Оцінити об'єм втрат гірської маси від переподрібнення можна за допомогою виразу

, м³ (25)

де - параметр, що показує об'ємну частину тріщин, що виникають на місці, охопленому вибуховим впливом, у момент часу, коли тиск ПВ упав до атмосферного значення .

Із падінням величини Р зменшується й А. Зокрема, із зменшенням енергії й тиску вибуху настільки, коли подрібнення припиняється, а відбувається тільки переміщення роздрібненого масиву за рахунок поршневої дії газів

, м³. (26)

Слід зазначити, що об'єми, які фігурують тут, залежать як від детонаційних параметрів ВР, так і міцністних характеристик середовища. Величину А можна встановити після підриву експериментальних шпурових зарядів у конкретних гірських породах для кожної ВР. Деякі значення А представлені в табл.3.

Таблиця 3

Значення А для різних типів ВР

Максимальна робота подрібнення різних типів ВР у гірській породі визначається за виразом

, (27)

У мармурі л для амоніта №6ЖВ дорівнює 2,3, а для тротилу ? 2,02.

Загальний об'єм подрібнення буде визначатися рівнянням

, м³. (28)

З огляду на те, що об'єм відбитої породи буде представляти вирву подрібнення, можна визначити її радіус за виразом

, м, (29)

деL - глибина вирви подрібнення, м.

Деякі розрахункові параметри БВР для деяких типів ВР представлені в табл.4.

Таблиця 4

Розрахункові параметри БВР

Найбільшу працездатність у гранітах, що виражається в більших значеннях R й V_дрібл, мають грамоніт 79/21 й амоніт №6ЖВ. За грамонітом 79/21 й амонітом №6ЖВ йде грамотол 1-I. Він перевершує грамоніт 50/50, незважаючи на низький відсоток вмісту тротилу (<10%). Якщо порівняти характеристики грамотолу 1-I і грамоніту 50/50, то можна побачити, що в грамотолі теплота вибуху, при рівних значеннях швидкості детонації, в 1,1 раза, а кількість газів, що виділяються при вибуху - в 1,17 раза вище.

У гірських породах типу доломіту й магнезиту має місце трохи інша картина. Найбільші показники дають ВР, що мають менші показники швидкості детонації й тиску, що розвивається. Для тротилу взагалі характерним є те, що в цих породах об'єм переподрібнених фракцій більший від об'єму подрібнених, що свідчить про нераціональну витрату енергії вибуху.

П'ятий розділ присвячений розробці й лабораторно-полігонній перевірці методів і засобів керування якістю вибухопідготовки. Для кар'єрів, які видобувають корисні копалини на будівельні щебені, як було показано в розділі 1, істотним є збереження фізико-механічних властивостей кінцевого матеріалу, а для флюсової сировини - необхідність одержання мінімального значення переподрібнених фракцій. Між збереженням фізико-механічних властивостей і виходом переподрібнених фракцій існує зв'язок. Так, наприклад, із збільшенням енергії вибуху зростає кількість переподрібнених фракцій і одночасно знижуються характеристики міцності середовища. Таким чином, вирішуючи задачу зниження виходу переподрібнених фракцій, ми тим самим будемо зберігати необхідні властивості щебенів.

Відомо, що гірський масив не є однорідним, навіть у межах одного блоку властивості корисної копалини, що підривається, значно коливаються. У цій ситуації потрібно виходити з економічних міркувань і вимог, запропонованих до кінцевого продукту. Це виражається в тому, що за наявності порід із зонами підвищеного й зниженого значення міцністних і пружних властивостей потрібно вирішити, де розміщати свердловинні заряди - у зонах послаблення чи посилення. Розташування зарядів ВР у зонах посилення приведе до того, що масив у результаті вибуху усереднить свої характеристики щодо показника міцності, а розміщення зарядів у зонах послаблення приведе до переводу в переподрібнені ослаблені прошарки, але максимально збереже властивості незруйнованого скельного масиву. Природно, що останнє є більш прийнятним для видобутку корисної копалини на будівельні щебені. Можливо при цьому буде спостерігатися підвищення виходу негабариту, що вимагає створення високоефективних засобів вторинного подрібнення.

Таким чином, схеми розміщення ВР у зруйнованій породі повинні відповідати умовам одержання кінцевого продукту заданої якості. Для цього до проведення бурових робіт одним із відомих методів контролю властивостей масиву необхідно їх оцінити, наприклад, за швидкістю звуку в масиві, що добре корелює з показником . Сутність пропонованого методу ведення БВР полягає в наступному. Покрівлю уступу розбивають на квадрати, між вершинами яких (А, В, С) збуджують коливання, наприклад, ультразвукові, а потім визначають швидкість проходження хвилі між вершинами квадратів (рис.7). При цьому оцінюють співвідношення , де v, v_табл - відповідно, швидкість хвилі в масиві, отримана в експерименті, й швидкість за табличним значенням.

Рис.7. Схема звукового каротажу: 1 - прилад; 2 - випромінювач хвиль; 3 - приймач; 4 - зона прозвучування

При значеннях К до величини 0,5 має місце зона подрібнення порід, що характеризується абсолютною втратою зв'язку між роздрібненими частинами, тобто цю зону можна віднести до сипучого середовища. У випадку, коли , фіксується зона руйнування в межах 50-90% від первинної міцності порід. Це означає, що напруги на фронті слабкої хвилі на цій ділянці досягли критичного рівня й недостатні для ефективного подрібнення. Однак у цьому випадку можлива підтримка зростання радіальних тріщин слабкою хвилею, але масив не втратив своєї єдності й вимагає менших навантажень, ніж у випадку К=1,0, коли масив можна вважати практично незмінним.

Для правильного розміщення зарядів ВР або створення зон підвищеної напруги за рахунок спрямованого витоку ПВ необхідно вибрати ділянки гірського масиву, яким відповідають значення К, що лежать в інтервалі від 0,5 до 1,0. Потім на сторонах квадратів, уздовж яких розміщені ці ділянки, розташовують свердловини, якщо необхідно провести якісну вибухопідготовку й немає потреби зберегти фізико-механічні властивості щебенів.

На ділянках масиву, де К < 0,5, свердловини не розташовують, а їх навантаження забезпечується за рахунок спрямованого витоку ПВ, що досягається відповідним ініціюванням.

Для керування параметрами вибухового навантаження нами розроблена запобіжно-розосереджувальна ампула (а. с. № 1184338), що дозволяє при одночасному розосередженні заряду забезпечувати донне ініціювання. Крім того, застосування ампул дозволяє розміщати ДШ у свердловині в заданих площинах, що забезпечує створення спрямованого розльоту ПВ.

Досліджена дія свердловинних зарядів зі спрямованим розльотом ПВ, що виникають у результаті зіткнення ДХ. На підставі виконаних досліджень запропонований спосіб вибухової відбійки гірських порід і заряд для його здійснення, на який отриманий патент України №49695 А. Монтаж лінійних ініціаторів до магістральних ниток ДШ проводиться таким чином, щоб кінцеві відрізки ДШ були рівні між собою. Ця умова є досить важливою, тому що тільки в цьому випадку створюється можливість одночасного ініціювання ВР заряду, що буде сприяти одночасному створенню збіжних ДХ. У місці їхнього зіткнення відбудеться локальне підвищення тиску ПВ й їхній розліт у напрямку, перпендикулярному до площини закладення ініціаторів. Змінюючи площину закладення ініціаторів, можна спрямовувати енергію вибуху в потрібному напрямі, наприклад, у зону гірських порід, що мають підвищене значення К.

Дослідженнями встановлено, що в доломітах, магнезитах, вапняках для одержання якісного подрібнення необхідно зменшувати Р_н. При цьому не просто знизити Р_н, а створити такі умови навантаження, за яких буде відбуватися поступове наростання тиску ПВ у свердловині при одночасному збільшенні часу його дії. Для досягнення таких умов пропонується використовувати низькошвидкісні детонаційні процеси, які виникають у зарядах ПВР за умови їхнього недоініціювання. Зазначена мета досягається застосуванням у свердловинних зарядах комбінованих ініціаторів.

Керувати тиском й імпульсом вибуху свердловинного заряду можна за рахунок раціонального розміщення в заряді проміжних детонаторів і подовженого ініціатора з ниток ДШ. У низькошвидкісній детонації утворюються гази з невисоким тиском ? ділянка "в" на кривій 10. Втрати енергії вибуху на дисипацію незначні. Потім тиск за рахунок "переходу" на нормальний детонаційний режим істотно підвищується ? ділянка "з", залишаючись все-таки нижчим, ніж за звичайної детонації (крива 11), але вищим, ніж у випадку ініціювання тільки шнурами (крива 12). Бризантність вибуху за такого характеру навантаження значно знижується.

Лабораторно-полігонні дослідження керування якістю вибухопідготовки проводилися на оптично активних моделях і моделях з піщано-цементних сумішей. Ці дослідження містили в собі вивчення впливу таких чинників, як енергія вибуху, напрям розльоту ПВ, наявність зон розвантаження. При цьому вивчався як індивідуальний, так і сукупний вплив цих чинників. На підставі виконаних досліджень установлено: створення спрямованого розльоту ПВ дозволяє збільшити швидкість і тиск в УХ у 2,0 раза, що забезпечує інтенсивніше навантаження далеких зон масиву. Це приводить до зниження у три рази виходу великих фракцій з одночасним зростанням в 1,3 раза виходу перездрібнених часток масиву; створення зон розвантаження дозволяє перерозподілити енергію в масиві, що сприяє якісному подрібненню; забезпечивши рівномірне розміщення ВР у масиві й створивши спрямовану дію ПВ, вдається значно скоротити вихід великих фракцій подрібнення з мінімальним виходом переподрібнених часток, що дозволяє говорити про оптимальний рівень енергонасичення одержуваного від спільної дії всіх перерахованих вище способів керування параметрами вибухового навантаження.

У шостому розділі проведено розробку конструкцій і досвідно-промислову перевірку кумулятивних зарядів.

Виконаними розрахунками встановлені параметри кумулятивного потоку й основних характеристик, що забезпечують ефективність дії кумулятивних зарядів (t_эф, U_х, Р_х.). Збільшити час існування кумулятивного потоку можна за рахунок:

1) комплексного використання в кумулятивних зарядах ефектів регулярного й нерегулярного відбиття УХ і ПВ;

2) створення зон підвищеного тиску, що відіграють роль своєрідної "газової забійки", яка забезпечує гальмуванням частини знову утвореного потоку, який рухається в напрямку, протилежному руху струменя.

Аналіз основного співвідношення теорії кумуляції показує, що швидкість кумулятивного потоку зростає зі зменшенням кута зустрічі й при відповідних значеннях можна одержати досить високі швидкості кумулятивних струменів. Змінюючи швидкість кумулятивного потоку, можна управляти й тиском. Однак істотним збільшенням швидкості в кумулятивних зарядах відомих конструкцій досягти досить важко, що не дозволяє значно збільшити імпульс вибуху. Більш перспективним є збільшення вибухового імпульсу за рахунок збільшення площі навантаження. У деякій мері сформульованим критеріям відповідають заряди по а. с. № 906227, № 1017065, № 1277723 ін.

У лабораторних експериментах нами досліджувалися особливості розльоту ПВ у кумулятивних зарядах різної конструкції. На рис.11 представлена залежність швидкості розльоту U від безрозмірної відстані для кумулятивних зарядів. Як видно із представлених графіків, у випадку заряду з конічною кумулятивною виїмкою досягаються найвищі швидкісні параметри, що легко з'ясовно, тому що в цьому випадку має місце осьова кумуляція. У випадку УКЗ, що ініціюються одною ниткою ДШ, кумулятивний струмінь має найменші параметри. Застосування двох ниток ДШ збільшило швидкість детонації ВР заряду на 15-20%, стосовно однієї нитки, що привело до утворення потужних потоків ПВ і високошвидкісного кумулятивного струменя. Зростання параметрів струменя в зоні пояснюється "підпором" ПВ за рахунок вихідних на торець заряду потужних ДХ. Як видно із графіка, зустріч ДХ у заряді дозволяє підтримувати швидкість кумулятивного потоку на достатньо великому видаленні від заряду. Такий розподіл характерний для зарядів, що мають форму кумулятивної виїмки, яка відрізняється від конуса або сфери, що забезпечує взаємодію ПВ і УХ у режимах нерегулярного відбиття.

Лабораторні дослідження впливу зміни масової швидкості (U) і часу її існування (t_эф) виконувалися в Інституті фізики й механіки гірських порід АН Киргизії. Експерименти виконувалися на лінійному механічному прискорювачі, який забезпечує прискорення від 10 до 100g. Встановлено, що зниження t_эф спричиняє різке падіння працездатності зарядів.

Полігонні експерименти виконувалися на кар'єрах Докучаєвського ФДК і Кальчикському сиєнітовому кар'єрі. Промислова перевірка й впровадження здійснювалося на кар'єрах Докучаєвського ФДК і кар'єрі Ходжаіканського солерудника республіки Узбекистан. Установлено ефективні параметри кумулятивних зарядів. Отримано надійне дроблення негабаритних шматків при значенніі питомої витрати ВВ у них 0,8 - 1,0 кг/м³.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою у якій на підставі досліджень вирішена актуальна науково-технічна проблема вибухової підготовки скельної гірської маси при відкритій розробці родовищ флюсових і будівельних матеріалів. Вирішення цієї проблеми дає можливість без додаткових капітальних вкладень зменшити втрати сировини з одночасним зниженням собівартості видобутку й підвищенням якості кінцевого продукту.

Результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити загальні висновки.

1. Аналіз параметрів, що характеризують середовище, показує, що інтегральною характеристикою гірської породи при вибуховому руйнуванні може служити межа динамічної міцності на стиск (), а подрібнення породи буде відбуватися в діапазоні зміни міцності від динамічної () до статичної ().

2. Виявлено закономірності й взаємозв'язки між параметрами вибуху (швидкість детонації ВР, енергія вибуху) і його роботою в конкретних гірських породах, що дозволяє побудувати параметричний ряд "ВР - гірська порода". Установлено, що робота дроблення (А_др.) визначається енергією вибуху у всім діапазоні гірських порід і залежить від швидкості детонації ВР. Витрати на дисипативні втрати (А_дис) залежать не тільки від характеристик середовища й параметрів детонації ВВ, але й від їхнього спільного урахування, що визначає закон зменшення внутрішньої енергії ПВ при розширенні.

3. Встановлено, що під впливом вибухових навантажень гірські породи змінюють параметри фізико-механічних властивостей за циклічними законами із чергуванням зон ослаблення й підвищення пружних і міцностних властивостей, прагнучи до граничної величини на значних видаленнях від центра вибуху. Циклічність зміни, наприклад, міцністних властивостей приводить до того, що в гранітах ослаблені зони перебувають на віддаленнях і . При цьому, на видаленні прагне до граничного значення. У випадку доломіту найменше значення має місце на віддаленнях і , . При цьому абсолютна величина становить 30-50 МПа, що в 1,3-1,8 раза менше, ніж у зонах підвищеної міцності й в 2,5-4,0 раза менше материнської міцності. Доведено, що зміна абсолютного значення величини залежить від енергії вибуху: чим більше енергія, тим більше різниця параметрів фізико-механічних властивостей між різними зонами.

4. Розроблено методику розрахунку раціональних параметрів БВР, засновану на дотриманні умов тиску ПВ, що розвивається у свердловинному заряді фізико-механічним властивостям гірських порід.

5. Підвищення ефективності видобутку будівельних і флюсових матеріалів при одночасному поліпшенні їхньої якості досягається за рахунок раціонального енергонасичення масиву, що підривається. Це досягається за рахунок застосування технології вибуховий відбійки, заснованої на перерозподілі енергії вибуху між частинами масиву з різними фізико-механічними властивостями, рівномірним розміщенням ВВ по масиві, створенні спрямованого витікання ПВ, утворення в масиві зон розвантаження.

6. Запропоновано методику розрахунків параметрів газових кумулятивних зарядів. Установлено параметри, що характеризують газовий кумулятивний струмінь: швидкість струменя (U), тиск, надаваний струменем на перешкоду (Р_х), його щільність (r₀), час існування струменя (t_эф). Установлено, що тиск, надаваний струменем на перешкоду (Р_х) залежить від показника акустичної твердості порід (А), чим нижче А, тим нижче Р_х. Найменші значення Р_х мають місце у випадку кам'яної солі, а найбільші - у випадку доломіту. У випадку граніту ( Па) і мармуру ( Па) величини Р_х практично не відрізняються, незважаючи на те, що граніт є породою більш міцною, чим мармур і доломіт.

7. За допомогою запропонованого механізму дії газового кумулятивного струменя показано, що величина проникнення струменя в гірську породу досить незначна (до 30 мм) і залежить тільки від параметрів детонації ВР заряду. Величина проникнення струменя не може характеризувати ефективність дії кумулятивного заряду в гірській породі, а відома методика випробування кумулятивних зарядів, заснована на пробиванні набору металевих пластин не відповідає умовам дії кумулятивного струменя у гірській породі.

8. Установлено закономірності формування кумулятивних потоків у газокумулятивних зарядах. Показано, що в зарядах, які мають форму кумулятивної виїмки, відмінну від конуса або сфери забезпечується взаємодія ПВ і УХ у режимах нерегулярного відбиття, що спричиняє виникнення в КС високошвидкісних потоків на значних віддаленнях від заряду, а працездатність таких зарядів в 1,2-1,6 раза вища, ніж зарядів без зустрічного ініціювання.

9. Розроблена технологія ведення підривних робіт на основі ВР із пенополістіролом випробувана й впроваджена на кар'єрах Докучаєвського ФДК, що дозволило в 1,1 раза скоротити кількість погонних метрів свердловин, збільшити на 1% вихід готового продукту, скоротити на 0,4% вихід негабариту, знизити в 1,1 рази вартість 1 м³ ВР і одержати економію в сумі 20,0 млн. карбованців у цінах 1987-1988 років. Упровадження технології вибухової відбійки на кар'єрах Ходжаіканського солерудника (республіка Узбекистан) дозволило знизити вихід негабариту в 1,7 раза, скоротити кількість погонних метрів свердловин в 1,1 раза й одержати економію в сумі більше 10,0 млн. карбованців (у цінах 1990-1991 р.,р.). Упровадження розробок на солеруднику ВО Артемсіль дозволило в 1,1 рази знизити собівартість видобутку 1 т. Упровадження розробок на гранітних кар'єрах Донбасу в 2003-2005 роках дозволило знизити собівартість відбійки й одержати економію в сумі 7875 грн. при руйнуванні 35,0 тис. м³ гірської породи. Упровадження способу вибуховий відбійки на кар'єрах ВАТ "Комсомольське РУ" в 2006 р. дозволило при відбійці 30,0 тис. м³ скельної гірської породи одержати 10672 грн. економічного ефекту.

Основний зміст дисертації опублікований у наступних джерелах