CC BY
104
УДК 622.235.113
М. Д. Войтов, А. Б. Сабанцев
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННЫХ ВОРОНКООБРАЗУЮЩИХ ВРУБОВ
Действующими в настоящее время в России правилами безопасности при производстве взрывных работ в угольных шахтах, опасных по газу и пыли [1], предусмотрен ряд изменений, позволяющий повысить эффективность взрывных работ при проведении выработок относительно действующих «Единых правил безопасности при взрывных работах».
Разработанные параметры основного варианта и подвариантов комбинированного воронкообразующего вруба (КВВ) могут использоваться в рудных и угольных шахтах в забоях, не опасных по газу и пыли.
Для того чтобы использовать такие параметры
допущенными по безопасности, на рис. 1 приведены графики зависимости расстояний между шпурами от крепости пород для ВВ II, Ш-1У и V классов по дискретным значениям атЫ, установленным [1].
Сглаженные значения минимально допустимых расстояний определены по графикам рис. 1 и сведены в табл. 2., из данных которой следует, что во всех условиях взрывания при применении промышленных ВВ, расстояния между шпурами на контуре вруба больше допущенных по условиям безопасности и, следовательно, врубы КВВ по условиям отсутствия уплотнения смежных зарядов удовлетворяют требованиям [1].
Таблица 1. Минимально допустимые расстояния между смежными шпуровыми зарядами
Условия Минимально допустимые расстояния между смежными шпуровыми зарядами атЫ, м при применении ВВ классов по предохранительности
взрывания II III-IV V VI
по углю 0,6 0,6 0,5 0,4
по породе при / < 7 0,5 0,45 0,3 0,25
по породе при . / = 7-10 0,4 0,3 - -
Таблица 2. Сглаженные минимально допустимые расстояния
Класс ВВ по предохранительности Сглаженные минимально допустимые расстояния между смежными шпуровыми зарядами атЫ, мм в породах с коэффициентом крепости /
Уголь 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15
II 600 590 540 510 480 450 430 410 385 370 340 315
III-IV 600 570 520 470 430 3900 350 320 290 265 230 210
V 500 460 390 325 275 230 190 - - - - -
врубов в опасных условиях угольных шахт необходимо, чтобы они удовлетворяли требованиям [1] о допустимых режимах короткозамедленного взрывания, но также обеспечивали условия, при которых не будет происходить взаимоуплотнения смежных шпуровых зарядов на контуре вруба и этих же зарядов сосредоточенных в скважинах.
Согласно [1] минимально допустимые расстояния между смежными шпуровыми зарядами диаметром 36 мм по условиям исключения их уплотнения, в зависимости от крепости пород и класса ВВ, приведены в табл. 1.
При этом в породах с />10 расстояние между смежными шпуровыми зарядами должно определяться нормативами, разработанными по согласованию с организацией-экспертом по безопасности взрывных работ.
Для того, чтобы выполнить проверку рассчитанных по эффективности разрушения массива расстояний между шпурами на контуре вруба с
Если расстояния между шпуровыми зарядами во всех условиях взрывания удовлетворяет требованиям [1], то величина допустимого приближения шпуровых зарядов к сосредоточенному требует обоснования.
Для выполнения обоснования, в качестве справки, следует привести данные о области применения непредохранительных ВВ в зависимости от крепости пород. Так по [1] непредохранительные ВВ, не содержащие сенсибилизаторов более чувствительных, чем тротил (аммонит 6ЖВ), могут использоваться во всех породах по крепости. Детонит М и аммонал скальный № 3, содержащие более чувствительные сенсибилизаторы - в породах с/от 7 до 10, только во врубах, а в породах с / более 10 - любые ВВ в забоях, не опасных по газу и пыли.
Отсутствие уплотнения, отказов и выгорания смежных зарядов при атЫ обосновано прямыми экспериментами в угольных шахтах при взрыва-
Рис. 1. График дифференцированных минимально допустимых расстояний между смежными шпуровыми зарядами по нормативам действующих ПБ
нии зарядов цилиндрическои конструкции диаметром 36 мм и обобщенным анализом практики ведения взрывных работ, что позволило уточнить и дифференцировать результаты с учетом удельной мощности (энергии) зарядов и оформить в Правила безопасности.
Заряды в скважинах вруба конструктивно отличаются от шпуровых различным соотношением длины к их диаметру. Если заряды в шпурах при использовании стандартных патронов ВВ относятся к цилиндрическим, то заряды в скважинах вруба могут быть по своему действию как приближающиеся к сферическим, при отношении длины к его диаметру не более 4 [2], так и переходными к цилиндрическим, когда приведенное соотношение превышает 4.
Термин «переходные к цилиндрическим» означает, что между сферическими и цилиндрическими зарядами нет четкой границы, поскольку вследствие меньшей скорости распространения волны напряжения в более сжатой зоне (у торцов зарядов), на некотором удалении от продольной оси заряда, в принципе, любая цилиндрическая волна преобразуется в сферическую. Однако следует отметить, что в пределах атЫ цилиндрическая волна от шпуровых зарядов массой 400 г и более не успевает трансформироваться в сферическую и распространяется в массиве по закономерностям цилиндрической волны.
Поэтому при обосновании допустимого отстояния шпуровых зарядов, по условиям отсутствия их уплотнения, от зарядов в скважинах вруба использованы закономерности затухания волн напряжения с относительным расстоянием с учетом соотношения их геометрических размеров.
Согласно теоретическим положениям [3, 4] затухания волны напряжения сферической формы с относительным расстоянием от них происходит в кубической зависимости, а цилиндрической формы - в квадратной.
При экспериментальном определении харак-
тера затухания напряжений на фронте волн в ближней зоне [5] (при относительном расстоянии г <10) в конкретных горных породах были получены показатели затухания ниже теоретических, равные для цилиндрических 1,5 и сферических 2,0, с тенденцией приближения их к единице при г>100, т.е. на удалении, где волны напряжения преобразуются в сейсмические колебания.
С целью обеспечения максимальной гарантии исключения возможности уплотнения шпуровых зарядов скважинными, в основу определения текущих напряжений в сферических и цилиндрических волнах напряжения положены показатели степени затухания, установленные экспериментально, т.е. 2 и 1,5.
Кроме того, в нашем случае главным является оценка расстояния, при котором напряжения в волне от заряда в скважине вруба становится равным напряжению, при котором по [1] не происходит уплотнения смежных шпуровых зарядов.
Текущие значения напряжений при использовании цилиндрических и сосредоточенных зарядов могут быть представлены в виде:
От ц = Р
1 О
оТ с = р
-уц
оц
-ус
т
(1)
(2)
где т - относительное расстояние в радиусах зарядов;
уц, ус - показатели затухания волн напряжения, соответственно цилиндрической и сферической форм.
Условием отсутствия уплотнения смежных зарядов различной симметрии при некотором расстоянии между ними является равенство
От с = От ц. При этом величина От ц при известных Роц и ус практически установлена [1] посредством минимально допустимого расстояния между смежными шпуровыми зарядами ат1п.
Выразив относительные расстояния в форму-
лах (1, 2) в абсолютных размерах, условие отсутствия уплотнения шпуровых зарядов на контуре вруба скважинными запишется в виде:
Р
Р
(а . /г
\ тгпс з.с
) (а . /г )
т.п з. ц
(3)
Заряд в скважине, состоящий из одной связки 4-х стандартных патронов массой каждого 300 г, формирует сферическую волну напряжения на незначительном удалении от его оси.
При использовании в скважине двух и более связок патронов в ближней зоне формируется цилиндрическая волна, которая на некотором удалении от него преобразуется в сферическую с интенсивностью затухания напряжения свойственную такого типа волне.
Для определения размера границы, на которой происходит преобразование цилиндрической волны в сферическую воспользуемся зависимостью предложенную Г. И. Покровским [6] в виде
4
Ь =-Я , (4)
3
где Ь- длина цилиндрического заряда;
Я - расстояние от оси заряда, на котором цилиндрическая волна превращается в сферическую.
При длине зарядов состоящих из 1, 2 и 3 -связок стандартных патронов ВВ массой 300 и 250 г и 2, 3 и 4-х связок массой 200 г (угленит Э-6), допущен-
ных к применению в шахтах, количественное значение Я приведено в табл. 3.
Из сравнения данных табл. 1 и 3 следует, что на расстояниях атт при использовании зарядов в скважинах, состоящих из 3х связок патронов их цилиндрическая волна напряжения не преобразовывается в сферическую, а при зарядах из 2х связок патронов только в угле и породах с / < 7 цилиндрическая волна успевает трансформироваться в сферическую. Очевидно, что напряжения от зарядов в скважинах снизятся до уровня допустимого по [1], на расстояниях превышающих а,т1„, что следует учитывать в дальнейших расчетах.
Если в основу дальнейших расчетов принять среднее начальное давление в зарядной камере, равное для рассматриваемых ВВ в стандартных патронах диаметром 36 мм и равное: 5520,5; 5520,0; 6954,3; 9006,7; 8763,8; 4551,0 МПа соответственно для АП-5ЖВ, ПЖВ-20 (Т-19), 6ЖВ, детонита М, аммонала скального № 3 и угленита Э-6, то напряжения в массиве на удаление их атЫ друг от друга будут равны, приведенным в табл. 4.
Если реальные напряжения будут несколько отличаться от расчетных по табл. 4, то это не окажет существенного влияния на объективность выводов о допустимых расстояниях шпуровых зарядов вруба от скважинных, поскольку они основываются не на абсолютных значениях, действующих в среде напряжений, а отношением интен-
Таблица 3. Расстояние от оси заряда, на котором цилиндрическая волна превращается в сферическую.
Тип ВВ Параметры стандартного патрона ВВ Длина заряда, см, состоящего из связок патронов ВВ, шт. Расстояние от оси заряда Я, см, на котором цилиндрическая волна преобразуется в сферическую
масса, г длина, см 2 3 1 связка патронов 2 связки патронов 3 связки патронов
Аммонит АП-5ЖВ 300 27,5 55,0 82,5 20,62 41,25 61,82
Аммонит ПЖВ-20, Т-19 300 26,5 53,0 79,5 19,88 39,75 59,62
Аммонит № 6ЖВ 300 26,8 53,6 80,4 20,10 40,20 60,30
Детонит М 250 23,5 47,0 70,5 17,62 35,25 52,88
Аммонал скальный № 3 300 28,1 56,2 84,2 21,08 42,15 63,18
Угленит Э-6 200 17,0х2 51,0 68,0 25,5 38,25 51,00
Таблица 4. Значения напряжения в массиве для разных типов ВВ
Тип ВВ Класс ВВ по предо-хранитель-ности Напряжения в массиве, МПа на расстоянии атЫ от шпуровых зарядов, при которых не происходит их уплотнения
уголь породы /<7 породы /=7-10
Аммонит 6ЖВ II 34,058 47,501 66,386
Детонит М II 46,801 61,520 85,979
Аммонал скальный № 3 II 45,538 59,860 83,658
Аммонит АП-5ЖВ III 28,686 44,164 81,132
Аммонит ПЖВ-20 (Т-19) IV 28,590 44,016 80,861
Угленит Э-6 V 31,086 66,885 -
Таблица 5. Значения радиуса заряда в скважине
Тип ВВ Плотность патрони- рования средняя, г/см2 Радиус заряда в скважине, приведенной к сферической форме, гсф.с, мм, при его массиве, кг и количестве связок, шт.
1,0; 1 1,2; 1 1,6; 2 2,0; 2 ,4; ;3 22 3,0; 3 3,2; 4 3,6; 3
Аммонит ПЖВ-20 1,100 - 63,90 - - 80,45 - - 92,11
Аммонит АП-5ЖВ 1,075 - 64,36 - - 81,09 - - 92,82
Аммонит 6ЖВ 1,100 - 63,90 - - 80,45 - - 92,11
Детонит М 1,060 60,85 - - 76,66 - 87,75 - -
Аммонал скальный №3 1,050 - 64,87 - - 81,72 - - 93,55
Угленит Э-6 1,175 - - 68,77 - 78,72 - 86,64 -
сивностей их затухания, установленной экспериментально.
Чтобы при использовании любых ВВ исключалось уплотнение шпуровых зарядов скважинными, определение допустимых расстояний между ними следует производить с таким расчетом, чтобы во всех случаях напряжение от зарядов в скважинах снижалось до минимального уровня, который обеспечивается при взрывании в угле и породах с коэффициентом крепости от 2 до 15 цилиндрических зарядов диаметром 36 мм аммонита ПЖВ-20, принятого в качестве эталона, при «сглаженных» допустимых расстояниях между шпурами, приведенными в табл. 2.
Поскольку при применении ПЖВ-20 реализуется наименьшее, относительно других ВВ, напряжение в волне при приходе ее к смежному заряду, при применении других ВВ будет обеспечиваться запас при определении величины мини-
мально допустимых расстояний между зарядами, который следует предусматривать при решении вопросов безопасности.
Расчет предельных напряжений (ЛРЭТ.) при взрывании цилиндрических зарядов диаметром 36 мм ПЖВ-20 выполнен по формуле (1), при показателе затухания равном 1,5 и количественно равен: 28,6; 30,9; 35,4; 41,2; 47,1; 54,5; 64,2; 73,4; 85,1; 97,4; 120,5; 138,0, соответственно в угле и породах с 1" от 2 до 10 включительно и 1=12 и 15.
Для обеспечения гарантии безопасности при применении допущенных промышленных ВВ, напряжения в массиве при подходе волны напряжения от скважинного заряда к заряду на контуре вруба должна быть не более, приведенных выше при использовании ПЖВ-20, т.е. ЛРэт.
Поскольку заряды в скважинах формируют волны напряжения со свойствами цилиндрической и сферической форм, определение минимально
Таблица 6. Минимально допустимые расстояния зарядов на контуре вруба
Тип ВВ Масса заряда в скважине, кг Минимально допустимые расстояния зарядов на контуре вруба от скважинных, атЫ с , мм в угле и породах с коэффициентом крепости, (
Уголь 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15
Аммонит ПЖВ-20 (Т-19) 1,2 445 435 420 404 390 377 363 352 341 332 319 311
2,4 582 575 563 545 535 526 518 510 504 497 487 478
3,6 752 746 736 726 717 709 700 693 686 680 673 667
Аммонит АП-5ЖВ 1,2 446 437 423 407 394 381 367 355 344 335 322 314
2,4 593 587 575 563 553 544 533 525 519 512 502 493
3,6 771 765 755 745 737 729 721 703 696 690 683 677
Аммонит 6ЖВ 1,2 475 465 448 430 415 400 370 359 348 338 325 316
2,4 607 600 586 569 555 543 529 520 512 505 494 488
3,6 776 770 759 744 733 722 710 703 696 690 681 676
Детонит М 1,0 504 492 471 450 432 414 395 381 367 354 336 325
2,0 598 589 573 557 544 531 577 506 495 486 472 464
3,0 736 729 715 702 690 679 667 658 649 641 630 623
Аммонал скальный №3 1,2 526 501 482 462 446 429 412 401 386 374 358 348
2,4 648 639 624 610 598 585 572 563 552 544 532 524
3,6 823 816 803 791 781 770 759 751 742 735 724 715
Угленит Э-6 1,6 455 447 434 421 411 400 388 - - - - -
2,4 552 545 534 523 514 505 495 - - - - -
3,2 670 659 644 635 627 618 610 - - - - -
ЁЬпп.с
750
700
650
600
550
500
12
Рис. 2. Графики минимально допустимых расстояний зарядов на контуре вруба от скважинных в зависимости от крепости пород при исследовании
допустимых расстояний до шпуровых зарядов вруба необходимо производить с учетом интенсивности снижения напряжения в обеих формах волны.
Величина снижения напряжения в волне цилиндрической формы определится по правой части уравнения (3), при Ро.с = Ро.ц и радиусе скважинного заряда в его цилиндрической форме, т. е.
АР:
ц.с
Ро.ц / [Я /Гс.ц]
1.5
(5)
Далее от уровня АРц с снижение напряжения происходит по сферической зависимости до до-
пустимого предела, равного АРэт,
( \2
т.е.
Р
о.ц.
г
V с.ц. J
а
Г л,
V сфс J
= ЛР
(6)
где ах— расстояние снижения напряжения в волне сферической формы от уровня ЛРц.с до АРэт;
Тсф.с - радиус скважинного заряда, приведенного к сферической симметрии.
Таблица 7. Минимально допустимые расстояния между смежными шпуровыми зарядами
при разных типах ВВ и схемах вруба
Тип ВВ Схема вруба Кол-во шпуров на контуре вруба, шт. Коэффициент крепости пород, /
8 9 10 12 15
Радиус вруба, атт с мм Радиус вруба, мм атт с мм Радиус вруба, мм атП с, мм с, Рв атт с, мм Радиус вруба, мм атт с, мм
Аммонит ПЖВ-20 0 9+1 770 693 725 687 699 680 642 673 не проходит - -
12+1 /<9 12+2/>10 740 693 692 687 732 680 612 673 предел - -
14+1 /<10 14+2 />12 765 693 714 687 684 680 предел 690 673 - -
15+1 /<9 15+2 /<10 734 693 684 687 предел 722 680 654 673 не проходит
Аммонит 6ЖВ о 9+1 748 690 688 681 предел - -
с° 12+1 /<9 12+2/>10 — — — — 711 690 720 681 644 676 не проходит
^О 0^5 14+1 /<10 14+2 />12 — — — — 731 690 742 681 661 676 не проходит
15+1 /<10 15+2 /<12 700 690 710 681 639 676 не проходит
Аммонал скальный № 3 & 9+1 - 734 724 657 676 не проходит
(о оЛ 12+2 — — — — - - 770 724 688 676
/о о\ 14+2 — — — — - - 790 724 707 676
15+2 - 758 724 678 676
Из формулы (6) непосредственно следует:
а = Гф
х сф. с.
Р о.ц.
г ^ Л 1,5
Я
АРэт
Г
V с.ц.
(7)
Тогда суммарное минимально допустимое расстояние шпуровых зарядов на контуре вруба от скважинных равно:
а
Я + а = Я + Г
сф. с.
Р о.ц.
Г ^ Л 1,5
Я
АРэж
Г
11 V сц
Для количественной оценки ат,п с необходимо привести заряды в скважине к сферической симметрии по формуле:
г ф = 0,5
сф.с. ’
в • а.
(9)
пРв
Для наиболее распространенных промышленных ВВ, рассчитанные по формуле (9) радиусы скважинных зарядов, приведенные к сферической форме, состоящие из стандартных патронов массой 200, 250 и 300 г из 1, 2, 3 и 4 связок по 4 патрона, приведены в табл. 5.
Для оценки минимально допустимых расстояний зарядов на контуре вруба от скважинных в табл. 6 приведены значения атп с, рассчитанные по формулам (8, 9) при использовании наиболее
распространенных промышленных ВВ при массе зарядов от 1,0 до 3,6 кг, которые могут быть использованы при проектировании параметров врубов в условиях угольных шахт непосредственно или путем интерполяции табличных данных при применении других ВВ или зарядов.
Для иллюстрации данных табл. 6 на рис. 2 приведены графики зависимостей
атп с от крепости пород и угля при массе зарядов в скважинах вруба 2,4 и 3,6 кг при применении аммонитов ПЖВ-20 (Т-19), 6ЖВ и аммоннала скального № 3 в стандартных патронах массой 300 гр.; 2,0 и 3,0 кг при применении детонита М в патронах массой 250 гр. и 2,4 и 3,2 кг при применении угленита Э-6 в патронах массой 200 гр.
На графиках рис. 2 верхние кривые зависимо -стей соответствуют большей массе зарядов в скважинах, нижние - меньшей и обозначены сплошными линиями. На этом же рисунке пунктирными линиями обозначены расчетные, по требованиям эффективности разрушения массива, радиусы врубов при использовании ВВ типов ПЖВ-20 (Т-19), АП-5ЖВ, 6ЖВ, детонита М и аммонала скального № 3.
При этом ввиду незначительной разницы в радиусах врубов при использовании ПЖВ-20 и АП-5ЖВ, а также детонита М и аммонала скального № 3, последние зависимости объединены.
Как следует из графиков рис. 2 при использовании в скважинах зарядов массой 3,0 и 3,6 кг, в крепких породах, проектные радиусы врубов по эффективности разрушения массива становятся меньше допустимых по безопасности (атп с). Так при применении ВВ типов ПЖВ-20 (Т-19), АП-5ЖВ, 6ЖВ, аммонала скального № 3 массой 3,6 кг, в породах с коэффициентом крепости, соответственно, равным 7,5; 9,5 и 10, а при применении зарядов детонита М
массой 3,0 кг в породах с / = 14,5, радиус вруба становится одинаковым с допустимым по атт с.
Для того, чтобы расширить область применения зарядов массой 3,6 кг, позволяющих существенно увеличить глубину заходки без ущерба безопасности, рекомендуется увеличить диаметр вруба за счет увеличения количества шпуров на его контуре, но не более чем на 1, при использовании врубов с одним сосредоточенным зарядом и не более 2 при двух и более скважинах во врубе, при этом расстояние между ними должно быть не
менее атт с.
Поскольку некоторые параметры вруба дискретны и имеют ограничения по эффективности и безопасности, для оценки допустимого предела применения зарядов массой 3,6 кг требуется подбор параметров вруба. Для наиболее распространенных ВВ и схем врубов выполнена количественная оценка геометрических параметров врубов с массой зарядов в скважинах 3,6 кг при увеличенном количестве шпуров на его контуре и границы по крепости пород, в которых еще обеспечивается атт с, приведены в табл. 7.
Как следует из данных табл. 7, при добавлении на контуре вруба одного или двух шпуров при неизменном расстоянии между ними, пределы использования КВВ, с массой зарядов в скважинах 3,6 кг, могут быть расширены без ущерба безопасности до /=11 при использовании предохранительных ВВ Ш-1У классов, до /=12 при использовании аммонита 6ЖВ и до /=15 при применении аммонала скального № 3.
Поскольку при увеличении диаметра вруба глубина заходки не изменяется, то и суммарная масса заряда в каждом шпуре на контуре вруба остается неизменной, но при этом необходимо произвести корректировку масс зарядов в ярусах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Единые правила безопасности при взрывных работах: ПБ 13-407-01: утв. постановлением Госгортехнадзора России 30.01.01: ввод. в действие с 01.03.02 // Безопасность при взрывных работах: Сб. доп. сер. 13. Вып. 1. -М. : ГУП «Научно-техн. центр по безопасности в пром-ти Госгортехнадзора России», 2002. С. 5-212.
2. МосинецВ. И. , Абрамов А. В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород,. - М.: Недра, 1982. - 244 с.
3. Терминологический словарь Горное дело - М. : Недра, 1965. - 300 с.
4. Шемякин, Е. Н. О волнах напряжения в прочных горных породах / ПМТФ, №5. 1963. - С. 83-93.
5. Клаповский, В. Е. Особенности действия зарядов различной конструкции в среде / Труды V сессии Ученого совета по народнохозяйственному использованию взрыва. - Фрунзе, Илим, 1965. - С. 91-100.
6. Покровский, Г. И. Зависимость формы зоны действия взрыва от формы и расположения зарядов / В ст. Взрывное дело 54/11, управление действием взрыва. - М. : Недра, 1964. - С. 234-240.
□ Авторы статьи:
Войтов Сабанцев
Михаил Данилович Алексей Борисович
- канд.техн. наук, доц. каф. - зам. декана ФНПС КузГТУ.
«Строительство подземных Тел. 8 (3842) 39-69-83.
сооружений и шахт» КузГТУ.
Тел. 8 (3842) 39-63-78.
