Размещено на http: //www. allbest. ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет україни

«Київський політехнічний інститут»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.15.03 - Відкрита розробка родовищ корисних копалин

Удосконалення технології підривних робіт у вертикально шаруватих масивах скельних порід на кар'єрах

Тверда Оксана Ярославівна

Київ 2013

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України на кафедрі інженерної екології.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Воробйов Віктор Данилович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри інженерної екології.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Жуков Сергій Олександрович, Криворізький національний університет, професор кафедри будівельних конструкцій; кандидат технічних наук, доцент Коробійчук Валентин Вацлавович, Житомирський державний технологічний університет, доцент кафедри геотехнологій ім. проф. М.Т. Бакки.

Захист відбудеться 27 червня 2013 року о 1400 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.22 у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, Україна, м. Київ, вул. Борщагівська, 115, ауд. 701.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, Україна, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий «__» травня 2013 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук В.В. Вапнічна

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні умови розробки родовищ корисних копалин характеризуються постійним збільшенням глибини кар'єрів і, як наслідок цього, зміною гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов. Отримання гірської маси забезпечується застосуванням буропідривного способу як основного процесу, який впливає на техніко-економічні показники наступних процесів та підприємства в цілому. Ефективність вибуху в скельних породах залежить від технології підривних робіт.

У науково-технічній літературі вплив різноманітних природних і технологічних чинників на процес вибуху вивчено досить детально. Розроблено методики та рекомендації з розрахунку параметрів масових вибухів, що використовуються у типових проектах на підривні роботи і забезпечують при їх реалізації отримання гірської маси різного гранулометричного складу. Однак дані методики базуються на традиційних формулах та емпіричних залежностях, згідно яких параметри розташування і підривання зарядів приймаються однаковими, незважаючи на те, що блоки, які підриваються, можуть включати різні типи порід, а це, в свою чергу, зумовлює завищений вихід некондиційних фракцій.

Тому реалізація проектних параметрів підривних робіт повинна базуватися на сучасних наукових досягненнях, взаємозв'язках гірничо-геологічних та технологічних показників і параметрів із найменшими витратами праці та часу в процесі проектування. А удосконалення технології підривних робіт у шаруватих масивах скельних порід з урахуванням їх властивостей та структурно-текстурних особливостей є актуальною науково-практичною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі інженерної екології відповідно до «Загальнодержавної програми розвитку мінерально-сировинної бази України на період до 2030 року» (Закон України від 21 квітня 2011 року N 3268-VI), а також плану наукових досліджень кафедри інженерної екології НТУУ «КПІ», і є складовою частиною НДР: «Розробка екологічно безпечних та ефективних параметрів технології вибухових робіт для умов Шепетівського гранкар'єру» (№ ДР 0109002567); «Забезпечення збалансованого природокористування, зниження енергоємності виробництва та підвищення рівня екологічної безпеки підприємств на базі аналізу та синтезу оптимальних геотехнологічних процесів» (№ ДР 0111010300), в яких автор брала участь як виконавець.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є удосконалення технології підривних робіт у масивах з вертикальними шарами різних типів скельних порід на кар'єрах.

Для досягнення поставленої мети визначено наступні задачі дослідження:

? встановити закономірності зміни радіуса воронки руйнування по довжині заряду з експериментальною перевіркою у натурних умовах для врахування при визначенні раціональних відстаней між зарядами;

? встановити залежності раціональних відстаней між зарядами та величини зміщення між рядами зарядів, які б враховували ефективність пропрацювання уступу з оцінкою анізотропії порід за енергетичним критерієм;

? обґрунтувати вибір вибухових речовин для умов кар'єрів на основі комплексної оцінки їх ефективності;

? удосконалити технологію підривних робіт у вертикально шаруватих масивах скельних порід на кар'єрах.

Об'єкт дослідження - процес руйнування вертикально шаруватих масивів скельних порід вибухом в умовах кар'єрів.

Предмет дослідження - параметри та елементи технології підривних робіт у вертикально шаруватих масивах скельних порід на уступах кар'єру.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач у роботі використовувалися сучасні методи наукових досліджень: аналізу - для узагальнення сучасних досягнень по удосконаленню технології підривних робіт на відкритих гірничих розробках; механіки суцільних середовищ - для визначення радіуса воронки руйнування по довжині заряду; математичного і фізичного моделювання - для визначення раціональних відстаней між зарядами; математичної статистики - для обробки експериментальних даних; еколого-економічного аналізу - для оцінки ефективності впровадження результатів дослідження у промисловість.

Наукова новизна одержаних результатів, що виносяться на захист, представлена науковими положеннями, в яких вперше:

- встановлено закономірності зміни радіуса воронки руйнування по довжині заряду, які носять параболічний характер і враховують поверхневу енергію утворених кусків породи та умову Гріффітса;

- встановлено залежність для визначення коефіцієнта анізотропії через густину потоку енергії вибуху, що враховує одночасний вплив декількох систем природних тріщин;

- отримано залежності величин пропрацьованої та недопрацьованої площ руйнування від величин горизонтального та вертикального перекриттів воронок руйнування, утворених дією чотирьох зарядів, для прямокутної та зміщеної мереж розташування;

- встановлено залежності відстаней між зарядами та величини зміщення зарядів в одному ряді відносно іншого від коефіцієнта анізотропії та орієнтування генеральних систем тріщин, які відрізняються від відомих тим, що враховують усереднений радіус воронки руйнування, ефективність пропрацювання уступу і описуються локоном Ан'єзі.

Практичне значення отриманих результатів полягає в:

- обгрунтуванні вибору раціональних типів вибухових речовин для проведення підривних робіт на основі комплексної оцінки їх ефективності, яка включає технічну, економічну та екологічну складові;

- удосконаленні методики розрахунку параметрів розташування свердловинних зарядів у вертикально шаруватих масивах скельних порід і створенні на її основі програми оперативного розрахунку параметрів підривних робіт;

- удосконаленні технології підривних робіт із застосуванням схем комутації, мереж короткосповільненого підривання та їх раціональних параметрів при одночасному відпрацюванні блоку, представленого різними типами порід.

Особистий внесок здобувача у роботи, опубліковані у співавторстві, полягає у: [1] - встановленні формули для визначення коефіцієнта анізотропії через густину потоку енергії, яка враховує дві системи тріщин, кількість та характеристики тріщин в кожній системі; [2] - визначенні питомої витрати вибухової речовини при одночасному руйнуванні порід з різними фізико-механічними властивостями; [3] - обґрунтуванні алгоритму оперативного проектування параметрів підривних робіт у кар'єрах; [4] - встановленні залежності усередненого радіуса воронки подрібнення від акустичного імпедансу вибухової речовини; [5] - обґрунтуванні комплексного коефіцієнту ефективності вибухової речовини, який враховує її технічну, економічну та екологічну ефективності; [6] - встановленні аналітичних залежностей показників ефективності пропрацювання уступу від параметрів та геометрії мережі розташування зарядів на уступі кар'єру; [7] - обґрунтуванні способу оперативного управління параметрами вибуху у кар'єрах, встановленні залежностей раціональних відстаней між зарядами від усередненого радіуса зони подрібнення, коефіцієнта анізотропії та напрямку генеральних систем тріщин; [8-10] - участі в обговоренні наукової новизни та написанні патенту; [11] - встановленні залежності об'єму переподрібнених фракцій, утворених у процесі буріння від параметрів свердловини; [14] - участі в інтерпретації результатів; [17] - визначенні актуальності питання, постановці проблеми; [18] - обґрунтуванні параметрів раціональної мережі розташування свердловин.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та окремі результати роботи доповідалися та обговорювалися на: конференції «Проблеми та шляхи забезпечення охорони праці, промислової та екологічної безпеки» (Київ, 2008); Міжнародній науковій конференції «Охорона та соціальний захист працівників» (Київ, 2008); Міжнародній науково-технічній конференції «Застосування промислових і конверсійних вибухових речовин при руйнуванні гірських порід вибухом і екологічна безпека» (Трускавець, 2009); Студентській конференції «Innovation in science and technology» (Київ, 2009); III Всеукраїнській студентській науковій конференції «Екологічна безпека довкілля. Проблеми та шляхи вирішення» (Ужгород, 2009); VII Всеукраїнській науковій конференції студентів, магістрів та аспірантів «Сучасні проблеми екології та геотехнологій» (Житомир, 2010); II Науково-технічній конференції «Науково-технічне забезпечення промислової, екологічної безпеки та охорони праці» (Київ, 2010); III Міжнародній науково-технічній конференції «Енергетика. Екологія. Людина» (Київ, 2011); Міжнародній науково-практичній конференції «Правова та науково-технічна підтримка виробничої та екологічної безпеки і охорони праці» (Київ, 2011); 8-мій Міжнародній науково-технічній конференції «Розробка, використання та екологічна безпека сучасних гранульованих та емульсійних вибухових речовин» (Свалява, 2012); IX Всеукраїнській науковій конференції студентів, магістрів та аспірантів «Сучасні проблеми екології та геотехнологій» (Житомир, 2012); IV Міжнародній науково-технічній конференції «Енергетика. Екологія. Людина» (Київ, 2012); Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми профілактики виробничого травматизму та професійних захворювань в період техногенного навантаження в Україні» (Київ, 2012); V Міжнародній науково-технічній конференції «Енергетика. Екологія. Людина» (Київ, 2012); науково-практичній конференції «Наукові підсумки 2012 р.» (Харків, 2012); засіданнях кафедри інженерної екології НТУУ «КПІ» (Київ, 2009-2012).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 19 наукових працях, у тому числі: у семи, опублікованих у провідних фахових виданнях; трьох патентах на корисну модель; трьох статтях, опублікованих у науково-технічних виданнях та шести тезах доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів і висновку, викладених на 134 сторінках машинописного тексту, у тому числі містить 33 рисунки, 14 таблиць, список використаних джерел із 166 найменувань на 19 сторінках і 10 сторінок додатків.

2. ОСНОВНИй ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і показано зв'язок із науковими програмами, сформульовано мету та основні задачі дослідження, наведено наукову новизну і практичну цінність результатів дослідження.

Перший розділ присвячено аналізу теоретичних і експериментальних досліджень із питань удосконалення технології підривних робіт (ПР) у масивах скельних порід. Значний внесок у розвиток даних досліджень зробили відомі вітчизняні та зарубіжні вчені: Вовк О.О., Бойко В.В., Воробйов В.В., Воробйов В.Д., Дриженко А.Ю., Єфремов Е.І., Комір В.М., Кравець В.Г., Крисін Р.С., Крівцов М.В., Кузнєцов В.М., Кутузов Б.М., Кучерявий Ф.І., Луговий П.З., Мец Ю.С., Мосинець В.М., Падуков В.О., Петренко В.Д., Рєпін М.Я., Родіонов В.М., Ткачук К.Н., Федоренко П.Й., Кільстрем Б., Кук М., Лангефорс У. та інші.

Аналіз наукових та практичних досягнень по удосконаленню технології ПР на відкритих гірничих розробках показав, що в останні роки отримали розвиток нові високоефективні та безпечні вибухові речовини (ВР); засоби ініціювання зарядів із застосуванням систем неелектричного ініціювання; конструкції зарядів із використанням різноманітних ВР та елементів для направленої трансформації енергії вибуху в заданому напрямку; схеми короткосповільненого підривання (КСП); методи врахування природних і технологічних чинників при проектуванні параметрів ПР та інші практичні рекомендації, які забезпечують позитивні результати ПР.

Однак, не дивлячись на досягнуті результати по удосконаленню технології ПР на відкритих гірничих розробках, проблема управління енергією вибуху вимагає свого подальшого вирішення, особливо у складноструктурних масивах порід. Необхідно відзначити, що відсутні:

- залежність для аналітичного визначення радіуса воронки руйнування у будь-якій точці по довжині заряду;

- залежність для визначення коефіцієнта анізотропії, яка б враховувала вплив систем природних тріщин;

- залежності для визначення відстаней між зарядами, які б враховували ефективність пропрацювання уступу;

- достатнє обґрунтування вибору раціонального типу вибухової речовини з урахуванням її еколого-економічної ефективності;

- врахування декількох зон порід при одночасному відпрацюванні блоку, що містить різні типи порід.

Виходячи з проведеного аналізу наукових та практичних досягнень за даним напрямком і виявлених при цьому недоліків, сформульовані наведені вище мета та задачі досліджень.

У другому розділі наведено результати теоретичного та експериментального визначення величини усередненого по довжині заряду радіуса воронки руйнування при підриванні одиночного заряду та дослідження анізотропії гірських порід.

Обґрунтовано залежність для визначення радіуса воронки руйнування по довжині заряду на основі енергетичного підходу, який враховує поверхневу енергію утворених кусків породи та умову Гріффітса.

Потенційна енергія ВР ЕПЕ витрачається на утворення внутрішньої енергії продуктів вибуху (ПВ) ЕВЕ, зміну потенційної енергії кусків породи та утворення поверхневої енергії нових тріщин ЕПТ:

. (1)

Потенційна енергія ВР або повна енергія заряду ЕПЕ визначається за формулою:

, (2)

де M0 - маса заряду, кг; Q - теплотворна здатність ВР, Дж/кг.

Як прийнято, перед фронтом ударної хвилі і за ним стан середовища змінюється ізоентропічно (dS = 0, де S - ентропія ПВ). Внутрішня енергія ПВ у циліндричній системі координат наступна:

, (3)

де Р - середній тиск ПВ у свердловині по довжині li (Р = Р1Да, де Р1 - хімічний тиск, Па; Д - щільність заряджання, в.о.; a - стала, рівна приблизно 2,5, в.о.), Па; rс - радіус свердловини, м; li - поточна «довжина» заряду, яка здетонувала (відлік від дна свердловини), м; k - показник степені ізоентропи (k=1,25).

При наявності в тілі тріщини довжиною lтр його потенційна енергія зменшується на величину ДEПТ у порівнянні з таким же тілом без тріщини:

, (4)

де укр - критичне напруження розтягу, Па; Е - модуль пружності, Па.

З іншого боку тіло з тріщиною володіє додатковою енергією поверхневого натягу Епов на двох вільних поверхнях тріщини:

, (5)

де уп - питома поверхнева енергія, Дж/м2.

Утворення кусків породи при підриванні свердловинного заряду означає утворення нових поверхонь, тобто подрібнення можна представити як відкриття природних тріщин і знову утворених. Окрім того, від дії цього вибуху в породі утворюються нові щільнозімкнуті тріщини.

Загальна зміна енергії породи із знову утвореними m тріщинами дорівнює:

. (6)

За допомогою підстановки (2), (3) і (6) в рівняння (1) отримано:

. (7)

Число тріщин m визначається дією ударної хвилі на породу. Тиск Pрез в кожній точці породи (шару i) по довжині детонуючого заряду - за формулою:

, (8)

де rтр,i - радіус зони тріщиноутворення, відповідно довжині заряду li, м; Pt,i - тангенціальна складова тиску, паралельна боковій поверхні свердловини, Па; Pr,i - радіальна складова тиску, нормальна до бокової поверхні свердловини, Па.

Величини тисків ПВ на бокову Pt,i та донну Pr,i поверхні свердловини, наступні:

; , (9)

де сп,i - щільність i-го шару породи, кг/м3; cп,i - швидкість звуку в i-му шарі породи, м/с; сВР - щільність ВР, кг/м3; D - швидкість детонації ВР, м/с.

Тиск Pрез, діючи на породу, призводить до її подрібнення та появи нових тріщин, тобто нових поверхонь, що визначається умовою утворення та розкриття тріщин Гріффітса:

, (10)

де мi - коефіцієнт Пуассона для i-го шару породи; lґтр - півдовжина тріщини, м.

За допомогою розв'язку системи рівнянь відносно числа тріщин m, отримано рівняння для визначення радіуса зони тріщиноутворення rтр,i :

, (11)

в якому rтр,i входить в Pрез, яке перетворюється на:

(12)

.

Для розв'язку рівняння (12) відносно радіуса зони тріщиноутворення rтр,i введено наступне позначення:

. (13)

Рівняння (12) прийняло вигляд

. (14)

Застосуванням відомих тригонометричних формул отримано

. (15)

Виходячи зі співвідношення величин радіуса зони тріщиноутворення та воронки руйнування, а також (15), встановлено залежність для визначення радіуса воронки руйнування:

(16)

Запропоновано при визначенні відстаней між зарядами враховувати величину радіуса воронки руйнування усередненого по довжині заряду з метою зменшення порогів по підошві уступу:

(17)

Отримані результати експериментальних досліджень по визначенню в породах різного типу на Шепетівському гранітному кар'єрі добре співвідносяться з теоретичними розрахунками (табл. 1).

Відносна похибка експерименту складає не більше 10 %.

Таблиця 1 Результати порівняння експериментальних даних з теоретичними розрахунками радіуса воронки руйнування

Тип породи	Теоретичні розрахунки	Експериментальні дані	Відносна похибка, %
	, м	, м	, м	, м	, м	, м
Мігматити	1,62	0,64	1,5	0,6	8	6
Гранітогнейси	1,82	0,72	1,78	0,69	2,2	4,2
Граніти	1,78	0,7	1,73	0,67	2,9	4
Граніти з прошарками кварцу	1,36	0,54	1,42	0,57	4,4	5

Як видно з табл. 1 зі збільшенням величин фізико-механічних властивостей порід величина усередненого радіуса воронки руйнування зменшується, як і сам об'єм воронки руйнування. Різниця у величині усередненого радіуса воронки руйнування говорить про те, що використання однієї і тієї ж мережі свердловин для всього уступу, який містить різні зони порід, є недоцільним.

Окрім радіуса воронки руйнування важливим та необхідним при розрахунку параметрів ПР, а саме, при визначенні розмірів мережі свердловин та виборі схем підривання, є врахування структурно-текстурних особливостей та анізотропії масиву.

В роботі встановлено залежність для визначення коефіцієнта анізотропії через густину потоку енергії, яка враховує одночасний вплив декількох систем природних тріщин:

(18)

де - коефіцієнт провідності енергії одиничної тріщини в j-ому напрямку,

в.о.; ;

- кількість тріщин в j-ому напрямку, шт.; ly - відстань від центру заряду, на якій розглядається густина потоку енергії, м; гi=360°-иi; иi - азимут простягання i-ої системи тріщин, градус; бj - кут між напрямком, який розглядається, та лінією забою, градус; ; j=1, 2…180; lсер,і - середня нормальна відстань між тріщинами в i-ій системі, м.

У третьому розділі наведено результати досліджень раціональних відстаней між зарядами при КСП вертикально шаруватих масивів гірських порід.

Встановлення раціональних відстаней між зарядами проводилося у наступній послідовності:

- визначався усереднений по довжині заряду радіус воронки руйнування;

- розраховувалась величина коефіцієнта анізотропії масиву;

- визначався кут між напрямком максимального руйнування та лінією забою;

- виходячи з величин радіусів воронки руйнування еліпсоподібної форми, складалися рівняння чотирьох еліпсів відповідно до попередньо заданої системи координат при умові, що при прямокутній мережі розташування зарядів координати їх центрів дорівнюють: (-a; b), (a; b), (-a; -b), (a; -b), а при зміщеній - (-a; b), (a; b), (0; -b), (2a; -b) відповідно;

- розраховувались площі, утворені контурами воронок руйнування, на рівні усередненого по довжині заряду радіуса воронки руйнування, від чотирьох сусідніх зарядів при горизонтальному перекритті їх на величину kl та вертикальному - на kl', як інтеграли функцій;

- визначалися величини kl та kl', при яких відносна величина пропрацьованої чотирма зарядами площі приймає максимальне значення;

- порівнюючи максимальні величини пропрацьованої чотирма зарядами площі для горизонтального та вертикального перекриттів обиралося більш ефективне;

- з урахуванням типу та величини найбільш ефективного перекриття розраховувалися відстані між зарядами в ряду та між рядами в залежності від орієнтування генеральних систем тріщин.

Обгрунтовано залежності величин пропрацьованої та недопрацьованої площ руйнування від величин горизонтального та вертикального перекриттів воронок руйнування, утворених дією чотирьох сусідніх зарядів, для прямокутної та зміщеної мереж розташування. Доведено, що ефективнішого пропрацювання уступу та використання площі руйнування можна досягнути при розташуванні зарядів за зміщеною мережею так, щоб контури воронок руйнування на рівні усередненого по довжині заряду радіуса воронки руйнування дотикались (рис. 1).

Встановлено залежності відстаней між зарядами та величини зміщення зарядів в одному ряді відносно іншого д від коефіцієнта анізотропії та орієнтування генеральних систем тріщин, які враховують усереднений радіус воронки руйнування та ефективність пропрацювання уступу:

; (19)

(20)

(21)

де - радіус воронки руйнування, усереднений по довжині свердловинного заряду, в напрямку великої її осі, м; - коефіцієнт анізотропії;

;

- кут між напрямком максимального руйнування та лінією забою.

Рис. 1 Ідеалізована схема розташування воронок руйнування від вибуху чотирьох сусідніх зарядів з урахуванням їх орієнтування відносно лінії забою та анізотропії порід

За допомогою формул (19), (20) і (21) побудовані графіки залежностей aз, bз та д від бтз, які описуються локоном Ан'єзі (рис. 2, 3). Зі збільшенням величини кута бтз від 0° до 90° відстань між зарядами aз зменшується і сягає свого мінімального значення при бтз =90°. Зокрема, для Ка=1,2 вона змінюється в межах від 6,5 м до 5,4 м, а для Ка=1,4 - від 7 до 5 м (див. рис. 2а).

Зі збільшенням величини кута бтз від 90° до 180° відстані між зарядами зростають і при бтз =180°, як і при бтз =0°, сягають свого максимального значення, так як зменшується усереднений радіус воронки руйнування одиночного заряду від максимального до мінімального .

Така тенденція пояснюється тим, що в залежності від кута падіння вибухової хвилі на площину розділу (тріщини) змінюється радіус воронки руйнування одиночного заряду ВР. Це призводить до зміни відстаней між зарядами в ряду та між рядами зарядів.

Рис. 2 Залежності зміни aз (а) і bз (б) від бтз при: 1 - Ka=1,1; 2 - Ka=1,2; 3 - Ka=1,3; 4 - Ka=1,4 і м



Рис. 3 Залежність зміни д від бтз при: 1 - Ka=1,1; 2 - Ka=1,2; 3 - Ka=1,3; 4 - Ka=1,4 і м

Зі зміною орієнтування тріщин генеральних систем відносно лінії вільної поверхні уступу змінюється і орієнтування воронок руйнування від підривання зарядів. Аналогічно зростає і діапазон зміни величини bз від бтз зі збільшенням Ка. Так, для бтз=60° і Ка=1,1 величина bз=5,2 м, а для такого ж кута і Ка=1,4 - складає 5,7 м. Відстань між рядами збільшується зі зміною бтз від 0° до 90°, і зменшується зі зміною бтз від 90° до 180°, що пов'язано з різною величиною радіуса воронки руйнування у різних напрямках (див. рис. 2б). Залежність величини зміщення зарядів в одному ряді відносно зарядів у наступному від бтз наведені на рис. 3. Із аналізу рис. 3 випливає, що величина д зі збільшенням бтз від 0 до 45° зменшується, а від 45° до 90° - збільшується. Аналогічно величина д збільшується і при незмінному бтз і збільшенні Ка. При бтз=45° і Ка=1,1 величина д =2,5 м, а для того ж кута і Ка=1,3 - складає 1,6 м, що в 1,56 рази менше першого.

У четвертому розділі надано рекомендації щодо вибору раціональних типів ВР та схем КСП для кар'єрів із вертикальними шарами різних типів порід на прикладі Шепетівського гранкар'єру (див. табл. 1).

Важливим чинником, який визначає ефективність технології ПР є ВР. Тому необхідним на стадії проектування є визначення параметрів ПР з урахуванням взаємозв'язку фізико-механічних властивостей та структурно-текстурних особливостей гірських порід і типу ВР.

Вибір раціональних типів ВР запропоновано здійснювати на основі загального коефіцієнта ефективності:

(22)

де А - економічна ефективність, яка розраховується за формулою Азарковича А.Е.; kек - екологічна ефективність

,

VCOе і VCO - об'єм CO в продуктах вибуху еталонної та досліджуваної ВР, л/кг; rпре і rпр - радіус зони переподрібнення при підриванні еталонної та досліджуваної ВР, м

е - технічна ефективність, яка розраховується за формулою Ташкінова А.С.

Для умов Шепетівського кар'єру рекомендовано конструкції зарядів з використанням поліетиленових рукавів, що дозволить вирішити проблему обводненості свердловин, підвищити ефективність розподілення енергії вибуху за рахунок водяного проміжку, зменшити навантаження на навколишнє середовище за рахунок зниження виходу переподрібнених фракцій гірської маси, а також повністю перейти на використання найпростіших безтротилових вибухових речовин місцевого приготування.

Зважаючи на те, що один уступ містить чотири вертикальних шари порід (рис. 4), рекомендовано схеми КСП для кожного типу порід, які враховують властивості та будову кожної зони порід в блоці, що підривається. Відстані між зарядами та величина зміщення зарядів в одному ряді відносно іншого наведені в табл. 2.

При розташуванні блоку, що підривається, у суміжних зонах порід, наприклад у зонах III і IV (див. рис. 4), які відрізняються одна від одної міцністю та будовою, можуть використовуватися комбіновані (багатосекційні) схеми підривання. Для вказаного випадку одним із варіантів може бути двосекційна схема КСП з діагональними рядами (рис. 5). При цьому відстані між зарядами в зоні IV повинні бути менше відстаней в зоні III (табл. 2).

Рис. 4 - План видобувного уступу (гор. 224 м) на кар'єрі з орієнтуванням тріщин основної системи Q: бт - азимут простягання тріщин, градус; в - кут між тріщинами і бровкою уступу (лінією забою), градус

Таблиця 2 Параметри мереж свердловин для блоку представленого різними типами порід на уступі Шепетівського кар'єру

Тип зони	, м	Ka	бтз, градус	aз, м	bз, м	д, м
Мігматити	1,5	1,17	14	3	2,3	1,3
Гранітогнейси	1,9	1,31	12	3,7	2,5	1,5
Граніти	1,7	1,26	33	3,2	2,6	1
Граніти з прошарками кварцу	1,4	1,1	349	2,8	2,2	1,5



Рис. 5 Характерна діагональна двосекційна схема КСП з клиновим врубом при розташуванні серії свердловинних зарядів у суміжних зонах порід на уступі Шепетівського кар'єру: 1-6 - послідовність підривання рядів свердловинних зарядів; I - свердловинний заряд; II - сповільнювач; III - лінія фронту відбійки зарядів; IV - напрямок відбійки зарядів; V - напрямок детонації; VI - напрямок розвитку фронту робіт

П'ятий розділ присвячений методиці розрахунку параметрів ПР у вертикально шаруватих масивах скельних порід, яка відрізняється від відомих тим, що в її основу покладені: закономірності зміни радіуса воронки руйнування по довжині заряду (16); залежність для визначення коефіцієнта анізотропії через густину потоку енергії (18); залежність відстаней між зарядами від показників ефективності пропрацювання уступу, усередненого радіуса воронки руйнування та коефіцієнта анізотропії масиву (19-21); а також залежність загального коефіцієнта ефективності ВР від її характеристик (22).

Проектування параметрів ПР за даною методикою включає наступні етапи:

- визначення технологічних параметрів: довжини перебуру, довжини забійки, довжини свердловини, довжини заряду;

- розрахунок усередненого радіуса воронки руйнування;

- вибір ВР;

- визначення маси ВР;

- розрахунок відстаней між зарядами.

На основі розробленої методики створений алгоритм оперативного розрахунку параметрів ПР, який ліг в основу програмного забезпечення. Програма для розрахунку параметрів ПР відрізняється від відомих тим, що: дає можливість розраховувати параметри ПР для конкретного типу порід, що значно полегшує процес, коли в одному блоці містяться різні типи порід; дає можливість обґрунтованого вибору ВР під конкретний тип порід із доступних підприємству; дає можливість розрахунку мережі свердловин з урахуванням максимального пропрацювання уступу.

Приклад розрахунку, проведеного з використанням розробленого програмного забезпечення та за методикою, прийнятою на Шепетівському гранкар'єрі наведений в табл. 3.

Очікуваний річний еколого-економічний ефект від впровадження розробленого програмного забезпечення на Шепетівському гранітному кар'єрі становить 325 721,05 грн.

Таблиця 3 Результати порівняльного розрахунку параметрів ПР для гранітів Шепетівського кар'єру

Методика/Параметри	,м	,м	,м	,м	д, м	,кг/м3	,м	,м	,м
За типовим проектом Шепетівс. гранкар.	Гранітоїди	110	3	2,8	2,8	0	0,9	12	3,5	2
За рекомен. методикою	Мігматити	110	2,6	3	2,3	1,3	1	12	4	2
	Гранітогнейси	110	3,1	3,7	2,5	1,5	0,7	12	4	2
	Граніти	110	2,9	3,2	2,6	1	0,8	12	4	2
	Граніти з прошарками кварцу	110	2,5	2,8	2,2	1,5	1,1	12	4	2

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна науково-практична задача, що полягає в удосконаленні технології підривних робіт у вертикально шаруватих масивах скельних порід за допомогою встановлених закономірностей впливу властивостей та структурно-текстурних особливостей гірських порід на параметри підривних робіт.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Виконано аналіз теоретичних і експериментальних досліджень із питань удосконалення технології підривних робіт у масивах скельних порід. Показано, що не дивлячись на досягнуті результати, проблема управління енергією вибуху вимагає свого подальшого вирішення, особливо у складноструктурних масивах порід.

2. Встановлено закономірності зміни радіуса воронки руйнування по довжині заряду, які носять параболічний характер і враховують поверхневу енергію утворених кусків породи та умову Гріффітса. Визначено, що усереднений по довжині заряду радіус воронки руйнування для мігматитів, гранітогнейсів, гранітів та гранітів з прошарками кварцу, які складають один підривний блок, різний і становить 2,6; 3; 2,9 та 2,2 м відповідно.

3. Встановлено залежність для визначення коефіцієнта анізотропії через густину потоку енергії, що враховує одночасний вплив декількох систем природних тріщин.

4. Отримані результати експериментальних досліджень по визначенню усередненого по довжині заряду радіуса воронки руйнування в породах різного типу, відносна похибка яких складає не більше 10 %.

5. Встановлено залежності відстаней між зарядами та величини зміщення зарядів в одному ряді відносно іншого від коефіцієнта анізотропії та орієнтування генеральних систем тріщин, які відрізняються від відомих тим, що враховують усереднений радіус воронки руйнування, ефективність пропрацювання уступу та описуються локоном Ан'єзі. Зі збільшенням величини кута бтз від 0° до 90° відстань між зарядами зменшується, а між рядами збільшується. Зокрема, для Ка=1,2 відстань між рядами змінюється в межах від 6,5 м до 5,4 м, а між рядами - від 4,7 до 5,4 м. Зі збільшенням кута від 90° до 180° - тенденція зворотня.

6. Вибір раціональних типів ВР вперше пропонується здійснювати на основі комплексного коефіцієнта ефективності, який включає технічну, економічну та екологічну складові.

7. Отримала подальший розвиток технологія підривних робіт для різних типів порід в межах блоку, що підривається, зі встановленням раціональних розмірів мережі свердловин та схем комутації для змінних напрямків генеральних систем тріщин. Очікуваний річний еколого-економічний ефект від її впровадження на кар'єрі становить 325 721,05 грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У РОБОТАХ

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Тверда О.Я. Урахування анізотропії скельних порід при проектуванні масових вибухів / О.Я. Тверда, В.Д. Воробйов, І.В. Косьмин // Вісник НТУУ «КПІ». Серія «Гірництво»: Зб. наук. праць. - 2010. - Вип. 19. - С. 20-28.

2. Тверда О.Я. Питомі витрати вибухової речовини при руйнуванні блоку порід з різними властивостями / О.Я. Тверда, В.Д. Воробйов // Вісник НТУУ «КПІ». Серія «Гірництво»: Зб. наук. праць. - 2011. - Вип. 20. - С. 52-58.

3. Твердая О.Я. Оперативное проектирование параметров взрывних работ в карьерах / О.Я. Твердая, В.Д. Воробьев, А.И. Крючков // Сучасні ресурсоенергозберігаючі технології гірничого виробництва: Зб. наук. праць. - 2011. - Вип. 1/2011 (7). - С. 62-70.

4. Твердая О.Я. Обоснование эффективного радиуса воронки дробления при взрывах в анизотропных скальных породах / О.Я. Твердая, В.Д. Воробьев, А.И. Крючков // Вісник НТУУ «КПІ». Серія «Гірництво»: Зб. наук. праць. - 2011. - Вип. 21. - С. 56-63.

5. Твердая О.Я. Обоснование критерия выбора безопасного и эффективного типа ВВ при массовых взрывах на карьерах / О.Я. Твердая, В.Д. Воробьев // Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - 2012. - Вип. 22. - С. 56-64.

6. Твердая О.Я. Определение расстояний между зарядами по степени проработки подошвы уступа на карьерах / О.Я. Твердая, В.Д. Воробьев, В.С. Прокопенко // Сучасні ресурсоенергозберігаючі технології гірничого виробництва. - 2011. - Вип. 2/2011 (8). - С. 44-54.

7. Твердая О.Я. Управление параметрами массовых взрывов на открытых горных работах / О.Я. Твердая, В.Д. Воробьев, А.И. Крючков // Зб. наук. праць НГУ. - 2012. - № 37. - С. 135-139.

Патенти на корисну модель:

8. Пат. 70571 Україна, МПК (2012.01) Е21С 37/00. Спосіб вибухового руйнування анізотропних гірських порід / Тверда О.Я., Твердий В.В., Масюкевич О.М., Глива В.А.; заявники та патентовласники - автори. - № u 2012 05726; заявл. 11.05.2012; опубл. 11.06.2012, Бюл. № 11.

9. Пат. 73268 Україна, МПК (2012.01) Е21С 37/00. Спосіб короткосповільненого підривання гірських порід з вертикальними шарами різної міцності / Тверда О.Я., Воробйов В.Д., Масюкевич О.М., Твердий В.В.; заявники та патентовласники - автори. - № u 2012 09419; заявл. 02.08.2012; опубл. 10.09.2012, Бюл. № 17.

10. Пат. 74531 Україна, МПК (2012.01) Е21С 37/00. Спосіб вибухового подрібнення порушених масивів гірських порід / Тверда О.Я., Воробйов В.Д., Масюкевич О.М., Твердий В.В.; заявники та патентовласники - автори. - № u 2012 10650; заявл. 11.09.2012; опубл. 25.10.2012, Бюл. № 20.

У інших науково-технічних виданнях:

11. Петлівчук О.Я. Обгрунтування об'ємів пилу при бурових роботах на уступі кар'єру / О.Я. Петлівчук, В.Д. Воробйов, А.О. Водяник // Вісник ННДІПБОП. - 2009. - № 24. - С. 54-56.

12. Тверда О.Я. Підвищення екологічної та технологічної безпеки при вибухових роботах у гранітних кар'єрах / О.Я. Тверда // Человек-природа-общество: теория и практика безопасности жизнедеятельности, экологии и валеологии. - 2011. - Вып. 4. - С. 37-40.

13. Твердая О.Я. Снижение техногенной нагрузки на окружающую среду при взрывах на карьерах / О.Я. Твердая // Человек-природа-общество: теория и практика безопасности жизнедеятельности, экологии и валеологии. - 2012. - Вып. 5. - С. 32-34.

Тези доповідей на науково-практичних конференціях:

14. Жукова Н. Прогнозування об'ємів пилу при бурінні свердловин для розробки заходів з профілактики профзахворювань працівників / Н. Жукова, Л. Євтєєва, О. Петлівчук. // Зб. матеріалів Міжнародної наукової конференції «Охорона праці та соціальний захист працівників», 19-21 листопада 2008 року, Київ. - 2008. - С. 150-153.

15. Petlivchuk O. Dust pollution problem of quarries atmosphere / O. Petlivchuk // Abstracts of Annual students conference «Innovations in science and technology», March 17, 2009, Kyiv. - 2009. - P. 234-235.

16. Петлівчук О.Я. Обґрунтування екологічно безпечних параметрів буропідривних робіт на кар'єрах / О.Я. Петлівчук. // Тези доповідей Третьої Всеукраїнської студентської наукової конференції «Екологічна безпека довкілля. Проблеми та шляхи вирішення», 22-24 квітня 2009 року, Ужгород. - 2009. - С. 65.

17. Твердая О.Я. Проектирование параметров массовых взрывов при отработке блоков разнопрочных пород в карьерах / О.Я. Твердая, И.В. Косьмин, В.Д. Воробьев // Тези VII Всеукраїнської наукової конференції студентів, магістрів та аспірантів «Сучасні проблеми екології та геотехнологій», 24-26 березня 2010 року, Житомир. - 2010. - С. 275-277.

18. Твердая О.Я. Обоснование рациональной геометрии сетки скважин по фактору проработки подошвы уступа для пород различной трещиноватости / О.Я. Твердая, В.Д. Воробьев // Тези IX Всеукраїнської наукової конференції студентів, магістрів та аспірантів «Сучасні проблеми екології та геотехнологій», 5-7 березня 2012 року, Житомир. - 2012. - С. 297.

19. Твердая О.Я. Определение величины эффективного смещения рядов относительно друг друга при формировании сетки скважин / О.Я. Твердая // Технологический аудит и резервы производства. - 2012. - № 6/2(8). - С. 21-22.

АНОТАЦІЯ

Тверда О.Я. Удосконалення технології підривних робіт у вертикально шаруватих масивах скельних порід на кар'єрах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.03 - відкрита розробка родовищ корисних копалин. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» МОН України, Київ, 2013.

Дисертаційна робота присвячена удосконаленню технології підривних робіт у вертикально шаруватих масивах скельних порід на кар'єрах за допомогою встановлених закономірностей впливу властивостей та структурно-текстурних особливостей гірських порід на параметри підривних робіт. скельний порода підривний анізотропія

В роботі одержано закономірності зміни радіуса воронки руйнування по довжині заряду, залежність для визначення коефіцієнта анізотропії через густину потоку енергії вибуху, а також залежності величин пропрацьованої та недопрацьованої площ руйнування від величин перекриттів воронок руйнування, утворених дією чотирьох зарядів, для прямокутної та зміщеної мереж розташування.

Встановлено залежності розмірів мережі свердловин від усередненого радіуса воронки руйнування, коефіцієнта анізотропії та орієнтування генеральних систем тріщин з урахуванням ефективності пропрацювання уступу. Удосконалено вибір раціональних типів вибухових речовин за допомогою комплексного коефіцієнту ефективності, який включає технічну, економічну та екологічну складові. Отримала подальший розвиток технологія підривних робіт для різних типів порід в межах блоку, що підривається, зі встановленням раціональних розмірів мережі свердловин та схем комутації для змінних напрямків генеральних систем тріщин.

Ключові слова: алгоритм, вибухова речовина, відстані між зарядами, воронка руйнування, коефіцієнт анізотропії, параметри, підривні роботи, радіус.

АННОТАЦИЯ

Твердая О.Я. Усовершенствование технологии взрывных работ в вертикально слоистых массивах скальных пород на карьерах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.03 - открытая разработка месторождений полезных ископаемых. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» МОН Украины, Киев, 2013.

Диссертационная работа посвящена усовершенствованию технологии взрывных работ в вертикально слоистых массивах скальных пород на карьерах с помощью установленных закономерностей влияния свойств и структурно-текстурных особенностей горных пород на параметры взрывных работ.

Приведены результаты теоретического и экспериментального определения величины усредненного по длине заряда радиуса воронки разрушения при взрывании одиночного заряда и исследования анизотропии горных пород.

Установлены закономерности изменения радиуса воронки разрушения по длине заряда, учитывающие поверхностную энергию образованных кусков и условие Гриффитса, для использования при обосновании расстояний между зарядами в схемах короткозамедленного взрывания.

Полученные результаты экспериментальных исследований по определению радиуса воронки разрушения в породах разных типов хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Относительная погрешность составляет не более 10 %.

Установлена зависимость для определения коэффициента анизотропии с помощью плотности потока энергии, которая учитывает совокупное влияние систем естественных трещин.

Предложено при определении расстояний между зарядами учитывать величину усредненного по длине заряда радиуса воронки разрушения с целью уменьшения порогов по подошве уступа.

Установлены зависимости величин проработанной и недоработанной площадей разрушения от величин горизонтального и вертикального перекрытий воронок разрушения, образованных действием четырех зарядов, для прямоугольной и смещенной сеток скважин.

Получены зависимости расстояний между зарядами и величины смещения между рядами зарядов от усредненного по длине заряда радиуса воронки разрушения, коэффициента анизотропии массива и ориентировки генеральных систем трещин с учетом эффективности проработки уступа.

Даны рекомендации по выбору рациональных типов взрывчатых веществ и схем короткозамедленного взрывания для карьеров с вертикальными слоями различных типов пород.

Выбор рациональных типов взрывчатых веществ впервые предлагается осуществлять с помощью комплексного коэффициента эффективности, который включает техническую, экономическую и экологическую составляющие.

Получила дальнейшее развитие технология для различных типов пород в пределах зоны отработки при короткозамедленном взрывании с установлением рациональных размеров сетки скважин и схем коммутации для различных направлений генеральных систем трещин.

Разработана методика расчета параметров взрывных работ на карьерах, которая отличается от известных тем, что в ее основу положены новые выше приведенные зависимости.

На основе разработанной методики создан алгоритм оперативного расчета параметров взрывных работ, который является основой программного обеспечения.

Программа для расчета параметров взрывных работ отличается от известных тем, что дает возможность: рассчитывать параметры взрывных работ для конкретного типа пород, что значительно упрощает процесс, когда в одном блоке наблюдаются различные типы пород; обоснованного выбора взрывчатого вещества под конкретный тип пород; расчета сетки скважин с учетом максимальной проработки уступа и ориентировки генеральных систем трещин.

Ключевые слова: алгоритм, взрывчатое вещество, взрывные работы, воронка разрушения, коэффициент анизотропии, параметры, радиус, расстояния между зарядами.

ABSTRACT

Tverda O.Y. Improving the blasting technology in vertically layered arrays of rock in quarries. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Engineering Sciences. Specialty 05.15.03 - opencast mining of mineral deposits. - National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute» MES of Ukraine, Kyiv, 2013.

Ph.D. thesis is devoted to the improvement of blasting technology in vertically layered arrays of rock in quarries using established patterns of properties and structural and textural features of rocks impact on the blasting parameters.

The patterns of change of radius of crater of destruction along the length of the charge was obtained. The dependence for the anisotropy factor determining by the energy flux density of the explosion and the dependence of finished and unfinished areas of destruction on values overlap of craters formed by the action of the four charges for rectangular and displaced network location were obtained. The dependences of well network sizes on averaged radius of the crater of destruction, anisotropy factor, orientation of general fracture systems taking into account the efficiency of working off the ledge were found. Selection of rational types of explosives using complex coefficient of efficiency wich includes technical, economic and environmental components was improved. The blasting technology for different types of rocks within a block that is exploded, with the establishment of reasonable network well sizes and switching circuits for variable directions of general fracture systems received the further development.

Key words: algorithm, explosive, the distance between the charges, the crater of destruction, anisotropy factor, parameters, blasting operations, radius.

Размещено на Allbest.ru+-

...