НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

ім. М.С. ПОЛЯКОВА

БАРАННИК Володимир Володимирович

УДК [622.235.4: 556.343: 622.235.213.42](043.3)

РОЗРОБКА ЗАСОБІВ І СПОСОБІВ ПІДГОТОВКИ ТА підривання

обводнених ГІРСЬКИХ ПОРІД НЕВОДОСТІЙКИМИ

ВИБУХОВИМИ РЕЧОВИНАМИ найПРОСТішоГО СКЛАДУ

05. 15. 11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова
Національної Академії наук України та у ВАТ “Докучаєвський флюсо-доломітний комбінат”

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
член- кореспондент НАН України,

Заслужений діяч науки і техніки України

Єфремов Ернест Іванович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова
НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Комір Віталій Михайлович,

Кременчуцький державний політехнічний

університет Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри

кандидат технічних наук, старший
науковий співробітник

Римарчук Борис Іванович,

Державний інститут з проектування підприємств
гірничорудної промисловості „Кривбаспроект”,

Міністерства промполітики України,

головний інженер інституту (м. Кривий Ріг)

Провідна організація: Національний гірничий університет
Міністерства освіти і науки України,

кафедра відкритих гірничих робіт
(м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться “ 23 ” грудня 2005 р. о 13.30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 188. 01 при Інституті геотехнічної механіки
ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ,
вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 462426.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий “ 21 ” листопада 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук В.Г. Перепелиця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Характерною особливістю розробки родовищ корисних копалин відкритим способом в даний час є значне збільшення глибини кар'єрів. Як наслідок, збільшуються об’єми видобутку обводнених гірських порід, частка яких, зокрема, на залізорудних кар’єрах Кривбасу складає 50-90 %, а на нерудних кар’єрах України - в середньому 10-40 %.

Вибухова відбійка обводнених гірських порід здійснюється, як правило, водостійкими вибуховими речовинами (ВР), серед яких найбільше поширення на кар’єрах України набули гранулотол, акватол, а також неводостійка тротиловміщуюча ВР типу грамоніт 79/21. Останніми роками на деяких залізорудних кар’єрах Кривбасу (ІнГЗК, ПГЗК) і на Полтавському ГЗК для відбійки обводнених гірських порід високої міцності використовують емульсійні ВР типу “Україніт” і “Анемікс”. Проте водостійкі ВР відносяться до дорогих, а тротиловміщуючі ВР, крім того, негативно впливають на екологію навколишнього середовища.

Одним з шляхів зменшення витрат на підривні роботи і підвищення їх технологічної та екологічної безпеки є збільшення об’ємів використання вибухових речовин найпростішого складу типу ігданіт, грануліт Д-5, КС-1, ПВС-1У і ін. Але масштаби їхнього використання стримуються з ряду причин, серед яких слід виділити недостатню фізичну стабільність і неводостійкість.

Сучасна наука і практика володіє різними способами стабілізації фізичного стану ВР найпростішого складу і управління процесами підготовки і руйнування обводнених гірських порід вибуховими речовинами, які не завжди виявляються ефективними в конкретних умовах.

Проблема використання неводостійких ВР найпростішого складу в обводнених умовах занадто складна і нерозривно пов’язана з розв’язанням наукових і практичних задач, а саме: розробка засобів і способів формування свердловинних зарядів, встановлення раціональних режимів детонації найпростіших ВР з урахуванням ступеня їх водонасиченості, дослідження і практичне використання особливостей механізму вибухового руйнування обводнених порід.

Таким чином, розробка засобів і способів підготовки та підривання обводнених гірських порід неводостійкими вибуховими речовинами найпростішого складу є актуальною науково-технічною задачею, яка має велике значення для гірничовидобувної промисловості.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертації пов’язані з планами науково-дослідних робіт Інституту геотехнічної механіки НАН України, які виконувалися і виконуються з проблеми “Видобування твердих корисних копалин” в межах тем “Управління параметрами вибухового навантаження з урахуванням властивостей масиву гірських порід, технологічної та екологічної безпеки вибухових робіт” (№ державної реєстрації 0100U001476) і „Наукові основи і методи вибухового руйнування гірських порід різного ступеня обводненості і способи ефективного та безпечного формування свердловинних зарядів багатокомпонентних вибухових речовин” (№ державної реєстрації 0103U001624), згідно з постановами Бюро Відділення механіки НАН України (протоколи № 1, § 2 від 26.01.2000 р. і № 5, § 3, п. 1 від 27.11.2002 р.), складовою частиною яких є розділи, виконані за участю автора.

Ідея роботи полягає в урахуванні особливостей механізму вибухового руйнування обводнених гірських порід і диференційованому використанні способів формування свердловинних зарядів неводостійких ВР найпростішого складу при вибуховій відбійці гірських порід різного ступеня обводненості.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка засобів і способів формування свердловинних зарядів неводостійких ВР найпростішого складу при відбійці обводнених гірських порід на основі попереднього механізованого осушення свердловин і гідроізоляції ВР в поліетиленових оболонках.

Для досягнення поставленої мети розв’язувалися наступні задачі: –

на основі аналізу стану вибухових робіт на кар’єрах, особливостей механізму і характеру вибухового руйнування обводнених гірських порід, засобів і технології заряджання обводнених свердловин, обгрунтувати ефективні способи підготовки і вибухової відбійки обводнених гірських порід неводостійкими ВР найпростішого складу; –

теоретично обґрунтувати взаємозв’язок механізму вибухового руйнування твердих середовищ з їх обводненістю і характером руйнування; –

експериментально дослідити вплив обводненості твердих середовищ на їхнє подрібнення енергією вибуху і ступеня зволоження неводостійких ВР найпростішого складу на повноту і швидкість їх детонації; –

розробити засоби і раціональні способи формування зарядів неводостійких ВР найпростішого складу з урахуванням ступеня обводненості свердловин; –

розробити, економічно обгрунтувати і впровадити технологію заряджання і підривання обводнених порід неводостійкими ВР найпростішого складу.

Об’єкт дослідження – процеси формування свердловинних зарядів і вибухового руйнування обводнених гірських порід.

Предмет дослідження – засоби і способи підготовки і руйнування обводнених гірських порід свердловинними зарядами неводостійких ВР найпростішого складу.

Методи дослідження. Для розв’язання поставлених задач використано комплекс теоретичних і експериментальних методів досліджень: аналіз і узагальнення сучасних уявлень про механізм вибухового руйнування обводнених гірських порід, аналітичні і експериментальні дослідження процесів руйнування твердих середовищ з урахуванням ступеня їх обводненості; методи теорії пружності, фізичного моделювання, математичної статистики; промислові випробування і впровадження основних рекомендацій з формування свердловинних зарядів неводостійких ВР при відбійці обводнених порід; економічний аналіз запропонованих в роботі рекомендацій. При проведені лабораторних і промислових досліджень використовувались стандартні методики і апаратура.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. В обводненому середовищі ударна хвиля, яка виникає при детонації ВР, діє на середовище через водний проміжок, що призводить до зниження більш ніж в два рази початкового тиску газоподібних продуктів вибуху на стінки зарядної порожнини і до зменшення витрат енергії вибуху поблизу заряду ВР на перездрібнення середовища. При цьому роль основних руйнуючих чинників вибуху (хвиль напружень і газоподібних продуктів детонації) в подрібненні обводнених середовищ істотно залежить від їх структури: в тріщинуватих блокових середовищах знижується роль газоподібних продуктів детонації.

2. Гранична маса заряду неводостійких гранульованих ВР найпростішого складу, яка характеризує ефективність процесів формування свердловинних зарядів ВР в обводнених умовах, прямо пропорційна рівню води в свердловині і залежить від співвідношення діаметрів свердловини і поліетиленового рукава з ВР, що становить 1,15-1,20, а також фільтраційних властивостей масиву гірських порід.

3. Повнота і швидкість детонації неводостійких гранульованих ВР найпростішого складу залежить від ступеня їхнього зволоження і потужності початкового імпульсу вибуху: при оптимальному ініціюючому імпульсі швидкість детонації гранульованих ВР найпростішого складу набуває свого максимуму при зволоженні в межах 4-8 % від їх маси.

Наукова новизна одержаних результатів

1. На основі запропонованого механізму дії вибуху на обводнене тверде середовище обґрунтовано і експериментально підтверджено зниження початкового тиску газоподібних продуктів детонації на стінки зарядної порожнини, внаслідок чого зменшується зона перездрібнення, а також збільшення об’єму суцільного зруйнованого середовища за рахунок того, що тиск газоподібних продуктів детонації при проникненні у тріщини, в обводненому середовищі вище, ніж у необводненому.

2. Вперше при визначенні граничної маси заряду ВР враховано комплекс чинників, що характеризують ефективність формування свердловинних зарядів неводостійких багатокомпонентних гранульованих ВР найпростішого складу в обводнених умовах: рівень обводненості свердловин, співвідношення діаметру свердловини і рукава з ВР, фільтраційні властивості масиву гірських порід і час відновлення рівня води в свердловині після її осушення.

3. Для неводостійких багатокомпонентних гранульованих ВР найпростішого складу вперше експериментально встановлена залежність швидкості і повноти детонації від ступеня їхнього зволоження і потужності початкового імпульсу. Оптимальне зволоження для ВР типу ПВС-1У, при якому швидкість детонації максимальна, складає 6 % їхньої маси. Збільшення ступеня зволоження ВР найпростішого складу до 14 % їхньої маси призводить до зниження швидкості детонації на 20 % відносно до максимальної.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням апробованих методів досліджень, стандартних методик і апаратури, задовільною збіжністю результатів теоретичних розрахунків і експериментальних даних (похибка при цьому не перевищує 10 %), обгрунтованим обсягом лабораторних, полігонних і промислових досліджень, які забезпечують похибку не більше 20 %.

Наукове значення отриманих результатів полягає в обґрунтуванні механізму дії вибуху на обводнене середовище і встановленні закономірності їхнього вибухового подрібнення при використанні неводостійких ВР найпростішого складу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Розроблена і впроваджена технологія формування свердловинних зарядів неводостійких багатокомпонентних ВР найпростішого складу при підриванні обводнених гірських порід з використанням водоізолюючих оболонок (патенти України № 43578 А і № 3655) і механізованого попереднього осушення свердловин (патент України № 60642 А).

2. Здійснено проектування, виготовлення і впровадження удосконаленого пристрою для відкачування води з свердловин (патент України № 60642 А), експлуатацію якого при проведенні вибухових робіт узгоджено з експертно-технічним центром Держнаглядохоронпраці України.

3. Встановлено рівень зволоження неводостійких ВР найпростішого складу при формуванні зарядів в обводнених свердловинах, що сприяє забезпеченню раціональних режимів детонації, максимальній ефективності і безпеці вибухових робіт.

4. В результаті впровадження в 2004-2005 рр. на кар’єрах ВАТ “Докучаєвський флюсо-доломітний комбінат” нової техніки і технології підготовки та підривання обводнених гірських порід неводостійкими ВР найпростішого складу отримано економічний ефект в сумі 262,4 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначена ідея роботи, її мета і задачі досліджень, основні наукові положення, висновки і рекомендації, а також шляхи їхнього розв’язання. Виконані аналітичні і експериментальні дослідження механізму руйнування твердих середовищ з урахуванням різного ступеня їх обводненості [3-5,9], експериментальні дослідження режимів детонації водонасичених ВР найпростішого складу [7,8]. Автор особисто брав участь в проектуванні, виготовленні і випробуванні засобів осушення свердловин [6,12], технології формування зарядів з неводостійких ВР [2,7,13] і промисловому їхньому впровадженні на кар’єрах Докучаєвського флюсо-доломітного комбінату [6-8,10]. Зміст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів досліджень. Основні положення і окремі результати роботи доповідалися і обговорювалися на 5-у Міждержавному науковому семінарі “Високоенергетична обробка матеріалів” (м. Дніпропетровськ, листопад, 2003 р.), Науковому симпозіумі “Тиждень гірника ”(м. Москва, січень, 2004 р.), ХІV Міжнародній науковій школі ім. С.Христиановича “Деформація і руйнування матеріалів з дефектами…” (м. Алушта, вересень, 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривий Ріг, травень, 2005 р.), 4-й Міжнародній науково-технічній конференції “Механіка, технологія і техногенна безпека вибухового руйнування гірських порід” (с. Піщане, червень, 2005 р.), а також на об’єднаних наукових семінарах відділів механіки вибуху і відкритих гірничих робіт Інституту геотехнічної механіки НАН України.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 13 наукових працях, 8 з яких – у наукових фахових виданнях.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків і додатків на 158 сторінках машинописного тексту, у тому числі містить 30 рисунків, 14 таблиць і список використаної літератури з 75 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Проведення вибухових робіт в обводнених умовах пов’язано із збільшенням їх вартості і погіршенням якості вибухової підготовки гірничої маси. Тим часом, рівень обводненості порід на гірничих підприємствах України, що добувають корисні копалини відкритим способом, у міру збільшення глибини розробки, зростає і досягає на ряді підприємств 60-90 %.

Проблема підвищення ефективності подрібнення обводнених гірських порід розв’язується різними шляхами. Зокрема, це заміна дорогого гранулотолу на акватол, а останнім часом на емульсійні ВР, широкомасштабне використання неводостійкого грамоніту 79/21 в поліетиленових рукавах і ін. При цьому в більшості випадків головним завданням є здешевлення вибухових робіт без погіршення якості подрібнення порід. Проте для кар’єрів нерудної промисловості, зокрема підприємств по видобутку флюсових вапняків і доломітів, не менш важливим є технологічні вимоги до кінцевого продукту – забезпечення мінімального виходу перездрібнених фракцій.

Зниження витрат на вибухові роботи в обводнених гірських породах взагалі і мінімізація виходу дрібних фракцій для кар’єрів нерудної промисловості, зокрема, реально можливі тільки на основі вивчення особливостей механізму руйнування обводнених порід і використання раціональних технологій їх відбійки неводостійкими ВР з урахуванням конкретних гідрогеологічних умов.

Великий внесок в рішення цих питань внесли вітчизняні і зарубіжні учені відомих наукових центрів, а саме: ІГТМ НАН України, Національний гірничий університет, Криворізький технічний університет, Кременчуцький державний політехнічний університет, НТТУ „КПІ”, Московський державний гірничий університет, Казахський політехнічний інститут, С.-Петербургській державний гірничий інститут, ІПКОН РАН і ін.

Разом з тим, як свідчить виконаний в роботі аналіз сучасного стану проблеми вибухового руйнування обводнених гірських порід, вона є надзвичайно складною і її розв’язання пов’язано як з особливостями механізму руйнування обводнених порід, так і з технологіями формування зарядів неводостійких ВР в обводнених свердловинах.

При виборі типу ВР і технології формування свердловинних зарядів визначальне значення має ступінь обводненості масиву гірських порід і інтенсивність проточності грунтових вод. Ступінь обводненості визначається висотою стовпа води в свердловині. По інтенсивності проточності грунтових вод обводнені свердловини діляться на непроточні, проточні (до 250 л/год), інтенсивно проточні (більш 250 л/год). Проточність грунтових вод визначається фільтраційними властивостями гірського масиву і його структурою.

Факт погіршення вибухового подрібнення обводнених масивів, особливо міцних крупноблокових порід, є загальновизнаним. Проте в слабо тріщинуватих породах нижче середньої міцності в обводнених умовах може спостерігатися поліпшення вибухового подрібнення. Це пояснюється зменшенням екранування хвиль напружень від вибуху зарядів ВР, заповненими водою тріщинами. Для руйнування цих порід не потрібні високі напруження в хвилі стискання від вибуху заряду ВР. Проте вельми важливе збільшення тривалості вибухової дії, яка в обводнених слабкотріщинуватих породах пов’язана з поліпшенням роботи газоподібних продуктів детонації. Тому при розгляді механізму вибухової дії на середовище, необхідно враховувати і хвильову і квазістатичну дію вибуху.

Погіршення умов роботи газоподібних продуктів вибуху при руйнуванні обводнених порід негативно позначається на якості їх подрібнення і вимагає збільшення витрат ВР, що особливо небажано при використанні дорогих водостійких ВР. Вихід з цього становища полягає у використанні дешевих неводостійких ВР, застосування яких пов’язано з труднощами через їх насипну щільність, меншу щільності води, і практично неможливе без спеціальних засобів і технологій.

Аналіз сучасних засобів і способів підготовки і формування зарядів неводостійких ВР в обводнених умовах свідчить, що найбільш поширені є способи, засновані на попередньому відкачуванні води з свердловин або пневматичному заряджанні ВР під “стовп води” з розміщенням ВР у поліетиленових рукавах.

Таким чином, проблема вибухової відбійки обводнених порід є складною і повинна розв’язуватися комплексно. Її розв’язання можливе лише на основі даних про особливості механізму вибухової дії на обводнені гірські породи, їхню ступінь обводненості, а також способи формування свердловинних зарядів, режими і надійність детонації ВР найпростішого складу в обводнених умовах.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень процесу виббухового руйнування обводнених середовищ встановлено, що наявність водного проміжку між ВР і стінками зарядної порожнини змінює умови дії вибуху на середовище. Якщо ударна хвиля, що виникає при детонації ВР в зарядній порожнині, розташованій в необводненому середовищі, викликає подрібнення і ущільнення середовища навколо зарядної порожнини і, як наслідок, подвоєння її об’єму, то під час вибуху в обводненому середовищі ударна хвиля спочатку чинить тиск на водний проміжок, втрачаючи в ньому частину своєї енергії. При переході в тверде середовище на межі розділу відбувається заломлення ударної хвилі. Як наслідок, тиск на стінки зарядної порожнини в обводненому середовищі менший, ніж тиск безпосередньо на контакті ВР із стінками порожнини.

Після дії на середовище ударної хвилі відбувається збільшення розмірів зарядної порожнини за рахунок проникнення газоподібних продуктів детонації в попередньо зруйноване ударною хвилею середовище.

Без урахування процесів теплопровідності і променистого теплообміну, що допустиме при вибухах хімічних ВР, можливе припущення про адіабатичність закону падіння тиску в зарядній порожнині при її розширенні.

Найпростіший закон розширення продуктів детонації має вигляд

,

де P* і V* відповідно тиск та об’єм газоподібних продуктів детонації у точці зв’язування адіабат.

Виходячи з відомого закону розширення зарядної порожнини у часі, коли за час дії ударної хвилі об’єм порожнини подвоюється у зрівнянні з початковим об’ємом Vн, потім деякий час не змінюється, а надалі знову зростає до 4Vн, 10Vн і т.д., було оцінено падіння тиску в зарядній порожнині, яка розширюється, у необводненому середовищі через початковий тиск Pн на її стінки,

P(2Vн) = 0,125 Pн; P(4Vн) = 0,05 Pн і P(10Vн)=0,016 Pн

При розгляді процесу розповсюдження ударних хвиль в щільних середовищах (вода, тверде тіло) можна в більшості випадків знехтувати зміною ентропії і температури середовища і розглядати ударну хвилю в акустичному наближенні. Тому оцінка зниження амплітуди ударної хвилі під час переходу через водний проміжок між ВР і стінками зарядної порожнини виконана в акустичному наближенні по формулі для амплітудного коефіцієнта заломлення. Розрахунки показали, що після проходження ударної хвилі через водний проміжок її амплітуда зменшується більш ніж в два рази в порівнянні з тиском на контакті з ВР.

Характер падіння тиску при проникненні газоподібних продуктів детонації в обводнене середовище описується таким чином:

Незважаючи на те, що початковий тиск на стінки зарядної порожнини в обводненому середовищі нижчий, ніж в необводненому, падає він із зростанням об’єму зарядної порожнини при проникненні газоподібних продуктів детонації в середовище, повільніше. Тому можна очікувати в обводненому середовищі зменшення розмірів зони перездрібнення, та за рахунок того, що тиск газоподібних продуктів детонації, які проникають у тріщини, в обводненому середовищі вище, ніж у необводненому, зростання маси зруйнованого матеріалу середовища.

Для перевірки достовірності висновків, отриманих на основі розробленого механізму дії вибуху на обводнене середовище, були проведені експериментальні дослідження на трьох видах піщано-цементних моделей. Здійснювалось порівняння руйнування моделей вибухом ВР, розміщеної в циліндричних порожнинах в обводненому і необводненому середовищах.

Вибухова дія на середовище оцінювалася за результатами подрібнення і величиною напружень, визначених за допомогою п’єзоелектричних датчиків, встановлених на однакових відстанях від зарядів в моделях з концентричною екрануючою щілиною (рис.1). В необводненому середовищі заповнювачем щілини було повітря, а в обводненому – вода. Експериментальні виміри при підриванні моделей показали, що напруження за щілиною з водою в два рази вище за напружень за щілиною з повітрям.

Рис.1. Схема циліндричної моделі з екрануючою щілиною

Це свідчить про те, що щілина з повітрям у порівняні із щілиною з водою краще екранує хвилі напружень від вибуху заряду ВР. Поряд із замірами напружень у хвилі стискання у процесі експериментів досліджувався характер руйнування обводнених і необводнених моделей методом ситового аналізу.

Результати досліджень характеру подрібнення моделей з концентричною щілиною наведені в таблиці.

Таблиця

Характер подрібнення моделей з концентричною щілиною

Параметри подрібнення | Щілина з повітрям | Щілина з водою

Маса зруйнованої частини моделі, г | 1780,0 | 2250,0

Маса фракцій менше 5 мм, г | 120.0 | 45,0

Вихід фракцій менше 5 мм, % | 7,0 | 2,0

Діаметр середнього куска, мм | 29,4 | 59,0

Дослідження впливу обводненості на ступінь вибухового подрібнення тріщинуватих середовищ блокової будови виявили істотне погіршення якості подрібнення в умовах обводненості. Незважаючи на те, що напруження в хвилі стискання в обводненому середовищі вищі, ніж в необводненому, роль газоподібних продуктів детонації знижується при їхньому прориві за межі блоків, що містять заряд. При цьому знижується і ефект співударяння блоків за рахунок демпфування удару водними проміжками.

У зв’язку з тим, що на практиці висота стовпа води в свердловині, а отже, і ступінь обводненості коливається в широких межах, на блокових моделях вивчався вплив ступеня обводненості на характер і інтенсивність їхнього подрібнення зарядами ВР, розміщеними в двох циліндричних порожнинах. Методикою було передбачено створення трьох рівнів обводненості блокових моделей. Після вибуху порівнювалося подрібнення обводнених і необводнених моделей.

Дослідження гранулометричного складу зруйнованих моделей при різному рівні обводненості показали, що із збільшенням рівня обводненості, в порівнянні з необводненими моделями, зменшується вихід дрібних (менше 5 мм) фракцій на 26 % (при максимальному рівні води) і на 55 % збільшується середній діаметр куска.

Для забезпечення інтенсивного подрібнення міцних обводнених гірських порід блокової будови на практиці збільшують витрату дорогих водостійких ВР, що призводить не тільки до дорожчання вибухових робіт, але і до збільшення виходу дрібних фракцій. Зниження втрат енергії вибуху в ближній зоні і витрат на вибухові роботи можливе при використанні неводостійких ВР найпростішого складу, вживання яких стримується відсутністю надійних засобів і технологій формування свердловинних зарядів і відбійки обводнених гірських порід.

З метою створення надійних засобів і способів формування свердловинних зарядів для відбійки обводнених гірських порід були досліджені особливості формування зарядів неводостійких ВР найпростішого складу в поліетиленових оболонках.

Оскільки насипна щільність ВР найпростішого складу менше щільності води, а ступінь обводненості масиву змінюється від свердловини до свердловини, виникає проблема потоплення заряду.

При зануренні рукава з ВР в обводнену свердловину сила тяжіння рукава з ВР має бути більшою за виштовхуючу силу, пропорційну об’єму зануреної у воду частини рукава з ВР. При цьому рівень води в свердловині підіймається і вода розподіляється між стінками свердловини і рукава з ВР.

Для занурення рукава з ВР до дна свердловини мінімальна його маса має бути рівна масі води в об’ємі зануреної у воду частини рукава з ВР, а початковий рівень води в свердловині hво має бути

,

де і в – відповідно щільність ВР і води;

dр і dс – відповідно діаметр рукава і свердловини;

l – довжина заряду в поліетиленовому рукаві.

Гранична маса ВР в рукаві, що необхідна для його занурення до дна свердловини становить:

і залежить від початкової висоти стовпа води в свердловині, діаметру свердловини і співвідношення діаметрів свердловини і рукава.

Дослідження процесу формування зарядів неводостійких ВР в обводнених свердловинах були проведені в лабораторних і полігонних умовах. При цьому визначалися експериментально залежності граничної маси ВР в рукаві від рівня води в свердловині при постійному її діаметрі і від співвідношення діаметру свердловини і рукава з ВР при постійному рівні води.

Експериментально підтверджена отримана теоретично прямо пропорційна залежність граничної маси ВР від рівня води в свердловині.

Гранична маса ВР в рукаві, яка необхідна для занурення його до дна обводненої свердловини, залежить також від тріщинуватості масиву гірських порід, що визначає його фільтраційні властивості. Якщо тріщини, по яких вода, що витісняється рукавом з ВР, піде в масив, розташовані вище за початковий рівень води в свердловині, то гранична маса ВР в рукаві зменшується.

Моделювання процесу формування заряду ВР в обводненій свердловині з урахуванням фільтраційних властивостей середовища показало, що за наявності тріщин, по яких вода може йти з свердловини, гранична маса ВР в рукаві зменшується майже удвічі.

Експериментально підтверджено наявність раціонального співвідношення діаметру свердловини до діаметру рукава з ВР dс/dр = 1,15-1,20. При цьому досягається ефективне формування заряду ВР при мінімальній імовірності пориву рукава в процесі заряджання свердловини, а також раціональне навантаження масиву, а в деяких випадках, і забезпечується критичний діаметр заряду.

При фіксованому відношенні dс/dр = 1,20 і /в = 0,9 для занурення рукава з проектною масою ВР до дна свердловини початковий рівень води в свердловині не повинен перевищувати

hво= 0,275l

Якщо hво > 0,275l рукав з ВР занурюється в обводнену свердловину до дна, але при цьому вода, що видавлюється зарядом ВР, в процесі заряджання перетискує рукав у верхній його частині, що призводить до розриву цілісності колонки заряду. Можливі також пошкодження засобів ініціювання.

У цьому випадку для розміщення рукава з неводостійким ВР найпростішого складу в обводнену свердловину з високим рівнем води необхідно знизити початковий рівень води до hво < 0,275l, тобто необхідне відкачування води з свердловини.

Для практичної реалізації технології формування зарядів неводостійких ВР найпростішого складу в обводнених свердловинах з високим початковим рівнем води було запропоновано вдосконалений заглибний пристрій, який змонтований на агрегаті по відкачуванню води з свердловин.

Промислові дослідження технології формування свердловинних зарядів з неводостійких ВР найпростішого складу і ефективності подрібнення обводнених порід були здійснені в умовах кар’єрів ВАТ “ДФДК”. При виборі способів підготовки і заряджання обводнених свердловин неводостійкими ВР враховувалися фільтраційні властивості гірських порід і рівень обводненості свердловин.

Вапняки і доломіти, що розробляються Докучаєвським флюсо-доломітним комбінатом, в структурному відношенні є тріщинуватими, блоковими масивами гірських порід. Особливого значення цей чинник набуває в обводнених масивах.

При дослідженні фільтраційних властивостей порід встановлено, що коефіцієнт фільтрації порід, що розробляються кар’єрами комбінату, коливається в широких межах – від 0,06 до 10,3 м/добу на Центральному кар’єрі і від 0,047 до
267 м/добу на Стильському кар’єрі. У міру поглиблення кар’єрів водопритоки зростають, наприклад, на Стильському кар’єрі з 2300 до 3100 м3/год.

Швидке відновлення первинного рівня води в свердловинах унеможливлює або навіть виключає заряджання свердловин з використанням поліетиленового рукава. Дослідження фільтраційних властивостей порід показали, що час відновлення рівня води в свердловинах коливається в широких межах. Важливо те, що у ряді випадків за перші 15 хвилин після відкачування води з свердловин стовп води в них піднімався всього на 0,5-0,8 м, що забезпечувало можливість реалізації технології формування свердловинних зарядів неводостійких ВР.

Дослідження рівня води в свердловинах на кар’єрах Докучаєвського комбінату показали, що рівень обводненості гірських порід не має строгого розподілу в межах висаджуваного блоку (рис.2), що визначає вибір способу формування свердловинних зарядів неводостійких ВР в обводнених масивах.

Рис.2. Зміна ступеня обводненості свердловин по висоті уступу і по рядах
(Р1-Р2 – ряди свердловин)

Промислові дослідження формування зарядів і ефективності руйнування обводнених гірських порід здійснювали поетапно: попередні і приймальні випробування агрегату по відкачуванню води з свердловин, а також технології формування зарядів свердловин з попереднім їх осушенням. При цьому з попереднім відкачуванням води з 550 свердловин було проведено 42 вибухи з використанням ВР найпростішого складу (ПВС-1У) і відбито 316,6 тис. м3 гірської маси. У всіх випадках спостерігалось гарне подрібнення і не зареєстровано жодних відказів.

Дослідження гранулометричного складу висадженої гірської маси при проведенні масових вибухів в обводнених гірських породах показали, що якість дроблення порід на ділянках обводнених і необводнених свердловин була високою. В той же час на ділянці необводнених порід було встановлено збільшення дрібних фракцій (0-200 мм) і зменшення виходу фракції більше 400 мм.

Принциповою відмінністю нової технології формування заряду після осушення свердловин, як показали дослідження, є розміщення поліетиленового рукава в свердловині на глибину менше глибини свердловин, що виключає перегинання рукава, його пориви і потрапляння води в рукав з неводостійкою ВР.

Під час впровадження нової технології (з квітня 2004 р. по червень
2005 р.) було осушено 915 свердловин. При цьому відбито 458 тис.м3 гірничої маси і заощаджено 225 т грамоніту 79/21.

Вірогідність пориву поліетиленової плівки і наявність технологічного браку при її виготовленні може привести до попадання води в заряд неводостійкої ВР, що позначиться на фізичній стабільності ВР і зрештою привести до відказів.

Експериментальна перевірка впливу ступеня зволоження найпростішої ВР ПВС-1У на швидкість і повноту детонації показала, що максимальна швидкість детонації найпростіших ВР досягається при зволоженні до 6 % маси заряду (рис.3) і відкази детонації відсутні навіть при зволоженні до 14 %.

Рис. 3. Вплив ступеня зволоження неводостійкої ВР на швидкість детонації при ініціюванні заряду: 1 – дві тротилові шашки; 2 – дві тротилові шашки через добу після формування заряду; 3 – одна тротилова шашка Т-400Г

При цьому швидкість детонації залежить від початкового імпульсу і терміну підготовки і формування зарядів в обводнених свердловинах.

Область застосування ефективних способів формування свердловинних зарядів і відбійки обводнених порід неводостійкими ВР визначається структурними особливостями гірського масиву, його фільтраційними властивостями і рівнем обводненості свердловин.

У роботі, на основі проведених досліджень і аналізу існуючих способів проведення вибухових робіт при відбійці обводнених гірських порід, обґрунтовані способи формування зарядів неводостійких ВР в поліетиленових рукавах без відкачування і з попереднім відкачуванням води з свердловин, залежно від рівня води в свердловинах і проточності грунтових вод. При цьому, в умовах значної проточності ґрунтових вод і їхнього високого рівня в свердловині, можливо використання комбінованих свердловинних зарядів: ВР найпростішого складу і грамоніт 79/21.

Ефективність використання неводостійких ВР найпростішого складу при відбійці обводнених порід виявляється в поліпшенні екологічної ситуації. По-перше, зменшується об’єм перездрібнення породи (пилоподібних часток) в ближній зоні заряду, як за рахунок застосування низькобризантної ВР найпростішого складу (ПВС-1У), так і за рахунок наявності водного зазору між стінками свердловин і рукавом з ВР. По-друге, зменшується об’єм викидів шкідливих газів в атмосферу кар’єра при використанні ВР найпростішого складу. Економічна ефективність визначається заміною дорогих водостійких ВР на ВР найпростішого складу, що значно здешевлює вибухові роботи, а також в зменшенні виходу некондиційних фракцій.

Економічний ефект від впровадження нової технології формування зарядів неводостійких ВР найпростішого складу і відбійки обводнених гірських порід на кар’єрах ВАТ “ДФДК” за період 2004-2005 рр. склав 262,4 тис. грн.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій отримано нове рішення науково-технічної задачі підвищення ефективності вибухової відбійки обводнених гірських порід на відкритих гірничих роботах на основі досліджень механізму руйнування під час вибуху, розробки і впровадження нових засобів і способів формування зарядів неводостійких ВР найпростішого складу в поліетиленових рукавах з попереднім осушенням свердловин, що має велике значення для гірничовидобувної промисловості.

Основні підсумкові наукові результати і практичні рекомендації, отримані в дисертації, зводяться до наступного:

1. Аналіз наукових і практичних результатів досліджень особливостей підготовки і вибухової відбійки обводнених гірських порід показав, що обводненість гірського масиву не тільки змінює механізм руйнування порід, але і значно ускладнює процес підготовки підривних робіт і збільшує витрати на їх проведення. Особливо це важливо для підприємств нерудної промисловості, на яких використання високобризантних водостійких ВР призводить не тільки до здорожчання підривних робіт, але і до збільшення виходу перездрібнених фракцій.

2. Встановлено, що наявність води між ВР і стінками вибухової порожнини змінює умови дії вибуху на середовище, що руйнується. На межі розділу відбувається заломлення ударної хвилі і, як наслідок, зниження первинного тиску на стінки зарядної порожнини.

Розрахунками доведено, що після проходження ударної хвилі через водяний проміжок її амплітуда зменшується більш аніж в два рази в порівнянні з тиском на контакті з ВР. При цьому, в порівнянні з необводненим середовищем, зменшується розмір зони перездрібнення і вихід дрібних фракцій.

3. Подальший розвиток набули експериментальні дослідження по встановленню впливу структури обводнених середовищ на механізм їхнього руйнування під час вибуху. При цьому доведено, що: –

у суцільному обводненому середовищі під час вибуху знижується амплітуда тиску на контакті з ВР і зростає роль газоподібних продуктів детонації в процесі його руйнування, що позитивно позначається на збільшенні загального об’єму зруйнованого середовища; –

у тріщинуватих середовищах блокової будови знижується роль газоподібних продуктів детонації в їхньому руйнуванні і значно знижується ефект співударяння кусків, що призводить до погіршення якості їх подрібнення.

4. Експериментально встановлена залежність виходу дрібних фракцій і середнього діаметру куска від рівня обводненості середовища: із збільшенням рівня обводненості до максимуму (100 %) вихід фракції менше 5 мм знизився на 26 %, а середній діаметр куска збільшився на 55 %.

5. Обгрунтовано, що зниження втрат енергії вибуху в ближній зоні і витрат на вибухові роботи можливе при використанні неводостійких ВР найпростішого складу, вживання яких в обводнених умовах стримується відсутністю надійних засобів і технологій формування свердловинних зарядів ВР, залежних від рівня обводненості гірських порід і їхніх фільтраційних властивостей.

6. Вперше встановлено, що гранична маса заряду неводостійких гранульованих ВР найпростішого складу, яка характеризує ефективність процесів формування свердловинних зарядів ВР в обводнених умовах, прямо пропорційна рівню води в свердловині і залежить від співвідношення діаметрів свердловини і рукава з ВР, а також фільтраційних властивостей масиву гірських порід. При цьому для ефективного потоплення заряду ВР в свердловину з водою, зниження імовірності поривів при їхньому потопленні і зменшення об’єму перездрібнення породи на контакті “заряд-порода” раціональне співвідношення діаметру обводненої свердловини і поліетиленового рукава складає 1,15-1,20.

7. Вперше розроблена, виготовлена і випробувана в промислових умовах удосконалена конструкція заглибного пристрою для відкачування води з свердловин, що є робочим органом агрегату по відкачуванню води на базі автомобіля ГАЗ-53 з підвищеною експлуатаційною надійністю і високою продуктивністю.

Ефективність заглибного пристрою для відкачування води залежить від пропускної спроможності клапанів, а також співвідношення діаметрів свердловини і його зовнішнього діаметру.

8. Проведені промислові випробування агрегату по відкачуванню води з свердловин і нової технології формування зарядів неводостійких ВР в поліетиленових рукавах в обводнених породах підтвердили їх ефективність в різних гідрогеологічних умовах і дозволили обгрунтувати область їхнього застосування.

9. Встановлено, що відмінною особливістю масивів гірських порід кар’єрів Докучаєвського флюсо-доломітного комбінату, що розробляють Єленівське родовище вапняків і доломітів, є відсутність чіткої закономірності просторового розподілу обводнених свердловин в межах висаджуваного блоку порід, що зумовлено їх структурними особливостями і фільтраційними властивостями.

10. Використання нової технології формування зарядів неводостійких ВР найпростішого складу при відбійці обводнених гірських порід з попереднім осушенням свердловин дозволило досягти раціонального дроблення порід. Вихід фракції подрібнення більше 400 мм за даними виміру гранулометричного складу висадженої гірської маси на ділянці обводнених свердловин збільшився на 11,5 %, а вихід фракцій до 200 мм зменшився на 10 %. Розрахунковий об’єм пилоподібних часток (менше 10 мк) при цьому зменшився на 31 %.

11. Для неводостійких багатокомпонентних гранульованих ВР найпростішого складу вперше експериментально встановлена залежність швидкості і повноти детонації від ступеня їхнього зволоження і потужності початкового імпульсу. Оптимальне зволоження для ВР типу ПВС-1У, при якому швидкість детонації максимальна, складає 6 % маси ВР. Збільшення ступеня зволоження ВР найпростішого складу до 14 % їхньої маси призводить до зниження швидкості детонації на 20 % відносно до максимальної.

12. Технологія формування зарядів неводостійких ВР найпростішого складу в поліетиленових рукавах з попереднім осушенням свердловин і відбійки обводнених гірських порід забезпечує зменшення викидів пилу і газів в атмосферу під час масових вибухів в кар'єрах, а також небезпеки попадання шкідливих компонентів вибухових речовин (нітратів) в грунтові води.

При цьому загальний фактичний економічний ефект за рахунок використання неводостійких ВР найпростішого складу при відбійці обводнених гірських порід на кар’єрах Докучаєвського флюсо-доломітного комбінату за період впровадження нової технології (2004-2005 рр.) склав 262,4 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ РОБІТ

ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ефремов Э.И., Баранник В.В. Использование неводоустойчивых взрывчатых веществ при разрушении обводнённых горных пород// Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2002. – № 4.– С. 70-72.

2. Баранник В.В. Особенности формирования зарядов простейших ВВ в полиэтиленовых оболочках с учетом обводненности массива // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2003. – Вып. 42. – С. 208-211.

3. Ефремов Э.И., Пономарев А.В., Баранник В.В. Особенности разрушения обводненных горных пород и формирования скважинных зарядов различными взрывчатыми веществами // Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАН У, 2003. – Вып. 47. – С. 14-18.

4. Экспериментальные исследования процесса взрывного разрушения обводненных