CC BY
22
------------------------------------------ © В.М. Серяков, Г.Н. Волченко,
А.В. Серяков, 2004
УДК 622.235.4/.5
В.М. Серяков, Г.Н. Волченко, A.B. Серяков
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ ПРИ ОТБОЙКЕ БЛОКОВ НА ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТАХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Семинар № 3
~П се рудные месторождения Горной
-Я-М Шорни и Хакасии отрабатываются системой этажного принудительного обрушения рудных блоков и налегающих пород. При применяемой технологии более четверти трудовых и материальных затрат приходится на операции, связанные со взрывной отбойкой руды. Увеличение глубины подземных работ на рудниках приводит к росту напряжений в массиве, ухудшению горнотехнических условий разработки, снижению степени дробления горной массы и вызывает значительное увеличение расхода ВВ на отбойку при использовании известных схем короткозамедленного взрывания (КЗВ) [1].
Поддерживать достигнутый уровень качества дробления удается в основном путем увеличения энергетических затрат на отбойку. Вместе с тем горные породы на этих глубинах обладают большим запасом потенциальной энергии, что подтверждается многочисленными проявлениями горного давления. Важнейшей практической задачей в сложившихся условиях является рациональное использование
потенциальной энергии массива при взрывном разрушении рудных блоков.
Экспериментальными и теоретическими исследованиями установлено, что процесс взрывного разрушения горных пород в поле растягивающих нагрузок менее энергоемок, чем в поле сжимающих напряжений. При осуществлении КЗВ в отбиваемом массиве после взрыва зарядов ВВ каждой ступени замедления, вследствие образования новых свободных поверхностей, происходит перераспределение статического поля напряжений. Все это говорит о том, что разработка эффективных схем взрывания возможна на основе создания в отбиваемых блоках такой формы новых свободных поверхностей, которая приводила бы к появлению максимальных по объему зон действия растягивающих напряжений, где взрыв зарядов ВВ с уменьшенным удельным расходом ВВ позволит достичь приемлемого качества дробления.
С этой целью проведены лабораторные эксперименты по взрывному разрушению моделей из оргстекла, которые позволили установить качественные особенности разрушения
среды в перераспределяющемся поле исходных сжимающих нагрузок за счет образования в модели дополнительных свободных плоскостей в различных комбинациях, имитирующих образование взрывных воронок (ослабляющих полостей).
Образование в сжимаемой с торцов модели дополнительной свободной поверхности, ортогональной действующей нагрузке, приводит к появлению в ее окрестности области растягивающих напряжений. Установлено, что средняя суммарная длина радиальных трещин в модели при взрыве зарядов ВВ в сформировавшемся поле растягивающих напряжений на 50 % больше, чем в исходном поле сжимающей нагрузки. Подтвержден тот факт, что взрывное разрушение в поле растягивающих напряжений характеризуется увеличенным объемом разрушений, по сравнению со взрывом в модели, свободной от нагрузок.
Установленные закономерности позволили обоснованно подойти к разработке способов взрывной отбойки рудного блока с использованием энергии исходного поля напряжений. Суть одного из таких технических решений заключается в короткозамедленном взрывании зарядов ВВ с образованием дополнительных свободных плоскостей (ослабляющих полостей) с двух сторон обнажений блока и формированием центрального ряда зарядов ВВ по синусоиде, которую взрывают в последнюю очередь. Исходя из имеющихся теоретических представлений и опыта отбойки блоков, предложены геометрические параметры ослабляю-
( щих полостей, образуемые взрывом зарядов ВВ предыдущих сту-
пеней замедления (рис. 1).
Амплитуда центральной части целика, сформированного в виде синусоиды, равна половине ширины блока, а период - расстоянию между центрами зарядов ВВ, работающих на первой ступени замедления. Глубина ослабляющих полостей £ = Ш (п — 1), гДе п — количество рядов скважинных зарядов ВВ, Ш — линия наименьшего сопротивления зарядов ВВ ряда, м [2].
Разработанный способ отбойки предопределяет значительное снижение энергоемкости разрушения центрального синусоидального ряда. За счет образования ослабляющих полостей с двух сторон обнажений блока, максимальные сжимающие напряжения ¡у , действующие с торцов блока
должны перераспределяться с формированием обширных зон растягивающих напряжений, в поле которых процесс взрывного разрушения происходит менее энергоемко. Для подтверждения этих предположений и установления основных закономерностей перераспределения статических полей напряжений в процессе КЗВ проведено математическое моделирование механического состояния блока после взрыва различных очередей зарядов ВВ.
Расчетная область (на рис. 2 представлена ее четверть) моделирует сечение рудного блока и его окрестности плоскостью, параллельной земной поверхности. Здесь методом конечных элементов по алгоритму, разработанному в ИГД СО РАН, установлено механическое состояние горных пород, вызванное действием тектонических сил. На границах области заданы компоненты напряжений, отвечающие действующим тектоническим усилиям: на ВС — ау = -3уН, тху = 0; СВ — ах = -1,6уН, тху = 0. Рудное тело, вмещающие и обрушенные породы представлены упругими изотропными средами.
Сначала зарядами первой очереди ликвидируется целик, находящийся между компенсационными камерами, и часть рудного блока, граничащая с обрушенными породами. В результате появляются две новые, свободные от
напряжений, боковые поверхности. После второй и третьей очереди короткозамедленного взрывания формируется конфигурация блока с криволинейными границами. Оставшиеся заряды реализуются на завершающей стадии отбойки блока. Так как при применяемых интервалах замедления к моменту взрыва следующей очереди зарядов ВВ волны нагрузки успевают затухнуть, несколько раз отразившись от границ блока, то перераспределение полей напряжений рассмотрено в квазистатической постановке. Основное внимание при анализе механического состояния блока было уделено распределению первого главного напряжения
*1 [3].
Взрыв зарядов первой очереди приводит к Рис. 3. Характер распределения первого главного напряжения: а) после второй стадии разрушения; б) после третьей стадии разрушения
образованию двух новых свободных от усилий границ и почти весь рудный массив переходит в состояние одноосного сжатия нагрузкой, приложенной на торцах со стороны вмещающих пород. После второй стадии разрушения в рудном блоке образуются зоны растягивающих 01, занимающие около половины площади сечения (рис. 3а). Взрыв на третьей стадии разрушения (формирование массива синусоидальной формы) приводит к тому, что в блоке увеличивается относительная доля объема, где действуют растягивающие а1 до 50 %, а их конфигурация повторяет форму неразрушенной части блока (рис. 36).
Таким образом, главной особенностью напряженного состояния массива в рудном блоке при применении схем взрывания, формирующих центральную часть блока в виде синусоиды, является появление в ней обширных зон растягивающих напряжений. В них разрушение массива возможно при меньших расходах ВВ.
Обосновать же конкретные значения параметров скважинных зарядов в областях действия растягивающих напряжений можно лишь при учете совместного воздействия на обру-шаемый массив сил, возникающих при взрывном нагружении среды, и гравитационнотектонических напряжений. Наибольшее практическое значение представляют собой параметры скважинных зарядов, которые вступают в работу на последней стадии разрушения и предназначаются для дробления сформированной части блока с криволинейными границами (рис. 36).
Рис. 2. Схема расположения зарядов ВВ в рудном блоке и порядок их взрывания (1-3)
При достаточно большой мощности отрабатываемого рудного тела конфигурация вновь образующихся свободных поверхностей в плане будет представлять собой периодическую кривую, поэтому для анализа напряженного состояния блока, вызванного совместным действием исходного поля напряжений и взрыва, достаточно рассмотреть лишь один из его повторяющихся фрагментов (рис. 4а). Действительно, напряжения, вызванные тектоническими силами в каждой такой части, практически одни и те же (исключение составляют лишь области вблизи контакта рудного тела и вмещающих пород). Расположение скважинных зарядов, находящихся в выделенном фрагменте, симметрично относительно линий АВ и ЕЕ, поэтому напряжения, возникающие при их работе, в каждой из таких областей будут одинаковы.
Механическое состояние блока при действии на массив зарядов ВВ моделировалось без учета волновых процессов, т.е. принималось во внимание только давление продуктов детонации на стенки взрывных скважин. Это является известным упрощением поставленной задачи и может восприниматься как первый этап изучения рассматриваемого явления. С другой стороны, экспериментальные исследования показывают, что эффективность взрывного разрушения массива горных пород не определяется волновыми процессами, в частности, максимальным давлением на фронте волны, а зависит от продолжительности действия продуктов детонации на стенки взрывных скважин. Таким образом, учет «поршневого» действия взрыва позволяет установить основные особенности распределения напряжений в разрушаемой среде и может служить основой для выбора оптимальных параметров скважинных зарядов
На рис. 4а приведена сетка треугольных элементов, на которые была разбита область моделирования АВСБЕЕОН. Ее конфигурация отвечает третьему этапу разрушения отбиваемого блока. Границы ВСБЕ и ЕОНА свободны от напряжений и на них <гп = тп = 0, АВ и ЕЕ -плоскости симметрии, где и = 0, тху = 0
б б
Рис. 4. а — расчетная область и сетка конечных элементов, используемые для определения полей напряжений, вызванных давлением продуктов детонации на границы взрывных скважин. 1-5 — номера скважин; б — распределение главного напряжения аь соответствующее одному и тому же значению давления р = 500 МПа во всех взрывных скважинах
Здесь и - перемещение узловых точек по оси X , Тху - касательное напряжение в плос-
лу
кости оху.
Области, в которых сетка конечных элементов не показана, соответствуют местам расположения скважинных зарядов. При расчетах в узловых точках, ограничивающих эти области, были заданы силы, эквивалентные действию давления продуктов детонации. Результатом решения поставленной задачи являются величин перемещений, напряжений и деформаций во всех точках расчетной области [4].
На рис. 46 показано распределение напряжения аь соответствующее одним и тем же значениям давления р = 500 МПа во всех взрывных скважинах для предварительно нена-груженного массива, т.е. при проведении отбойки в условиях равенства нулю гравитационных и тектонических сил в блоке. Такие условия можно принять при отработке месторождений на начальной стадии освоения, когда глубина очистной выемки мала. Величина давления выбрана таким образом, чтобы а1 практически во всей области расчета превышало предел прочности руды на растяжение. Его
Рис. 5. Изменение относительной площади сечения, в которой выполняются условия разрушения за счет растяжения, в зависимости от значения внутреннего давления; S0 — площадь ЛБСБЕЕОН
значение принято равным 10 МПа.
Задание такого же значения давления в скважинах в предварительно напряженном за счет веса и тектонических сил блоке на глубине 500 м приводит к более чем двукратному превышению растягивающими напряжениями предела прочности горных пород в 80% его объема. Возникает вопрос, какое же значение давления на глубине 500 м достаточно для разрушения пород в блоке за счет действия растягивающих напряжений? Если р = 0, то распределение а1 в области моделирования АВ-СБЕЕОИ соответствует рис. 36. Зона сжимающих напряжений здесь занимает около половины площади рассматриваемого сечения. Как происходит изменение размеров области S, где достигаются предельные значения на растяжение при увеличении р, показано на рис. 5.
Видно, что наиболее интенсивно увеличение S происходит до р = 250 МПа. При дальнейшем росте давления это изменение незначительно, что связано с большими значениями сжимающих напряжений а1 в зонах сжатия (рис. 36). Таким образом, на рассматриваемой глубине отработки 500 м оптимальная величина давления на стенки взрывных скважин 150200 МПа.
Однако создавать такой уровень давления нужно не во всех взрывных скважинах. В тех из них, которые расположены в зонах растягивающих напряжений, формирующихся вследствие перераспределения исходного поля, масса ВВ и соответственно давление р могут быть уменьшены. В центре зоны растягивающих напряжений (рис. 36) расположена скважина 3. При Н = 500 м значения исходных напряжений а1 здесь таковы, что даже полное отсутствие
зарядов ВВ в этой скважине не оказывает влияние на суммарное напряженное состояние в зоне растяжения.
Для уменьшения размеров областей сжатия по а1 может быть использовано техническое решение, заключающееся в изменении расположения скважинных зарядов 1 и 5. Расчеты показали, что смещение расположения этих зарядов в направлении областей сжатия на 1 м уменьшает площадь областей, где а1< 0, в два раза.
Экспериментально-промышленные испытания рассмотренного способа взрывной от-
1. Курленя М. В., Еременко А. А., ШреппБ. В. Гео-механические проблемы разработки железорудных месторождений Сибири. — Новосибирск: Наука, 2001.
2. A.C. по заявке № 2001107380 на патент РФ от 19.03.2001 г. Способ разрушения целиков (А. В. Доро-шин, Г. Н. Волченко, С. В. Фефелов, И. В. Щетинин, С. Г. Замятин).
— Коротко об авторах ------------------------
Серяков В. М. — доктор технических наук, ИГД СО Волченко Г.Н- ОАО «ВостНИГРИ»
Серяков A.B. - аспирант, ИГД СО РАН.
бойки с использованием энергии исходного поля напряжений проводились в блоке № 8а этажа 255-325 м участка Болотный и в блоках №№ 311, 16 этажа 255-325 м участка Главный. Заряды ВВ, разрушающие массив блока в виде синусоиды, взрывали по предложенной схеме. Их масса (количество скважин в пучках), была снижена в среднем на 30 %. Выпуск руды из экспериментальных блоков показал, что удельный расход ВВ на вторичную отбойку не превышает его расхода при обычно применяемых способах отбойки.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Серяков В.М., Волченко Г.Н. Перераспределение напряжений в рудном блоке при отбойке // ФТПРПИ — 2003. — № 1.
4. Серяков В.М., Волченко Г.H., Серяков A.B. Геоме-ханическое обоснование параметров скважинных зарядов при отбойке напряженного массива // ФТПРПИ. — 2003. — № 5.
© Ю.А. Хохолов, А.Ф. Мамонов,
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 50
