CC BY
60
УДК 622.233:622.235:622.831
Г.Н. Волченко (кандидат технических наук, доцент ГОУ ВПО «СибГИУ»)
В.Н. Фрянов (доктор технических наук, заведующий кафедрой ГОУ ВПО «СибГИУ»)
В. М. Серяков (доктор технических наук, заведующий лабораторией УРАН «Институт горного дела СО РАН»)
Исследование влияния предразрушения горных пород на снижение энергоемкости взрывного дробления
Проведен анализ механизмов и способов предразрушения горной породы в процессе добычи полезного ископаемого в условиях высокого горного давления. Предложена ресурсосберегающая взрывная технология, позволяющая в процессе короткозамедленного взрывания снижать прочностные свойства горной породы в отбиваемом объеме за счет ее предразрушения.
Работа выполнена в соответствии с государственным контрактом № П1118 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы.
Ключевые слова: РУДНИК, ГОРНЫЙ МАССИВ, ПРЕДРАЗРУШЕНИЕ, ЗАРЯД ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА, КОРОТКОЗАМЕДЛЕННОЕ ВЗРЫВАНИЕ, НАПРЯЖЕНИЯ, ДЕФОРМАЦИИ
При разработке полезных ископаемых очень важной является проблема дезинтеграции горной массы с наименьшими энергетическими затратами, а следовательно, и снижения себестоимости товарной продукции. Наиболее остро эта проблема встает при разрушении крепких горных пород с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова более 4-5.
При технологиях добычи полезных ископаемых буровзрывным (БВР) способом энергетический баланс разрушения горной породы до товарной кондиции упрощенно можно представить в виде выражения:
Э = Эпред. + Эперв. + Эвтор. + Эдоф ’ (1)
где Э - общая суммарная энергия, затрачиваемая на разрушение полезного ископаемого до товарной кондиции, Дж;
Эпред. - энергия, затрачиваемая на процессы предразрушения горной породы, Дж;
Эперв. - энергия, затрачиваемая на первичную отбойку полезного ископаемого, Дж;
Эвтор. - энергия, затрачиваемая на вторичное дробление, Дж;
Эдоф - энергия, затрачиваемая на дробление в комплексах подземного дробления и на дробильно-обогатительных фабриках, Дж.
В ранее выполненных исследованиях установлено, что увеличение количества энергии (удельный расход взрывчатых веществ (ВВ)), затрачиваемой на первичное дробление Эперв (супердробление), снижает затраты энергии на вторичное дробление Эвтор., на дробление в комплексах под-
земного дробления и на дробильно-обогатительных фабриках Эдоф [1, 2]. Эта закономерность объясняет баланс затрачиваемых энергий разрушения с позиции закона сохранения энергии, вытекающего из первого закона термодинамики. Однако увеличение доли энергии (удельный расход ВВ), затрачиваемой на первичное дробление Эперв, с целью снижения доли энергий Эвтор. и Эдоф ограничивается экономически рациональным пределом, так как резко возрастает себестоимость БВР на данном этапе развития технологий.
Большой интерес вызывают механизмы формирования процессов предразрушения горной породы и доля энергии, затрачиваемой на процессы предразрушения горной породы Эпред, в общем энергетическом балансе разрушения горной породы в технологической цепочке. В современных методиках проектирования параметров БВР процесс предразрушения практически не учитывается. Косвенно процессы предразрушения можно учитывать при определении удельного расхода ВВ на первичную отбойку. Интенсификация процесса предразрушения горных пород до первичной взрывной отбойки является резервом снижения энергоемкости разрушения с обеспечением повышения качества дробления. Экономическая целесообразность повышения доли Эпред в энергетическом балансе энергий разрушения объясняется возможностью снижения значений Эперв., Эвтор. и Эдоф, что существенно повысит энергоресурсосбережение в последующих после взрыва технологических процессах. Оптимизация процессов предразрушения позволит управлять изменениями прочностных свойств горных пород, что наиболее актуально при их взрывном дроблении, механическом разрушении и т.д., дезинтеграционных и иных процессах горного производства.
Известны способы предразрушения горных пород, основанные на предварительном снижении прочности горных пород, при воздействии на них поверхностно-активными веществами (ПАВ), а также путем электрофизических и других воздействий в процессе горного производства [3]. Данные методы применяются в технологических процессах разрушения редко, т.к. эти технологии не доведены до эффективного промышленного применения, более того, применение этих методов значительно повышает себестоимость добычи полезного ископаемого.
При технологиях добычи полезных ископаемых буровзрывным способом М. А. Кук [1] классифицировал два основных вида предразрушения горных пород. Первичное предразрушение связано с влиянием экзогенного взрывного процесса на прочность отбитой породы, проявляющуюся при ее экскавации, дроблении и измельчении. Вторичное предразрушение связано с влиянием предшествующих взрывов на относительную прочность еще не отбитой породы.
В рамках современных представлений процесс разрушения горной породы характеризуется последовательным зарождением и развитием дефектов структуры на различных масштабных уровнях. Под интегральным влиянием природных и техногенных механических напряжений, в том числе при ведении БВР, происходит изменение природного напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород с деформированием их в зонах упругости, пластичности и в запредельном состоянии. Динамика и интенсивность таких деформаций зависят от вида взаимодействующих механических напряжений и структурно-механических свойств горной породы. При этом изменяются силы связей между минеральными агрегатами в горной породе, происходят сдвиги структурных блоков по природным и техногенным трещинам (линеаментам) и соответственно уменьшается прочность пород (рисунок 1).
Все виды механических нагружений - одноосное, двухосное, трехосное неравномерное, растягивающие, сдвигающие нагрузки характеризуются конечным разупрочняющим воздействием на
горную породу. Однако в некоторых случаях разупрочнение наступает только после того, как порода перейдет зону упрочнения (рисунок 2).
При наиболее общих физических подходах можно ограничиться рассмотрением двух основных стадий: зарождения и развития микродефектов и последующего формирования макроразрушений [4, 5]. Начальная стадия разрушения, когда происходит деформация и переориентация отдельных зерен, нарушение связей, развитие микродефектов, изменение прочностных и других свойств и состояния некоторого объема геосреды, характеризуется как состояние предразрушения [4]. Горные породы неоднородны, состоят из отдельных минеральных зерен, имеют структурные особенности и различную плотность микродефектов, что обусловливает формирование специфического поля напряжений с высокими локальными параметрами при внешнем воздействии.
Свойства
1 \ ^
/і X/ \а
1 / . 1 / к 1 /у
є
І 1 1 Ж Ж
I -закрытие трещин, нелинейная упругость; II - упругая деформация зерен и пор;
III - интенсивное развитие трещин; IV - запредельное деформирование;
01 - напряжения; (- удельная электрическая проводимость; ирц - скорость упругих волн вдоль линии нагружения; Кпр- коэффициент газопроницаемости; Аэ - акустическая эмиссия;
Дт - дилатансия
Рисунок 1 - Стадии деформации £ горной породы в процессе ее нагружения [5]
°сж
1 1 ^
1 2 | 1
\ | Зона упрочнения. 1
°раст. [^]раст. Меж °сж
осж, Орест - соответственно сжимающие и растягивающие нагрузки;
1, 2 - соответственно упрочняющиеся и разупрочняющиеся горные породы
Рисунок 2 - Принципиальные зависимости прочности горных пород от вида одноосных нагрузок [5]
В поликристаллических горных породах неравномерные сжимающие напряжения могут приводить к возникновению локальных напряжений растяжений, обусловливающих возможность развития микродефектов (рисунок 3).
I, II, III, IV - трещины соответственно межзеренная, трансзеренная, в единичном зерне, клиновидные на границе зерна
Рисунок 3 - Различные типы микротрещин, инициированных в процессе неупругой
деформации поликристалла [5]
Из анализа результатов работ по выявлению закономерностей развития микротрещин в образцах горных пород при квазистатическом нагружении следует, что структура области предразруше-ния породы может быть определена как кластер - связанные каналы сложной геометрии. Образование кластеров микронарушений на стадии предразрушения не всегда ведет к дезинтеграции породы, но может в значительной степени изменить ее проницаемость и прочностные свойства [4]. В неоднородном материале на стадии предразрушения формируются локальные микрообъемы запредельного деформирования, развитие которых сопровождается геофизическими явлениями (акустической эмиссией, температурными изменениями, магнитными изменениями и т.п.) с генерацией микро- и нано-размерных частиц [4, 6, 7].
Проведенные исследования процесса разрушения горных пород под действием растягивающих напряжений выявили, что при растяжении образцов со скоростью нагружения V более 10-5 МПа/с наблюдалось изменение типа разрушения от одноочагового разрушения в области квазистати-ческого нагружения к многоочаговому при импульсном растяжении [8]. Кроме того, опыты показали, что, начиная с некоторой скорости деформирования, в образце оказывается возможным возбуждение не только наиболее опасных дефектов поверхности, но и части спектра дефектов объема твердого тела. При этом, по данным работы [8], возможна реализация малоэнергоемкого механизма разрушения вследствие изменения типа разрушения: от одноочагового разрушения в области квазистатиче-ского нагружения к многоочаговому при импульсном растяжении. В результате этого формируется ансамбль одновременно растущих и взаимодействующих микротрещин большой концентрации. Закономерности развития микротрещин в ансамбле существенно отличаются от закономерностей развития одиночных трещин, что определяет поведение твердых тел в условиях импульсного растяжения. Динамика разрушения при взрывном воздействии на промышленные блоки соответствует исследуе-
мым диапазонам скорости нагружения. Таким образом, возможно создание на этом принципе механизма управления энергоемкостью разрушения.
Показанная на рисунке 4 схема короткозамедленного взрывания (КЗВ), разработанная для технологии отбойки блоков по схеме «синусоида» [9], создает предпосылки использования всех упомянутых выше основных видов предразрушений горной породы до взрыва основной массы зарядов ВВ: взрывное предразрушение, а также предразрушение при геомеханических напряжениях (гравитационно-тектонических, техногенных), за счет изменения НДС горных пород [2, 3].
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
Рисунок 4 - Схема расположения и взрывания пучковых зарядов ВВ при отбойке панели с формированием центрального ряда по синусоиде
В работах [10-12] методом математического моделирования были получены интересные результаты. На рисунке 5,а показаны изолинии перераспределения исходного статического поля напряжений на последнем этапе формирования синусоидального массива. Даже в квазистатическом, не учитывающем динамических воздействий от взрыва зарядов ВВ, решении при определенных условиях в синусоидальной части модели возникают растягивающие напряжения ст1, превосходящие заданный предел прочности материала, что предполагает разрушение модели по заданным критериям, без взрыва зарядов ВВ последних ступеней замедления.
а б
а - изолинии напряжения ст1, МПа, в технологическом блоке после третьей стадии разрушения;
б - изолинии напряжения ох, МПа, с учетом приложения дополнительной статической нагрузки в местах расположения взрывных скважин, моделирующей квазистатическое действие взрыва зарядов ВВ; (-) - сжимающие напряжения
Рисунок 5 - Изолинии перераспределения исходного статического поля напряжений в синусоидальном массиве на последней стадии его формирования при [о]р = 14 МПа
На рисунке 5,б показаны изолинии напряжения с, МПа, с учетом приложения дополнительной статической нагрузки в местах расположения взрывных скважин, моделирующей квазистатическое действие взрыва зарядов ВВ. Критерий разрушения модели выполняется и при снижении давления в некоторых скважинах синусоидального ряда до нулевых значений.
Реализацию процессов предразрушения изучали на физических моделях при физическом моделировании по методике, подробно описанной в работе [13]. На рисунке 6 показана схема экспериментов, моделирующая взрывное разрушение показательного фрагмента общей схемы КЗВ без взрывания центрального синусоидального ряда зарядов ВВ (удельный расход ВВ д = 3,37 кг/м3) при различных значениях статической нагрузки на модель.
а, б, в - при формировании прямолинейного массива; г, д, е - при формировании синусоидального массива; 0, 1 - очередность взрывания
Рисунок 6 - Характер влияния сжимающей нагрузки о = 0,75 [о]сж на качество взрывного дробления физических моделей без взрыва зарядов ВВ в центральных рядах
При малых значениях сжимающей статической нагрузки (рисунок 7) процесс предразрушения синусоидальной части модели за счет зарождения и развития микродефектов с последующим формированием макроразрушений малоэффективен (диаметр среднего куска бср = 15,110-3м), на что указывает графическая зависимость 3. Однако анализ гранулометрического состава показывает, что степень дробления моделей бср без взрывания центрального синусоидального ряда зарядов ВВ с увеличением нагрузки атах > 0,65 [а] приближается к степени дробления подобных моделей при осуществлении взрывания центрального синусоидального ряда зарядов ВВ (удельный расход ВВ д = 6,12 кг/м ) в общей схеме КЗВ (зависимость 2).
В данном случае можно предположить, что при увеличении нагрузки на модель снижается дробящее действие взрыва зарядов ВВ центрального синусоидального ряда. Энергия взрыва расходуется не на дополнительное дробление, а на разброс дезинтегрированной (диспергированной) за счет процессов предразрушения синусоидальной части массива модели. Можно предположить, что при увеличении сжимающей нагрузки увеличивается взаимодействие зарядов ВВ, взрываемых одной ступенью замедления, по линии приложения нагрузки. Следовательно, что для поддержания дробящего эффекта необходимо избегать указанных технологических ситуаций, при этом целесообразно снижать значения интервалов времени замедления взрыва зарядов ВВ в областях предразрушения.
сіср
>| д ______і______і_______і______і______і_______і_______і______і
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,0 а.(ст]
1 - с прямым развальным рядом; 2 - с синусоидальным развальным рядом;
3 - с незаряжаемым синусоидальным рядом
Рисунок 7 - Зависимости изменения диаметра среднего куска дср, 10-3м, взорванных физических моделей от увеличения отношения одноосной сжимающей нагрузки а, МПа,
к пределу прочности [а], МПа
Активизация эндогенных процессов в экспериментах по взрывному дроблению напряженных моделей по поперечно-оконтуривающим схемам взрывания на одну свободную поверхность при атах > 0,65 [а] была отмечена и в работе [14]. При сжимающих нагрузках атах > 0,65 [а] степень дробления увеличилась, а значения бср после монотонного роста стали снижаться.
Кривая 1 на рисунке 7 показывает зависимость увеличения значения бср от увеличения сжимающей нагрузки при разрушении физических моделей прямолинейными рядами зарядов ВВ (удельный расход ВВ д = 6,12 кг/м3), которая моделирует применяемую в настоящее время схему КЗВ при отбойке технологических блоков на железорудных шахтах Сибири. Анализ результатов экспериментальных взрывов на физических моделях по схеме КЗВ «синусоида» без взрывания центрального синусоидального ряда зарядов ВВ (удельный расход ВВ д = 3,37 кг/м ) показывает, что при сниженном на 45% удельном расходе ВВ при нагрузках атах > (0,7 - 0,8) [а] (кривая 3) значения бср приближа-
ются к значениям, полученным при взрыве всех зарядов ВВ в схеме «синусоида» с удельным расходом д = 6,12 кг/м (кривая 2). На рисунке 7 показано, что при атах > 0,4[а] значения бср при взрыве зарядов ВВ по схеме КЗВ «синусоида» без взрывания центрального синусоидального ряда (кривая 3) ниже, чем при осуществлении взрывного разрушения физических моделей прямолинейными рядами зарядов ВВ (кривая 1), и это при условии, что удельный расход ВВ снижен почти в 2 раза.
В схеме КЗВ «синусоида» за счет первоначального образования ослабляющих полостей взрывом зарядов ВВ одинаковой ступени замедления, расположенных с противоположных границ блока в шахматном порядке, происходит формирование обширных полей касательных динамических напряжений, за счет чего осуществляется первоначальное образование микронарушений на первых стадиях предразрушения. Модель первичного взрывного предразрушения за счет интерференции взрывных волн напряжений от взрыва зарядов первой ступени замедления схематично показана на рисунке 8,а (заряды ВВ нулевой ступени уже образовали воронки разрушений). Схема, показанная на рисунке 8,а, предлагает модель взрывного предразрушения материала, основывающуюся на известном механизме первоначальной фазы взрыва [1, 5], когда разрушение материала осуществляется за счет действия ударных волн, волн сжатия и разгрузки при взрыве зарядов ВВ для формирования синусоидальной формы блока (заряды ВВ, образующие ослабляющие полости).
В нашем случае в формируемом синусоидальном массиве за счет создания динамического поля касательных напряжений от взрыва асимметричных зарядов ВВ происходит первоначальное образование кластеров микронарушений. На рисунке 8,а не показана интерференционная картина волн напряжений от взрыва зарядов ВВ нулевой ступени замедления, энергия которых также участвует в предварительном предразрушении синусоидального массива модели. При совместном рассмотрении рисунков 8,а и 5,а можно заметить, что области концентрации отраженных волн, формирующие области динамических полей растягивающих напряжений в вершинах «синусоиды», совпадают с образующимися позже за счет формоизменения областями действия статических полей растягивающих напряжений.
а - схема интерференции взрывных волн; б - характер разрушения модели при а = 0 МПа; 0, 1 - очередность взрывания; 2, 3 - волны сжатия и разгрузки соответственно;
4, 5 - образующиеся свободные поверхности
Рисунок 8 - Схема первичного взрывного предразрушения модели за счет волн сжатия и разгрузки при взрыве зарядов ВВ для формирования синусоидальной формы блока
Далее происходит следующая фаза взрыва, при которой начинают действовать расширяющиеся газообразные продукты взрыва, образующие взрывные воронки и отброс отбитого материала, формирующие ослабляющие полости и границы блока синусоидальной формы. После образования дополнительных поверхностей обнажения происходит перераспределение (со скоростью звука в данной среде) НДС массива физической модели, определяемого одноосной сжимающей нагрузкой а, моделирующей максимальные сжимающие напряжения, действующие в натурных условиях. При этом создаются условия для образования значительных по величине и распространению зон растягивающих напряжений [10-12], под действием которых происходит окончательное разрушение синусоидального массива, показанного на рисунке 6,б. Если сравнивать характер разрушения моделей на рисунках 8,б и 6,е, то можно заметить, что при приложении нагрузки на модель а = 0,75[а]сж разрушенный взрывом массив характеризуется меньшим диаметром среднего куска ^р, снижением средних значений крупных фракций и разбросом модельного материала.
Если степень дробления при управляемом самообрушении не будет удовлетворять технологическим кондициям, то необходимо будет использовать дополнительно энергию взрыва зарядов ВВ с уменьшенными интервалами замедления, учитывающими время образования трещиноватости в предразрушаемом горном массиве. На обратных принципах основаны рекомендации увеличения массы зарядов ВВ и времени интервалов замедления взрывов при определении рациональных параметров БВР при отбойке на массив зажимающей среды. Можно предположить, что при увеличении силовых параметров закрепления плоскости отбойки увеличивается энергоемкость и время разрушения материала в створе взрывной воронки [15] и наоборот. Поэтому нужно предусматривать дифференцированный подход к выбору оптимальных параметров замедлений и массы зарядов ВВ в зависимости от напряженно-деформированного состояния отбиваемых участков массива.
При проектировании параметров БВР необходимо предварительное моделирование НДС отбиваемого массива в процессе осуществления схемы КЗВ [10-12]. Рациональная дифференциация масс зарядов ВВ с учетом НДС характеризуется коэффициентом энергоемкости отбойки Э. При отбойке массива в поле сжимающих напряжений Эсж > 1; при отбойке массива в поле растягивающих
напряжений Эр < 1 [13]. Выражение для определения массы заряда ВВ с учетом НДС отбиваемого
участка массива сводится к виду:
О/- = д0 V • Кп • Э , (2)
где О, - масса /-того заряда ВВ, кг;
д0 - удельный расход ВВ в ненапряженном массиве, кг/м ;
V - объем, разрушаемый зарядом ВВ, м3;
Кп - коэффициент, учитывающий наличие существующих и вновь образуемых плоскостей обнажения [10];
Э - коэффициент энергоемкости отбойки, который согласно рисунку 2 при отбойке в поле растягивающих напряжений определяется из выражения:
Эр = *-Й ’ (3)
где Эр - коэффициент энергоемкости отбойки в поле растягивающих напряжений;
ар - значения растягивающих напряжений в отбиваемом массиве, МПа;
[а]р - предел прочности пород массива на растяжение, МПа;
при отбойке в поле сжимающих напряжений:
Э = 1 + С(СЖ (4)
Эсж = 1 + Г 1’ ' >
[СГСЖ \
где Эсж - коэффициент энергоемкости отбойки в поле сжимающих напряжений;
асж - значения сжимающих напряжений в отбиваемом массиве, МПа;
[а]сж - предел прочности пород на сжатие, МПа.
При определении оптимальных интервалов замедления между взрывами зарядов ВВ в общей схеме КЗВ используется аналогичный принцип. Промежуток времени между взрывами зарядов ВВ, предназначенных для перевода массива в предельное состояние, и последующими взрывами зарядов должен удовлетворять условиям, чтобы успело сформироваться новое поле напряжений и не начался процесс трещинообразования [16]. Время замедления должно выбираться для каждого заряда ВВ с учетом скорости перераспределения статического поля напряжений.
Рациональная дифференциация времени интервала замедления с учетом НДС характеризуется коэффициентом предразрушения А: при отбойке массива в поле сжимающих напряжений Асж > 1; при отбойке массива в поле растягивающих напряжений Ар < 1. Таким образом, выражение для определения времени интервала замедления с учетом НДС отбиваемого участка массива сводится к
виду:
Т / = Т • А , (5)
где 7/ - значение времени интервала замедления /-того заряда ВВ, с;
Т - значение оптимального времени интервала замедления в ненапряженном массиве, с;
А - коэффициент предразрушения, учитывающий интенсивность предразрушения отбиваемого массива, влияющую на дробящее действие от взрыва заряда ВВ.
Коэффициент предразрушения в поле растягивающих напряжений определяется из выражения:
Ар = * -С, (6)
уср \
где Ар - коэффициент предразрушения, учитывающий интенсивность предразрушения отбиваемого массива в поле растягивающих напряжений;
при отбойке в поле сжимающих напряжений:
А = * + Тсж (7)
Асж = 1 + г V
[СГСЖ \
где Асж - коэффициент предразрушения, учитывающий интенсивность предразрушения отбивае-
мого массива в поле сжимающих напряжений.
Основная идея разработанных энергоресурсосберегающих взрывных технологий [8, 9] - создание максимального предразрушения в объеме отбиваемой горной породы, т.е. максимального снижения ее прочностных свойств за счет формирования в этом объеме полей напряжения, способствующих дезинтеграции минеральных зерен на микроуровне, что будет увеличивать дробящий эффект последующего взрыва. При максимальных сжимающих тектонических напряжениях атах > (0,7-
0,8) [а] наблюдается интенсификация процессов предразрушения с переходом в процесс управляемого самообрушения, при котором взрывание синусоидального массива не требуется. Массив разрушится за счет комплексного воздействия описанных выше факторов. Причем интенсификация процесса разрушения синусоидального массива возможна за счет увеличения удельного расхода ВВ в зарядах, формирующих границы синусоидального массива, и выбора оптимального (для разрушения) режима взрывного воздействия на этот целик. Идея преобразования энергии упругих деформаций для повышения дробящего эффекта взрыва состоит в циклической инициации техногенных динамических явлений (микроударов) в горном массиве, в синтезе энергии этих явлений с энергией взрыва зарядов ВВ, природной гравитационной и тектонической энергией, высвобождением суммы этих энергий по принципу эмерджентности (появления нового качества процесса с новыми количественными параметрами) и преобразованием интегральной энергии деформаций горных пород в энергию ее разрушения. При этом долю взрывной энергии в общий баланс энергии разрушения необходимо снижать с целью повышения ресурсосбережения, эффективности производства, промышленной и экологической безопасности.
В работах [17,18] описываются подобные технологии управляемого самообрушения блоков, использующие вес налегающих пород, т.е. с вертикальным действием максимальных сжимающих напряжений. В нашем случае предлагаются ресурсосберегающие технологии при горизонтальном действии максимальных сжимающих напряжений, обусловливаемые тектоническими процессами в сейсмоактивных регионах. Разработанные методики будут способствовать увеличению ресурсосберегающих эффектов при использовании перспективного направления крупномасштабной отбойки в подземных геотехнологиях [19].
Испытание технологии проводилось на шахте «Шерегешская» в блоке № 8а этажа 255-325 м участка Болотный и в блоках № 311 и 16 этажа 255-325 м участка Главный при действующих напряжениях атах =(0,4-0,5)[а], (60 МПа). При этом снижение удельного расхода ВВ на первичную отбойку составило от 3 до 15% по сравнению с прямолинейной схемой КЗВ (за счет снижения массы зарядов ВВ в областях интенсивного предразрушения, вызываемого растягивающими напряжениями) и не повлияло на качество дробления (удельный расход на вторичное дробление не изменялся). Экономический эффект составил 1,0 руб./т отбиваемой руды (в ценах 2002 г.).
Первым этапом промышленных испытаний схемы КЗВ «синусоида» является внедрение данной схемы в специальный проект на массовый взрыв с расчетом масс зарядов ВВ по предлагаемой методике, без снижения удельного расхода на первичную отбойку. После получения удовлетворительных результатов в последующих проектах рекомендуется поэтапное снижение массы зарядов ВВ в установленных, например методом математического моделирования, зонах предразрушения на 5-10 %.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1 На период ведения подготовительных и нарезных горных работ, заряжания и монтажа взрывной сети в охраняемых подземных сооружениях необходимо минимизировать уровень предраз-рушения горного массива. Инициирование эндогенных процессов предразрушения в объеме отбиваемой горной породы начинают первыми ступенями замедления взрывов зарядов ВВ в общей схеме КЗВ «синусоида».
2 Основная идея разработанных энергоресурсосберегающих взрывных технологий - создание планомерного максимального предразрушения в объеме отбиваемой горной породы, т.е. максималь-
ного снижения ее прочностных свойств за счет формирования в этом объеме полей напряжения, способствующих дезинтеграции минеральных зерен на микроуровне. Последующее формирование макроразрушений осуществляется за счет реализации малоэнергоемкого механизма разрушения вследствие изменения типа разрушения: от одноочагового разрушения в области квазистатического нагружения к многоочаговому при импульсном растяжении.
3 Из анализа гранулометрического состава взорванной массы физических моделей следует, что с увеличением сжимающей нагрузки применение схемы КЗВ «синусоида» с пониженным удельным расходом ВВ позволяет улучшить качество дробления модельного материала по сравнению с применяемой в настоящее время схемой КЗВ с отбойкой прямолинейных рядов зарядов ВВ, ориентированных по действию максимальных сжимающих напряжений со стороны вмещающих пород.
4 При совершенствовании методики проектирования параметров БВР для поддержания дробящего эффекта взрыва зарядов ВВ необходимо предусматривать дифференцированный подход к выбору оптимальных параметров замедлений, масс зарядов ВВ в зависимости от напряженно-деформированного состояния отбиваемых участков массива.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Кук, М.А. Наука о промышленных взрывных веществах / М.А. Кук. - М.: Недра, 1980. - 453 с.
2 Мец, Ю.С. Исследование влияния взрывного нагружения на дробление, измельчение и обогащение железистых кварцитов /Ю.С. Мец, А.П. Левицкий // Научный вестник КУЭИТУ «Новые технологии». - 2010. - № 1 (27). - С. 209- 212.
3 Латышев, О.Г. Разрушение горных пород /О.Г. Латышев. - М.: Теплотехник, 2007. - 672 с.
4 Викторов, С.Д. Определение состояния предразрушения горных пород по генерации микро-и наноразмерных частиц / С.Д. Викторов, А.Н. Кочанов, А.А. Осокин // Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2010»: сборник статей. Отд. выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). - М.: Горная книга, 2010. - № ОВ1. - С. 419 - 422.
5 Новик, Г.Я. Управление свойствами пород в процессах горного производства / Г.Я. Новик, М.Г. Зильбершмидт. - М.: Недра, 1994. - 224 с.
6 Мирошниченко, М.И. Изучение электромагнитных импульсов при зарождении трещин в твердых диэлектриках / М.И. Мирошниченко, В.С. Куксенко // Физика твердого тела. - 1980. - Т.22.
- Вып.5. -С.87-91.
7 Курленя, М.В. Фоновое электромагнитное излучение горных пород, регистрируемое в подземных выработках / М.В. Курленя, Г.И. Кулаков, А.Г. Вострецов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2002. - № 2. - С. 46-52.
8 Белендир, Э.Н. Сопротивление разрушению горных пород при временах нагружения 10 -2 -10-6 с / Э.Н. Белендир, В.Ф. Клятченко, А.И. Козарчук [и др.\ // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1991. - N2. - С. 46 - 49.
9 Волченко, Г.Н. Разработка способов взрывной отбойки рудных блоков с учетом напряженно-деформированного состояния массива: дис. ... канд. техн. наук / Г. Н. Волченко. - Новосибирск, 2003.
- 135 с.
10 Серяков, В.М. Перераспределение напряжений в рудном блоке при отбойке / В.М. Серяков, Г.Н. Волченко // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2003. - № 1.
- С. 18-24.
11 Серяков, В.М. Геомеханическое обоснование параметров скважинных зарядов при отбойке напряженного массива / В.М. Серяков, Г.Н. Волченко, А.В. Серяков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2003. - № 5. - С. 23-29.
12 Серяков, В.М. Геомеханическое обоснование схем отбойки рудных блоков, учитывающих перераспределение статического поля напряжений при короткозамедленном взрывании / В.М. Серяков, Г.Н. Волченко, А.В. Серяков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.
- 2005. - № 1. - С. 46-52.
13 Волченко, Г.Н. Энергоресурсосберегающие технологии взрывной отбойки напряженных горных пород на рудниках / Г.Н. Волченко. - Новокузнецк: СибГИУ, 2010. - 238 с.
14 Машуков, И.В. Разработка способов взрывного дробления неравномерно напряженных массивов при подземной добыче руд: автореф. дис. ... канд. техн. наук /И.В. Машуков. - М., 1983.
- 14 с.
15 Волченко, Н.Г. Изыскание способов повышения дробящего действия взрыва при отбойке массива на зажимающую среду: дис. ... канд. техн. наук / Н.Г. Волченко. - М., 1974. - 142 с.
16 Капленко, Ю.П. Управление напряженным состоянием пород и параметрами отбойки при очистной выемке на глубоких горизонтах подземных рудников: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Ю.П. Капленко. - М., 1987. - 32 с.
17 Квапил, Р. Новые взгляды в теории горного давления и горных ударов / Р. Квапил. - М.: Недра, 1959. - 108 с.
18 Влох, Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках / Н.П. Влох. - М.: Недра, 1994. - С. 161-169.
19 Викторов, С.Д. Взрывное разрушение массивов горных пород как основа прогресса в горном деле России / С.Д. Викторов, В.М. Закалинский // Информационный бюллетень украинского союза инженеров- взрывников. - 2009. - №4. - С.11-17.
RESEARCH OF ROCK MASS PRE-FRACTURE INFLUENCE ON POWER CONSUMPTION OF BLAST CRUSHING
G.N. Volchenko, V.N. Frianov, V.M. Seriakov
Analysis of the mechanisms and methods of prefracture of rock during mining operations under high rock pressure is fulfilled. Resource-saving explosion technology is suggested which in the process of short-delay blasting will allow to reduce strength properties of rock in the blasted section due to its prefracture.
Work was carried out in accordance with state contract No. П1118 of Federal target program «Scientific and scientific-pedagogical cadres Innovative Russia» for 2009
- 2013.
Key words: MINE, ROCK MASS, PREFRACTURE, EXPLOSIVE CHARGE, SHORT-DELAY BLASTING, STRESS, DEFORMATIONS
Волченко Григорий Николаевич E-mail: [email protected] Фрянов Виктор Николаевич E-mail: [email protected] Серяков Виктор Михайлович Е-mail: vser@misd. nsc. ru
