46

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Керування якістю вибухової відбійки в кар'єрах при видобуванні флюсових і будівельних матеріалів

Спеціальність 05.15.03 - Відкрита розробка родовищ корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Клочко Ігор Іванович

Кривий Ріг - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничих машин і інжинірінга Національного гірничого університету України Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор Баранов Євген Герасимович доктор технічних наук, професор Федоренко Павло Йосипович завідувач кафедри маркшейдерії Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Мец Юрій Семенович, завідувач кафедри металоведення Криворізького інституту ПВНЗ Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління Міністерства освіти і науки України.

доктор технічних наук, професор Петренко Володимир Дмитрович, завідувач кафедри тунелів, основ та фундаментів Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України.

доктор технічних наук, професор Воробйов Віктор Васильович, декан машинобудівного факультету Кременчуцького державного політехнічного університету ім. М. Остроградського Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться 14 березня 2008 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 при Криворізькому технічному університеті за адресою: 50002. м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, ауд.300. З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002. м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

Автореферат розісланий 13 лютого 2008 р.

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

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Практично на всіх кар'єрах нерудної сировини процес вибухопідготовки є початковим технологічним процесом видобутку й переробки корисних копалин, що накладає ряд вимог й обмежень на параметри гранулометричного складу висадженої гірської маси. Як правило, якість вибухопідготовки оцінюється за процентом виходу негабаритних фракцій подрібнення й середньозваженим діаметром окремого шматка гірської маси (). Оптимізація параметрів буро-вибухових робіт (БВР) щодо питомих зведених витрат по всьому технологічному ланцюгу, від кар'єру до подрібнювально-збагачувальної фабрики (ПЗФ) встановлює величину . Однак при цьому не враховується специфіка низки гірничих підприємств. Зниження показника на залізорудних кар'єрах досягається за рахунок збільшення питомої витрати ВР (енергії вибуху) і супроводжується підвищенням виходу дрібних фракцій, що дає можливість істотно знизити витрати на переробку сировини на ПЗФ, незважаючи на збільшення витрат на весь комплекс БВР. У той же час подібний підхід до оптимізації параметрів БВР на кар'єрах нерудної сировини призводить до значних втрат, через переподрібнення гірської маси. Встановлено, що до 80% втрат пов'язані з комплексом БВР з причин перенасичення масиву гірських порід енергією вибуху. Крім того, вибухова відбійка з використанням існуючих технологій руйнування й промислових ВР (ПВР) призводить до істотного зменшення показників фізико-механічних властивостей гірської маси, використовується для виготовлення будівельних щебенів.

Вирішення комплексу завдань, що полягають у розробці технології одержання якісного вибухового дроблення флюсових і будівельних матеріалів, яка забезпечує зниження їх втрат при буро - вибуховій відбійці за рахунок скорочення переподрібнених фракцій при одночасному зниженні собівартості кінцевого продукту є великою й актуальною науково-технічною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до наукових планів досліджень: Донецького національного технічного університету, зокрема: "Впровадження нових засобів і технології вибухового подрібнення негабариту на кар'єрах Докучаєвського флюсодоломітного комбінату" (1986-1987 рр., номер державної реєстрації 01860047209), "Розробка і впровадження високоефективних, сейсмобезпечних способів ведення підривних робіт на шахтах ПО "Артемсіль" (1985-1986 рр., номер державної реєстрації 01830010974), "Розробка кумулятивних зарядів і конструкцій устрою для спільного їхнього висадження в умовах протитиску до 40 МПа при розробці скельного масиву" (1988-1989 рр., номер державної реєстрації 0188053601). З 2003 р. робота виконувалася відповідно до напряму досліджень кафедри "Розробка родовищ корисних копалин" Донецького національного технічного університету (тема НДР "Розробка й промислове освоєння ефективних способів вибухопідготовки будівельної сировини в умовах гранітних кар'єрів Донбасу", 2002-2003 рр.); Національного гірничого університету України (м. Дніпропетровськ) зокрема: "Розробка й впровадження технології відбійки гірських порід ВР на основі пенополістиролу на кар'єрах Докучаєвського флюсодоломітного комбінату" (1992-1993, номер державної реєстрації UA 01000670Р); Донецького державного інституту науково-дослідних, проектних робіт й інженерних послуг у вогнетривкій промисловості (ДонНДГРІ). Завдання 02 "Створити й впровадити гнучку екологічно чисту технологію переробки сировини в готову продукцію необхідних асортиментів з мінімальними витратами й раціональним використанням надр". Тема НДР "Виконання досліджень, розробка раціональних параметрів вибухової відбійки змішаних вибоїв для зниження втрат і збіднювання корисної копалини на кар'єрі ВАТ "Літос" (2001-2002 р. р.) (2.1-4-А-2-01) "; "Дослідження й вибір ефективних способів вторинного подрібнення порід на кар'єрах заводу "Магнезит"" (ОЦО 28Б54, номер державної реєстрації 75018548). У вищезгаданих НДР автор брав безпосередню участь як керівник і виконавець.

Мета роботи ? підвищення ефективності технології відкритої розробки флюсових та будівельних матеріалів за рахунок розробки науково обґрунтованих раціональних параметрів буро-вибухових робіт (БВР), що забезпечують зниження витрат на видобуток та переробку сировини та підвищення виходу готової продукції з одночасним поліпшенням її якості.

Для досягнення мети в роботі сформульовані та вирішені наступні задачі:

розробити принципи оптимізації параметричного ряду "ВР - гірська порода" за рахунок встановлення співвідношення між енергією ВР і його детонаційними параметрами, що визначають показники дії вибуху в різних гірських породах;

уточнити механізм дії кумулятивного струменя в гірській породі на основі запропонованого механізму дроблення гірських порід вибухом;

визначити закономірності зміни структурно-міцністних властивостей гірських порід під час динамічного навантаження;

вивчити особливості формування кумулятивних потоків у зарядах спрямованої дії;

розробити способи і засоби управління детонаційними параметрами ВР свердловинних зарядів, що забезпечують необхідний ступінь подрібнення з мінімальним виходом переподрібнених фракцій технологію видобутку будівельної сировини з максимальним збереженням фізико-механічних властивостей відбитих гірських порід.

Ідея роботи полягає у використанні ефекту регулювання енергонасичення масиву вибуховими навантаженнями при різних сполученнях параметричного ряду "ВР - гірська порода".

Об'єктом досліджень є процес вибухового руйнування флюсових та будівельних матеріалів в умовах їх видобутку відкритим способом.

Предмет досліджень ? технологія та параметри буро-вибухових робіт при руйнуванні гірських порід, що використовуються при виготовленні щебенів з урахуванням їх оптимального рівня навантаження вибухом.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених у роботі завдань використано комплекс сучасних методів досліджень, що включає теоретичні узагальнення, лабораторні й промислові експерименти, методи й прийоми техніко-економічного, графоаналітичного, кореляційного аналізу, методи програмування.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. Розподіл енергії вибуху () свердловинного заряду ВР у скельних масивах на роботу дроблення () визначається енергією вибуху й перебуває в статечній залежності від швидкості детонації заряду ВР (D) і щільності заряджання (), а дисипативні втрати () залежать не тільки від фізико-механічних властивостей породи й параметрів вибуху, а й від їхнього спільного обліку, що визначається законом зміни внутрішньої енергії продуктів вибуху (ПВ).

2. Керування якістю флюсових і будівельних матеріалів на стадії вибухової відбійки проводиться диференційованим впливом вибуху на породний масив з урахуванням його стану (фізико-механічних властивостей) і призначення сировини, що добувається, як за рахунок раціонального розташування свердловинних зарядів ВР у масиві, так і за рахунок особливостей їх ініціювання. Спрямована дія продуктів вибуху свердловинних зарядів ВР за рахунок утворення збіжних детонаційних хвиль при використанні лінійних ініціаторів, дозволяє підвищити тиск ПВ в 2,0 - 2,2 раза, що в 3,0 раза скорочує вихід крупних фракцій дроблення. Використання малошвидкісної детонації у свердловинних зарядах ВР змінює імпульс вибуху і в флюсових породах дає можливість скоротити вихід негабариту в 1,5 - 2,0 раза при загальному поліпшенні якості дроблення.

видобування флюсовий будівельний матеріал

3. Ефективність дії кумулятивних зарядів з газовим кумулятивним струменем у гірських породах залежить від часу існування кумулятивного струменя (), його площі (), тиску, що розвивається (), і швидкості руху межі "гірська порода - кумулятивний струмінь" ("ГП - КС"). Величина тиску, що розвивається (), прямопропорційна показнику акустичної жорсткості порід (А), а час існування струменя () - зворотньопропорційний цьому тиску.

Вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій, що витікають з них, підтверджується коректністю поставлених завдань, коректним застосуванням методів планування експериментів і математичної обробки даних, експериментальним підтвердженням, одержаним під час виконання лабораторно-полігонних робіт та промислового впровадження.

Наукова новизна розробок:

уперше запропонований механізм дії вибуху в гірській породі, який враховує, що дроблення відбувається на інтервалі зміни межі міцності від динамічної () до статичної ();

уточнений механізм дії кумулятивного струменя в гірській породі, заснований на тім, що дроблення відбувається на інтервалі зміни міцності породи від динамічної () до статичної ();

уперше запропонований часовий параметр (), який характеризує дію газового кумулятивного струменя в гірській породі, що дозволяє визначити параметри струменя;

уперше побудований параметричний ряд "ВР ? гірська порода", що дозволяє визначити витрати енергії вибуху ВР на різні види роботи (дроблення, переподрібнення, переміщення дробленої маси) залежно від енергетичних і детонаційних параметрів ВР і фізико-механічних властивостей гірських порід;

установлений вплив вибухових навантажень на зміну фізико-механічних властивостей гірських порід, що відбувається за циклічними законами.

Наукове значення роботи полягає в розвитку наукових основ в області дії вибуху в гірських породах, що дозволяє встановити залежність раціонального рівня енергії в масиві, який руйнується, з урахуванням його властивостей і стану для забезпечення високої якості вибухової відбійки.

Практичне значення роботи полягає у:

розробці методики розрахунку параметрів БВР, заснованої на раціональному енергонасиченні масиву, що дозволяє знизити вихід переподрібнених фракцій і підвищити якість вибухової відбійки;

розробці технології й режимних параметрів вибухової відбійки флюсових і гранітних порід, яка реалізована і захищена авторськими свідоцтвами і патентами;

розробці конструкцій кумулятивних зарядів для дроблення негабаритних шматків гірських порід.

Реалізація роботи. Результати досліджень упроваджувалися на кар'єрах Докучаєвського ФДК, Комсомольського РУ, Кальчикському сиенітовому кар'єрі, кар'єрі Ходжаіканського солерудника, шахтах ПО "Артемсіль", що дало можливість одержати деяке підвищення техніко-економічних показників виробничої діяльності цих підприємств у цілому.

З огляду на те, що впровадження відбувалося як в умовах планової економіки з фіксованими цінами, так й у перехідний період, то не можливо визначити загальну суму економічного ефекту. Відзначимо, що за цінами 1992 р. економічний ефект на Докучаєвському ФДК становив понад 24,0 млн. карбованців.

Упровадження результатів роботи на підприємстві ГП БВР "Донецьквибухпром" під час виконання вибухових робіт на кар'єрі ВАТ "Літос" (акт упровадження від 6 грудня 2005 р.) дало підвищення ефективності БВР, що дозволило зменшити витрати на буріння і ВР й одержати загальний економічний ефект у розмірі 7875 грн. на рік. Розроблена, затверджена й погоджена в установленому порядку методика розрахунку параметрів БВР на кар'єрах з урахуванням оптимальної витрати енергії вибуху.

Упровадження рекомендацій на кар'єрах Комсомольського РУ в 2006 р. дозволило одержати економічний ефект у сумі 10672 гривні.

Особистий внесок здобувача. Ідеї щодо розробки науково-технічної проблеми в цілому, які належать здобувачеві, реалізовані в науково-дослідних роботах й опубліковані ним особисто [8-10; 15-19]. У роботах [2-4; 6; 7; 11-13; 20-22; 28-35], надрукованих у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в розвитку наукових основ, розробці принципів оптимізації параметрів навантаження гірських порід вибуховими навантаженнями. У працях [1; 5; 14; 15; 23-27; 36] особистий внесок здобувача полягає в науковій постановці завдань, участі в проведенні й узагальненні результатів досліджень, розробці технічних рішень.

Апробація роботи. Основні положення різних етапів досліджень доповідалися й обговорювалися на:

Всесоюзній науково-технічній конференції "Основні напрямки розвитку соляної промисловості до 2000 року"; ВНДІСІЛЬ, м. Артемівськ, 1984 р.; Всесоюзній науковій конференції в ІПКОН АН СРСР, м. Москва, 1984 р.; Восьмій Республіканській науково-технічній конференції ІГД ім.А. А. Скочинського в м. Кохтла-Ярве, 1986 р.; IX Всесоюзній конференції з механіки гірських порід, м. Фрунзе, 1989 р.; Всесоюзній нараді "Рудопідготовка і її ефективність", м. Фрунзе, 1990 р.; 1-й Міжнародній конференції "БВР у будівництві", м. Москва, 1992 р.; на семінарах Дніпропетровського гірничого інституту з питань руйнування гірських порід (1991, 1992 р.); науково-практичних конференціях "Донбас-2020: наука й техніка виробництву" (м. Донецьк, Донецький національний технічний університет, 2002, 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Техногенна безпека регіонів і механіка вибухового руйнування гірських порід", м. Севастополь, 2002 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу" (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); 3-їй Міжнародній науково-технічній конференції "Механіка, технологія й техногенна безпека вибухового руйнування гірських порід", Крим, 2004 р.

Публікації. З теми дисертації опубліковано 36 праць, у тому числі 7 авторських посвідчень СРСР й 2 патенти України. З опублікованих праць 22 - основні публікації (опубліковано в наукових спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України - 19 праць, 1 авторське посвідчення СРСР, 2 патенти України).

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 186 найменувань, додатків, надрукованих на 368 сторінках машинописного тексту, включаючи 39 таблиць і 71 рисунок.

Основний зміст роботи

У першому розділі розглянуто сучасний стан процесу підготовки флюсових і будівельних матеріалів на стадії вибухової відбійки вихідної сировини. Зроблено оцінку властивостей і стану гірського масиву, як об'єктів руйнування. Проаналізовано відомі теорії дії вибуху в середовищі, та вплив різних чинників на ефективність дроблення.

Для більшості корисних копалин, які використовують для одержання будівельних щебенів, потрібне додаткове обмеження виходу дрібних фракцій дроблення. Для вивержених порід (гранітів) ? це клас до 10-20 мм, для карбонатних порід ? до 70, іноді ? 150 мм (залежно від міцності). Особливі вимоги висуваються до підривного дроблення карбонатних порід (особливо вапняків), більшість яких неоднорідні по міцності й мають прошарок уламкових порід. Тому до них висуваються додаткові вимоги: раціонального використання принципів і методів селекції для одержання максимального виходу щебеню на ДЗФ і підвищення його міцності й поліпшення якості висадженої гірської маси за рахунок вибіркового подрібнення. Останнє досягається максимальним перетворенням слабких прошарків у дріб'язок при мінімальному переподрібненні міцних порід. Для забезпечення такого процесу відбійки необхідно знати й ураховувати структурні особливості масиву й уміти керувати процесом вибухового перетворення ВР свердловинних зарядів.

У працях радянських і закордонних учених: Баранова Є.Г., Боровікова В.О., Воробйова В.В., Власова О. Є., Демидюка Г.П., Друкованого М.Ф., Єфремова Е.І., Коміра В.М., Крисіна Р.С., Кука М.А., Кучерявого Ф.І., Кутузова Б.М., Мельникова М.В., Мінделі Є.О., Мосінца В.М., Покровського Г.Й., Петренка В.Д., Ржевського В.В., Родіонова В.М., Рубцова В.К., Федоренка П.Й., Ханукаєва О.М. й ін. - вирішені проблеми, які пов'язані з керуванням дією вибуху в гірських породах при вибуховій відбійці масиву. Досліджені й установлені чинники, що впливають на якість вибухової відбійки гірських порід.

Великою кількістю досліджень, виконаних в ІГТМ АН України, встановлені розрахункові дані виходу переподрібнених фракцій () у флюсових породах із різними структурними характеристиками. Згідно з цими дослідженнями змінюється від 14,0 до 22,0% залежно від структури. Аналіз виходу переподрібнених фракцій у технологічному ланцюзі від кар'єру до ДЗФ показує, що до 80% втрат корисної копалини обумовлений комплексом БВР.

Зміна параметрів БВР приводить, як відомо, до зміни витрат на різні технологічні процеси видобутку й переробки сировини, а величину сумарних наведених витрат пропонується оптимізувати залежно від ,що дозволяє оцінити витрати по процесах і одержати мінімум функції сумарних витрат залежно від . Однак виявити "вузькі" місця в технології видобутку й переробки за допомогою такої методики дуже складно. Необхідно враховувати реальні процеси, що відбуваються при видобутку й переробці корисної копалини. Таким умовам відповідає модель енерговитрат з урахуванням реальної вартості одиниці енергії залежно від її виду (хімічна енергія ВВ, електроенергія, дизпаливо та ін.). Однак енергетичні моделі не враховують такі показники, як капітальні витрати, амортизаційні відрахування. Тому технологічні операції доцільно аналізувати, як за економіко-технологічними, так і енергетичними моделями.

Аналіз існуючих теорій руйнування показав, що при розрахунках приймаються різні параметри: максимальні напруги стиску, розтягування, зсуву; швидкість деформацій; величина енергії, що прикладається; час існування напруг і т. ін. Природно, що всі методики розрахунку мають цінність при вивченні механізму зростання одиночної тріщини, тобто в чисто фізичному сенсі. Перехід на технологічний рівень викликає необхідність вирішення конкретних завдань виробництва, на що чисто теоретичні пошуки не можуть дати відповіді через різні причини. Основною з них є складність, а часом і неможливість урахування всіх параметрів, що входять у ту або іншу модель руйнування середовища. Для практичного застосування, чим менше параметрів середовища закладається в модель, тим її простіше розраховувати. Природно, що описати одним параметром усі показники середовища неможливо. Однак чи багато фізико-механічних показників використовується на практиці? Як правило, характеристика гірського масиву задається одним єдиним показником - міцністю за шкалою проф. М.М. Протод'яконова, що залежить від показника міцності породи на одноосьовий стиск (), одержуваного в статиці.

Уводити більшу кількості фізичних параметрів середовища в методики розрахунку параметрів комплексу БВР для практичного розрахунку не має сенсу, тому що складна структурно-текстурна будова навіть одного горизонту, вибухового блоку не дозволяє їх урахувати. На наш погляд, параметром, який міг би характеризувати середовище під час динамічного навантаження, є межа динамічної міцності (). За динамічного навантаження міцність породи буде залежати від структурно-текстурних особливостей будови порід і різних фізичних констант, тобто є інтегральним показником. Величину можна визначити з рівняння

, (1)

де ; (2)

- швидкість зміни компонент вектора деформації, с^-1; d - діаметр зразка, м; - швидкість поздовжньої хвилі, м/с.

У різних дослідженнях показано, що практично для всіх гірських порід .

У другому розділі представлено математичне моделювання процесів видобутку флюсової сировини й оптимізацію параметрів навантаження гірських порід вибухом.

Рішення всіх поставлених завдань здійснено на основі системного підходу, що враховує всі вимоги як до вихідної сировини, так і до технології видобутку й переробки. Сформовані економіко-технологічні й енергетичні моделі процесів видобутку й переробки флюсової сировини (на прикладі ДФДК) дозволили встановити, що при мм має місце оптимум функції сумарних витрат. При цьому, витрати, пов'язані із втратами корисної копалини через переподрібнення, на цьому інтервалі , в 0,3-2,0 раза вищі, ніж витрати на БВР.

Зменшити витрати на переподрібнення гірської породи можна, як показує аналіз, за рахунок переносу акцент із первинної відбійки на вторинне дроблення. На підставі виконаних досліджень можна стверджувати, що вдосконалення відкритих гірських робіт можливе при вирішенні завдань максимуму й мінімуму. Завданням-максимумом можна вважати необхідність перегляду традиційного підходу до структур комплексної механізації й організації робіт у кар'єрі, а завданням-мінімумом - удосконалення комплексу БВР за рахунок зниження енергії, що витрачається на переподрібнення сировини.

Невідповідність параметрів вибухового навантаження фізичним властивостям порід викликає непродуктивні втрати як енергії вибуху, так і корисної копалини. У цьому зв'язку необхідно створити таке вибухове навантаження гірського масиву, яке б забезпечило відсутність негабаритних шматків у висадженій гірській масі з мінімальним виходом переподрібнених фракцій. Режим такого навантаження будемо називати режимом раціонального енергонасичення.

Механізм руйнування гірської породи й методика визначення величини раціонального енергонасичення розглянуті нами на прикладі вибуху заряду камуфлету з наступними допущеннями:

1. Розширення зарядної порожнини від початкового обсягу () до кінцевого () оцінюється за зміною внутрішньої енергії ПВ.

2. Між ПВ і гірською породою відсутній теплообмін, а проникнення їх у тріщини незначне внаслідок короткочасності процесу.

3. Момент кінцевого розширення зарядної порожнини характеризується повним перетворенням ВВ на ПВ і встановленням в обсязі заряду середнього тиску.

Для визначення величини енергії вибуху, що йде на дроблення, В.М. Родіоновим вводиться параметр середовища ? . Якщо припустити, що адекватно , то дроблення породи буде відбуватися в діапазоні зміни міцності від до . Виходячи із прийнятих допущень, розширення зарядної порожнини оцінюємо за зміною внутрішньої енергії ПВ. Для цього скористаємося побудовою ізоентроп ПВ у системі координат з нанесенням на них величин і (рис. 1). Відповідно до запропонованої схеми механізм дії ПВ у гірській породі можна представити в такий спосіб. Після закінчення детонаційного перетворення ВР у порожнині встановлюється тиск . При цьому . Це приводить до значних дисипативних втрат енергії й дає вихід переподрібнених фракцій.

При подальшому розширенні порожнини тиск ПВ буде падати й при досягненні величини почнеться процес подрібнення, який буде тривати доти, доки впаде до величини . З наведеної на рис.1 схеми й запропонованого механізму дії ПВ витікає, що зміна обсягу порожнини від до відповідає витратам енергії на дисипативні втрати (переподрібнення). При подальшій зміні обсягу від до робота вибуху витрачається на дроблення. Подальше збільшення обсягу від до Ґ відповідає роботі вибуху на переміщення подрібненої породи. На підставі запропонованого механізму дії ПВ у гірських породах представляється можна визначити: дисипативні втрати енергії вибуху або роботу переподрібнення (), роботу подрібнення гірської породи (), роботу з переміщення подрібненої гірської породи ().

Для широкого спектра гірських порід і типів ВВ при вирішенні завдання оптимального енергонасичення необхідно розглянути 7 варіантів різних сполучень:

(3)

На підставі запропонованого механізму дії ПВ у гірській породі встановлені розрахункові формули для деяких типів порід і ВР (табл.1).

Таблиця 1

Вирази для визначення показника роботи ПВ у деяких гірських породах

Гірська порода	Тип ВР	Розрахункова формула
Граніт	Гранулотол Амоніт №6ЖВ
	Ігданіт	;
Мармур	Гранулотол Амоніт №6ЖВ
	Ігданіт	;
Доломіт	Гранулотол
	Амоніт №6ЖВ Ігданіт

Аналіз табл.1 показує, що робота подрібнення () у всьому спектрі порід визначається насамперед енергією вибуху і залежить від параметрів детонації. Що ж стосується , то тут картина більш складна. Величина дисипативних втрат залежить не тільки від характеристик середовища й параметрів вибуху, але й від того, за яким із варіантів співвідношення фізико-механічних властивостей гірських порід й ізоентроп ПВ відбувається розвиток процесу.

Так, наприклад, для тротилу у всіх типах порід вибух розвивається за 1-м варіантом і дисипативні втрати визначаються тиском, що розвивається. Зі зміною варіанта розвитку вибуху відбувається спільний вплив енергії й тиску. При цьому визначальна роль належить енергії ВР. Наприклад, амоніт №6 ЖВ у гранітах і мармурі має 1-й варіант розвитку вибуху, а в доломітах - 2-й. У гранітах і мармурі для амоніта №6 ЖВ визначається тиском, а в доломіті залежить від енергії й параметрів детонації. Необхідно відзначити, що навіть якщо в розрахунку , то на практиці завжди має місце переподрібнення гірської породи через наявність детонаційних хвиль (ДХ), які рухаються уздовж стінки свердловини.

На підставі виконаних розрахунків можна стверджувати, що конкретній гірській породі відповідає свій тип ВР і характер протікання процесу розширення ПВ. Максимальні витрати енергії вибуху на подрібнення при , що відповідає умові раціонального енергонасичення, досягаються за умов співвідношення детонаційних характеристик ВР і фізико-механічних властивостей порід з розвитком вибуху за 3 й 7-м варіантами. Однак той факт, що у ПВР навіть розвиток вибуху за варіантами 3 й 7-м не дозволяє одержати раціонального енергонасичення в осадових породах. Це вимагає розробки нових типів ВР, які б відповідали завданням практики. Аналіз показує, що вимогам гірничодобувних підприємств нерудного профілю відповідають ВВ на основі спіненого пенополістіролу (грануліт П) і механічні суміші грамоніта 79/21 з пенополістіролом - состави "ПФ".

У експериментах, виконаних нами на кар'єрах Докучаєвського ФДК, Саткінського комбінату "Магнезит", Каранському гранітному кар'єрі, перевірялася відповідність розрахункових витрат енергії вибуху на подрібнення гірської породи з показниками роботи, отриманої при висадженні шпурових зарядів. Дані експериментальних вибухів і відповідність їхнім розрахунковим параметрам представлені в табл.2.

Таблиця 2

Працездатність ВР і розрахункові витрати енергії на дроблення

№ з/п	Тип ВР	Гірська порода	Відносний обсяг руйнування (експеримент) %	Відносні розрахункові витрати енергії ВР на дроблення, %	Розбіжність результату
1.	Амоніт №6ЖВ	Доломіт	100	100	-
2.	Амоніт №6ЖВ	Граніт	104	111	+7
3.	Тротил	Магнезит	100	100	-
4.	Грамоніт 79/21	Магнезит	134	141	+7
5.	Гранулит АС-4	Магнезит	164	197	+33
6.	Амоніт №6ЖВ	Магнезит	185	199	+14

Так само в другому розділі розглянутий механізм руйнування гірських порід від дії кумулятивних зарядів. Основним параметром, що характеризує кумулятивний заряд, вважається глибина проникнення кумулятивного струменя в гірську породу. Визначати глибину проникнення кумулятивного струменя в породу запропоновано виходячи з висунутої концепції подрібнення гірських порід на інтервалі зміни механічних властивостей від до . Вважаємо, що струмінь проникає в породу поки тиск струменя Р_с буде більшим або дорівнюватиме динамічній межі міцності породи на стиск (), тобто . Як тільки почне виконуватися умова , проникання струменя припиняється, але оскільки то відбувається подальше переміщення ядра ущільнень. Цей рух буде тривати доти, поки не буде виконуватися рівність . У тимчасовому проміжку зміни Р_с від до в середовищі будуть відбуватися деформації і переподрібнення гірської маси. У випадку в середовищі будуть спостерігатися пружні деформації.

У теорії академіка М.А. Лаврентьєва глибина проникнення кумулятивного струменя залежить від довжини кумулятивного струменя (). На наш погляд, величина справедлива для кумулятивних зарядів з металевим облицюванням кумулятивної виїмки, а у випадку газової кумуляції такого поняття не існує. Для оцінки газового кумулятивного струменя правомірно говорити про швидкість струменя (U), його щільність (r), тиск, заподіяний струменем на перешкоду (Р), а також про час його існування (t_эф). Остання характеристика є досить важливою, тому що вона визначає час додаткового навантаження, позаяк t_эф визначається часом падіння тиску від первісного (Р₂), що відповідає початку витікання кумулятивного струменя, до величини . Величину Р₂ можна вважати статичним тиском у той момент часу, коли ще не відбулося зіткнення струменя з перешкодою. При зіткненні струменя з перешкодою відбудеться деяке підвищення тиску на межі КС-ГП. Таким чином, час (t_эф) ефективного впливу кумулятивного струменя на перешкоду буде дорівнювати часу падіння тиску від величини до величини . Якщо припустити, що кумулятивний струмінь є ударною хвилею з параметрами газу за її фронтом , то можна визначити тиск струменя на перешкоду, що буде дорівнювати тиску у відбитій ударній хвилі Р_З.

, Па, (4)

де Р₂ - тиск за фронтом падаючої ударної хвилі, Па; Р₀ - тиск перед фронтом падаючої ударної хвилі, Па; К - показник ізоентропи.

Щільність відбитого потоку визначається із співвідношення

, кг/м³, (5)

де r₂ - щільність потоку за фронтом падаючої ударної хвилі, кг/м³. При К = 1,4 , а .

Швидкість зміщення границі розподілу середовищ можна визначити з рівняння

, м/с, (6)

де - тиск на границі розділення середовищ під час удару, Па; - питомі обсяги тіла, що вдаряє (кумулятивного струменя), початкові й у момент удару, м³/кг; - швидкість удару (масова швидкість кумулятивного струменя), м/с; - тут a - стискування середовища.

Після перетворень з урахуванням міцністних властивостей матеріалу перешкоди величину швидкості руху границі розподілу "КС-ГП" можна визначити за допомогою виразу

, м/с, (7)

де .

Глибину проникнення кумулятивного струменя в перешкоду можна визначити з рівняння:

, м. (8)

Для визначення t_эф розглянемо схему, зображену на рис.2.

Час існування кумулятивного струменя (1) буде визначатися часом пробігу фронту відбитої ударної хвилі від границі розподілу середовищ (2) до вершини кумулятивної виїмки (3) кумулятивного заряду (4), тому що в цьому випадку відбувається перетворення відбитої ударної хвилі на хвилю розрідження, що спричиняє до падіння тиску в кумулятивному струмені. При цьому тиск у струмені (1) у межах границі розподілу середовищ (2) не повинен бути нижчим , тоді

, с, (9)

де D_оув - швидкість фронту відбитої від границі розподілу середовищ УХ, м/с.

Крім того, час пробігу бічної хвилі розрідження (t_б) до осі кумулятивного струменя (1) від її бічної поверхні повинен дорівнювати t_эф, тобто має виконуватися рівність:

, с. (10)

Величина , визначена в рівності (10), не повністю враховує час додаткового навантаження. Повний час визначається з виразу (11). Він може дорівнювати часу проникання струменя в перешкоду:

, с, (11)

де - проміжок часу, упродовж якого відбувається зниження Р_х від значення до , с.

Підставивши рівність (11) у вираз (8), одержимо:

, м. (12)

Порівняння розрахунків навантаження, зроблених на підставі висунутого механізму дії кумулятивного струменя в гірській породі, з розрахунковими даними для газо-металевих струменів за методикою Ф.А. Баума показало наступне. Швидкість проникання КС у перешкоду за умов однакових тисків, від 2,0 до 6,0 разів вища у випадку газо-металевих струменів при пробиванні сталевих перешкод, ніж при газовій кумуляції у випадку проникання в гірську породу. Тому використовувати в розрахунках подрібнення гірських порід кумулятивними зарядами параметри, отримані для металів, що найчастіше має місце, не можна.

Наведені розрахунки свідчать про те, що в гірських породах величина проникання кумулятивного струменя досить незначна й залежить тільки від параметрів детонації ВР заряду. Підвищення щільності заряджання ВР (r₀), що спричиняє зростання параметрів детонації, викликає збільшення всіх параметрів, зокрема й величини проникання КС. Так, у випадку тротилового заряду при r₀ =1,0 г/см^З швидкість руху границі КС - ГП зростає приблизно в два рази, порівняно із зарядом з амоніту № 6ЖВ. При цьому тиск Р_х зростає в 1,2 раза, глибина проникання - в 1,7 раза.

Однак високі параметри КС у випадку застосування гексогену й тротилу не завжди доцільні, тому що час існування КС в 1,5-2,0 раза вище у випадку амоніту № 6ЖВ. Відомо, що збільшення часу навантаження дозволяє трансформувати в масив більше енергії. При цьому встановлено, що час, необхідний для повного розриву матеріалу, експоненціально зменшується зі збільшенням напруги . Таким чином, збільшуючи швидкість навантаження, ми тим самим зменшуємо час руйнування. Отже, якщо зростання швидкості навантаження виправдане щодо металів, то для гірських порід такий підхід у створенні кумулятивних зарядів неприйнятний, а методика щодо їх випробувань по пробиванню металевих пластин не відповідає умовам дроблення гірських порід.

Аналіз залежностей P=f (x), зображених на рис.3, показує, що величина Р_х при U_x=const залежить, насамперед, від показника акустичної жорсткості (А). Чим нижче А, тим нижче Р_х. Так, найменші значення Р_х мають місце у кам'яній солі, а найбільші - у доломіті. У граніті (А=1,75Ч1010 Па) і мармурі (А=1,86Ч1010 Па) величини Р_х практично не відрізняються, незважаючи на те, що граніт є породою, в 1,5 раза міцнішою, ніж мармур, не говорячи вже про доломіт, який слабкіший по міцності приблизно в шість разів.

Із графіка (рис.3) видно, що при швидкостях переміщення границі розподілу "КС-ГП" в інтервалі від 0 до 220 м/с для всіх порід, за винятком кам'яної солі, характер наростання тиску однаковий. При цьому на інтервалі швидкості U_х від 120 до 220 м/с має місце виположування кривої, що свідчить про стабілізацію Р_х при збільшенні U_х з наступним зростанням Р_х при U_х > 220 м/с. Характерним є те, що всі криві P_x=f (U_x) практично виходять із однієї точки, що відповідає параметрам U_x ? 200 м/с, Р_х = 0,9Ч1010 Па.

Аналіз зон, виділених на графіку Р_х=f (U_х) (рис.3) свідчить, що зона I (U_х=0-120 м/с) відповідає умовам пружної деформації, коли . Причому в цьому випадку не статистична, а динамічна, так як . Зона II відповідає пластичній деформації, коли в середовищі зароджується ядро напруг. При цьому не залежно від типу породи, параметри ядра однакові. Це легко пояснити, тому що ядро зароджується при , а Р_х на 2-3 порядки більше для всіх порід. Подальший процес переміщення ядра й утворення зон напруг залежить від фізико-механічних властивостей середовища. Цьому процесу відповідає III зона, у якій буде відбуватися подрібнення середовища за рахунок зростання кількості тріщин. При цьому, як ми вже відзначали вище, середовище з більшим показником акустичної жорсткості буде мати більші значення величини Р_х, що повинне забезпечувати більш інтенсивне зростання кількості тріщин.

У третьому розділі досліджувалася зміна параметрів фізико-механічних властивостей гірських порід залежно від впливу вибухових навантажень. Відповідно до існуючих теорій руйнування й моделей дії зарядів ВР у середовищі встановлено, що в результаті вибуху в породі формується поле напруг. Установлено, що в деяких напругах стискання і розвантаження гірських порід відбувається пружно, а із зняттям навантаження в середовищі зберігається залишкова деформація, яка змінює первинні фізико-механічні властивості середовища.

Для розрахунку параметрів хвилі напруги можна використати рівняння зміни маси ПВ у часі й просторі

, (13)

де - характеризує витрату енергії в момент хімічного перетворення ВР.

Для рішення рівняння (13) граничні умови мають вигляд:

. (14)

Початкові умови , де - щільність газів у момент часу в точці () відліку часу з моменту закінчення хімічного перетворення ВР; - так звана "дельта - функція"; - нормуючий коефіцієнт.

Для напівнескінченої задачі за заданих граничних і початкових умов рішення рівняння (13) має вигляд

. (15)

Очевидно, що величина визначає потенційну енергію вибуху й тиск у свердловині.

Із рішення рівняння руху точки в пружному середовищі, що є функцією тиску, можна одержати рівняння, що описує швидкість поширення хвилі напруги

, (16)

де - коефіцієнт, що враховує разом з передачу кінетичної енергії вибуху навколишньому середовищу; - час проходження хвилі напруги в масиві, с;

- швидкість руху газів за фронтом хімічної реакції, м/с; - нормуючий коефіцієнт переходу потенційної енергії в кінетичну. За різними даними й , якщо не враховувати дисипацію енергії.

Тоді одержимо

, (17)

де L ? відстань до точки спостереження; К ? коефіцієнт, що характеризує витрату енергії вибуху на руйнування одиниці маси масиву по лінії найменшого опору за одиницю часу.

Аналіз рівняння (17) показує, що швидкість зсуву часток середовища буде характеризувати співвідношення між масою ВР, що підривається (тобто загальною енергією) і кількістю енергії, яка витрачається на руйнування. При , чим більше E_b, тим менше швидкість зсуву й навпаки. Отже, чим менше енергії витрачається на руйнування, тим більше її спрямовується на зміну фізико-механічних властивостей середовища. Таким чином, швидкість зсуву може бути критерієм оцінки ефективності витрат енергії на подрібнення.

Рішення задачі напруженого стану масиву має об'ємний характер й описується системою диференціальних рівнянь. Відсутність чисельних методів рішення об'ємної задачі зводить її рішення до плоского випадку, але з урахуванням зміни напруги системи координат можна обчислити характеристики напруженого стану в будь-якому заданому напрямі.

Рішення задачі плоскої деформації в координатах Х, Y за час t здійснюється в наступній постановці. Плоска двомірна смуга з лінійно-пружного однорідного ізотропного матеріалу, властивості якого характеризуються щільністю r, швидкість поздовжніх хвиль С_l, швидкістю поперечних хвиль C_t, у системі нерухомих прямокутних координат (х) і (y) займає зона , . У початковий момент часу (t=0) точки смуги х=0, піддаються додатковому механічному впливу, що зводиться до завдання вектора зсуву (або швидкості) часток смуги й напруги, у результаті вибуху ВР у свердловині.

Задача полягає у визначенні параметрів хвильового поля, викликаного фронтом падаючої пружної хвилі при у середині смуги, при вільних від напруг бічних поверхонь (плоска деформація), h - ширина смуги, що може змінюватися залежно від мети дослідження.

Систему диференціальних рівнянь плоскої задачі динамічної теорії пружності оберемо, коли залежними змінними є дві швидкості й три напруги. Такий вибір дозволяє виключити похідні за просторовими змінними із граничних умов.

. (18)

де - компоненти-тензори напруг у масиві; u й v - компоненти вектора швидкості зсуву часток масиву по осі X й Y.

Рішення поставленої задачі зводиться до інтегрування у середині зони , , системи рівнянь (18) з початковими (19) і граничними умовами:

. (20)

Розрахунками встановлено, що картина розподілу поля напруг і швидкостей зсуву для однотипних порід і ВР подібна й залежить від енергії заряду.

Для дослідження впливу параметрів вибухового навантаження на зміну фізико-механічних властивостей нами обрані породи різного генезису: граніти й доломіти. Експерименти проводили на Східному кар'єрі Докучаєвського ФДК (доломіти) і Каранському гранітному кар'єрі. Висадження порід здійснювали зарядами амоніта №6ЖВ вагою 25, 50 й 100 г, які розміщали в шпурах діаметром 32 мм й 40 мм. Шпури бурили глибиною 200-400 мм у підошві уступів. Після вибуху зразки для випробувань відбирали таким чином, щоб мінімальний розмір граней шматка був більшим 60мм. Відібрані зразки оброблялися алмазною пилкою, при цьому відхилення граней від паралельності було не більше 0,05 мм.

Випробування зразків на міцність проводили на 100-тонному пресі при швидкості навантаження 3,0 МПа/с. За максимальною силою (Р_max), при якій наступало руйнування зразка, визначали міцність при стисканні. До випробування зразків на пресі вимірялися електропровідність (питомий електричний опір) і швидкість проходження поздовжньої й поперечної хвиль, тому що відомо, що їх показники є важливими динамічними характеристиками. За швидкістю поширення пружних хвиль можна судити про будову й структуру гірської породи, про величину напруги у ній при стисканні й про її пружні властивості.

Характерним для всіх залежностей зміни фізичних властивостей від є те, що вони змінюються залежно від віддалення від центру вибуху. Природно, що на фізико-механічні властивості гірських порід наклали свій відбиток і попередні навантаження від масових вибухів, однак, висадження шпурових зарядів привело до того, що найменші характеристики міцності мали зразки, відібрані в зонах, що прилягають до центру заряду.

Оскільки нас, насамперед, цікавить міцність середовища, то розглянемо її більш докладно. При цьому відзначимо, що зміна s_ст досить добре корелює зі зміною від відносної відстані (), що свідчить про можливість використання фізичних методів контролю гірських порід для визначення такого показника, як s_ст у масиві. Фізико-механічні властивості гірських порід під час вибуху змінюються (див. рис.4) за циклічними законами, прагнучи до граничної величини. Такою величиною для s_ст є межа міцності за даними геологічної розвідки, названої нами материнською. Циклічність зміни s_ст приводить до того, що у випадку граніту на віддаленнях (10-15) і (30-35) відбувається зниження міцності стосовно попередніх зон. При цьому s_ст у зоні віддалення (30-35) в 1,3-1,6 разів вище, ніж у зоні віддалення (10-15) від центру вибуху, тобто, незважаючи на циклічний характер зміни міцності, має місце тенденція підвищення міцністних характеристик середовища. Цього не можна сказати про доломіти. Так, найменші значення s_ст мають місце у випадках ; ; . При цьому абсолютна величина s_ст коливається в межах 30-50 МПа, що в 1-3 рази менше, ніж у зонах підвищеної міцності й в 2,5-4,0 раза менше материнської міцності.

Необхідно виділити два наступних факти з наведених графіків:

перший - чергування зон послаблення й підвищення пружних і міцністних властивостей із чіткою циклічністю через 20 для граніту й 6,6 ? для доломіту;

другий - високі показники s_ст у випадку доломіту на невеликих віддаленнях від центру (5,0-7,0) , що досягають 90 МПа, що в 1,3 раза менше s_ст материнської. При цьому для граніту на таких віддаленнях s_ст в 2,3 раза менше материнської.

Другий факт можна пояснити з позицій фізико-механічних властивостей гірських порід, розглянувши такий показник, як пористість. Якщо для граніту цей показник змінюється від 0,40 до 5,2% при середньому значенні 2,7%, то у випадку доломітів він коливається від 2,0 до 35%, й у місці відбору проб, за геологічним даними, становить 20%. У такий спосіб у результаті динамічного навантаження на етапі, що передує руйнуванню, в пористих доломітах відбуваються зміни, пов'язані як з ущільненням матеріалу, що може привести до збільшення s_ст, так і до збільшення розкриття мікродефектів (пор), це дає зниження показника s_ст.

Менші значення пористості у випадку граніту не дають настільки істотного ефекту ущільнення в ближніх зонах, це має місце в доломітах.

Якщо розглянути перший факт, то чергування зон посилення й послаблення залежить від довжини хвилі, спричиненої вибухом, і на віддаленнях від 0 до 10 повністю ідентичні як у граніті, так й у доломіті, що дозволяє зробити висновок про поширення в цій зоні ударної хвилі. Неважко помітити, що максимум s_ст на цьому відрізку має місце на віддаленні приблизно (5,5-5,8) і у випадку мають місце мінімальні значення s_ст в обох випадках. На віддаленні , коли УХ переходить у хвилю напруги s_ст, у граніті й доломіті буде змінюватися за різними законами, що свідчить про вплив властивостей, притаманних тільки конкретній гірській породі.

Для оцінки впливу параметрів вибухового перетворення ВР заряду на фізико-механічні показники відбитої породи нами виконані вибухи в доломітах. При цьому маса ВР була в 2-4 рази меншою, ніж у випадку більших зарядів і становила 25 г, 50 г. Характерна зміна s_ст для доломіту показана на рис.5 б поз.2. Як видно із представленого графіка, зниження ваги заряду (енергії заряду) привело до того, що на відстані, яка дорівнює 3,3, s_ст вище у випадку заряду меншої ваги. На віддаленні 10 s_ст практично рівні, незважаючи на вагу заряду, а на віддаленні 6,7, s_ст нижче, ніж у випадку заряду більшої ваги, що свідчить на користь висунутої гіпотези про ущільнення матеріалу вибуховими навантаженнями. При збереженні загального циклічного характеру зміни властивостей гірських порід у випадку зарядів меншої ваги розкид значень від до склав 1,8 раза, а для зарядів більшої ваги - 2,75 раза, що ще раз підкреслює роль впливу параметрів вибухової хвилі на формування параметрів фізико-механічних властивостей гірської породи.

У четвертому розділі виконана оптимізація параметрів системи "ВР - гірська порода". Розроблено математичну модель розрахунку раціональних параметрів БВР для вибухового дроблення флюсових і будівельних матеріалів, що добуваються на щебені. У вищевикладеному матеріалі оптимізація енергії, що йде на руйнування масиву, полягає в усуненні дисипативних втрат, тобто витрат енергії вибуху в ближній до заряду зоні (А_дис). Очевидно, що дисипативні втрати енергії вибуху можна звести до нуля, якщо буде забезпечена рівність

(21)

Практично цього можна досягти за рахунок правильного вибору ВР або управляючи його щільністю заряджання (с) у свердловині будь-яким відомим способом. Визначальною умовою при виборі ВР є співвідношення

(22)

При цьому Р_н буде відповідати тиску продуктів вибуху у свердловині (Р_св),що визначається за рівнянням

Р_св =Р_н (?/r) в, Па, (23)

де ? - щільність заряджання ВР свердловинного заряду, кг/м³. Чим значення величини Р_н більше значення величини у_дин, тим більша частка вибухового розпаду ВР буде витрачатися на переподрібнення гірської породи. Для подальшого рішення задачі оптимізації параметрів вибухового навантаження необхідно після вибору типу ВР за критерієм (17) визначити величину незарядженої частини свердловини. Ступінь заповнення свердловини ВР розрахуємо за допомогою рівняння

, (24)

де - об'єм ВР свердловинного заряду, м³; V_{н -} об'єм свердловини, м³;

Р_{св -} тиск ПВ у свердловині, Па.

...