Наукове обґрунтування технології і параметрів вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу надр

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин

Наукове обґрунтування технології і параметрів вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу надр

Андрєєв Борис Миколайович

Кривий Ріг - 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Клочков Віталій Федорович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри будівельних геотехнологій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Бондаренко Володимир Ілліч, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри підземної розробки родовищ;

доктор технічних наук, професор Гірін В'ячеслав Станіславович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри автомобілів та автомобільного господарства;

доктор технічних наук, професор Крівцов Микола Васильович, Національний науково-дослідний інститут охорони праці Міністерства надзвичайних ситуацій України, м. Київ, завідувач лабораторії безпеки вибухової справи.

Провідна установа Донбаський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра розробки родовищ корисних копалин, м. Алчевськ.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук О.М. Голишев

Анотація

вибуховий відбійка видобуток руда техногенез

Андрєєв Б.М. Наукове обґрунтування технології і параметрів вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу надр. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин. - Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2006.

Дисертація присвячена розв'язанню проблеми наукового обґрунтування технології і параметрів вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу надр шляхом теоретичного узагальнення особливостей впливу антропогенних морфоструктур на об'єкти і технологію вибухової відбійки і встановлення закономірностей руйнування техногенно навантажених руд.

Визначено технологічні параметри відбійки шарів руди свердловинними зарядами ВР, що відповідають оптимальним значенням потрібного рівня їхнього насичення енергією вибуху. Обґрунтовано параметри БВР, що сприяють зниженню збіднювання руд матеріалами техногенного походження. Виявлено умови підвищення частки енергії вибуху, що трансформується у рудний масив, за рахунок газодинамічної локалізації продуктів детонації ВР у свердловинах. Розроблено технологічні схеми відбійки в умовах техногенезу надр, які випробувані і впроваджені на шахтах Криворізького басейну при добуванні руд.

Ключові слова: техногенез надр, підземне добування руд, вибухова відбійка, технологічні параметри, свердловинний заряд, локалізація продуктів детонації.

Аннотация

Андреев Б.Н. Научное обоснование технологии и параметров взрывной отбойки при подземной добыче руд в условиях техногенеза недр. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.02 подземная разработка месторождений полезных ископаемых. Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2006.

Диссертация посвящена решению проблемы научного обоснования технологии и параметров взрывной отбойки при подземной добыче руд в условиях техногенеза недр путем теоретического обобщения особенностей влияния антропогенных морфоструктур на объекты и технологию взрывной отбойки и установления закономерностей разрушения техногенно нагруженных руд.

Разработан единый концептуальный подход и общая методика выбора оптимальных технологических решений взрывной отбойки, соответствующих степени и характеру геомеханического и геотехнологического влияния техногенных объектов на разрушаемые массивы. Установлено, что в пределах участков влияния зон обрушения и чаш карьеров величина коэффициента бокового распора под влиянием техногенно нарушенных участков варьирует в интервале 0,16…0,8. Комплексными исследованиями определены зависимости изменения глубины зоны разгрузки в приконтурных массивах расширяющихся при взрывной отбойке руды очистных камер от конфигурации очистного пространства и фактической величины коэффициента бокового распора.

Определены технологические параметры отбойки слоев руды скважинными зарядами ВВ, соответствующие оптимальным значениям требуемого уровня их насыщения энергией взрыва. При этом установлено, что минимизация затрат энергии взрыва на отбойку слоев руды обеспечивается при их толщине, составляющей 0,35…0,38 глубины зоны разгрузки в приконтурном массиве очистной камеры. С учетом этого разработана методика расчета параметров БВР, основанная на принципе дискретизации энергетического поля взрыва и позволяющая устанавливать оптимальный уровень затрат энергии взрыва на отбойку каждого слоя руды.

Обоснованы параметры БВР, способствующие снижению разубоживания руд материалами техногенного происхождения. Для условий подземной отработки руд под чашами карьеров, заполненными дроблеными скальными породами, определены оптимальные технологические режимы взрывной отрезки "плавающих" потолочин и их взаимосвязь со свойствами налегающих внутренних отвалов. При этом предусмотрено использование технологий контурного и секционного взрывания, а также арсенала средств и способов управления энергетическими характеристиками скважинных зарядов ВВ в сочетании с усовершенствованной за счет введения показателя плотности энергии ВВ методикой расчета параметров БВР при щелеобразовании. Для условий разработки залежей, содержащих нерудные включения установлено, что их целесообразно отбивать с увеличенной кусковатостью и взрывом дополнительных зарядов ВВ отбрасывать в отработанную часть камеры.

Выявлены условия повышения доли энергии взрыва, трансформируемой в рудный массив, за счет газодинамической локализации продуктов детонации ВВ в скважинах. Установлено, что уменьшение радиуса устьевой части скважин до 0,464 от номинального значения приводит к газодинамической локализации продуктов детонации ВВ. С учетом этого разработаны запирающие газодинамические устройства, позволяющие увеличить долю трансформируемой в разрушаемый массив энергии взрыва и повысить устойчивость детонации в удлиненных зарядах.

Разработаны технологические схемы отбойки в условиях техногенеза недр, которые прошли испытания и внедрены на шахтах Криворожского бассейна при добыче руд. При этом предложена технология управляемого насыщения энергией взрыва отбиваемых рудных слоев, предусматривающая последовательное инициирование в пределах слоя нескольких групп скважин с недозарядами, определяемыми долей трансформируемой в разрушаемый массив энергии взрыва, и обеспечивающая снижение расхода ВВ и объемов глубокого бурения на 22…25 %. Обоснована техническая возможность создания под дном и бортами действующих карьеров подземных рудников, способных благодаря использованию новых технологических решений и параметров взрывной отбойки конкурировать с показателями открытых горных работ.

Ключевые слова: техногенез недр, подземная добыча руд, взрывная отбойка, технологические параметры, скважинный заряд, локализация продуктов детонации.

The summary

Andreyev B.N. Scientific substantiation of technology and parameters of blasting at underground mining of ores in conditions of technogenic formations of depths. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree on a speciality 05.15.02 - underground mining of mineral deposits. - Kryvyi Rih Technical University, Kryvyi Rih, 2006.

The dissertation considers solution of the scientific substantiation problem of technology and parameters of blasting at underground mining of ores in conditions of depths technogenesis by theoretical generalizing the features of influence the anthropogenous morphostructures both on objects and technology of a blasting, and establishment the laws of shattering the technogenically loaded ores.

The technological parameters of breaking the ore layers by blasthole charges of explosive corresponding to optimum values of required level of their saturation by explosion energy are determined. The drilling-and-blasting parameters, contributing to the decrease of ore dilutions by materials of technogenic origin are grounded. The conditions of increasing a explosion fraction of transformed in an ore massif for the account of gasdynamic localization of explosive detonation products of in boreholes are revealed. The flow sheets of breaking in conditions of depths technogenesis, that have been tested and have been implemented at Kriviy Rih ore basin mines when mining ores are designed.

Key words: depths technogenesis, underground mining of ores, blasting, technological parameters, blasthole charge, localization of detonation products.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Концепцією розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р. передбачено на початку нинішнього сторіччя щорічно виробляти 62,05 млн. т залізорудної продукції, у тому числі підприємствами з підземним способом розробки - 14,2 млн. т. Для цього буде потрібно добувати 143 млн. т сирої руди на рік, що обумовлює необхідність розширення сировинної бази.

Розв'язання даного завдання з максимальним використанням потужностей наявних в Україні гірничорудних підприємств можливе за рахунок залучення у підземну або комбіновану відкрито-підземну відробку руд середньої і низької цінності, залишених у більш ранні періоди експлуатації родовищ на верхніх горизонтах шахт, поблизу контурів кар'єрів, у міжрудникових ділянках. Розробка ефективних технологічних рішень з видобутку зазначених запасів вимагає вивчення характеру і ступеня впливу на них сформованих у процесі техногенних змін геологічного середовища антропогенних морфоструктур. Назріла потреба в розвитку наукового напрямку, що систематизує накопичені знання і комплексно досліджує геотехнологічні процеси в умовах техногенезу надр.

При підземному видобутку малоцінних руд одним зі шляхів забезпечення рентабельної роботи шахт є впровадження технологій, що передбачають використання високопродуктивних варіантів систем розробки в поєднанні з потужним навантажувально-доставним і буровим устаткуванням. Модернізація парку бурової техніки у свою чергу обумовлює необхідність удосконалення існуючих і створення нових науково обґрунтованих технологій вибухової відбійки з параметрами, що найбільшою мірою відповідали б сучасним тенденціям розвитку гірничого виробництва.

Таким чином, обґрунтування технології і параметрів вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу надр на основі встановлення закономірностей взаємодії елементів системи "геотехногенні формування - рудний масив" є актуальною науково-технічною проблемою, яка має важливе значення для гірничорудної промисловості України. Її розв'язання дозволить більш ефективно вести комплексне освоєння надр, підвищити екологічну й економічну ефективність видобутку корисних копалин підземним і відкрито-підземним способами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Спрямованість дисертації відповідає тематиці виконаних Криворізьким технічним університетом науково-дослідних робіт у яких автор брав участь як виконавець і керівник: "Дослідити і розробити заходи для підвищення безпеки праці при комплексній відкрито-підземній розробці рудних родовищ" (№ держ. реєстрації 0196U004939) - виконана відповідно до Національної програми поліпшення стану безпеки, гігієни праці і виробничого середовища на 1996 - 2000 р. (пункт 29), "Обґрунтування відкрито-підземного способу доробки проектних запасів Ганнівського родовища залізних руд" (№ держ. реєстрації 0101U004368); "Розробити техніко-економічне обґрунтування відкрито-підземного способу доробки балансових запасів Ганнівського кар'єру" (№ держ. реєстрації 0102U005445); "Розкриття і відпрацювання підземним способом балансових запасів під дном і бортами Ганнівского кар'єру (№ держ. реєстрації 0103U007486).

Метою роботи є підвищення ефективності підземного видобутку руд в умовах техногенезу надр за рахунок розробки науково обґрунтованих технології і параметрів вибухової відбійки, що відповідають характеру впливу геотехногенних формувань.

Для досягнення мети в роботі поставлено і вирішено такі завдання:

розробити єдиний концептуальний підхід і методичні принципи наукового обґрунтування технології і параметрів вибухової відбійки руд в умовах техногенезу надр;

дослідити вплив антропогенних морфоструктур на геомеханічні і геотехнологічні властивості об'єктів вибухової відбійки;

дослідити технологічні параметри вибухової відбійки руд в умовах впливу широкого спектра проявів геотехногенезу;

обґрунтувати можливість керування результуючою дією вибуху за рахунок локалізації продуктів детонації в зарядних порожнинах;

на основі виконаних досліджень вибрати ефективні технологічні схеми і параметри вибухової відбійки в умовах геотехногенезу;

провести дослідно-промислові випробування нових технологічних рішень, оцінити їхню економічну ефективність.

Ідея роботи полягає у використанні керованого взаємного узгодження енергетичних показників зарядів ВР і параметрів сітки їхнього розташування з геомеханічними і технологічними властивостями техногенно навантажених об'єктів вибухового руйнування.

Об'єктом досліджень є процес вибухового руйнування руд при їхньому підземному відпрацьовуванні в умовах техногенезу надр.

Предмет досліджень - технологія і параметри буровибухових робіт при зміні властивостей середовища, що руйнується, та енергетичних характеристик зарядів ВР.

Методи досліджень. Поставлену в роботі мету досягнуто шляхом використання методів комплексного узагальнення, аналізу й оцінки практичного досвіду і наукових досягнень у галузі підземної геотехнології, теорії і практики вибухового руйнування твердих середовищ; методів механіки суцільних середовищ; математичної статистики; газодинаміки, а також методів дослідження хвильових процесів.

Наукові положення, які виносяться на захист:

коефіцієнт бічного розпору в рудному масиві під впливом техногенних формувань у вигляді зон обвалення і чаш кар'єрів змінюється в залежності від кута падіння рудного покладу, що контактує із зоною обвалення, об'ємної ваги матеріалу, що заповнює зону обвалення, глибини, ширини дна і кутів нахилу бортів чаш кар'єрів у межах 0,16...0,8, що разом з конфігурацією очисних камер визначає у відбиваному масиві поблизу їхніх контурів параметри зон розвантаження;

кількість енергії вибуху, що трансформується в рудний масив при його пошаровому відбиванні знаходиться в степеневій залежності від відношення величини лінії найменшого опору до глибини зони розвантаження і при значенні цього показника 0,35...0,38 в умовах криворізького басейну приймає мінімальне значення, що дозволяє знизити обсяги буріння свердловин і витрати ВР у 1,22...1,25 рази при постійній якості дроблення;

заглиблення свердловинних зарядів ВР відносно покрівлі відрізної виробки при формуванні "плаваючих" стелин під відвалами скельного розкриття кар'єрів зменшується за степеневою залежністю при зростанні границі міцності руд і зростає пропорційно збільшенню щільності енергії ВР, що визначає необхідні за умовами запобігання інфільтрації налягаючих порід розміри відрізних щілин;

коефіцієнт передачі енергії свердловинних зарядів ВР у масив, що руйнується, асимптотично наближається до умови "ідеального" узгодження щільності енергії вибуху і параметрів руд при локалізації газів вибуху, які витікають зі свердловин через конфузори, що дозволяє збільшити радіуси зон руйнування зарядів ВР у 1,22...1,52 рази.

Наукова новизна одержаних результатів:

уперше антропогенні морфоструктури класифіковано за характером їхнього впливу на підземні геотехнологічні процеси, що дозволило розробити концепцію і методичні принципи наукового обґрунтування технології і параметрів вибухової відбійки в умовах техногенезу;

встановлено закономірності геомеханічного впливу геотехногенних формувань на рудні масиви, які руйнуються вибухом, що дозволило обґрунтувати оптимальний рівень їхнього вибухового енергонасичення;

уперше з використанням принципів дискретизації енергетичного поля вибуху встановлено закономірності зміни технологічних параметрів відбійки шарів руди при варіюючих у широкому діапазоні значеннях потрібного рівня їхнього вибухового енергонасичення;

встановлено характер залежності кількості енергії ВР, що трансформується у масив, який руйнується, від об'ємної щільності енергії вибуху і фізико-механічних властивостей руд, який свідчить про можливість вибухового енергонасичення відбиваних шарів до оптимального рівня за рахунок газодинамічної локалізації продуктів детонації ВР у свердловинах;

уперше для зарядів ВР завдовжки понад 25 м дано кількісну оцінку процесу детонації при газодинамічній локалізації продуктів вибуху в свердловині;

для умов підземного відпрацювання підкарєрних запасів уперше встановлено залежності параметрів вибухової відрізки "плаваючих" стелин від енергетичних характеристик зарядів ВР і режимів формування налягаючих внутрішніх відвалів скельного розкриття.

Обґрунтованість і достовірність положень, висновків і рекомендацій підтверджена використанням апробованих методів дослідження хвильових процесів, механіки суцільних середовищ, математичної статистики, газодинаміки; адекватністю розроблених математичних моделей реальним об'єктам і процесам; коректним узгодженням результатів аналітичних досліджень з даними натурних спостережень; позитивними результатами експериментів і випробувань у промислових умовах; результатами позитивного практичного використання розробок і рекомендацій.

Наукове значення роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні технології і параметрів вибухової відбійки при підземному повторному, сумісному і комбінованому відкрито-підземному видобутку руд в умовах впливу техногенних формувань.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці:

методики розрахунку параметрів вибухової відбійки при підземному добуванні руд, що дозволяє коректувати енерговитрати вибуху до рівня, що оптимально відповідає характеру геомеханічного впливу техногенних формувань на масив, який руйнується;

методичних рекомендацій з цілеспрямованого формування внутрішніх відвалів у діючих залізорудних і флюсових кар'єрах, що передбачають узгодження параметрів відвалоутворення і вибухової відрізки "плаваючих" стелин на стадії підземного відпрацювання підкар'єрних запасів;

конструкції запірного газодинамічного пристрою і його модифікацій, що дозволяють керувати результуючою дією вибуху свердловинних зарядів ВР;

технологій і режимних параметрів вибухового руйнування руд, реалізованих у захищених патентами України способах: комбінованої відкрито-підземної розробки родовищ корисних копалин (патент 33955 А); розробки рудних тіл, що містять включення пустих порід (патент 37982 А); вибухового дроблення негабаритних кусків породи (патент 54078 А).

Реалізація результатів досліджень. Використання розроблених у дисертаційній роботі технологічних схем відбійки руди і методик розрахунку параметрів БВР в умовах впливу техногенезу надр, а також конструкцій зарядів ВР із підвищеною енерговіддачею дозволяє скоротити витрати на підземні гірничі роботи. Впровадження результатів у виробництво на шахтах Криворізького басейну при повторному підземному відпрацюванні родовищ, що ведеться з метою видобутку залізистих кварцитів і гранітів, а також при видобутку багатих руд, дало можливість одержати фактичний економічний ефект у розмірі 341,28 тис. грн. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження на гірничодобувних підприємствах Кривбасу становить 2,75 млн. грн.

Особистий внесок автора в наукові результати, які подано в дисертації і виносяться на захист, полягає у формулюванні наукової проблеми, мети, завдань та ідеї досліджень, наукових положень, висновків і рекомендацій. Автором самостійно обрано методи аналітичних і експериментальних досліджень та проведено дослідження, розроблено і реалізовано на ЕОМ математичні моделі, сплановано програми натурних спостережень, експериментів і випробувань у промислових умовах. Автор брав безпосередню участь у розробці технології відкрито-підземної доробки родовищ та впровадженні результатів досліджень у виробництво. Текст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях: "Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых" (м. Новочеркаськ, 1995), "Проблемы и перспективы использования геоинформационных технологий в горном деле" (м. Дніпропетровськ, 2000), "Проблемы и перспективы развития подземной геотехнологии в XXI веке" (м. Єкатеринбург, 2001), "Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы" (м. Магнітогорськ, 2001), "Неделя горняка - 2002" (м. Москва, 2002), "Україна наукова" (м. Дніпропетровськ, 2003), "Форум гірників-2005" (м. Дніпропетровськ, 2005); "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" (м. Кривий Ріг, 2004-2005); на Другому міжнародному симпозіумі "Оперативный контроль и управление качеством минерального сырья при добыче и переработке" (м. Ялта, 1999); на Українсько-Польському форумі гірників "Гірничодобувна промисловість України і Польщі: актуальні проблеми і перспективи" (м. Ялта, 2004); на науково - практичній конференції "Проблемы и направления использования САПР в учебном процессе и автоматизация проектно - конструкторских работ современных производств" (м. Кривий Ріг, 1998); на науково-технічній конференції "Проблемы развития Криворожского железорудного бассейна" (м. Кривий Ріг, 2002).

Результати роботи на різних етапах її виконання неодноразово заслуховувалися, обговорювалися і були позитивно оцінені на технічних нарадах і засіданнях науково - технічних рад ВАТ "Криворізький залізорудний комбінат", ВАТ "Полтавський ГЗК" і ВАТ "Північний ГЗК".

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 44 друкованих праці, з яких 1 - монографія, 1 брошура, 26 статті у фахових виданнях, 10 доповіді на наукових конференціях і симпозіумах, 6 патенти України на винаходи і корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 180 найменувань і додатків. Загальний обсяг дисертації - 317 сторінок, у тому числі 257 сторінок тексту, 63 рисунка і 19 таблиць.

Автор висловлює щиру глибоку подяку доктору технічних наук, професору В.Ф. Клочкову за наукові консультації, доктору технічних наук, професору В.О. Щєлканову - за конструктивне співробітництво, працівникам відкритих акціонерних товариств "Криворізький залізорудний комбінат", "Полтавський ГЗК" і "Північний ГЗК" - за сприяння в проведенні досліджень і впровадженні їхніх результатів.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, ідею роботи, об'єкт і предмет досліджень, викладено завдання досліджень, основні наукові положення, що виносяться на захист, наукове й практичне значення роботи, а також наведено дані про методи досліджень, реалізацію результатів роботи, їхню апробацію, публікації та структуру дисертації.

У розділі 1 проаналізовано стан теорії і практики вибухової відбійки при підземному добуванні руд з урахуванням впливу техногенезу надр.

Відповідно до вчення про перетворення природи людиною, основні ідеї якого розроблені академіком В.І. Вернадським, з появою розумного життя, на поверхні Землі виникла нова геологічна сила. Її діяльність академік О.Є. Ферсман запропонував визначати терміном "техногенез". Дослідженню властивостей штучних утворень у надрах і впливу техногенних формувань на оточуюче середовище присвятили свої наукові праці О.П. Виноградов, Ю.Г. Вілкул, І.Л. Гуменик, І.М. Малахов, О.О. Сауков, Г.В. Секісов, К.М. Трубецькой, М.С. Четверик, А.Г. Шапар та ін.

У сучасних умовах техногенез безпосередньо стосується геотехнологічних процесів. Оскільки багаті руди складають усього близько 5 % світових запасів, набуває актуальності проблема залучення до відпрацювання родовищ з невисоким вмістом корисних компонентів. Виймання таких запасів, за умови максимального використання потужностей існуючих гірничодобувних підприємств, ускладнена наявністю антропогенних морфоструктур, обумовлених гірничими роботами попередніх періодів.

Аналіз досвіду підземної повторної, сумісної і комбінованої відкрито-підземної відробки родовищ показує, що вплив техногенезу на параметри підземних гірничих робіт (ПГР) істотний і різноманітний. Невідкладного вирішення вимагають проблеми, пов'язані з інтенсифікацією гірничого виробництва в умовах специфічних форм прояву гірського тиску, при інтенсивному засміченні корисної копалини скельними породами з відвалів або закладним матеріалом з відпрацьованих очисних блоків.

Різним аспектам повторної, сумісної і комбінованої відкрито-підземної розробки корисних копалин присвятили свої праці В.Ф. Бизов, В.І. Бондаренко, О.О. Вовк, Д.М. Казикаев, В.В. Куликов, Г.М. Малахов, А.К. Поліщук, Б.М. Усаченко, О.Д. Черних, Г.І. Чорний, С.Л. Шашурін, М.Ф. Шнайдер, В.О. Щєлканов, Б.П. Юматов та ін. Незважаючи на широкий спектр розв'язуваних цими вченими завдань, питання технології вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу надр з позицій єдиного методологічного підходу не досліджувались.

Ефективність вибухових робіт в умовах впливу на середовища, що руйнуються, різноманітних факторів була предметом наукових досліджень Е.І. Єфремова, Ю.П. Капленка, В.Ф. Клочкова, Б.М. Кутузова, Е.О. Мінделі, П.Й. Федоренка, М.Д. Фугзана, О.Н. Ханукаєва й інших учених. Розроблені на основі їхніх досліджень технологічні рішення вибухової відбійки і методики розрахунку параметрів БВР в основному враховують геомеханічні властивості гірських порід, що руйнуються, і лише в деяких випадках особливості видобутку руд при специфічних проявах техногенезу.

Аналіз і оцінка ефективності основних процесів підземної геотехнології і, зокрема, буровибухових робіт в умовах впливу техногенних формувань, а також геотехнологічна оцінка ресурсів залізорудної сировини середньої і низької цінності в Криворізькому басейні і Кременчуцькому залізорудному районі дозволили обґрунтувати актуальність наукової проблеми, сформулювати мету і завдання досліджень.

У розділі 2 досліджено вплив антропогенних морфоструктур на геомеханічні та геотехнологічні властивості об'єктів вибухової відбійки.

Систематизація основних видів техногенних формувань, що утворюються в процесі випереджальної і сумісної розробки родовищ корисних копалин, дала можливість визначити характер і ступінь їхнього впливу на підземні геотехнологічні процеси наступних періодів виймання мінеральної сировини. Морфоструктури в земній корі і на денній поверхні, що мають антропогенну природу, класифікуються на техногенні порушення, мінеральні об'єкти і комбіновані формування. За ступенем впливу на ПГР основними з них є зони обвалення, чаші діючих і відпрацьованих кар'єрів, породні відвали, ділянки родовищ, заповнені закладними матеріалами.

З урахуванням особливостей впливу вказаних техногенних формувань на об'єкти і процеси підземної геотехнології визначено пріоритетні напрямки розвитку технології вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу. Вони пов'язані з процесами: видобутку руди в умовах дії єдиної геомеханічної системи гравітаційних і штучних силових полів; формування рухомих ціликів - "плаваючих" стелин, які відокремлюють підземний очисний простір від налягаючих пустих порід; відпрацювання ділянок родовищ, що містять включення закладного матеріалу; повторної і сумісної розробки родовищ високопродуктивними варіантами систем розробки, здатними конкурувати з відкритими гірничими роботами (ВГР).

Дослідження ступеня геомеханічного впливу зон обвалення проведено на основі розв'язання задачі про напружений стан шаруватого породного масиву за умови взаємної дії суміжних пластів. Розв'язання виконане поетапно. Спочатку розглянуто напружений стан масиву під впливом гравітаційних і геотермічних полів напружень, потім враховано розбіжність фізико-механічних властивостей суміжних пластів рудного (пласт І) і порушеного.

Встановлено, що в рудному пласті будуть діяти напруження

(1)

де кут падіння світи; N_д - додаткове напруження, обумовлене взаємодією суміжних пластів з різними властивостями.

Коефіцієнт бічного розпору в кожному з розглянутих n пластів світи визначається відповідно до виразу

(2)

де n - індекс пласта; ₂ , ₃ - коефіцієнти Пуассона уздовж відповідних напрямків; коефіцієнт лінійного температурного подовження порід, 1/град; _t температурний градієнт, град/м; Е - модуль пружності порід; _n об'ємна вага порід розглянутого пласта; Н_t - глибина поясу постійної температури; Н_n - висота стовпа налягаючих порід, приведена до об'ємної ваги пласта.

На основі отриманих рішень розроблено програму для ЕОМ і проведено комп'ютерне моделювання напруженого стану рудного покладу, що контактує з зоною обвалених порід. Воно показало, що під дією основних впливових факторів - кута падіння та об'ємної ваги обвалених порід, які при моделюванні змінювались у межах характерних для залізорудних родовищ інтервалів - у рудному покладі вертикальна компонента відхиляється від геостатичного значення на 15 %, а фактичний коефіцієнт бічного розпору змінюється від 0,16 до 0,67. За умови підвищення щільності матеріалу, що заповнює зону обвалення, до 410⁴ Н/м³ цей показник досягає значення 0,8. Наведені результати добре збігаються з даними експериментальних (шахтних) досліджень, проведених академіком Г.М.Малаховим в умовах рудників Криворізького басейну.

Оцінювання геомеханічних властивостей перспективних для підземних гірничих робіт ділянок залізорудних родовищ, що знаходяться нижче граничних контурів кар'єрів, виконано з позицій дії в підкар'єрному масиві єдиної геомеханічної системи гравітаційних і штучних силових полів, обумовлених впливом дна і бортів чаші кар'єру, рис. 3. Виходячи з цього, для елементарної площадки, зорієнтованої під кутом _zx, шляхом суперпозиції напружень гравітаційного і штучного полів визначено нормальні і дотичні компоненти

; . (3)

Складові формули (3) у загальному вигляді записуються, як

, (4)

, (5)

де i ( i = 0, 1, 2) - індекси, що відповідають виразам, які випливають з (4) і (5) при урахуванні впливу гравітаційної складової, дна і бортів кар'єру (у бортах - нормального і дотичного навантажень).

При визначенні складових формули (3) для дна і бортів кар'єру прийнято місцеві прямокутні системи координат, початки яких (точки О₁ і О₂) розташовані в центрі відповідно дна і борта кар'єру. На кінцевій стадії розрахунку місцеві координати виражено через загальну для розглянутої схеми систему координат ZX з використанням відомих формул перетворення. Це дозволило, задаючи координати Z і X елементарної площадки, а також кут її нахилу _zx, одержати для будь-якої точки підкар'єрного масиву значення компонентів єдиної геомеханічної системи, яка діє поблизу контурів кар'єру.

Характер і ступінь впливу на рудний масив потужної антропогенної морфоструктури - чаші кар'єру - досліджувався на базі створеної математичної моделі з використанням комп'ютерного моделювання. Для цього були задіяні можливості математичного пакета "Mathcad". Рудному покладу додано властивості, характерні для родовищ залізистих кварцитів Кривбасу. Параметри чаші кар'єру обрано з урахуванням фактичного стану сучасних залізорудних кар'єрів України та їхніх граничних контурів. Вертикальна відстань від дна кар'єру до границі досліджуваної ділянки - 300 м (550 м від денної поверхні), що відповідає технологічним особливостям відкрито-підземного відпрацювання запасів на початковій стадії впровадження комбінованої геотехнології.

Моделювання дозволило виявити закономірності зміни параметрів єдиної геомеханічної системи гравітаційних та штучних полів під впливом таких чинників, як глибина кар'єру, кути нахилів його бортів, ширина дна кар'єру. Встановлено, що фактичні величини напружень мають суттєві відхилення від початкових значень у недоторканому масиві. Відповідно коефіцієнт бічного розпору під впливом інженерно-геологічних властивостей техногенно порушених ділянок і геометричних параметрів чаші кар'єру досягає значень _ф = 0,5…0,61.

При сучасному стані сировинної бази чорної металургії України набуває актуальності технологія, що передбачає ведення ВГР з формуванням у відпрацьованому просторі кар'єрів внутрішніх відвалів і подальшою підземною доробкою запасів під ними. Наявність налягаючого породного відвалу обумовлює застосування при підземних роботах рухомих ціликів - "плаваючих" стелин. Вони здатні ефективно запобігати проникненню засмічуючих порід у підземний простір. Цілики формують із застосуванням буровибухової технології, відокремлюючи частину рудного масиву по периметру майбутньої стелини відрізними щілинами.

З метою зниження інфільтрації налягаючих порід ширину відрізних щілин слід виконувати мінімальною відповідно до умови , де k_п - коефіцієнт, що враховує імовірність проходу сипучого матеріалу через відрізну щілину, k_п 2; d_ср середній діаметр кусків порід, що налягають.

При складуванні порід за звичайною технологією в умовах залізорудних кар'єрів м. Така ширина забезпечується лише при малопродуктивній шпуровій відбійці. Застосування ефективної свердловинної відбійки можливе за умови збільшення значення b_щ. Для цього в основі внутрішнього відвалу, з використанням принципу природної сегрегації рухомого потоку відвальної маси, формується захисний ярус з крупнокускових порід. Його висота становить

(6)

де k_с коефіцієнт, що враховує умови утворення склепіння динамічної рівноваги в захисному ярусі, k_с 2; d_ср.к. - середній діаметр кусків крупної фракції; k_ф - коефіцієнт частоти потрапляння кусків крупної фракції в прикордонний шар захисного ярусу, k_ф = 0,75…0,85; _м - частка дрібної фракції в загальному обсязі заскладованих порід.

Значення _м розраховується за виразом, отриманим у результаті математичної обробки досліджень гранулометричного складу порід на навантажувальних майданчиках Ганнівського кар'єру ВАТ "Північний ГЗК" у навалах, доставлених автотранспортом і переміщених бульдозером

.

Висота відрізної щілини визначається з умови

,

де h_п товщина "плаваючої" стелини; h_зр частина товщини стелини, яка руйнується за рахунок зрізу під дією власної ваги і порід внутрішнього відвалу, що налягають.

Розрахунки показали, що в умовах кар'єрів, які відпрацьовують Лавриковське, Ганнівське і ряд подібних родовищ, припустимою є ширина відрізних щілин b_щ = 1,1…1,2 м і максимальна висота h_щ = 8…10 м. Висота захисного ярусу, що забезпечує зазначені параметри, h_з 21…28 м.

Розділ 3 містить результати досліджень технологічних параметрів вибухової відбійки в умовах впливу геомеханічної складової техногенезу, при віяловому розташуванні свердловинних зарядів у шарах руди, що відбиваються, при утворенні відрізних щілин "плаваючих" стелин, а також при відпрацюванні запасів, що містять включення стверділого закладного матеріалу.

Обґрунтування раціональних параметрів свердловинної відбійки руди в умовах впливу геомеханічних факторів здійснене за методикою, що базується на визначенні необхідних енерговитрат вибуху на руйнування шарів руди, розташованих на різній відстані щодо границь зон розвантаження в приконтурних масивах очисних камер. Місце розташування зарядів вибухових речовин (ВР) у напруженому рудному масиві характеризувалося відносною товщиною відбиваних шарів

,

де W - лінія найменшого опору (ЛНО), m_р - глибина зони розвантаження.

Величини m_р розраховані методом кінцевих елементів. При цьому враховувались змінювана у процесі виймання руди конфігурація очисних камер і обумовлені особливостями геомеханічного впливу техногенних формувань фактичні значення коефіцієнтів бічного розпору, які визначені у розділі 2.

Із сукупності спостережень, що характеризують показники відбійки на шахтах ВАТ "Криворізький залізорудний комбінат", за ознакою рівності кускуватості відбитої руди були згруповані вибірки даних, які містили відомості про енерговитрати вибуху при відбійці шарів руди на різних стадіях відпрацювання камерних запасів. Енерговитрати вибуху оцінювалися значенням лінійної щільності питомої енергії

ВР ,

де q₁ - питомі витрати ВР на відбійку.

Статистична обробка вибірок дозволила встановити наявність надійного однорідного параболічного зв'язку між параметрами і , а також визначити екстремуми отриманих залежностей у розглянутих границях інтервалів варіювання значень . Установлено, що за умови рівності кускуватості відбитої руди, у всіх досліджених вибірках даних величини мінімізуються при відносній товщині відбиваних шарів .

У такий спосіб доведено, що вплив геомеханічної складової техногенезу обумовлює прийняття технології і параметрів вибухової відбійки, які забезпечують мінімальний рівень насичення шарів руди енергією вибуху при дотриманні умови і зростання енергетичних показників вибуху при іншому розташуванні відбиваних шарів у зонах розвантаження очисних камер. Здійснення подібних технологічних рішень БВР можливе за рахунок застосування для кожного шару руди індивідуальної сітки розбурювання, а також використання конструкцій зарядів ВР із змінюваною повнотою віддачі енергії ВР.

Виходячи із сказаного та враховуючи, що високопродуктивне добування руд можливе за умови мінімізації кількості бурових виробок і перестановок бурових верстатів, у третьому розділі детально розглянуто питання керування енергією вибуху при віяловій схемі розташування вибухових свердловин. Її використання у комплексі із зарядами ВР зі змінюваною енерговіддачею обумовлює необхідність розосередження ВР у відбиваному масиві внаслідок можливого взаємного переущільнення суміжних зарядів. Таке розосередження пропонується здійснювати шляхом поділу віял на декілька груп, що послідовно ініціюються, у кожній з яких свердловини мають рівні недозаряди.

При розрахунку їхніх величин виникла потреба у багаторазовому визначенні розмірів областей руйнування з різною інтенсивністю дроблення, які утворюються в породних масивах при вибуху зарядів ВР. Для цього використано методику, яка випливає з теоретичних положень хвильового механізму дії вибуху і базується на принципі дискретизації його енергетичного поля.

Згідно з цим принципом у середовищі, що оточує заряд ВР, зони руйнування обмежуються енергетичними горизонтами, відстані до яких R₁, R₂…R_i з кратністю, де k = 1,2,3…i, пропорційні величині одиничної розмірної метрики просторової довжини М. Цей показник дорівнює радіусу джерела випромінювання хвилі напружень R_в, яким є гідродинамічна зона руйнування

(7)

де d₀ - діаметр зарядної порожнини; - коефіцієнт Пуассона; _ВР - щільність заряджання, кг/м³; Q - теплота вибуху, Дж/кг; G - модуль зсуву.

Вираз для визначення розмірів зон і областей руйнування, приведених до діаметра заряду , має вигляд

(8)

Величина напружень _i на поверхні енергетичних горизонтів у загальному вигляді визначається формулою

(9)

Викладений підхід до визначення параметрів енергетичного поля вибуху дозволяє прогнозувати якість дроблення руди, адже максимальна кількість зон вибухового руйнування з різною інтенсивністю дроблення становить

(10)

де _р - границя міцності руди на розтяг. Оскільки відстань між суміжними енергетичними горизонтами є розміром зони дроблення руди з визначеною кускуватістю і дорівнює , за умови найбільший діаметр куска руди розраховується, як .

Характер залежності значення від об'ємної щільності енергії ВР і міцності руд, а також прогнозні показники подрібнення масиву моделювалися на ЕОМ. Отримані результати добре погодяться з даними, визначеними з використанням інших методик і результатами фізичного моделювання. Наприклад, прийняті при підземній розробці залізорудних родовищ кондиційні розміри кусків відбитої гірської маси у випадку d₀ = 0,105 м формуються в межах четвертого енергетичного горизонту, тобто на відстані від заряду ВР R₄ = 1,6 м. При цьому значення ЛНО становить W = 3,2 м.

Таким чином, на підставі виразу (8) безпечна відстань між бойовиками R_б у суміжних свердловинах віяла, при якій виключається їхнє взаємне переущільнення внаслідок дії хвилі стиску, становить

(12)

де k_н - коефіцієнт надійності, приймається 1,25…1,45; - безрозмірний показник, що враховує частку енергії ВР, яка трансформується в масив, що руйнується; _ст - границя міцності руд на стиск.

При інженерних розрахунках недозаряд у всіх свердловинах, які ініціюють у першу чергу, визначається за спрощеною формулою , де L_ср середньозважене значення довжини свердловин у віялі; W_c - відстань між зарядами ВР у віялі по нормалі, проведеної з торця свердловини до суміжної зарядної порожнини. Якщо L_ср < 30 м, у віялі виділяються дві групи свердловин, у противному випадку три. Недозаряди свердловин другої і третьої черг підривання L_н2 і L_н3 розраховуються згідно з виразами і Наприклад, при застосуванні зарядів грамоніту 79/21 з відкритим устям ( = 0,4), при міцності рудного масиву, що руйнується, f =11...13, значення недозарядів складають L_н1 = 4 м, L_н2 = 6 м, L_н3 = 9 м.

Як показало комп'ютерне моделювання, збільшення частки енергії заряду ВР, що трансформується у рудний масив, дозволяє суттєво знизити витрати ВР на відбійку за рахунок підвищення величин недозарядів.

Технологічні особливості і параметри буровибухових робіт при відокремленні "плаваючих" стелин від рудного масиву досліджено з позицій можливості утворення відрізних щілин з визначеними вище параметрами b_щ і h_щ шляхом відбійки одного ряду свердловинних зарядів ВР. З цією метою досліджено дію вибуху уздовж їхнього осьового напрямку.

Необхідне заглиблення свердловинного заряду ВР відносно вільної поверхні відрізної виробки (недозаряд) L_н, при якому забезпечується формування воронки викиду з діаметром, що не перевищує потрібної ширини відрізної щілини, визначене на основі рішення для сферичного заряду, еквівалентного за радіусом зони руйнування циліндричному.

Радіус зони руйнування сферичного заряду ВР, еквівалентного циліндричному, згідно з виразом (8) становить

,

де d_ц - діаметр циліндричного (свердловинного) заряду ВР; k_е - коефіцієнт еквівалентності зарядів. Він дорівнює

,

де Е - модуль Юнга.

Виходячи з розрахункової схеми і приймаючи до уваги, що ЛНО еквівалентного сферичного заряду (глибина воронки)

,

де _в - кут напіврозхилу воронки викиду, необхідний недозаряд свердловин становить

, (13)

де L_а активна довжина заряду, яка дорівнює , С_д - швидкість детонації заряду ВР.

При дослідженні осьової дії вибуху донної частини свердловинного заряду ВР прийнято умову подолання теоретичної межі міцності руди, яка добре описується рівнянням

, (14)

де Z_т - відстань від поверхні прикладання вибухового навантаження (торець свердловини) до границі зони руйнування у рудному масиві.

Результати математичного моделювання змінювання величин L_н і Z_т при варіюючих значеннях впливаючих параметрів показали, що з підвищенням границі міцності руд на розтяг з 8 до 20 МПа, значення L_н інтенсивно зменшується. Наприклад, при щільності енергії вибуху = 410⁹ Дж/м³ (що відповідає грамоніту 79/21) заглиблення заряду відносно вільної поверхні відрізної виробки змінюється з 1,33 до 0,56 м. Протяжність зони руйнування Z_т виявилась незначною і коливається від 0,228 до 0,944 діаметрів свердловини.

За умови формування відрізних щілин у силікатно-карбонатно-магнетитових роговиках і кварцитах Криворізького залізорудного району свердловинними зарядами діаметром d_ц = 0,105 м значення недозарядів L_н слід приймати у межах 0,7…0,9 м. При цьому сумарна протяжність зони руйнування уздовж осі свердловини у вказаних умовах становитиме близько 5,2 м.

Якщо отримане значення цього показника менше, ніж необхідне для формування відрізної щілини висотою h_щ, ефективна відрізка "плаваючої" стелини можлива за рахунок використання свердловин підвищеного діаметра, більш потужних ВР або конструкцій зарядів, які забезпечують більш високий рівень трансформації енергії вибуху у рудний масив.

Особливістю підземного відпрацювання в ускладнених техногенезом умовах є добування руд, які при первинній розробці цінної сировини системами із закладкою становили собою вміщуючі породи і тому зараз мають включення стверділого закладного матеріалу. Для подібних випадків запропоновано особливу технологію відбійки, реалізовану у захищеному патентом України способі розробки рудних тіл, що містять нерудні включення.

Руду зі сторони висячого боку нерудного включення потужністю а_п відбивають і випускають з камери. Нерудне включення шарами відбивають зі збільшеною кускуватістю і заповнюють відбитим матеріалом випускні отвори. З породного навалу АВС вибухом додаткових зосереджених зарядів ВР переміщують породні призми BDE та CDE і формують штабель ACK з нахилом його поверхні під кутом природного укосу . Після чого відпрацьовують камерні запаси, що залишилися. Параметри даної технології визначені для широкого діапазону впливаючих факторів.

Розділ 4 присвячено питанням підвищення результуючої дії вибуху свердловинних зарядів ВР за рахунок локалізації газоподібних продуктів детонації (ПД) у зарядних порожнинах. Розв'язання задач з визначення параметрів вибухової відбійки, що в найбільшій мірі відповідають специфічним умовам впливу техногенних формувань, висунули вимоги більш інтенсивного енергонасичення масивів, що руйнуються. Це спричинило необхідність обґрунтування можливості збільшення частки енергії ВР, що трансформується в роботу руйнування.

Така оцінка здійснена з використанням показника _т - теоретичного коефіцієнта передачі енергії вибуху

,

де Е₀ початкова енергія на стінках зарядної порожнини, ; Е_к залишкова енергія вибуху в період його квазістатичної фази

(15)

де _п - щільність середовища, що руйнується.

Чотириразове збільшення початкової щільності енергії вибуху _ВРQ призводить до росту величини _т у 1,08…1,13 раза, причому більш інтенсивне зростання відповідає міцнішим породам. При подальшому збільшенні _ВРQ параметр _т асимптотично наближається до значення _і = 0,958…0,968, що виконується при , і відображає найкращі умови узгодження щільності енергії вибуху і властивостей середовища, що руйнується.

На практиці істотне збільшення щільності енергії вибуху нереальне внаслідок обмеженості можливостей хімічних ВР і суттєвих втрат, обумовлених, зокрема, неефективною роботою газоподібних ПД. Однак досить близьке наближення показника _т до оптимальних режимів руйнування можливе з використанням наявного арсеналу промислових ВР у комплексі з конструкціями зарядів, що дозволяють збільшити тривалість квазістатичної фази вибуху.

Тому в контексті вирішуваних завдань виникла потреба в якісно новому дешевому і технологічному засобі локалізації ПД у свердловинах, здатному забезпечити високі енергетичні показники вибуху. На основі дослідження закономірностей витікання газів вибуху з подовжених зарядних порожнин змінного перетину було визначено умови газодинамічної локалізації продуктів детонації ВР у вибухових свердловинах.

Встановлено, що викид продуктів детонації з простору зарядної порожнини різко знижується до повної локалізації газів у свердловині при критичній величині радіуса її поперечного перерізу R_кр, який визначається умовою

,

де r₀ - радіус зарядної порожнини; газодинамічна функція приведеної швидкості витікання продуктів детонації. У загальному вигляді вона описується виразом

(16)

де k_і - показник ізентропи; - приведена швидкість витікання ПД, ; g - прискорення вільного падіння.

При дотриманні умови , що для зарядної порожнини з початковим обсягом V_п при тиску Р_п відповідає прийнятій ізоентропічній моделі розширення продуктів детонації , газодинамічна функція приведеної швидкості витікання продуктів детонації набуває вигляд , тоді . В умовах прийнятої ізоентропічної моделі розширення газів вибуху . Звідси випливає, що радіус критичного перетину устя зарядної порожнини, який забезпечує запирання ПД, дорівнює . При розміщенні ВР у свердловинах діаметром 0,105м R_кр= 0,024м. Технічним рішенням, спрямованим на виконання умови , є розміщення в гирловій частині зарядної порожнини спеціального конфузора, що зменшує до критичної величини площу перетину устя свердловини.

Виконаний у вигляді єдиної конструкції з осьовим каналом критичного діаметра, він одержав назву запірного газодинамічного пристрою (ЗГДП). Для свердловин діаметром 0,105 м розроблено і виготовлено ряд модифікацій запірних пристроїв. Найбільш досконалою виявилась конструкція, що має параболічний конфузор і осьовий канал з перемінним кутом нахилу утворюючої, яка забезпечує підвищення ефективності дії вибуху як за квазістатичним, так і за динамічним фактором.

У свердловині з пристроєм такого типу газоподібні ПД, безударно входячи в конфузор, частково відбиваються від його внутрішньої поверхні, забезпечуючи в колонці ВР виникнення режиму перестиснутої детонації, що сприяє проходженню вибухових процесів у більш стійкому режимі. Далі гази вибуху досягають критичного перетину осьового каналу й, ударно навантажуючи його зсередини в момент стрибка ущільнення, деформують корпус ЗГДП. При цьому забезпечується надійне зчеплення його зовнішньої поверхні зі стінками зарядної порожнини. Таким чином, завдяки запобіганню передчасного викиду ПД зі свердловини, збільшується об'єм енергії вибуху, що трансформується в масив.

...