CC BY
29
----------------------------------------------- © С.Д. Викторов,
В. М. Закалинский, 2004
УДК 622.23
С.Д. Викторов, В.М. Закалинский
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ОТБОЙКИ РУД НА ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКАХ
Семинар № 2
* оздание новых и совершенствование имеющихся геотехнических способов добычи полезных ископаемых в условиях рыночной экономики требует новых подходов и принципов для решения научных проблем, актуальных вопросов и запросов производства. Одно из направлений совершенствования геотехнологии подземной добычи месторождений полезных ископаемых основывается на совершенствовании буровзрывного комплекса, в частности, на реализации идеи сокращения числа массовых взрывов с резким снижением известных негативных последствий и дополнительных работ, связанных с их проведением. Кроме того, новая технология должна не только сохранить технико-экономические показатели прежней, но и улучшить их путем:
- активного регулирования распределением энергии взрыва в обрушаемом массиве горных пород за счет дифференцированного способа управления энергией взрыва системы зарядов. Перед взрывом основного мощного центрального удлиненного заряда, на который приходится основной объем обрушаемой горной массы, в начале взрываются вначале по периметру его запасов руды экранные (оконтури-вающие) заряды. После взрыва последних объем породы обнажается и создаются благоприятные условия для его дробления центральным зарядом;
- сокращения объемов подготовительно-нарезных выработок за счет расширения сетки расположения мощных крупных зарядов при их использовании, увеличивающих масштаб отбойки и расстояния между выработками;
- уменьшения трудозатрат на буровые работы вследствие образования полостей для размещения вертикальных концентрированных зарядов обычными методами проходки восстающих выработок;
- упрощение схемы монтажа взрывной сети с уменьшенным количеством патронов-боевиков и электродетонаторов или пиротехнических реле;
- улучшения санитарно-гигиеничес-ких и безопасных условий труда рабочих подземных рудников за счет снижения загазованности и запыленности выработок при уменьшенном вторичном дроблении и ликвидации "зависаний" в выпускных выработках (гранты РФФИ №№ 03-05-64116, 01-05-64375).
Такая технология базируется на принципах, первый из которых вытекает из следующих соображений.
Отечественная и зарубежная практика подземной разработки месторождений средней и большой мощности осуществляется в основном мелко- и среднемасштабной отбойкой, при которых диаметр взрывных скважин не превышает 100 мм, а ЛНС-4 м. При таких ее параметрах для воспроизведения эффекта крупномасштабного взрыва по объему взрываемой горной массы методами мелко- или среднемасштабной отбойки потребуется очень большое количество скважин и взрываемых рядов. В результате усложняется производство взрывных работ, что чревато неизбежными отказами из-за большого количества электродетонаторов с возможностью неноминального разброса по времени их срабатывания, сложности контроля за состоянием ВВ в большом количестве скважин и монтажа взрывной сети возможности смещения по длине одной части скважины малого диаметра относительно другой в условиях напряженного состояния горного массива при его склонности к горным ударам. Это делает практически невозможным использование мелкомасштабной и проблематичной среднемасштабной отбойки для целей сокращения числа массовых взрывов на предприятии при той же производительности рудника. Практически реализовать идею сокраще-
ния числа массовых взрывов можно лишь увеличивая (укрупняя) масштаб отбойки отбиваемого слоя или части массива, приходящиеся на один заряд, а также размеры самого заряда. Под крупномасштабной отбойкой, являющейся базовой составляющей технологии с сокращенным числом массовых взрывов будем понимать отбойку с увеличенными (крупными) параметрами, осуществляемую зарядами большого диаметра (100< (1 < 1000 мм), камерными и эквивалентными им по величине зарядами различной конфигурации.
Следующим является новый принцип расчета заряда при крупномасштабной отбойке. Дело в том, что существующие методологии расчета параметров БВР базируются на методиках мелкомасштабной отбойки и на лежащем в их основе известном старом принципе расчета определения величины заряда по формуле Q = qV = qW3. Как следует из вышеизложенного, это делает практически невозможной экспериментальную проверку и расчеты крупномасштабной отбойки по методике для мелкомасштабной. В общетеоретическом плане выявилась необходимость в новом подходе к вопросу расчета параметров отбойки - к ее крупномасштабному варианту. Была сформулирована задача: создать методологию крупномасштабной отбойки, позволяющую при любом увеличении ЛНС и разных типах горных пород определить величину заряда при условии сохранения качества дробления неизменным (заданным или аналогичным мелкомасштабному способу отбойки). Этот принцип базируется на масштабном эффекте, под которым понимаем нелинейность связи между геометрическими и энергетическими параметрами отбойки при различной степени дробления отбитой горной массы. В результате выполненных исследований предложена зависимость, отражающая как "традиционно" объем разрушаемого слоя горной породы, так и учитывающая интегрально степень его дробления (новый фактор) через сохранение постоянства последнего:
(1)
Формула (1) рассмотрена для всех типов руд по степени трещиноватости и крепости. Подинте-гральная функция представлена в виде:
4 = 40 + 40
Ж0
(2)
V'0 J
где 40 - удельный расход взрывчатых веществ,
соответствующий начальным значениям отбиваемого объема горной массы у линии наименьшего сопротивления ^0 и степени дробления; {Ж/Ж0) )М - масштабная добавка удельного расхода взрывчатых веществ при увеличении объема взрывания у > у соответственно ж > ^0, и сохранении того же качества дробления, что и при у>; М - коэффициент
масштабности, учитывающий трещиноватость горных пород.
После подстановки (2) в (1) и преобразований окончательно получим:
2 = 40 • у0 + 40 у0
ж > ж0
0’
(3)
2 ~ % ' У0 + 40 ' ус
Ж - ж0
Ж0
(4)
г 2'\
1 + м
V 20 у
(5)
2 = с • {4(Ж )Ж
Ж\
где Q - величина заряда; с — п(а ■ Н)- площадь отбиваемого слоя по линии зарядов; а -расстояние между зарядами; Н - глубина слоя; П - количество скважин в слое; 4 -
удельный расход взрывчатых веществ, зависящий от Ж - линии наименьшего сопротивления.
В формуле (3) Ж берется от Ж), а в (4) Ж и Ж0 отсчитываются от линии зарядов.
В (5) Б0 - начальная площадь сетки скважин, приходящаяся на вес одного метра длины скважинного заряда 20.
Особенность использования формул (3-5) заключается в расчетном сохранении степени дробления при увеличении объема отбиваемой части горного массива.
В существующих же методиках расчет величины заряда 2, как известно, базируется на “классической” зависимости 2 = 4 У, не учитывающий степень дробления отбиваемого массива, и задачу решают эмпирическим подбором величины q.
По формулам (3-5) с учетом технологических параметров была выполнена оценка эффективности отбойки различного масштаба, которая положена в основу горнотехнологиче-
ской классификации. Главным классификационным признаком в ней является масштаб отбойки и ее эффективность. Классификация содержит в себе рассмотрение понятия "взрываемость" или "идеальную энергоемкость разрушения", интегрально используя их в технологическом аспекте.
В классификации даны теоретические значения коэффициента масштабности, которые на практике могут варьировать в зависимости от схем, условий взрывания и способов повышения КПД взрыва в геотехнологиях. Она позволяет на уровне экспресс-оценки отнести типы горных пород по трещиноватости с учетом их крепости к определенным технологиям буровзрывных работ, предопределяющим выбор буровой техники погрузочно-транс-портного оборудования и параметров систем разработки.
И, наконец, последний принцип касается условий взрывного разрушения частей рудного массива и связан с их формированием. В основе здесь лежит выявленный авторами экспериментальный факт, что наилучшая степень дробления определенного объема твердой среды удлиненным ("скважинным") зарядом достигается, когда этот объем имеет цилиндрическую форму и наблюдается подобие форм взрывной волны и отраженной поверхности. Отсюда вытекает принцип технологического способа управления энергией взрыва, заключающийся в том, чтобы в процессе короткозамедленного взрывания нескольких частей (слоев) массива горных пород предварительным взрыванием оконтуриваю-щих (экранирующих) скважинных зарядов получить (образовать) блок, близкой по формуле к цилиндрической или с максимальным количество обнаженных (свободных) поверхностей. Такие схемы взрывания с успехом реализуются на практике, в частности, на Таштагольском, Абаканском и Шерегешском рудниках Сибири [1]. Этот принцип нуждается в теоретическом обосновании, в основу которого могут быть положены, например, следующие соображения. Механизм разрушения горной породы при взрывах разного масштаба таков, что наибольшие деформации материала среды происходят на близких расстояниях от взрыва, после прохождения фронта волны, что эквивалентно мелкомасштабной отбойке при подземной разработке месторождений [2]. При этом возмо-
жен процесс дробления среды внутри области, охваченной фронтом волны (множественное трещинообразование). Средний размер отдельности при этом должен возрастать с ростом масштаба взрыва как Q1/3. Указанный механизм дробления осущест-вляется при взрыве с малой энергией.
В случае крупномасштабных взрывов порода разрушается в волне сжатия, причем степень дробления среды определяется как амплитудой волны, так и продолжительностью той части фазы сжатия, в которой напряжения превосходят прочность горной породы. При крупных взрывах единственным параметром, определяющим размер отдельности на разных расстояниях от взрыва заряда при дроблении в результате нагружения волной сжатия, является амплитуда волны напряжений. При условии, что среда однородна, средний размер отдельности при взрывах разного масштаба определяется значением напряжений, достигаемых в волне. Отсюда следует, что в пределах объема, пропорционального мощности взрыва, интегральный гранулометрический состав взорванной массы не должен зависеть от масштаба воздействия. В реальном случае размер отдельности должен несколько уменьшаться с ростом Q вследствие дополнительного дробления горной породы в объеме (результат поршневого действия продуктов взрыва). Причем вклад указанной добавки возрастает с увеличением масштаба взрыва.
Смена механизма разрушения среды при изменении масштаба взрывного воздействия заметно сказывается на равномерности дробления. Отмечается, что равномерность дробления при крупномасштабных взрывах практически не зависит от мощности взрыва в весьма широком диапазоне Q, начиная с Q = 102 кг [3]. Так, величина параметра равномерности дробления среды "п" для крупномасштабных взрывов, начиная с Q = 102 кг практически не меняется: п=сош1;и0,8 (рис. 1).
Средние размеры отдельностей в среде, разрушенной взрывом, разного масштаба представлены на рис. 2 и 3.
Видно, что максимальный размер куска при крупномасштабный взрывах близок к размеру кондиционного куска на горном предприятии при применении крупномасштабной отбойки.
< х>, м
Рис. 1. Показатель распределения Розина-Раммлера для горной массы, разрушенной: 1- взрывами химического ВВ; 2 - подземными ядерными взрывами
При этом вблизи границы зоны разрушения
Рис. 2. Средний размер отдельности в среде, разрушенной: 1 - взрывами химического ВВ; 2 - подземными ядерными взрывами
размер куска приближается к размеру естественной отдельности в массиве. Это значительно упрощает прогноз гранулометрического состава крупномасштабных взрывов.
Рис. 3. Средний размер отдельности в массиве, разрушенном крупномасштабным взрывом
Рассмотренные особенности и эффекты взрыва большого масштаба, базирующиеся на изложенных принципах, позволяющие не снижать (сохранять) качество дробления горной массы, были использованы при крупномасштабных взрывах в горном производстве в подземных условиях. Дополненные анализом других взрывов в разных геотехнологиях с увеличенными значениями ЛНС, они в результате дали возможность выдвинуть и обосновать концепцию развития буровзрывных работ на подземных рудниках [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Основные направления совершенствования разработки месторождений полезных ископаемых Научнотехнический сб.- Новокузнецк: СибГИУ, 1999 - 285 с.
2. Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. - М.: Недра, 1993, - 319 с.
3. Бронников Д.М., Спивак А.А. Перспективы
и возможности применения крупномасштабных взрывов в геотехнологии // ФТПРПИ, 1983, №1, с. 36-42.
4. Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Закалинский В. М. Новая концепция совершенствования буровзрывных работ на подземных рудниках // Горный журнал. -2002. - №9.
— Коротко об авторак
Викторов С.Д. - доктор технических наук, ИПКОН РАН. Закалинский В. М. - доктор технических наук, ИПКОН РАН.
