CC BY
15
© Г.Н. Волченко, 2012
УЛК 622.233:622.235:622.831 Г.Н. Волченко
О ВЛИЯНИИ ТЕХНОГЕННЫХ И ГРАВИТАЦИОННО-ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ
Повышение эффективности способов взрывной отбойки руд неравномерно — напряженных массивов, подверженных комплексному воздействию природных гравитационно-тектонических напряжений и техногенных напряжений от подпора массива зажимающей среды возможно на основе реализации малоэнергоемких механизмов разрушения
Ключевые слова: рудный блок, напряжения, схемы взрывания, зона растяжения, разрушение, обрушенные породы
Влияние напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород на процесс взрывного разрушения и оценка взаимодействия квазистатических и динамических полей при взрывном разрушении горных пород являются актуальными задачами геомеханики при производстве промышленных взрывов в связи с переходом очистных работ на большие глубины. Природные гравитационно-тектонические напряжения (ГТН) существенно влияют на общую картину НДС горного массива, как вокруг зоны ведения горных работ, так и в конструктивных элементах применяемой системы разработки. Реальная геомеханическая ситуация при разработке месторождений в настоящее время характеризуется высоким уровнем напряжений, сопоставимым с величинами предела прочности среды на разрушение, а в местах концентрации напряжений превосходит их. В такой ситуации важной научной и практической задачей является создание инженерных способов по уменьшению концентрации напряжений в различных элементах систем разработки для обеспечения их устойчивости, и, при этом, поиск и обоснование способов
использования энергии деформации, запасенной в массиве для повышения эффективности взрывного разрушения горных пород.
Применение для подземной добычи железных руд на рудниках Сибири системы этажного принудительного обрушения обуславливает отбойку панели рудного блока короткозамед-ленным взрыванием (КЗВ) рядов пучковых скважинных или совместно с концентрированными (минными) зарядами ВВ, расположенными в восстающих горных выработках (вертикальные концентрированные заряды -ВКЗ). При этом отбойку осуществляют по специальным проектам, с одной стороны на компенсационные камеры различной формы, с другой — на породы ранее обрушенного блока, называемые массивом зажимающей среды (МЗС) и последними ступенями КЗВ междуэтажные целики — потолочины. Данная усовершенствованная «Сибирская» система разработки, предложенная в результате успешного сотрудничества ИГД СО РАН, Вос-тНИГРИ, рудниками филиалов ОАО «Евразруда» является техническим компромиссом между этажно-камер-
ной и одностадийной с отбойкой руды на МЗС системами разработки. Ланный симбиоз характеризуется положительными качествами обеих технологий: удовлетворительная устойчивость в условиях высоких ГТН, достаточная компенсация, высокая производительность и безопасность процессов очистной выемки и др.
В настоящее время с понижением горных работ на Сибирских рудниках в условиях Алтае-Саянской складчатости формируется сложное напряженно-деформированное состояние отбиваемых блоков, при котором в зоне ведения очистных работ преобладает горизонтальная составляющая тензора гравитационно-тектонических напряжений. Максимальные сжимающие напряжения с„ах ориентированы вкрест простирания рудного тела, а их значения достигают до 5уН, где у — объемный вес налегающих пород, Н — глубина отработки. Эта особенность существенно влияет на результаты взрывного дробления массива из-за усиления взаимодействия между зарядами ВВ в рядах, и особенно в ближайшем к МЗС ряде. При этом снижается дробящее действие взрыва по линии наименьшего сопротивления (л.н.с.). В результате этого формируется область не разрушенного массива на границе рудный блок — МЗС в виде плиты. Проведенные эксперименты на физических моделях, описанные в работе [1], подтверждают указанную закономерность (рис. 1). Ранее проведенными экспериментальными исследованиями [2, 3] по изучению взрывного разрушения материалов на МЗС и опытом практического применения этой технологии при одностадийной выемке, установлены следующие особенности взрывного разрушения, подтверждающие наши результаты:
• при отбойке на МЗС опережающее генеральное разрушение массива в воронке взрыва происходит по образующим ее створа, а при взрыве на свободную поверхность — по линии наименьшего сопротивления;
• общее время формирования взрывной воронки на МЗС больше, чем на свободную поверхность;
• взрывное дробление массива в зажиме, в зависимости от разрыхления материала МЗС характеризуется повышенной на 20—30 % энергоемкостью разрушения;
• при одностадийной выемке полезного ископаемого отбойка первого ряда зарядов ВВ с увеличенным удельным расходом ВВ на МЗС позволяет качественно раздробить массив и осуществить подвижку МЗС, с образованием дополнительного компенсационного пространства для эффективных взрывов последующих рядов зарядов ВВ. На основании этих и других исследований разработаны рекомендации по увеличению на 30% массы зарядов ВВ в ближайшем к МЗС ряду, которые в настоящее время используются при проектировании специальных массовых взрывов.
Лальнейшая разработка новых эффективных способов отбойки технологических блоков с учетом НЛС массива и реализацией малоэнергоемкого механизма разрушения в поле растягивающих напряжений при формировании отбиваемого блока по синусоиде [4], также предусматривала ближайший ряд со стороны МЗС отбивать увеличенными на 30% зарядами ВВ первыми ступенями замедления, обеспечивая подвижку массива МЗС и вводя панель в состояние близкое к одноосному сжатию с ее торцов. Это позволяло последующими ступенями замедления формировать синусоидальный в горизонтальном сечении массив панели с максималь-
ными зонами (по величине и распространению) растягивающих напряжений и окончательное его разрушение зарядами с пониженным расходом ВВ. Характер поэтапного распределения главных напряжений по разработанной схеме взрывания до взрыва синусоидального ряда зарядов ВВ рассмотрен в работе [5] (рис. 2, а). Однако наряду с общей эффективностью взрыва, в предложенном варианте остается негативный факт, что при отбойке первого ряда со стороны ЗС заряды ВВ должны быть увеличены как минимум на 30 %, что, однако не гарантирует эффективного дробления формирующейся плиты на границе блок — МЗС в условиях действия значительных амах. Резонно встает
вопрос о целесообразности первоочередной отбойки первого ряда со стороны МЗС.
С целью геомеханического обоснования схемы отбойки рудного блока без первоочередного взрыва увеличенных зарядов ВВ первого ряда со стороны МЗС были проведены исследования методом математического моделирования [6]. Моделировалась аналогичная схема взрывания блока с формированием массива синусоидальной формы, примыкающего к границе рудный блок — обрушенные породы (МЗС). На рис. 2, б показано распределение главных напряжений в сформированном в процессе КЗВ синусоидальном блоке.
Рис. 1. Характер разрушения модели при взрывании прямых рядов зарядов
ВВ: а — взрывной бокс с моделью; б, в, г — разрушенные модели при исходной сжимающей нагрузке а = 0; 0,35[а]сж и 0,7[а]сж , соответственно
Рис. 2. Закономерность перераспределения зон растяжения (+) и сжатия ( — ) главного напряжения о^ (МПа) в рудном блоке синусоидальной формы при амах = = —3уН : а — без контакта с обрушенными породами, б — при контакте с обрушенными породами при азс = -0,8уН
Закономерности перераспределения полей напряжений в отбиваемом блоке и обрушенных породах в зависимости от глубины отработки показали, что за счет роста давления обрушенных пород сзс на рудный блок на границе их взаимодействия в синусоидальном массиве возникают обширные зоны действия растягивающих напряжений с увеличенными в более 2 раза значениями. Появляющиеся при этом дополнительные зоны сжимающих напряжений незначительны. Этот факт позволяет сделать вывод о том, что негативное влияние техногенных напряжений подпора МЗС при реализации рассматриваемой схемы взрывания в основном ликвидируется. Более того, энергия техногенных напряжений в интеграции с ГТН способствует формированию в синусоидальном массиве такого
НДС, при котором возможна реализация малоэнергоемкого механизма взрывного разрушения в поле растягивающих напряжений [4]. При осуществлении данной схемы КЗВ, снижение общей энергоемкости взрывного разрушения блока достигается и за счет ликвидации первоочередности отбойки первого ряда со стороны МЗС зарядами ВВ увеличенной массы. При варианте с формированием синусоидального массива примыкающего к МЗС (рис. 2, б) зарядов ВВ с увеличенной массой потребуется в 2 раза меньше, что позволит снизить удельный расход ВВ на первичную отбойку ближайшего к МЗС ряда на 15 %.
Промышленное испытание предлагаемой схемы взрывания по варианту представленному на рис. 2, б реализовано на шахте Горно-Шорского филиа-
ла ОАО «Евразруда» при отбойке блока № 57 (2 очередь) участка «Главный» в этаже +185- +255 м. Эксперимент не предусматривал снижение удельного расхода на первичную отбойку. Результаты взрыва планировалось оценить по удельному расходу на вторичное дробление. Наблюдения за процессом выпуска руды производили по всем выпускным выработкам блока с фиксированием удельного расхода на вторичное дробление по мере выпуска отбитой руды. Анализ результатов выпуска из дучек со стороны границы блок — МЗС показал, что средний удельный расход на вторичное дробление снизился и составил 0,035 кг/т, что соответствует показателям выпуска из дучек со стороны компенсационных камер.
Вышеизложенные результаты показывают, что для снижения энергоемкости разрушения очистных блоков необходима дальнейшая разработка новых способов и схем КЗВ, где бы комплексно и наиболее полно использовалась энергия природных ГТН, энергия техногенных напряжений и энергия взрыва промышленных ВВ. Причем долю энергии взрыва промышленных ВВ в общем балансе энергоемкости разрушения массива с целью повышения экономической эффективности необходимо снижать.
Выводы
Общий рациональный порядок ведения КЗВ очистного блока, в рассматриваемых условиях можно представить в следующем виде:
1. Подготавливаемый к взрыву очистной блок необходимо формировать устойчивой формы, за счет создания элементов системы разработки наиболее устойчивой конфигурации в существующих природных полях ГТН (омах) и техногенных напряжений от сил подпора МЗС (озс).
2. Первыми ступенями замедления зарядов ВВ в общей схеме КЗВ обрушаемый блок выводится из равновесного состояния и формируется такой формы, чтобы за счет энергии ГТН и сил подпора МЗС в отбиваемом массиве возникали максимальные по величине и распространению поля растягивающих напряжений.
3. Окончательное разрушение сформировавшегося массива блока с максимальными полями растягивающих напряжений осуществляют различными типами зарядов ВВ (в зависимости от принимаемой взрывной технологии) с дифференциацией их масс в соответствии с НДС отбиваемого участка массива.
1. Серяков В.М. Некоторые результаты экспериментально-аналитического изучения характера разрушения массива пучковыми зарядами на различных глубинах/ Серяков В.М., Волченко Г.Н., Бай-бородов Я.Н. // Труды 1У-ой научно-практической конф. с участием иностранных ученых «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (29—30 марта 2005 г.) — Новосибирск: ИГЛ СО РАН, 2005. — с. 86—90.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Волченко Н.Г. Влияние геометрии расположения скважинных зарядов и схем КЗВ на показатели дробления массива в зажиме// ФТПРПИ. — 1977. — № 5.— с. 57—63.
3. Волченко Н.Г. Разрушение массива в зоне взрывной воронки / Волченко Н.Г., Блинов A.A., Емельянов В.П., Афа-насенко Г.В.// Исследование технологии и определение параметров разработки рудных месторождений; ИФЗ им. О.Ю. Шмид-
та АН СССР. — М.: Наука, 1971. — с. 126—133.
4. Волченко Г.Н. Разработка способов взрывной отбойки рудных блоков с учетом напряженно-деформированного состояния массива / дисс. канд. техн. наук // ИГЛ СО РАН. — Новосибирск. — 2003. — 142 с.
5. Серяков В.М. Перераспределение напряжений в рудном блоке при отбойке /
Серяков В.М., Волченко Г.Н. // ФТПРПИ. - 2003. — №1. — С. 18—24.
6. Серяков В.М. Геомеханическое обоснование схем отбойки рудных блоков, учитывающих перераспределение статического поля напряжений при короткозамед-ленном взрывании /Серяков В.М., Волченко Г.Н., Серяков А.В. // ФТПРПИ. — 2005. — №1. — С. 46—52. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Волченко Г.Н. — кандидат технических наук, доцент, Сибирский государственный индустриальный университет, е-шаП: [email protected].
А
ГОРНАЯ КНИГА-2012
К.II K^IIIHJ n.M. VtÜffkllXl II. К). III ПНИЩ
ВЫБОР (I 1(>1Л \дгж
. L 1)1 n«1141llplll|«
Г11. UIU1К Г11 НШ||\ мтходля НГИ LHini'111 к Iii ФГИ'М ЧШНЧ
Выбор площадок для захоронения радиоактивных отходов в геологических формациях
Камнев E.H., Морозов В.Н., Шишиц И.Ю.
Год: 2012
Страниц: 216
ISBN: 978-5-98672-214-6
UDK: 621.039.7:504
Изложены результаты анализа и рекомендации по выбору мест размещения площадок для подземной изоляции радиоактивных отходов и отработанного ядерного топлива в глубоких геологических формациях. Приведены примеры подобных изысканий в США, Канаде и других странах, включая информацию и методы исследования по обращению с радиоактивными отходами в рамках национальной программы. Акцент сделан на оценке устойчивости (стабильности) геологической среды и геодинамической безопасности, в том числе методами математического моделирования напряженно-деформированного состояния породных массивов.
Монография одобрена Учеными советами ВНИПИпромтехнологии и Геофизического центра РАН.
Лля специалистов, занимающихся изоляцией отходов ядерно-топливного цикла. Может быть полезна аспирантам и студентам вузов горного профиля.
ЭНЕРГЕТИКА
