CC BY
24
УДК 622.235.5
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОНЫ НАРУШЕННОСТИ ЗАКОНТУРНОГО МАССИВА И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Рассмотрены условия формирования зоны нарушенности законтурного породного массива в зависимости от параметров расположения зарядов взрывчатых веществ в оконтуривающих шпурах.
Ключевые слова: ПРОХОДЧЕСКИЙ ЗАБОЙ; ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА; ЗАРЯД; УДАРНАЯ ВОЛНА; РАЗРУШЕНИЕ
При углублении горных выработок происходит трансформацию состояния породного массива вследствие изменения различных механических процессов, связанных с действующим горным давлением и общим напряженным состоянием. В таких условиях изменяется и устойчивость породных обнажений при сооружении горных выработок, особенно при использовании взрывных работ.
Процесс разрушения горных пород взрывом характеризуется строго определенным пределом энергоемкости качественного дробления, зависящим от прочностных свойств породы, характера её разрушения, естественного распространения микро и макротрещин, показате-
ля степени дробления, избранной схемы расположения зарядов взрывчатых веществ (ВВ) и полностью определяет необходимые энергетические затраты взрыва на разрушение необходимого объема горной породы. При увеличении энергии взрыва до величины выше предела энергоемкости разрушения, улучшения качества дробления обычно не наблюдается, но при этом имеют место непроизводительные перерасходы энергии на излишние разрушения породного массива за контуром горной выработки.
Из методов управления энергией взрыва, базирующихся на использовании энергетических параметров процесса разрушения породного массива, в горнодобывающей промышленности используют следующие: выбор типа ВВ в соот-
ветствии с конкретными горно-геологическими характеристиками разрушаемой горной породы; выбор конструктивных параметров взрываемых зарядов ВВ; количественная оценка запаса энергии применяемых ВВ и равномерности распределения её по разрушаемому породному массиву; регулирование условий передачи энергии взрыва окружающей породе.
Завышенная концентрация энергии ВВ в оконтуривающих шпурах горной выработки приводит к нарушенности законтурного массива, что, в свою очередь, ведет к потере устойчивости породных обнажений.
Степень нарушенности законтурного массива зависит от напряженного состояния породы вокруг горной выработки, параметров взрыва, свойств взрывчатого вещества и кривизны траектории размещения оконтуривающих шпуров.
В ранее опубликованных нами материалах [1] были приведены результаты производственных исследований влияния взрывных работ на состояние законтурного массива без пояснения физической сущности происходящих процессов, изучение которых позволило бы управлять влиянием энергии взрыва на окружающий породный массив.
При взрыве зарядов ВВ в окружающий породный массив переходит мощная ударная волна трансформирующаяся затем в волну напряжения, взаимодействие которых с породным массивом и формирует зоны нарушенности.
Действие взрыва в оконтуривающих шпурах происходит при наличии двух обнаженных поверхностей, поэтому на законтурный массив действуют как прямые волны напряжений, так и отраженные от предконтурной плоскости обнажения волны.
По данным исследований А.Н. Ханукаева максимальные радиальные напряжения в крепких горных породах при взрывании удлиненных зарядов ВВ составляют
_ _ Рс* /24 , 3600 , 86400 1П2
&,тах — ( — "Г —з "Г —3 ) IV (ЛЛ
ё г г г О;
где рср - акустическая жесткость горной породы; 7 = - относительное расстояние до приведенной точки.
Проходящая по породному массиву волна напряжения создает зону предразрушения, а при ее подходе к обнаженной поверхности, образованной после взрыва отбойных шпуров, происходит ее отражение на границе раздела сред. Отраженная волна напряжений может распространяться в законтурный массив, если к моменту ее формирования между оконтуривающи-ми шпурами еще не будут образованы трещины.
Это условие можно выразить в виде:
г < t + г ,
тр — пр отр '
где г^ - время соединения встречных трещин от соседних шпуров; гпр - время распространения прямой волны напряжений до обнаженной поверхности; готр - время распространения отраженной волны напряжений до проектного контура выработки.
Е _
(2)
где Е - расстояние между оконтуривающими шпурами; Птр - скорость разрушения участков породы между шпурами в ряду.
-Ж.
ир - и«р - , (3)
где Ж - линия наименьшего сопротивления окон-туривающего ряда; Ср - скорость распространения возмущений в породном массиве.
Откуда:
Из полученного выражения видно, что минимальное расстояние между оконтуриваю-щими шпурами, обеспечивающее локализацию отраженной волны, зависит от скорости разрушения участков породы между оконтуривающи-ми шпурами, скорости распространения волны напряжений и величины линии наименьшего сопротивления оконтуривающего ряда.
В лабораторных условиях на моделях было проведено сравнение влияния на величину зон нарушенности только одного фактора -кривизны траектории размещения зарядов окон-туривающих шпуров.
Исследования влияния других факторов были проведены в производственных условиях шахт Кузбасса. Величина нарушенности законтурного массива определялась методом сквозного ультразвукового прозвучивания законтурного массива пород после взрыва зарядов ВВ и исследованием на энергоемкость разрушения породных кернов, извлеченных из законтурного массива. Оценочными факторами являлись: коэффициент крепости пересекаемых горных пород; расстояния между оконтуривающими шпурами; повторность воздействия взрывных нагрузок от действия взрыва зарядов ВВ последующих циклов; изменение нарушенности породного массива в направлении глубины шпуров.
Исследования показали, что по всей длине выработки породный массив получает нару-шенность глубиной 0,5 - 1 м. Кроме того, через некоторый интервал, равный длине применяемой внутренней забойки, наблюдаются допол-
17
нительные ослабления массива общей глубиной до 0,7 - 1,35 м.
Исследования трещиноватости кернов, взятых из законтурного массива, показали, что на глубине 10 - 20 см образуется густая сеть трещин, на глубине до 40 см сеть трещин становится реже, а на глубину до 1 м и более распространяются лишь отдельные трещины. Более точную картину изменения состояния законтурного массива дает исследование на энергоемкость разрушения образцов породы, взятых с различной глубины законтурного пространства после взрыва.
Относительная энергоемкость разрушения, равная единице, получена на глубине несколько большей, чем глубина нарушенности, установленная анализом трещиноватости кернов и ультразвуковым методом. Общую зону на-рушенности породного массива вокруг горной выработки можно разделить на область трещи-нообразования, непосредственно прилегающую к контуру выработки, простирающуюся вглубь массива до 0,3 - 0,5 м и область волнового ослабления породы, простирающуюся за областью трещинообразования до глубины 1,1 - 1,5 м. На величину зон нарушенности влияет форма контура выработки. Установлено, что наибольшая глубина зоны нарушенности наблюдается при минимальном радиусе кривизны размещения зарядов ВВ. При этом, глубина зон нарушенно-сти в своде выработки составляет 1,2 - 1,3 глубины зоны нарушенности в боках выработки.
Значительное влияние на величину зон нарушенности и их состояние оказывает расстояние между оконтуривающими шпурами. Исследования глубины нарушенности законтурного массива в зависимости от расстояние между оконтуривающими шпурами (Е) были проведены в слаботрещиноватых породах в диапазоне расстояния между оконтуривающими шпурами от 0,4 до 0,9 м. Во всех случаях линия наименьшего сопротивления (Ш) была не менее 0,6 м, что обеспечивало локализацию отраженной волны. Было установлено, что с увеличением расстояния между оконтуривающими шпурами глубина нарушенности законтурного массива уменьшается.
Полученные результаты позволили установить рациональные соотношения расстояний между оконтуривающими шпурами и величиной наименьшего сопротивления для различных крепостей горных пород, при которых обеспечиваются условия локализации отраженных волн напряжения.
Для горных пород с/ =9-12 Е<2Ш, с/=6-
8 Е<1,6Ж, с /=4-6 Е<1,4Ш. При этих условиях влияние отраженной волны напряжения на разрушение законтурного массива будет незначительно.
При соблюдении этого условия законтурный массив не будет подвергаться дополнительному разрушению за счет действия отраженной волны напряжения, дальнейшее разрушение будет происходить за счет действия расширяющихся продуктов детонации, остаточное давление которых может быть определено из выражения р = р„ = р„р2
п0 8п0 (5)
где по - коэффициент, учитывающий снижение давления за счет образования зоны пластических деформаций, ■■■ ■ .
Разрушение горной породы под действием остаточного давления продуктов взрыва (ПВ) будет эффективно происходить при возможности беспрепятственного смещения в каком-либо направлении.
При взрыве зарядов ВВ оконтуривающих шпуров, из-за высокой скорости разрушения, которая на небольших расстояниях от заряда ВВ близка к скорости распространения волн напряжения, при значительной скорости прорастания трещин, прорыв газообразных ПВ от соседних шпуров через обнаженную поверхность, возможен при коэффициенте сближения ■ ■—а 2
у/
При меньших значениях этого коэффициента продукты детонации, в первую очередь, будут проникать по трещинам, соединяющим соседние шпуры и массив начнет смещаться в сторону свободной поверхности как одно целое, а продукты детонации будут продолжать развивать трещиноватость как в смещаемом слое, так и в неподвижном законтурном массиве. Это приводит к увеличению нарушенности законтурного массива, если оконтуривающие шпуры были пробурены по линии проектного сечения. Для ослабления влияния такого явления оконту-ривающие шпуры необходимо бурить на определенном расстоянии от проектного контура, зависящем от физико-механических свойств горной породы.
Существенное влияние на величину зоны видимых разрушений и глубину проникновения трещин оказывает расстояние между оконтуривающими шпурами. С увеличением расстояния между зарядами ВВ в оконтуривающих шпурах снижается коэффициент затухания скорости разрушения породы в приконтурном слое. «Перебуры» породы за проектный контур выработки зависят от угла наклона оконтуривающих шпуров, их глубины и положения устьев шпуров от-
носительно проектного контура. Немаловажное значение имеют свойства применяемых взрывчатых веществ и вес зарядов в оконтуривающих шпурах, которые должны удовлетворять основным требованиям:
• обеспечивать качественное отделение породы от массива и равномерное дробление её;
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Масаев, Ю. А. Влияние параметров буровзрывных работ на состояние законтурного массива горных выработок / Ю. А. Масаев, // Вестн. КузГТУ: - Кемерово. - 2000.- №5. - С. 85-87.
2. Масаев, Ю.А. Исследование механизма формирования зоны нарушенности породного массива после взрывания зарядов ВВ в оконтуривающих шпурах / Ю. А. Масаев // Вестн. КузГТУ: - Кемерово.-2013. - №3. - С. 21-23.
• обеспечивать формирование проектного контура горной выработки;
• обеспечивать минимальную нарушен-ность законтурного породного массива.
PERIMETER MASSIF DISRUPTION ZONE FORMATION CONDITIONS AND ITS IMPACT ON MINE OPENING STABILITY STUDY
Domanov V. P., Massaev Y. A., Massaev V. Y., Balaganskaya Y. N.
Perimeter massif disruption zone formation conditions depending on parameters of explosion charges location in perimeter blast-holes are reviewed.
Key words: MINE HEADING FACE, MINE OPENING, CHARGE, SHOCK WAVE, DISRUPTION
Виктор Петрович Доманов e-mail: [email protected]
Юрий Алексеевич Масаев
Владислав Юрьевич Масаев
Евгения Николаевна Балаганская
19
