефремова М.: Недра, 1983. 816 с.
8. Хоменко О., Рудаков Д., Кононенко М. Автоматизация проектирования паспортов буровзрывных работ путем оптимизации размещения шпуров // Форум прниюв. Днепр: НГУ, 2011. С. 39 - 43.
9. Прокопов А.Ю., Балдин А.А. Прикладная программа расчета параметров буровзрывных работ и построения схемы расположения шпуров в забое // Сб. науч. тр. «Научно-техническое творчество студентов вузов»: материалы всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студ. вузов «Эврика-2005». Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. Ч.3. С. 190 - 193.
10. Попков Ю.Н., Прокопов А.Ю., Прокопова М.В. Информационные технологии в горном деле: учеб. пособие. Новочеркасск: Шахтинский ин-т ЮРГТУ, 2007. 201 с.
Ремизов Алексей Валериевич, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Прокопов Альберт Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, prokopov72@rambler. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
ANALYSING THE EFFICIENCY OF METHODS FOR DESIGNING A PASSPORT OF DRILLING AND BLASTING OPERATIONS
A.V. Remizov, A.Y. Prokopov
The basic stages of drawing up a passport of drilling and blasting operations (DBO) for tunneling underground excavations in hard rocks are considered. Modern drilling and loading units for high-speed construction of transportation tunnels in rocks with uniaxial compressive strength from 70 to 200 MPa are proposed. The analysis of widely used methods for calculating main parameters of DBO is performed. The advantages and disadvantages of widely used borehole location schemes are analyzed, as well as the program for automated preparation of passports for drilling and blasting, which optimizes the placement of boreholes and speeds up the process of forming design documentation.
Key words: the passport of drilling and blasting operations, design, rock mass, tunnel, blasthole, software, design documentation.
Remizov Alexey Valerievich, candidate of technical sciences, remiz81@,mail.ru , Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Prokopov Albert Yurievich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, [email protected] , Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
Reference
1. Voronova E.Yu., Shcherbakov S.V., Voronov P.R. The current state and prospects of development of mechanization tools during workings on hard rocks // Collection of scientific tr. Modern applied research: materials of the fourth national scientific and practical conference on March 16-18, 2020, Shakhty, YURSPU(NPI) named after M.I. Platov. Novocherkassk: YURSPU(NPI), 2020. pp. 17-20.
2. Khazanovich G.S., Voronova E.Y., Otrokov A.V. Simulation of the performance formation process of the loader with wedge-like working elements. 2017. pp. 457-464.
3. Pokrovsky N.M. Technology of construction of underground structures and mines. Part 1: Technology of construction of horizontal mine workings and tunnels. M., 1977.
4. Kutuzov B.N. Destruction of rocks by explosion: textbook. for universities: 3rd ed., revised. and additional M., 1992. 516 p.
5. Shevtsov N.R., Taranov P.Ya., Levit VV, Gudz A.G. Destruction of rocks by explosion: textbook. for universities. 4th edition revised and expanded. Donetsk, 2003. 253 p.
6. Merkulov A.V., Silchenko Yu.A., Skorikov V.A. Design of passports for drilling and blasting operations during mining: textbook. Stipend. Shakhty Institute of YURSTU. Novocherkassk: YURSTU, 2002. 70s.
7. Handbook of mining / edited by V.A. Grebenyuk, Ya.S. Pyzhyanova, I.E. Efremova M.: Nedra, 1983. 816 p
. 8. Khomenko O., Rudakov D., Kononenko M. Automation of design of drilling and blasting passports by optimizing the placement of boreholes // Forum girnikiv. Dnipro: NSU, 2011. pp. 39-43.
9. Prokopov A.Yu., Baldin A.A. An applied program for calculating the parameters of drilling and blasting operations and constructing a diagram of the location of holes in the bottom // Collection of scientific tr. Scientific and technical creativity of university students: materials of All Russia. scientific and technical review competition creativity of the student. universities "Eureka-2005". Novocherkassk: YURSTU, 2005. Part 3. pp. 190-193.
10. Popkov Yu.N., Prokopov A.Yu., Prokopova M.V. Information technologies in mining: textbook. stipend. Novocherkassk: Shakhtinsky Institute of YURSTU, 2007. 201 p.
УДК 621.355+622.62
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ШАХТНЫХ ЛОКОМОТИВОВ
В ПРОЦЕССЕ ЗАРЯДКИ
К.А. Рябко
Выполнен анализ тепловых процессов при заряде элемента батареи шахтного электровоза для прогнозирования его температурного состояния. Приведено математическое описание теплового состояния аккумуляторных батарей шахтных локомотивов в процессе зарядки, учитывающее энергию, затраченную на зарядку аккумулятора, потенциальную энергию, сообщаемую аккумулятору, а также тепловую энергию, затраченную на нагрев аккумулятора. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий оценить величину нагрева аккумулятора. Выполнена оценка сходимости экспериментальных значений и результатов теоретической оценки теплового состояния аккумуляторных батарей шахтных локомотивов в процессе зарядки.
Ключевые слова: шахтный электровоз, аккумуляторная батарея, процесс заряда, потенциальная энергия, тепловая энергия, нагрев аккумулятора, экспериментальный стенд.
Ведение. Аккумуляторные батареи шахтных автономных электровозов как напочвенных, так и монорельсовых представляют собой набор последовательно соединенных аккумуляторных элементов, каждый из которых состоит из набора электродов, взаимодействующих с электролитом. Различают несколько электрохимических систем, используемых в тяговых аккумуляторных батареях шахтных электровозов. Наиболее распространенные на сегодняшний день свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, ни-кель-металлгидридные, литий-ионные, литий-полимерные. В процессе эксплуатации шахтного электровоза электрическая энергия аккумулятор-
