Розробка технологічних методів оптимізації динаміки руйнування блоковим екрануванням масиву гірських порід, що підривається

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка технологічних методів оптимізації динаміки руйнування блоковим екрануванням масиву гірських порід, що підривається

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Ефективна та якісна вибухопідготовка скельної гірничої маси впливає на техніко-економічні показники видобутку корисної копалини відкритим способом.

У сучасних умовах видобуток сировини з об'єктивних причин здійснюється із глибоких залізорудних кар'єрів. При існуючих гірничотехнічних параметрах ведення гірських робіт вибухопідготовка гірничої маси ускладнюється через збільшення питомої ваги в розробці міцних обводнених гірських порід.

Іншою причиною, яка ускладнює проблему забезпечення гірничого виробництва якісною скельною гірничою масою при вибуховій відбійці, є порушення природної структури гірського масиву попередніми вибухами. У сформованих умовах область масиву, яка прилягає до вільних поверхонь уступу гірських порід, що руйнується, часто є зоною нерегульованого дроблення. З іншого боку, постійне зростання собівартості буровибухових робіт (БВР), широке впровадження нових вибухових матеріалів вимагають нових рішень у технології ведення підривних робіт.

У зв'язку з цим дослідження, спрямовані на вирішення науково-технічної проблеми розробки технологічних методів оптимізації динаміки процесу руйнування блоковим екрануванням гірського масиву порід, що підривається, в умовах відкритої розробки залізорудних родовищ України є актуальними і мають важливе значення для гірничорудної промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до державної науково-технічної програми «Ресурсозберігаючі технології нового покоління в гірничо-металургійному комплексі на 2002-2006 р.», програми науково-дослідних робіт Криворізького технічного університету, які пов'язані з госпдоговірними темами «Дослідження й розробка способу руйнування гірських порід, заснованого на підриванні свердловинних зарядів у режимі малих уповільнень» (№держреєстрації 01890016602), «Дослідження й розробка способу руйнування гірських порід, заснованого на взаємодії зарядів ВР і з різними режимами детонації» (№держреєстрації 01900062479), «Дослідження й розробка методу блокового руйнування гірського масиву, що забезпечує концентрацію енергії вибуху» (№держреєстрації 01890016603).

Мета роботи - підвищення ефективності БВР у залізорудних кар'єрах на основі методів оптимізації динаміки процесу вибухового руйнування гірських порід.

Для досягнення мети в роботі поставлено й вирішено такі завдання:

- узагальнити результати теорії й практики вибухової справи на відкритих гірничих роботах, орієнтуючись на специфічні умови роботи буровибухового комплексу в глибоких залізорудних кар'єрах;

- дослідити механізм утворення попередньої вибуходинамічної зони руйнування при взаємодії силових полів суміжних свердловинних зарядів ВР, розташованих на границі гірського масиву, що підривається;

- визначити основні закономірності розвитку, динаміки й характеру процесу вибухового руйнування гірського масиву, екранованого вибуходинамічною зоною;

- встановити залежності між щільністю енергії вибуху акумульованим середовищем, масовою швидкістю і величиною початкового питомого імпульсу вибухового навантаження для довільної точки об'єму гірських порід, що руйнується;

- дослідити вплив гірничотехнічних умов ведення підривних робіт на вибір оптимальних параметрів вибуходинамічних екранів, розробити технологічні методи блокового екранування гірського масиву при вибуховій відбійці;

- провести експериментально-промислові випробування нових технологічних рішень та оцінити їхню техніко-економічну ефективність.

Ідея роботи - використання в екранованому вибуходинамічною зоною гірському масиві ефекту наростаючого тріщиноутворення за рахунок одночасного його переходу зі стану стискування у стан розтягнення.

Об'єктом досліджень є технологія ведення БВР при відкритій розробці корисних копалин.

Предметом досліджень є технологічні схеми й параметри ведення БВР в умовах блокового екранування гірського масиву, що підривається.

Методи досліджень. Поставлена в дисертаційній роботі мета визначила застосування комплексного методу досліджень, що включає аналіз інформаційних джерел і світового досвіду в області передових технологій ведення підривних робіт, досвіду застосування сучасних вибухових матеріалів, теоретичне узагальнення з використанням положень фізики вибуху й теорії крихкого руйнування, промислові експерименти. При вирішенні окремих завдань застосовувалися методи математичного моделювання на базі сучасного програмного забезпечення.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:

- ефективне керування вибуховим дробленням гірських порід досягається формуванням вибуходинамічних екранів, які розкривають структурну неоднорідність гірського масиву, що підлягає подальшому руйнуванню зарядами дроблення;

- висока якість дроблення гірських порід досягається поділом гірського масиву в часі підривання на блоки, які послідовно ініціюють з уповільненням у діапазоні 40-50 мс, з формуванням у кожному з них вибуходинамічного екрана, при цьому швидке відділення напруженої частини масиву від основного визначає умову виникнення інтенсивного розвантажувального руйнування;

- зниження негативного вибухового впливу на законтурний масив забезпечується створенням на його межі вибуходинамічної зони за 15-20 мс до вибуху основних зарядів дроблення, а зниження торцевого сумарного впливу свердловинних зарядів досягається диференційованим розподілом ВР у свердловинах по висоті гірського масиву, що руйнується.

Наукова новизна одержаних результатів:

- уперше розкрито і вивчено механізм утворення попередньої вибуховодинамічної зони руйнування при взаємодії силових полів суміжних свердловинних зарядів ВР, розташованих на границі гірського масиву, що підривається;

- встановлено основні закономірності розвитку, динаміки й характеру процесу вибухового руйнування гірського масиву, екранованого вибуходинамічною зоною силових полів свердловинних зарядів;

- встановлено залежності між щільністю енергії вибуху акумульованим середовищем, масовою швидкістю і величиною початкового питомого імпульсу вибухового навантаження для довільної точки об'єму гірських порід, що руйнується;

- визначено вплив гірничотехнічних умов ведення підривних робіт на вибір оптимальних параметрів вибуходинамічних екранів.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій, що випливають із них, підтверджуються використанням при вирішенні поставлених завдань і теоретичних узагальнень фундаментальних положень теорії фізики вибуху, механіки руйнування гірських порід, застосуванням статистико-імовірнісних методів до аналізу дослідно-промислових даних, експериментальним підтвердженням розроблених технологічних рішень, позитивними техніко-економічними результатами їхнього практичного використання.

Наукове значення роботи полягає у подальшому розвитку теоретичних положень в області механізму вибухового руйнування гірських порід при відкритій розробці корисних копалин.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає у розробці технологічних методів ведення БВР, які включають:

- технологічні схеми блокового екранування гірського масиву, який руйнується, з використанням вибуходинамічної зони різної конфігурації, що забезпечує якісне вибухове руйнування в різних гірничо-геологічних умовах ведення підривних робіт;

- конструктивні параметри і способи формування свердловинних зарядів дроблення, що дозволяють знизити негативний вибуховий вплив у вигляді системи заколів на суміжний і нижчележачий уступи гірських порід.

Реалізація результатів досліджень. Рекомендації з ведення підривних робіт з використанням системи технологічних методів блокового екранування вибуходинамічною зоною впроваджені на залізорудному кар'єрі ВАТ «ІнГЗК» з фактичним економічним ефектом.

Особистий внесок автора. Автором самостійно сформульовано мету й завдання досліджень, ідею роботи, її наукові положення, висновки й рекомендації, розроблено програму і методику промислових досліджень, виконано теоретичні узагальнення й отримано аналітичні залежності. Автор брав безпосередню участь у проведенні промислових експериментів і впровадженні результатів досліджень у виробництво.

Апробація результатів досліджень. Основні положення і результати досліджень по дисертаційній роботі було подано на науково-технічній конференції «Проблеми розвитку Криворізького залізорудного басейну» (Кривий Ріг, 2002); на Міжнародній науково-практичній конференції «Україна наукова, 2003» (Дніпропетровськ-Кривий Ріг, 2003); на Міжнародній науково-технічній конференції «Розвиток методів видобутку руд чорних металів і шляхи їхнього подальшого вдосконалення» (Кривий Ріг, 2003); на VІ міжнародній науково-практичній конференції «Наука й освіта, 2003» (Дніпропетровськ-Донецьк); на міжнародних науково-технічних конференціях «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості» (Кривий Ріг, 2004, 2005, 2006).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 32 наукові праці, у тому числі 22 - у спеціалізованих наукових виданнях; 3 - у матеріалах наукових конференцій; 7 - авторських свідоцтв.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновку, списку використаних літературних джерел зі 179 найменувань і 3 додатків. Містить 257 сторінок машинописного тексту, 55 рисунків і 13 таблиць. Загальний обсяг-289 сторінок.

Основний зміст роботи

руйнування свердловинний гірський

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

У розділі 1 виконано аналіз сучасних тенденцій у теорії та практиці вибухової справи при розробці корисних копалин відкритим способом.

Об'єктивні причини зростання глибини залізорудних кар'єрів спричиняють збільшення питомої ваги в розробці міцних обводнених гірських порід з одночасним збільшенням собівартості БВР. У сформованих умовах ведення гірничих робіт виникає проблема, пов'язана з якістю підірваної скельної гірничої маси, що не завжди задовольняє вимоги подальшого технологічного переділу.

Основні положення теорії руйнування твердого середовища вибухом знайшли своє відображення в роботах О.Е. Власова, Ф.А. Баума, Г.Й. Покровського, Г.П. Демидюка, Ю.Г. Вілкула, В.Ф. Бизова, Є.Г. Баранова, М.В. Мельникова, Л.М. Марченко, В.М. Мосинця, Е.І. Єфремова, М.Ф. Друкованого, К.П. Станюковича, В.Н. Родіонова, Ф.І. Кучерявого, М.А. Садовського, О.В. Шапуріна, А.М. Ханукаєва, П.Й. Федоренка, К.М. Ткачука, В.М. Кузнецова, Ю.С. Меца, В.Д. Петренка, А.Ю. Антонова, В.М. Коміра, В.Д. Воробйова, В.В. Воробйова, В.Г. Кравця, М.В. Кривцова, Р.С. Крисіна, П. Персона, М. Кука.

Іншою причиною, що ускладнює проблему забезпечення гірничого виробництва якісно підірваною скельною гірничою масою, є порушення природної структури масиву попередніми вибухами.

При вивченні цього питання було встановлено, що негабаритна фракція у верхній частині масиву, що підривається, утворюється в результаті утворення заколів при впливі вибухів, проведених раніше на верхньому й, особливо, на суміжному уступах гірських порід. Результатом негативного впливу раніше проведених вибухів було утворення у верхній частині уступу структурних порушень, які були причиною виходу негабаритної фракції.

У сформованих умовах область масиву, яка прилягає до вільних поверхонь уступу гірських порід, при проведенні вибухових робіт часто є зоною нерегульованого дроблення.

Рекомендації щодо зниження діаметра технологічних свердловин для зменшення вибухового впливу на законтурний масив нераціональні в сучасних умовах ведення гірничих робіт у великих залізорудних кар'єрах як з технологічної, так і з економічної точки зору.

Реальним шляхом досягнення підвищення якості вибухопідготовки гірських порід у сучасних умовах розробки корисної копалини на залізорудних кар'єрах України є розробка системи технологічних методів вибухового руйнування, заснованої на максимальній концентрації енергії вибуху та її раціональному перерозподілі у гірському масиві, що руйнується. Широке впровадження емульсійних ВР і сумішей типу АС+ДT, неелектричних систем дає можливість розробити ефективну технологію вибухової відбійки для сформованих гірничотехнічних і гірничо-геологічних умов ведення підривних робіт, причому без додаткових витрат на БВР.

Аналіз та оцінка сучасних умов розробки залізорудних кар'єрів України дозволили обґрунтувати актуальність науково-технічної проблеми, сформулювати мету, завдання досліджень і визначити шляхи їхнього вирішення.

У розділі 2 виконано аналіз особливостей процесу руйнування гірських порід енергією вибуху свердловинних зарядів ВР.

На основі досліджень закономірностей формування силових полів руйнування при вибуху свердловинних зарядів ВР систематизовано тимчасові, імпульсні й енергетичні характеристики, що дозволяють оцінити ефективність їхньої взаємодії в умовах короткосповільненого підривання.

Руйнування є функцією напружень гірської породи, інтенсивність руйнування характеризується частотою зародження тріщин, швидкістю їхнього поширення, тривалістю руйнівних напружень. На рис. 1 подано залежність між швидкістю поширення хвиль напружень і швидкістю зростання тріщин.

Основними факторами, які визначають процес руйнування, є величина напружень, що виникає в масиві гірських порід при вибуху зарядів ВР, тривалість дії напруженого стану й фізико-механічні властивості середовища. Регулювання процесу руйнування гірських порід можна здійснювати шляхом зміни параметрів часу вибухового навантаження.

У практиці буровибухових робіт успішно використовуються методи керування енергією вибуху, засновані на використанні процесу взаємодії свердловинних зарядів.

Тимчасові параметри взаємодії зарядів ВР доцільно засновувати на кількості накопиченої в середовищі енергії. Нагромадження певної кількості енергії в заданому об'ємі гірського масиву є необхідною умовою для виникнення руйнування в ньому. У загальному вигляді повна енергія, що накопичується в даному елементарному об'ємі при дії двох джерел, може бути визначена як алгебраїчна сума кількості енергії, внесеної потоками за рахунок дії прямих і відбитих хвиль. При цьому характер поширення енергії вибуху в масиві скельних порід та інтенсивність його руйнування, у свою чергу, залежать від ступеня тріщинуватості, обумовленого параметрами і властивостями заповнювача тріщин у кожній системі. При незмінних параметрах заряду ВР і фізико-механічних властивостей порід, що складають масив, закономірність поширення щільності потоку енергії буде визначатися параметрами і властивостями тріщин. Раціональним з погляду найбільш імовірного й інтенсивного руйнування масиву при впливі двох зарядів ВР є підривання їх з уповільненням в інтервалі: , де: l - відстань між зарядами; v - швидкість звуку в породі.

Важливим питанням у поданні про можливе руйнування середовища під дією імпульсних навантажень при взаємодії свердловинних зарядів ВР є закони поширення і втрат енергії хвиль напружень у середовищі, що володіє певними пружними сталими. При квазіпружному поводженні гірських порід основні закономірності зміни параметрів хвиль напружень можуть бути встановлені відповідно до законів теорії пружності. У цьому випадку максимальне напруження на фронті хвилі та швидкість масового зсуву породи можуть бути пов'язані між собою прямо пропорційною залежністю з коефіцієнтом пропорційності, який дорівнює акустичній твердості середовища, що руйнується.

Одним із напрямків підвищення ефективності підривних робіт в умовах відкритої розробки корисних копалин є дослідження й розробка методів керування енергією вибуху, заснованою на взаємодії свердловинних зарядів ВР, що підриваються в одному ступені уповільнення. Параметри взаємодії свердловинних зарядів доцільно засновувати на базі енергетичної складової процесу руйнування гірського масиву.

Розділ 3 містить результати досліджень закономірностей процесу вибухового руйнування гірського масиву, екранованого вибуходинамічною зоною.

На початку було розглянуто питання про взаємозв'язок питомого імпульсу та вибуху заряду ВР і початкового поля швидкостей, що виникає в середовищі після вибуху.

При вирішенні поставленого завдання координати вектора початкової швидкості для довільної точки об'єму, що руйнується, позначено через u_x, u_y u_z у прямокутній системі координат.

У результаті виконання досліджень встановлено, що координати вектора початкової швидкості для довільної точки середовища зі щільністю , що сприйняла дію імпульсного вибухового навантаження, можуть бути визначені як:

.

Утворення поля швидкостей і пов'язаної з ним кількості руху повинне відповідати імпульсу зовнішніх сил. Оскільки при вибуху свердловинного заряду вибухової речовини передається кінцева кількість кінетичної енергії, то і кількість руху, що утворюється, а отже, й імпульс вибуху мають кінцеві значення. На поверхні заряду L значення і можна вважати постійним. Ця умова виконується, якщо зарядна камера рівномірно заповнена вибуховою речовиною та детонація наближається до миттєвої. У цьому випадку тиск від вибуху впливає на всі ділянки поверхні зарядної камери свердловинного заряду. Значення питомого імпульсу вибуху визначається за балансом енергії, що повідомляється вибухом середовищу.

Встановлено взаємозв'язок між розподілом енергії вибуху в середовищі та величиною питомого імпульсу вибухового навантаження. Кінетична енергія середовища є часткою енергії вибуху свердловинного заряду. Енергія, що передається середовищу вибухом заряду, відповідно до закону збереження повинна дорівнювати роботі А, витраченій при її передачі.

Поверхневий інтеграл

(1)

дає повну енергію середовища, а значення кінетичної енергії, отриманої середовищем, може бути визначене як:

(2)

де - нормаль до поверхні L.

Дослідимо розподіл енергії вибуху в середовищі. Якщо щільність енергії q визначається як

(3)

то, беручи до уваги, що ц=i/с і , для конкретного середовища маємо:

(4)

Формула (1) встановлює взаємозв'язок між щільністю енергії акумульованим середовищем після вибуху і величиною початкового питомого імпульсу в будь-якій точці з координатами x, y, z. Оскільки величина початкової швидкості, що виникає в середовищі після вибуху, безпосередньо пов'язана з імпульсом зовнішніх сил, то формула (1) може бути записана у вигляді:

(5)

Відповідно до отриманої залежності маємо щільність енергії в довільній точці середовища, що руйнується, яка прямо пропорційна квадрату величини початкової швидкості в точці у результаті імпульсного вибухового впливу заряду ВР.

Графічно залежність (5) подано на рис. 2, де = [т/м³].

Значно знизити негативний вплив від раніше проведених вибухів на гірський масив можна при використанні для вибухової відбійки скельної гірничої маси вибуходинамічної зони руйнування, створюваної силовими полями взаємодіючих зарядів ВР, розташованих на границі уступу гірських порід, що руйнується. Основні свердловинні заряди дроблення ініціюють після зарядів ВР, що утворюють захисну вибуходинамічну зону, через інтервал часу, порівнюваний з короткосповільненим підриванням і з конкретними умовами ведення підривних робіт.

Для дослідження механізму утворення попередньої захисної вибуходинамічної зони руйнування було розглянуто процес взаємодії суміжних свердловинних зарядів ВР, розташованих на лінії утворення динамічної зони руйнування.

Для вирішення поставленого завдання досліджувалося циліндричне тіло (стрижень), розташоване перпендикулярно стосовно суміжних свердловинних зарядів, що розглядаються.

Поперечний розріз циліндричного тіла невеликий відносно його довжини. Вісь абсцис співпадає з віссю циліндра. У стані спокою тіла кінці стрижня перебувають у точках х=0 і х=l, де l - відстань між зарядами. Нехай х - абсциса деякого перерізу q тіла, коли воно перебуває у спокої. Позначимо через u (х, t) зміщення цього перерізу в момент часу t, у момент детонації першого заряду. Тоді зміщення q₁ з абсцисою х+dx буде дорівнювати .

Відносне подовження стрижня при абсцисі х є похідна

Припускаючи, що циліндричне тіло має коливання, можна обчислити силу Т, що оббурює, яка викликає ці коливання, тобто:

,

де Е - модуль Юнга,

S - площа поперечного перерізу циліндричного тіла.

Візьмемо елемент тіла між двома перерізами q і q₁, абсциси яких у стані спокою відповідно дорівнюють х і х+dx. На цей елемент діють сили Tx і Tx+dx, які спрямовані по осі ОХ. Результуюча цих сил дорівнює:

.

Ми одержали умову виникнення поздовжніх коливань.

Проходження по масиву хвилі напружень після вибуху першого заряду викликає змушені поздовжні коливання самого гірського масиву. Швидкість поширення цих коливань збігається зі швидкістю хвиль напружень. Цей факт має важливе значення для визначення повної картини процесу руйнування при взаємодії суміжних зарядів ВР. Так, наприклад, наявність вимушених поздовжніх коливань гірського масиву багато в чому пояснює інтенсивний процес тріщиноутворення по лінії розташування свердловинних зарядів ВР при їхній послідовній роботі.

Вибір форми тіла у нашому випадку не випадковий, тому що багато дослідників розглядають поводження гірського масиву, що руйнується, як сукупність пружних стрижнів.

Отже, від вибуху першого заряду ВР у гірський масив трансформується хвиля напружень, що, у свою чергу, викликає вимушені поздовжні коливання масиву між двома свердловинами. Велика кількість зароджень радіальних тріщин виникає у напрямку поширення вимушених коливань під тиском вибухових газів. При детонації суміжного заряду ВР хвиля напружень поширюється в масиві, що має орієнтовану напруженість з радіальними і тангенціальними порушеннями. Гірський масив, що знаходиться між взаємодіючими зарядами, концентрує напруження, значення яких набагато перевищують напруження на цілику. По лінії, яка з'єднує заряди ВР, гірський масив значно послаблюється, а оскільки він перебуває у хвильовому полі напружень, то процес розвитку тріщин інтенсивно поширюється у напрямку другого заряду ВР, що вибухнув. Вибух наступного заряду проявляється як початковий імпульс подальшого, найбільш сприятливого напрямку зростання тріщин. У розвитку спрямованої системи руйнувань відіграють важливу роль вимушені поздовжні коливання в масиві, максимальна інтенсивність яких проявляється уздовж границі динамічної захисної зони.

Поздовжні вимушені коливання виникають у масиві гірських порід під дією зовнішньої імпульсної сили.

У масиві гірських порід при вибуху зарядів ВР, що утворюють вибуходинамічну зону, остання реалізується як граничне положення поверхні руйнування. Поверхня руйнування визначається як:

. (6)

Тут індекс 0 ставиться до незруйнованого стану; n - зовнішня нормаль до поверхні; у_n, ф_i - компоненти вектора напруження; х_n - швидкість поширення поверхні руйнування; х - пружний потенціал одиниці маси; с, V - щільність і швидкість матеріальних часток.

Величина D дорівнює необоротній роботі пластичних деформацій плюс перетворення поверхневої енергії тріщин на фронті руйнування у процесі утворення динамічної захисної зони.

Процес вибухового руйнування гірських порід однозначно включає елементи розвантажувального руйнування від швидкого зняття навантаження. Використання динамічної зони руйнувань забезпечить майже одночасний перехід зі стану стиснення у стан розтягнення в частині масиву, що відділилася після вибуху в ньому зарядів дроблення. Цей ефект забезпечить інтенсивне дроблення масиву, що руйнується. Ефективність даного руйнування багато в чому залежить від раціонального вибору способів формування свердловинних зарядів ВР із прив'язкою до гірничо-геологічних властивостей гірських порід, що підриваються. Використання вибуходинамічної зони руйнувань, утвореної перед вибухом зарядів дроблення, дозволяє знизити руйнування суміжного уступу гірських порід, особливо у його верхній частині.

Поверхня руйнування при вибуху свердловинних зарядів ВР, що утворює вибуходинамічну захисну зону, у геометричному змісті є границя між ціликом і гірським масивом, що руйнується.

Розглянемо масив гірських порід, екранований вибуходинамічною зоною руйнування. Після вибуху основних свердловинних зарядів дроблення масив, що розглядається, перебуває у полі стискаючих напружень. Оскільки масив екранований по всьому периметру, то вглиб останнього поширяться відбиті хвилі стиснення у вигляді хвиль розтяжних, інакше кажучи, хвилі розвантаження.

Запасена гірським масивом, що руйнується, потенційна енергія пружного стиснення викликає нестійкість зсувних мікротріщин, які перебувають у фронті розвантаження. Їхній динамічний розвиток приводить до більш інтенсивного руйнування гірської породи.

Основним фактором, що визначає здатність гірського масиву до самопідтримуючого руйнування, є запас потенційної енергії. Самопідтримуючий механізм руйнування полягає в переході потенційної пружної енергії у кінетичну енергію окремих фракцій зруйнованого матеріалу.

Розглянемо одномірну задачу, що моделює процес самопідтримуючого руйнування. Нехай у₁, у₂, у₃ - головні напруження в однорідному полі в розглянутому об'ємі. Відповідно до фізики розглянутого процесу напруження у₁, у₂, у₃ є такими, що не викликають поширення зсувних мікротріщин, однак вони досить великі, щоб підтримувати поширення хвилі руйнування.

Із граничних умов випливає співвідношення:

(7)

де ф₀ - найбільше дотичне напруження;

у₀ - нормальне напруження;

б, в, г - косинуси кутів, які вісь абсцис утворює з головними осями напруження.

При руйнуванні гірської породи у поверхневу енергію переходить лише деяка частина пружної енергії об'єму, що руйнується, а інша - переходить у кінетичну енергію руху зруйнованого середовища. Питома дисипація енергії на фронті руйнування може бути визначена як:

(8)

де с - щільність середовища;

с - швидкість поширення поздовжніх пружних хвиль;

,

де н - коефіцієнт Пуассона;

Е - модуль Юнга.

Якщо прийняти радіус частки r за випадкову величину Р(r), то поверхневу енергію одиниці маси зруйнованого матеріалу можна записати у вигляді

, (9)

Дане рівняння дозволяє оцінити середній розмір фракцій зруйнованого середовища й параметри їхнього розподілу.

Важливу роль у створенні запасу потенційної пружної енергії відіграє міцність матеріалу. На рис. 3 проілюстровано залежність між міцнісними характеристиками гірської породи (середнє значення пористості матеріалу - П, що руйнується) і можливою величиною запасу потенційної пружної енергії.

Важливим фактором забезпечення найбільшого запасу пружної енергії в об'ємі гірських порід, що руйнується, є створення всебічного стиснення. Це можливо при використанні технології ведення підривних робіт з використанням ефекту екранування гірського масиву, наприклад, по всьому периметру динамічною вибуховою зоною.

Визначимо кількість енергії, переданої в екранований гірський масив.

Повна кількість енергії, переданої в середовище за час dt:

, (10)

де X_h - функція, що залежить від довжини заряду.

Кількість дисипованої енергії може бути визначена як:

, (11)

де r - відстань від заряду ВР;

- радіальне і тангенціальне напруження.

Для випадку, коли розглядається гірський масив, екранований з усіх боків, остання формула не враховує енергію, привнесену відбитими хвилями стиснення. Якщо позначити вказану енергію через Еот, то формула, що відображає повну енергію вибуху в замкнутому гірському масиві, буде мати вигляд:

. (12)

На підставі викладеного матеріалу можна зробити висновок, що використання технології екранування всього гірського масиву, який руйнується, або його певної частини дозволить збільшити інтенсивність процесу руйнування останнього. Цьому сприяє утворення в екранованому масиві хвиль розвантаження, які, у свою чергу, концентрують у ньому пружну потенційну енергію, а також забезпечують розкриття початкових зсувних тріщин перед основним фронтом руйнування, що сприяє підтриманню основного фронту руйнування і більш інтенсивному дробленню гірського масиву при вибуховій відбійці.

Розділ 4 присвячено розробці нових технологічних параметрів і способів вибухопідготовки гірських порід в умовах залізорудних кар'єрів.

Керувати процесом формування поля напружень у гірському масиві, який руйнується, а отже, і процесом дроблення можна шляхом розміщення по висоті свердловинного заряду в певній послідовності вибухових речовин різної потужності, що забезпечує детонацію заряду зі змінною швидкістю й потужністю. З цією метою було розроблено конструкцію свердловинного заряду ВР, що дозволяє здійснювати диференційоване вибухове навантаження уступу гірських порід при БВР. Колонка заряду сформована з непарного числа шарів ВР, при цьому парний шар виконано з ВР із більш низькою швидкістю детонації, ніж непарні шари. Ініціюється комбінований свердловинний заряд знизу, причому по всій довжині шару ВР із високою швидкістю детонації. На практиці доцільним є варіант заряду, сформований із трьох шарів.

При ініціюванні нижнього шару свердловинного заряду ВР потужний детонаційний імпульс від вибуху шару ВР із більш високою швидкістю детонації ініціює шар ВР із більш низькою швидкістю детонації, при цьому виникає явище, іменоване у фізиці вибуху як перестиснута детонація. Перестиснута детонація відбувається при переході детонаційної хвилі з потужної ВР у менш потужну. За своїм механізмом перестиснута детонація не відрізняється від нормальної, але має підвищену швидкість і тиск у порівнянні зі штатною детонацією. Цей ефект буде сприяти підвищенню питомого імпульсу вибуху середнього шару колонки заряду, сформованого з менш потужної ВР.

Варіюючи типами ВР і лінійними розмірами їхніх шарів, можна наперед змінити час вибухового впливу свердловинного заряду на масив, що руйнується, у прямій залежності від гірничо-геологічних умов ведення підривних робіт.

Використанням у центральній частині свердловинного заряду шару ВР з низькою швидкістю детонації при енергетичній ідентичності із зарядом ВР суцільної конструкції з ВР із більш високою швидкістю детонації можна домогтися збільшення ефективного часу впливу вибуху на гірський масив.

Різниця в часі вибухового навантаження для двох порівнюваних конструкцій зарядів ВР відрізняється на величину:

(13)

де h - висота шару ВР з низькою швидкістю детонації;

D₁; D₂ - швидкість детонації ВР з високою і більш низькою швидкістю детонації відповідно.

При цьому процес вибухового навантаження має більш плавний характер, що дозволить зменшити зону перездрібнювання породи в безпосередній близькості від заряду і знизити негативний вплив вибуху на нижчележачий уступ гірських порід.

Ефективність використання енергії вибуху на дроблення гірських порід багато в чому залежить від рівномірності розподілу ВР у масиві гірських порід. З теорії та практики вибухової справи відомо, що для більш повного використання енергії вибуху свердловинного заряду необхідно розташувати заряд у тій частині масиву, яка повинна руйнуватися і при цьому має певні складності для руйнування. Однак через гірничотехнічні умови ведення підривних робіт не завжди можна раціонально використати енергію вибуху. Так, для пророблення підошви уступу використовуються перебури свердловин, розташовані нижче від рівня підошви уступу гірського масиву, що руйнується.

Використання перебурів приводить до руйнування нижчележачого уступу. Наявність тріщин у верхній частині уступу при проведенні подальших підривних робіт викликає нерегульований вихід негабаритної фракції.

Змінюючи висоту колонки свердловинного заряду ВР, можна диференційовано розподіляти енергію вибуху в масиві гірських порід.

На основі даного підходу розроблено спосіб формування свердловинних зарядів ВР з метою зниження негативного впливу енергії вибуху на нижню і законтурну частини уступу гірських порід.

Підготовлений до вибуху масив гірських порід оббурюють по сітці свердловин відповідно до діючого паспорта БВР. При цьому свердловини першого ряду бурять до проектної глибини, а свердловини наступних рядів - з послідовним зменшенням величини перебура, визначеної з виразу:

,

де h_n - величина перебура наступних рядів, м;

h - величина перебура першого ряду свердловин, м;

f - міцність порід за шкалою проф. М.М. Протодьяконова, бали;

n =2,3…

Після оббурювання уступу гірських порід, що руйнується, проводять встановлення проміжних детонаторів і здійснюють формування зарядів ВР.

Лінійні розміри свердловинних зарядів ВР при використанні даної технології на практиці визначаються за формулою:

,

де H_n - довжина заряду ВР у наступних рядах свердловин, м;

Н - довжина заряду в першому ряду свердловин, м;

n =2,3…;

h_n - величина перебура по рядах свердловин.

При даному способі формування свердловинних зарядів досягається диференційований розподіл зарядів ВР у масиві гірських порід від брівки уступу до його тильної частини, що забезпечить раціональний вплив вибухового навантаження на масив, що руйнується. В уступі гірських порід розташування свердловинних зарядів утворює рівнобедрену трапецію з більшою основою біля брівки уступу, з меншою - в її тильній частині. Плавність переходу висоти колонок зарядів, починаючи з першого ряду і закінчуючи останнім, забезпечується розрахунком цих величин за запропонованими формулами. Дана технологія формування зарядів ВР дозволить зменшити негативний вплив вибуху на законтурний масив і забезпечить меншу інтенсивність руйнування нижньої частини масиву, що, у свою чергу, знизить заколоутворення на нижній горизонт.

Зменшення величини перебура по рядах свердловин у бік тильної частини уступу гірських порід компенсується встановленням проміжних детонаторів типу ДПУ-830 Тл у свердловинному заряді ВР над і під рівнем підошви уступу. При одночасному їхньому спрацьовуванні, що досить легко здійснити, використовуючи систему «Нонель», на рівні підошви уступу можна одержати так званий ефект «зустрічі» детонаційних хвиль, у результаті чого багаторазово збільшується тиск на стінки свердловини у районі «зустрічі». Цей ефект буде сприяти поліпшенню пророблення підошви уступу.

У теорії вибухової справи ефект взаємодії зустрічних детонаційних хвиль досить добре вивчений. Однак в умовах відкритих гірничих робіт даний ефект не можна було використовувати. За технічних умов шашка-детонатор Т-400Г повинна була встановлюватися не нижче, ніж півтора метра над рівнем підошви уступу, тобто навіть нижнє ініціювання до останнього часу у свердловинних зарядах ВР не можна було здійснити на практиці. Із впровадженням нової безпечної шашки детонатора ДПУ-830Тл вітчизняного виробництва всі обмеження було знято, у результаті чого з'явилося більше можливості впливати на процес розвитку детонації у свердловинному заряді ВР.

Як уже відзначалося, в області перебура енергія вибуху використовується в процесі руйнування незначною мірою. При цьому наявність перебура сприяє видаленню заряду ВР від верхньої частини масиву, однак для підтримання відмітки підошви уступу в нормальному стані часто неможливо відмовитися навіть від часткового зменшення традиційної величини перебура. На таке рішення впливають фізико-механічні властивості середовища, яке руйнується, умови залягання і потужність нашарування гірських порід нижньої частини уступу. Для цих умов з метою зниження негативного впливу вибуху на суміжні та нижчележачі уступи гірських порід рекомендується спосіб формування свердловинних зарядів ВР з інертними проміжками, з лінійними розмірами, що збільшуються у бік тильної частини уступу гірських порід, який руйнується.

Величина інертних проміжків з тенденцією їхнього збільшення визначається зі співвідношення:

,

де h_і - лінійні розміри інертного проміжку у відповідному свердловинному заряді ВР;

f - коефіцієнт міцності гірських порід;

і =2,3…

Величини інертних проміжків повинні відповідати нормативам діючих паспортів БВР на гірських підприємствах.

Головною особливістю ведення підривних робіт на глибоких кар'єрах є значне зростання питомої ваги в розробці міцних обводнених гірських порід.

При одночасному широкому впровадженні на залізорудних кар'єрах нових емульсійних ВР і сучасних систем ініціювання, орієнтуючись на специфічні умови ведення гірських робіт в умовах глибоких кар'єрів, актуальною проблемою є розробка ефективної технології вибухової відбійки гірських порід, яка забезпечує якісне дроблення скельної гірничої маси без залучення додаткових матеріальних засобів.

Розроблений спосіб вибухопідготовки гірських порід, який дає можливість ефективно використовувати високощільні емульсійні ВР і при цьому знижувати собівартість робіт по буровибуховому комплексу, здійснюється у такий спосіб. В уступі гірських порід непарні свердловини у непарних рядах і парні свердловини у парних рядах вибурено з перебуром, а також парні свердловини в непарних рядах і непарні свердловини у парних рядах вибурено на глибину, яка дорівнює проектній висоті уступу. Заряджають свердловини однаковою заданою масою ВР, а потім формують набійку.

Виходячи з того, що непарні свердловини у парних рядах, вибурені з перебуром, а також парні свердловини в непарних рядах і непарні свердловини в парних рядах, вибурені без перебура, заряджають однаковою заданою масою вибухових речовин, заряди в уступі гірських порід розміщають у вигляді симетричних синусоїдальних стрічок, які обмежені згори і знизу синусоїдою. Стрічки розташовуються у вертикальній площині паралельно і перпендикулярно брівці уступу гірських порід. Амплітуда синусоїд дорівнює величині перебура.

Енергією вибухової речовини, розташованої в перебурі непарних свердловин непарних рядів і парних свердловин парних рядів руйнується гірський масив між свердловинами з перебуром від проектного рівня підошви уступу до рівня перебура. Енергією вибуху парних свердловин у непарних рядах, непарних свердловин у парних рядах, де ВР розташована вище від рівня зарядів непарних свердловин непарних рядів на величину перебура, руйнується гірський масив у верхній частині уступу.

Заряди вибухових речовин непарних свердловин непарних рядів і парних свердловин парних рядів розташовують в уступі гірських порід по черзі. Таке розташування свердловинних зарядів дозволяє рівномірно та раціонально розподіляти вибухову речовину в масиві гірських порід, виключаючи при цьому нераціональну витрату ВР, особливо у верхній частині уступу.

Величину амплітуди синусоїди приймають такою, що дорівнює величині перебура. При цьому заряджання в останньому парному ряді у непарних свердловин проводять масою ВР, меншою від заданої на величину перебура, з утворенням у вертикальній площині, паралельній брівці уступу, верхнього рівня зарядів ВР у вигляді прямої лінії, а нижнього - у вигляді синусоїди, висоту ж колонки зарядів вибухових речовин визначають із співвідношення

,

де n=1,2,3, - висота колонки заряду парних і непарних свердловин;

, - висота набійки парних і непарних свердловин;

- довжина перебура непарних свердловин;

- глибина свердловинного заряду парних і непарних свердловин.

Залежно від фізико-механічних властивостей гірських порід і гірничо-геологічних умов ведення підривних робіт кількісне співвідношення зарядів ВР з різною висотою колонки заряду на блоці, що підривається, може бути різним. Раціональне співвідношення між цими зарядами повинне встановлюватися шляхом проведення експериментальних вибухів.

При використанні даного методу ведення підривних робіт параметри буровибухового комплексу будуть визначатися за діючими методиками гірничого підприємства.

Розроблені способи вибухової підготовки гірських порід покликані забезпечити раціональне використання енергії вибуху при одночасному поліпшенні якості скельної гірничої маси та зниження негативного впливу на нижчележачі й суміжні уступи гірських порід при проведенні БВР. Поставлена мета досягається за рахунок раціонального зменшення, розміщення й ініціювання зарядів ВР у свердловинах, що підриваються в одному ступені уповільнення. Враховуючи той факт, що перспективні емульсійні ВР мають регульовану щільність від 1,15-1,55 г./см³, а гранульовані тротилвмісні - фіксовану 0,9 г/см³, виникає необхідність у перегляді всього технологічного ланцюжка з підготовки масиву гірських порід до вибухового руйнування. В умовах тенденції збільшення обсягу міцних гірських порід найефективніший шлях - це перегляд конструкцій свердловинних зарядів, порядок їхнього розміщення, формування й ініціювання з метою забезпечити ефективну потенційну вибухову енергонасиченість гірського масиву, який руйнується.

Насамкінець необхідно відзначити, що розглянуті способи вибухової підготовки гірських порід технологічні, прості при проектуванні та не вимагають додаткових матеріальних ресурсів.

У розділі 5 розглянуто технологічні методи керування дією вибуху з використанням вибуходинамічних екранів між основним масивом і масивом гірських порід, який руйнується.

У БВР розроблено багато технологічних прийомів, що дозволяють керувати дією вибуху залежно від конкретних гірничо-геологічних умов ведення підривних робіт. Для одержання необхідного результату варіюють просторовим розташуванням зарядів ВР у гірському масиві, часом їхнього послідовного підривання, конструкцією зарядів. Перспективним методом керування дією вибуху є створення спеціальних штучних зон за допомогою вибухів свердловинних зарядів, розташованих на границі масиву гірських порід, що руйнується, або його частини перед ініціюванням основних зарядів дроблення. Такі зони можуть використовуватися як екран, що оберігає від руйнування законтурний масив, а також з метою відбиття хвиль стиснення у масив, який підлягає руйнуванню.

З метою вирішення проблеми якості скельної гірничої маси в умовах ведення БВР у глибоких залізорудних кар'єрах і зниження негативного впливу на законтурний гірський масив при проведенні підривних робіт розроблено технологію вибухового руйнування гірських порід, засновану на попередньому екрануванні масиву, що руйнується, вибуходинамічною зоною.

Захисна динамічна зона, що екранує гірський масив, який руйнується від цілика, формується при взаємодії суміжних свердловинних зарядів ВР, розташованих по периметру гірського масиву, який руйнується. Використання вибуходинамічної зони руйнувань забезпечить майже одночасний перехід зі стану стиснення у стан розтягнення частини масиву, яка відділилася після вибуху в ньому зарядів дроблення (рис. 4). Інтенсивність та ефективність руйнування багато в чому залежить від раціонального вибору способу формування свердловинних зарядів дроблення.

Використання захисної зони руйнувань, утвореної перед вибухом зарядів дроблення, дозволяє знизити руйнування суміжного уступу гірських порід.

Зменшення впливу на законтурний масив негативного вибухового навантаження забезпечить неможливість створення великих заколів, які сприяють утворенню негабаритних фракцій при проведенні подальших підривних робіт на суміжному уступі гірських порід.

Блокове екранування гірського масиву, який руйнується, може бути здійснене за допомогою замкнутої границі екранування або використання захисної зони між об'ємом, що руйнується, і ціликом гірського масиву у вигляді сторін кута, розгорнутого у бік відбійки гірських порід. Перший або другий спосіб екранування може бути здійснений за рахунок послідовності та порядку підривання свердловинних зарядів ВР, що утворюють вибуходинамічну захисну зону.

Пропонована технологія вибухопідготовки гірських порід полягає в розділенні гірського масиву, який руйнується, у часі підривання на блоки, що послідовно ініціюються з уповільненням у діапазоні 40-50 мс, з формуванням у кожному з них замкнутого або розімкнутого вибуходинамічного екрана за 15-20 мс до вибуху основних зарядів дроблення в кожному блоці. Ефективне керування енергією вибуху основних зарядів дроблення досягається за рахунок попереднього формування вибуходинамічних екранів, параметри яких між сторонами обмежуються трикратним розміром сітки свердловин, а уздовж сторін - кількістю рядів свердловин, які своїм вибуховим впливом розкривають структурну неоднорідність гірського масиву, що підлягає подальшому руйнуванню зарядами дроблення, які підриваються в одному ступені уповільнення.

Свердловинні заряди ВР останньої серії руйнують гірський масив, екранований від цілика. Блокове екранування гірського масиву, що руйнується, створює умови відбиття хвиль стиснення від утвореного вибуходинамічного екрана.

Відбита хвиля створює додаткові розтяжні напруження у заданому об'ємі гірських порід. Це забезпечить подальше зростання отриманої системи тріщин, а також зростання тріщин, які через певні причини припинили свій розвиток. Нова система тріщин буде більш розгалуженою та щільною в порівнянні з отриманою системою тріщин після проходження початкової хвилі напружень. Запасена за даних умов вибухового навантаження гірським масивом потенційна енергія пружного стиснення викликає нестійкість зсувних мікротріщин, що перебувають у фронті розвантаження. Їхній динамічний розвиток приводить до більш інтенсивного руйнування гірської породи.

Використання технології блокового екранування уступу гірських порід, що підривається, забезпечує в ньому інтенсивність процесу руйнування за рахунок збільшення концентрації пружної потенційної енергії руйнування при взаємодії полів напруги стиснення й напруження.

У розділі 6 наведено результати промислових випробувань і впровадження нових технологічних методів вибухової відбійки гірських порід у залізорудних кар'єрах.

Експериментальні вибухи проводилися у залізорудному кар'єрі ВАТ «ІнГЗК».

За результатами вибуху по дослідних і контрольних ділянках експериментальних блоків фіксувалися такі основні показники: характеристика розвалу скельної гірничої маси, рівень підошви уступу, гранулометричний склад і хронометраж екскавації.

У силу дії випадкових неврахованих факторів, що впливають на результат вибуху, для обґрунтованих висновків про результати експерименту дані оброблялися на підставі методів математичної статистики і теорії надійності.

Успішне випробування технології блокового екранування масиву гірських порід, що підривається, з використанням вибуходинамічного екрана було проведено на блоці №7, гор. -120 м і блоці №73, гор. -45 м. Важливо відзначити, що при використанні однієї й тієї ж технології вибухопідготовки гірських порід у різних гірничоекологічних умовах було отримано позитивні результати. Так, якщо блок №7, гор. -120 м складався із магнетит-карбонат-силікатних кварцитів, сланців і магнетитів міцністю f =17-19 балів за шкалою проф. М.М. Протодьяконова, при цьому будучи повністю обводненим, то блок №73, гор. -45 м був поданий гематитовими, магнетито-гематитовими кварцитами, а також сланцями міцністю f=12-15 балів і був повністю сухий.

При огляді результатів вибуху було встановлено, що розвал скельної гірничої маси на експериментальних ділянках значно компактніший і при цьому повністю був відсутній закид скельної гірничої маси на вищележачий уступ. За результатами виміру гранулометричного складу підірваної скельної гірничої маси було встановлено: на блоці №7, гор. -120 м вихід фракцій - 400 мм у відсотках на дослідній ділянці склав 91,9%, а на контрольній - 80,3%, розмір середнього куска відповідно склав 189,2 мм і 201,5 мм; на блоці №73, гор. -45 м об'єм фракцій - 400 мм на дослідній ділянці - 93,1%, на контрольній - 84,1%, а розмір середнього куска - 181,3 мм і 194,5 мм. Рівень підошви уступу відповідав проектному. Аналогічні позитивні результати були також отримані при вибуховій відбійці гірських порід з використанням вибуходинамічного екрана на блоці №81, гор. -285 м, на блоці №76, гор. -240 м, на блоці №78, гор. -207 м.

У результаті аналізу експериментальних промислових вибухів установлено, що розроблена технологія блокового екранування руйнування гірських порід добре погоджується із сучасними умовами ведення підривних робіт і дозволяє знизити вартість БВР робіт на 6-8%, використовуючи раціональні способи формування й розміщення зарядів дроблення в гірському масиві, що руйнується. При цьому якість підірваної скельної гірничої маси дозволяє підвищити продуктивність навантажувального устаткування.

Фактичний економічний ефект, отриманий від впровадження розроблених технологічних методів ведення БВР при об'ємі підірваної скельної гірничої маси 3240 тис. м³, склав 712,55 тис. грн.

Висновок

Дисертація є самостійною закінченою науково-дослідною роботою, в якій виконано теоретичне узагальнення закономірностей процесу вибухового навантаження і руйнування гірського масиву, екранованого вибуходинамічною зоною, та отримано рішення актуальної науково-прикладної проблеми розробки ефективних технологічних методів оптимізації процесу вибухового руйнування гірських порід при їх відбійці у залізорудних кар'єрах. Розроблена технологія дозволяє без додаткових витрат підвищити техніко-економічні показники роботи буровибухового комплексу.

Основні наукові та практичні результати

...