CC BY
27
- © С.Д. Викторов, В.М. Закалинский,
A.A. Осокин, 2014
УДК 622.235
С.Д. Викторов, В.М. Закалинский, А.А. Осокин
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗРЫВНОЙ ОТБОЙКИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ И СИСТЕМАХ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Представлена попытка разработки физической модели взрывной части горного производства в сложных горнотехнических, условиях на основании нового подхода в данной области горной науки. Впервые представлена методология выбора рациональных типов взрывного разрушения на базе интегрального критерия выбора масштабности взрывной отбойки при подземной разработке месторождений. Ключевые слова: взрыв, система разработки, метод взрывания, силь-нотрешиноватый, среднетрешиноватый, монолитный рудный массив, классификация, мелкомасштабная, среднемасштабная, крупномасштабная отбойка.
Математического описания технологического процесса высокоинтенсивной взрывной подготовки массива при энерго- и ресурсосберегающей геотехнологии отработки месторождений твердых полезных ископаемых на разных глубинах в горной науке, как известно, не существует. В то же время в современных экономических условиях горное производство требует научного обоснования применения инновационных геотехнологий и интенсификации взрывного разрушения горных пород при различных условиях и глубинах разработки. Для этого нужны новые подходы и модели, адекватно описывающие физические процессы горного производства и позволяющие оперативно, в том числе в режиме «экспресс — оценки», получать необходимые результаты [1].
О прямом влиянии высокого горного давления и глубины разработки на выбор технологии и параметры буровзрывных работ на фоне сложной горнотехнической и горно-геологической обстановки практика не дает определенного ответа.
Известна роль фактора взрыва зарядов ВВ и их конструкций, являющихся одним из главных источников образования субмикрон-
69
ных пылевых частиц и вредных газов, существенно ухудшающих климатическую обстановку на большой глубине. Требование снижения бризантного действия взрыва в ближней его зоне, управления формой импульса в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий, достижение степени дробления горной массы при очистной выемке в существенной мере определяет надежность и устойчивость работ по выпуску и доставке руды. Сохранение или улучшение качества дробления руды позволяет снизить временные затраты на выполнение операций вторичного дробления руды, что оказывает положительное влияние на производительность и ритмичность работы доставочного оборудования.
Необходимость исследований в данном направлении обусловлена и фактором повышения требований к геомеханическому обоснованию технологических и технических решений ведения взрывных работ в подземных условиях. Последние воздействуют на горнотехнические конструкции, целостность и устойчивость пород законтурной части массива и сохранность объектов в пределах сейсмического действия взрыва. Таким образом, значение и роль взрывного дробления при добыче полезных ископаемых в сложных условиях горного производства на большой глубине оказываются решающими на технологические процессы в подземных условиях [2].
Достижение рациональной степени дробления разрушаемой среды и сохранение устойчивости массива возможно подбором параметров кинетики выделения энергии взрывчатых веществ (ВВ) и конструкций детонационных систем (групп зарядов) для различных методов взрывного разрушения. Формально, для решения поставленной задачи управления действием взрыва в сложных условиях имеется множество методов управления промышленными взрывами, есть даже их классификация по технологическим факторам [3]. Однако это не разрешает ряд противоречий, например, между требованиями геотехнологий в сложных геомеханических условиях на большой глубине и ограниченными возможностями управления процессами выделения и распределения в массиве энергии взрыва. Дело в отсутствии механизма выбора и систематизации методов управления взрывным технологическим разрушением по признаку, включающему в свою внутреннюю структуру группу условий, связанных, в том числе, с глубиной разработки месторождения (интегральному):
• начальные условия (заряд ВВ, его форма, положение в массиве, конструкция, энергия, коммутация и т.п.);
70
• граничные условия (вид и форма разрушаемого участка массива, его физические свойства, горно-геологические и горнотехнические особенности, наличие и количество свободных поверхностей и т.п.);
• тип системы разработки по классификационному для взрывного разрушения признаку [4];
• обобщенный, интегральный критерий характеристики типа взрывного разрушения.
Методология такого подхода в практическом плане заключается в сведении решения задачи к обоснованию и разработке физической модели интенсивной взрывной подготовки горного массива на разной глубине и условиях. Идея физической модели интенсивной взрывной подготовки горного массива, в том числе при энерго- и ресурсосберегающей геотехнологии на разных глубинах, заключается в получении результата в виде интегральной характеристики взрывного разрушения массивов горных пород, учитывающей факторы геологические, геомеханические, технологические и связанные непосредственно с действием взрыва заряда ВВ и его конструкциями.
На выходе модели даются варианты (оптимально три) в виде конкретных (критериальных) типов масштабности отбойки, обобщенных по всем методам и параметрам буровзрывных работ с совокупным учетом основных характеристик и показателей взрывных работ в каждом. Тип масштабности взрывной отбойки отражает, таким образом, комплексное влияние условий взрывных работ с глубиной разработки, что и позволяет его характеризовать как интегральный.
Дальнейшее сводится к привязке определенных вариантов к горнотехническим условиям и конкретному выбору одного из них с соответствующими: инновационной геотехнологией, глубиной, степенью стесненности, условиями: напряженно-деформированного состояния [5].
На основе вышеизложенного физическая модель состоит из двух частей: ее структуры (алгоритма) на основе классификации и лабораторной модели, являющейся физической частью общей модели. Сущность структурной части модели — в описании и отображении собственно процесса интенсификации взрывного разрушения с глубиной разработки при энерго- и ресурсосберегающей геотехнологии (рис. 1).
Конкретный тип взрывной отбойки обобщенно обусловлен его масштабностью и спектром данных, а комплексное влияние условий взрывных работ с глубиной, выбор класса систем разработки и типа отбойки обосновывается следующими соображениями.
71
Системы подземной разработки рудных месторождений, с точки зрения «взрывного» подхода, при очистной выемке мощных рудных месторождений [2] можно условно разделить по характерным признакам на три основных класса:
I — системы с открытым очистным пространством, в том числе с отбойкой на «зажим», обрушением руды и вмещающих пород блоками, слоями, панелями с крупномасштабными параметрами взрываемых частей массива;
II — системы с закладкой, магазинированием руды, креплением выработок;
III — системы с обрушением вмещающих пород и маломасштабными параметрами взрываемых частей массива.
Под масштабностью взрывной отбойки, представленной в качестве интегрального критерия выбора ее типа, понимается нарушение (степени) пропорциональности между взрываемым объемом и энергией заряда с условием достижения одинаковой степени дробления. Этот эффект известен как «масштабный фактор», который ранее учитывался в методиках расчета параметров отбойки, что позволяло влиять на ее эффективность [4].
Под мелкомасштабной отбойкой (МО) понимается взрывное разрушение частей (слоев) массива шпуровыми или скважинными зарядами малого, условно до 50 мм, диаметра с W до 1,2-1,5 м.
Под крупномасштабной (КО) понимается отбойка с увеличенными (крупными) параметрами взрываемых частей массива, осуществляемая скважинными зарядами большого диаметра (100 < d < 1000 мм), камерными и эквивалентными им по масштабу взрыва зарядами различной конфигурации (W достигает 10 м и выше).
Среднемасштабная отбойка (СО) по своим параметрам занимает промежуточное положение.
В табл. 1 представлена классификация взрывной отбойки по выбору ее вида в различных условиях.
Типы горных пород в столбце 3 выражены в терминах соотношений между основными технологическими параметрами взрывной отбойки, данными в столбце 4, где W — линия наименьшего сопротивления, d — среднестатистическое расстояние между трещинами в разрушаемой части массива массиве, Pk — размер кондиционного куска на руднике.
В последнем 7 столбце структуры модели представлены результирующие (критериальные) типы взрывного разрушения массивов
72
Рис. 1. Алгоритм физической модели выбора высокоинтенсивной взрывной подготовки массива горных пород
Таблица 1
Классификация взрывной отбойки по выбору ее вида в различных уровнях
Глубина разработки Типы горных пород Характерные признаки горных пород Соотношение между параметрами взрыва, Щ Коэффициент крепости пород, { Комплексное влияние условий взрывных работ с глубиной на выбор
Класса систем разработки, № типа масштабности отбойки (МО, СО, КО) и ее эффективности <=,
1 2 3 4 5 6 7
200-500 1 .Сильнотрещиноватые Трещины от мелких до таких, среднее расстояние между трещинами всех систем с/ не превышает размера кондиционного куска Рк. На один метр в любом направлении приходится не менее 1-2 трещин И/ > Рк > с/ 4-7 8-14 15-20 II, III I I СО КО ко
500-700 4-7 8-14 15-20 II I I со = ко ко ко
>700 4-7 8-14 15-20 II, III II, III 1,11, III СО = МО со со>ко
200-500 2 .Среднетрещи- Породы средней блочности. Ш>с1>Рк 4-7 II, III МО >СО
новатые (нерав- Расстояние между трещинами с/ 8-14 II, III МО = СО
номерно трещи- от размера кондиционного куска 15-20 II, III МО
500-700 новатые) до расстояния между скважинами 4-7 II, III МО >СО
или линии наименьшего сопро- 8-14 II, III МО
тивления И/ 15-20 II, III МО
>700 4-7 II, III МО
8-14 II, III МО
15-20 II, III МО
200-500 3. Малотрещи- Редкие трещины, расстояние с1> Ш>Рк 4-7 1,11, III СО
новатые (моно- между которыми близки к параме- 8-14 I, III со = ко
литные) трам отбиваемого слоя; имеются 15-20 I, III со = ко
500-700 отдельные ослабления, микро- 4-7 II, III со
трещины и более частые трещины, 8-14 I, III со>ко
хорошо проводящие волны 15-20 I, III со = ко
>700 4-7 II, III МО
8-14 II, III МО >со
15-20 II, III МО = со
сл
горных пород (взрывной отбойки) и их сравнительная эффективность, включающая комплексное влияние основных условий и показателей окружающей заряд среды в условных обозначениях: МО — мелкомасштабная отбойка; СО — среднемасштабная отбойка; КО — крупномасштабная отбойка; «>» — эффективнее; «=» — конкурентоспособна.
По информации, содержащейся в столбцах 1-6, определяется условно-обобщенный (интегральный), с точки зрения взрывных работ, класс систем подземной разработки и далее, как конечный результат, в столбце 7 соответствующий этим данным тип масштабности взрывной отбойки. Установление последнего позволяет до начала ведения буровзрывных работ из диапазона известных проектных решений сразу выделить конкретный метод (схему) буровзрывных работ, соответствующий технологическим и буровзрывным параметрам отработки блока или выемочного участка месторождения.
Сущность структурной части модели состоит в описании и отображении собственно процесса интенсификации взрывного разрушения с глубиной разработки при энерго- и ресурсосберегающей геотехнологии.
Геодинамическая обстановка на большой глубине, представленная условно-модельным ее представлением в структурной части (четвертый горизонтальный ряд ячеек на рис. 1), выражена численными значениями характеристик напряженного состояния массива в виде некоторых коэффициентов соответствия, полученных расчетным путем по результатам экспериментов на лабораторной установке.
В результате расчетов выявлено соответствие (корреляционная связь) между горно-физическими параметрами отбойки и классами систем разработки. Это дало возможность, в частности, в случаях знака равенства между отбойками в различных условиях (одинаковая эффективность) отдавать предпочтение варианту в зависимости от величины коэффициента соответствия.
Таким образом, алгоритм использования физической модели достаточно прост. По информации, содержащейся в ячейках горизонтальных одноименных строк, в предпоследней строке снизу дан условно-обобщенный, с точки зрения взрывных работ, класс систем подземной разработки, и далее, как конечный результат, в последней строке определяется соответствующий этим данным тип масштабности взрывной отбойки. Установление последнего позволяет до начала ведения буровзрывных работ из диапазона известных проектных решений сразу выделить конкретное, соответствующее
76
технологическим и буровзрывным параметрам отработки блока или выемочного участка рудника.
На результаты дробления горных пород, в частности, на ее интенсивность, как известно, существенное влияние оказывает напряженное состояние массива горных пород, обусловленное глубиной разработки и горно-геологической обстановкой, что должно найти отражение в физической модели. При этом необходимо учесть следующее. Породный массив до проведения в нем горных работ уже находится в напряженном состоянии, которое обычно называют естественным или начальным напряженным состоянием. Последнее определяется действием гравитационного и тектонического полей. Для идеально упругого, однородного и изотропного массива в условиях невозможности горизонтальных деформаций напряжения в вертикальной плоскости (по А.Н. Диннику) оно определяются весом пород выше лежачей толщи уИ, где у — объемный вес пород, И — глубина рассматриваемой точки от дневной поверхности.
В свою очередь, тектонические напряжения, как правило, действующие в горизонтальных направлениях, отличаются от гравитационного поля большой сложностью, т.к. параметры тектонических напряжений могут значительно изменяться как в пространстве, так и во времени. Такая особенность обусловлена неравномерным распределением в пространстве скоростей тектонических движений и скоростей деформации земной коры.
По данным экспериментальных исследований, например, в породах кристаллического и складчатого фундамента горизонтальные напряжения превышают вертикальные в 60% случаев, в осадочных породах — в 10-15%. Иногда это превышение может достигать 5-10 раз, и в этом случае горизонтальные напряжения будут являться определяющими при проявлении горного давления и расчете устойчивости конструкций и сооружений. Именно с этой целью на рудниках и шахтах проводят прямые измерения действующих напряжений и изучают пространственные закономерности их распределения в горных массивах. Такие измерения были проведены на многих рудниках и в подземных сооружениях мира, в частности, на рудниках в тоннелях Кольского полуострова, Горной Шории, Донбасса, Урала, Алтая, в палеозойских складчатых поясах Норвегии, Ирландии, в Африке, Юго-Восточной Австралии, Португалии и т.д. В итоге почти во всех этих случаях были зафиксированы горизонтальные напряжение, превышающие в несколько раз вертикальные напряжения.
77
Для пластичных горных пород (глины, соли, слабые угли и др.) с коэффициентом Пуассона V = 0,5 и коэффициентом бокового распора £ = 1 свойственен частный случай напряженного состояния массива, когда распределение природных напряжений является гидростатическим и действующие в массиве вертикальные напряжения становятся равными горизонтальным напряжениям.
Известны случаи, когда на рудниках на относительно небольших глубинах (100-150 м) наблюдались интенсивные динамические явления — шелушение и «стреляние» горных пород со стенок выработок в виде тонких пластин массой от нескольких сотен граммов до десятков килограмм, сопровождающиеся сильным звуковым эффектом. И, как правило, масштаб таких явлений растет с увеличением глубины разработки.
Представляется технически возможным выполнить физическое моделирование некоторых вышеописанных явлений в лабораторных условиях. Для этого в ИПКОН РАН был разработан экспериментальный стенд, позволяющий подвергать образцы горных пород одноосному сжатию и определять параметры частиц, отколовшихся с поверхности искусственно пройденной цилиндрической полости в их центре. В этом случае цилиндрическая полость выступает в роли выработки, а одноосное сжатие приводит к неоднородному напряженному состоянию в образце. Напряжения на контуре полости распределены неравномерно и, согласно теории упругости, имеются зоны с максимальными сжимающими и растягивающими напряжениями.
Полость, являясь концентратором напряжений, приводит к неравномерному распределению напряжений на контуре полости, тем самым приближая условия эксперимента к условиям, когда горизонтальные напряжения превышают вертикальные.
Общая схема опытной лабораторной установки для проведения экспериментов представлена на рис. 2.
Методика проведения исследований заключается в следующем [6, 7]. Предварительно в центре исследуемого образца 1 создают измерительный объем в виде сквозной цилиндрической полости 3 диаметром 6 мм. К этой полости с двух сторон прикрепляют про-боотборные трубки 4. Одну трубку присоединяют к счетчику аэрозольных частиц 5, а другую к воздушному фильтру 6. Образец устанавливают между опорными плитами пресса 2 и подвергают его одноосному сжатию от нулевого значения до разрушения. На
78
протяжении всего времени эксперимента регистрируют параметры эмиссии субмикронных частиц размером от 0,3 до 5,0 мкм и более.
В ходе этих работ было установлено образование субмикронных частиц с поверхности цилиндрической полости при их одноосном сжатии различных типов горных пород. На рис. 3 представлены результаты экспериментальных исследований образца доломита, где по оси абсцисс отложено напряжение сжатия а в МПа, а по оси ординат приведенное количество частиц, 1/м2 с.
Регистрация числа частиц и анализ их дисперсного состава проводились с периодичностью 60 секунд. Прочность образца на одноосное сжатие составила 56 МПа. Из рисунка видно, что при приближении напряжений сжатия к 45 МПа наблюдается рост эмиссии частиц во всех диапазонах, а при приближении к критическому состоянию (50 МПа) — резкий рост эмиссии частиц, который является предвестником приближающегося макроразрушения нагружаемого образца. Аналогичные зависимости были получены при испытаниях образцов уртита, песчаники, гранита, железистых кварцитов и др.
Теоретические предпосылки взаимосвязи величин напряжений сжатия на образцах из различных материалов с напряжениями гор-
Рис. 2. Схема устройства для проведения экспериментальных исследований
Р
79
Рис. 3. Зависимость количества частиц от напряжения сжатия при одноосном сжатии образца доломита в различных диапазонах: а — 0,3-0,5 мкм; б — 0,5-5,0 мкм; в — >5,0 мкм
ных пород с глубиной базируются на нашей гипотезе о существования корреляционной связи между ними и классами систем разработки. Результаты этих экспериментальны« исследований использованы при разработке вышеприведенной классификации.
Таким образом, представленная физическая модель процесса интенсивной взрывной подготовки горного массива и разработанная на ее основе методология выбора рациональных способов взрывного разрушения в сложных условиях определяют новый подход в этой области горной науки.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трубецкой К.Н., Малышев Ю.Н., Пучков Л.А. и др. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / РАН, АГН, РАЕН, МИА; Под ред. К.Н. Трубецкого. — М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. — 478 с.
2. Агошков М.И., Малахов Г.М. Подземная разработка рудных месторождений. — М.: Недра, 1966.
3. Казаков Н.Н. Классификация методов управления промышленными взрывами на открыпых горнык работах / Вопросы разрушения горных пород. — М.: ИПКОН РАН, 1994. С. 5-15.
4. Каплунов Р.П., Черемушенцев И.А. Подземная разработка рудных и россыпных месторождений. — М.: Высшая школа, 1966.
5. Технология крупномасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Сибири / С.Д. Викторов, А.А. Еременко, В.М. За-калинский, И.В. Машуков. — Новосибирск: Наука, 2005. — 212 с.
6. Викторов С.Д. Образование субмикроннык частиц при горном производстве и новый метод оценки катастрофических явлений / Вестник Российской академии наук. — 2013. — Т. 83, № 4. — С. 300-306.
7. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Закономерности генерации микро- и наноразмерных частиц при разрушении и деформировании горных пород // ГИАБ. Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2011». — М.: Горная книга, 2011. — № OBI. — С. 185-191. EZE
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Викторов Сергей Дмитриевич — профессор, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, [email protected]
Закалинский Владимир Матвеевич — ведущий научный сотрудник, доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, Осокин Александр Андреевич — старший научный сотрудник, кандидат технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН
81
