CC BY
49
УДК 622.26.016.34
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-125-132
БУРОВЗРЫВНАЯ ПРОХОДКА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С УДЛИНЕННЫМ ЦИКЛОМ
Виктор Никитович Лабутин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (960)794-95-04, e-mail: [email protected]
Предлагается буровзрывная технология проведения горных выработок с камуфлетным взрыванием удлиненных зарядов ВВ. При взрыве таких зарядов вокруг скважины образуется зона интенсивной трещиноватости, радиус которой для крепких пород достигает величины десятикратного размера диаметра заряда и не зависит от его длины. Разупрочненный таким образом горный массив можно разрабатывать известными механическими способами: ударным разрушением и резанием. Новая технология позволит существенно повысить скорость буровзрывной проходки за счет увеличения ухода забоя за один цикл.
Ключевые слова: горная порода, бурение, скважина, камуфлетный взрыв, горная выработка, горный комбайн, погружной пневмоударник.
DRIVAGE WITH BLASTING TECHNIQUE APPLIED TO MINE WORKING WITH EXTENDED CYCLE
Victor N. Labutin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (960)794-95-04, е-mail: [email protected]
The paper proposes a drilling-and-blasting technique for mine working with camouflage explosion of line charges BB. The explosion of the charges causes the formation of an intense fracturing zone around the borehole. The radius of the zone for hard rock can reach up to ten times the size of the charge diameter, and it does not depend on its length. The weakened rock mass can be developed by well-known mechanical methods: shock crushing and cutting. The new technology will significantly increase the velocity of drivage with blasting technique due to increase of bottomhole displacement in a single cycle.
Key words: rock, drilling, borehole, camouflage explosion, mine working, mining combine, downhole hammer.
При неблагоприятных геологических и петрографических горных условиях, повышенной прочности разрушаемых пород, когда применение проходческих комбайнов становится не рентабельным, основным производственным способом по проведению горных выработок остается буровзрывной. Проходка горных выработок по скальным породам осуществляется в основном шпуровым способом. При глубине шпуров в зависимости от сечения выработки мак- си-мум 3,0-3,5 м, уход забоя, возводимой горной выработки за один цикл, находится в этих же пределах. Несмотря на совершенствование технологии выполнения ряда буровзрывных операций, в целом, при малых уходах забоя за один цикл, решить задачу ускорения проходки горных выработок и заметного снижения ее стоимости не удается. Трудность заключается в том, что процесс
взрывания зарядов врубовых и вспомогательных шпуров должен сопровождаться обязательным выбросом взорванной породы из полости образующегося вруба. Но расстояние, на которое может осуществляться такой выброс взорванной породы, весьма ограничено и в лучшем случае не превышает нескольких метров, что и является основным сдерживающим фактором при попытках увеличения ухода забоя выработки за взрыв при шпуровом способе проходки.
Улучшение технико-экономических показателей на проходке горных выработок может быть достигнуто существенным увеличением ухода забоя за цикл, если отказаться от дробления породы на транспортабельные куски с выбросом в свободное пространство с последующей уборкой существующими средствами и перейти на механическую разработку ослабленной взрывом породы. При этом уходы за цикл удастся значительно увеличить. Идея создания технологии проведения горных выработок с удлиненным циклом возникла в Институте горного дела СО РАН в конце прошлого века. Основания для создания новой технологии были заложены тогда, когда были получены первые результаты экспериментальных исследований разрушения массива горных пород камуфлетными взрывами удлиненных зарядов ВВ, размещаемых в глубоких скважинах. При взрыве каждого из этих зарядов, произведенных в условиях достаточного камуфлета, вокруг скважины образуется зона интенсивной тре-щиноватости, радиус которой для крепких пород достигает, согласно экспериментальным данным [1], величины десятикратного размера диаметра заряда.
При камуфлетном взрывании удлиненного заряда разрушение окружающего массива не локализуется на каком-либо одном интервале его длины, а происходит более или менее равномерно по всей длине заряда, причем масштаб этого разрушения, т.е. радиус зоны интенсивного трещинообразования, не зависит от длины заряда. Следовательно, с помощью камуфлетного взрывания комплекта скважинных зарядов возможно получить уход забоя горной выработки теоретически любой длины за один цикл. Практически же величина ухода забоя за одно взрывание (т.е. протяженность зоны камуфлетного разрушения массива) будет ограничиваться только техническими возможностями бурения глубоких скважин малого диаметра с соблюдением достаточной их параллельности. Если располагать взрывные скважины равномерно по площади забоя выработки на расстоянии между собой, не превышающим величину диаметра зоны интенсивного трещинообразования для данного диаметра заряда, типа ВВ и крепости породы, и взрывать их заряды в условиях более или менее полного камуфлета, то зоны интенсивного трещинообразования сливаются в одну зону, охватывающую всю площадь сечения выработки. При этом образованные трещины, многократно пересекаясь между собой, настолько разупрочняют горный массив, что создается возможность разрабатывать такую породу, разрушенную ка-муфлетными взрывами, известными механическими способами: ударным разрушением и резанием.
Проведем приближенное сравнение темпов проходки с удлиненным циклом и обычной технологией проходки. В качестве оценки мирового уровня современного состояния буровзрывной технологии проходки горных выработок
воспользуемся результатами экспериментальных исследований скоростной проходки, проведенных компанией «Рино Тинто» в Канаде на руднике «Дьявик Дайамонд» [2]. Темпы, полученные в процессе исследований по трем вариантам скоростной проходки выработки сечением 25 - 30 м2 по крепким породам с использованием традиционной технологии, колебались в районе значения 4,5-6 м/сутки, а максимальный темп составил 8 м/сутки, что оказалось на уровне одного из лучших мировых аналогов в горнодобывающей отрасли.
За темп проходки принимается отношение пройденных метров за один цикл к общему времени цикла. Структура рабочего цикла буровзрывной проходки горной выработки условно выражается как:
Тц = Тр + Тв, (1)
где Т - рабочее время, связанное с непосредственным производством горной
выработки, т. е. время эффективного использования забоя: бурение, заряжание, выемка, крепление;
Т - вспомогательное время, связанное с подготовкой оборудования и организацией его работы.
Тв = Тп + Тэ, (2)
где Т - подготовительное время: доставка оборудования в забой и удаление из
забоя, подключение его к инженерным линиям;
Т - организационно-эксплуатационные мероприятия: простои оборудования, пересмена, время ожидания подготовки забоя, бурения и т. д.
Очевидно, что для повышения темпа проходки горной выработки необходимо снижать затраты времени на вспомогательные операции. Согласно данным, полученным вышеупомянутыми исследованиями канадской скоростной проходки [2], которые можно с определенным допуском считать временным эталоном оценки современной горнодобывающей техники в реализации проведения горных выработок по крепким породам, структура цикла составляла в среднем: Т = 57 %, Тв = 43 % (Тп = 28 %, Тэ = 15 %). Увеличить долю эффективного использования рабочего времени в забое в цикле проходки можно, используя камуфлетное взрывание удлиненных зарядов.
Для определения времени бурения удлиненного цикла ориентируемся на последние достижения в области буровзрывной проходки. Достигнутая на практике чистая скорость бурения в гранитах гидроперфораторами составляет V = 3,5-4,0 м/мин [3], а скорость бурения скважин погружными пневмоудар-
никами «Атлас Копко» на давлении сжатого воздуха 2,5 МПа по породам прочностью 220 МПа около 1 м/мин [4]. Время вспомогательных операций при бурении, отнесенных к 1 м шпура, при средней глубине шпуров 3,5 м статистически можно принять - £ = 0,2 мин/м, подготовительно-заключительных -
£ = 0,2-0,25 мин/м [3]. В нашем случае бурение будет осуществляться погружными пневмоударниками на глубину скважин значительно большую, чем
3,5 м, поэтому принимаем V = 1,0 м/мин, £ = 0,2 мин/м, £ = 0,2 мин/м. Экс' ' •> г ч ' ' всп ' ' п-з '
плуатационная скорость бурения с учетом затрат времени на вспомогательные операции определится по формуле [3]:
V =( Уч~1 + ^п + ^ )_1 (3)
и составит V = 0,7 м/мин. При глубине скважин 20 м время бурения одной
скважины - 28,5 мин, а время бурения горной выработки сечением 25 м2 (30 скважин) при работе одновременно двух бурильных машин - 7,1 ч. Время необходимое для операций по зарядке скважин, проводимое механизированным способом с помощью зарядных машин и механизмов, с учетом существующих показателей проведения этого процесса, можно принять - 5 ч.
Учитывая предполагаемую степень разрушения горного массива камуф-летным взрывом и опыт безвзрывной проходки горных выработок с помощью отбойно-погрузочного агрегата типа ITC-120F6 с ударным исполнительным органом [5] и его технические характеристики, производительность выемки раз-
-5
рушенного массива можно ориентировочно принять - 40 м /ч. Тогда время выемки - 12,5 ч. Крепление выработки производится по технологии скоростной проходки, изложенной в [2], с помощью анкероустановщика ВоИес МС с установкой анкерных болтов вместе с крепежной сеткой со средней скоростью 1 п.м/ч. Время крепления - 20 ч. Суммарное рабочее время Г = 44,6 ч. Вспомогательное время принимаем как в [2] Тп + Тэ = 8,7 ч. Время удлиненного цикла: Г = 53,3 ч, скорость проходки - 9,0 м/сутки.
Сравнение основных технологических показателей буровзрывной проходки горной выработки обычной технологии с применением камуфлетного взрывания представлено в таблице. В приведенных данных таблицы с возрастанием глубины скважин рабочее время цикла и его эффективное использование в забое (в %) увеличиваются, а вспомогательное время (Т) остается постоянным
в абсолютном выражении и уменьшается относительно общего времени цикла. Темп проходки по предлагаемой технологии с увеличением глубины скважин до 20 м возрастает в два раза. Приведенные в таблице показатели рабочего времени определялись по скоростным характеристикам, полученным в вышеупомянутых исследований [2] и данным [3]. Затраты времени на вспомогательные операции одного цикла приняты постоянными для каждой из рассматриваемых выработок независимо от их протяженности и принимались равными их средней величине, полученной в данной скоростной проходке. Можно согласиться с тем, что сегодня вспомогательное время достигло почти своего предела, сократить которое становится все сложнее и сложнее. Существенное повышение темпа проходки можно получить как за счет увеличения доли эффективного использования рабочего времени в забое, так и повышения производительности
всех операций производственного процесса проходки горной выработки. Наибольший темп роста скорости проходки технологии с камуфлетным взрыванием по сравнению с обычной буровзрывной технологией наблюдается при увеличении глубины выработки до 15 м. При дальнейшем повышении длины выработки величины ¥п и К стремятся к константе. Объясняется это снижением
доли вспомогательного времени в суммарном времени цикла по мере роста длины выработки.
Основные технологические показатели буровзрывной проходки
горной выработки
Глубина выработки, пройденной
за один цикл, м
Показатель Обычная технология [5] Технология с камуфлетным взрыванием
3,7 10 15 20
Рабочее время (Т), ч: бурение, ч заряжание, ч выемка, ч крепление, ч вспомогательное время (Т), ч 11,3 22,4 33,6 44,6
2,6 1,5 2,4 4,8 8,7 3.6 2,5 6,3 10,0 8.7 5,4 3,8 9,4 15,0 8,7 7,1 5,0 12,5 20,0 8,7
Время цикла проходки (Тц), ч 20,0 31,1 42,3 53,3
Коэффициент эффективности ис-
пользования рабочего времени в забое (К) 0,57 0,72 0,79 0,84
Скорость проходки (V), м/сутки 4,4 7,7 8,5 9,0
Рассмотрим перспективы повышения эффективного использования рабочего времени в забое. Эта задача решается в основном увеличением скорости бурения скважин, повышением производительности выемки разрушенной породы и снижением затрат времени на крепление горной выработки. Наиболее эффективным способом бурения удлиненных скважин в массиве горных пород является ударно-вращательный с погружными гидро- и пневмоударными бурильными машинами, у которых, в отличие от выносных ударных машин, передача энергии удара от бойка буровой коронке происходит в непосредственной близости от забоя независимо от глубины скважины, что снижает потери энергии удара передаваемой разрушаемому массиву. Подводимая к породораз-рушающему инструменту мощность при ударно-вращательным способе бурения (а также интенсивность разрушения породы на забое) всегда больше, чем при вращательном или только ударно-поворотном бурении. Этот способ обеспечивает бурение с повышенной скоростью и минимальной удельной энергоемкостью.
На горных предприятиях в России и за рубежом, получили широкое распространение погружные пневмоударники, которые позволяют свести к минимуму отклонение скважин от первоначально заданного направления независимо от его глубины. Конструкции пневмоударников постоянно совершенствуются. С переходом на сжатый воздух повышенного давления ведущими зарубежными фирмами удалось значительно повысить их мощность. Так шведская фирма «Атлас Копко» демонстрирует на мировом рынке семейство погружных пневмоударников серии СОР на давлении сжатого воздуха 1,5-2.5 МПа, отличающихся высокими технико-экономическими показателями бурения [4]. Руководствуясь поставленными задачами импортозамещения в нашей стране, Институт горного дела СО РАН, являясь пионером в создании и внедрении в горнодобывающую промышленность погружных пневмоударников, в последнее время, активно занимается совершенствованием их конструкции с целью повышения мощности, экономичности, износостойкости буровых коронок и срока службы машины в целом [6, 7].
Эффективность зоны камуфлетного разрушения массива горной выработки зависит от параллельности пробуриваемых скважин, которая обеспечивается соблюдением двух условий: а) точным забуриванием скважин, т. е. приданием им с самого начала забуривания предусмотренного направления и б) достижением минимального их искривления в процессе бурения. Точность забуривания скважин должна и может быть достигнута путем жесткой фиксации всех включенных в работу буровых станков с ориентировкой осей всех их шпинделей в пространстве строго в одном направлении, т. е. параллельно между собой. Буровой станок должен обеспечивать бурение скважин диаметром 50...110 мм погружными пневмоударниками, работающими на давлении сжатого воздуха до 2,5 МПа. В зависимости от величины поперечного сечения горной выработки на установке должно быть два и более бурильных станка, что создает возможность многостаночного обслуживания буровых станков, благодаря чему обеспечиваются условия высокопроизводительной работы.
Для зарядки скважин необходимо применять производительные зарядные устройства существующих типов. Выбор взрывчатых веществ, техники и технологии зарядки скважин, а также порядок их взрывания выполняются при разработке рабочего проекта технологии скоростного выполнения проходческих работ конкретной горной выработки. В целях снижения вредных сейсмических воздействий на окружающий выработку горный массив необходимо применять короткозамедленное (или просто раздельное) взрывание при максимальном количестве ступеней замедления, что дает возможность снизить суммарный вес одновременно взрываемых зарядов ВВ.
Разборка, погрузка и транспортировка горной породы после ее разрушения камуфлетным взрыванием в контуре сечения горной выработки в зависимости от ее размеров может осуществляться разными вариантами с разным набором горнодобывающего оборудования. Обязательным условием успешного исполнения операции по разборке взорванного массива должно быть наличие ударных исполнительных органов в горной машине. Так, например, при разборке
транспортного тоннеля сечением 60 м можно использовать экскаватор с ковшом активного действия [8, 9] с автосамосвалами, а в горной выработке сечением до 20 м2 можно применять специализированный комбайн с ударным исполнительным органом. В качестве прототипа такой машины можно использовать один из типоразмеров отбойно-погрузочной машины типа JTC120 F2 американской фирмы «Тегех» [5]. Эта машина на гусеничном ходу многофункционального назначения может выполнять три операции проходческого цикла: отделение от забоя транспортабельных кусков породы, погрузки отбитой массы в транспортное средство и оборки пройденного участка. Для реализации указанных функций машина снабжена многозвенным стреловидным манипулятором, на свободном конце которого подвижно закреплены гидравлический молот -для отбойки породы от забоя и ковш - для погрузки отбитой породы на погрузочный транспортер.
Возведение крепи в капитальных и подготовительных горных выработках является одним из наиболее трудоемких процессов. Ограниченные размеры выработок, насыщенных оборудованием, а также неприспособленность некоторых элементов крепи, например, рамных конструкций для механизированного возведения во многом затрудняют процесс механизации крепления. Наибольшая степень механизации достигается при анкерном креплении с навешиванием стальной сетки с последующим торкретированием поверхности выработки с использованием анкеровочных машин и торкрет установок [10-11].
Таким образом, существенное повышение скорости буровзрывной проходки горных выработок может быть достигнуто за счет увеличения доли рабочего времени цикла, непосредственно связанного с производством горной выработки и соответственно уменьшения доли вспомогательного времени, необходимого для наладки, подготовки и организации работы оборудования. Это можно осуществить, используя технологию проведения горных выработок с камуф-летным взрывом удлиненных зарядов. Применение такой технологии в настоящее время стало возможным благодаря техническому совершенствованию бурения шпуров и скважин и созданию мощных ударных и режущих исполнительных органов проходческих комбайнов, способных эффективно разрушать и производить погрузку горных пород. Наибольший темп роста скорости проходки технологии с камуфлетным взрыванием по сравнению с обычной буровзрывной технологией наблюдается при увеличении глубины выработки до 15-20 м.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ, № гос. регистрации АААА-А17-117122090003-2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Экспериментальные исследования камуфлетного взрыва удлиненных зарядов / Б. Г. Трегубов и др. // ФТПРПИ. - 1981. - № 6.
2. Вольграм Д., Панидис К., Мосс А. Повышение темпов проходки подготовительных выработок на основе оптимизации цикла проходки // Горное дело. - 2015. - № 2(4). - С. 24-35.
3. Лыхин П. А. Тонелестроение и бурение шпуров и скважин в XIX и XX вв. - Екатеринбург : УрО РАН, 2002. - 305 с.
4. Горно-шахтное и строительное оборудование / Каталог фирмы Атлас Копко. - 2007.
5. Безвзрывная технология проходки выработок по крепким породам и ее технико-экономические показатели / Е. Б. Бексалов, Э. Н. Абсаматов, И. Е. Бексалов, Ф. Р. Гарипов // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды. - 2010. - Т. 3. - С. 30-35.
6. Кондратенко А. С., Тимонин В. В., Патутин А. В. Перспективы направленного бурения прочных горных пород //ФТПРПИ. - 2016. - № 1. - С. 124-131.
7. Средства прямолинейно направленного бурения в условиях угольных шахт / В. В. Тимонин, Д. И. Кокоулин, С. Е. Алексеев, Б. Кубанычбек // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2016. - Т. 2, № 3. - С. 168-171.
8. Экскаваторы с ковшом активного действия / А. Р. Маттис и др. - Новосибирск : Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996. - 176 с.
9. Безвзрывные технологии открытой добычи твердых полезных ископаемых : монография / А. Р. Маттис и др. ; отв. ред. В. Н. Опарин. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2007. -337 с.
10. Чавкин А. И. Обоснование параметров анкерной крепи для конкретных условий эксплуатации // Записки Горного института. - СПб., 2013. - Т. 205. - С. 119-124.
11. Белоусов В. В., Остапенко А. В., Сахаров А. Н. Крепление горных выработок на глубоких горизонтах подземных рудников АО «Апатит» в условиях повышенного горного давления // Горный журнал. - 2014. - № 10. - С. 33-37.
© В. Н. Лабутин, 2018
