CC BY
123
РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
УДК 622.026.3.5 Жариков С.Н.
О ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ЭНЕРГОЁМКОСТЬЮ БУРЕНИЯ И ВЗРЫВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
В настоящее время в общей теории физики взрыва можно выделить три основные составляющие части: теория ударных волн, теория детонационной волны, энергетическая теория. В литературе по теории взрыва значения основных терминов у разных авторов несколько отличаются. Согласно анализу известной литературы о взрыве [1-6] значения основных терминов в обобщенном виде имеют следующие формулировки: Среда - идеальная жидкость с постоянной энтропией, имеющая большое количество молекул в любом малом объёме. Твёрдые и газообразные среды рассматриваются, как эквивалентные идеальной жидкости через теплопроводность. Ударная волна - скачок уплотнения среды, возникающий при её движении или перемещении со сверхзвуковой скоростью вследствие внешней нагрузки. Фронт ударной волны - поверхность, разделяющая возмущённую ударной волной среду от среды, находящейся в состоянии покоя. Детонация - процесс перемещения химической реакции окисления по объёму ВВ с постоянной сверхзвуковой скоростью. Скорость детонации - постоянная скорость перемещения зоны химической реакции по объёму ВВ. Для каждого ВВ имеет своё значение. Фронт детонационной вол -ны - поверхность, связанная с фронтом ударной волны, отделяющая зону химической реакции и продуктов детонации от исходного ВВ.
С помощью теории ударных волн для жидких, газообразных и твёрдых сред определяются их основные параметры: скорость ударной волны, давление среды, плотность среды, энергия среды, размеры фронта ударной волны. Основным недостатком теории является то, что она не может объяснить, за счет чего происходит чрезвычайно быстрое перемещение горения по ВВ при взрыве.
Теория детонационной волны является развитием теории ударных волн. Она даёт определение явлению детонации и устанавливает основные параметры детонационного процесса: скорость детонации, скорость продуктов детонации, состояние среды за зоной и перед зоной химической реакции, внутренняя энергия продуктов детонации за зоной химической реакции, внутренняя энергия исходного вещества, размеры и структура фронта детонационной волны. Недостатком теории детонационной волны является невозможность объяснения перехода ударной волны в детонационную и детонационной волны в ударную.
Энергетическая теория является развитием двух
вышеуказанных теорий и основывается на изучении термохимии, термодинамики взрывного процесса, исследовании взаимодействия детонационных и ударных волн. Использование аппарата теории позволяет управлять протеканием взрывных процессов, подбором соответствующего химического состава ВВ. Её недостатком является неполное объяснение механизма и закономерностей перехода ударной волны в детонационную и обратно.
В таблице приведены основные математические зависимости и область применения рассмотренных выше теорий.
Как показал анализ, энергетическая теория в настоящее время находится в развитии. Однако уже сейчас установлено, что разрушающее действие взрыва обусловлено взаимодействием энергии взрывного устройства и окружающей среды. Учитывая это обстоятельство, взрываемостъ горных пород как показатель необходимой для их разрушения работы взрыва целесообразно оценивать с энергетической точки зрения.
Взрываемостъ горного массива в настоящее время оценивают по удельному эталонному расходу ВВ. В существующих методиках эталонный расход ВВ принимается, исходя из разных факторов, в том числе физико-механических свойств горных пород.
По Ржевскому В.В. эталонный удельный расход ВВ определяется следующим образом [7]:
Я = К +асй +Ъраст ) + К ‘У, (7)
где я - эталонный расход ВВ для дробления 1 м3 породы на куски размером 0,5 м при шести свободных поверхностях (свободно подвешенный куб) с расположением заряда в центре куба, г/м3; К1, к2 - эмпирические коэффициенты; стсж - предел прочности породы на сжатие, МПа; стС(з - предел прочности породы на сдвиг, МПа; араСт - предел прочности породы на растяжение, МПа; у - плотность горной массы, т/м3.
Следует отметить, что эмпирические коэффициенты (ф-ла (7)) определены на основе статистического анализа. Как показывает практика, на разных участках горного массива одна и та же порода может иметь разные физико-механические свойства. Поэтому помимо предварительного аналитического обоснования проектный расход ВВ в начальный период эксплуатации карьера определяется на основе не менее чем трёх
6 --Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 4.
Анализ теорий взрыва
Наименование теории взрыва Описываемые явления Основное математическое описание Область применения
Теория ударных волн Движение воз -мущённой среды и её взаимодействие со средой невозмущённой и2 их ^(р2 рх )(, ,), О их V Р V V ^ (1) \Е2 Е = ^22 Р (V1 V2 )? Р2 Р (Р2, Т2 ), где и1, и2 - компоненты скорости потока среды по обе стороны от поверхности разрыва; р - плотность средни v1, v2 -удельные объёмы сред дри после разрыва; р1, р2 - давления сред О - скорость распространения фронта ударной волны; Т - температура среды; Е12 - энергия 1. Установление парамет -ров ударных волн в жидких, газообразных итвёрдых телах в зависимости от параметров внешней нагрузки. 2. Исследование причин возникновения ударных волн, условий их распространения и затухания
Теория детонационной волны Детонация ВВ. Взаимодействие ударных волн и детонации при взрыве “н =(V. - VH )1, V V, - VЯ 'Р = Ро + ^02, (2) Vo ЕН (PH , )~ Ео (Ро, ^ Рн + Ро XV, - VЯ )+ 2, где О - скорость детонации, равная скорости перемещения зоны химической реакции; ик - скорость продуктов детонации за фронтом волны; рн, рк, Тн - параметры состояния за зоной химической реакции; р0, р„, Т0 - параметры состояния перед зоной химической реакции; vo=\lpo, vк=1/pк - удельный объем исходного ВВ (перед зоной химической реакции) и продуктов его взрывчатого превращения зазонойхимической реакции; Ен - удельная внутренняя энергия продуктов за зоной химической реакции; Е0 -удельная внутренняя энергия исходного вещества; 2 - удельная теплота взрывчатого превращения 1. Установление необходимого для детонации начального импульса. 2. Расчёт скорости детонации для конкретного химического состава ВВ. 3. Исследование характеристик ВВ: скорость детонации , плотность, теплота взрыва
Энергетическая теория Термохимия и термодинамика взрывного процесса. Взаимодействие ударных волн и детонации при взрыве 2взр =12ПВ -2ВВ или 2взр = -£д^в + дя;в; (3) 2 = 2 + - V1); (4) НЬКСОл ^ аС°2 + Н2О + ^N2 + ^^й _ 2а _ 2]02 Са НЬКС О й ^ 2 н20 + ^ й - а - 2 ^ СО2 2а - й + 2^ СО + С N (5) а + Ь/2 < й < 2а + Ь/2 V / О = Ж + С, (6) где Ж - скорость частицы или скорость газового облака; С -скорость звука в потоке; А - механический эквивалент тепла; р - конеч -ное давление ПВ; ,1 и ,2 - соответственно начальный и конечный удельные объемы газов 1. Исследования характеристик ВВ: скорость детонации , плотность, теплота и работа взрыва, (2)-(6). 2. Выбэр рецептуры ВВ, соответствующей заданным технологическим и экологическим требованиям, ф-ла (5). 3. Исследование взаимосвязи между процессами, протекающими при взрыве
РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
опытных взрывов в конкретных условиях, а затем осуществляется разработка типового проекта, в котором определяется внутренняя классификация горных пород по взрываемости и буримости.
Таким образом, существующие методы определения взрываемости на основе эталонного расхода В В не полностью учитывают условия залегания горных пород при разработке месторождения. Поэтому при определении взрываемости необходимо ориентироваться не только на физико-механические свойства горных пород, их трещиноватость, вязкость и др., но и учитывать взаимодействие энергии заряда ВВ с энергией разрушения взрываемого массива.
И. А. Тангаев [8] предложил оценивать взрывае-мостъ горных пород через взаимосвязь между полной работой взрыва (яэ, МДж/м3) и полезной работой при бурении скважины (е, кВтч/м3):
Яэ = 0,15 + 0,011е, N • Г
е = ■
Я т.
(8)
(9)
где Я ГМ - выход горной массы с одного погонного метра скважины, м3; t - среднее время бурения одного погонного метра; N - мощность, потребляемая двигателем вращателя, кВт.
С другой стороны, энергоёмкость взрывания определяется следующим образом:
0уд ■ т я =—— Чэ к
(10)
2
уд
V
= 0,15 + 0,011е.
(11)
го сжатый воздух в скважину, не зависит от осевого усилия, следовательно, работа, затраченная на очистку скважины, не может достаточно характеризовать энергию разрушения горных пород. Таким образом, энергия разрушения породы может быть в достаточной мере описана полезной работой при бурении, которая пропорциональна мощности вращателя и соответственно скорости бурения пород с конкретными физико-механическими свойствами.
Установленная зависимость между полной работой взрыва и полезной работой бурения позволяет определить, на сколько большую энергию нужно затратить при взрывании с заданной степенью дробления горной массы по отношению к энергоёмкости бурения. Для отдельного типа породы эта зависимость описывается выражением
(12)
где е/ - энергоёмкость бурения /'-породы; Яэ/ - энергоёмкость взрывания /-породы; П{ - показатель, учитывающий отношение энергоёмкости взрывания к энергоёмкости бурения для /-породы.
В обобщённом виде для всех типов пород в карьере отношение энергоёмкости взрывания к энергоёмкости бурения можно выразить следующим образом:
Яэ = /(е ).
(13)
где йуд - удельная теплота взрыва на 1 кг ВВ, МДж/кг; твв - масса ВВ, кг; V - объём взрываемой горной массы, м3.
Тогда зависимость (8) имеет вид:
Таким образом, задачей исследований является установление и анализ этой зависимости в конкретных условиях разработки месторождения. Зависимость (13), определённая для конкретного месторождения, во времени может потребовать корректировки входных параметров при расчётах. При смене диаметра скважины изменится энергоёмкость бурения, а при смене ВВ - его расход. Расход ВВ корректируется переводным коэффициентом работоспособности к эталонному. Энергоёмкость бурения предлагается корректировать исходя из соотношения
Таким образом, энергоёмкость бурения пропорциональна энергии разрушения горной породы и работе взрыва. В этом случае появляется возможность по известной или прогнозируемой энергоёмкости бурения в породе установить необходимую полную работу взрыва, а следовательно, и расход ВВ. Однако указанная зависимость (ф-ла (8)) не учитывает изменение свойств горных пород и определена только для предприятий, на которых проводились исследования, поэтому может быть несправедливой для других.
С позиции энергетической теории энергоёмкость разрушения горных пород при бурении определяется, главным образом, свойствами разрушающей нагрузки. Основными показателями этой нагрузки являются сила и её работа, в нашем случае это осевое усилие и энергия вращения бурового става. Согласно [9] мощность двигателя вращателя учитывает осевое усилие, создаваемое при подаче, через момент вращения. По Крюкову Г.М. [10], мощность компрессора, подающе-
(14)
где е, - энергоёмкость бурения при старом диаметре долота; е 1 - энергоёмкость бурения при новом диаметре долота; О1 - старыйдиаметр долота; О2 - новый диаметр долота.
Исследование количественной взаимосвязи энергоёмкости взрывания и энергоёмкости бурения на Главном карьере Качканарского ГОКа осуществлялось на основе отчётной документации маркшейдерской службы, бурового и взрывного цехов за 2006 год. Энергоёмкость взрывания блоков определена (ф-ла (10)) для ВВ -0М-70 с удельной теплотой взрыва 3,35 МДж/кг. Энергоёмкость бурения определена (ф-ла (9)) для станка СБШ-250МН с диаметром скважины 250 мм. Выход горной массы с одного погонного метра скважины определён на основе данных по количеству пробуренных
РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
9000.0 л
погонных метров в блоке и объёму блока. Время бурения одного погонного метра скважины в блоке определено как среднее согласно доле пробуренных погонных метров скважин по каждой категории буримости. Мощность, потребляемая двигателем врашателя бурового станка, задана 30 кВт и соответствует нормальным режимам бурения.
Исследования зависимости энергоёмкости взрывания от энергоёмкости бурения на Главном карьере Качканарского ГОКа показали, что в абсолютных величинах это степенная функция (см. рисунок). Точки на графике отражают взорванные блоки.
Для пород Главного карьера Качканарского ГОКа зависимость между энергоёмкостями взрывания и бурения с достаточной точностью (коэффициент корреляции Я=0,85) описывается выражением
Яэ = 104 • е3 -0,21 • е2 +153,6• е-31276,6. (15)
График, представленный на рисунке, имеет две точки перегиба при возрастании энергоёмкости бурения. На Главном карьере бурение ведётся в 17, 18 и 19 категории буримости по ЦБНТ. Точки перегиба графика показывают на переход от одной категории буримости к другой. Каждой категории буримости пород соответствует ряд значений энергоёмкости взрывания.
Эю свидетельствует о том, что по буримости горных пород возможно определить их взрываемостъ. Таким образом, использование указанной выше зависимости и прогнозирование буримости горных пород позволяют подобрать рациональные параметры БВР будущих периодов.
Список литературы
1. Кутузов Б. Н. Разрушение горных пород взрывом: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и дрп. М.: Изд-воМГИ, 1992. 516 с.: ил.
2. Физика взрыва: в 2т. / под ред. Л.П. Орленко. Изд. 3-е, перераб. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.
3. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. М.: Физматгиз, 1959. 792 с.
4. Михельсон В.А. О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей // Учен. зап. Имп. Моск. ун-та, отд. физ.-мат. 1893. Вып. 10. С. 1-92.
5. Покровский Г.И. Взрыв. 4-е изд, перераб. и доп. М.: Недра, 1980. 190 с.
6. Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах: пер. с англ. / под. ред. Г.П. Демидюка и Н.С. Бахаревич. М.: Недра, 1980. 453 с.
7. Корнилков С.В., Стенин Ю.В., Стариков А.Д. Расчёт параметров буровзрывных работ при скважинной отбойке на карье-
100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0
700,0 8СО.О 3
900,0
Энергоёмкое! ь бурения, кДж/Ъг
Зависимость энергоёмкости взрывания от энергоёмкости бурения на Главном карьере Качканарского ГОКа
рах: учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 1997. 112 с.
8. Тангаев И.А. Буримосгь и взрываемосгь горных пород. М.: Недра, 1978. 184 с.
9. Открытые горные работы: справочник / КН Трубецкой, М.Г. Потапов, КЕ. Винницкий, Н.Н. Мельников и др. М.: Горное бюро, 1994. 590 с.
10. Крюков Г.М. Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании: учеб. пособие. М.: МГГУ, 2004. С. 48-49.
List of literature
1. Koutuzov B.N. rock breakdown by explosion. A text-book for higher educ.instit 3d edition revised and suppl. M: MMI Publishing house, 1992. 516 p.: illustr.
2. The physics of an explosion / Edited by L.P. Orlenko. 3d edition revised. In 2 vol. M.: PHYSMATLIT, 2002.
3. Baum F.A., Stanyukovitch K.P., Shekhter B.I. The physics of an explosion. M.: Physmatgis Publishing house, 1959. 792 p.
4. Mihelson VA. On normal velocity of fire-damp gas mixtures ignition. // Transactions. Imp. Moscow University, physics-mathema-tics dep. 1893. Issue 10. P. 1-92.
5. Pokrovsky G.I. An explosion. 4th edition revised and suppl. M.: Nedra, 1980. 190 p.
6. Kuck M.A. The study on industrial blasting agents. Translation
from Engl. Edited by G.P. Demidjuk and N.S. Bakharevitch. M.:
Nedra, 1980. 453 p. New edition: the USA, 1974.
7. Kornilkov S.V., Stenin U.V., Starikov A.D. Parameters calculation of drilling-blasting operations conducting borehole breaking in the open-pits.: Technical appliance. Ekaterinsburg: UGGGA publishing house, 1997. 112 p.
8. Tangaev I.A. Rock drillability and explosibility. M.: Nedra, 1978. 184 p.
9. Reference book. Open-pit mining operations. / K.N. Trubetzkoy,
M.G. Potapov, K.E. Vinnitzky, N.N. Melnikov and others. M.: Mining bureau, 1994 . 590 p.: ill. P. 144-145.
10. Krjuckov G.M. Rock breakdown physics conducting drilling and blasting operations. Part II. Rock breakdown while drilling. Section
II. Rolling, rotary, rotary-percussive and percussive-rolling drilling practice. Training manual for students, speciality 091000 "Blasting Art' MSGU, 2004. 102 p. P. 48-49.
