Оптимизация основных параметров буровзрывных работ с дополнительным воздействием на мерзлые включения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.235 А. Цэдэнбат

ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА МЕРЗЛЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ

Предложены критериальные уравнения позволяющие оптимизировать параметры буровзрывных работ при подготовке к выемке пород с включениями вечной мерзлоты. Ключевые слова: взрыв, включения вечной мерзлоты, оптимизация параметров буровзрывных работ, критериальные уравнения.

A. Tsedenbat

THE OPTIMIZATION OF MAJOR DRILL AND BLAST PARAMETERS WITH AN ADDITIONAL EXPOSURE ON FROST INCLUSIONS

The paper introduces criterial equations enabling to optimize the parameters of drill and blast operations when preparing to excavate rocks with permafrost inclusions.

Key words: explosion, particles of the permafrost, parameter optimization of the drilling and blasting works, criteria equations.

Лроведенное исследование и ана-л из механизма разрушения массива горных пород при наличии в нем мерзлых включений [1] позволяет прийти к выводу, что основной причиной появления негабаритов при взрывании только основных скважин, сетка которых определена по обычной методике (для однородного массива), является образование неразрушенных зон в пределах включения. Это связано с неодинаковыми прочностными характеристиками талого массива и мерзлого включения, что приводит к существенному снижению радиуса зоны регулируемого дробления в мерзлой части по сравнению с талой. В результате характер дробления по высоте основной скважи-

ны, пройденной через талые и мерзлые слои, имеет ступенчатый вид.

Достичь исключения выхода негабаритов и более равномерного дробления пород в мерзлом включении можно только путем дополнительного воздействия на него. Для этого разработан способ взрывания горных пород с включениями мерзлоты [2,3], при котором внутри сетки основных скважин в пределах контура мерзлого включения производят бурение дополнительных скважин через центры неразрушенных зон и размещают в них заряды ВВ. Чтобы обеспечить равномерное дробление во всем объеме массива необходимо найти оптимальные размеры сетки основных и дополнительных скважин, а также конструкцию и параметры заряда ВВ.

Сетку основных скважин определяем из условия соприкосновения зон регулируемого дробления и из свойств талого массива [4, 5]:

"-24 - 2Ф, - ' (1)

где а - расстояния между скважинами, м; Ь - радиус зоны регулируемого дробления, м; г - радиус скважины (заряда ВВ), м; р0 - начальное давление продук-

рпп Б2

тов детонации р — —^—, Па; а - пре-

у +1

дел прочности талой породы на растяжение, Па; Б - скорость детонации ВВ, м/ с; рвв - плотность ВВ, кг/ м3; у - показатель изоэнтропы продуктов детонации.

Учитывая, что показатель изоэнтропы в точке Жуге для большинства конденсированных ВВ у а 3, выражение (1) упрощается:

а — 2Ь — гБ

(2)

Диаметры основных и дополнительных скважин принимаем одинаковыми, исходя из наиболее часто применяемого на разрезах Монголии в рассматриваемых условиях бурового оборудования (г — 0,08 м). Плотность ВВ в скважине принята равной 0,9 • 103 кг/м 3. Графики зависимостей расстояния а — 2Ь между основными скважинами от предела прочности на растяжение а для талых

пород при различных значениях скорости детонации ВВ приведены на рис. 1.

Непосредственно видно, что расстояние а — 2Ь существенно зависит как от предела прочности, так и от скорости детонации ВВ. В частности, для алевролитов Баганурского месторождения, у которых а — 4,1 МПа, при использовании в качестве ВВ гранулита игданита с Б = 2800 м/ с расстояние между основными скважинами составляет примерно 5 м. При прямоугольной сетке расстояния между основными скважинами и их рядами будут неодинаковыми и должны колебаться вблизи этого значения, например 6 х 4 м.

После определения сетки основных скважин и рационального типа ВВ для них необходимо осуществить выбор оптимального типа ВВ для дополнитель-

ных скважин, проходимых в центрах неразрушенных зон. При этом выбор ВВ должен быть увязан с параметрами буровзрывных работ для основных скважин и прочностными свойствами мерзлых и немерзлых пород.

Известно, что радиус неразрушенной зоны во включении г определяется формулой [1]:

г —\[2 ■ Ь - Ь , м (3)

вкл 4 м ? V /

где Ь - радиус зоны регулируемого дробления мерзлой породы.

С учетом того, что основные скважины заряжаются одним типом ВВ, характеризуемым одинаковым начальным давлением р0 в мерзлом включении и немерзлой породы, а также выражения (1) это соотношение перепишется в виде

— г0Б

(4)

где а - предел прочности мерзлой породы на растяжение, Па.

Таким образом, радиус неразрушенной зоны во включении зависит от радиуса основной скважины, свойств принятого для них ВВ и прочностных свойств немерзлой и мерзлой слоев породы по высоте скважины. Для алевролитов Баганурского месторождения с а — 4,1 МПа при использовании в качестве ВВ гранулита игданита с Б — 2800 м/ с и плотностью ВВ в скважине, равной 0,9 -103 кг/м3 график зависимости (4) дан на рис. 2.

г

Рис. 1. Зависимости расстояния а — 2Ь между основными скважинами от предела прочности на растяжение ар для талыш

пород при различные значениях скорости детонации ВВ Б

равномерности дробления породы. Поэтому заряд ВВ в дополнительной скважине должен обеспечить зону регулируемого дробления радиусом не менее г . Подставляя в уравнение [1]

Величина г является монотонно возрастающей функцией от предела прочности на растяжение мерзлой породы, составляющей неразрушенную зону. Причем темп роста снижается по мере увеличения предела а^. Однако даже при малых значениях параметра амр радиус гега превышает 1 метр, т.е. неразрушенная при взрыве основной скважины мерзлая неразрушенная зона может иметь диаметр более двух метров. Это недопустимо с позиций образования негабаритов и

_м 7~\ 2

Рпт, Б г ВВ м

(

у +1

м

ф. ■ Ь - Ь

2

(5)

где Б - скорость детонации ВВ в дополнительных скважинах, м/с, величину г согласно (4) получим

м г\ 2

рввБм _ а-м^2 р

у +1

м

В результате преобразований данное выражение перепишется в виде следующего безразмерного уравнения:

, 1 _м т\ 2 /-т-м

у + 1 рВВ Бм _ 2_______£_ _ 2

2ам

ум + 1 рввБ ,т (6)

+1

Данное критериальное уравнение связывает отношение параметров зарядов ВВ в основных и дополнительных скважинах с функцией от отношения прочно-

Рис. 2. Зависимость радиуса неразрушенной зоны во включении г от предела прочности мерзлой породы на растяжение

ам

р

— а

2

СУ

СУ

Рис. 3. Расчетная зависимость Б — (а)

и дополнительных скважинах равны (С — 1), то уравнение (7) приводится к виду

В

в "у

ам 2ам

2к-2 I—— +1, (8)

а М а

или

В = \/2а - 2^2а +1 ,

-В ам

где В = —^, а = — . В а.

(9)

стных свойств (пределов

прочности на растяжение) мерзлого включения и немерзлого массива.

Следовательно, если известны параметры ВВ в основных скважинах, то параметры ВВ в дополнительных скважинах определяются как некоторая функам р

ция отношения —.

а

р

Характерно, что при выводе уравнения (6) в результате сокращения выпадает радиус г (при условии, что он одинаков для основных и дополнительных скважин). Таким образом, в критериальное уравнение входят только параметры заряда ВВ и прочностные свойства породы.

Представим уравнение (6) в виде

С

В

_м

В

=■2 о"-

2ам

• + 1 .

а

(7)

г +1 рМ

Полученные критериальные уравнения справедливы, когда выполняется условие

1,41- Ь аф. ■ Ь > гвкл >(л/2-1)- Ь а 0,41-Ь

(10)

В противном случае зона регулируемого дробления дополнительных скважин не будет покрывать всю область неразрушенные зоны. Для обеспечения гарантированного разрушения во всей этой области необходимо ввести новое условие

= Ь = г .

(11)

Объединяя уравнение (5) и условие (11), находим следующее критериальное уравнение

А В^= К

С В к ■

(12)

где £=\, і

У Гм + 1 Рмм В частном случае, когда показатели изоэнтропы и плотности ВВ в основных

При условии С — 1 данное критериальное уравнение упрощается и имеет вид

г

Б

м _

Б " или

Б =^1а .

(13)

(14)

Рис. 4. Зависимость коэффициента С от плотности ВВ рвв в дополнительных скважинах

тем, используя соотношение

-Б -

Б =^м или Б = Б ■ Б, мож-

Б м

но получить скорость детонации Б для дополнительных скважин.

Для пород Баганурского месторождения а = 1,75 и для гранулита игданита, применяемого для основных скважин Б = 2800 м/с и рвв = 0,8 г 0,9 ■ 103 кг/м3. Поскольку для конденсированных ВВ имеем у а 3, то

Назовем величины Б и а , соответственно, приведенной скоростью детонации и приведенным пределом прочности на растяжение. График расчетной зависимости Б (а), полученный по

уравнению (14), представлен на рис. 3.

Критериальные уравнения имеют общий характер и позволяют независимо от пород конкретного месторождения получить для массивов с включениями необходимые параметры заряда ВВ для дополнительных скважин, если известны таковые параметры для основных скважин. Как указывалось ранее, параметры заряда ВВ для основных скважин определяя-ются по стандартной методике.

Для пород данного месторождения по данным экспериментальных исследований определяют приведенный предел прочности а. Далее по критериальным зависимостям или соответствующим графикам, приведенным выше, находят приведенную скорость детонации Б . За-

коэффициент С имеет вид

С = .

рвв

[0,9-103 .

Характер изменения коэффициента С от предела рМв представлен на рис. 4.

Видно, что в пределах изменения рМв от 0,8 • 103 кг/ м 3 до 1,2 • 103 кг/ м3 коэффициент С увеличивается от 0,94 до 1,15. Поскольку наибольшее влияние на выбор ВВ оказывает скорость детонации, примем в первом приближении С = 1 и по упрощенному критериальному уравнению (14) находим Б = 1.323 . Следовательно, скорость детонации заряда ВВ в дополнительной скважине составит Б = Б ■ Б = 2800 ■ 1,323 = 3704 м/с.

Наиболее близкой к этому значению скоростью детонации обладает граммо-нит 79/21 [5]. Пределы изменения плотности для этого ВВ составляют рМв = 0,9 г1,0, что, как видно по графику на рис. 4, вполне оправдывает принятое приближение С = 1.

Таким образом, применительно к Ба-ганурскому месторождению Монголии для основных скважин целесообразно использовать гранулит игданит, а для дополнительных - граммонит 79/21. Предложенные методика расчета и способ взрывания горных пород с включениями мерзлоты [2,3] используются на разрезе Баганур, где на участке 5 с линзообразными включениями вечной мерзлоты достигнуто снижение выхода негабарита с

1. Белин В.А., Дугарцыренов А.В., Цэ-дэнбат А. Взрывание неоднородных массивов горных пород с вечномерзлыми линзообразными включениями. Взрывное дело: Сборник научных трудов. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитичес-кого бюллетеня. -2007. - № ОВ7. - С. 266-272. - М.: Издательство "Мир горной книги".

2. Белин В.А., Трусов А.А., Батсуурь Л., Гомбосурэн П., Цэдэнбат А. Способ взрывания горных пород с включениями мерзлоты. Патент Российской Федерации на изобретение № 2263877. Опубликовано: 10.11.2005 Бюл. № 31.

3. Белин В.А., Трусов А.А., Цэдэнбат А. Особенности ведения взрывных работ в

17,5 до 7,5% и среднего размера куска с 0,5 до 0,35 м.

Необходимо также отметить, что указанные методика и способ с полным основанием могут быть распространены и на технологию ведения БВР в сложноструктурных массивах при взрывании пород с твердыми пропластиками или включениями в условиях отсутствия мерзлоты.

-------------- Список литературы

Коротко об авторе

условиях вечной мерзлоты на угольных разрезах Монголии. Взрывное дело: Сборник научных трудов. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. -2007. - № ОВ7. - С. 113-118. - М.: Издательство "Мир горной книги".

4. Крюков Г.М., Глазков Ю.В. Феноменологическая квазистатическоволновая теория деформирования и разрушения материалов взрывом промышленных ВВ. Взрывное дело: Сборник научных трудов. Горный ин-формационно-аналити-ческий бюллетень. -2003. - № 11.- М.: МГГУ, - 67 с.

5. Орленко Л.П. Физика взрыва и удара. - М.: Физматлит, 2006. - 304 с. ЕШ

Цэдэнбат Ариунжаргал - аспирант кафедры "Взрывное дело", Московский государственный горный университет,

Moscow state mining university, Russia, [email protected]