Министерство образования и науки Украины
Міністерство освіти і науки України
Національний гірничий університет
КУПЕНКО Іван Володимирович
УДК 622.235:622.252
ОБҐРУНТУВАННЯ ЕФЕКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ БУРОПІДРИВНИХ РОБІТ ПРИ ПРОХОДЦІ ВЕРТИКАЛЬНИХ ШАХТНИХ СТВОЛІВ
Спеціальність 05.15.04 - “Шахтне та підземне будівництво”
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ – 2004
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі “Будівництво шахт та підземних споруд” Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,
Шевцов Микола Романович, завідувач кафедри “Будівництво шахт і підземних споруд” Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор, СОБОЛЄВ Валерій Вікторович, професор кафедри “Будівельні геотехнології та геомеханіка” Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)
кандидат технічних наук, ШТЕЛЬМАХ Анатолій Степанович, заступник голови правління з капітального будівництва ВАТ “Криворізький залізорудний комбінат”
Провідна установа – Донбаський державний технічний університет, кафедра “Будівельні геотехнології і гірничі споруди”, Міністерства освіти і науки України, (м. Алчевськ).
Захист дисертації відбудеться “17” грудня 2004 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України
(49027, Україна, м. Дніпропетровськ – 27, просп. К. Маркса, 19).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України
(49027, Україна, м. Дніпропетровськ – 27, просп. К.Маркса, 19).
Автореферат розісланий “16” листопада 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент О.В. Солодянкін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Успішна реалізація заходів щодо реконструкції діючих і будівництва нових вугільних шахт, що передбачені програмою “Українське вугілля”, неможлива без спорудження капітальних гірничих виробок, серед яких особливе місце за технологічною специфікою та функціональним значенням займають вертикальні стволи.
В останні роки переважна більшість вертикальних шахтних стволів у нашій країні споруджується із застосуванням буропідривної технології. Однак рівень техніко-економічних показників і безпеки підривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів найчастіше недостатньо високий. Одна з головних причин цього – відкази і неповні детонації шпурових зарядів вибухових речовин (ВР) при веденні підривних робіт.
Тому, одним з найважливіших напрямків підвищення ефективності і безпеки буропідривної технології робіт при проходці вертикальних шахтних стволів слід вважати забезпечення стійкості детонації зарядів ВР.
Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дисертаційна робота виконана у рамках держбюджетних тем Г-10-2000 (№ державної реєстрації 0100U001071) та Н-6-2000. Автор дисертаційної роботи був відповідальним виконавцем окремих розділів цих НДР.
Мета досліджень – удосконалення технології буропідривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів на основі попередження відказів і неповних детонацій шпурових зарядів ВР.
Для досягнення мети в дисертаційній роботі поставлені наступні задачі.
1.
Виконати аналіз можливих причин неповних детонацій і відказів шпурових зарядів ВР при груповому підриванні.
2.
Провести шахтні експерименти з дослідження процесу порушення суцільності заряду ВР у вертикальному водозаповненому шпурі в результаті вибуху зближеного заряду.
3.
Провести аналітичні й експериментальні дослідження процесу воронкоутворення в різних гірничо-геологічних умовах підривання, встановити максимально можливі розміри зони вибою ствола, у межах якої можливе підсікання шпурового заряду ВР.
4.
Розробити і впровадити рекомендації щодо підвищення ефективності буропідривної технології проходки вертикальних шахтних стволів за рахунок забезпечення стійкості детонації шпурових зарядів ВР.
Ідея роботи полягає в комплексному розгляді процесів, що приводять до відказів шпурових зарядів при буропідривних роботах у вертикальних шахтних стволах.
Об'єкт дослідження – технологія буропідривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів.
Предмет дослідження – стійкість детонації шпурових зарядів ВР при веденні підривних робіт у вертикальних шахтних стволах.
Методи досліджень. Для досягнення поставленої в роботі мети використаний комплексний метод дослідження, що включає шахтні експерименти з вивчення динаміки переміщення патронів ВР у водозаповнених вертикальних шпурах вибухом зближених шпурових зарядів; аналітичні й експериментальні дослідження процесу воронкоутворення в результаті підривання шпурових зарядів ВР у різних гірничо-геологічних умовах; лабораторні експерименти з визначення відстані передачі детонації між патронами ВР і з вивчення впливу розташування електродетонатора у патроні-бойовику на повноту детонації шпурового заряду ВР; статистичну обробку результатів зазначених вище експериментів з використанням ЕОМ, дослідно-промислову перевірку розробленої технології буропідривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів.
Наукові положення, що виносяться на захист.
1.
Патрони заряду ВР у вертикальних шпурах розсовуються під дією хвилі розрідження на величину, що змінюється за експонентною залежністю і досягає небезпечних з умов передачі детонації меж через 18 мс після вибуху сусіднього заряду на відстані до 0,7 м у шпурах, заповнених водою і гранульованим шлаком, що дозволило скорегувати часові параметри електричного способу підривання.
2.
Максимально можливий радіус воронки вибуху шпурових зарядів ВР у скельних породах не залежить від їхньої міцності і при величині потенційної енергії вибуху з урахуванням коефіцієнта заряджання шпурів (фактичної енергії шпурового заряду ВР), що приблизно дорівнює 350 кДж, досягає свого граничного значення рівного 0,82 м для “сухих” шпурів, а у підтопленому водою вибої – 0,15...0,20 м при довжині лінії найменшого опору 3,3 м, що дозволяє розробити вимоги до схеми розташування шпурів при проходці вертикальних шахтних стволів.
Наукова новизна отриманих результатів.
1.
Вперше експериментально встановлено, що у вертикальних шпурах, заповнених водою, спостерігається переміщення патронів ВР на величину до 76 мм від дії вибуху сусіднього шпурового заряду на відстані до 1,1 м, а при наявності в шпурі запираючої набійки з гранульованого шлаку переміщення зареєстроване навіть при її величині, майже в 5 разів більшій за нормативне значення (0,3 м), при відстані між шпуровими зарядами рівній 0,4 м і відсутнє при відстані рівній 0,7 м; при цьому небезпечна ситуація з позиції одержання неповних детонацій виникає при відстані між патронами ВР в шпурі з водою рівній 64 мм і більш.
2.
Вперше експериментально встановлено, що характер динаміки переміщення патронів ВР від дії вибуху зближеного заряду уздовж осі вертикального водозаповненого шпуру не залежить від довжини розміщеної в ньому замикаючої набійки із граншлака і відстані від шпуру до зближеного заряду.
3.
Уперше встановлено і підтверджено вибухами в скельних породах, що енергетичним показником зовнішньої дії заряду ВР при воронкоутворенні є фактична енергія вибуху в зарядній камері, тобто потенційна теплота вибуху ВВ з урахуванням коефіцієнта заряджання шпуру Qш = qBРmзар(dзар / dш)2.
Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджені коректністю застосування фундаментальних положень фізики вибуху і постановки шахтних експериментів щодо взаємодії зарядів і воронкоутворення, застосуванням комп'ютерних програм при аналізі результатів досліджень, задовільною збіжністю експериментальних і розрахункових даних (20%), а також позитивними результатами дослідно-промислової перевірки розроблених рекомендацій.
Наукове значення роботи полягає у розкритті умов стійкості детонації шпурових зарядів ВР при буропідривній технології проходки вертикальних шахтних стволів.
Практичне значення роботи полягає у встановленні просторових і часових параметрів процесу ініціювання шпурових зарядів ВР, що дозволяють підвищити ефективність підривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів за буропідривною технологією у різних гірничо-геологічних умовах.
Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Розроблені рекомендації з підвищення ефективності і безпеки підривання шпурових зарядів ВР у вертикальних шахтних стволах були впроваджені при проходці повітроподаючого ствола № 2 АП “Шахта ім. О.Ф. Засядько”. Керівництвом ДВАТ “Трест Донецькшахтопроходка” прийняте рішення використовувати ці рекомендації при проходці усіх вертикальних шахтних стволів Донбасу.
Особистий внесок автора: постановка задач досліджень, участь у розробці методик, постановка і проведення лабораторних і шахтних експериментів, виконання математично-статистичної обробки з використанням ЕОМ результатів досліджень; розробка рекомендацій з підвищення ефективності буропідривних робіт у вертикальних шахтних стволах; участь у впровадженні розробленої технології буропідривних робіт при проходці вертикальних стволів.
Апробація роботи. Основні положення роботи та окремих її етапів обговорювалися і були схвалені на IX міжнародній науково-технічній конференції „Машиностроение и техносфера XXI века” (Севастополь, 2002 р.), регіональній (ДонНТУ, 2002 р.) і міжнародній студентській науково-технічній конференції (ДонНТУ, 2004 р.), міжнародній науково-технічній конференції з шахтного та підземного будівництва (Донецьк, 2004 р.) і на розширеному засіданні кафедри БШ та ПС ДонНТУ (2004 р.).
Публікації. Основні положення роботи опубліковані у 10 друкованих роботах із яких 7 – статті у фахових виданнях, 1 – стаття у збірнику матеріалів науково-практичної конференції, 1 – патент на винахід, 1 – підручник.
Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 4 розділи і висновки; 44 рисунки, 13 таблиць, список літературних джерел із 105 найменувань і 5 додатків; викладена на 128 сторінках машинописного тексту, загальний обсяг 182 сторінки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі даної роботи проведений аналіз стану буропідривної технології проходки вертикальних шахтних стволів.
Буропідривні роботи є одним з найважливіших елементів прохідницького циклу при спорудженні стволів – їхня питома вага у загальному обсязі в окремих випадках може досягати 40...50%. Основною особливістю ведення підривних робіт у стволах є наявність води у вибої і відповідно в шпурах. В якості ВР у переважній більшості випадків застосуються амонал скельний № 1 пресований (II клас) у патронах діаметром 45 мм, довжиною 180 мм і масою 0,4 кг. Шпури діаметром 52 мм майже завжди буряться за допомогою бурильних установок типу БУКС-1м. Їхня глибина визначається міцністю пересічних порід, характеристиками бурильних установок, припустимим значенням відстані від вибою ствола до опалубки. Шпури у вибої ствола із круглою формою поперечного перерізу найчастіше розміщаються на трьох-чотирьох концентричних окружностях, причому врубові та контурні шпури можуть розташовуватися як на одній, так і на двох окружностях. Як засоби ініціювання найчастіше використовуються електродетонатори ЕДКУ-0П, ЕДКУ-ПМ і ЕДУД. Матеріал набійки шпурів – гранульований шлак у сполученні з гидронабійкою.
Як показав аналіз 34 паспортів БПР, що використовувалися при проходці вертикальних шахтних стволів у Донбасі в останні роки і діючих у даний час, найбільш поширені схеми розташування шпурів, що припускають застосування коротких контурних шпурів. Використання таких шпурів обумовлене тим, що постійне кріплення ствола (опалубка) не дозволяє пробурити бурильною установкою шпури нормальної глибини так, щоб їхній вибій не виходив за межі проектного контуру виробки. Крім того, підривання зарядів коротких контурних шпурів дозволяє уникнути виникнення недоборів породи, знизити ступінь шорсткості стінок виробки, тобто визначають точність проектного контуру ствола.
Багаторічний досвід проходки вертикальних шахтних стволів у Донбасі свідчить, що при підривних роботах систематичні неповні детонації і відкази зарядів ВР, найбільш часто виникають у контурних шпурах. Очевидно, що дане явище має дуже негативний вплив на ефективність і безпеку підривних робіт.
Проведений детальний аналіз дозволив виявити дві основні причини виникнення цих негативних процесів в умовах проходки вертикальних шахтних стволів. Перша причина – осьове переміщення патронів ВР у шпурах під дією вибуху сусідніх зарядів ВР. Дослідженнями цього процесу займалися В.І. Стикачов, В.М. Мегеря, М.Р. Шевцов та О.С. Лисенко. У роботах цих авторів досить повно вивчені умови і динаміка процесу переміщення патронів ВР у горизонтальних і похилих шпурах (як “сухих”, так і заповнених водою) від вибуху зближених шпурових зарядів. Однак, особливості даного процесу у вертикальних водозаповнених шпурах з набійкою із гранульованого шлаку, тобто в умовах ведення підривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів дотепер не досліджувалися. Друга причина – порушення суцільності заряду ВР у результаті дії процесу воронкоутворення, викликаного вибухом сусіднього шпурового заряду. Основи геомеханіки гірських порід і процесу воронкоутворення в результаті підривання зарядів ВР у піску, ґрунтах, глинах, вугіллі і скельних гірських породах (у горизонтальних і вертикальних “сухих” шпурах) детально досліджувалися багатьма видатними вченими, у тому числі О.М. Шашенко, А.М. Роєнко, В.В. Левіт, Г.Г. Литвинський, Г.І. Покровський, О.Є. Власов, М.М. Боресков, Л.І. Барон, Г.А. Поляк, Б.М. Кукиб, В.І. Стикачов, М.Р. Шевцов, М.Л. Росинський, С.П. Левчик, Б.І. Вайнштейн, Б.Я. Светлов, С.О. Калякін та інші. Проте, аналіз відомих робіт показав, що процес воронкоутворення при підривних роботах в умовах підтоплення вибою водою не був вивчений дотепер.
У другому розділі даної роботи проведене експериментальне дослідження динаміки осьового переміщення патронів ВР у вертикальних шпурах у результаті вибуху зближених шпурових зарядів.
Для розробки схеми розташування шпурів при експериментальному вивченні динаміки можливого осьового переміщення патронів ВР у вертикальних водозаповнених шпурах з набійкою із гранульовоного шлака, при груповому підриванні шпурових зарядів ВР у першому наближенні була оцінена величина площі ділянки вибою вертикального ствола, на якій діє хвиля розрідження, що виникає від вибуху шпурового заряду ВР. Виходячи з цієї оцінки відстань між бойовим і досліджуваним шпурами (з деяким запасом із умов безпеки) було прийнято 0,4; 0,7 і 1,1 м. Глибина “бойового” шпура складала 3,0 м, а маса його заряда – 3,6 кг (9 патронів амоналу скельного № 1 пресованого довжиною 0,18 м кожний). Глибина досліджуваних шпурів була прийнята рівною 2,5 м. Вони заряджалися патронами-макетами довжиною 180 мм, діаметром 45 мм і масою 0,4 кг. Довжина набійки в досліджуваних шпурах (водяною, чи водяною у сполученні з запираючою із гранульованого шлаку) була прийнята приблизно такий, як і в “бойовому”. Для цього в кожний з них містилося 6 патронів-імітаторів. При такій конструкції досліджуваного заряду довжина набійки дорівнювала 1,42 м. Верхній патрон був імітатором патрона-бойовика. Він забезпечувався магнітом, що у сукупності з датчиком на основі герконів і використовувався для реєстрації процесу переміщення патрона. Як відомо, принцип дії цього датчика такий. Якщо розмістити датчик з герконами уздовж шпуру, а до патрона прикріпити магніт, то при проходженні магніту біля датчика геркон змінить свій стан. У випадку розміщення уздовж шпуру декількох герконів на деякій відстані один від іншого можна визначити час проходження патроном ділянок між ними, а відповідно, і швидкість руху патрона. Для фіксації результатів спрацьовування датчика в експерименті використовувався осцилограф Н102.
Напруга батареї живлення датчиків складала 1,5 В, а опори підбиралися таким чином, щоб струм при усіх варіантах замикання ланцюга був менше максимально припустимого вхідного струму на канал осцилографа. Таким чином, струм при замиканні першого геркона складав 0,500 мА, при замиканні другого гекона – 0,375 мА, при замиканні третього геркона – 0,300 мА (при розрахунках опорів ланцюга не враховувався внутрішній опір вхідного каналу осцилографа через його малу величину). Відстані між герконами підбиралися таким чином, щоб не перекривалися діапазони їхнього спрацьовування. Після виготовлення датчиків і патронів у лабораторії БПР ДонНТУ була проведена тарировка спрацьовування датчиків, причому кожному з 5 використаних в експерименті датчиків був зіставлений свій патрон з магнітом (надалі вони використовувалися в одному шпурі). Для кріплення датчика в шпурі використовувався спеціальний дерев'яний клин і сталевий дріт.
Експеримент проводився в умовах проходки вентиляційного ствола шахти “Зоря” ДХК “Сніжнеантрацит”. На момент проведення експерименту глибина ствола складала 530 м; діаметр ствола – 6,5 м. Гірничо-геологічні умови проходки: міцність порід за шкалою проф. М.М. Протод'яконова (на глибині 530 м) – f = 7...8; приплив води у вибої ствола – 9 м3/год; кут падіння порід – 10...12° Розшифровка осцилограми, отриманої в результаті експерименту, показала, що при відсутності запираючої набійки з граншлака у вертикальних шпурах, заповнених водою, можливе переміщення патронів ВР на величину 54...70 мм і більш від вибуху сусіднього заряду на відстані 0,4...1,1 м; у той же час при наявності в шпурі сипучої набійки з граншлака довжиною 1,42 м переміщення патронів ВР спостерігалося при відстані між “бойовим” і досліджуваним шпурами рівній 0,4 м і було відсутнє при відстані рівній 0,7 м. За допомогою методу найменших квадратів була встановлена залежність зміни величини переміщення патронів у часі:
lпер = 76ехр (–2,8/ t), (1)
де lпер – величина переміщення патронів, мм;
t – час, що пройшов до початку переміщення патронів, мс.
Той факт, що функціональна залежність (1) побудована на даних, отриманих як у водозаповнених шпурах без набійки з граншалака, так і з набійкою, свідчить про те, що граншлак у водозаповнених шпурах не розклинюється, а переміщається у виді системи, що нагадує пульпу.
Для оцінки ступеня небезпеки з позицій одержання відказів установленої величини осьового переміщення патронів ВР у шпурах, заповнених водою на заводі ДКЗХВ були проведені іспити на передачу детонації між двома патронами амоналу скельного № 1 пресованого в сухому виді і після замочки останніх у воді протягом 3 годин на глибині 1 м. З огляду на результати цих досліджень, а також відомі результати іспитів різних типів ВР на передачу детонації через повітря, воду, породні і вугільні таблетки було показано, що дальність передачі детонації між стандартними патронами амоналу скельного № 1 пресованого в шпурах через водяні проміжки не перевищує 64...71 мм. Розрахунки за допомогою формули (1) з урахуванням цих даних показують, що небезпечна ситуація з позиції виникнення неповних детонацій та відказів може наступити внаслідок осьового переміщення патронів через 18...35 мс після підривання зближеного заряду ВР.
У третьому розділі були встановлені максимально можливі розміри (радіуси) воронки вибуху шпурових зарядів ВР для різних гірничо-геологічних умов проходок вертикальних шахтних стволів.
В усіх відомих роботах процес воронкоутворення вивчався стосовно до конкретних типів ВР і конструкцій заряду. Тому, як енергетичний показник вибуху заряду ВР виступала потенційна теплота ВР, трансформована в залежності від виду розв'язуваної задачі в той чи інший енергетичний параметр: відношення маси еквівалентного заряду до маси випробуваного заряду, загальна теплота вибуху ВР (добуток питомої теплоти вибуху ВР на масу заряду ВР), лінійна енергія вибуху ВР (енергія 1 м заряду ВР), об'ємна концентрація енергії (добуток питомої теплоти вибуху ВР на щільність ВР), працездатність ВР та інші.
У даній роботі ставиться задача встановлення загальних закономірностей воронкоутворення для того, щоб на їхній підставі установити можливі величини радіуса воронки вибуху при веденні підривних робіт у вертикальних стволах незалежно від типу застосовуваного ВР.
Тому як енергетичний параметр уведена “фактична енергія продуктів вибуху шпурового заряду ВР”, (Qш), а саме:
Qш = qBРmзаркзар , (2)
де qВР – потенційна енергія вибуху заряду ВР, кдж/кг; mзар – маса заряду, що підривається, ВР, кг; кзар – коефіцієнт заряджання шпуру.
кзар = (dзар / dш)2, (3)
де dзар – діаметр заряду, мм; dш – діаметр шпуру, мм.
Підставивши (3) у (2) одержимо:
Qш = qBРmзар(dзар / dш)2 . (4)
Для підтвердження вірогідності даного параметра були математично оброблені відомі експериментальні дані з воронкоутворення при підриванні зарядів ВР із різною величиною Qш у середовищах із приблизно рівними коефіцієнтами міцності за шкалою проф. М.М. Протод'яконова f = 0,5...1 (при обробці даних використовувалися такі комп'ютерні програми: Microsoft Excel XP, Curve Expert 1.3, Advanced Grapher 2.08, MathCad 2001). Заряди підривали у вертикальних “сухих” шпурах. З огляду на те, що радіус воронки вибуху змінюється в залежності від ЛНО за параболічним законом (доведено багатьма вченими при підриванні зарядів у різних умовах), для кожної залежності були визначені максимальні значення радіуса воронки вибуху rmax і відповідні їм величини W. Для дослідження залежностей радіуса воронки вибуху від довжини ЛНО r = f(W) при підриванні у піску (f = 0,5), ґрунті і глині (f = 0,8…1,0) отримані результати розрахунку Qш, W і r були розбиті на 3 і 1 інтервал відповідно, для кожної кривої було розраховано середнє значення Qш.ср. Використовуючи результати дослідження отриманих параболічних залежностей був побудований графік залежності максимального радіуса воронки вибуху в піску, ґрунтах і глинах від Qш, що описується експонентою наступного виду (коефіцієнт кореляції дорівнює 0,99):
rmax = 1,50·exp(–166,85/Qш). (5)
Таким чином, проведені дослідження на значному обсязі масиву експериментальних даних (104 значення) переконливо підтвердили інформативність прийнятого показника дії вибуху – фактичної енергії продуктів вибуху шпурового заряду. На базі даного енергетичного параметра представилося можливим установити верхнє граничне значення радіуса воронки вибуху зарядів ВР у “сухих” шпурах, що може реалізуватися при проходці вертикальних шахтних стволів. Ця задача була вирішена шляхом математичної обробки відомих експериментальних даних при підриванні у вугіллі (f=1,5) і скельних породах (f = 10...12). Отримані результати розрахунку Qш, W і r були розбиті на 4 і 2 інтервали відповідно, для кожної кривої виду r = f(W) було розраховано середнє значення Qш.ср.
Оскільки відомі дані про залежність r = f(W) при підриванні в скельних гірських породах при дуже малих значеннях ЛНО (до 0,1 м) були відсутні, ця залежність була отримана у результаті проведення експерименту на моделях з еквівалентних матеріалів (f=8). Дослідження проводилися в лабораторії буропідривних робіт Донецького національного технічного університету. Вибір матеріалу моделей, способів і засобів ініціювання модельних зарядів ВР здійснювався за відомою методикою. Глибина і діаметр воронки вимірялися за допомогою штангенциркуля, причому за значення діаметра приймалося середнє арифметичне від вимірів у взаємо-перпендикулярних напрямках. У результаті обробки результатів цих лабораторних експериментів отримано, що rmax = 0,07 м при W = 0,06 м.
Використовуючи результати дослідження отриманих параболічних залежностей був побудований графік залежності максимального радіуса воронки вибуху у вугіллі та скельних породах (рис. 1), що описується експонентою наступного виду:
rmax = 0,82·exp(–8,37/Qш). (6)
Рис. 1. Залежність максимально можливого радіуса воронки вибуху від фактичної енергії вибуху при підриванні:
? – у вугільному пласті;
+ – у скельних породах;
x – у гіпсоцементних блоках.
Порівняння даної залежності із залежністю (5), отриманої для умов підривання в піску, ґрунті і глині, показує, що процес воронкоутворення підкоряється одному експонентному закону. Однак при рівних значеннях енергії шпурового заряду максимальний радіус воронки вибуху в скельних породах значно нижче, ніж у ґрунтах і піску. Його граничне значення дорівнює 0,82 м незалежно від міцності порід і напрямку розташування шпурів. Аналіз робіт М.Р. Шевцова і С.О. Калякіна показав, що максимальний радіус воронки вибуху зарядів у шпурах, наповнених водою (без підтоплення вибою) приблизно на 28% більше максимального радіуса воронки вибуху зарядів у “сухих” шпурах, тобто дорівнює 1,05 м.
З аналізу залежностей (5) і (6) випливає дуже важливий науковий і практичний висновок про те, що з перевищенням фактичної енергії продуктів вибуху шпурового заряду до деякого граничного значення, максимально можливий радіус воронки вибуху практично є величиною постійною для даних умов підривання; при підриванні в скельних гірських породах будь-якої міцності це граничне значення близьке до 350 кДж. Тому для встановлення максимально можливого радіуса воронки вибуху шпурового заряду в стволах з підтопленням вибою водою досить провести експериментальні підривання в масиві скельних гірських порід з будь-яким значенням коефіцієнта міцності за шкалою проф. М.М. Протод'яконова (проходка устя ствола і технологічного відходу здійснюється, як правило, у сипучих і глинистих породах без застосування буропідривної технології).
Виходячи із сучасних представлень про фізику руйнування гірських порід вибухом принципова, схема воронкоутворення для умов підривання при підтопленому водою вибої характеризується наступними особливостями. З підтопленням вибою максимально можлива глибина проникнення хвилі розрідження всередину розташованої над зарядом середовища, що підривається, буде залишатися в першому наближенні величиною постійною. У той же час місце розташування мнимого заряду ВР буде віддалятися від вибою ствола на величину рівну товщині шару води. Отже, чим більше товщина шару води над вибоєм ствола тим менше радіус воронки вибуху. При товщині шару води, що перевищує можливу для даних умов глибину проникнення хвилі розрідження в гірський масив воронка не утвориться.
Через складність теоретичного опису даного процесу задача із встановлення максимально можливої величини радіуса воронки вибуху в підтопленому водою вибої вирішувалася експериментальним шляхом. Шахтні експерименти проведені в умовах проходки вентиляційного ствола на шахті “Зоря” ДХК “Сніжнеантрацит”. Методика досліджень була наступною. У стволі підривалися заряди амоналу скельного № 1 пресованого. Шпури бурилися перпендикулярно вибою ствола. Причому схема їхнього розміщення була обрана такою, щоб вибух одного шпурового заряду не впливав на сусідній (відстань між шпурами складала не менш 1,7 м). Діаметр шпурів приймався рівним 52 мм, діаметр патронів – 45 мм. Породи – глинисті сланці з f = 7. При заряджанні контролювалися довжина шпуру і довжина стовпчика заряду. Перед вибухом вибій був підтоплений водою приблизно на 0,25 м у районі центрального шпуру і на 0,20 м у районі інших шпурів комплекту. Підривання здійснювалося електродетонаторами миттєвої дії ЕДКУ-0П. Після підривання вироблявся вимір воронок, що утворилися в породному масиві. Воронку вибуху вимірювали у двох взаємно перпендикулярних напрямках; за діаметр воронки брали середнє арифметичне значення двох взаємно перпендикулярних діаметрів. Установлено, що закономірність зміни радіуса воронки вибуху зарядів ВР у цих умовах може бути апроксимована прямою наступного виду (коефіцієнт кореляції дорівнює 0,86):
r = 0,58 – 0,12W . (7)
Аналіз залежності (7) показує, що при діючих паспортах БПР у вертикальних шахтних стволах максимально можливий радіус воронки вибуху в умовах підтоплення вибою на висоту 0,20...0,25 м для зарядів відбійних шпурів (W =3,3 м) дорівнює 0,20 м, а для “коротких” контурних (W = 1,1...1,2) – 0,47 м.
У четвертому розділі розроблені ефективні параметри буропідривної технології при проходці вертикальних стволів вугільних шахт за рахунок забезпечення стійкості детонації шпурових зарядів ВР.
Теоретичні й експериментальні дослідження, проведені в розділах 2 і 3, дозволили сформулювати основні умови стійкості детонації зарядів ВР у вертикальних шахтних стволах (вибій перед підриванням підтоплений на висоту не менш 0,2 м): застосування запираючої набійки із граншлака на всю довжину вільного від заряду простору шпуру; розташування шпурових зарядів на відстані не менше 0,7 м один від іншого; застосування короткоуповільненого підривання (у цьому випадку час між вибухами зарядів, розташованих ближче, ніж 0,7 м один від одного повинен бути не менш 18 мс. При цьому найбільш переважно використовувати зворотний спосіб ініціювання незалежно від ступеня обводненості ствола. Крім того, запропонований ряд додаткових заходів, що дозволяють підвищити стійкість детонації шпурових зарядів ВР і тим самим ефективність підривних робіт, а саме: використання в “коротких” контурних шпурах пасивних пресованих патронів, призначених для виготовлення патронів-бойовиків, тобто з осьовою виїмкою в торцевій частини, причому всі поглиблення повинні бути орієнтовані в напрямку стовпчика заряду; використання суцільних зарядів та ін.
Відповідно до даних умов були розроблені часові параметри процесу ініціювання шпурових зарядів для умов проходки повітроподаючого ствола № 2 на АП “Шахта ім. А.Ф. Засядько” (табл. 1, схема розташування шпурів приведена на рис. 2).
Таблиця 1
Черговість підривання шпурових зарядів ВР при проходці повітроподаючого ствола № 2 на АП “Шахта ім. О.Ф. Засядько”
Номера шпурів на схемі | Діаметр окружностей, м | Тип електродетонатора | Час спрацьовування ЕД за номіналом, мс | Максимальний розкид за часом спрацьовування ЕД, мс | Фактичний час спрацьовування ЕД, мс
1…4 | 2,0 | DEM-0Z | 0 | 4 | 0…4
5…12 | 3,0 | DEM-2Z | 50 | 4 | 46…50
13…28 | 4,2 | DEM-4Z | 100 | 8 | 92…100
29…48 | 6,0 | DEM-6Z | 150 | 12 | 138…150
49…76 | 7,4 | DEM-9Z | 225 | 18 | 207…225
77…90 | 7,6 | DEM-9Z | 225 | 18 | 207…225
Застосування цих параметрів дозволило цілком виключити виникнення неповних детонацій та відказів. У даному розділі підтверджено, що при підривних роботах у вертикальних стволах зворотний спосіб ініціювання має ряд додаткових переваг у порівнянні з прямим і дозволяє значно підвищити ефективність підривних робіт. Порівняльні результати застосування прямого і зворотного способів ініціювання шпурових зарядів ВР при проходці повітроподаючого ствола № 2 на АП “Шахта ім. О.Ф. Засядько” приведені в табл. 2.
Таблиця 2
Результати ведення підривних робіт при проходці повітроподаючого ствола № 2 на АП “Шахта ім. О.Ф. Засядько”
Спосіб ініціювання шпурових зарядів ВР | Міцність пересічних порід за шкалою проф. М.М. Протодяконова | Глибина ствола, м | Число підривань | Тривалість II фази прибирання породи, год | Середнє значення КВШ | Середній час прохідницького циклу Tц (без обліку часу навішення труб), ч
Прямий | 3…8 | 410…587 | 50 | 5…6 | 0,84 | 25,97
Зворотний | 2,5…8 | 587…784 | 50 | 1,5…2 | 0,94 | 23,05
Рис. 2. Схема розташування шпурів при проходці повітроподаючого ствола № 2 на АП “Шахта ім. О.Ф. Засядько”
Однак, застосування зворотного ініціювання можливе тільки при дотриманні наступних вимог: при переході від прямого до зворотного способу ініціювання шпурових зарядів необхідно: забезпечити умови при виконанні робіт із заряджання шпурів і монтажу електропідривних мереж, що виключають випадки нарощування детонаторних проводів та ушкодження їхньої ізоляції, тобто використовувати електродетонатори з проводами з достатньою для реалізації зворотного способу ініціювання зарядів довжини. Для більш надійного захисту детонаторних проводів від ушкодження ізоляції в місцях обв'язки проводами патрона-бойовика доцільно передбачити застосування запобіжних ковпачків з поліетилену чи інших аналогічних пристосувань. Для підвищення безпеки при використанні зворотного способу ініціювання шпурових зарядів ВР запропонована конструкція патрона-бойовика, що дозволяє істотно підвищити безпеку робіт.
ВИСНОВКИ
У роботі дане нове рішення науково-технічної задачі підвищення ефективності буропідривної технології при проходці вертикальних шахтних стволів на основі обліку факторів, які впливають на стійкість детонації шпурових зарядів ВР, що дозволяє в різних гірничо-геологічних умовах збільшити переміщення вибою за одне підривання і забезпечити його проектні розміри і форму поперечного переріза.
Основні наукові і практичні результати роботи.
1.
Вивчено умови виникнення неповних детонацій та відказів шпурових зарядів ВР при веденні буропідривних робіт у вертикальних шахтних стволах.
2.
Встановлена закономірність зміни величини осьового переміщення патронів зарядів ВР у шпурах, що заповнені водою та гранульованим шлаком, у часі від дії вибуху сусіднього шпурового заряду ВР.
3.
Уперше введений універсальний енергетичний показник (параметр) вибуху – “фактична енергія продуктів вибуху шпурового заряду ВР”, що враховує не тільки потенційну теплоту вибуху ВР, але і коефіцієнт заряджання шпуру, і обґрунтована його інформативність.
4.
Уперше встановлені залежності максимального радіуса воронки від фактичної енергії вибуху заряду в шпурі, причому доведено, що для скельних гірських порід він не залежить від їхньої міцності.
5.
Аналітично обґрунтовано й експериментально доведено, що при підриванні зарядів ВР у підтоплених вибоях радіус воронки вибуху менше, ніж у “сухих” і знижується з ростом висоти підтоплення, наближуючись до нуля. На базі шахтних експериментів у вертикальних шахтних стволах установлена залежність радіуса воронки вибуху заряду ВР у шпурі, заповненому водою з підтопленням вибою на висоту 0,20...0,25 м від величини лінії найменшого опору (ЛНО).
6.
Встановлено умови стійкості детонації зарядів ВР у вертикальних шахтних стволах: застосування запираючої набійки з граншлака на всю довжину вільного від заряду простору шпуру, розташування шпурових зарядів у гірському масиві на відстані менше ніж 0,7 м один від одного; застосування короткоуповільненого підривання (час між вибухами зарядів ВР, розташованих ближче, чим 0,7 м повинен бути не більше 18 мс).
7.
Розроблено конструкції патрона-бойовика і шпурового заряду для реалізації зворотного способу ініціювання зарядів ВР, що відрізняються від відомих розміщенням електродетонатора усередині патрона (Патент 42247 А Україна, № 200126951).
8.
Розроблена технологія буропідривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів. Її впровадження при проходці повітроподаючого ствола № 2 АП “Шахта ім. О.Ф. Засядько”, починаючи з глибини 587 м, дозволило цілком виключити неповні детонації та відкази шпурових зарядів, збільшити значення коефіцієнта використання шпурів на 10%, скоротити час II фази прибирання породи у вибої ствола в 2...3 рази, скоротити середню тривалість прохідницького циклу (без обліку часу навішення труб) з 25,97 до 23,05 години, тобто майже на 3 години. Усе це сприяло досягненню швидкості проходки ствола понад 100 м/міс на глибині, що перевищувала 700 м, а також досягти економічного ефекту 940019 грн.
Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах:
1.
Шевцов Н.Р., Купенко И.В., Лабинский К.Н., Бабичев В.А., Пудак В.И. Исследование процесса раздвижки патронов в шпурах при взрывных работах в вертикальных шахтных стволах // Сб. научн.тр. ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Вип. 45. – Донецьк: ДонНТУ, 2002. – С. 118–123.
2.
Шевцов Н.Р., Левит В.В., Купенко И.В. Обоснование параметров безотказного взрывания шпуровых зарядов ВВ в вертикальных шахтных стволах // Сб. научн. тр. НГА Украины. – 2002. – № 3. – С. 10–14.
3.
Новик Е.Б., Левит В.В., Купенко И.В. Опыт проведения буровзрывных работ при скоростной проходке воздухоподающего ствола шахты им. А.Ф. Засядько // Уголь Украины. – 2002. – № 4. – С. 44–46.
4.
Гудзь А.Г., Шевцов Н.Р., Купенко И.В., Пудак В.И. Безопасность и эффективность обратного способа инициирования шпуровых зарядов ВВ // Сб. научн.тр. ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Вип. 54. – Донецьк: ДонНТУ, 2002. – С. 68–72.
5.
Шевцов Н.Р., Купенко И.В., Пудак В.И. К обоснованию эффективных и безопасных параметров взрывных работ в вертикальных стволах // Сб. научн.тр. ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Вип. 63. – Донецьк: ДонНТУ, 2003. – С. 45–52.
6.
Купенко И.В. Обоснование эффективных и безопасных параметров взрывных работ при проходке вертикальных шахтных стволов // Сб. научн.тр. ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Вип. 72. – Донецьк: ДонНТУ, 2004 . – С. 112–117.
7.
Власенков В.Я., Гудзь А.Г., Купенко И.В. Вопросы безопасности заряжания шпуров при обратном способе инициирования шпуровых зарядов ВВ // Известия Донецкого горного института. – 1999. – № 3. – С. 79–81.
8.
Пат. 42247 А Україна МКИ F42В3/103, F42В3/195. Патон-бойовик для зворотнього способу ініціювання шпурових зарядів / Ґудзь О.Г., Шевцов М.Р., Купенко І.В., Пудак В.І. (Україна). – № 2000126951: Заявл. 05.12.2000; Опубл. 15.10.2001. Бюл. № 9.
9.
Купенко І.В. Особливості розрахунку паспортів БПР при проходці вертикальних шахтних стволів // М.Р. Шевцов, П.Я. Таранов, В.В. Левіт, О.Г. Ґудзь / Руйнування гірських порід вибухом: підручник для вузів. – 4-е видання перероб. і доп. – Донецьк: „Лебідь”, 2003 – C. 154–157.
10.
Купенко И.В., Мамоненко Д.А. Исследование условий безотказного взрывания при взрывных работах в вертикальных шахтных стволах // Материалы международной студенческой научно-технической конференции “Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений”. – Донецк: ООО “Норд Компьютер”, 2002. – С. 13–15.
Особистий внесок автора в публікації, написані в співавторстві: [1] – розробка методики і проведення експериментальних досліджень із вивчення переміщення патронів ВР у шпурі; [2]– розробка рекомендацій із забезпечення стійкості детонації шпурових зарядів ВР; [3] – дослідження впливу на швидкість проходки ствола тривалості II фази прибирання породи; [4] – розробка конструкції шпурового заряду ВР для реалізації зворотного способу ініціювання; [5] – аналітичні дослідження процесу; [7] – встановлення ускладнень, що виникають при переході від зворотного до прямого способу ініціювання шпурових зарядів ВР; [8]– проведення лабораторного експеримента; [9] – розробка паспорту БПР; [10] – встановлення залежності зміни величини переміщення патронів ВР у часі від вибуху сусіднього заряду ВР.
АНОТАЦІЯ
Купенко І.В. Обґрунтування ефективних параметрів буропідривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.04 – “Шахтне та підземне будівництво”. Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2004.
Ефективність підривних робіт при проходці вертикальних стволів знижується у зв’язку з груповими неповними детонаціями та відказами через переміщення патронів ВВ вздовж шпуру під впливом вибуху зближеного заряду і порушення його суцільності під впливом процесу воронкоутворення. Експериментально встановлена залежність зміни величини переміщення патронів ВР шпурового заряду у часі та максимальна дальність передачі детонації між патронами через воду. Вперше запропонований параметр “фактична енергія продуктів вибуху зарядів у шпурі”, що враховує коефіцієнт заряджання шпура. На базі аналітичних досліджень встановлена залежність максимально можливого значення радіуса воронки вибуху від параметра “повна енергія продуктів вибуху заряда у шпурі в різних умовах. Підтверджена доцільність використання зворотного способу ініціювання шпурових зарядів ВР при здійсненні підривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів. Запропоновано конструкції патрона-бойовика та шпурового заряда ВР для реалізації зворотного способа ініціювання зарядів ВР. На базі усіх досліджень розроблена технологія буропідривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів.
Ключові слова: буропідривні роботи, вертикальний шахтний ствол, ефективні
