CC BY
229
УДК 622.235.5
Г.Г. Литвинский, д-р техн. наук, проф., ligag@ya.ru (Украина, Алчевск, ДонГТУ),
П.Н. Шульгин, канд. техн. наук, pavel.n.shulgin@gmail.com (Украина, Алчевск, ДонГТУ)
РАЗРАБОТКА НОВОГО ПАСПОРТА БВР И МЕТОДИКИ ЕГО РАСЧЕТА НА ЭВМ
Разработан расчёт паспортов буровзрывных работ для полевых горизонтальных выработок, основанный на принципе последовательного раздавливания газообразными продуктами взрыва цилиндрических объёмов породы. Расчёты реализованы на ЭВМ в виде нового алгоритма и программы по численному и графическому построению паспорта.
Ключевые слова: взрыв, вруб, паспорт буровзрывных работ, отбойные шпуры, контурное взрывание, линия наименьшего сопротивления.
Технические показатели сооружения выработок буровзрывным способом стабильно остаются на недопустимо низком уровне. Об этом свидетельствуют медленные темпы проведения выработок, которые в настоящее время составляют 25 м/мес., что значительно ниже нормативной скорости 70 м/мес. В ряде проходческих забоев из-за недостатков при разработке паспортов буровзрывных работ (БВР) наметился переход на малоэффективное многоприемное взрывание, тем не менее показатели БВР не улучшаются: длина заходки составляет 1,2...1,8 м, коэффициент использования шпуров не превышает 0,7.0,8, оконтуривание выработок неудовлетворительное [1]. Одной из причин этого является недостаточная обоснованность методик расчета паспортов буровзрывных работ, поскольку в существующих подходах отсутствует понимание того, что шпуры могут работать не только на создание воронок выброса, но и путём взаимодействия через образование трещин разрыва.
Одним из перспективных направлений повышения технико-экономической эффективности буровзрывной технологии сооружения горных выработок следует считать создание новых паспортов буровзрывных работ, которые базируются на использовании иной концепции формирования врубовой полости и работы отбойных шпуров.
В настоящее время общепринятой методикой составления паспортов БВР является расчет удельного расхода и параметров зарядов на весь объём взрываемой породы в забое целиком, без рассмотрения, а тем более, расчёта особенностей взаимодействия смежных зарядов и их работы по иной взрывной схеме разрушения пород [2]. С применением высокоэффективной конструкции вруба, в частности прямого цилиндрического вруба с центральным опережающим шпуром [3], становится возможным использовать новую схему взаимодействия зарядов и разрушения пород, реализуя
раздельный подход к расчету каждой группы шпуров - врубовых, отбойных и оконтуривающих.
При этом необходимо учитывать, что разные группы шпуров работают по своим особым, значительно различающимся схемам. В частности, врубовые шпуры действуют в условиях лишь одной открытой поверхности, расположенной перпендикулярно их направлению, тогда как отбойные шпуры взрывают уже на двух открытых поверхностях - плоскости забоя и вновь образованной врубовой полости. Оконтуривающие шпуры должны обеспечить выполнение других требований: создавать ровный контур выработки (требуемого сечения) с минимальными нарушениями сплошности законтурного массива.
При применении врубов, направленных на высокоэффективное образование дополнительной открытой поверхности (например, прямого цилиндрического вруба [3]), необходимо пересмотреть и подходы к расчету остальных параметров шпуров. Так, отбойные шпуры, которые работают уже на две открытые поверхности, могут реализовать две принципиально разные схемы разрушения массива (рис. 1). В первой схеме (рис. 1, а) каждый из отбойных зарядов работает изолированно и осуществляет выброс породы в виде воронки взрыва в предварительно созданную врубовую полость, следовательно, между зарядами не происходит взрывного взаимодействия с образованием трещин разрыва.
Согласно предложенной авторами новой схеме взрывного разрушения пород в забое выработки необходимо создать условия совместного воздействия газообразных продуктов взрыва (ГПВ) от одновременно взрываемых смежных отбойных зарядов на искусственно созданные сквозными трещинами отрыва цилиндрические (в идеале - кольцевые) объёмы породы (рис. 1, б), которые будут раздавлены давлением ГПВ, действующим по внешнему контуру этих объёмов. Породное кольцо будет раздавлено давлением ГПВ, если возникающие в нём напряжения превышают прочность породы. Таким образом, необходимо располагать шпуры так, чтобы между ними образовывались бегущие трещины разрыва, оконтуривающие выделенный объём породы.
Рассмотрим, каким образом необходимо располагать шпуры для выполнения поставленного условия. Практическое значение имеет случай, когда заряды расположены вдоль замкнутой линии, повторяющей контур поперечного сечения полости, образованной взрывом врубовых шпуров. Следовательно, исходя из предложенной схемы расположения шпуров, отбойные шпуры следует располагать по окружности с радиусом г*, который должен быть больше радиуса полости от взрывания врубовых шпуров на некоторую величину Ж, которая является линией наименьшего сопротивления (ЛНС).
Расстояние между зарядами, расположенными по окружности а5, должно быть меньше значения Ж и равно радиусу разрывных трещин меж-
ду соседними зарядами. Этот радиус можно определить, опираясь на базовые закономерности геомеханики взрыва [6], по формуле
где [ор] - предел прочности породы на растяжение; рг - давление газообразных продуктов взрыва в момент окончания образования разрывных трещин вокруг породного кольца.
Рис. 1. Схема работы отбойных шпуров, параллельных врубовой полости: а - без образования сквозных трещин между зарядами; б- с образованием сквозных трещин между зарядами
Если радиус созданных разрывных трещин между соседними шпурами больше расстояния между ними /> > а3, то трещины становятся сквозными, соединяющими соседние шпуры, и отделяют от массива близкий к кольцеобразному объём породы радиусом г0, ось которого перпендикулярна поверхности забоя.
При проектировании паспорта БВР необходимо обеспечить с помощью указанной схемы взрывания последовательное «раздавливание» породных колец от вруба к контуру выработки. Следует исключить возможность взрывного разрушения породы путём образования изолированных конусов выброса от линейного заряда, как это происходит в принятых до настоящего времени паспортах БВР. Таким образом, здесь следует стремиться к новой идеологии взрывания зарядов в забое выработки, основанной на последовательном формировании трещинами разрыва и разрушении кольцеобразных объёмов породы путём их раздавливания.
Для этого следует воспользоваться известной формулой для расчёта прочности толстостенного кольца при равномерном давлении на внешнюю границу
где [ас] - предел прочности породы на сжатие с учётом ослабления от радиальных трещин при взрывании зарядов цилиндрического вруба; к0 - коэффициент ослабления породного кольца предыдущим внутренним взрывом.
Чтобы разрушить породное кольцо, необходимо создать за счёт размещения зарядов по его контуру такое давление р3, которое способно превысить предел прочности на одноосное сжатие пород [ас] с учётом ослабления их предыдущими взрывами. Отсюда следует условие, налагаемое на расстояние между шпурами для разрушения кольцевого объёма раздавливанием,
где ¿/у - диаметр шпура.
Чтобы определить основные параметры предложенной схемы взрывного раздавливания кольцевых объёмов пород в забое, рассмотрим особенности работы отбойных шпуров после взрыва прямого цилиндрического вруба. Предположим, что после взрыва вруба в породном массиве образовалась цилиндрическая полость радиусом г0 и длиной Ь3. Основное условие последующего взрыва состоит в том, чтобы объём породы после взрыва сформированного кольца не превысил размеры образованной врубовой полости с учётом выброса породы взрывом и коэффициента разрыхления. Так как отбойные шпуры располагаем по окружности радиусом г*, то объем породы Г*, приходящийся на отбойные шпуры, определим по формуле
где кр - коэффициент разрыхления.
Одновременно должно выполняться условие формирования кольцевого объёма разрывными трещинами и исключения возникновения изолированных воронок выброса
Принимая, исходя из существующих рекомендаций, ЛНС IV = (1,1 ...1,2) а, получаем с запасом
К=крп(п2-г£)-Ц
Г.* -г0 = Ж >а3.
О
-'О
К=1,4тг^1за,2г0 +а3).
г* =г0 + 1,2 а
Число отбойных шпуров на окружности необходимо определять по формуле
N =
2п(го + 1,2а8)
а8
Чтобы исключить процесс переуплотнения породы, взорванной отбойными шпурами, необходимо, чтобы ее объем был меньше объема полости, образованной предыдущим взрывом, отсюда следует:
V* • кр • (1 - кв) £ V),
кв - коэффициент выброса, равный 0,7...0,8 (зависит от конструкции заряда, для прямого, клинового и конусного врубов равен 0,9 .1,0).
При расположении зарядов по концентрическим окружностям, при их взрывном взаимодействии будет наблюдаться перекрытие зон распространения трещин и взрывного разрушения породы (рис. 2).
На рис. 2 показано, как необходимо располагать отбойные шпуры при применении прямого цилиндрического вруба. Взрывание врубовых шпуров образует врубовую полость 1 и частично разрушит породный массив в зоне 2, что поможет работе по разрушению пород отбойными зарядами, в том числе и в зоне 3, которая не подверглась действию врубовых зарядов. При последующем взрывании зарядов отбойных шпуров, расположенных по кольцу, между ними образуются трещины разрыва, давление ГПВ в которых раздавит породу, находящуюся в зонах 2 и 3. При разрушении пород в зонах 2 и 3 одновременно образуется и зона 4, в которой порода будет частично разрушена действием отбойных шпуров.
Следовательно, при расчете параметров отбойных шпуров необходимо пользоваться следующими рекомендациями: определять удельный расход в отбойных шпурах по формулам, которые учитывают две свободные плоскости (врубовую полость и плоскость забоя); располагать отбойные шпуры по концентрической окружности вокруг врубовой полости; выбирать расстояния от отбойных шпуров до врубовой полости и между собой таким образом, чтобы при их взрывании между ними могли образоваться трещины отрыва, т.е. Ж > а, что приведет к разрушению путем раздавливания породного кольца давлением газообразных продуктов взрыва.
Предложенная методика составления паспортов БВР базируется на раздельном расчете параметров шпуров и учитывает условия их взаимодействия. За счёт перехода к более эффективной схеме взрывания шпуров в забое можно получить заметное улучшение показателей взрыва. Расчёты показывают, что новая схема взрывания позволит повысить коэффициент использования шпура (до 0,9.0,95), уменьшить расход ВВ (до 15 %), снизить объем бурения шпуров (до 20 %), повысить темпы сооружения горной выработки за счет снижения времени на бурение шпуров (на 15.20 %), исключить вероятность повреждения крепи взрывом, уменьшить отброс
породы от забоя и снизить стоимость сооружения горной выработки на 15...20 %.
Рис. 2. Схема взрывного взаимодействия врубовых и отбойных шпуров
Для упрощения и автоматизации расчета параметров буровзрывных работ была разработана компьютерная программа, позволяющая проектировать паспорта БВР в горизонтальных и наклонных горных выработках с применением прямого цилиндрического вруба (рис. 3).
/V -О" 3.5 .„ — — -с >— —
/V ' ' л А / / / & 3 N 1\ N \ /
/ / /V / / ^ / 2.5 СУ' "" ъ II III о \ \ \ \ \ ® \ \ Л \
И У / / ^ ^ / / / / £Г 2 1 5 1 \ \ \ \ П \ \ \ \ & \ \ ф \ \ \
1 ф 1 1 1 ' ь ' Ф \ 1 \ 1 9 / 1 1 <! ) 1 ф 1 1
>---о- \ \ \ Г а оу / / / 1 / ? / / <Й / / 6 1 1 ф
1 ----о Ч Ч -----4>-----V-- --©-- / — / ----& / е--- 1 1 -©
2.5 2 "1.5 "1 ~< 15 0 1 ] ..5 2 ; !.5
Рис. 3. Демонстрационный пример работы программы по размещению шпуров в забое полевой горной выработки
В этой программе расчет параметров паспорта буровзрывных работ производится по новой методике: наряду с учетом горно-геологических (прочность, текстура пород, категория шахты по метану) и технических (площадь выработки, глубина заходки) условий сооружения горной выработки используется раздельный подход к расчету каждой группы шпуров -врубовых, отбойных и оконтуривающих.
Программа состоит из блоков ввода данных, расчета, анализа и вывода результатов расчета. Программа также содержит библиотеку рекомендуемых к применению ВВ и выдержки из правил безопасности для выбора всех необходимых параметров БВР [5].
Расчет параметров БВР следует производить в такой последовательности:
1) на основании исходных данных принять тип ВВ, длину и диаметр патронов (рекомендации по выбору прилагаются в сопроводительном тексте программы);
2) рассчитать параметры прямого цилиндрического вруба: радиус вруба, длину центрального шпура, заряд и остальных шпуров вруба. Все значения принять в соответствии с прилагаемыми требованиями правил безопасности;
3) определить параметры контурного взрывания по методике, разработанной в ДонГТУ (принять диаметр патронов в оконтуривающих шпурах, определить их число, расстояние между ними и заряд в каждом шпуре);
4) произвести расчет отбойных шпуров.
По окончании расчетов результаты выводятся в итоговой таблице, которая включает в себя все параметры, необходимые для составления паспорта БВР: очередность взрывания зарядов, длины и заряды во всех шпурах, длину забойки, угол наклона шпуров к плоскости забоя.
Для удобства размещения шпуров в плоскости забоя в разработанной программе реализована возможность построения графической части паспорта БВР, что позволяет равномерно распределить шпуры по плоскости забоя, учитывая необходимые правила ЕПБ.
Выводы
1. Обоснована новая схема БВР при проведении полевых горных выработок, использующая последовательное взрывание концентрических породных колец. Схема пригодна для полевых выработок и вертикальных стволов.
2. Новый паспорт БВР позволяет существенно - в 1,3.1,5 раза - повысить эффективность взрывного способа проведения выработок.
3. Для предложенной методики составления паспортов БВР разработана программа для ЭВМ, что существенно упрощает их проектирование и практическое использование.
Список литературы
1. Угольная промышленность в 2007 г. //Уголь Украины. 2008. № 4.
2. Суханов А. Ф. Кутузов Б. Н. Разрушение горных пород взрывом. М.: Недра, 1983.
3. Прямой цилиндрический вруб: пат. 6624 Украина. Заявл. 19.10.2004; опубл. 16.05.2005. Бюл. №5.
4. Литвинский Г.Г. Обоснование расчетных схем геомеханики подземного взрыва // Сб. науч. тр. Алчевск: ДонГТУ, Ладо, 2007. Вып. 24. С. 24-34.
5. Шульгин П.Н. Разработка программы для автоматизации расчетов паспортов буровзрывных работ // Вестник. Прогрессивные технологии строительства, реконструкции, реструктуризации и безопасности в капитальном строительстве предприятий угольной промышленности. Донецк: Норд-Пресс, 2008. Вып.9. С. 245 - 248.
G.G. Litvinsky, P. Shulgin
ELABORATING NEW PASSPORT DBW AND METHODOLOGIES OF ONE'S CALCULATION WITH USING A COMPUTER
The calculating drillings and blasting is worked passports out for the horizontal developments, based on principle of the successive squashing by fission gas of explosion of cylindrical volumes of rocks. Calculations are realized by a computer with using the new algorithm and program on the numeral and graphic construction of the passport.
Key words: explosion, burn cut, passport of drillings and blasting, main hole, controlled blasting.
Получено 10.05.12
