Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

ПАСІЧЕНКО Костянтин Юрійович

УДК 622.256

РОЗРОБКА ЕФЕКТИВНИХ МЕТОДІВ ВІДБІЙКИ ПОРІД ПРИ ПОГЛИБЛЕННІ СТВОЛІВ З РОЗШИРЮВАННЯМ ПЕРЕДОВОГО ПІДНЯТТЄВОГО ЗНИЗУ ВВЕРХ

Спеціальність: 05.15.04 – Шахтне та підземне будівництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кривий Ріг — 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі маркшейдерії та геодезії Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор

Федоренко Павло Йосипович, завідувач кафедри маркшейдерії та геодезії Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Клочков Віталій Федорович, професор кафедри гірничого, промислового та цивільного будівництва Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України

кандидат технічних наук, доцент

Борщевський Сергій Васильович,

доцент кафедри будівництва шахт і підземних споруд Донецького Національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Провідна організація — Інститут геотехнічної механіки НАН України, відділ механіки вибуху гірських порід (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться

" 13 " грудня   2002 р. о __12__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті (49027, м. Дніпропетровськ – 27, пр. К. Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий “__12_” ___листопада________ 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, канд. техн. наук, доцент О.В. Солодянкін

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. За останні десятиріччя при поглибленні стволів все більш широко ви-користовують технології з розширенням передового підняттєвого. Ці схеми поглиблення забезпечують незалежність робіт з поглиблення стволів від їх експлуатаційної діяльності, спро-щення оснащення стволів, досягнення високої ефективності вий-мання породи. Окрім добре відомої схеми поглиблення стволів з розширенням підняттєвого зверху вниз, на рудних шахтах здо-були також використання технології з розши-ренням підняттєвого знизу вверх. У вітчизняній практиці це технологія з відбійкою породи за допомогою вертикальних вибухових свердловин, у зарубіжній – горизонтальних або похилих торцевих шпу-рів, які вибурюють із підняттєвого паралельно вибою ствола.

При поглибленні стволів з розширенням підняттєвого знизу вверх відсутні операції з прибирання породи у вибою ствола та його зачищенню, створюються сприятливі умови для ви-користання потужних бурових машин, забезпечується високий рівень безпеки про-хідників. Головним недоліком цих схем поглиблення є низька якість оконтурювання ство-лів, що призводе до великих питомих витрат на зведення кріплення. Тому забезпечення задовільного оконтурю-вання стволів при поглибленні їх з розширенням підняттєвого за допомогою вертикальних свердловин та торцевих шпурів є актуальними. Актуальним є також зменшення питомих ви-трат на проведення буро-підривних робіт, що з підвищенням міц-ності порід та напруженості масиву різко зростають.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до Концепції розвитку гірничо-металургійного комлексу України до 2010 року, яка спрямована на розв’язання проблеми підтримки працездатності шахт в умовах скорочення обсягів виробництва. Тема дисертації відповідає науковому напрямку і планам наукової роботи науково-дослідної частини Криворізького технічного університету.

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень є підвищення ефективності поглиблення стволів з розширенням передового підняттєвого знизу вверх за допомогою торцевих зарядних порожнин і вертикальних вибухових свердловин.

Для досягнення вказаної мети в роботі поставлені та вирішені такі задачі досліджень:

1) дослідити умови роботи зарядів при розширенні передового підняттєвого знизу вверх за допомогою торцевих зарядних порожнин і вертикальних вибухових свердловин у статично напружених по-родах;

2) уточнити характер змінювання в часі напружень і руйнувань в середній зоні при вибухах зарядів вибухових речовин (ВР) в масиві;

3) розробити технологію вибухових робіт для розширення підняттєвого до проектного перерізу ствола за допо-могою торцевих зарядних порожнин, яка забезпечує задовільне оконтурювання стволів і раціональне використання зарядних по-рожнин та енергії вибуху;

4) удосконалити технологію виймання породи при поглибленні стволів з відбійкою породи за допомогою вертикальних вибухових свердловин в умовах значних їх відхилень при бурінні.

Об’єкт досліджень – процес вибухового руйнування гірських порід.

Предмет досліджень – параметри технології буро-підривних робіт при розширенні передових підняттєвих.

Ідея роботи. В основу дисертації покладена ідея захисту законтурного масиву від руйнівної дії вибуху торцевих та поздовжніх свердловинних зарядів шляхом зміщення їх усередину проектного контуру ствола.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених у дисерта-ції задач використовувались наукові методи досліджень, які включали аналіз та узагальнення даних літературних джерел, техніко-економічний аналіз, аналітичні дослідження та експерименти, що проводились на моделях і в на-турних умовах.

Основні наукові положення, що винесені на захист:

1. Напружений стан масиву під дією вибуху зосередженого або подовженого заряду ВР в умовах необмеженого середовища являє собою суперпозицію динамічних і квазістатичних напружень, величина яких пропорційна відповідно масовій швидкості і величині зміщення частинок масиву за фронтом вибухової хвилі. При цьому в середній зоні дії вибуху квазістатичні напруження відігравають основну роль в руйнуванні скельних порід вибухом.

2. Підривання допоміжних зарядів для наведення тріщин навколо зарядних порожнин забезпечує посилення динамічного та квазістатичного навантаження масиву основними зарядами, підвищення інтенсивності дроблення гірничої маси, збільшення в 2-2,5 рази радіуса зон руйнування.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Досліджені закономірності змінювання напружень в часі за фронтом вибухових хвиль центральної та осьової симетрії. Вперше встановлено, що в середній зоні дії вибуху протягом позитивної та негативної фаз вибухової хвилі радіальні напруження є стискуючими, а в кінці позитивної фази хвилі їх величина мало відрізняється від їх максимуму.

2. Уточнений механізм вибухового руйнування монолітних міцних порід в умовах впливу вільної поверхні. Встановлено, що основна роль відбитих хвиль полягає в додатковому зміщенні частинок масиву за їх фронтом, що призводе до перерозподілу напружень в квазістатичному полі.

3. Вперше встановлено, що попереднє наведення тріщин навколо зарядних порожнин призводе до інтенсифікації динамічного та квазістатичного навантаження масиву та дроблення гірничої маси основними зарядами, збільшення в 2-2,5 рази радіуса зон руйнувань, що дозволяє розширити сітку розташування зарядних порожнин.

4. Розкритий механізм дії вибуху торцевого заряду з повітряним проміжком, розташованим в перебурі, та попереднім наведенням тріщин навколо ділянки зарядної порожнини, яка прилягає до проектного контура виробки, що споруджується.

Вірогідність наукових досліджень, висновків та рекомен-дацій дисертаційної роботи забезпечується використанням сучас-них наукових методів досліджень і підтверджується задовільною збіжністю теоретичних положень з результатами проведених експериментів.

Наукове значення дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні методу посилення дії вибуху торцевих зарядів вибухових речовин в масиві шляхом попереднього наведення тріщин навколо зарядних порожнин.

Практичне значення дисертаційної роботи полягає в розробці нових ефективних технологічних методів відбійки порід при по-глибленні стволів з використанням торцевих зарядних порожнин і вертикальних вибухових свердловин.

Реалізація роботи. Шахтобудівельним управлінням Криворізького залізорудного комбінату на 2003 р. заплановано впровадження на шахтах комбінату технології відбійки порід торцевими зарядами з повітряним проміжком в перебурах і попереднім наведенням тріщин при спорудженні камерних виробок і проходці копрових ділянок сліпих стволів.

Особистий внесок дисертанта в одержанні наукових ре-зультатів, що виносяться на захист.

Особисто автором сформульована мета досліджень, основна ідея дисертаційної роботи, задачі досліджень і основні наукові по-ложення. Здобувачем виведені формули для розрахунків напружень за фронтом вибухових хвиль центральної та осьової симетрії, що дозволило уточнити закономірності змінювання радіальних і тангенціальних напружень в часі та з відстанню, значення прямої та відбитих хвиль у руйнуванні масиву. Встановлений вплив попереднього наведення тріщин на ефективність дії вибуху в масиві. Розроблена та випробувана в промислових умовах нова технологія вибухових робіт при розширенні передових виробок торцевими зарядами, яка забезпечує поліпшення якості оконтурювання виробок і більш ефективне використання зарядних порожнин.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались: на щорічних наукових конференціях Криворізького технічного університету (КТУ) в 1998-2000 рр., на технічній нараді шахтобудівельного управління Криворізького залізорудного комбінату (2001 р.), на науково-технічній конференції “Основні напрямки розвитку гірничо-металургійного комплексу України в XXI столітті” (Кривий Ріг, 2001 р.), на науковій конференції “120 років розробки родовищ Кривбасу” (Кривий Ріг, 2001 р.), на міжкафедральному науковому семінарі КТУ “Гірництво” (2002 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 11 наукових працях, в тому числі: статті в спеціалізованих виданнях – 7; доповіді на наукових конференціях – 2; патенти на винаходи – 2.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 111 найменувань на 9 сторінках і додатків на 26 сторінках. Основний матеріал дисертації містить 168 сторінок машинописного тексту, в тому числі 41 рисунок на 31 сторінці та 4 таблиці. Загальний обсяг роботи – 203 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз технологій поглиблення стволів. Постановка задач досліджень.

В першому розділі проаналізовані технологічні схеми поглиблення вертикальних стволів, а також вітчизняний та зарубіжний до-свід поглиблення вертикальних стволів, проходки та поглиблення сліпих вертикальних стволів з розширенням підняттєвого знизу вверх.

При розширенні підняттєвих вертикальними вибуховими свердловинами якість оконтурювання стволів дуже низька – мають місце значні перебори та недобори породи, порушенність законтурного масиву тріщинами. Головною причиною цього є відхилення свердловин від вертикального положення при їх вибурюванні.

Розширення підняттєвих за допомогою торцевих шпурів здобула широкого використання шведською фірмою Алімак при проходці сліпих стволів в різних країнах світу. При цьому переважно використовують торцеві шпури діаметром 44 мм, які вибурюють з підвісної кліті або платформи самохідного прохідницького комплексу.

Особливості розташування торцевих зарядів відносно проектного контуру ствола є основною причиною низької якості оконтурювання. В тих випадках, коли до якості оконтурювання висуваються підвищені вимоги, фірма Алімак проводе розширення підняттєвого торцевими зарядами з залишанням приконтурної берми, яку відбивають оконтурювальними шпурами в період зведення постійного кріплення ствола. Однак це призводе до ускладнення організації робіт і зменшення темпів проходки стволів. Тому доцільно розробити спосіб відбивання породи торцевими зарядами, який забезпечував би задовільне оконтурювання стволів.

Перспективним напрямком вирішення цієї задачі є використання торцевих зарядів з повітряним проміжком в перебурі, що було запропоновано працівниками кафедри шахтного будівництва КТУ. Однак, зважаючи на те, що вказані рекомендації були побудовані на обмеженому обсязі досліджень, необхідно провести більш ґрунтовні дослідження способу відбійки порід торцевими зарядами. Причому ці дослідження повинні ґрунтуватися на результатах вивчення фізичних процесів, які відбуваються в зарядних порожнинах і гірських породах при вибухах зарядів ВР.

На основі аналізу літературних джерел сформовані мета та задачі досліджень.

Дослідження закономірностей дії вибуху зарядів в масиві.

Розділ присвячений дослідженням механізму дії вибуху зарядів ВР в твердому середовищі, який є основою для роз-роблення методів управління енергією вибуху при відбиванні по-рід. Серед дослідників існує значна роз-біжність поглядів на механізм руйнування гірських порід вибухом зарядів ВР, ролі прямих і відбитих хвиль на-пружень в цьому процесі. Значно відрізняються між собою дані різних дослідників про характер зміни в часі радіальних і тангенціальних напружень за фронтом вибухових хвиль. Встановлення закономірностей напружень в часі є однією з найбільш важливих задач в дослідженні механізму руйнування гірських порід вибухом. Одним з надійних способів вирішення цієї задачі є реєстрація методом осцилографування масової швидкості частинок масиву за фронтом вибухових хвиль з подальшими розрахунками напружень з використанням апарату теорії пружності.

На основі узагальненого закону Гука нами одержані формули для розрахунків радіальних і тангенціальних напружень за фронтом вибухових хвиль, що виникають при підриванні зарядів ВР:

для центральної симетрії

(1)

для осьової симетрії

(2)

де  – густина середовища, кг/м3; с – швидкість поздовжніх хвиль, м/с; V – масова швидкість частинок середовища за фронтом хвилі напружень, м/с; m – показник, який характеризує інтенсив-ність згасання амплітуди величини зміщення з відстанню (в центральній симетрії для міцних монолітних порід т=1,3... 1,6);  – коефіцієнт Пуассона середовища; U – величина зміщення частинок середовища за фронтом хвилі напружень, м; R – відстань від центра (осі) симе-трії, м. (Напруження R і в формулах (1), (2) виражені в Паскалях).

При виведенні формул (1) і (2) зроблені припущення, що час зростання масової швидкості частинок середовища до максимальної величини та тривалість позитивної фази вибухових хвиль з відстанню не змінюються. Тому формули (1) і (2) дають більш точні результати розрахунків R і для монолітних міцних порід.

Графіки залежності R і від часу в позитивній фазі вибухової хвилі, які одержані з використанням запропонованої нами методики, наведені на рис. , на якому параметри R і і час t подані у відносних величинах – відповідно R0, 0, і t/t0, де 0 – максимальна величина динамічної складової радіальних напружень, Па; t0 – тривалість позитивної фази хвилі, с.

Рис. . Епюри “напруження-час” на відстані 30 радіусів зосередженого заряду від центру вибуху: 1 – радіальні напруження; 2 – тангенціальні напруження;3 – динамічна складова радіальних напружень

Згідно з рис. , радіальні напруження досягають свого максимуму в першій половині позитивної фази хвилі, а в кінці цієї фази вони на відстані 30 радіусів заряду лише в 2,4 рази менші своєї амплітудної величини.

Проведені дослідження свідчать, що радіальні напруження в середній зоні дії вибуху залишаються стискуючими і в негативній фазі хвилі, а після припинення коливальних рухів частинок масиву в останньому діють значні по величині квазістатичні стискуючі радіальні і розтягуючі тангенціальні напруження.

Розрахунки показують, що при відбиванні породи на вільну по-верхню внаслідок взаємодії відбитої хвилі розтягування з прямою хвилею стиснення на більшості ділянок масиву сумарні головні напруження є стискуючими. Тому на цих ділянках не відбуваються суттєві руйнування. На ділянках масиву, що при-лягають до зарядної порожнини з обох її сторін на лінії розташу-вання зарядів, радіальні розтягуючі напруження відбитої хвилі по-силюють дію розтягуючих тангенціальних напружень прямої хвилі, що сприяє зародженню та розвитку тріщин уздовж поверхні май-бутньої воронки вибуху. При розповсюдженні відбитих хвиль внаслідок додаткового переміщення частинок маси-ву на вільній поверхні значно зростають розтягуючі напруження, що сприяє утворенню тріщин, які направлені перпендикулярно ві-льній поверхні.

В розділі теоретично досліджується також вплив попереднього наведення радіальних тріщин навколо зарядних порожнин на ефективність вибуху зарядів. З літературних джерел відомо, що при підриванні заряду ВР в масиві в процесі розповсюдження радіальних тріщин відбувається посилення квазістатичного навантаження масиву, що сприяє подальшому зростанню радіуса радіальних тріщин.

Якщо до формування основного заряду навколо зарядної порожнини утворити зону радіальних тріщин, то при підриванні основного заряду повинні значно зменшитись витрати енергії вибуху на тангенціальне розтягування масиву, що забезпечить зниження інтенсивності згасання амплітуди вибухової хвилі з відстанню. Створюються також сприятливі умови для збільшення квазістатичного навантаження масиву вибухом.

Дійсно, в умовах безмежного середовища під дією тиску газів на стінки порожнини, навколо якої створена зона радіальних тріщин, в зоні тріщин при відсутності сприятливих умов для проникнення газів з порожнини в радіальні тріщини величина тангенціальних напружень дорівнює нулю, а радіальні напруження в центральній та осьовій симетрії відповідно дорівнюють і , де Р – тиск газів на стінки порожнини, Па; R0 – радіус порожнини, м. Внаслідок цього за межами зони наведених радіальних тріщин радіальні та тангенціальні напруження становлять:

в центральній симетрії

(3)

в осьовій симетрії

(4)

де RT – радіус зони наведених тріщин, м; інші позначення попередні.

Аналіз впливу напруженого стану масиву на процес руйнування порід вибухом.

В розділі теоретично обґрунтовано, що в монолітних і слабкотріщинуватих міцних середовищах основною причиною великого впливу його напруженого стану на процес руйнування вибухом є суперпозиція напружень, які виникають в результаті дії вибуху зарядів ВР, і статичних напружень масиву, що перерозподіляються і концент-руються навколо зарядних порожнин і зароджених радіальних тріщин.

Аналіз умов роботи зарядів при поглибленні стволів з розширенням підняттєвого знизу вверх показав, що при розташуванні торцевих шпурів горизонтальними віялами в умовах напружених порід більша частина кожного шпура нижнього віяла знаходиться в зоні розвантаженого від стискуючих напружень масиві. Ділянки ж шпурів, що прилягають до проектного контура ствола, розташовані в зоні концентрації стискуючих напружень. Тому для забезпе-чення ефективної відбійки порід необхідно в напружених породах торцеві шпури вибурювати конусоподібними віялами.

Розробка та випробування ефективної технології відбійки порід торцевими зарядами.

Четвертий розділ присвячений створенню нової технології відбійки порід торцевими зарядами. В основу нової технології покладено спільне використання зарядів з повітряним проміжком в перебурі та попереднього наведення тріщин навколо зарядних порожнин. Тому ці технології були випробувані в лабораторних та промислових умовах.

Лабораторні експерименти виконували на моделях, які виготовляли з листового органічного скла товщиною 50 мм. В моделях висвердлювали отвори необхідної довжини, в які встановлювали кінці відрізків детонаційного шнура (ДШ) марки ДШЕ-12, що відігравали роль зарядів ВР. Відрізки ДШ ініціювали електродетонаторами, які закріплювали на ДШ на відстані 30-50 см від моделі.

При випробуваннях ефективності попереднього наведення тріщин використовували плоскі моделі, в яких висвердлювали на повну товщину моделі отвори діаметром 6 мм. ДШ прокладали по всій довжині отвору. В результаті вибуху заряду першої черги навколо отвору утворювалась зона зім’яття товщиною 3 мм та радіальні тріщини довжиною до 21-23 мм (від осі отвору). При підриванні заряду другої черги товщина зони зім’яття збільшувалась до 10 мм, а радіус радіальних тріщин – до 50-70 мм. Таким чином, лабораторні експерименти підтвердили наші теоретичні дослідження впливу попереднього наведення тріщин на ефективність дії вибуху заряду ВР.

При випробуванні зарядів з повітряним проміжком в перебурі використовували моделі товщиною 50 і 100 мм. В останньому випадку склеювали два листа органічного скла за допомогою розчиненого в діхлоритані порошку органічного скла. При виготуванні моделі на кутових ділянках листа вирізали вертикальний уступ висотою 40 мм. Паралельно площині уступу висвердлювали отвори діаметром 5 мм на відстані 25 мм (по осі) від його площини з однаковим віддаленням від бокових площин моделі. В отворах формували і підривали заряди з повітряним проміжком в перебурі і, для порівняння, – заряди суцільної конструкції.

При ширині моделі 50 мм величина перебуру в обох випадках становила 20 мм. Довжину повітряного проміжку приймали 10 мм. При обох конструкціях зарядів відбувалась ефективна проробка матеріалу моделі по підошві уступу. Порушенність матеріалу моделі нижче рівня підошви уступу при використанні зарядів з повітряним проміжком була значно меншою, ніж при використанні зарядів суцільної конструкції.

При ширині моделі 100 мм величина перебуру при використанні заряду з повітряним проміжком приймали 10 мм, і повітряний проміжок розташовували по всій довжині перебуру. Внаслідок підривання заряду з повітряним проміжком порушення матеріалу моделі нижче рівня підошви уступу не відбувалося. Разом з цим, в підошві уступу лишався “поріг” висотою 5-6 мм.

Промислові експерименти проводили в вибоях квершлагів на шахті ім. Артема шахтоуправління з підземного видобування руди Криворізького металургійного комбінату і на шахті Жовтнева Криворізького залізорудного комбінату. В кожному експерименті на приконтурних ділянках вибою вибурювали і підривали експериментальні та конт-рольні шпури. В контрольних шпурах приймали суцільну колонкову конструкцію зарядів. Експериментальні шпури при випробуванні зарядів з повітряним проміжком в перебурі вибурювали на 140-160 мм гли-бше контрольних і довжину повітряного проміжка приймали 150 мм. Патрон-бойовик розміщували першим від устя шпура. При випробуванні технології вибухових робіт з попе-реднім наведенням тріщин експериментальні шпури мали однакову глибину з контрольними і в них формували основний суцільний колонковий заряд з розміщуванням патрона-бойовика першим від вибою шпура. При проведенні експериментів заміряли довжину та діаметр “стаканів” експериментальних і контрольних шпурів, а також посу-вання приконтурних ділянок вибою виробки, візуально оцінювали його порушеність та шерехатість.

Проведені експерименти в промислових умовах підтвердили ви-сновки, які були зроблені на основі завершення лабораторних екс-периментів. Здобута інформація була використана при розробці нової технології вибухових робіт.

В новій технології вибухових робіт повітряний проміжок розта-шовується по всій довжині перебуру, величина якого становить 5-6 діаметрів зарядної порожнини. Для компенсації повного виносу колонки ВР з перебуру, а також збільшення величини лінії найменшого опору (ЛНО) на ділянці зарядної порожнини довжиною від 4-6 до 12-15 її діаметрів, що прилягає до проектного контура ствола, попередньо наводяться радіальні тріщини шляхом підривання в зарядній по-рожнині допоміжного заряду ВР. Патрон-бойовик основного заряду в цій технології розта-шовують першим від устя зарядної порожнини.

Випробування нової технології вибухових ро-біт проводили, головним чином, у вибоях квершлагів по методиці, що вико-ристовувалася раніше при випробуванні зарядів з повітряним проміжком. Заключне випробуван-ня проводили у вибої з двома вільними поверх-нями, який формували шляхом проведення з штрека ніші перерізом 1,6x2,0 м.

Як у вибоях з однією, так і з двома вільними поверхнями при використанні нової технології вибухових робіт досягалось мі-німальне порушення породи навколо перебурів шпурів і рівна поверхня відриву, а діаметр “стаканів” практично не відрізнявся від початкового діаметра шпурів. Максимальні відхилення фактичного контуру від проектного становили  мм.

Удосконалювання технології та організації робіт при поглибленні стволів.

Технологія розширення підняттєвих торцевими зарядами з повітряним проміжком в перебурі та попереднім наведенням тріщин навколо зарядних порожнин дозволяє досягти задовільного оконтурювання стволів, знизити питомі витрати на зведення постійного кріплення, збільшувати діаметр торцевих зарядних порожнин, використовувати потужне бурове обладнання для їх вибурювання. Таку технологію відбійки рекомендується ви-користовувати при поглибленні стволів в міцних досить моноліт-них породах при звичайних вимогах до якості оконтурювання стволів. Найбільш доцільно її приймати в тих випадках, коли вико-ристовується набризкбетонне або анкерне постійне кріплення. Для підвищення темпів виконання вибухових робіт доцільно в один захід підривати основні та допоміжні заряди в двох-чотирьох віялах зарядних порожнин (рис. ).

Рис. . Розширення підняттєвого торцевими зарядами до проектного перері-зу ствола з вико-ристанням нової технології вибухових робіт: 1 – торцеві шпури; 2 – контур ствола; 3 – вибій ствола; 4 – відбита порода; 5 – передовий підняттєвий; 6 – наведені тріщини; 7 – основні заряди; 8 – допоміжні заряди

Коли до якості оконтурювання стволів висуваються підвищені вимоги, до-цільно підняттєвий розширювати за два заходи – спочатку за допомогою торцевих зарядів розширювати його знизу вверх до про-міжного перерізу із залишанням приконтурної берми шириною 0,5-0,7 м, потім заве-ршувати розширення до проектного перерізу ствола зверху вниз за допомогою зарядів оконтурювальних шпурів (рис. ). Окрім забезпечення високої якості оконтурювання стволів, розширення передового підняттєвого за два заходи дозволяє та-кож приймати збільшені величини ЛНО торцевих зарядів та від-стані між ними у віялі, що сприяє більш раціонально використо-вувати торцеві зарядні порожнини. Це відкриває широку перспективу для більш повного використання можливостей методу управління енергією вибуху, що ґрунтується на попереднім наведенні тріщин навколо зарядних порожнин.

Рис. . Відбивання приконтурної берми при розши-ренні підняттєвого за два заходи: 1 – постійне кріплення ствола; 2 – проектний контур ствола; 3 – заряд оконтурювального шпура; 4 – приконтурна берма; 5 – відби-та порода

При розширенні передового підняттєвого до проміжного пе-рерізу попереднє наведення тріщин навколо торцевих зарядних порожнин доцільно проводити на значно більшій їх довжині, ніж у випадку розширення передового підняттєвого до проектного перерізу ствола за один захід. Передбачається при цьому способі використовувати основні заряди cуцільноколонкової конструкції. Використання цієї технології поглиблення (проходки) стволів замість технології з розширенням передового підняттєвого зверху вниз, як показують розрахунки, забезпечує підвищення продуктивності праці прохідників в 1,5 рази і зменшення на 1000 грн. прямих витрат на 1 м ствола.

Буріння торцевих шпурів з платформи прохідницького компле-ксу проводиться в період проведення підняттєвого і повинно здійснюватися на привибійній ділянці останнього. Буріння торцевих штангових свердловин (шпурів) з підвісної кліті відбувається після завершення проведення передового підняттєвого та налагодження його провітрювання за рахунок загальношахтної депресії.

Проведення вибухових робіт при розширенні передового підняттєвого торцевими зарядами може здійснюватися з платфор-ми самохідного прохідницького комплексу або з підвісної кліті. В першому випадку перед початком періоду вибухових робіт прохід-ницький комплекс необхідно перевести на роботу з вище розташо-ваного горизонту і приладнати до кабіни комплексу спеціальний пристрій, за допомогою якого забезпечується демонтування ланок монорейкової колії в напрямі знизу вверх.

При поглибленні стволів з розширенням підняттєвого за допомогою вертикальних вибухових свердловин, зважаючи на до-сить значні відхилення свердловин при їх вибурюванні, розширення підняттєвого до проектного перерізу ствола слід проводити за два заходи. Для цього устя периферійних вертикаль-них свердловин необхідно розташовувати на відстані 0,6-0,8 м від проектного контура ствола, а оконтурювання ствола здійснювати за допомогою оконтурювальних шпурів. Окрім цього, глибину свердловин слід приймати до 20-25 м і з кожної бурової камери вибурювати як висхідні, так і низ-хідні свердловини.

ВИСНОВОК

В результаті виконаних досліджень отримане нове рішення актуальної наукової задачі, яка полягає в установленні уточнених закономірностей змінювання радіальних і тангенціальних напружень в часі і з відстанню за фронтом вибухових хвиль центральної та осьової симетрії та визначення впливу попереднього наведення тріщин навколо зарядних порожнин на інтенсивність вибухового навантаження масиву, що покладено в основу розробки ефективних методів відбійки порід при поглиблення стволів з розширенням передового підняттєвого знизу вверх.

Основні наукові результати, висновки та рекомендації зводяться до наступного:

1. На основі критичного аналізу літературних джерел, що при-свячені досвіду поглиблення вертикальних стволів і дослідженням в галузі удосконалення технологій поглиблення, встановлено, що технології поглиблення стволів з розширенням передового підняттєвого знизу вверх за допомогою торцевих зарядних порожнин і вертикальних вибухових свердловин є високоефективними, забезпечують досягнення високого рівня механізації поглиблювальних робіт та безпеки прохідників, мають великий потенціал в їх удосконаленні.

2. Аналітично одержані формули для розрахунку напружень за фронтом вибухових хвиль на основі даних реєстрування їх кінематичних параметрів, які враховують симетрію хвиль і фактичну інте-нсивність згасання амплітуд їх параметрів з відстанню, що дозво-ляє з більшою точністю розраховувати головні напруження.

3. Встановлено, що в середній зоні дії вибуху радіальні напру-ження протягом всієї дії вибуху в масиві є стискуючими. При цьому в кінці позитивної фази хвилі вони за абсолютною величиною близькі до свого максимального значення, в цей же момент часу тангенціальні напруження є розтягуючими і досягають своїх мак-симальних за модулем значень.

4. Обґрунтовано, що при підриванні зарядів в умовах впливу ві-льної поверхні від дії відбитої хвилі розтягування тріщини заро-джуються, головним чином, на контурі майбутньої воронки вибу-ху. Основна роль відбитих хвиль зводиться до перерозподілу напружень в падаючому полі за рахунок додаткового зміщення частинок масиву за їх фронтом.

5. Встановлено, що попереднє наведення радіальних тріщин на-вколо зарядних порожнин забезпечує посилення дії вибуху зарядів на масив і значне збільшення величини ЛНО, є ефективним методом управління енергією вибуху.

6. Розроблена нова технологія вибухових робіт для розширення передової виробки за допомогою торцевих зарядних порож-нин, яка ґрунтується на попередньому наведенні тріщин навколо ділянок зарядних порожнин, що прилягають до проектного контура виробки, яка споруджується, шляхом підривання допоміжних заря-дів і використання основних зарядів з повітряним проміжком, який розміщують в перебурі між дном зарядної порожнини та колонкою ВР. Ця технологія вибухових робіт забезпечує задовільне оконтурювання виробки і раціональне використання зарядних порожнин і ВР.

7. При підвищених вимогах до якості оконтурювання стволів, а також небезпеці виникнення вивалів породи з породних оголень розширення передового підняттєвого торцевими зарядами слід проводити з залишанням приконтурної берми шириною 0,5-0,7 м з подальшою відбійкою її зарядами подовжніх оконтурювальних шпурів. При цьому торцеві зарядні порожнини рекомендується вибурювати за розширеною сіткою і навколо них здійснювати попереднє наведення тріщин.

8. При поглибленні стволів з розширенням передового підняттєвого знизу вверх торцевими зарядами і вертикальними свердловинами в умовах високої напруженості масиву торцеві шпури (свердловини) слід вибурювати конусоподібними віялами, а покрівлі бурових та контрольних камер надавати куполоподібної форми.

9. При поглибленні стволів з розширенням передового підняттєвого за допомогою вертикальних вибухових свердловин, а також суціль-ним вибоєм зверху вниз з відбійкою породи секційним підриван-ням вертикальних свердловин рекомендується свердловини розташовувати на відстані 0,6-0,8 м від проектного контуру ствола начорно, а приконтурні ділянки масиву відбивати за допомогою оконтурювальних шпурів.

10. Використання технології поглиблення стволів з розширенням підняттєвого за допомогою торцевих шпурів з попереднім наведенням тріщин і залишенням приконтурної берми з подаль-шою відбійкою її оконтурювальними шпурами забезпечує знижен-ня трудовитрат на 1 м ствола в 1,5 раза в порівнянні з поглиблю-ванням ствола по IV технологічній схемі. Очікуваний економічний ефект за прямими затратами при переході на нову технологію спорудження стволів становить 1000 грн. на 1 м ствола.

Список опублікованих наукових робіт, що відображають основні положення дисертаційної роботи.

1. Веселов Ю.А., Пасиченко Ю.К., Пасиченко К.Ю., Рыбачук В.А. Совершенствование технологии углубки стволов с отбойкой породы взрывными скважинами // Уголь Украины. – 1996. – №2. – С. 43-44.

2. Федоренко П.И., Пасиченко Ю.К., Пасиченко К.Ю. Совершенство-вание методики расчета параметров БВР при проходке и углубке ство-лов шахт // Проблемы горнодобывающей промышленности металлургического комплекса Украины: Сб.научн.тр. – Кривой Рог: НИГРИ. – 1997. – С. 69-75.

3. Федоренко П.И., Пасиченко Ю.К., Пасиченко К.Ю. Определение напряжений в массиве за фронтом взрывных волн // Разработка руд-ных месторождений: Респ.межвед.научн.-техн. сб. – Кривой Рог: КТУ. – 1998. – Вып. 62. – С. 61-67.

4. Федоренко П.И., Пасиченко К.Ю., Штельмах А.С., Пасиченко Ю.К. Перспективы применения углубки стволов с расширением восстающего // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 1998. – №2. – С. 86-89.

5. Веселов Ю.А., Пасиченко Ю.К., Серегин В.М., Пасиченко К.Ю., Бурдиенко Р.В. Совершенствование буровзрывных работ при углубке стволов шахт // Уголь Украины. – 1998. – №10. – С. 55-56.

6. Федоренко П.И., Пасиченко К.Ю., Штельмах А.С., Пасиченко Ю.К. Совершенствование отбойки пород и организации работ при углубке стволов // Разработка рудных месторождений: Респ.межвед.научн.-техн.сб. – 2000. – Кривой Рог: КТУ. – Вып.71. – С. 38-42.

7. Федоренко П.Й., Пасиченко К.Ю., Штельмах А.С., Пасиченко Ю.К. Эффективная технология углубки вертикальных стволов // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. – №2. – С. 81-82.

8. Патент України № 23940А. Спосіб відбивання гірських порід при проходці вертикальних стволів / Ю.К. Пасіченко, Ю.О. Весєлов, В.А. Рибачук, А.С. Штельмах, Р.В Бурдіенко, К.Ю. Пасіченко // Бюл. №4 – 31.08.1998.

9. Патент України № 31876А. Спосіб розширення підняттевого при поглибленні та проходці стволів / Ю.К. Пасіченко, П.Й. Федоренко, К.Ю. Пасіченко, В.А. Рибачук, А.С. Штельмах, С.М. Герра // Бюл. №7-11. – 15.12.2000.

10. Федоренко П.Й., Пасіченко К.Ю. Удосконалення технології поглиблення стволів з відбійкою породи торцевими зарядами Тез. докл. науково-технічної конференції “Основні напрямки розвитку гірничо-металургійного комплексу України в XXI сторіччі”. – Кривий Ріг: КТУ. – 2001. – С. .

11. Федоренко П.Й., Пасіченко К.Ю. Удосконалення технології вибухових робіт при поглибленні стволів з відбійкою породи торцевими зарядами Тез. докл. наукової конференції “120 років гірничих розробок в Кривбасі”. – Кривий Ріг – 2001. – С.  -169.

Особистий внесок здобувача в роботах, що опубліковані у спів-авторстві: [1,8] – збір та аналіз матеріалів з технології поглиблен-ня та проходці стволів з відбійкою породи за допомогою вертика-льних свердловин, запропоновано використовувати спільно сверд-ловинні та шпурові заряди; [2,5] – збір та аналіз матеріалів з ви-бору параметрів врубів при проходці та поглиблюванні стволів, запропонована формула для розрахунків параметрів врубів; [3] – виведені формули для розрахунків напружень за фронтом вибухо-вих хвиль; [4,6,7,9-11] – теоретичні та експериментальні дослідження впливу попереднього наведення тріщин в масиві навколо зарядних порожнин на ефективність дії основного заряду, розробка нової технології буро-вибухових робіт при розширенні передової виробки за допомогою торцевих зарядних порожнин.

АНОТАЦІЯ

Пасіченко К.Ю. Розробка ефективних методів відбійки по-рід при поглибленні стволів з розширюванням передового підняттєвого знизу вверх. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.04 – Шахтне та підземне будівництво. – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена питанням розробки способів підвищення якості оконтурювання стволів при поглибленні їх з розширен-ням передового підняттєвого за допомогою горизонтальних або похилих шпурів та вертикальних вибухових свердловин. В дисертації проаналізовані умови ро-боти зарядів при розширенні передового підняттєвого в напру-жених породах, уточнений механізм дії вибуху зарядів вибухових речовин в міцних монолітних і слабкотріщинуватих породах. Уста-новлено, що попереднє наведення тріщин навколо зарядних порожнин забезпечує підвищення інтенсивності дроблення та збільшення радіусу зони руйнування порід вибухом. Розроблені нові технології буро-вибухових робіт для поглиблення стволів з розширенням передового підняттєвого знизу вверх.

Ключові слова: передовий підняттєвий, поглиблення стволів, розширення підняттєвого, буро-вибухові роботи, горизонтальні та похилі шпури, вертикальні вибухові свердловини.

АННОТАЦИЯ

Пасиченко К.Ю. Разработка эффективных методов отбойки по-род при углубке стволов с расширением передового восстающего снизу вверх. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата техниче-ских наук по специальности 05.15.04 – Шахтное и подземное строительство. – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена вопросам разработки способов повы-шения качества оконтуривания стволов при углубке их с расшире-нием передового восстающего с помощью горизонтальных или наклонных шпуров и вертикальных взрывных скважин.

В диссертации получено новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в установлении уточненных закономерностей изменения радиальных и тангенциальных напряжений во времени и с расстоянием за фронтом взрывных волн центральной и осевой симметрии и определении влияния предварительного наведения трещин вокруг зарядных полостей на интенсивность взрывного нагружения массива, что положено в основу разработки эффективных методов отбойки пород при углубке стволов с расширением передового восстающего снизу вверх.

Критический анализ литературных источников свидетельствует, что технологии углубки стволов с расширением передового восстающего снизу вверх с помощью горизонтальных или наклонных шпуров, а также вертикальных взрывных скважин являются высокоэффективными и обеспечивают высокий уровень механизации углубочных работ и безопасности работы проходчиков. Основным недостатком этих технологий является низкое качество оконтуривания стволов, что приводит к высоким удельным затратам на возведение крепи.

Установлено, что при расширении восстающих с помощью вертикальных взрывных скважин главной причиной низкого качества оконтуривания является отклонение скважин от вертикального направления. Учитывая, что современные буровые станки не обеспечивают достаточной точности бурения скважин, в работе рекомендуется располагать устья скважин на расстоянии 0,6-0,8 м от проектного контура ствола, а длину скважин принимать до 20-25 м. Оставляемую приконтурную берму предусматривается отбивать оконтуривающими шпурами в период массового выпуска породы и возведения крепи.

Низкое качество оконтуривания стволов при расширении восстающего горизонтальными или наклонными шпурами обусловлено, главным образом, особенностями расположения шпуровых зарядов относительно проектного контура ствола. Для снижения разрушающего действия взрыва на законтурный массив целесообразно использовать заряды с воздушным промежутком, расположенным по всей длине перебура. Однако это ухудшает условия отрыва породы по проектному контуру ствола. Поэтому для компенсации выноса колонки ВВ из перебура, а также для обеспечения расширения сетки выбуривания шпуров необходимо использовать эффективный метод усиления действия взрыва на отбиваемую породу.

На основе исследований механизма действия взрыва зарядов в горных породах разработан эффективный способ усиления действия взрыва в массиве, основанный на предварительном наведении трещин вокруг зарядных полостей путем взрывания вспомогательных зарядов. В результате была разработана новая технология отбойки породы, при которой используются заряды с воздушным промежутком, расположенным по всей длине перебура, и предварительное наведение трещин на участках шпуров, прилегающих к проектному контуру ствола. Испытания разработанной технологии отбойки в шахтных условиях показали, что она обеспечивает удовлетворительное оконтуривание выработок и снижение затрат на производство буровзрывных работ.

Ключевые слова: передовой восстающий, углубка стволов, расширение восстающего, буровзрывные работы, горизонтальные и наклонные шпуры, вертикальные взрывные скважины.

SUMMARY

Pasichenko K.Yu. Development of the effective methods of break of rocks in shaft sinking with widening a pilot raise from below. – Manuscript.

The dissertation for competition of a scientific degree of a candidate of technical sciences on a specialty 05.15.04 – Mine and underground construction. – National mining university, Dnipropetrovsk, 2002.

The dissertation is devoted to questions of development of ways of improvement of quality contouring shafts at sinking them with widening pilot raise with the help horizontal or inclined blast-holes and vertical long blast holes. In the dissertation operating conditions of charges are analysed at widening pilot raise in the intense breeds, the mechanism of action explosion of charges of explosives in strong monolithic and lowcracked breeds is specified. It is established, that the preliminary behavof cracks around charging cavities provides substantial growth of crushing intensity of rocks and radius of a zone of destruction. New technologies drilling-and-blasting works for sinking shafts with pilot raise widening from below are developed.

Key words: pilot raise, shaft sinking, raise widening, drilling-and-blasting works, horizontal or inclined blast-holes, vertical long blast holes.

Пасіченко Костянтин Юрійович

РОЗРОБКА ЕФЕКТИВНИХ МЕТОДІВ ВІДБІЙКИ ПОРІД ПРИ ПОГЛИБЛЕННІ СТВОЛІВ З РОЗШИРЮВАННЯМ ПЕРЕДОВОГО ПІДНЯТТЄВОГО ЗНИЗУ ВВЕРХ

(Автореферат)

Підписано до друку 07.11.2002р. Формат 6090/16

Папір друкарський. Умовн.друк.арк.1,3

Тираж 100 примірників. Видавничий № 133.

Безкоштовно

Видавництво “Мінерал” АГН України,

50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 44.