Міністерство освіти і науки України

Кременчуцький державний політехнічний університет

Пєєв Андрій михайлович

УДК 622.242: 622.235

Дослідження та розробка раціональних конструкцій ПОДОВЖЕНИХ зарядів з реҐулюванням ДИНАМІЧНОго навантаження донної частини свердловини

Спеціальність 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кременчук – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Кременчуцькому державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Воробйов Віктор Васильович, Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, декан машинобудівного факультету, м. Кременчук.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Крисін Родерік Симонович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри відкритих гірничих робіт, м. Дніпропетровськ;

кандидат технічних наук, доцент Фролов Олександр Олександрович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри геобудівництва та гірничих технологій, м. Київ.

Провідна установа: Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра відкритих гірничих робіт,
м. Кривий Ріг.

Захист відбудеться “ 14 ” грудня 2005 р. о 13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 45.052.02 у Кременчуцькому державному політехнічному університеті за адресою: вул. Першотравнева, 20, м. Кременчук, 39614.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Кременчуцького державного політехнічного університету за адресою: вул. Першотравнева, 20, м. Кременчук, 39614.

Автореферат розісланий “ 10 ” листопада 2005 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради, канд. техн. наук, доц. В.М. Чебенко

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Мирне використання енергії вибуху знаходить широке застосування в різних галузях промисловості та народного господарства України. Вибух дає можливість істотно зменшити терміни будівництва, особливо у випадку реконструкції діючих підприємств, а також під час будівництва іриґаційних каналів, основ споруджень та інших профільних виїмок. Однак найбільш традиційна сфера застосування енергії вибуху – гірничодобувна промисловість.

Буровибухові роботи (БВР) за сучасних умов роботи гірничодобувних підприємств поки залишаються практично єдиним способом руйнування міцних гірських порід. Результати БВР значно впливають на ефективність наступних технологічних процесів: екскавацію, транспортування, механічне дроблення і сортування. У даний час до якості вибухової відбійки висуваються підвищені вимоги, які полягають в одержанні рівномірно роздробленого і заданого гранулометричного складу висадженої гірської маси. Під час вибухової відбійки вертикальними свердловинними зарядами, що є найбільш розповсюдженим засобом в умовах відкритих гірських робіт, істотний вплив на результати вибуху чинить розходження умов опору дії вибуху свердловинного заряду по висоті уступу.

Для більш ефективного ведення БВР і для одержання проектної позначки підошви уступу необхідно раціонально вибирати величину перебуру. Залежно від фізико-механічних властивостей гірського масиву його довжина змінюється в межах від 2 до 4 м. Через наявність перебуру на 20–30% збільшуються витрати на буріння, погіршується дроблення верхньої частини масиву і підвищується тріщинуватість верхньої частини наступного уступу. Аналіз стану БВР свідчить, що якісне дроблення гірської маси досягається в основному за рахунок підвищення питомих витрат вибухових речовин (ВР), удосконалювання конструкції заряду. Разом з тим порівняно мало уваги приділяється вивченню процесів, що протікають у донній частині свердловини. Тому подальше дослідження даних процесів і створення на їх підставі нових удосконалених конструкцій заряду, дозволяючих зменшити величину перебуру свердловин і поліпшуючих пророблення підошви уступу, є актуальною задачею, вирішення якої дозволить отримати значний економічний ефект.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до напряму досліджень, проведених кафедрою “Технічна механіка” Кременчуцького державного політехнічного університету і є складовою частиною держбюджетних НДР, виконаних відповідно до планових завдань Міністерства освіти і науки України: “Розробка засобів підвищення ефективності вибухового і механічного дроблення гірських порід при виробництві щебеню” (2Д/99 – ТМ, №ДР 0199U004066), виконаної 1999–2001 р.р., “Дослідження впливу газодинамічних процесів при детонації на механізм вибухового тріщиноутворення” (5Д/02 – ТМ, №ДР 0102U000742), виконаної 2002–2004 р.р., внутрішньовузівської теми “Дослідження ефективності дії сумішевих зарядів у різноманітних середовищах та вплив динамічних навантажень на процес розміцнення” (№ 92В/03 – Тмех, №ДР 0103U003991), у яких автор брав участь як виконавець.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення ефективності дії вибуху свердловинних зарядів при руйнуванні гірських порід, що досягається за рахунок керування хвильовими процесами в донній частині свердловини.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі передбачено вирішення наступних задач:

- теоретично дослідити вплив параметрів просторового розміщення бойовиків у нижній частині заряду на характер розподілу напруг у середовищі під час вибуху;

- теоретично обґрунтувати параметри концентратора ударних хвиль (КУХ), розташованого в нижній частині свердловинного заряду;

- експериментально установити взаємозв'язок форми донної частини свердловини і ступеня пророблення підошви уступу;

- експериментально дослідити вплив КУХ на ступінь зниження динамічного впливу відбитих хвиль на забійку;

- експериментально установити раціональні параметри просторового розташування бойовиків для спрямованого впливу детонаційних хвиль на донну частину свердловини;

- розробити раціональні конструкції свердловинних зарядів, що сприяють зменшенню величини перебуру при збереженні якості пророблення підошви уступу.

Основна ідея роботи складається в посиленні динамічного впливу продуктів детонації та детонаційних хвиль на нижню частину свердловини, при одночасному зниженні динамічного впливу відбитих хвиль на матеріал забійки, що досягається за рахунок зміни форми донної частини свердловини і використання багатоточкового ініціювання нижньої частини заряду.

Об’єкт досліджень: процеси руйнування гірських порід вибухом.

Предмет досліджень: напружено-деформований стан середовища під час вибуху; характер поширення детонаційних хвиль; конструкції свердловинних зарядів.

Методи дослідження. Для рішення поставлених задач використано комплекс теоретичних і експериментальних методів: аналіз і узагальнення сучасних уявлень про вибухове руйнування гірських порід, методи теорії пружності, математичної фізики, методи фізичного моделювання швидкоплинних процесів, методи математичної статистики, техніко-економічного аналізу. При виконанні експериментальних досліджень використані сучасні методи і способи реєстрації швидкоплинних процесів (високошвидкісна фотокамера ВСК-5, п’єзокерамічні датчики тиску, осцилограф С 8-14).

Основні наукові положення, які виносяться на захист:

1. Розміщення в донній частині свердловинного заряду двох чи трьох бойовиків дозволяє сконцентрувати енергію детонаційних хвиль у місці сполучення дна і стінки свердловини, що сприяє створенню початкових тріщин і знижує на 30-40% величину перебуру.

2. Зміна форми донної частини свердловинного заряду або розташування в нижній частині свердловини концентратора ударних хвиль дозволяє підсилити динамічний вплив детонаційних хвиль на середовище в зоні перебуру й одночасно знизити вплив відбитих хвиль на матеріал забійки. За рахунок цього на 40% зменшується величина перебуру і на 10-16% підвищується ефективність вибухового руйнування середовища.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше встановлено вплив просторового розташування бойовиків у свердловинному заряді ВР на розподіл напруг у донній частині свердловини. Теоретичні розрахунки свідчать, що порівняно з осьовим ініціюванням спрямований вплив на лінію з’єднання дна і стінок свердловини призводить до збільшення площі руйнування на 20-25%.

2. Теоретично обґрунтовано геометричні параметри конічного концентратора ударних хвиль, при яких досягається посилення динамічного впливу відбитих хвиль на стінки свердловини в зоні перебуру.

3. Уперше теоретично й експериментально доведено можливість зниження динамічного впливу відбитих хвиль на матеріал забійки при використанні концентратора ударних хвиль.

Обґрунтування і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується методичною правильністю застосування апробованих методів дослідження; оцінкою досліджуваних явищ декількома незалежними методами; застосуванням методу математичної теорії планування експериментів і методів математичної статистики для обробки результатів лабораторних і промислових досліджень; задовільною збіжністю математичних моделей з даними експериментів; результатами промислових дослідів і практичною реалізацією розробок.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей зміни напруг при вибуху свердловинного заряду залежно від просторового розташування бойовиків у нижній частині свердловини, а також в обґрунтуванні та розробці концентратора ударних хвиль, який дозволяє підсилити динамічний вплив відбитих хвиль на стінки свердловини в зоні перебуру й одночасно знижує їх дію на матеріал забійки, що сприяє підвищенню ефективності дії вибуху і знижує величину перебуру.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Обґрунтовано параметри просторового розташування бойовиків у нижній частині заряду, при яких досягається підвищення ефективності вибухового руйнування середовища.

2. Уперше встановлено вплив форми інертної вставки до нижньої частини свердловини на характер руйнування середовища і зміну властивостей відбитої гірської маси.

3. Експериментально встановлено вплив величини кута при основі конічного концентратора ударних хвиль на характер руйнування гірської породи і зміну профілю підошви уступу.

4. Уперше експериментально встановлено вплив величини кута при основі конічного концентратора ударних хвиль на ефективність роботи забійки.

Практична цінність роботи полягає в обґрунтуванні раціональних параметрів просторового розташування двох чи трьох бойовиків у нижній частині заряду, а також геометричних розмірів конічного концентратора ударних хвиль, використання яких дозволяє знизити величину перебуру на 30-40% і на 10-16% підвищити ефективність вибухового руйнування середовища.

Реалізація результатів роботи. Свердловинні заряди з багатоточковим ініціюванням нижньої частини і конічним концентратором ударних хвиль пройшли промислову перевірку в умовах АТ “Полтавський ГЗК”, Крюківського кар’єроуправління, Редутського щебзаводу. При відбійці 95 тис. м3 гірської породи отримано економічний ефект у сумі 35,6 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначена ідея роботи, її мета і задачі досліджень, основні наукові положення, висновки і рекомендації щодо реалізації. Конкретний особистий внесок здобувача в роботах, що опубліковані у співавторстві, полягає в наступному: розробці програми та розрахунках впливу просторового розташування точок ініціювання в нижній частині свердловини на характер розподілу напруг у середовищі при вибуху [6, 9], обґрунтуванні параметрів КУХ, розташованого на дні свердловини [8], постановці та проведенні лабораторних і промислових експериментів, обробці й аналізі їх результатів [1, 3 – 5, 10, 11], розрахунку параметрів просторового розташування бойовиків у донній частині свердловини [12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 2000 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Техногенна безпека реґіонів і механіка вибухового руйнування гірських порід” (м. Севастополь, 2002 р.), міжнародних науково-технічних конференціях “Механіка і технологія вибухового руйнування гірських порід” (м. Євпаторія, 2003 р.; Крим, 2004 р.; Крим, 2005 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривий Ріг, 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Застосування промислових і конверсійних вибухових речовин при руйнуванні гірських порід вибухом і екологічна безпека” (пгт. Яремче, Івано-Франківська обл., 2005 р.), Реґіональній науково-технічній конференції молодих учених і спеціалістів (м. Кременчук, 2005 р.), а також у повному обсязі доповідалися на семінарах Криворізького технічного університету, Кременчуцького ДПУ й інш.

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 12 друкованих роботах, серед яких 9 опубліковано в наукових спеціалізованих, затверджених ВАК України, виданнях, 1 – тези конференції, а також отримано 1 патент України.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, викладених на 159 сторінках машинописного тексту, містить 59 рисунків і 21 таблицю, список літературних джерел з 103 найменувань, а також додатка на 3 сторінках, у якому наведено документи, що підтверджують використання результатів роботи.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і показано зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету й основні наукові та практичні задачі досліджень, наведено наукові положення, що виносяться на захист, показано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, а також рівень апробації результатів роботи.

у першому розділі розглянуто результати досліджень, а також досвід застосування різних конструкцій циліндричних зарядів ВР у вітчизняній і зарубіжній практиці ведення вибухових робіт, застосування яких дозволяє покращити проробку підошви уступу та знизити величину перебуру, зроблено критичний аналіз їх ефективності.

Теоріям поширення вибухових хвиль та процесу руйнування матеріалів під їх дією присвячені наукові праці Г.І. Покровського, Ф.І. Кучерявого, К.П. Станюковича, О.О. Вовка, В.М. Коміра, Е.І Єфремова, Б.Н. Кутузова, Р.С. Крисіна, Ю.С. Меца, В.В. Воробйова, А.Н. Ханукаєва, В.Д. Воробйова,П.І. Федоренка, Е.О. Мінделі, М. Кука та інших.

Великий внесок у вивчення механізму дії вибуху в донній частині заряду і розробку практичних рекомендацій з даного питання внесли вчені: Г.П. Демидюк, В.С. Куц, М.Ф. Друкований, А.Е. Азаркович, В.І. Ільїн, О.О. Фролов, М.Ф. Кім, В.М. Харитонов, В.І. Пшеничний та інші.

Аналіз існуючого стану наукових досліджень, спрямованих на вивчення процесів, що протікають в області перебуру свердловинного заряду під час вибуху, а також аналіз методів, які сприяють поліпшенню пророблення підошви уступу і зменшенню величини перебуру свердловин, свідчить, що дана область досліджень є маловивченою. Цим можна пояснити застосування практично однієї й тієї самої конструкції заряду ВР у всіх існуючих технологіях вибухового руйнування гірських порід. Дослідниками не розглядались питання про раціональне просторове розташування ініціаторів для спрямованого впливу на донну частину свердловини, про вплив форми донної частини свердловини на величину перебуру і пророблення підошви уступу. Виходячи з цього, глибоке вивчення даних питань і розробка на основі отриманих результатів нових конструкцій зарядів, що сприяють зменшенню величини перебуру і поліпшують пророблення підошви уступу, являють собою першочергові задачі, успішне рішення яких дозволяє підвищити ефективність усього комплексу БВР.

Другий розділ дисертації присвячено теоретичним дослідженням з обґрунтування раціонального розташування точок ініціювання в свердловинному заряді й аналізу числового моделювання радіальних зсувів у нижніх шарах масиву, а також дослідженням впливу параметрів КУХ на передачу енергії газоподібних продуктів детонації та відбитих ударних хвиль середовищу, що руйнується.

З огляду на те, що при зустрічі детонаційних хвиль відбувається значне підвищення тиску, а також враховуючи той факт, що на лінії сполучення дна і стінок свердловини знаходиться концентратор напруг, бойовики варто розташувати таким чином, щоб зустріч детонаційних хвиль відбулася саме в цій зоні. При осьовому розташуванні бойовиків неможливо виконати дану умову, а при зсуві ініціаторів відносно осі заряду ця умова виконується. Розглянемо характер взаємодії детонаційних хвиль у випадку миттєвого ініціювання ділянки свердловинного заряду двома зміщеними по осі бойовиками А і В (рис. 1а). У цьому випадку зіткнення детонаційних фронтів буде здійснюватися по лінії КК', тобто в зоні точок К і К' буде спостерігатися більш інтенсивний вплив продуктів вибуху на середовище. У цьому випадку відстань від бойовика В до дна свердловини визначається за наступною формулою (Н dс):

, (1)

де dc - діаметр свердловини, м;

Н - відстань між бойовиками А і В уздовж осі свердловини, м.

Розглянута взаємодія детонаційних хвиль від двох ініціаторів дозволяє створювати зону інтенсивного навантаження в одній точці дна свердловини. Така конструкція свердловинного заряду може бути доцільна для використання в першому ряді свердловин. У другому і наступних рядах (крім останнього) буде ефективно працювати заряд, у якому в нижній частині розташовано три бойовики (рис. 1б). При даній схемі розташування ініціаторів зіткнення детонаційних фронтів буде здійснюватися по лініях КК' і NN', а в точках К и N (точках сполучення стінок свердловини та її дна) буде більш інтенсивне навантаження середовища. У цьому випадку відстань від нижнього бойовика В до дна свердловини визначають за формулою:

. (2)

а |

б | Під час створення математичної моделі для оцінювання впливу просторового розташування бойовиків на зміну характеру руйнування нижніх шарів масиву обмежилися поширенням пружних хвиль у необмежених пружних середовищах. При цьому заряд розглядали як сукупність елементарних сферичних зарядів, а сумарне відносне значення нормальної напруги, що діє в танґенціальному напрямку в розглянутій точці середовища, розраховували відповідно до

Рис. 1. Схема взаємодії детонаційних хвиль від бойовиків

залежності:

, (3)

де ; - функція Хевісайда; Кi – коефіцієнт, що дозволяє робити підсумовування напруг; ri – відстань від центра моделюючої сфери до розглянутої точки, м; Rc – радіус сфери, м; ?=н/(1-н) - ?езрозмірний коефіцієнт (? – коефіцієнт Пуассона); q – коефіцієнт загасання тиску в сферичному заряді, 1/с; ti – час запізнювання приходу хвилі напруги до розглянутої точки, с.

Змінюючи ті чи інші параметри, що входять до формули (3), можна одержати залежності відносних нормальних напруг, що діють у танґенціальному напрямку, від часу на різних відстанях від осі циліндричного заряду, розподіл напруг уздовж вертикальної вісі заряду в різні моменти часу на різних відстанях від осі заряду. При цьому модель дозволяє розглядати різні випадки розташування точок ініціювання в донній частині заряду (рис. 2).

Розрахункова схема 1. У початковий момент часу ініціювання здійснюється в одній сфері, розташованій в центрі дна заряду.

Розрахункова схема 2. У початковий момент часу здійснюється ініціювання двох сфер, зміщених відносно вісі заряду.

Розрахункова схема 3. У початковий момент часу ініціювання відбувається одночасно в трьох сферах, дві з який зміщені відносно вісі заряду, а одна знаходиться в центрі дна свердловини.

Розрахункова схема 4. У початковий момент часу ініціювання теж відбувається одночасно в трьох сферах, дві з який зміщені щодо вісі заряду і знаходяться в місці сполучення дна і стінок свердловини, а третя – на вісі заряду.

Схема 1 Схема 2 Схема 3 Схема 4

Рис. 2. Розрахункові схеми розташування бойовиків у донній частині заряду

Для вибраних схем були визначені області для точок, у яких відносні нормальні напруги, що діють у танґенціальному напрямку, в фіксовані моменти часу перевищують значення гранично припустимих значень (зона умовно названа “зоною руйнування”) (табл. 1).

Як засвідчив теоретичний аналіз числового моделювання радіальних зсувів у зоні перебуру свердловини, на початковій стадії розвитку процесу (t= =0,00006 с) площа зони руйнування максимальна для схеми 4 і набуває грушоподібної форми; у наступні моменти часу площі руйнування для схеми 3 перевищують аналогічні площі для всіх розглянутих схем розташування бойовиків. Отже, при використанні свердловинного заряду з багатоточковим ініціюванням за промислових умов, найбільш раціональним є розташування бойовиків за схемою 3, що буде сприяти інтенсифікації руйнування нижніх шарів масиву і дозволить знизити необхідну величину перебуру.

У роботі також розглянуто теоретичне обґрунтування параметрів інертного конуса в донній частині свердловини для інтенсифікації процесу руйнування твердого середовища. Змінюючи характер взаємодії фронту детонаційних хвиль у донній частині свердловини, можна підсилити інтенсивність її навантаження, що, у кінцевому рахунку, має привести до поліпшення ступеня вибухового руйнування нижніх шарів масиву. Одним з можливих варіантів рішення даного питання може бути використання в донній частині свердловини концентратора ударних хвиль

Таблиця 1

Зміна площі зони руйнування залежно від схеми ініціювання заряду

Номер схеми | Площа зони руйнування, · 10-3 м2

Фіксовані моменти часу t, с

0,00006 | 0,0001 | 0,00014 | 0,00018 | 0,00022

1 | 61,73 | 212,96 | 441,36 | 740,74 | 1074,07

2 | 67,90 | 231,48 | 459,87 | 799,38 | 1132,71

3 | 114,20 | 305,55 | 574,07 | 956,78 | 1410,48

4 | 182,10 | 290,12 | 567,90 | 929,01 | 1314,81

(КУХ). Під час ініціювання свердловинного заряду бойовиком, по заряду буде поширюватися детонаційна хвиля. Зустрівши на своєму шляху КУХ, детонаційна хвиля відбивається від його конічної поверхні (рис. 3). Кут відображення в даному випадку буде незначно відрізнятися від

Рис. 3. Схема взаємодії детонаційної хвилі з КУХ | кута падіння хвилі на КУХ. Після відображення ударна хвиля підійде до стінки свердловини, відіб'ється від неї і прямуватиме до протилежної стінки і т.д. Отже, відбита хвиля буде рухатися до забійки не вздовж осі свердловини, а зиґзаґоподібно. За рахунок цього збільшиться шлях, пройдений відбитою хвилею, а її тиск унаслідок багаторазового відображення від стінок свердловинного заряду зменшиться. Виходячи зі сказаного вище, створюються умови, за яких, по-перше, зменшується швидкість вильоту забійки (оскільки ударна хвиля відбивається від дна не вздовж осі заряду, а в середовище), і, отже, збільшиться і час дії газоподібних продуктів детонації на середовище, а по-друге, енергія, що передавалася забійці, тепер йде на руйнування середовища і дроблення в ділянці перебуру поліпшується. Величина довжини ділянки,

що піддається додатковому динамічному навантаженню відбитою хвилею, залежно від кута біля основи конуса (?) і діаметра свердловини (dс) визначають за формулою:

. (4)

Слід зазначити, що формула (4) правдива для кутів ? 450, тому при ?>450 зона посиленого динамічного впливу буде зменшуватися. Таким чином, для забезпечення реґулярної взаємодії відбитої від КУХ сильної ударної хвилі зі стінкою свердловини необхідно, щоб кут при основі КУХ (це є також кут між фронтом детонаційної хвилі та конічною поверхнею КУХ) знаходився в межах від 200 до 450. У цьому випадку спостерігається зміна величини зони посиленого динамічного впливу в 1,56 раза: з 0,78dc при =200 до 0,5dc при =450. Теоретичний аналіз, виконаний К.П. Станюковичем засвідчив, що якщо даний кут складає більш ніж 600, то настає так зване нереґулярне відображення, при якому відбувається відрив хвилі від стінки. Для усунення цього явища, необхідно, щоб кут при основі КУХ був не більш ніж 600. З іншого боку, щоб було відсутнє нереґулярне відображення ударної хвилі від стінок свердловини, кут ? повинен бути менш ніж 600, а ?>150. Тобто повинна виконуватися умова:

150 < б < 600. (5)

Коли відбита хвиля досягне забійки, тиск у ній буде мати величину порядку Pв0,3Рп. При використанні КУХ за рахунок зміни напрямку руху відбитої хвилі її шлях до моменту зустрічі із забійкою збільшиться і буде зростати в міру наближення кута ? до 450 (при dc=0,25 м для ?=300 шлях збільшиться в 2 рази, для ?=400 – у 5,7 раза), а тиск на фронті відбитої хвилі при довжині свердловини 9 м зменшиться в 5,4 раза для ?=300 і в 127 разів - для ?=400). Отже, наявність у донній частині свердловини конічного концентратора ударних хвиль дозволить не тільки підсилити динамічне навантаження середовища в зоні перебуру, але і зменшити вплив відбитої хвилі на матеріал забійки, що, в остаточному підсумку, приведе до підвищення ефективності дії вибуху даної конструкції свердловинного заряду.

У третьому розділі подано результати лабораторних досліджень впливу форми донної частини заряду і параметрів багатоточкового ініціювання на руйнування масиву в ділянці перебуру.

Проведені лабораторні експерименти підтвердили теоретичне припущення про те, що вісьовий зсув ініціаторів у донній частині шпуру дозволяє створювати початкові тріщини в ділянці сполучення дна і стінок шпуру. Експерименти проводилися на прозорих моделях з оргскла (40х40х40 мм). У центрі кожної моделі висвердлювали шпур діаметром 10 мм і глибиною 30 мм, до якого заливали воду. Різне розташування ініціаторів імітували за допомогою крапельок азиду свинцю, які попередньо покривали лаком. При цьому вдалося встановити, що довжина тріщин у місці сполучення дна і стінок шпуру при розміщенні ініціаторів зі зсувом від осі шпуру збільшується в 2,5 раза, порівняно із зарядом без осьового зсуву ініціаторів.

Для визначення впливу розташування ініціаторів у шпурі на розвиток процесу тріщиноутворення у твердому середовищі під час вибуху заряду ВР було поставлено серію експериментів на моделях з оргскла розміром 80х80х140 мм (процес руйнування моделей реєстрували за допомогою високошвидкісної камери ВСК-5, з частотою 60000 кадр/с). При цьому вдалося встановити, що при розташуванні ініціаторів за схемою 4 (рис. 2) радіус зони руйнування порівняно зі звичайним розташуванням бойовиків (схема 1, рис. 2) збільшується в основному в нижній частині моделі (у 1,5 раза), однак середній радіус зони руйнування зменшується на 20%. При розташуванні ініціаторів за схемою 3 (рис. 2) розмір зони руйнування (порівняно з контрольним) збільшується не тільки в нижній частині моделі, але й у середній і верхній частинах.

Аналіз гранулометричного складу засвідчив, що при розташуванні ініціаторів за схемою 3 (рис. 2) досягається і найкраще дроблення. Діаметр середнього шматка в нижніх шарах моделі порівняно зі звичайним ініціюванням зменшується на 30%, вихід великих фракцій знижується в 2,8 раза; у середніх шарах моделі діаметр середнього шматка зменшується на 13%, а вихід великих фракцій знижується в середньому в 2 рази. У верхніх шарах моделей не спостерігається істотної різниці у відсотковому змісті фракцій при всіх розглянутих схемах розташування ініціаторів у донній частині.

Проведені лабораторні дослідження також засвідчили, що зміна розташування ініціаторів у донній частині шпуру відносно його вісі істотно впливає на пророблення підошви моделей. Так, при розташуванні ініціаторів за схемою 2 (рис. 2) у ближній зоні, в бік сходження детонаційних хвиль від двох бойовиків у місце сполучення дна і стінок шпуру, спостерігається різке заниження профілю підошви (на відстані одного діаметра шпуру (1dш). Відстань від площини дна шпуру до профілю руйнування в 3,2 раза менше, ніж на аналогічній відстані під час використання контрольного заряду (схема 1, рис. 2); на відстані 16dш профіль руйнування практично збігається з профілем руйнування при використанні контрольного заряду; в протилежний бік зниження профілю руйнування не спостерігається – він практично збігається з контрольним. При ініціюванні заряду трьома бойовиками за схемою 3 (рис. 2) профіль руйнування, на відміну від ініціювання двома бойовиками, однаковий по обидва боки від осі заряду (на відстані 1dш. відстань від площини дна шпуру до профілю руйнування складає 7,5 мм, що в 2 рази менше, ніж на аналогічній відстані під час використання контрольного заряду, на відстані 6dш – менш ніж в 1,65 раза).

У роботі також розглянуто вплив зарядів з КУХ у донній частині шпуру на наслідки руйнування твердого середовища вибуховими навантаженнями. Для цього було поставлено серію експериментів на моделях з органічного скла (70х70х100 мм). Заряд ініціювали зверху за допомогою крапельки азиду свинцю. Різні форми донної частини заряду формували КУХ, виготовленими з оргскла. Дослідженню піддавалися заряди з похилим КУХ (кут нахилу 450, рис. 4б) і конічним (кут ? = 300, рис. 4в). Як контрольний заряд, застосовували заряд без КУХ у

а б в

Рис. 4. Конструкція зарядів: 1 – ініціатор; 2 – ВР; 3 – КУХ | донній частині (рис. 4а). Процес руйнування моделей реєстрували за допомогою високошвидкісної камери ВСК-5. За кадрами фотореєстрації було проведено порівняльне оцінювання площ поверхонь руйнування в площині заряду. Аналіз отриманих результатів (табл. 4) засвідчив,
що відносна площа поверхні руйнування (а отже, й об’єм) при використанні зарядів з КУХ більше, ніж при використанні звичайних зарядів на всіх стадіях процесу руйнування.

Таблиця 2

Вплив конструкції заряду на зміну площі зони руйнування

Конструкція заряду | Відносна площа поверхні руйнування

Нижня частина моделі | Середня частина моделі

54 мкс | 72 мкс | 90 мкс | 54 мкс | 72 мкс | 90 мкс

Суцільний, без КУХ | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1

З нахиленим КУХ | 1,17 | 1,30 | 1,28 | 1,10 | 1,08 | 1,15

З конусним КУХ | 1,30 | 1,43 | 1,55 | 1,41 | 1,48 | 1,63

Застосування конусних КУХ найбільш ефективне і приводить до значного збільшення (більш ніж у 1,6 раза) відносної площі руйнування не тільки в нижній частині моделі, але й у середній.

Лабораторні дослідження впливу зарядів з КУХ у донній частині на пророблення підошви моделей підтвердили ефективність даних зарядів. Під час дослідження дії одиночного заряду з КУХ у донній частині та взаємодії цих самих зарядів на піщано-цементних і моделях із сургучу було встановлено, що максимальне заниження профілю підошви моделі спостерігається при ?=450, при цьому пророблення підошви на відстані до 6dш поліпшується в 1,3–2,3 раза.

Установлено, що наявність початкової дископодібної тріщини на рівні дна шпуру, діаметр якої дорівнює 4dш, приводить до значного зниження рівня підошви моделі, однак при цьому між шпурами виникають пороги; змінюючи нахил первісної тріщини між площиною дна шпуру і його віссю до 1350 і розміщаючи в донній частині заряду конусний КУХ (? = 450), можна домогтися виходу на проектну позначку без застосування перебуру, оскільки профіль руйнування в цьому випадку розташовується практично на рівні площини дна шпуру.

Як засвідчили теоретичні дослідження, наявність у донній частині свердловини конічного КУХ може дозволити підсилити динамічне навантаження середовища в зоні перебуру і зменшити вплив відбитої хвилі на матеріал забійки, що, в остаточному підсумку, приведе до підвищення ефективності дії вибуху даної конструкції свердловинного заряду. Для перевірки вищевикладених припущень у лабораторних умовах було виконано швидкісну фотозйомку процесу вильоту забійки зі шпуру. З цією метою в сталевій мортирі масою 25 кг висвердлювали два шпури діаметром 4,5 мм, глибиною 50 мм, відстань між шпурами складала 55 мм (рис. 5). Процес вильоту піщаної

Рис. 5. Схема розташування шпурів в мортирі: 1 – ВР; 2 – ініціатор; 3 – забійка; 4 - КУХ | забійки і продуктів вибуху реєстрували за допомогою високошвидкісної камери ВСК-5 з частотою 10000 кадр/с. За отриманими кадрами швидкісної фотозйомки було визначено середню швидкість вильоту продуктів вибуху з пилоподібними частками забійки. Як видно з табл. 3, швидкість вильоту забійки при використанні зарядів з КУХ у донній частині зменшується з наближенням ? до 450. При ? = =400 середня швидкість вильоту забійки

порівняно із зарядом без КУХ знижується більш ніж у 3 рази.

Таблиця 3

Зміна середньої швидкості вильоту забійки залежно від кута ? при основі конічного КУХ

Кут ?, град | 20 | 25 | 30 | 35 | 40

Середня швидкість вильоту забійки, м/с | 786±80 | 594±60 | 448±50 | 352±35 | 295±30

Математична обробка отриманих результатів дозволила встановити взаємозв'язок середньої швидкості вильоту забійки і кута ? конічного КУХ:

(коефіцієнт кореляції дорівнює 0,95), (6)

де - середня швидкість вильоту забійки, м/с; ? – кут в основі КУХ, рад.

Таким чином, проведені лабораторні дослідження підтвердили припущення, про те, що наявність КУХ у донній частині заряду приводить до зниження динамічного впливу відбитої хвилі на матеріал забійки. При цьому тривалість впливу продуктів вибуху на середовище, що руйнується, збільшується в 1,4 раза.

Для оцінювання впливу конструкції заряду з КУХ у донній частині на гранулометричний склад висадженої маси було поставлено серію експериментів на піщано-цементних моделях, розмірами 200х200х200 мм. Дослідженню піддавалися заряди з конічними КУХ (матеріал – піщано-цементна суміш) у донній частині, кут в основі ? брали таким, що дорівнює 300 і 450. Як контрольний заряд, застосовували суцільний заряд без КУХ у донній частині. На підставі аналізу гранулометричного складу зруйнованих моделей встановлено, що найбільш ефективною є конструкція зарядів з КУХ, де ? = 300. При цьому діаметр середнього шматка зменшується на 11%, вихід великих фракцій знижується в 1,5 раза, а вихід дрібних і середніх фракцій збільшується в 1,45 раза.

Виконані вище дослідження засвідчили, що за рахунок збільшення пройденого шляху відбитої від дна ударної хвилі зменшується її вплив на матеріал забійки, що, в остаточному підсумку, приводить до підвищення ефективності дії вибуху даної конструкції заряду. Отже, міцність висадженої породи під час використання зарядів з КУХ повинна відрізнятися від міцності під час використання звичайних зарядів. Для підтвердження даного припущення було поставлено серію експериментів, на кубічних моделях (130х130х130 мм) із граніту з межею міцності ст = 150±10 МПа. Після вибуху модель розрізали на каменерізальній машині й визначали міцність зразків. За результатами випробувань установлено, що міцність породи на рівні дна шпура моделі при використанні КУХ знижується на 20%, а під площиною дна шпура – навпаки: міцність на 7% більше, порівняно з використанням зарядів без КУХ.

У четвертому розділі наведено результати дослідно-промислових експериментів і розроблено раціональні конструкції свердловинних зарядів, впровадження яких проводили на кар’єрах Кременчуцького реґіону. Аналіз результатів масових вибухів на кар'єрі АТ “Полтавський ГЗК” свідчить, що застосування конструкції свердловинного заряду, в донній частині якого розміщується конічний КУХ (?=450), виготовлений з бетону, дозволяє знизити величину перебуру в 1,7 раза без погіршення якості пророблення підошви уступу. Проведені теоретичні та лабораторні дослідження засвідчили, що, змінюючи кут ? в основі конічного КУХ, можна реґулювати дроблення гірської породи. Для перевірки отриманих результатів використовували заряди з КУХ у донній частині, в яких кут ? брали таким, що дорівнює 200, 300, 450. Результати проведених експериментів засвідчили, що під час використання зарядів з КУХ (?=200), розташованих у донній частині свердловини, діаметр середнього шматка незначно зменшився (на 3,6%). При використанні зарядів з КУХ (?=300), за рахунок того, що забійка довше залишалася в заряді, зменшення діаметра середнього шматка склало майже 13% порівняно з контрольною ділянкою (на ділянці, де використовували заряди з КУХ (? = 450), це зменшення склало 5,8%), вихід фракцій > 400 мм знизився в 1,4 раза, а вихід середніх фракцій збільшився в 1,3 раза.

Виконані експерименти засвідчили, що використання зарядів з КУХ у донній частині дозволяє підвищити ступінь руйнування гірських порід вибухом. Отже, можна домогтися тієї самої якості вибухового руйнування, збільшивши при цьому сітку свердловин. Під час проведення даних експериментів відстань між свердловинами змінювали з кроком 0,25 м. Аналіз отриманих результатів засвідчив, що при використанні зарядів з КУХ у донній частині можливе розширення сітки свердловин з 6х6 м до 6,25х6,25 м (на 8%).

Проведені теоретичні та лабораторні дослідження засвідчили, що під час вибуху заряду, у донній частині якого розміщається КУХ, істотно знижується динамічний вплив відбитої від дна свердловини ударної хвилі на матеріал забійки, що приводить до більш тривалого впливу продуктів детонації на середовище, що руйнується. Оцінювання ефективності даного методу реґулювання динамічного навантаження нижньої частини свердловини в промислових умовах було проведено на Крюківському кар’єроуправлінні (м. Кременчук) і на Редутському щебзаводі (м. Комсомольськ). Як засвідчив аналіз кінозйомки процесу вильоту забійки зі свердловини, наявність КУХ у ній приводить до того, що забійка вилітає в середньому пізніше на 30 %, ніж під час вибуху зарядів без КУХ. Це призводить до того, що дія газоподібних продуктів детонації на середовище збільшується і поліпшується дроблення: діаметр середнього шматка при використанні даних зарядів знижується в середньому на 12%; вихід середніх фракцій збільшується в 1,2 – 1,4 раза, а вихід великих фракцій (понад 450 мм) знижується в 1,3 – 1,7 раза, вихід дрібних фракцій
(0 – 75 мм) при використанні даної конструкції заряду практично не змінюється.

Проведені теоретичні та лабораторні дослідження дозволили встановити, що для посилення процесу розвитку поперечних тріщин, що проходять на рівні дна свердловини, бойовики варто зміщати відносно вісі заряду таким чином, щоб зустріч детонаційних хвиль, що поширюються по ВР, відбувалася на лінії сполучення дна і стінок свердловини, де знаходиться концентратор напруг. За рахунок цього поліпшується пророблення підошви порівняно зі звичайним ініціюванням. Для перевірки ефективності запропонованого методу в промислових умовах були проведені експериментальні вибухи на АТ “Полтавський ГЗК”. Промислові дослідження проводили методом порівняльних вибухів свердловинних зарядів зі звичайним розташуванням бойовиків (2 бойовики розташовані на вісі свердловини) і зі зсувом щодо вісі трьох бойовиків (рис. 2, схема 3), які підривають на одному блоці. Аналіз отриманих результатів показав, що використання конструкції заряду при ініціюванні знизу трьома зміщеними від осі бойовиками призводить до заниження підошви уступу на 50 см (порівняно з контрольною ділянкою, на якій використовували заряди зі звичайним ініціюванням).

Виконані техніко-економічні розрахунки показали, що застосування розроблених конструкцій свердловинних зарядів в умовах АТ “Полтавський ГЗК” дозволить одержати економію за рахунок зниження витрат на ВР і буріння свердловин у сумі 37,5 тис.грн. при розробці 100000 м3 гірської породи.

ВИСНОВКИ

У даній дисертаційній роботі викладено нове розв’язання важливої науково-технічної проблеми – підвищення ефективності дії вибухових робіт під час руйнування гірських порід, основане на керуванні хвильовими процесами в донній частині свердловини.

Основні наукові висновки і практичні рекомендації, отримані під час виконання даних досліджень і впровадження розробок, полягають у наступному:

1. Проведений аналіз теоретичних і експериментальних досліджень вітчизняних і закордонних авторів, а також узагальнення досвіду передових підприємств гірничодобувної галузі свідчать, що сучасні методи підвищення ефективності дії вибуху під час руйнування гірських порід не повною мірою враховують процеси, що протікають у донній частині свердловини під час вибуху циліндричного заряду. Тому вивчення даного