СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Міністерство освіти і науки України
Криворізький технічний університет
Перегудов Володимир Володимирович
УДК 622.235: 622.271
УПРАВЛІННЯ ВИБУХОВОЮ ПІДГОТОВКОЮ ГІРНИЧОЇ
МАСИ У ГЛИБОКИХ ЗАЛІЗОРУДНИХ КАР’ЄРАХ
Спеціальність 05.15.03 – “Відкрита розробка родовищ корисних копалин”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора 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, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри маркшейдерії та геодезії
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кор. НАН України Єфремов Ернест Іванович, інститут геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ), завідувач відділу механіки вибуху гірських порід
доктор технічних наук, професор Мец Юрій Семенович, Кременчуцький інститут економіки і нових технологій, завідувач кафедри металоведення
доктор технічних наук, професор Мартиненко Володимир Петрович, ЗАТ "Укргірвибухпром" (м. Комсомольск), голова спостережної ради
Провідна установа: Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), кафедра відкритих гірничих робіт
Захист дисертації відбудеться “17” січня 2003р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 при Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 50002, Україна, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, Україна, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37
Автореферат розісланий “16” грудня 2002р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, професор __________ Г.Т. Фаустов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Своєчасна і якісна підготовка заданих обсягів скельної гірничої маси при багатоуступній і багатозабійній організації робіт у глибоких залізорудних кар'єрах впливає на ефективність відкритих робіт у цілому, особливо в складних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умовах розробки. Тому управління буровибуховими роботами (БВР) є однією з найбільш важливих проблем відкритої розробки залізорудних родовищ України. Рішення цієї проблеми залежить від можливості оперативного одержання достовірної інформації, з одного боку, про будову масиву й властивості гірських порід, що його складають, з іншого боку, про результати впливу на масив, що руйнується. Врахування такої інформації у взаємозв'язку з технологічними рішеннями й економічними показниками дозволяє оптимізувати роботу буровибухового комплексу.
У зв'язку з цим дослідження, спрямовані на рішення науково-технічної проблеми управління вибуховою підготовкою гірничої маси у глибоких залізорудних кар'єрах України, є актуальними і мають важливе народногосподарське значення.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до "Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р.", "Програми розвитку науково-технічного прогресу гірничодобувної і металургійної промисловості України на 1996-2000р.", програм науково-дослідних робіт Криворізького технічного університету, що пов'язані з держбюджетними темами “Розробка наукових основ автоматизованого планування і управління гірничими роботами в кар'єрі” (№ держреєстрації 01860071242), "Розробка методів досліджень геодинамічних процесів у гірничодобувних регіонах" (№ держреєстрації 0101U001420), і госпдоговірною темою “Розробка ефективних технологічних параметрів ведення БВР з урахуванням реалізації проектних рішень з углубки кар'єру №1 ЦГЗКа і впровадження передових вибухових технологій" (№ держреєстрації 0100U003837, керівник - автор).
Мета роботи - розробка ефективних технологічних методів управління якістю вибухової підготовки гірських порід в умовах глибоких залізорудних кар'єрів.
Для її досягнення були поставлені та вирішені такі задачі:
- оцінка впливу основних властивостей і характеристик масиву гірських порід на технологічні рішення й результати БВР, а також основні методи контролю цих характеристик;
- визначення умов формування полів напружень під час вибуху зарядів вибухових речовин (ВР) і дослідження впливу напруженого стану та порушеності масиву на вибухове руйнування гірських порід;
- дослідження впливу тріщиноутворення на розподіл енергії в масиві гірських порід при взаємодії свердловинних зарядів та розвитку зон знеміцнення від напруженого стану масиву, визначення при цьому залежності зміни зон пластичних деформацій і тріщиноутворення від параметрів свердловинних зарядів;
- лабораторні, промислові дослідження вибухового знеміцнення гірських порід, розробка технологічних методів і визначення раціональних параметрів БВР, що забезпечують заданий вплив на масив;
- розробка методики і способів ведення БВР у складних умовах глибоких горизонтів залізорудних кар'єрів з оцінкою сейсмічного впливу вибухів і визначенням умов його мінімізації на основі використання низькоенергетичних неелектричних систем ініціювання;
- разробка структури інтегрованної системи комплексного контролю параметрів і результатів БВР як інструмента управління процесом вибухової підготовки гірничої маси до виїмки.
Основна ідея роботи полягає у використанні ефекту керованого попереднього вибухового знеміцнення гірських порід при їх наступній уступній відбійці.
Об'єктом досліджень є технологія ведення буровибухових робіт у глибоких залізорудних кар'єрах.
Предметом досліджень є методи і параметри БВР при руйнуванні напружено-деформованих гірських порід і результати вибухового впливу на них.
Методи досліджень. Поставлена в дисертаційній роботі мета визначила застосування комплексного методу досліджень, що включає аналіз інформаційних джерел і світового досвіду в області передових методів ведення вибухових робіт і застосування сучасних вибухових матеріалів, теоретичні узагальнення з використанням положень механіки гірських порід, лабораторні і промислові експерименти. При рішенні окремих питань застосовувалися методи статистичного аналізу на базі сучасного програмного забезпечення.
Наукові положення, що захищаються в дисертації:
- підвищення якості підготовки гірничої маси при розробці залізорудних родовищ забезпечується шляхом використання керованого попереднього вибухового знеміцнення масиву гірських порід із застосуванням свердловинних зарядів малого діаметра, що дозволяє підвищити швидкість буріння технологічних свердловин на 5-10%, у порівнянні зі звичайними методами вибухових робіт, і забезпечити високий ступінь подрібнення підірваних гірських порід;
- висока якість подрібнення важкопідриваємих крупноблочних гірських порід на глибоких горизонтах досягається за рахунок режимних параметрів підривання зарядів з застосуванням спеціальних засобів підривання, що дозволяють одержати заданий інтервал уповільнення, необхідний для закриття макротріщин;
- управління вибуховою підготовкою гірничої маси в кар'єрах доцільно здійснювати зміною енергонасичення масиву ВР на основі повноти обліку при проектуванні й виконанні БВР природних і технологічних властивостей масиву гірських порід, що руйнується;
- інтегрована система комплексного контролю параметрів і результатів БВР, що включає підсистеми збору інформації, її обробки й підсистеми прийняття проектних рішень, забезпечує їхню адекватність гірничо-геологічним і гірничотехнічним умовам; при цьому зворотний зв'язок здійснюється шляхом оперативного контролю ефективності прийнятих рішень.
Наукова новизна результатів роботи полягає у наступному:
- вперше розкритий механізм мікротріщиноутворення при попередньому вибуховому знеміцненні масиву гірських порід, що дозволяє обгрунтовано створювати сприятливі умови для подальшого ведення БВР;
- установлені закономірності зниження міцнісних характеристик гірських порід і розвитку зон їх попереднього знеміцнення під впливом багаторазових вибухових навантажень;
- отримані залежності розподілу накопиченої у масиві енергії при різних відстанях від місця підривання, тиску і щільності продуктів детонації, швидкості розповсюдження тріщин;
- вперше установлені залежності зміни зон пластичних деформацій і тріщиноутворення при попередньому вибуховому знеміцненні гірських порід від маси заряду ВР і його діаметра;
- узагальнений і класифікований вплив основних властивостей і характеристик гірських порід на технологічні методи ведення БВР та їх результати в умовах глибоких залізорудних кар'єрів;
- вперше розроблена інтегрована система комплексного контролю параметрів і результатів БВР, яка забезпечує рішення проблеми їхньої адекватності гірничо-геологічним і гірничотехнічним умовам розробки залізорудних родовищ.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю поставлених задач, використанням при теоретичних узагальненнях класичних положень механіки руйнування гірських порід, застосуванням апробованих методів планування експериментів і математичної обробки даних, адекватністю розроблених моделей процесу буровибухової підготовки гірських порід реальному об'єкту, експериментальним підтвердженням розроблених технологічних рішень (похибка до 20%) і позитивних результатів їхнього практичного використання.
Наукове значення роботи полягає у розвитку наукових основ методів підготовки гірничої маси на основі попереднього вибухового знеміцнення масивів гірських порід при їх уступній відбійці.
Практичне значення роботи складається в розробці:
- методики розрахунку параметрів буровибухових робіт, що забезпечують формування заданих областей попереднього вибухового знеміцнення масивів гірських порід;
- методичних рекомендацій з ведення вибухових робіт із застосуванням нових спеціальних засобів здійснення масових вибухів при уступній відбійці гірських порід;
- режимних параметрів підривання важкопідриваємих крупноблочних порід в умовах вузьких робочих площадок;
- рекомендацій з використання розвідницьких свердловин для попереднього вибухового знеміцнення масивів гірських порід;
- системи комплексного контролю параметрів і результатів БВР.
Реалізація результатів досліджень. Використання розроблених у дисертаційній роботі методів керування вибуховою підготовкою гірських порід з урахуванням їх властивостей для умов глибоких залізорудних кар'єрів та застосування нових засобів підривання на основі розробленої автором інструкції по веденню вибухових робіт дозволяє поліпшити якість подрібнення гірничої маси, підвищити надійність підривання свердловинних зарядів і скоротити витрати на гірничі роботи. Впровадження рекомендацій у виробництво на глибоких залізорудних кар'єрах криворізьких гірничо-збагачувальних комбінатів (ЦГЗК, ПівнГЗК, ІнГЗК, ПівдГЗК) дало можливість одержати загальний економічний ефект в розмірі 975,6 тис. грн.
Особистий внесок автора. Автором самостійно сформульовані мета й задачі досліджень, ідея роботи, її наукові положення, висновки й рекомендації, розроблені методика й програма лабораторних і промислових досліджень, інтегрована система комплексного контролю параметрів і результатів БВР, виконані теоретичні узагальнення й отримані аналітичні залежності. Автор брав безпосередню участь у проведенні лабораторних і промислових експериментів, упровадженні результатів досліджень у виробництво. Текст дисертації викладений автором особисто.
Апробація результатів досліджень. Основні положення й результати досліджень по дисертаційній роботі були представлені та схвалені на всесоюзній науково-технічній конференції “Актуальні питання охорони навколишнього середовища від антропогенного впливу” (м. Севастополь, 1990); на першій міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми комплексного освоєння надр” (м. Дніпропетровськ, 1998); на першій міжнародній науково-практичній конференції (м. Дніпропетровськ, 1999); на науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 1999); на другому міжнародному симпозіумі “Оперативний контроль і управління якістю мінеральної сировини при видобутку й переробці” (м. Ялта, 1999); на другій міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми і перспективи використання геоінформаційних технологій у гірничій справі" (м. Дніпропетровськ, 2000); на четвертому міждержавному науковому семінарі "Високоенергетична обробка матеріалів" (м. Дніпропетровськ, 2001); на третій міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми геоінформатики при комплексному освоєнні надр" (м. Дніпропетровськ, 2001); науково-технічній конференції "Основні напрямки розвитку гірничо-металургійного комплексу України в XXI столітті" (Кривий Ріг, 2001).
Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 39 наукових праць, у тому числі 3 – монографії; 31 - у фахових наукових виданнях; 3 – у матеріалах наукових конференцій; 2 – авторські свідоцтва.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 173 найменувань і 3 додатків. Містить 271 сторінку машинописного тексту, 42 малюнка і 14 таблиць. Загальний обсяг 322 сторінки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Неухильне зростання глибини великих залізорудних кар'єрів ускладнює виробництво гірничих робіт. У значній мірі це позначається і на першому, багато в чому визначаючому кінцевий результат, процесі відкритої розробки рудних родовищ – вибуховій підготовці скельної гірничої маси до виїмки. Основною проблемою при цьому є одержання заданих результатів вибуху при забезпеченні технічної й екологічної безпеки й зниженні витрат на БВР.
У рішенні комплексу задач, зв'язаних з рішенням цієї проблеми, досягнуті значні успіхи завдяки роботам вітчизняних і закордонних вчених і практиків Л.І. Барона, Є.Г. Баранова, В.Ф. Бизова, А.О. Вовка, В.Д. Воробйова, В.В. Воробйова, Г.П. Демидюка, М.Ф. Друкованого, Е.І. Єфремова, Г.М. Китача, В.М. Коміра, В.Г. Кравця, М.В. Кривцова, Р.С. Крисіна, Б.М. Кутузова, В.М. Кузнєцова, М. Кука, М.О. Лаврентьєва, У. Лангефорса, В.П. Мартиненка, М.В. Мельникова, Ю.С. Меца, Е.О. Мінделі, В.М. Мосинця, П. Персона, В.Д. Петренка, Г.Й. Покровського, В.М. Родіонова, К.Н. Ткачука, О.В. Шапуріна, П.Й. Федоренка, А.М. Ханукаєва та ін.
У першому розділі викладений аналіз сучасного стану гірничотехнічних умов розробки глибоких залізорудних кар'єрів України і їхньої зміни в останні роки, що дозволив виділити наступні основні характерні риси.
Середньозважена глибина кар'єрів на п'ятьох криворізьких і Полтавському ГЗКах (гірничо-збагачувальних комбінатах) за останнє десятиліття збільшилася на 20м і досягла 250м (глибина Першотравневого кар'єру ПівнГЗКа - 385м, кар'єру ІнГЗКа – 335м).
Збільшення міцності гірських порід і розвиток тріщинуватості через багаторазовий вплив масових вибухів привело до збільшення питомої витрати ВР із 0,8 кг/м3 до 1,0 кг/м3; при цьому зросла частка дорогих водостійких ВР.
Фронт робіт неоднаково змінився в кар'єрах різних ГЗКів. На ПівнГЗК і ЦГЗК він значно скоротився, особливо по руді. Тенденція скорочення характерна і для кар'єру ПГЗК. У той же час довжина фронту гірничих робіт у кар'єрах ПівдГЗКа і ІнГЗКа збільшилася в 1,75-1,8 рази.
Середня ширина робочої площадки по скельним розкривним породам зменшилася за останнє десятиліття з 49,4м до 36,6м, а по руді – з 52,5м до 42,5м. При цьому на окремих кар'єрах (ЦГЗК, НКГЗК і частково ІнГЗК) величина цього параметра складає 20-25м. Це привело до того, що блоки оббурюються трьома-чотирма, іноді двома, рядами свердловин. Форма блоків при цьому найчастіше неправильна. На ділянках переходу від однієї кількості рядів свердловин до іншої спостерігається істотне погіршення якості подрібнення, що обумовлено втратами переваг традиційних схем багаторядного короткосповільненого підривання.
З приведених вище даних наявна невідповідність між порівняно незначним поглибленням кар'єрів і, зв'язаним із цим, збільшенням міцності гірських порід, і ростом питомої витрати ВР. Однією з найбільш істотних причин такого положення є, на наш погляд, збільшення в загальному обсязі блоків, що підриваються, частини масиву, порушеної попередніми вибухами. Ступінь порушеності при цьому неоднорідна: від повної відсутності зв'язку між роздробленими кусками порід до часткового руйнування (унаслідок розкриття тріщин) і, у наступному, утворення локальних поверхонь ослаблення.
В умовах, що склалися, одним із шляхів досягнення заданих результатів є спрямований вибуховий вплив на масив із метою зміни його вихідних характеристик для рішення технологічних задач. Стосовно до глибоких залізорудних кар'єрів - це попереднє вибухове знеміцнення гірських порід.
Тому виникає необхідність у проведенні досліджень із метою визначення впливу умов руйнування на якість подрібнення гірських порід у глибоких кар'єрах і розробки принципово нових методів управління якістю вибухової підготовки гірської маси, заснованих на попередньому вибуховому знеміцненні гірських порід із наступним комплексним контролем параметрів і результатів БВР.
Другий розділ містить теоретичні узагальнення впливу умов руйнування масивів на методи керування подрібненням гірських порід.
Дослідження дії зарядів ВР засновані на порівнянні дії хвиль напружень і квазістатичних полів напружень, виділенні одного з факторів силового впливу в якості основного, застосуванні спрощених фізичних і математичних моделей середовища. Реальні ж процеси руйнування гірських порід у тій чи іншій ступені відрізняються від застосовуваних для них описів. Основними особливостями при цьому є застосування при виробництві вибухових робіт груп свердловинних зарядів циліндричної форми, наявність у масиву, що підривається, вільних поверхонь, значні відмінності реальних гірських порід від моделей, що їх описують.
Виявлені закономірності за результатами розрахунку для скельних порід типу кварциту, з метою визначення радіальних зсувів, швидкостей зсувів, радіальних і тангенціальних деформацій і напружень, дозволяють зробити висновок про те, що для зазначених параметрів має місце наявність трьох компонентів, що знаходяться в обернено пропорційній залежності відповідно від відстані в першому ступені, квадрата відстані й відстані у кубі. Такий розподіл характерний для динамічного симетричного занурення сферичної порожнини в безмежному пружному середовищі при східчастому виді навантаження. При поширенні хвиль напружень від джерела з осьовою симетрією, що відповідає циліндричному заряду, має місце наявність виражених двох компонентів. Динамічні рішення переходять у статичні після приходу фронту хвилі набагато пізніше (більш ніж у 2 рази); у 2-3 рази збільшуються значення самих компонентів.
Порівняння щільностей енергії, характерних для стійкого стану гірських порід, і в стані, близькому до деформації руйнування, дозволяє виділити в частині масиву, пов'язаною з обнаженою поверхнею, зону гранично напруженого стану породи, обумовлену накопиченням гірськими породами потенційної енергії пружного стиску, у якій зменшується величина енергії, що необхідна для руйнування породи. Вибух у попередньо напруженому середовищі вивільняє накопичену енергію деформації як в об’ємі висадженої порожнини (викликаючи додаткове подрібнення матеріалу), так і за її межами.
У глибоких залізорудних кар'єрах масиви гірських порід піддаються багаторазовому динамічному впливу, унаслідок якого розвивається їхня техногенна порушеність. Вона виявляється, у першу чергу, у збільшенні тріщинуватості, викликає зниження міцності порід, їхню дезінтеграцію. Значимість достовірних відомостей про характер порушень у масиві обумовлена тим, що від ступеня тріщинуватості залежить як вибір параметрів вибухових робіт і типу застосовуваних ВР, так і сама якість вибухової підготовки.
Використовуючи моделювання розвитку мікротріщин при вибуху стабільно зростаючою, з визначеною швидкістю, тріщиною в полі розтягуючих напружень, виконана кількісна оцінка середніх довжин кінцевих тріщин для залізистих кварцитів, результати якої приведені на рис. 1.
Як видно з графіків, при типових параметрах ведення вибухових робіт на залізорудних кар'єрах найбільший вплив виявляється на мікродефектність розміром 10-4 - 10-2 м.
При руйнуванні крупноблочних важкопідриваємих гірських порід, питома вага яких зростає зі зниженням рівня гірничих робіт, виникають труднощі з управлінням якістю подрібнення. Найбільші проблеми викликає руйнування верхньої частини блоків, де розкриті тріщини перешкоджають ефективній дії свердловинних зарядів. Аналіз хвиль напружень, що утворяться при вибуху, з урахуванням наявності тріщин у верхній частині масиву, що руйнується, і місць ініціювання свердловинних зарядів, дозволяє зробити висновок про те, що при ініціюванні заряду знизу хвиля напружень від його нижньої частини починає поширюватися раніш, ніж від верхньої, і в розглянутій області відбувається інтерференція хвиль. При цьому хвиля напружень, що поширюється від верхньої частини заряду, затримується в порушеній частині масиву й накладання відбувається в момент, коли обидві хвилі близькі до свого максимуму. Завдяки цьому сумарна напруга зростає, що створює передумови для поліпшення подрібнення верхньої частини уступу, порушеної попередніми вибухами. При ініціюванні заряду зверху затримка хвилі напружень, що поширюється від верхньої частини заряду, також має місце. Однак накладення хвиль напружень відбувається в момент, коли хвиля, що поширюється від верхньої частини, зрушена по фазі щодо хвилі від нижньої частини заряду.
Установленою вважається істотна роль взаємодії хвиль напружень, що викликає складний напружений стан масиву, у руйнуванні гірських порід. Ускладнюється цей стан впливом систем тріщин: як наявних у масиві до вибухового руйнування, так і тих, що з'являються ще до закінчення дії про-дуктів детонації вибухових речовин і перерозподіляють енергію хвиль напружень навколо зарядів. У зв'язку з цим була виконана оцінка впливу тріщиноутворення на розподіл енергії вибуху в масиві гірських порід при короткосповільненому підриванні свердловинних зарядів, що забезпечує їхню взаємодію.
На рис. 2 кожна крива характеризує розподіл енергії пружних напружень, накопиченої у масиві, уздовж прямої, яка паралельна вільній поверхні й знаходиться на лінії між зарядами (y=0) і на відстані 8r0, 32r0, і 48r0. Останнє значення відповідає відстані між зарядами при наступних параметрах: радіус заряду r0=0,125м; швидкість подовжньої хвилі с=5000м/с; швидкість тріщин v=2000м/с; величини лінії найменшого опору й відстані між зарядами W=a=6м.
Позиція а характеризує розподіл енергії при одночасному підриванні, який симетричний щодо кожного із зарядів. Зі збільшенням відстані від заряду спостерігається зростання кількості пружної енергії, накопиченої у середовищі за час між приходом хвилі й тріщини, що досягає максимуму при 8r0. Підривання зарядів з уповільненням tз=2а/с призводить до порушення симетрії розподілу енергії в масиві між зарядами зі зсувом максимумів на всіх кривих убік заряду, що підривається з уповільненням (поз. б). При уповільненні tз=4а/с ще більш збільшується асиметрія дії вибуху. Про це свідчить розподіл накопиченої у середовищі енергії (поз. в). Розглянуті варіанти режимів підривання двох суміжних зарядів показують, що сприятливі умови для руйнування масиву забезпечує підривання з інтервалом уповільнення від 2а/с до 4а/с. Найбільш інтенсивне тріщиноутворення має місце при підриванні з уповільненням, що забезпечує зустріч хвиль між лінією зарядів і вільною поверхнею.
Залежності тиску продуктів детонації від властивостей породи і радіуса тріщиноутворення, щільності продуктів детонації від часу при різних значеннях швидкості поширення тріщин і з урахуванням руху кусків підірваної маси, впливають на вибір інтервалу уповільнення.
У важкопідриваємих крупноблочних породах істотною перешкодою поширення хвиль напружень є макротріщини, що розділяють масив на окремості. Постійні масові вибухи в кар'єрах приводять до додаткового розвитку деформацій тріщинуватого масиву. З урахуванням того, що при існуючих гірничотехнічних умовах у глибоких залізорудних кар'єрах вибу-хові блоки мають незначну ширину (у середньому 3 ряди свердловин або близько 20 м), практично весь масив, що підривається, знаходиться у порушеному стані. З цього погляду зменшення впливу тріщинуватості можливо визначеним режимом підривання, при якому заданий інтервал уповільнення забезпечує закриття тріщин. Виконані розрахунки для силікатно-магнетитових роговиків Інгулецького родовища показали, що необхідний інтервал уповільнення складає 36-40 мс при різному заповненні тріщин. Розроблено відповідні схеми підривання з використанням систем неелектричного ініціювання.
Третій розділ присвячений дослідженням попереднього вибухового знеміцнення гірничих порід, як одного з методів цілеспрямованого впливу на масив, що руйнується.
У зоні знеміцнення, обумовленого розвитком мікропорушень на віддалених відстанях від заряду, масив гірських порід здобуває властивості, відмінні від його вихідного стану. Типові розміри мікротріщин скельних порід практично постійні і складають 100 - 300 мкм, тобто відносно малі в порівнянні з розмірами області знеміцнення, що дозволяє характеризувати їхній розподіл у середовищі як плавне поле.
Відомо, що при вибуху заряду вибухової речовини, у навколишньому масиві мають місце в основному дві зони: зона пластичних деформацій і зона тріщиноутворення.
З використанням положень теорії пластичності Сен-Венана для плоского деформованого стану, отримана формула для визначення радіуса зони пластичних деформацій С за умови відсутності напружень на нескінченності:
, (1)
де r1 – радіус циліндричного заряду; Р0 – тиск продуктів детонації; K - постійна гірських порід, що руйнуються, яка визначається з теорії октаедричних дотичних напружень ; - границя міцності гірських порід на стиск.
Границя поширення зони тріщиноутворення rр визначається з виразу
, (2)
де - границя міцності гірських порід на розтягання.
На основі отриманих залежностей з урахуванням коефіцієнта динамічності визначена кількість вибухової речовини Qп, що одночасно підривається, для утворення необхідної величини зони пластичних деформацій:
, (3)
де L – довжина свердловини; D – швидкість детонації ВР; с – швидкість подовжньої хвилі.
За зоною пластичних деформацій розвиваються радіальні тріщини розриву, які викликані зсувом часток породи в радіальному напрямку. Для утворення цих тріщин необхідно створити зусилля в радіальному напрямку, що перевищують у 3-5 разів границю міцності гірських порід на розтягання. З огляду на це, кількість ВР для одержання необхідної зони тріщиноутворення знаходиться за формулою:
. (4)
Графічна інтерпретація формул для свердловин діаметром 100 і 200 мм приведена на рис. 3 і 4.
Графіки побудовані для порід із коефіцієнтом міцності по шкалі проф. М.М. Протод’яконова 10-18, межа міцності гірських порід на розтягання 5 і 7 МПа, а на одновісний стиск - 130 і 170 Мпа відповідно, швидкість детонації ВР 4800 м/с, довжина свердловини 15 м. Як видно з рис. 3, при діаметрі свердловин 100 мм для збільшення їх до діаметра 400 мм за рахунок утворення зони пластичних деформацій, необхідно у кожній свердловині мати заряд ВР масою від 40 до 50 кг, тоді як для збільшення свердловини за рахунок тріщиноутворення необхідно в кожній свердловині підірвати від 14 до 18 кг ВР, тобто в 3 рази менше.
З рис. 4 видно, що для збільшення діаметра свердловини з 200 мм до 400 мм за рахунок зони пластичних деформацій необхідно мати заряд масою від 90 до 110 кг, тоді як для збільшення діаметра свердловини з 200 мм до 400 мм, за рахунок зони тріщиноутворення, необхідно мати заряд від 18 до 22 кг, тобто в 5 разів менше.
Таким чином, приведені вище формули дозволяють визначити параметри зон пластичних деформацій і тріщиноутворення, а також кількість ВР, що одночасно підривається у свердловині.
У четвертому розділі викладені результати лабораторних і промислових експериментальних досліджень вибухового знеміцнення. Експериментальна оцінка ступеня знеміцнення породи в зоні передруйнування виконується ультразвуковим методом із використанням швидкості подовжньої хвилі як інформативного параметра. Дослідження проводилися в лабораторних умовах на зразках із різними фізико-механічними властивостями. Для оцінки зміни пружних параметрів випробовуваних зразків при різному тиску, що має місце при уступної відбійці масивів гірських порід, нами було розроблено спеціальний пристрій, блок-схема якого приведена на рис. 5. Пристрій складається з генератора 1 ультразвукових хвиль, осцилографа 2, судини 3 з рідиною з убудованими пьєзодатчиками 4; опорного стола 5, що складається з двох частин - матриці 6 і пуансона 7, на якому розташовується зразок 8; преса 9; покажчика 10, укріпленого на дні судини; і шкали 11, нанесеної на опорний стіл, для визначення кута повороту судини.
При роботі пристрою генератор випромінює ультразвукові коливання і на осцилографі реєструється пакет подовжніх і поперечних хвиль. Поворотом судини пакети поперечних і подовжніх хвиль розділяються й ведеться одночасна їхня реєстрація при тиску, що діє на зразок. За розрахованим значенням швидкостей подовжніх і поперечних хвиль визначаються пружні характеристики випробуваних матеріалів.
Сутність лабораторних експериментів зводилася до визначення впливу вибухового знеміцнення на частину масиву, розташованого за межами зони інтенсивного тріщиноутворення, що утворена дією вибуху заряду. У ході експерименту підривали моделі трьох варіантів із різними схемами ініціювання. Аналіз отриманих результатів дозволив зробити висновок про вплив вибухового знеміцнення на зміну механічних властивостей частини масиву (зразка). Середнє значення швидкості свердління зразків, що піддавалися вибуховому впливу, значно менше мінімального значення часу свердління еталонного зразка.
На наступному етапі експерименту в отворах, просвердлених на стенді, формувався заряд із флегматизованого тена масою 500 мг у кожнім. Підривання виконувалося електричним способом. Напрямок ініціювання - від вибою отворів. Усі моделі підривали по одній схемі. Після руйнування кожного блоку визначався гранулометричний склад підірваної маси. За даними результатів серії експериментів були побудовані графіки виходу підірваної маси по фракціях (рис. 6). Результати цих експериментів показують вплив вибухового знеміцнення гірських порід на їх міцнісні характеристики.
Промислові дослідження проводилися в умовах діючого кар'єру. Основними цілями промислових досліджень були: перевірка можливості здійснення запропонованих технологічних рішень у виробничих умовах відкритих гірничих робіт; вибір раціональних параметрів ведення БВР; техніко-економічна оцінка ефективності рішень у порівнянні із застосовуваною технологією БВР; установлення доцільності впровадження запропонованої технології у виробництво й визначення раціональної області її використання у відповідних гірничотехнічних умовах.
Абсолютна оцінка якості вибухового знеміцнення гірських порід, що може бути охарактеризована тріщинною пустотністю, проникністю, з цілком зрозумілих причин утруднена. Тому оцінку ступеня знеміцнення гірських порід у масиві рекомендується робити по двох непрямих критеріях: технічній швидкості буріння й ступені подрібнення гірських порід у результаті їхнього вибухового руйнування. Експериментальні вибухи по відпрацьовуванню параметрів БВР для знеміцнення гірських порід виконувалися первісним підриванням зарядів спеціальних конструкцій у свердловинах, вибурених верстатами СБУ-100 і СБТМ-5 діаметром 100 мм.
Хронометражні спостереження за технічною швидкістю буріння свердловин проводилися в кар'єрі ЦГЗКа. Об'єктами спостережень були блоки на горизонтах + 15 м, + 45 м і + 60 м. При фіксованому осьовому навантаженні на долото й частоті обертання долота (експлуатаційні значення) визначався час, що витрачався на проходку кожної штанги. По знеміцненному масиву бурили технологічні відбійні вертикальні свердловини глибиною 15-17 м по сітці 6х6 м, і похилі оконтурюючі свердловини під кутом 75° глибиною 30-31 м через 2 м одна від однієї (дослідні ділянки). Для порівняльної характеристики хронометражні спостереження виконувалися на контрольних ділянках масиву гірських порід, що не піддавалися попередньому вибуховому знеміцненню. При цьому відхилення значень осьового навантаження на долото на порівнюваних дослідних і контрольних ділянках не перевищували 3% (середнє абсолютне значення 28т), частоти обертання долота - 4% (середнє абсолютне значення 122 об./хв.).
Показники на рис. 7 і 8 дають наочне представлення про технічну швидкість буріння вертикальних технологічних і похилих контурних свердловин на дослідних ділянках, породи яких були піддані попередньому вибуховому знеміцненню, і на контрольних ділянках, де технологічні операції виконувалися відповідно до загальноприйнятого порядку ведення гірничих робіт.
Після оббурювання дослідних блоків технологічними свердловинами й заряджання їх зарядами ВР були зроблені вибухи з метою відбійки гірничої маси. Потім була виконана фотозйомка поверхні підірваної гірничої маси з метою визначення її гранулометричного складу. Такі ж роботи зроблені на контрольних блоках, що знаходилися на одному горизонті (у даному випадку + 45 м) і з подібними гірничо-геологічними умовами. Отримані дані після усереднення представлені в табл. 1.
Таблиця 1
Гранулометричний склад підірваної гірської маси
Ділянка | Процентний вихід фракцій, мм | Розмір
середнього
0-200 | 201-300 | 301-400 | 401-500 | +500 | куска, мм
Дослідна | 72,5 | 9,7 | 9,1 | 3,0 | 5,7 | 176,3
Контрольна | 68,6 | 7,4 | 8,6 | 4,0 | 11,4 | 218,9
Відсутність на залізорудних кар'єрах високопродуктивної бурової техніки для вибурювання вихідних свердловин для знеміцнення масиву дає підставу для застосування технологічних свердловин. У зв'язку з цим був запропонований варіант знеміцнення за допомогою розвідницьких геологічних свердловин діаметром 250 мм, які вибурюються на глибину двох горизонтів.
Визначали параметри БВР при реалізації технології вибухового знеміцнення за допомогою формул, що наведені в розділі 3. Для знеміцнення масиву використовували розвідницькі свердловини діаметром 250 мм і глибиною 30 - 32 м.
Виконані експерименти в кар'єрах № 1 і 2 ЦГЗКа по реалізації розробленої технології вибухового знеміцнення за допомогою спеціальних конструкцій свердловинних зарядів, поміщених у розвідницькі свердловини, були впроваджені у виробництво при річному обсязі 5-7 тис. метрів розвідницьких свердловин.
Застосування вибухової технології знеміцнення дозволяє підвищити якість підірваної гірничої маси, забезпечити рівномірність подрібнення, зменшити розмір середнього куска. При цьому способі підривання застосування розвідницьких свердловин дозволяє витрати по статті буріння звести до мінімуму.
У п'ятому розділі розглянуті особливості ведення БВР на глибоких горизонтах залізорудних кар'єрів.
Однією з основних характерних рис сучасного стану гірничих робіт у великих залізорудних кар'єрах України є залучення у відпрацьовування ділянок кар'єрних полів, виведених раніше на проектні контури відповідно до етапів розробки. Така картина характерна практично для всіх глибоких кар'єрів Кривбасу. Зменшення обсягів розкривних робіт привело також до суміщення уступів, скороченню розмірів робочих площадок, що визначило необхідність вибору раціональних технологічних рішень при веденні БВР.
У таких умовах одержання заданого ступеня подрібнення порід, керування розвалом і зниження сейсмічної дії на охоронювані об'єкти досягається за допомогою спрямованої на заданий обсяг руйнування у визначений інтервал часу дії вибуху. З урахуванням реальних можливостей наявного бурового устаткування використовуються свердловинні заряди з різними кутами нахилу (60о і 75о) і глибиною. Розроблена методика розрахунку дозволяє враховувати обсяг породи, що приходиться на кожну свердловину в залежності від її розташування в масиві й геометрії уступу. Реалізація такого порядку ведення БВР здійснена в кар'єрі №1 ЦГЗКа (рис. 9).
Для підвищення ефективності руйнування гірських порід у розглянутих умовах розроблені нові способи ведення БВР із використанням додаткових горизонтальних і похилих свердловин з боку укосу уступу. Попереднє підривання зарядів цих свердловин забезпечує формування площини щілиноутворення, що випереджає розкол масиву по площині розташування зарядів, і руйнування основного об'єму породи під дією квазіплоскої вибухової хвилі. У результаті експериментальних вибухів визначені раціональні параметри зарядів додаткових свердловин.
Практично у всіх глибоких залізорудних кар'єрах України у даний час використовують технологічні схеми видобутку із застосуванням циклічно-поточної технології (ЦПТ), що включають системи великих інженерних споруджень, безпеку яких необхідно забезпечити при проведенні вибухових робіт. Оцінка цілісності внутрішньокар'єрних об'єктів, які підлягають сейсмічній вибуховій дії з урахуванням її інтенсивності, дозволила установити рівень припустимих коливань для споруджень ЦПТ. При масових вибухах для відповідальних інженерних споруд у кар'єрах за припустиму швидкість коливань, при якій забезпечується їхнє збереження і безпечні умови експлуатації, прийнята сейсмічність 0,06-0,12 м/с. Мінімальний сейсмічний вплив вибухів з урахуванням умов їхнього виробництва у глибоких залізорудних кар'єрах досягається застосуванням посвердловинного уповільнення, що забезпечують системи неелектричного ініціювання, і поєднаному підриванні блоків.
У 1999-2000 р. у залізорудних кар'єрах ГЗКів Кривбасу проведені широкі промислові випробування низькоенергетичних неелектричних систем ініціювання (системи “Примадет”, “Нонель”). Розроблена методика випробувань і оцінка їхніх результатів дозволили встановити, що в порівнянні із системами на основі шнурів, що детонують, і піротехнічних реле уповільнення, системи неелектричного ініціювання мають низку переваг, серед яких помітне зниження сейсмічного впливу вибуху дослідного блоку, тому що кожен свердловинний заряд підривався з індивідуальним уповільненням, і компактна форма розвалу (рис. 10), при розгляді якої ясно видно хвилеподібний характер поверхні гірської маси, що утворюється при взаємодії різночасно підриваємих свердловинних зарядів. Незначні коливання по висоті забезпечили продуктивну роботу навантажувального устаткування.
Шостий розділ присвячений управлінню вибуховою підготовкою гірничої маси на основі комплексного контролю параметрів і результатів БВР.
У практиці проектування й планування вибухових робіт на залізорудних кар'єрах України відсутній єдиний методологічний підхід до врахування параметрів і результатів масових вибухів та нагромадженню їх у спільній базі даних. Контроль результатів масових вибухів і оптимізація параметрів БВР не повинні виконуватися роздільно, ізольовано один від одного. Оптимізація повинна ґрунтуватися на реальному, всебічному врахуванні результатів попередніх вибухів з оцінкою їхнього впливу на техніко-економічні показники технологічного ланцюжка гірничого виробництва. Реалізація даного підходу можлива на базі автоматизованої системи, що контролює параметри БВР і їхній вплив на технологічні процеси (від буріння вибухових свердловин до стадії крупного подрібнення).
Структура інтегрованої системи (рис. 11) включає підсистеми збору інформації, її обробки й підсистеми прийняття проектних рішень. Підсистема збору інформації призначена для оперативного виміру параметрів технологічних процесів відкритої розробки, зв'язаних із результатами БВР, включаючи продуктивність дробильного й гірничо-транспортного устаткування.
Ключовим елементом цієї підсистеми є модуль визначення гранулометричного складу підірваної гірської маси на основі аналізу зображень її поверхні в характерних точках технологічного ланцюжка: розвал, екскаваторний забій, кузов транспортного засобу, бункер-живильник, конвейєрна стрічка. Результати вимірів представляються у вигляді таблиць або графіків, що є основою для наступного аналізу.
У роботі систематизований вплив основних властивостей і характеристик масиву гірських порід на технологічні рішення й результати буровибухових робіт, а також основні методи контролю цих характеристик. Для управління вибуховою підготовкою особливе значення має всебічне врахування вихідного стану масиву, у першу чергу, його блочності й закономірності її зміни.
Оцінка ефективності БВР, на основі порівняння розподілу розмірів блоків у масиві й розвалі підірваної гірської породи, включає наступні етапи.
I. Статистичний аналіз тріщин, що розділяють скельний масив:
- підготовка вихідної інформації про тріщинуватість оцінюваного масиву;
- графічне представлення інформації у виді стереограм (для поділу тріщин по групах);
- класифікація тріщин на групи з використанням статистичних методів;
- статистичний аналіз геометричних властивостей різних груп тріщин;
- розрахунок параметрів і підготовка вихідної інформації для блокометричного аналізу.
II. Просторове моделювання систем тріщин, оцінка блоків, що складають масив гірських порід, і побудова кумулятивних графіків розподілу природних окремостей у масиві.
III. Аналіз фотографічних зображень підірваної гірської маси й побудова графіків її гранулометричного складу.
IV. Оцінка показника подрібнення (відношення середнього розміру окремості в масиві до середнього розміру куска після вибуху) і ефективності БВР.
Розроблена геоінформаційна модель процесу вибухової підготовки гірської маси до виїмки, що включає сукупність вихідної геолого-маркшейдерської інформації; інформації про способи вибухового впливу на масив, використовувані вибухові матеріали й технологічні рішення; інформації про результати вибуху; методи обробки інформації при формуванні й коректуванні елементів моделі. Інформація при цьому представлена у вигляді багатомірних масивів, а правила являють собою розрахункові алгоритми й методи моделювання.
Для досягнення ефективного результату при проектуванні БВР на кар'єрах доцільно оцінювати системні властивості буровибухового комплексу. Функціонування двох систем для порівняння розглянутого об'єкта з аналогом представляються у загальному вигляді залежностями виду S=F(P,R), де P - зроблена продукція (корисний результат); R - витрачені виробничі ресурси. Для комплексу БВР зробленою продукцією є підготовлена до виїмки гірська маса, а під виробничими ресурсами приймаємо наявні ресурси, застосування яких у повному обсязі дає можливість здійснювати технологічний процес.
При заданому для розглянутої системи значенні результату Р (P=const), у кожну наступну підсистему буровибухового комплексу (і=1, 2,… m), порівняльну оцінку якої необхідно виконати за критерієм S, включаються елементи даної і всіх попередніх стадій виробничого процесу, так що підсистема з індексом m буде тотожна на даному етапі системі в цілому. Тоді характер зміни S відповідних
