Эффективные методы массовой отбойки трещиноватых руд на шахтах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© С.А. Горинов, A.A. Смирнов, 2012

УДК 622.272

С.А. Горинов, A.A. Смирнов

ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ МАССОВОЙ ОТБОЙКИ ТРЕЩИНОВАТЫХ РУД НА ШАХТАХ

При массовой отбойке сильнотрещиноватых напряженных массивов на рудных шахтах достаточно обеспечить отрыв отбиваемого объема от массива и расслоение его на естественные отдельности. Экономически эффективным является использование для этой цели плоской системы зарядов, удовлетворяющей определенным требованиям. При этом разрушение осуществляется за счет поперечного сдвига по благоприятным системам трещин под действием давления продуктов взрыва и за счет упругой разгрузки напряженного массива. Приведены результаты промышленного эксперимента.

Ключевые слова: массовая отбойка, взрыв, заряд ВВ, плоская система зарядов, трещина, давление продуктов взрыва.

Значительный объем запасов рудных месторождений, раз-рабатышаемык подземным способом, представлен сильнотрещиноватыми горными породами. При этом, как правило, добына руды осуществляется в условиях действия существенных первоначальных гравитационно-тектонических напряжений.

При дезинтеграции горной породы взрывом наибольшее влияние на характер разрушения оказывают макротрещины - линейные дефекты длиной 10-2—10 м, образующие замкнутую пространственную сеть и разбивающие среду на отдельные блоки (отдельности). В данной работе рассматриваются только сильно-трещиноватые массивы, гранулометрический состав естественных отдельностей которых удовлетворяет требованиям, предъявляемым к гранулометрическому составу качественно отбитой рудной массы. Показателем качественного дробления может быть принято отношение

среднего размера куска рудной массы к размеру негабаритного куска, которое по [1] меньше или равно 0,27, по [2] - 0,5. Можно принять, что при размере негабаритного куска 1 м (характерного для большинства рудных шахт) к сильнотрещиноватым массивам относятся массивы со средним размером отдельности 0,3—0,4 м и меньше. Очевидно, в этом случае задачей массовой отбойки является отделение отбиваемого слоя от массива и достаточно полное разделение его на естественные отдельности.

Одним из эффективных путей решения данной задачи является создание при взрыве плоского поля напряжений, дивергенция которого минимальна. Плоское поле напряжений в отбиваемом слое можно создать взрывом плоского заряда, толщина которого много меньше его длины и ширины. Аналогом взрыва плоского заряда практиче-

ски является одновременный взрыв нескольких линейных зарядов, располагаемых в одной плоскости, расстояние между которыми не превышает некоторой величины. Такая система зарядов определяется как «плоская система зарядов» (ПСЗ).

При взрыве ПЗС в среде на некотором расстоянии от нее образуется плоская волна сжатия. Однако в сильнотрещиноватых массивах, рассеченных несколькими системами трещин, будет наблюдаться существенное рассеивание энергии данной волны. Вследствие этого можно допустить, что разрушения, обусловленные волной сжатия, будут незначительны, а основное разрушающее воздействие оказывает квазистатическое давление продуктов взрыва и упругая разгрузка пород.

При одновременном взрыве зарядов ПЗС в среде формируется квази- статическое поле напряжений, которое на первом этапе можно рассматривать как суперпозицию полей напряжений, вызванных действием каждого линейного заряда. Известно, что данное поле напряжений характерно наличием значительных разрывных напряжений в плоскости расположения зарядов, и, соответственно, ускоренным прорастанием трещин отрыва по этой плоскости.

Эффект пробоя массива по плоскости расположения одновременно взрывающихся зарядов и принят нами в качестве основного критерия ПСЗ.

Методика расчета минимального предельного пробивного расстояния между двумя одновременно взрывающимися удлиненными зарядами (Апр) приведена в работе [3]. Следует отметить, что существенное

влияние на это расстояние оказывает уровень первоначальных естественных напряжений, действующим в рудном массиве. Проведенные расчеты применительно к условиям железорудных шахт показали, что величина Ьпр находится в интервале значений (при отбойке руды взрывом зарядов диаметром 100 мм граммонита 79/21, и величине первоначальных напряжений в массиве 0—5 МПа) от 2,8 до 6,5 м.

В одно время с ростом трещин по плоскости ПСЗ в краевой части системы начинается рост трещин поперечного сдвига, которые развиваются в сторону компенсационного пространства. При этом отбиваемый слой будет воспринимать всю нагрузку, вызванную давлением взрывных газов на стенки образовавшейся щелевидной полости при условии, что время отделения слоя от массива по боковым поверхностям слоя будет больше, чем время слияния трещин между зарядами. Кроме того, для повышения эффективности использования энергии взрыва следует выполнить условие, чтобы к моменту слияния трещин в плоскости ПСЗ отраженная волна не достигла данной плоскости. Данные требования определяют второй критерий ПСЗ.

Очевидно, что соотношение времени трещинообразования по плоскости зарядов и времени отрыва массива по боковой поверхности слоя определяется соотношением л.н.с и расстояния между зарядами, т.е. коэффициентом сближения зарядов (т). В соответствии с [4] скорости нормального отрыва и поперечного сдвига зависят от скоростей продольных и поперечных волн в данном массиве и коэффициента Пуассона (и), а соотношение

скоростей — только от и. Рассчитанный в соответствии с зависимостями [4] график изменения искомой величины т показан на рис. 1.

При значениях т, меньших показанных на рис. 1, ПСЗ по своему действию становится эквивалентна плоскому заряду такой же массы и размеров. При взрыве такого заряда возникает плоский фронт напряжений, под действием которого разрушение напряженного трещиноватого массива происходит в виде сдвига по плоскостям макротрещин, рассекающих данный массив.

Факторами, определяющими возможность осуществления такого сдвига, являются величина сцепления между отдельностями, коэффициент трения между берегами трещин, угол между направлением трещины и нормалью к фронту нагрузки, а также первоначальные напряжения, действующие в массиве. Аналитические расчеты, проведенные применительно к железорудным шахтам, показали, что разрушительный сдвиг при взрыве ПСЗ происходит не по всем системам трещин, а только по наиболее благоприятно расположенным по отношению к

плоскости ПСЗ. При этом, вследствие падения фронтального напряжения по мере приближения к свободной поверхности, разрушительный сдвиг далеко не всегда охватывает весь отбиваемый объем. В качестве примера в табл. 1 показана относительная глубина проникновения трешин сдвига в слой отбиваемых трещиноватых магнетит-гранатовых скарнов при взрыве ПЗС из зарядов граммонита 79/21 диаметром 105 мм на глубине 400 м (последующие расчеты также выполнены, исходя из приведенных условий).

Однако при определенных условиях после отделения слоя от массива в нем будет наблюдаться явление самоподдерживающегося разрушения [4]. Самоподдерживающееся разрушение заключается в возникновении в хрупком материале, находящемся в поле высоких сжимающих нагрузок, разгрузочной волны дробления при внезапном снятии этих нагрузок. М.А. Кук [5] полагает, что данное явление ответственно за дробление пород при взрывной отбойке.

0---|------------L—--------

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0.25 0,3 0.35 0.4 ОЛЕ 0.5 Коэффициент Пуассона рудного массива

Рис. 1. Ограничения на величину коэффициента сближения зарядов, образующих ПСЗ

Таблица 1

Относительная глубина развития трещин поперечного сдвига в отбиваемом слое в зависимости от первоначального напряженного состояния среды и удельного расхода ВВ

Удельный расход ВВ, кг/м

Максимальное напряжение в отбиваемом слое 81

0 2 4 6 8 10

0,5 0,955 0,723 0,495 0,260 0,030 0

1,0 0,970 0,813 0,664 0,510 0,355 0,200

1,5 0,975 0,845 0,716 0,586 0,457 0,330

2,0 0,978 0,863 0,750 0,634 0,520 0,406

2,5 0,980 0,875 0,771 0,665 0,560 0,457

Но самоподдерживающее разрушение будет наблюдаться в случае достаточно быстрого снижения величины давления продуктов взрыва после отделения слоя от массива. На основании [6] можно считать, что снятие нагрузок происходит внезапно, если давление уменьшается примерно на порядок за время ¿0, удовлетворяющее условию ¿0/Т < 1, где Т — период собственных колебаний упругой системы, подверженной воздействию нагрузки, с. В нашем случае это период собственных продольных колебаний отбитого слоя руды. Величина Т рассчитана на основании [7] в зависимости от величины л.н.с. применительно к отбойке магнетит — гранатовых скарнов (рис. 2), что позволило определить степень снижения начального давления продуктов взрыва в щелевидной полости ПСЗ за время Т в зависимости от удельного расхода ВВ (рис. 3). Согласно рис. 3 за время Т после отделения отбиваемого слоя от массива давление в продуктах взрыва снижается более, чем в 10 раз. Следовательно, можно считать, что сжимающая нагрузка исчезает внезапно и при определенном запасе потенциальной энергии в породах

слоя реализуется его самоподдерживающееся разрушение.

Можно принять, что при отбойке руды ПСЗ скачок упругого потенциала на поверхности разрушения определяется только частью упругой энергии первоначального поля напряжений. При этом роль давления продуктов детонации сводится к обеспечению отделения отбиваемого слоя от массива, а также к провокации самоподдерживающегося разрушения вследствие резкого падения данного давления.

Анализ напряженного состояния горных массивов на рудных шахтах с учетом изменения поля этих напряжений вокруг прямоугольных пространств показал, что в большинстве случаев при глубине горных работ более 250—300 м энергии упругой разгрузки данных напряженных массивов вполне достаточно для расслоения их по структурным отдельностям.

Данное положения позволяет утверждать, что при отбойке сильнотрещиноватых руд ПСЗ при глубине горных работ более 300 м достаточно обеспечить лишь отделение отбиваемого слоя от массива. При этом, независимо от того, будет ли осуществлено удовлетво-

Рис. 2. Зависимость периода собственных продольных колебаний отбитого слоя руды от величины л.н.с.

20 " 18

1 *

к* ¡¡i « а ^ ю 1§ 4

II

1

0,5 1 1,6 г

Удельный расход ВБ на отйойку. ипгуб ч

Рис. 3. Степень падения давления взрывных газов за время Т после отделения слоя от массива

рительное расслоение руды по благоприятной системе трещин или нет, данный слой распадется на естественные отдельности вследствие упругой разгрузки пород.

Методика определения условия отрыва слоя от массива для ПЗС показана в работе [8].

Высказанные положения позволили разработать общую методику расчета и условия применения ПСЗ для массовой отбойки рудных массивов. Промышленно-эксперимен-тальная проверка данного метода

была проведена при отбойки междукамерных целиков на шахте Южная Го-роблагодатского рудоуправления [8]. Образование ПСЗ осуществлялось бурением пучков субвертикальных скважин диаметром 105 мм. Количество скважин в пучке — 3, расстояние между пучками в ряду — 1,0—1,5 м. ВВ — граммонит 79/21. В зависимости от условий взрывания л.н. с. изменялось от 6,5 до 10 м.

С применением ПСЗ было взорвано 180 тыс. т (50,5 тыс. м3) руды. В результате взрыва произошло полное разрушение всех взрываемых целиков. Сейсмическое воздействие взрыва не вышло за пределы обычного. Общие показатели экспериментального взрыва приведены в табл. 2. Для сравнения в таблице приведены показатели отбойки такого же массива стандартным способом — веерами скважин диаметром 105 м с сеткой 3х3 м. Данные таблицы показывают, что при одинаковом качестве дробления рудной массы (характеризуемой расходом ВВ на вторичное дробление и производительностью скрепериста), применение ПСЗ позволило практи-

Таблица 2

Показатели массовой отбойки сильнотрещиноватых массивов с применением ПСЗ

Наименование взрыва Удельный расход ВВ на отбойку, кг/т Выход руды с 1м скважин, м3 Удельный расход ВВ на вторичное дробление, кг/т Производительность скрепериста, т/смену

Экспериментальный взрыв с применением ПСЗ 0,24 9,5 0,034 333

Контрольный взрыв с использованием вееров скважин 0,47 4,7 0,038 325

чески вдвое сократить удельный расход скважин и ВВ на отбойку.

Таким образом, как теоретические исследования, так и их практическая проверка подтверждают высокую эффективность использования ПСЗ для отбойки напряженных сильнотрещиноватых массивов. Однако к этому следует добавить следующее: Подземная массовая отбойка руды в большинстве случаев осуществляется взрывом вееров удлиненных зарядов ВВ, расположенных в одной плоскости и инициируемых одновременно. Причем при обычно применяемых сетках скважин обеспечивается и пробой по плоскости

их расположения. Коэффициент сближения скважин по плоскости веера меняется от 0,1 до 1—1,2, т.е. значительная часть рудных массивов отбивается в режиме работы ПСЗ.

Такое положение позволяет утверждать, что плоская система зарядов для отбойки напряженных сильнотрещиноватых массивов может быть реализована и в виде веерообразно расположенных зарядов за счет сгущения скважин в веере и увеличения л.н.с. При этом вряд ли возможно сократить расход ВВ на отбойку вдвое, но сокращение его на 30—50 % вполне реально.

1. Кутузов Б.Н., Рубцов В. К. Физика взрывного разрушения горных пород. — М.: Изд.МГИ,1971. — 178с.)

2. Мосинец В.Н., Абрамов A.B. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. — М.: Недра,1982. — 248 с.)

3. Смирнов А. А., Горинов С.А. Действие взрыва плоской системы зарядов ВВ при отбойке горного массива. ГИАБ, МГТУ., М., № 4, 2001).

4. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. — М.: Наука,1974. — 640 с.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах. — М.: Недра,1980 . 453 с.

6. Снижение напряженности горного массивов с помощью взрывов. / Ханукаев А.Н., Кусов П.Ф., Пшеничный В.И. и др. -М.: Наука,1979 120 с.

7. Галин Л.А., Черепанов Г.П. О самопроизвольном разрушении напряженного хрупкого тела. — ДАН СССР, 1966, т. 167, № 3. с. 543—546.

8. Смирнов A.A., Горинов С.А. и др. Разрушение блочного горного массива взрывом плоской системы зарядов ВВ // Известия УГГГА. Вып. 11 Екатеринбург, № 12, 2001.

9. Зубрилов Л. Е., Горинов С.А. и др. Отбойка руды плоскими системами зарядов на шахте Южная.//Горный журнал,1985, № 9. с. 22—24.120

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Горинов С.А. — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Смирнов A.A. — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Лаборатория подземной геотехнологии ИГЛ УрО РАН, direct@igduran.ru

д

РЕТРОДАЙДЖЕСТ -

(Окончание. Начало с. 128, 186) После учреждения Корпуса горных инженеров (1734 г.) производство в эти чины было прекращено. В горном ведомстве были введены военные чины. Переименование в военные чины коснулось далеко не всех служащих по горному ведомству, но горные инженеры, выпускники Института Корпуса горных инженеров выпускались в службу с военным чином (в основном, поручиками - X класса).

Согласно горной табели о рангах, действовавшей с 1734 г.:

• Обер-берг-гауптман - генеральский чин IV класса; соответствовал званию генерал-майора.

• Берграт, обер-берг-гауптман - генеральский чин V класса; соответствовал званию бригадира.

• Берг-гауптман - генеральский чин VI класса, соответствовал званию полковника.

• Обер-берг-мейстер - штаб-офицерский чин VII класса, соответствующий подполковнику военной табели.

• Бергмейстер, обер-гиттенфервалтер - штаб-офицерский чин VIII класса, соответствующий майору.

• Маркшейдер, механику:, форстмейстер - штаб-офицерский чин IX класса, соответствовал капитану.

• Оберцегенгнер - штаб-офицерский чин К-го класса, соответствовал капитану.

• Гиттенфервалтер - обер-офицерский чин X класса, соответствовал капитану-поручику (поручику).

• Берг-гешворен - обер-офицерский чин XII класса, соответствовал пехотному поручику (инженерному подпоручику).

• Обер-берг-пробирер, шихтмейстер - обер-офицерский чин XIII класса, соответствовал подпоручику.

• Берг-пробирер, шихтмейстер - низший обер-офицерский чин XIV класса, соответствовал прапорщику.

По материалам сайта http://miningwiki.ru/wiki