CC BY
14
© Г.Н. Волченко, 2013
УДК 622.233:622.235:622.831 Г.Н. Волченко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПОСОБОВ ВЗРЫВНОЙ ОТБОЙКИ НАПРЯЖЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭКЗОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В РАЗРУШАЕМОМ МАССИВЕ
Проведено моделирование схемы короткозамедленного взрывания с образованием свободных поверхностей криволинейной формы. Установлено, что в массиве на всех стадиях отбойки возникают области растяжения, способствующие снижению энергоемкости разрушения.
Ключевые слова: моделирование процесса разрушения, схема короткозамедденно-го взрывания, перераспределение напряжений.
Реальная геомеханическая ситуация при разработке месторождений на больших глубинах характеризуется высоким уровнем гравитационно-тектонических и техногенных напряжений, сопоставимым с величинами предела прочности геосреды на разрушение [1].
Проведенные ранее исследования по взрывному разрушению напряженных сред [1, 2, 3, 4] позволили установить зависимость энергоемкости разрушения одноосно напряженных горных пород от типа напряженного состояния (см. рис. 1).
Из рис. 1 следует, что минимальные значения энергоемкости разрушения материала располагаются на границах зависимости, т.е. при напряжениях близких к пределам прочности материала на растяжение [о]р и сжатие [о]сж. В такой ситуации особый инженерный ин-
терес вызывает создание ресурсосберегающих технологий отбойки полезных ископаемых на базе ко-роткозамедленного взрывания
(КЗВ), основанных на способах преднамеренного, первоначального формирования в разрушаемом массиве либо растягивающих полей напряжения, либо критических напряжений сжатия, либо тех и других. Такой подход позволит существенно снизить затраты на буровзрывные работы за счет прироста выделения и использования на дробление горных пород безвозмездной, неиссякаемой потенциальной энергии упругих деформаций напряженного горного массива, накапливаемой на больших глубинах.
Речь идет не о разгрузке напряженного массива различными полостями с последующим его разрушением, не о пассивном использовании растягивающих напряжений
ного давления способы разрушения напряженных горных пород можно разделить на пассивные и активные (см. рис. 2). В хронологической последовательности первоначально были созданы пассивные способы. Затем, с накоплением информации об исследуемом процессе и объекте исследований, ученые разработали активные способы — первого, второго и третьего уровней. Пассивные способы ос-пряжения, [а]р —предел прочности на растяжение, [а]сж — нованы на предварительной
Рис. 1. Зависимость энергоемкости разрушения од-ноосно напряженных горных пород Э (Дж) от типа и величины напряженного состояния (Па):
осж — сжимающие напряжения, ор — растягивающие на
р
на сжатие, Э0 — энергоемкость разрушения ненагружен-ного массива
Рис. 2. Классификация способов разрушения напряженных горных пород
(зон отжима), сформировавшихся в массиве до производства его разрушения, а об активном формировании в процессе разрушения условий, позволяющих высвобождать и дополнительно использовать для взрывного дробления колоссальный объем энергии напряженного горного массива.
На основе анализа и обобщений известных способов разрушения напряженных горных пород, выявленной технической эволюции, предлагается схема их классификации. По характеру использования запасенной в массиве потенциальной энергии гор-
разгрузке разрушаемого массива за счет его купирования (образования разгрузочных полостей), т.к. разрушение горных пород при нулевых внешних сжимающих напряжениях, менее энергоемко по сравнению с их наличием (см. рис. 1).
Активные способы направлены на реализацию экзогенных механизмов выделения и использования энергии напряженного горного массива в процессе его разрушения. Причем активные способы по степени активации высвобождения и использования энергии напряженного горного массива для его разрушения можно разделить на три уровня.
1. Активные способы первого уровня можно охарактеризовать как первый опыт учета влияния параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) массива на результаты его разрушения. При реализации способов разрушения горных пород данного уровня принимается во внимание характер НДС массива, подлежащего
Рис. 3. Схема расположения и взрывания пучковых зарядов ВВ при отбойке панели с формированием развального ряда по синусоиде: 1 — компенсационная камера; 2 — зажатая среда; 3 — пучки сближенных скважин; 4 — ослабляющие полости; 5 — массив блока синусоидальной формы; 0...У — очередность взрывания; стмах — максимальные сжимающие напряжения
разрушению и, в соответствии с этим, согласовываются (дифференцируются) параметры силового воздействия (удельный расход ВВ, усилие подачи исполнительного органа комбайна и др.). В зонах отжима, силовые параметры уменьшают, в пригруженных зонах — увеличивают [1].
2. Второй уровень активных способов является результатом усовершенствования и развития способов первого уровня, с учетом изменения пространственных и временных характеристик разрушаемого напряженного массива. Данный уровень предусматривает такой режим и порядок разрушения, чтобы в его процессе формировались новые свободные поверхности, которые приводили бы, за счет перераспределения напряжений, к появлению максимальных по объему и значению зон действия растягивающих и критических сжимающих напряжений. При этом параметры силового воздействия на объект разрушения выбираются на
основании данных о НДС разрушаемого массива, в изменяющихся во времени режимах техногенного воздействия [3].
3. Третий уровень активных способов разрушения напряженных горных пород является наиболее высокой ступенью высвобождения и использования энергии напряженного горного массива [1]. Осуществление данных способов основывается на создании условий, позволяющих получить эффект хрупкого разрушения значительного объема напряженного массива (например, управляемое провоцирование горного удара). Классификация достаточно условная из-за сложности механизмов быстропротекающих процессов. Указанные способы в производственных условиях могут осуществляться в комплексе и в различной последовательности, переходя один в другой, что указывает тенденцию перспективных направлений исследований по изучению вскрытых механизмов.
Установленные закономерности позволили обоснованно подойти к разработке активного способа разрушения напряженных горных пород второго уровня при блоковом обрушении, с реализацией схемы КЗВ зарядов ВВ «синусоида» для подземных рудников ОАО «Евразруда», представленной на рис. 3.
Методом математического моделирования (рис. 4.) получена зависимость распределения напряжений в синусоидальном массиве при определенных заданных сжимающих нагрузках,
Рис. 4. Закономерность перераспределения зон растяжения (+) и сжатия ( — ) главного напряжения ог (МПа) в рудном блоке синусоидальной формы при Омах = - 60 МПа
характеризующаяся формированием обширных зон действия критических растягивающих напряжений, которые, теоретически, должны спровоцировать разрушение синусоидального массива, по механизмам, характеризующие активные способы третьего уровня [3].
С целью подтверждения теоретических изысканий по совершенствованию технологической схемы КЗВ «синусоида» и выявления возможности инициирования экзогенных процессов на базе внутренней потенциальной энергетики напряженных массивов были проведены экспериментальные исследования на физических моделях. Методика проведения экспериментов описана в работе [5].
На рис. 5 показана зависимость влияния сжимающей нагрузки о = = 0,75[о]сж на качество взрывного
дробления физических моделей без взрыва зарядов ВВ последних степеней замедления.
В результате анализа серии экспериментальных взрывов было подмечено, что при взрывании 14 скважин порядной схемы короткозамедленного взрывания (КЗВ) (рис. 5, а, б, в), отмечается образование неразрушенного целика в центральной части блока, разделенного мощной трещиной по линии расположения отверстий. Рассев взорванной массы определил диаметр среднего куска ¿ср = 17,2 мм. При взрывании по синусоидальной схеме КЗВ (рис. 5, г, д, е), несмотря на то, что число заряжаемых скважин для формирования синусоидального массива меньше на 21,5 % (11 штук), разрушение синусоидального массива происходит более равномерно со снижением диаметра среднего куска до 14,5 мм, т.е. на 15,7 %.
Можно предположить, что при о > 0,6[о]сж увеличивается уровень активации высвобождения энергии упругих деформаций, что подтверждается работами [2, 4]. Предлагаемая схема взрывания реализует механизм использования энергии упругих деформаций для дробления, формирования обширных зон растягивающих напряжений, интенсивных волн разгрузки, позволяющих снизить энергоемкость взрывного разрушения модельного материала, и способ приобретает качества третьего уровня. Улучшение качества дробления, с одновременным снижением энергоемкости разрушения возникает за счет инициирования экзогенных процессов на базе внутренней потенциальной энергетики напряженных массивов физических моделей.
Выявленные закономерности, при взрывном разрушении напряженных массивов, например, по схеме КЗВ
Рис. 5. Характер влияния сжимающей нагрузки а = 0,75[а]сж на качество взрывного дробления физических моделей: а, б, в — при разрушении прямолинейных массивов; г, д, е — при разрушении синусоидальных массивов; 0, 1 — очередность взрывания
«синусоида», с инициированием экзогенных процессов, указывают на возможность существенного улучшения качества дробления и снижения
энергоресурсопотребления (расход ВВ, бурения скважин и др.) при производстве промышленных взрывов на больших глубинах.
1. Зорин А.Н. Механика разрушения горного массива и использование его энергии при добыче полезных ископаемых /
A.Н. Зорин, Ю.М. Халимендик, В.Г. Колесников. — М.: Недра, 2001. — 385 с.
2. Адушкин В.В. Подземные взрывы /
B.В. Адушкин, А.А. Спивак ; Ин-т динамики геосфер РАН. — М.: Наука, 2007. — 579 с.
3. Волченко Г.Н. Разработка способов взрывной отбойки рудных блоков с учетом напряженно-деформированного состояния массива: дисс. канд. техн. наук / ИГД СО РАН. — Новосибирск. — 2003. — 142 с.
4. Машуков И.В. Разработка способов
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
взрывного дробления неравномерно напряжённых массивов при подземной добыче руд: дисс. канд. техн. наук / МГИ. — М. — 1983. — 156 с.
5. Волченко Г.Н. Совершенствование схем короткозамедленного взрывания при комплексном применении вертикальных концентрированных и пучковых зарядов ВВ / Г.Н. Волченко, В.М. Серяков // Взрывное дело: сборник научных трудов/ под ред. проф., д.т.н. В.А.Белина. — М.: Мир горной книги. — 2007. — № ОВ8. — С. 196—204. — (Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня). ШИЛ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Волченко Г.Н. — кандидат технических наук, доцент кафедры «Разработка рудных месторождений», [email protected], СибГИУ.
