CC BY
45
© Г.Н. Волченко, В.М. Серяков, 2007
Г.Н. Волченко, В.М. Серяков
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ КОРОТКОЗАМЕДЛЕННОГО ВЗРЫВАНИЯ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ПРИМЕНЕНИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ И ПУЧКОВЫХ ЗАРЯДОВ ВВ
Совершенствование техники и технологии взрывной отбойки при подземной отработке месторождений железных руд Сибири постоянно осуществляется с учетом изменения состояния взрываемой среды, возможностей буровой техники, элементов системы разработки и применяемых взрывчатых материалов.
Ведение подготовительных и очистных работ на глубине более 700 м привело к тому, что исходное напряженное состояние породного массива в районе отработке достигает уровня, сопоставимого с величинами пределов прочности среды на разрушение, а в местах концентрации напряжений превосходит их, создавая реальную угрозу работающим и провоцируя горные удары. Удароопасная геомеханическая
ситуация возникает в результате взаимодействия исходного гравитационно-тектонического поля напряжений для данного участка литосферы с техногенными полями напряжений, формирующихся вокруг техногенных полостей, из которых вынимается полезное ископаемое. В таких условиях работы шахт и рудников неизбежны нарушения и потери взрывных скважин. По причине потерь взрывных скважин в результате динамических и статических проявлений горного давления в массиве пород в условиях, например, Таштагольской шахты фактические показатели БВР, связанные с величиной заряда ВВ в скважинах (пучках скважин), обычно отличаются от проектных до 30 %. Очистка скважин и их перебуривание - трудоемкий процесс, который не всегда возможно осуществить. Все это ведет к изменению параметров БВР, корректировка которых, в основном, не дает ожидаемого результата взрыва. Особенно это ощутимо при обуривании массива скважинами (пучками скважин) диаметром 105 мм станками НКР-100МА. С целью снижения негативного влияния напряженного состояния массива на сохранность взрывных скважин и возможность проведения удовлетворительных взрывов испытывались расширители скважин до 220 мм (РС-220). Однако применение данных устройств приводит к существенному удорожанию глубокого бурения. И только разработанная технология крупномасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Сибири [1] позволила удовлетворительно проводить массовую отбойку в вышеуказанных условиях. Данная технология включает применение вертикальных концентрированных зарядов (ВКЗ) и пучковых зарядов ВВ для взрывного разрушения технологических блоков. Пучковые заряды несут вспомогательную функцию, инициируются первыми ступенями замедления в общей схеме короткозамедленного взрывания (КЗВ) и этим обеспечивают оконтуривание массива вокруг ВКЗ. ВКЗ формируют в восстающих выработках малого диаметра (800-1200 мм) и взрывают последними ступенями замедления, на которые приходится основной объем разрушаемого массива. Широкомасштабное промышленное использование подтвердило эффективность данной технологии, которая была отмечена премией Правительства РФ в 2005 г.
С целью выявления эффективности взрывного дробления при применении ВКЗ и пучковых зарядов ВВ для отбойки технологических блоков в удароопасных условиях, совершенствования схем КЗВ нами были проведены исследования на физических моделях в условиях Абаканского рудника. Для этих целей был изготовлен взрывной бокс с нагружающим устройством физических моделей (рис. 1) для создания горизонтальной статической нагрузки, имитирующей действие максимальных сжимающих напряжений при отработке технологических блоков на Сибирских рудниках.
В качестве устройства статического нагружения модели ввиду простоты и эффективности разработан резиновый динамометр. Он состоит из резиновой пластины, помещенной между двумя стальными пластинами, одна из которых контактирует с прижимными винтами, а другая с торцом взрываемой физической модели. Для осуществления фиксированной нагрузки получен тарировочный график динамометра, отражающий увеличение периметра резиновой прокладки в зависимости
а г
в
е
Рис. 1. Схема эксперимента по установлению качества взрывного дробления физических моделей при разном распределении зарядов
ВВ по площади модели и °сж = 0 ; а, б, в - равномерное; г, д, е - концентрированное
от величины сжимающей нагрузки. Изготовление физических моделей из песчано-цементного состава производилось по известной методике [2]. После набора прочности модели рассверливались победитовым сверлом по определенным схемам. Взрывание моделей осуществлялось детонирующим шнуром (ДШ) ДШЭ-12. Отрезки ДШ вставляли в просверленные отверстия на всю толщину модели и соединяли в косы по ступеням замедления. Замедления создавались за счет различной длины ДШ с инициированием от электродетонатора ЭД-8 и с помощью ЭДКЗ с интервалом замедления 10 мс. Все модели заряжались одинаковым количеством отрезков ДШ с общей массой ТЭНа 9,6 г. После помещения модели во взрывной бокс с одной стороны насыпалась рудная мелочь, имитирующая массив зажимающей среды, с противоположной стороны модели оставлялась свободная поверхность, имитирующая компенсационную камеру.
Проведена серия экспериментов, в результате которых устанавливалась зависимость качества дробления моделей
от исходного напряженного состояния и очередности взрывания при равномерном и концентрированном распределении зарядов ВВ по площади моделей. В данной работе представлены некоторые результаты.
Одним из экспериментов предусматривалось определить качество взрывного дробления при равномерном и концентрированном распределении зарядов ВВ по площади моделей без приложения сжимающей нагрузки. Схема КЗВ при равномерном распределении ВВ по площади модели порядно-волновая, по варианту с концентрированным распределением зарядов ВВ - аналогична очередности описанной выше по технологии крупномасштабной отбойки с применением ВКЗ (рис. 4а).
Оценка результатов взрывов при проведении исследований проводилась по данным визуальных наблюдений (фотографирование) и путем рассева взорванной массы с определением фракционного состава и диаметра среднего куска.
Проведенные опытные взрывы подтвердили ранее установленные закономерности, что равномерное насыщение взрываемого массива горных пород зарядами ВВ при рациональном удельном расходе ВВ положительно сказывается на эффективности дробления [2]. При равномерном распреде-
Рис. 2. Зависимость выхода фракций О (%) и диаметра среднего куска с1ср (мм) при взрывном разрушении моделей от распределения
зарядов ВВ по площади модели: 1 - равномерное (dс = 10,4 мм); 2 -концентрированное (d = 14,7 мм)
(рис. 2). Результаты взрывов подтверждают и необходимость увеличения энергетических параметров взрыва на массив зажимающей среды. При равномерном (порядном) расположении зарядов ВВ увеличение массы зарядов на 20-30% [3], при концентрированном распределении зарядов ВВ - смещение ВКЗ от центральной оси блока в сторону массива зажимающей среды [4].
Несмотря на худшие результаты дробления, схема КЗВ с комплексным применением вертикальных концентрированных и пучковых зарядов ВВ в удароопасных условиях все же наиболее предпочтительна благодаря снижению вероятности нарушения взрывных полостей и возможности производства успешного взрыва. На рис. 3 показан характер разрушения модели во взрывном боксе, при котором полости для размещения основных зарядов ВВ (ВКЗ) в экстремальных условиях остаются пригодными для заряжания.
В настоящее время применение технологии массовой отбойки технологических блоков с комплексным использованием вертикальных концентрированных и пучковых зарядов ВВ получила широкое распространение на Таштагольском, Абаканском, Шерегешском рудниках. Основная идея этой разработки,
Рис. 3. Характер разрушения модели во взрывном боксе при создании усилия нагружающим элементом 7,7 тс
как говорилось выше, заключается в том, что первыми ступенями замедления инициируют пучковые (вспомогательные) заряды ВВ, которые оконтуривают массив, для более эффективного последующего взрыва зарядов ВКЗ. Логичность данной схемы взрывания не вызывает сомнения при отбойке ненапряженных массивов. В удароопасных условиях, при наличии высоких гравитационно-тектонических напряжений, такой подход, на наш взгляд, не рационален, так как оконтуривание массива пучковыми зарядами ВВ не позволяет использовать энергию напряжений, упругих деформаций для дополнительного воздействия на отбиваемый ВКЗ массив. Проведенные ранее исследования [5] способов взрывной отбойки технологических блоков с учетом напряженно-дефор-мированного состояния позволили обоснованно подойти к разработке перспективных схем КЗВ. Часть экспериментов была посвящена моделированию этих схем взрывания типа «синусоида», в результате применения которых в разрушаемом массиве возникают обширные зоны действия растягивающих напряжений, снижающих энергоемкость взрывного дробления. Данные исследования методом математического моделирования наиболее подробно представлены в работах [6, 7].
а
О
б
Рис. 4. Характер взрывного разрушения физических моделей, моделирующих комплексное использование вертикальных концентрированных и пучковых зарядов ВВ при исходной сжимающей нагрузке а = -0,7[а]сж : а, б - традиционная; в, г - предлагаемая схема КЗВ, 0, I, II -очередность взрывания
С целью подтверждения теоретических изысканий были проведены опытные взрывы на физических моделях. На рис. 4 (а, б - традиционный вариант, в, г - предлагаемый) представлена характерная картина взрывного разрушения моделей без учета влияния массива зажимающей среды на результаты дробления (отбойка производилась на две свободные поверхности модели).
Взорванная масса подвергалась ситовому анализу с получением распределения гранулометрического состава и определением диаметра среднего куска 6Ср. Из анализа опытных данных можно сделать следующие выводы:
1. При взрыве по традиционному варианту с1ср=18,2 мм (рис. 4, а, б);
2. При взрыве по предлагаемому варианту (рис. 4, в, г), несмотря на то, что количество вспомогательных зарядов для оконтуривания ВКЗ снижено в 2 раза, и расход ВВ на отбойку снижен на 35 %, диаметр среднего куска уменьшился до 17,5 мм. При этом можно отметить качественное дробление модели в той части, где должны формироваться области растягивающих напряжений.
3. Привлекает внимание наличие при обеих схемах взрывания областей нерегулируемого дробления, расположенных в торцевых частях моделей, что требует размещения там дополнительных зарядов ВВ и инициирования их после взрыва ВКЗ.
4. Предлагаемая схема взрывания реализует механизм использования энергии упругих деформаций, формирования обширных зон растягивающих напряжений, позволяющих снизить энергоемкость взрывного разрушения модельного материала.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований характера разрушения предварительно напряженной среды позволяют и в дальнейшем уверенно применять комплексный подход, который показывает эффективность и перспективность предлагаемой схемы взрывания в удароопасных условиях разработки месторождений. Разработанная схема взрывания включена в проект на отработку блока № 7 V рудного тела, в этаже +65 м - +145 м на Абаканском железорудном месторождении.
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Викторов С.Д., Еременко А.А., Закалинский В. М., Машуков И.В. Технология крупномасштабной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Сибири. - Новосибирск: Наука, 2005, 212 с.
2. Казаков Н.Н. Взрывная отбойка руд скважинными зарядами. - М: Недра, 1975, 195 с.
3. Волченко Н.Г. Влияние геометрии расположения скважинных зарядов и схем КЗВ на показатели дробления массива в зажиме// ФТПРПИ.-Новосибирск, 1977, №5, с. 57-63.
4. А.с.№ 1478772 СССР, МКИ Р 42 О 3/04. Способ взрывного дробления целиков. / Волченко Г.Н., Волченко Н.Г., Махов А.П., Карапетян Ю.М.-№ 4280923/23-03; заявлено 09.07.87.
5. Волченко Г.Н. Разработка способов взрывной отбойки рудных блоков с учетом напряженно-деформированного состояния массива: Дисс. канд. техн. наук. - ИГД СО РАН. - Новосибирск, 2003. - 142 с.
6. Серяков В.М. Перераспределение напряжений в рудном блоке при отбойке / Серяков В.М., Волченко Г.Н. // ФТПРПИ, 2003. - №1. - С. 18-24.
7. Серяков В.М. Геомеханическое обоснование схем отбойки рудных блоков, учитывающих перераспределение статического поля напряжений при короткозамедленном взрывании /Серяков В.М., Волченко Г.Н., Серяков А.В. // ФТПРПИ, 2005. - №1. - С. 46-52.
і— Коротко об авторах---------------------
Волченко Г.Н. - СибГИУ, г. Новокузнецк, Серяков В.М. - ИГД СО РАН, г. Новосибирск.
