НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НАЛИСЬКО Микола Миколайович

УДК 622.257:658.3.018

УДОСКОНАЛЕННЯ БУРОПІДРИВНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

ПРОВЕДЕННЯ ПОЛЬОВИХ ВИРОБОК ШЛЯХОМ ОБҐРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ КОНСТРУКЦІЙ ПРЯМИХ ВРУБІВ

Спеціальність: 05.15.04 - "Шахтне та підземне будівництво"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології гірничого виробництва Української інженерно-педагогічної академії Міністерства освіти і науки України (м. Стаханов).

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

ЧЕРНАЙ Анатолій Володимирович, провідний науковий співробітник кафедри будівельних геотехнологій і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти та науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

ПЕТРЕНКО Володимир Дмитрович, завідувач кафедри "Тунелі, основи й фундаменти" Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук

ІЩЕНКО Костянтин Степанович, науковий співробітник відділу механіки вибуху гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: Донецький національний технічний університет, кафедра "Будівництво шахт та підземних споруд" Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться "__20_" __сшчня_ 2006 р. о __12__ годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04

при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України

(49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, Україна, м. Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий "_17__" ___грудня___ 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради О.В. Солодянкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Вугільна промисловість в Україні є базовою галуззю, що забезпечує енергетичну незалежність держави й видобуток цінної сировини для металургійного виробництва.

Сьогодні, при видобутку вугілля щорічно витрачається значна кількість вибухових матеріалів (ВМ). Більша їх частина використовується для проведення виробок буропідривним способом. Найбільш низька ефективність використання ВМ при цьому спостерігається при проведенні виробок у міцних породах. Про це свідчать низькі темпи проведення виробок і перехід на технології із багатоприйомним висадженням у породах з коефіцієнтом міцності f понад 12–14, які переважають у Донбасі. Однією із причин існуючого стану є недостатня вивченість процесів руйнування масиву у врубі й недостатня надійність існуючих способів визначення параметрів врубових конструкцій, які забезпечують руйнування масиву на повну глибину буріння шпурів.

У зв'язку з цим науково-технічна задача підвищення надійності обґрунтування параметрів підривних врубових конструкцій в умовах міцних порід є актуальною. Одним з можливих шляхів рішення цього завдання є узагальнення сучасних досягнень геомеханіки й дослідження дії шпурових зарядів у скельних породах, встановлення на цій основі нових закономірностей, методик обґрунтування і способів розрахунку параметрів зарядів ВР у врубових конструкціях.

Зв'язок роботи із планами НДР. Дисертація виконана відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт лабораторії БПР гірничого факультету УІПА й відбита у звітах НДР №№д.р. 01900011561, 0103U004028, 0103U004029, а також у рамках програми роботи Донбаського наукового центру Академії гірничих наук України (договір про творче співробітництво) і згідно з програмою творчої співдружності між НГУ й УІПА на спільне виконання наукових досліджень.

Мета досліджень. Обґрунтування раціональних параметрів, способів їх визначення й конструкції прямих врубів, що забезпечують підвищення ефективності й безпеки вибухового руйнування масиву міцних гірських порід, шпуровими зарядами ВР у врубових порожнинах.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей утворення областей видимих руйнувань від висадження одиночних і парних шпурових зарядів, а також у врахуванні особливостей їх формування в міцних породах при обґрунтуванні параметрів і конструкцій прямих східчастих врубів.

Об'єкт досліджень – процес формування врубової порожнини у вибоях польових підготовчих виробок.

Предмет досліджень – параметри підривних конструкцій прямих східчастих врубів у схемах розташування шпурів і шпурових зарядів у вибоях польових підготовчих виробок.

Основні задачі досліджень:–

обґрунтування методів теоретичних досліджень дії шпурових зарядів ВР;–

визначення закономірностей руйнування масиву в прямих врубах, що базуються на принципі воронки викиду;–

розробка методики детального розрахунку й конструювання прямих східчастих врубових конструкцій;–

проведення шахтних випробувань і впровадження методики детального розрахун-ку й нових врубових конструкцій.

Методи досліджень. В основу наукових досліджень покладений комплексний підхід, що включає аналіз і узагальнення літературних джерел за темою дисертації, шахтний натурний експеримент, аналітичні дослідження з використанням методів чисельного розрахунку, методів механіки суцільного середовища при динамічному впливі на масив.

Наукові положення, що виносяться на захист:–

модифікований метод "великих частинок", в якому враховані перетоки кожної компоненти багатофазної системи через межі розрахункової частинки, та метод відбиття пружних хвиль під довільним кутом до поверхні відбиття, що враховує розподіл енергії відбитих хвиль між поздовжньою та поперечною компонентами, дозволяє достовірно визначати ефективні параметри руйнування масиву міцних порід одиночним шпуровим зарядом ВР поблизу відкритої поверхні та поверхні воронки викиду;–

раціональні параметри закладення зарядів у прямих східчастих врубах в умовах міцних скельних порід, залежать від розмірів первинних та подальших областей східчастого руйнування масиву. При цьому: максимальне співвідношення глибини воронки викиду одиночного заряду ВР до довжини шпуру становить hв ? 0,7?ш, і для ВР у патронах діаметром до 36 мм абсолютне значення глибини не перевищує 0,8 м; глибина порожнини вибуху парних шпурових зарядів ВР спадає у степеневій залежності від відстані між ними, а при зближенні зарядів на мінімально припустимі відстані вона досягає глибини воронки викиду одиночного заряду; залежність величини поглиблення порожнини від відстані між зарядом і віссю воронки має лінійний характер, що дозволяє сформулювати узагальнену схему розрахунку прямих врубових конструкцій.

Наукова новизна отриманих результатів досліджень:–

одержав подальший розвиток метод чисельного рахунку – метод "великих частинок" у вигляді його модифікації на систему різнофазних середовищ для розрахунку підривного руйнування масивів скельних порід зарядом ВР;–

вперше вирішена задача розрахунку динаміки поля напружень масиву гірських порід при вибуху шпурового заряду ВР на початкову воронку викиду;–

вперше встановлені кількісні закономірності формування початкової воронки викиду й наступних областей східчастого руйнування масиву у врубовій порожнині в умовах міцних порід;–

отримані нові аналітико-експериментальні залежності для визначення параметрів зон руйнувань при роботі зарядів ВР у прямих врубах;–

вперше отримані кількісні закономірності впливу радіального зазору в шпурі на параметри початкової воронки викиду в міцних породах.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується тим, що:–

в основу розрахункової схеми визначення параметрів східчастих врубів покладені сучасні уявлення в області руйнування гірських порід шпуровими зарядами ВР і окремі методики, отримані іншими дослідниками для деяких конструктивних рішень цих врубових конструкцій;–

розрахункові розміри областей видимих руйнувань від висадження шпурових зарядів відповідають результатам натурних експериментів (максимальні розбіжності не перевищують 16,0%);–

впровадження на прохідницьких ділянках шахт східного району Донбасу розрахункових параметрів БПР дало позитивний результат;–

одержана позитивна дослідно-промислова перевірка запропонованої конструкції посиленого східчастого врубу;–

статистичний матеріал натурних експериментів має представницький обсяг, підтверджений критеріями вірогідності математичної статистики.

Практичне значення роботи полягає:–

у розробці способу детального розрахунку й конструювання прямих східчастих врубів, заснованих на принципі воронки викиду;–

у розробці раціональної конструкції посиленого східчастого врубу, що дозволяє підвищити ефективність БПР у міцних породах;–

у розробці алгоритму й програми визначення параметрів східчастих врубів як елемента САПР БПР гірничо-прохідницького циклу, що дозволяє знизити непродуктивні витрати при відпрацюванні паспорта БПР, підвищити оперативність у керуванні БПР, знизити трудомісткість проектних робіт;–

в обґрунтуванні раціональних співвідношень глибини закладення й величин зарядів ВР між виступами й між зарядами в виступах;–

у забезпеченні надійності роботи вибухових конструкцій прямих врубів і, як наслідок, усуненні вибивання й ушкодження кріплення вибухом, підвищення швидкості проведення польових виробок у міцних породах шляхом збільшення КВШ із 0,7 до 0,9_,95, зменшення кусковатості й розкиду породи від вибою виробки відповідно на 30_%, що дозволяє більш ефективно використовувати навантажувальне устаткування, перехід на одноприйомне висадження.

Реалізація результатів досліджень. Основні результати роботи впроваджені на шахтах "Черкаська", ім. XIX з'їзду КПРС, ДП "Луганськвугілля", ім. Вахрушева, ДП "Ровенькиантрацит", а також у системі автоматизованого проектування паспортів БПР "Детонатор" і в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача в отримані наукові результати полягає в розробці ідеї використання залежностей, що моделюють утворення областей видимих руйнувань, при обґрунтуванні параметрів і конструюванні прямих врубів, виборі методів досліджень, у виконанні натурних і аналітичних досліджень, розробці програмного забезпечення аналітичних досліджень. Здобувачем отримані формули й алгоритм детального розрахунку прямих врубових конструкцій.

Апробація роботи. Робота докладалась на міжнародних науково-практичних конференціях "Перспективи розвитку гірничих технологій на початку третього тисячоліття" (Алчевськ, 1999), "Відродження Донбасу" (Стаханов, 2001), міждержавному науковому семінарі "Високоенергетична обробка матеріалів" (Дніпропетровськ, 1999, 2001, 2003, 2005), науковому семінарі відділу аналітичних методів механіки гірських порід Інституту прикладної математики й механіки НАН України.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований в 11 наукових працях, у тому числі 8 – у фахових виданнях, 1 патенті на винахід і 2 матеріалах конференцій.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, викладена на 225 сторінках машинописного тексту, містить 96 рисунка, 18 таблиць, бібліографічний список використаних джерел з 101 найменувань.

Автор висловлює подяку науковому керівникові доктору фіз.-мат. наук, с.н.с. Чернаю А.В. і доктору техн. наук, проф. Соболєву В.В. за цінні поради й постійну увагу при підготовці дисертації, а також науковому співробітникові кафедри ТГВ гірничого факультету УІПА Жуйбороді В.М., співробітникові Центрального штабу ДВГРС Лукіну В.В. і співробітникові ЕТЦ Держнаглядохоронпраці Бодаренку О.Ф. за сприяння й допомогу в проведенні експериментів і впровадженні результатів у гірничому виробництві.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі роботи зроблений аналіз стану буропідривних робіт на шахтах Должано-Ровенецького, Краснодонського й Боково-Хрустальського геолого-промислових районів; проаналізовані методики і способи розрахунку й конструювання підривних врубових конструкцій, виконано огляд існуючих аналітичних досліджень із підривного руйнування гірських порід стосовно до дії подовженого заряду ВР.

Аналіз паспортів БПР на проведення польових виробок показав, що в більшості вибоїв використовують прямі вруби як найбільш зручні в бурінні, заряджанні й контролі геометрії закладення зарядів. Разом з тим врубові комплекти які використовують на шахтах, практично у всіх випадках мають неефективні параметри, що в міцних породах ([усж] ?120 МПа) веде до низького КВШ і вкрай малої глибини заходки. Для досягнення прийнятної величини посування за цикл у цих випадках ідуть шляхом простого збільшення кількості шпурів, маси заряду, їхнього зближення або переходять на багатоприйомне висадження. При цьому фактична витрата ВМ і шпурометрів значно зростає, а безпека підривних робіт знижується. Тому слід вважати актуальними роботи, спрямовані на подальше вдосконалення схем закладення зарядів у прямих врубах і методик визначення їх ефективних параметрів.

Дослідження процесів руйнування скельних порід шпуровими зарядами проводилися в роботах Е.І. Єфремова, В.Д. Петренка, В.Ф. Клочкова, Ю.С. Меца, М.Р. Шевцова, В.М. Жуйбороды, Е.М. Гарцуєва й ін. Однак особливості дії шпурових зарядів у конструкціях прямих врубів, що ґрунтуються на принципі воронки викиду (ГПВВ) на сьогоднішній день недостатньо вивчені. Відсутня кількісна оцінка руйнувань масиву міцних порід від дії одиночних і парних шпурових зарядів. Таке положення підтверджує теоретичну значимість і актуальність проведення таких досліджень.

Другий розділ роботи присвячений застосуванню кінцево-різницевих методів розрахунку у дослідженні закономірностей деформування й руйнування породного масиву при підривному його навантаженні.

Відповідно до принципів формування врубової порожнини у врубах, які базуються на утворенні воронки викиду, було виділено дві задачі, що визначають дію всіх зарядів у них: дія прямого шпурового заряду поблизу відкритої поверхні і дія заряду на початкову воронку викиду.

Спочатку був розглянутий процес формування початкової воронки викиду одиночним подовженим зарядом. Розташування заряду – перпендикулярно відкритої поверхні. Задача вирішувалася шляхом використання методів чисельного рахунку рівнянь гідродинаміки в системі ВР–навколишнє середовище. Стан середовища після ініціювання заряду описувався диференціальними рівняннями Ейлера (нерозривності, руху, енергії). Для замикання системи використовувалися рівняння стану (РС) для речовин, що входять у розрахункову область. Обґрунтування вибору РС виконувалось шляхом аналізу параметрів стану середовища в розглянутому процесі стосовно відомих експериментальних даних. Отримана таким способом система рівнянь повністю описує середовище при рішенні динамічних задач механіки твердого тіла. Однак ці рівняння в загальному випа-дку не могли бути вирішені аналітичними методами теорії математичної фізики. Необхідно обґрунтувати стійкі консервативні кінцево-різницеві схеми розрахунку хвильових процесів у системі ВР-середовище.

Для рішення зазначеної задачі був застосований метод "великих частинок" (МВЧ). З метою використання даного методу чисельного рахунку в різнофазних (за фізичним станом) системах була проведена його модифікація. У результаті визначено, що можливість застосування даного алгоритму в гетерогенних середовищах обумовлена такими положеннями:–

розрахунок тензора напружень у заключній частині лагранжевого етапу виконується для кожної фази суцільного середовища окремо, за відповідним РС;–

для розрахунку гетерогенних середовищ необхідний індивідуальний облік параметрів фаз суцільного середовища, що може бути здійснене шляхом введення концентраційної функції Cni,j(k), де k – індетифікатор фази;–

в осередках ("великих частинках"), що включають конденсовані й газові фази суцільного середовища, сумарне значення тиску визначається із припущення про рівність його сереньогідростатичного значення в газовій і конденсованій фазах;–

чисельний рахунок параметрів суцільного середовища відбувається в межах розрахункової області. У фіктивних осередках Эйлерово-Лагранжевой сітки, напруження (тиск) визначаються відповідно до умови "м'якої" стінки, в основі якої лежить рівняння ударної адіабати.

У процесі модифікації МВЧ був отриманий алгоритм, що на деяких етапах мав нестійкість рахунку. Це виражалося в генерації збурювань у момент виходу ударної хвилі на межі розрахункової області, у відсутності стабілізації швидкості потоку та інше. У серії налагоджувальних розрахунків для усунення цих негативних моментів встановлені особливості застосування модифікованого МВЧ у гетерогенних середовищах, які виражалися в наступному: застосування певних видів апроксимації розрахункових параметрів у фіктивних осередках й спеціальних умов для контролю знака параметрів у них; використання відповідних компонентів швидкості в розрахунку коефіцієнтів умов "м'якої" стінки в залежності від положення межі осередку, для якої виконується розрахунок; коректування змінних рівняннь Мі-Грюнайзена; застосування центральної похідної у визначенні швидкості деформацій на заключному етапі розрахунку.

Для опису якісної й кількісної картини динамічного руйнування масиву в розрахунку використовувалися й аналізувалися кілька критеріїв граничного стану. Аналіз показав, що в умовах міцних скельних порід оптимальним є застосування критерію Мізеса_Хілла, що добре узгоджується з відомими положеннями теорії руйнування порід з високою акустичною твердістю, шляхом ураховання характеру ударних деформацій ( розтягання-стиск) і використання відповідних меж міцності порід (рис. 1).

У другій частині розділу було розглянута задача дії подовженого заряду поблизу початкової воронки викиду. Для визначення умов взаємодії полів напружень, що забезпечують найбільшу ефективність поглиблення й розширення початкової воронки, була розроблена методика розрахунку взаємодії цих полів. У ній подовжений заряд розглядається як сума елементарних сферичних зарядів, а сумарний ефект, створюваний вибухом подовженого заряду ВР, представляє суму ефектів точкоподібних вибухів, розподілених уздовж шпуру. Специфічні умови полягають у тому, що поверхня початкового оголення (воронки) розташована під кутом до заряду й має обмежений розмір. Верхня крайка заряду в загальному випадку перебуває вище нижньої точки воронки. Нижня крайка й більша частина заряду перебуває нижче воронки. Для обрахування цих умов були прийняті наступні наближення. Пружна хвиля в довільній точці масиву розглядалася як суперпозиція трьох сферичних хвиль: хвилі, генерованої елементарним зарядом, а також хвиль, відбитих від поверхні воронки й від поверхні масиву (рис. 2, а). Поверхня воронки розбивалася на елементарні площадки із центрами , для поверхні масиву – . Особливість задачі полягає в тому, що відбиті хвилі є сферичними й у них є присутнім як поздовжня, так і поперечна компоненти. Необхідно враховувати розподіл енергії відбитої хвилі між цими компонентами й енергії падаючої хвилі на елементарних площадках. У розрахунку це виражалося у використанні спеціальних коефіцієнтів у визначенні амплітуди хвилі від елементарних площадок:

, , (1)

де – коефіцієнт розподілу енергії між поздовжньою й поперечною відбитими хвилями; А0 – повна амплітуда; в1 – коефіцієнт розподілу енергії падаючої хвилі на елементарних площадках залежно від її розміру:

, (2)

де х1, z1, x3, z3 – координати центра елементарної площадки на утворюючій поверхні воронки викиду; ц0,1 – кут охоплення падаючою хвилею поверхні відбиття; m_ кількість елементарних площадок.

Рис. 1. Результати чисельного рахунку: а – області руйнувань масиву; б –параметри напружено-деформованого стану масиву в перетині 1–1

Рис. 2. Результати чисельного рахунку: а – схема дії заряду; б – параметри НДС масиву в перетині 1–1; 1,2,3– варіації положення верхньої крайки заряду; 4– фіксоване положення верхньої крайки заряду

Коефіцієнти розподілу встановлені з аналізу відбиття пружної хвилі від границь розділу. Падаюча хвиля розглядається як така, що складається із двох плоскополяризованих у взаємно перпендикулярних площинах компонентів. Для кожного компонента записуються граничні умови, які разом з вимогами збереження енергії й дають коефіцієнти:

, ,

де – кути відбиття поздовжніх і поперечних хвиль. С, С|| – швидкості поперечних і поздовжніх хвиль у масиві.

Як показали численні тестові розрахунки, параметри НДС масиву відповідають характеру його підривного навантаження поблизу початкової воронки викиду.

У третьому розділі за допомогою теоретичних і експериментальних досліджень були визначені умови й параметри ефективного й безпечного руйнування масиву шпуровими зарядами в конструкціях прямих врубів ГПВВ.

Початковий процес утворення воронок був досліджений шляхом чисельного моделювання методом "великих частинок" вибуху одиночного заряду ВР. Заряди, які утворюють початкову порожнину, розташовуються у врубі на мінімальній глибині 0,5 м (по верхній крайці). Глибина нижньої крайки визначається масою заряду. Зміна початкових умов задавалася в таких межах: міцність породи [уст]=120–200 МПа, працездатність ВР 110–460 см3, маса заряду 0,2_,1 кг.

Із проведених розрахункових експериментів встановлено, що показником ефективності руйнування масиву подовженим зарядом доцільно вибрати глибину воронки викиду hв, яка є найбільш чутливим параметром до зміни умов висаджень у міцних породах і яка може бути інтегральною оцінкою початкових умов висадження: міцності порід, характеристики ВР і геометрії закладення заряду. Використовуючи hв, можна зручно пов'язати закономірності руйнування масиву з початковими умовами.

У результаті проведення чисельних експериментів за планом повного факторного аналізу було встановлено, що граничне співвідношення глибини воронки до глибини шпуру ?ш становить hв ? 0,7?ш при максимально можливій глибині hв= 0,8 м (для ВР у патронах до 36 мм).

Подальше збільшення маси ВР приводить до марної витрати енергії нижніх ділянок заряду в міцних породах на створення пружних деформацій масиву, що не приводять до камуфлетних руйнувань (рис. ,б).

У ході експериментів виявлено кореляційний зв'язок між глибиною воронки hв і кутом її розкриття б (коефіцієнт кореляції 0,95). Встановлено, що при раціональних шпурових зарядах (hв/?ш= mах) глибина воронки викиду однозначно визначає кут її розкриття для будь-яких сполучень міцності порід і працездатності ВР.

Для практичного використання знайдених закономірностей в інженерних

розрахунках були отримані аналітичні залежності hв і б від основних факторів, що впливають на це:

hв = 4,34• f –1,2 •Pз1,05 • q0,63 •?ш–0,95, м, (3)

б = ?n–1(0,3 hв3 – 0,36 hв2 + 0,087 hв + 1,04), град. (4)

де f – коефіцієнт міцності порід за шкалою проф. М.М. Протодьяконова; Pз – показник ефективності заряду, q – маса заряду, кг; ?ш – довжина шпуру, м.

У рівнянні (3) замість працездатності ВР (Рвв) використовується характеристика у вигляді показника ефективності заряду Pз. Даний показник враховує вплив радіального зазору R у шпурі на глибину воронки. Відомо, що застосування зарядів зменшеного діаметра еквівалентно використанню ВР із меншою працездатністю. Тому

Рз = Рвв· (0,7R3 – 7,5R2 + 27R + 970)– 1 . (5)

Рівняння (3)–(5) були отримані шляхом обробки методом найменших квадратів (МНК) результатів чисельних експериментів МВЧ (помилка апроксимації не більше 8

Подальший процес розвитку початкової порожнини був досліджений за допомогою методики розрахунку пружного хвильового поля, створюваного елементарними зарядами колонки ВР і відбитими хвилями елементарних площадок поверхонь воронки й масиву. Вивчався вплив положення верхньої й нижньої крайки заряду, а також відстані від заряду до початкової воронки на просторовий розподіл поля напруг. Отримані кількісні параметри динаміки НДС масиву показали, що хвилі, відбиті від поверхні воронки, створюють найкращі умови для інтенсивних відкольних явищ за рахунок утворення хвильового поля з максимальними розтягуючими і дотичними напруженнями поблизу відкритої поверхні (рис. 2,б). Таким чином, раціональна довжина заряду повинна визначатися параметрами воронки. Встановлено, що ефективна довжина заряду прямопропорційна глибині воронки й зворотньопропорційна куту її розкриття в співвідношенні:

?з = 3,5(hв)0,3 ()–0,32 , м. (6)

Причому, для одержання максимальних деформацій у масиві положення заряду щодо воронки в міру поглиблення порожнини не повинно змінюватися, тобто заглублення нижньої крайки заряду не повинно перевищувати крок заглиблення воронки.

Для повного визначення параметрів розташування зарядів у прямих врубах ГПВВ були також встановлені максимально можлива глибина порожнини при висадженні парних шпурових зарядів ?п і раціональна глибина кроку заглиблення воронки Д?. Параметри були встановлені шляхом проведення натурного експерименту, у зв'язку з тим, що чисельний розрахунок цих величин досить проблематичний. У цьому ж блоці досліджень була зроблена перевірка вірогідності математичних моделей шляхом порівняння результатів розрахунків з результатами експериментальних висаджень.

Дослідження проводилися у вибоях БСД г.930 м шахти ім. Вахрушева, ДП "Ровенькиантрацит", вент. квершлагу г.370 м шахти "Княгінівська", ДП "Донбасантрацит" і допоміжного водозбірника г.910 м шахти ім. газети "Луганська правда", ДПАнтрацит".

Методика проведення шахтних експериментів наступна. Згідно з планом дробового факторного експерименту складалися паспорти БПР, які узгоджувались у РГТІ. Одиночні й парні шпури розташовувалися на вибої таким чином, щоб виключити взаємний вплив областей руйнувань. Після висаджень вибій очищався від залишків породи й проводилися виміри. Вимір геометричних розмірів утвореної порожнини щодо відкритої поверхні був практично неможливий через обвалення віджатої породи по всій площі вибою. Для рішення цього питання був виготовлений спеціальний забійник-вимірник, що дозволяє виконувати виміри щодо дна шпурів.

Процес руйнування масиву парними шпуровими зарядами досить добре вивчений і вважається, що його ефективність при одночасному їхньому ініціюванні нижче, ніж при різночасному. Однак на практиці у врубах часто використовуються зближені заряди для посилення ефекту вибуху. Встановлено, що величина руйнування міжшпурового цілика ?п спадає у степеневій залежності від відстані між зарядами, а при зближенні зарядів на мінімально припустимі відстані глибина порожнини в міцних породах може досягати глибини воронки викиду одиночного заряду. Залежність ?п =f (hв, а) має вигляд:

?п= 0,2 – 0,7а4 – 0,25hв• а + 0,98 hв2, (7)

де а – відстань між парними зарядами.

Залежність величини заглиблення порожнини від відстані між зарядом і віссю воронки b має лінійний характер. Ця залежність була визначена з урахуванням маси заряду заглиблення q2:

? = 2hв – 1,03hв2 – 0,1q22 – 1,02b• hв – 0,31q2• hв – 0,14 (8)

Вирази (7)–(8) були отримані на підставі обробки МНК даних експериментальних висаджень, помилка не перевищує 5,0-11,6%.

Оцінка достовірності отриманих у роботі математичних виразів (3)–(8) виконувалась шляхом зіставлення статистичних числових характеристик параметрів руйнування натурних і чисельних експериментів. Усього було проведено 146 висаджень. Оцінка варіації результатів експериментальних висаджень показує, що відносна помилка теоретичного визначення значень не перевищує 16%, і, що більш істотно, ці значення входять у довірчий інтервал математичного очікування досліджуваних величин.

Таким чином, проведені дослідження переконливо підтвердили можливість використання глибини початкової воронки викиду в якості показника дії шпурового заряду ВР у міцних скельних породах. На базі цього показника встановлені залежності повного детального визначення параметрів закладення зарядів у прямих врубах, що базуються на принципі воронки викиду.

У четвертому розділі розроблений спосіб детального розрахунку й конструювання прямих врубів ГПВВ, наведені результати промислових випробувань способу й розробленої конструкції посиленого східчастого врубу. Встановлені в розділі 3 умови ефективного руйнування масиву для кожної групи зарядів дають можливість повністю визначати їх раціональні параметри закладення незалежно від принципової схеми врубу.

У графічну основу способу покладена розгорнута схема прямого врубу. На схемі звичайно показують у масштабному співвідношенні довжини шпурів і колонки зарядів. Пропонується доповнити схему зображенням контурів порожнин, утворених у кожному виступі врубу, лінією глибини врубу й лінією передбачуваної глибини заходки. Кількість виступів у врубі визначається необхідною кількістю поглиблення початкової воронки до глибини заходки (рис. 3). Детальні параметри зарядів, відповідно до методики, визначаються в чотири етапи. У першому за формулою (3) визначається маса заряду, що утворить початкову воронку викиду, при якій співвідношення hв/ ?ш буде максимальним. Другий етап – за формулою (7) визначають раціональні відстані між зарядами в одному виступі а, при якому глибина порожнини досягає величини hв. Тут і далі необхідно враховувати мінімально припустимі відстані. У третьому етапі визначають величину збільшення глибини порожнини ? і відстань між зарядами суміжних виступів b за формулою (8).

У четвертому етапі графічно за розгорнутою схемою врубу визначають кількість виступів поглиблення. Якщо з розрахунку шпури останніх виступів виходять за лінію глибини врубових шпурів (ВВ1, рис. ), то їхня довжина приймається як така, що дорівнює можливій глибині буріння. При цьому збільшення маси заряду в них зберігається з урахуванням мінімальної довжини гирлової та проміжної забійки. З метою спрощення застосування методики були розроблені номограми визначення відповідних параметрів.

Для визначення працездатності способу були проведені його промислові випробування у вибої південного польового відкатного штреку г.610 м ш. "Черкаська" ДПЛуганськвугілля" ([уст]= 180 МПа, ?зах-= 1,8 м). Із цією метою в базовому паспорті БПР спіральний вруб був замінений на глибокий східчастий, параметри якого визначені за розробленою методикою (шість горизонтальних рядів по три шпури). Надійність розрахунку була встановлена шляхом проведення порядкового висадження зарядів з виміром величини поглиблення порожнини в кожному виступі. У результаті дослідних висаджень встановлено, що відхилення величини поглиблення від розрахункової в першому виступі було відсутнє. У наступних виступах поглиблення зменшувалося на величину, що не перевищує 8%. За час випробувань отримані задовільні результати вже в перших дослідних висадженнях після кожного перегляду паспорта БВР (не менше 4 разів), що свідчить про прийняті нормальні навантаження на заряд.

Найбільш складні умови проведення польових виробок виникають у вибоях, де є можливість застосовувати тільки запобіжні ВР. У цьому випадку існуючі конструкції врубів не дозволяють створювати достатньої концентрації енергії ВР у масиві через низьку працездатність запобіжних ВР і обмежених мінімальних величинах зближення зарядів і довжини забійки. Для рішення цього питання була розроблена конструкція посиленого східчастого врубу (ПСВ). Найбільша ефективність і надійність утворення врубової порожнини в цій конструкції досягається за рахунок наступних її особливостей (рис. 4): використання двох початкових порожнин викиду (сіра область); наявність двох напрямків ЛНО у зарядів I і V виступів (область I, V); розміщення зарядів не суміжних виступів із протилежних сторін від початкової порожнини (області I, II–III, IV і III, IV–V).

Таблиця параметрів шпурів і шпурових зарядів

№

групи | Номери

шпурів | Довжина

шпуру, м | Величина

заряду, кг | Кількість

зарядів | Кут нахилу, град. | Черговість

висадження

до вертикалі | до горизонталі

1 | 1–4 | 1,35 | 0,90 | 4 | 90 | 90 | ЕДКЗ–ОП

2 | 5–6 | 1,70 | 1,20 | 2 | 90 | 90 | ЕДКЗ–1ПМ

3 | 7–10 | 2,05 | 1,50 | 4 | 90 | 90 | ЕДКЗ–2ПМ

4 | 11–16 | 2,20 | 1,80 | 6 | 90 | 90 | ЕДКЗ–3ПМ

5 | 17–20 | 2,20 | 1,80 | 4 | 90 | 90 | ЕДКЗ–4ПМ

6 | 21–22 | 2,20 | 0,60 | 2 | 90 | 90 | ЕДКЗ–5ПМ

Усього | 43,4 | 31,2 | 22

Рис. 4. Схема глибокого східчастого врубу, що застосовувався у вибої південного польового відкатного штреку г.610 м шахти "Черкаська" ДП "Луганськвугілля"

У результаті промислового впровадження ПСВ у вибої головного відкатного штреку г.490 м шахти ім. XIX з'їзду КПРС ДП "Луганськвугілля" загальна ефективність робіт збільшилася не менше ніж на 15% за рахунок переходу на одноприйомне висадження, збільшення КВШ із 0,7 до 0,9, збільшення швидкості проходки на 18 м/міс. Економічний ефект склав 150, 6 грн. на погонний метр виробки.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у який на основі вперше встановлених закономірностей руйнування масиву скельних порід шпуровими зарядами ВР, отриманих за допомогою розроблених математичних моделей дії подовженого заряду на одну відкриту поверхню й на початкову воронку викиду та експериментальних досліджень, вирішена актуальна науково –технічна задача підвищення ефективності буропідривних робіт при проведені гірничих виробок в міцних породах.

Основні висновки й результати роботи наступні:

1. Модифікований метод чисельного рахунку – метод "великих частинок", що розширює область його застосування на систему різнофазних середовищ для розрахунку підривного руйнування масиву скельних порід шпуровим зарядом ВР.

2. Встановлені особливості застосування різницевих рівнянь методу "великих частинок" у гетерогенних середовищах.

3. Показано, що для визначення руйнування міцних порід подовженим зарядом найбільш ефективним критерієм граничного стану є критерій Мізеса-Хілла, що враховує характер виникаючих у масиві напружень.

4. Запропоновано рішення задачі про розрахунок НДС масиву скельних порід викиду, що має початкову воронку, при його вибуховому навантаженні шпуровим зарядом ВР; рішення дозволяє встановити раціональну масу й довжину зарядів наступних виступів поглиблення врубової порожнини.

5. Встановлено, що–

концентрація розтягуючих напружень, які створені відбитою ударною хвилею, зі збільшенням довжини й маси заряду переміщається вглиб масиву до певної межі, що обумовлює встановлення максимально можливих співвідношень глибини воронки й довжини шпуру hв ? 0,7?ш, і для ВР у патронах діаметром до 36 мм, hв не перевищує 0,8 м. Цим же визначається те, що глибина початкової воронки викиду при раціональних шпурових зарядах (hв/?ш= mах) однозначно визначає кут її розкриття для будь-яких поєднань міцності порід і працездатності ВВ;–

пружне хвильове поле, створюване елементарними джерелами відбитих хвиль на поверхні початкової воронки викиду, значно впливає на ефективність руйнування, що дозволяє встановити раціональну величину заглиблення нижньої крайки шпурового заряду в наступному виступі, яка не повинна перевищувати крок поглиблення порожнини;–

глибина порожнини від висадження парних шпурових зарядів у міцних породах на припустимих відстанях не перевищує глибини воронки викиду від одиночного заряду в тих же умовах.

6. Отримано вираз для визначення параметрів руйнування масиву одиночними й парними шпуровими зарядами, що дозволяє обґрунтовувати раціональні параметри прямих східчастих врубів: глибину початкової воронки викиду, кута її розкриття, глибину порожнини висадження парних зарядів, раціональну довжину зарядів наступних виступів і величину збільшення глибини формованого додаткового оголення.

7. Розроблена класифікація способів визначення параметрів врубових конструкцій, в якій уперше врахований ступінь детальності розрахунку зарядів ВР і геометрія їхнього закладення в прямих врубах.

8. Розроблена методика для обґрунтування раціональних параметрів прямих східчастих врубів і спосіб утворення врубової порожнини ("посилений східчастий вруб"), які були апробовані в складних гірничо-геологічних умовах вибоїв шахти "Черкаська" ДП "Луганськвугілля". У результаті їхнього промислового впровадження на шахті ім.з'їзду КПРС, ДП "Луганськвугілля" знижено до мінімуму кількість досвідних висаджень по відпрацьовуванню параметрів розташування шпурів і шпурових зарядів, зменшена питома витрата ВМ на 18 _ %, знижена ймовірність запалення метано-пило-повітряного середовища в небезпечних вибоях, збільшена швидкість проведення виробки на 18,7 м/міс.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Жуйборода В.Н., Налисько Н.Н. Прямой ступенчатый вруб// Уголь Украины.– 1994.– № 6.– С. 25–27.

2. Жуйборода В.Н., Налисько Н.Н., Занин Н.Т. Рекомендации по расчету и конструированию схемы расположения шпуров при составлении паспорта БВР// Уголь Украины.– 1995.– № 1.– С. 20-22.

3. Дротік В.А., Налисько М.М. Руйнування масивів міцних скельних порід шпуровим зарядом ВР на початкову вирву викиду// Вісник ЖДТУ.– 2004.– №4(31).– С.184–192.

4. Жуйборода В.Н., Налисько Н.Н., Занин Н.Т. Повышение эффективности буровзрывных работ при проведении выработок// Уголь Украины.– 1998.– № 3.– С. 13-14.

5. Налисько Н.Н., Чернай А.В., Жуйборода В.Н. Разрушение крепких горных пород шпуровыми зарядами ВВ// Высокоэнергетическая обработка материалов: Сб. науч. тр.– Днепропетровск: НГАУ, 1999.– С. 127–137.

6. Налисько Н.Н., Чернай А.В. Усиленный ступенчатый вруб// Высокоэнергетическая обработка материалов: Сб. науч. тр.– Днепропетровск: НГАУ, 1999.– С. 135–137.

7. Чернай А.В., Соболев В.В., Налисько Н.Н. О перспективе использования численного метода расчета – метода "крупных частиц" в задачах динамического воздействия на горный массив// Сб. науч. тр. НГА Украины.– Днепропетровск, 2001.– №11, Т.3.– С. 225–232.

8. Налисько Н.Н., Чернай А.В. Исследование закономерностей разрушения горных пород удлиненным зарядом ВВ методом "крупных частиц"// Сб. научн. тр./ НГУ.– 2003.– № 18.– С. 110–116.

9. Патент Украины №22260 А, МПК 6 F 42 D 3/04, E 21 D 9/00. Способ образования врубовой полости при взрывных работах/ В.Н. Жуйборода, Н.Н. Налисько (Украина). Заявлено 23.04.96; Опубл. 30.06.98, Бюл. №3.

10. Налисько Н.Н. О методе определения рациональных конструкций и параметров прямых врубов для условий крепких горных пород// Труды Международной научно-практической конференции "Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия".– Алчевск: ДГМИ, 1999.– С. –92.

11. Система автоматизированного проектирования буровзрывных работ/ Н.Н. Налисько, В.Н. Жуйборода, В.И. Назаренко, В.В. Лукин. // Труды Международной научно-практической конференции "Відродження Донбасу".– Т.1.– 2001.– Луганск: "Книжковий світ".– С. 66–71.

Особистий внесок автора в роботи опубліковані в співавторстві, полягає в наступному: [1]– проведення шахтних випробувань; [2]– розробка методики розрахунку; [3]– ідея, розробка розрахункових програм, проведення розрахунків, аналіз результатів; [4]– проведення досліджень, висновки; [6, 7]– ідея й проведення шахтних експериментів; [8]– розробка розрахункових програм і проведення розрахунків; [9] – проведення експериментів, аналіз результатів; [10] – розробка ознак винаходу по суті; [11] – ідея й розробка алгоритму САПР.

АНОТАЦІЯ

Налисько М.М. Удосконалення буропідривної технології проведення польових виробок шляхом обґрунтування раціональних параметрів конструкцій прямих врубів.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом – 05.15.04 – "Шахтне та підземне будівництво".– Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена питанням ефективного руйнування масивів міцних скельних порід шпуровими зарядами ВР у конструкціях прямих східчастих врубів. У роботі розвиваються аналітичні методи чисельного розрахунку процесів підривного навантаження скельних масивів: модифікація методу "великих частинок" і методика розрахунку пружного хвильового поля дії подовженого заряду на початкову воронку викиду. Проведено комплексні дослідження процесів початкового воронкоутворення й східчастого її поглиблення в умовах руйнування масиву зарядами прямих врубових конструкцій за допомогою чисельного моделювання та натурного експерименту. Встановлено закономірності утворення областей вибухового руйнування одиночними й парними шпуровими зарядами залежно від параметрів їхнього закладення. Обґрунтована методика детального розрахунку елементів закладення зарядів у конструкціях прямих східчастих врубів. Для складних гірничо-геологічних умов проведення польових виробок розроблена конструкція посиленого східчастого врубу. Розроблені методика й посилений східчастий вруб пройшли експериментальну перевірку в промислових умовах і були впроваджені на шахтах Східного Донбасу.

Ключові слова: вибуховий вруб, воронка викиду, шпуровий заряд, пружне хвильове поле, міцна порода, чисельний розрахунок, суцільне середовище.

АННОТАЦИЯ

Налисько Н.Н. Совершенствование буровзрывной технологи проведения полевых выработок путем обоснования рациональных параметров конструкций прямых врубов.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности – 05.15.04 – "Шахтное и подземное строительство".– Национальный горный университет, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена вопросам эффективного разрушения массивов крепких скальных пород шпуровыми зарядами ВВ в конструкциях прямых ступенчатых врубов.

Анализ состояния БВР при проведении полевых выработок и литературных источников показал, что технологические схемы применяемых прямых врубовых конструкций не обеспечивают эффективного и надежного разрушения массива в объеме врубовой полости. Одной из причин такого состояния является отсутствие обоснованных рациональных параметров и методик расчета, позволяющих в полном объеме определить элементы заложения врубовых зарядов.

С целью определения условий эффективного использования прямых врубов в работе получили дальнейшее развитие методы численного расчета процессов взрывного нагружения скальных массивов: метод "крупных частиц" и методика расчета упругого волнового поля при действии удлиненного заряда на начальную воронку выброса.

Проведены комплексные исследования процессов начального воронкообразования и ступенчатого ее углубления в условиях разрушения массива зарядами прямых врубовых конструкций с помощью численного моделирования и натурных экспериментов. Установлены закономерности образования областей взрывного разрушения одиночными и парными шпуровыми зарядами в зависимости от параметров их заложения.

Обработкой методом наименьших квадратов результатов комплексных исследований получены выражения, пригодные для инженерных расчетов, устанавливающие функциональную связь между размерами областей разрушений и начальными условиями взрывания: глубины начальной воронки выброса, расстояний между зарядами одной ступени и зарядами смежных ступеней, величины шага