CC BY
58
РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
УДК 622.235.6
Калмыков В.Н., Пергамент В.Х., Неугомонов С.С.
РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ОТБОЙКИ ТРЕЩИНОВАТЫХ РУД СКВАЖИННЫМИ ЗАРЯДАМИ ПРИ СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ С ТВЕРДЕЮЩЕЙ ЗАКЛАДКОЙ
В условиях стадийной отработки месторождений камерными системами разработки наблюдается тенденция кухудшению горнотехническихусловий при выем -ке объемов вторичных камер. Запасы в таких камерах обычно характеризуются повышенной трещиноватостью, что приводит к нарушению устойчивости рудных обнажений и ухудшению показателей выемки. Процесс отбойки в данных условиях требует корректировки параметров технологии буровзрывныхработ.
Параметры трещиноватости на большинстве медноколчеданных месторождений обусловлены особенностями залегания и тектоническими условиями генезиса. На большинстве месторождений имеет место несколько (до 6) взаимно перпендикулярных систем трещин с преобладанием таких систем, которые совпадают с простиранием и углом падения рудного тела. Нарушен-ность рудных массивов вторичных камер существенно усиливается за счет наведенной трещиноватости и характеризуются ярко выраженной блочностью с размером отдельностей от 100-200 до 500-700 мм, что по Временной классификации горных пород по степени трещиноватости соответствует II—IV категории. Поверхности ослабления, делящие массив на блоки, распространяются на глубину до 4—5 м и более. Раскрытие трещин достигает местами 50 мм. Трещиноватый рудный массив представляет собой горную конструкцию, «построенную» из блоков, размеры которых в большинстве своём меньше кондиционного куска.
Анализ практики взрывных работ показывает, что при разрушении пород, рассеченных густой сетью крупных макротрещин и полостей, распадается при отбойке на естественные отдельности. Наличие трещин разной ширины отражается на параметрах волн напряжений непропорционально [1]: при увеличении ширины трещины в 10 раз напряжение на фронте волны снижается в сотни раз, что делает практически невозможным аналитическое описание механизма разрушения таких сред, исходя из теорииупругих волновых процессов, равно как и разработку инженерных методов управления энергией взрыва с учетом параметров волн, однако это не исключает необходимости учета волн напряжений.
В непосредственной близости от заряда ВВ при отсутствии свободных поверхностей разрушение монолитного массива происходит за счёт возникновения сжимающих напряжений. После отражения от поверхности обнажения волна сжатия переходит в волну растяжения, и разрушение происхэдит в результате действия растягивающих напряжений (рис. 1), которые для горных пород значительно меньше, чем напряжения сжатия.
В случае, если разрушаемый массив разбит большим количеством трещин, прямая волна напряжений, идущая от заряда, независимо от степени нарушенное™
будет достигать открытой поверхности. В то время, как отраженная волна, результатом действия которой являются возникающие растягивающие напряжения, претерпевает множественное преломление и отражение от каждой поверхности раздела среды и вблизи контура свободной поверхности, величина её становится значительно меньше, чем сопротивление пород разрушению.
Исследованиями [1, 4] установлено, что трещиноватый массив в первую очередь разрушается по естественным отдельностям, в то время как образование новых трещин и связанное с этим дробление массива существенно мало по сравнению с монолитной средой. На основании этих результатов можно предположить, что для отбойки сильнотрещиноватых руд при условии, что фракционный состав преобладающих отдельностей, слагающих массив, меньше кондиционного куска, не-обхэдимо затратить энергию, достаточную для вывода горной конструкции из состояния равновесия и отделения требуемою объема от основного массива. Таким образом, необходимо создать в массиве напряжения, достаточные для отделения отбиваемого слоя и приведения его в движение, а дальнейшее разрушение его будет происходить за счет действия гравитационных сил в процессе перемещения структурных блоков и раскрытия имеющихся трещин. Величина выделяющейся энергии при взрыве заряда должна быть такова, чтобы возникающие напряжения были достаточны для разрушения связей, но не превышали необходимой величины, приводящей к переизмельчению и повышению сейсмического эффекта взрыва.
При таком механизме, когда линия наименьшего сопротивления (ЛНС) мало влияет на расход ВВ и качество дробления, затраты энергии взрыва ВВ на отбойку сводятся к разрушению связи отбиваемого объема от основного массива, но возникают требования к качеству оформления плоскости отрыва, что в свою очередь будет определяться действием взрыва по линии взаимодействия смежных зарядов.
Для определения параметров взрывного разрушения сильно нарушенных сред, когда обрушаемый массив рассматривается, как горная конструкция из ослабленного и сильно трещиноватою материала, на наш взгляд, применима методика расчета, основанная на реализации критической скорости смещения пород [2, 3]. Степень нарушенное™ массива может характеризоваться его акустическими свойствами, а в качестве основных прочностных характеристик использоваться динамические пределы прочности сжатия и растяжения.
При оценке сейсмики взрыва широко используется понятие скорости смещения частиц. Расстояния, на которых реализуются критические скорости смещения массива от сжимающих и растягивающих напряжений,
22
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
Расчёт параметров отбойки трещиноватых руд скважинными...
Калмыков В.Н., Пергамент В.Х., Неугомонов С.С.
будут различны. В сторону обнаженной поверхности область разрушения массива складывается из зон действия сжимающих и растягивающих напряжений. Величина предельных напряжений сжатия и растяжения пропорциональна скоростям смещений массива. Согласно энергетическому закону подобия скорость смещения определяется величиной приведённого расстояния, при котором проявляются заданные уровни предельных скоростей (напряжений) сжатия или растяжения.
Необходимое количество взрывчатого вещества для разрушения горных пород можно найти через эквивалентное приведенное расстояние (Ro), которое характеризует энергонасыщенность массива при взрыве заряда определенной массы.
Закон изменения скоростей смещения в зависимости от свойств массива и приведенного расстояния выражается известной зависимостью в виде степенной функции[3]
V = Kv • R ~u , (1)
где Kv - сейсмический коэффициент пропорциональности (м/с), определяетсяупругими характеристиками взрываемой среды
Kv =
К (1
т
9 у\ 1 -р
(2)
где р - коэффициент Пуассона; и - показатель степени ('0=2,4-2,15).
Условие, при котором будет происходить разрушение связи отбиваемого объема от массива и его перемещение, это превышение или равенство возникающих при взрыве скоростей смещения допустимым, критическим для массива. Поскольку прямая волна, идущая от заряда и создающая напряжения сжатия независимо от степени нарушенное™ будет достигать обнаженной поверхности, а также обусловливать разрушение пород между зарядами, условие нарушения устойчивости отделяемого участка массива может быть представлено в следующем виде:
>
(3)
где Vсж - возникающие при взрыве заряда скорости смещения от сжимающих нагрузок; [Vcm] - допустимые, критические скорости смещения массива от воздействия сжимающих напряжений.
Таким образом, при соблюдении условия (3) для удлиненных зарядов, условно параллельных друг другу и плоскости обнажения, при массе заряда (Q), выраженного через диаметр (d) и плотность (А), критические скорости смещения, при достижении которых на расстоянии (r) от места взрыва будут развиваться критические деформации, могут быть определены следующим образом:
[Vcx ] = 2Kv
61dVA
r
(5)
[VP ] = Kv
2r
3q
0,41r 2,82^
(6)
Расстояние r в зависимости от направления действия взрыва заряда и возникающих напряжений сжатия или растяжения определяет параметры сетки расположения зарядов: расстояние между их концами, линию наименьшего сопротивления.
В общем виде методика расчета параметров буровзрывных работ может быть представлена блок-схемой (рис. 2).
Рис. 1. Схема действия в массиве взрыва двух взаимодействующих зарядов:
I - область разрушений, вызванных сжимающими напряжениями вокругзареда от волны сжатия;
II - область разрушений, вызванных отраженной
волной растяжения
Ввод данных
(определение физикомеханические свойства образцовруд и параметров структурной нарушенноети)
Определение акустических свойств трещин оватого масси ва
Q>m= (-0,1073 d2^ + 0,6606domd + 0,1849) • Q>o, м / с
Рис. 2. Схема расчета параметров буровзрывных работ
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
23
РАЗРАБОТКА ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Результаты расчета параметров сетки расположения скважин диаметром 89 и 110 мм в породах различных категорий трещиноватости представлены в таблице.
Анализ полученных результатов расчета для различных категорий трещиноватости пород и диаметров заряда показывает увеличение параметров сетки расположения зарядов в породах с меньшей категорией. Независимо от длины заряда расстояние между ними остается постоянным, в то время как при увеличении длины заряда на 5 м ЛНС увеличивается на 10%. Во всех случаях для отбойки сильнотрещиноватых руд величина ЛНС оказывается больше величины расстояния между зарядами. Коэффициент сближения в породах III категории и ниже может принимать значение 1,3-1,5. Так, в случае применения скважин диаметром 89 мм для руд III категории расстояние между зарядами равно 1,9 м, а в зависимости от длины заряда ЛНС изменяется от 2,3 до 2,8 м. Расстояние между зарядами и линия наименьшего сопротивления для скважин диаметром 110 мм относительно диаметра 89 мм в среднем увеличивается на 20 и 15% соответственно. Значение ЛНС, рассчитанное по зависимости Барона Л.И., оказывается меньше, чем определенное по предлагаемой методике. Расстояние между зарядами будет определяться величиной коэффициента сближения, который рекомендуется принимать равным 1-1,3 [5], в этом случае сетка расположения зарядов будет более густой.
Предлагаемый метод расчета параметров расположения зарядов был апробирован в промышленных условиях разработки месторождений, представленных сильнотрещиноватыми рудами, где в результате перехода на увеличенную сетку расположения зарядов снижение качества отбойки не подтверждено.
Таким образом, отбойка сильнотрещиноватых руд характеризуется увеличенными параметрами сетки расположения зарядов, т.е. меньшими энергетическими затратами, и обусловливается величиной расстояния между зарядами, которая характеризует отделение разрушаемого объема от основного массива.
Основные выводы и рекомендации по расчету параметров отбойки запасов при системах разработки с твердеющей закладкой, находящихся в состоянии
Список литературы
1. Мосинец В.Н., Абрамов А.В. Разрушениетрещиноватых и нарушенных горных пород. М.: Недра, 1982.
2. Медведев С.В. Сейсмика горных взрывов. М.: Недра, 1964. 188 с.
3. Падуков В.А., Маляров И.П. Механика разрушения горных пород при взрыве. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1985. 128 с.
4. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1970.
5. Баранов А.О. Проектирование технологических схем и процессов подземной добычи руд: Справочное пособие. М.: Недра, 1993.
Параметры сетки расположения скважин в породах различной категории трещиноватости
Диаметр скважины, м Категория пород по трещиноватости Расстояние между торцами скважин a, м Зн Г ПР за ачения HC,W и длине ряда, м ЛНС, W по зависимости Барона Л.И. [5], м
10 15 20
0,089 IV 1,8 2,1 2,4 2,6 1,57
III 1,9 2,3 2,6 2,8 1,87
II и менее 2,4 2,7 3,0 3,3 2,2
0,110 IV 2,2 2,5 2,8 3,1 1,8
III 2,4 2,7 3,0 3,3 2,15
II и менее 3,0 3,1 3,5 3,8 2,5
повышенной нарушенное™, состоят в следующем:
1. Массив вторичных камер является основным несущим элементом. На момент его отработки он характеризуется высокой степенью нарушенное™, что осложняет процесс очистных работ и требует корректировки параметров отбойки. Отбойка руды в данных условиях должна быть своего рода «щадящей», т.е. энергии взрыва должно быть достаточно на отделение необходимого объема горной массы при условии сохранения целостности законтурного массива.
2. Отбойка сильнотрещиноватых руд требует значительно меньшего расхода ВВ, что объясняется разрушением массива в первую очередь по естественным структурным отдельностям. Снижение энергонасыщенности взрывного разрушения в первую очередь может быть достигнуто увеличением линии наименьшего сопротивления при тех же диаметрах и также путем уменьшения диаметра зарядов. Увеличенная сетка расположения при больших диаметрах зарядов, по сравнению с меньшими, приводит к неравномерному распределению энергии взрыва в отбиваемом слое, что снижает качество отбитой горной массы. В породах меньшей категории трещиноватости целесообразно применять заряды меньшего диаметра, а в породах более монолитных - диаметром 110 мм либо меньшим, но с соответствующим сгущением сетки расположения зарядов.
List of literature
1. Mosinets V.N., Abramov A.V. Destruction of factored and disrupted rock. M.: Nedra, 1982.
2. Medvedev S.V. Seismic actvity of rock explosions. M.: Nedra, 1964. 188 p.
3. Padukov V.A., Mayarov I.P. Mechanism of rock destruction in explosion. Irkutsk: Editon of Irkutsk University, 1985. 128 p.
4. Rats M.V., Chernyshev S.H. Fracturing and factured rock properties. M.: Nedra, 1970.
5. Baranov A.O. Designing of process flow sheets and processes of ore deep-mined output Reference book. M.: Nedra, 1993.
24
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.
