CC BY
27
© В.М. Серяков, Г.Н. Волченко, С.Н. Эйсмонт , 2002
УДК 622.831
В.М. Серяков, Г.Н. Волченко, С.Н. Эйсмонт
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ ВЗРЫВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РУДНОГО БЛОКА
елезорудные месторождения Горной Шории и Хакасии отрабатываются при помощи технологических схем этажно-принудительного обрушения с отбойкой руды пучками сближенных скважинных зарядов взрывчатых веществ на компенсационные камеры и зажатую среду [1]. Опыт работы, лабораторные и промышленные экспе-
рименты показывают, что качество разрушения рудных блоков существенным образом зависит от характера распределения и величин действующих в массиве исходных напряжений [2]. Если на малых глубинах отработки рудных месторождений влиянием этого фактора можно было пренебречь, то переход горных работ на более низкие горизонты требует детального рассмотрения вопросов, связанных с влиянием предварительного нагружения массива на процесс разрушения. На достигнутых в настоящее время глубинах отработки величины исходных сжимающих напряжений приближаются к 0,5стсж.
Экспериментальное изучение характера разрушения твердых тел при динамических нагрузках показывает, что его эффективность снижается с
Ж увеличением статических сжимающих напряжений. При определенном уровне всестороннего сжатия и параметрах заряда разрушение может практически не наблюдаться [3]. В поле действия растягивающих напряжений энергоемкость разрушения напротив снижается. Так, в работе [4] показано, что при одноосном статическом растяжении амплитуда разрушающего импульса линейно зависит от величины растягивающего напряжения ст и приближается к нулю, когда ст и стр.
Были предприняты различные по-
пытки использовать указанные особенности разрушения предварительно напряженного массива для разработок эффективных схем взрывной отбойки рудных блоков. [5-7]. В их основе лежал выбор такой последовательности разрушения блока пучками сближенных скважин, после осуществления каждой стадии которой в оставшейся неразрушенной части блока образовались бы максимально возможные области действия растягивающих напряжений. Однако анализа напряженного состояния, возникающего в объеме блока, в результате применения предложенных схем, влияния на него геометрических характеристик расположения зарядов, проведено не было. Ниже такая попытка делается с помощью математического моделирования.
В плане геометрическую картину отбойки очередного блока можно представить в следующем виде (рис. 1).
С одной стороны рудный блок контактирует с обрушенными породами, с другой его ограничивают компенсационные камеры. Если глубина отработки значительна, то породы рудного тела находятся в зоне влияния очистной выемки вышележащих горизонтов и подвержены действию сжимающих горизонтальных напряжений, направленных вкрест простирания рудного тела. Их величина может достигать 5уН. Здесь у -вес налегающих пород, Н - расстояние до земной поверхности. В таких условиях границы блока на контакте с обрушенными породами и компенсационными камерами можно считать свободными от напряжений, а его породы находящимися в состоянии одноосного сжатия.
В первом приближении оценить характер перераспределения напряжений в отрабатываемом блоке мож-
Рис. 1. Геомеханические условия отбойки рудного блока
Рис. 2. Схема расположения скважинных зарядов и порядок их взрывания
но с помощью квазистатической постановки. После каждого этапа отбойки массива считается, что разрушенная область не оказывает влияния на окружающий материал и моделируется полостью.
На рис. 2. показано взаимное расположение скважин и обозначены два этапа короткозамедленного взрывания зарядов для одной из схем отбойки, предполагающей эффективное использование энергии исходного поля напряжений.
Это один из вариантов формирования центрального развального ряда по «синусоиде». Расчет напряженного состояния рудного блока был выполнен методом конечных элементов. Массив блока считался упругим изотропным телом с модулем упругости Е = 75000 МПа и коэффициентом Пуассона V = 0,25. До разрушения блок считался находящимся в состоянии одноосного сжатия: напряжение сту = -40 МПа. Направления осей X и Y показаны на рис. 2.
На рис. 3а приведено распределение в породах рудного блока изолиний главных напряжений уі и у2 после первого этапа отбойки, заключающегося во взрыве пучков зарядов сближенных скважин под номерами «0». Образование разрушенных областей вносит значительное изменение в распределение начальных напряжений. Зоны разгрузки от исходных значений напряжения = сту приурочены к границам блока. В центральной части, напротив, образуются зоны повышенных напряжений, но превышение их значений над исходными незначительно. Максимальные напряжения сжатия действуют на продолжении «ослабляющих полостей» - областей разрушенного массива. Важной особенностью в характере перераспределения напряжений является появление зон растягивающих напряжений по компоненте ст1. Хотя их значения здесь небольшие (5 МПа), области проявления занимают более половины объема блока.
Таким образом, работа пучковых зарядов на второй стадии короткоза-
медленного взрывания (номера «1» на рис. 2) будет происходить в условиях повышенного сжатия по компоненте у2 и растяжения в направлении действия напряжения уь т.е. механические условия с точки зрения разрушения лучше, чем на первой стадии взрывания. Распределение напряжений после второго этапа отбойки показано на рис. 3б. Характер напряженного состояния во многом аналогичен рассмотренному выше. В неразрушенной части рудного блока образуются обширные зоны сжатия по второму главному напряжению ст2. Напряжение Ст1 в этих зонах имеет разные знаки. В области между "ослаб-
ляющими полостями" оно растягивающее, а в непосредственной близости от "ослабляющих полостей" сжимающее.
Работа скважинных зарядов центрального развального вследствие этого будет происходить в областях с различными напряженными состояниями. Наиболее сложная с точки зрения разрушения окружающего массива ситуация возникнет в окрестности расположения зарядов, обозначенных на рис. 2 индексом 2 . Здесь взрыв будет происходить в областях, подверженных действию всестороннего сжатия.
Одним из наиболее простых технических решений, направленных на
повышение качества разрушения массива в этих зонах, может быть увеличение массы ВВ в данных пучках. Другим вариантом является смещение местоположения зарядов 2 от границы рудного блока в область концентрации сжимающих напряжений [8].
Таким образом моделирование напряженного состояния пород блока в рамках квазистатической постановки позволяет производить оценку возможных схем разрушения массива, разрабатывать рекомендации, направленные на повышение качества взрывных работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курленя М.В., Еременко А.А., Шрепп Б.В. Геомеханические проблемы разработки железорудных месторождений Сибири. - Новосибирск: Наука, 2001.
2. Машуков В.И. Действие взрыва на окружающую среду и способы управления им. - М.: Недра, 1976.
3. Ведутин В. Ф., Воронов И.Н., Березин В.К. О влиянии предварительного статического сжатия на характер хрупкого разрушения, вызванного взрывом. Изв. ВУЗов, Горный журнал, № 11, 1973.
4. Ханукаев А.Н., Беляцкий В.П., Ионин А.А., Рыскунов А.А. Динамическая прочность на разрыв при взрыве в условиях предварительного напряженного состояния породы. ФТПРПИ, №2, 1975.
5. Квапил Р. Новые взгляды в теории горного давления и горных ударов. - М. Углетехиздат, 1959.
6. Капленко Ю.П. Особенности взрывного разрушения стати-
чески напряженных горных пород. В сб. «Проблемы подземной эксплуатации рудных месторождений на больших глубинах», - М.: ИП-КОН АН СССР, 1979.
7. Волченко Г.Н. Отбойка напряженного массива с его предварительным ослаблением в процессе массового взрыва. Тез. докладов научно-практической конференции молодых ученых. НИИКМА, Губкин, 1988.
8. Серяков В.М., Волченко Г.Н. Напряженное состояние массива горных пород при различных схемах отбойки рудных блоков. Тез. докладов научно-практической конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» Новосибирск, ИГД СО РАН, 2001.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------
Серяков В.М. — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, ИГД СО РАН. Волченко Г.Н. — ст. научный сотрудник, ОАО "ВостНИГРИ".
Эйсмонт С.Н. — , ОАО "Тейское рудоуправление".
