КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Андрєєв Борис Миколайович

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ І ПАРАМЕТРІВ

ВИБУХОВОЇ ВІДБІЙКИ ПРИ ПІДЗЕМНОМУ ДОБУВАННІ РУД

В УМОВАХ ТЕХНОГЕНЕЗУ НАДР

Спеціальність 05.15.02 - підземна розробка родовищ

корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Кривий Ріг – 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор

Клочков Віталій Федорович,

Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри

будівельних геотехнологій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бондаренко Володимир Ілліч,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ,

завідувач кафедри підземної розробки родовищ;

доктор технічних наук, професор

Гірін В’ячеслав Станіславович,

Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри

автомобілів та автомобільного господарства;

доктор технічних наук, професор

Крівцов Микола Васильович,

Національний науково-дослідний інститут

охорони праці Міністерства надзвичайних

ситуацій України, м. Київ, завідувач

лабораторії безпеки вибухової справи.

Провідна установа Донбаський державний технічний університет

Міністерства освіти і науки України, кафедра

розробки родовищ корисних копалин, м. Алчевськ.

Захист дисертації відбудеться "7" липня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 при Криворізькому технічному університеті за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, ауд. 300.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37

Автореферат розісланий "6" червня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук О.М. Голишев

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Концепцією розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р. передбачено на початку нинішнього сторіччя щорічно виробляти 62,05 млн. т залізорудної продукції, у тому числі підприємствами з підземним способом розробки – 14,2 млн. т. Для цього буде потрібно добувати 143 млн. т сирої руди на рік, що обумовлює необхідність розширення сировинної бази.

Розв’язання даного завдання з максимальним використанням потужностей наявних в Україні гірничорудних підприємств можливе за рахунок залучення у підземну або комбіновану відкрито-підземну відробку руд середньої і низької цінності, залишених у більш ранні періоди експлуатації родовищ на верхніх горизонтах шахт, поблизу контурів кар'єрів, у міжрудникових ділянках. Розробка ефективних технологічних рішень з видобутку зазначених запасів вимагає вивчення характеру і ступеня впливу на них сформованих у процесі техногенних змін геологічного середовища антропогенних морфоструктур. Назріла потреба в розвитку наукового напрямку, що систематизує накопичені знання і комплексно досліджує геотехнологічні процеси в умовах техногенезу надр.

При підземному видобутку малоцінних руд одним зі шляхів забезпечення рентабельної роботи шахт є впровадження технологій, що передбачають використання високопродуктивних варіантів систем розробки в поєднанні з потужним навантажувально-доставним і буровим устаткуванням. Модернізація парку бурової техніки у свою чергу обумовлює необхідність удосконалення існуючих і створення нових науково обґрунтованих технологій вибухової відбійки з параметрами, що найбільшою мірою відповідали б сучасним тенденціям розвитку гірничого виробництва.

Таким чином, обґрунтування технології і параметрів вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу надр на основі встановлення закономірностей взаємодії елементів системи "геотехногенні формування - рудний масив" є актуальною науково-технічною проблемою, яка має важливе значення для гірничорудної промисловості України. Її розв’язання дозволить більш ефективно вести комплексне освоєння надр, підвищити екологічну й економічну ефективність видобутку корисних копалин підземним і відкрито-підземним способами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Спрямованість дисертації відповідає тематиці виконаних Криворізьким технічним університетом науково-дослідних робіт у яких автор брав участь як виконавець і керівник: "Дослідити і розробити заходи для підвищення безпеки праці при комплексній відкрито-підземній розробці рудних родовищ" (№ держ. реєстрації 0196U004939) – виконана відповідно до Національної програми поліпшення стану безпеки, гігієни праці і виробничого середовища на 1996 - 2000 р. (пункт 29), "Обґрунтування відкрито-підземного способу доробки проектних запасів Ганнівського родовища залізних руд" (№ держ. реєстрації 0101U004368); "Розробити техніко-економічне обґрунтування відкрито-підземного способу доробки балансових запасів Ганнівського кар'єру" (№ держ. реєстрації 0102U005445); "Розкриття і відпрацювання підземним способом балансових запасів під дном і бортами Ганнівского кар'єру (№ держ. реєстрації 0103U007486).

Метою роботи є підвищення ефективності підземного видобутку руд в умовах техногенезу надр за рахунок розробки науково обґрунтованих технології і параметрів вибухової відбійки, що відповідають характеру впливу геотехногенних формувань.

Для досягнення мети в роботі поставлено і вирішено такі завдання:

-

-

-

-

-

-

Ідея роботи полягає у використанні керованого взаємного узгодження енергетичних показників зарядів ВР і параметрів сітки їхнього розташування з геомеханічними і технологічними властивостями техногенно навантажених об'єктів вибухового руйнування.

Об'єктом досліджень є процес вибухового руйнування руд при їхньому підземному відпрацьовуванні в умовах техногенезу надр.

Предмет досліджень – технологія і параметри буровибухових робіт при зміні властивостей середовища, що руйнується, та енергетичних характеристик зарядів ВР.

Методи досліджень. Поставлену в роботі мету досягнуто шляхом використання методів комплексного узагальнення, аналізу й оцінки практичного досвіду і наукових досягнень у галузі підземної геотехнології, теорії і практики вибухового руйнування твердих середовищ; методів механіки суцільних середовищ; математичної статистики; газодинаміки, а також методів дослідження хвильових процесів.

Наукові положення, які виносяться на захист:

-

-

-

-

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

-

-

-

Обґрунтованість і достовірність положень, висновків і рекомендацій підтверджена використанням апробованих методів дослідження хвильових процесів, механіки суцільних середовищ, математичної статистики, газодинаміки; адекватністю розроблених математичних моделей реальним об'єктам і процесам; коректним узгодженням результатів аналітичних досліджень з даними натурних спостережень; позитивними результатами експериментів і випробувань у промислових умовах; результатами позитивного практичного використання розробок і рекомендацій.

Наукове значення роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні технології і параметрів вибухової відбійки при підземному повторному, сумісному і комбінованому відкрито-підземному видобутку руд в умовах впливу техногенних формувань.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці:

-

-

-

-

Реалізація результатів досліджень. Використання розроблених у дисертаційній роботі технологічних схем відбійки руди і методик розрахунку параметрів БВР в умовах впливу техногенезу надр, а також конструкцій зарядів ВР із підвищеною енерговіддачею дозволяє скоротити витрати на підземні гірничі роботи. Впровадження результатів у виробництво на шахтах Криворізького басейну при повторному підземному відпрацюванні родовищ, що ведеться з метою видобутку залізистих кварцитів і гранітів, а також при видобутку багатих руд, дало можливість одержати фактичний економічний ефект у розмірі 341,28 тис. грн. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження на гірничодобувних підприємствах Кривбасу становить 2,75 млн. грн.

Особистий внесок автора в наукові результати, які подано в дисертації і виносяться на захист, полягає у формулюванні наукової проблеми, мети, завдань та ідеї досліджень, наукових положень, висновків і рекомендацій. Автором самостійно обрано методи аналітичних і експериментальних досліджень та проведено дослідження, розроблено і реалізовано на ЕОМ математичні моделі, сплановано програми натурних спостережень, експериментів і випробувань у промислових умовах. Автор брав безпосередню участь у розробці технології відкрито-підземної доробки родовищ та впровадженні результатів досліджень у виробництво. Текст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях: "Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых" (м. Новочеркаськ, 1995), "Проблемы и перспективы использования геоинформационных технологий в горном деле" (м. Дніпропетровськ, 2000), "Проблемы и перспективы развития подземной геотехнологии в XXI веке" (м. Єкатеринбург, 2001), "Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы" (м. Магнітогорськ, 2001), "Неделя горняка - 2002" (м. Москва, 2002), "Україна наукова" (м. Дніпропетровськ, 2003), "Форум гірників-2005" (м. Дніпропетровськ, 2005); "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" (м. Кривий Ріг, 2004-2005); на Другому міжнародному симпозіумі "Оперативный контроль и управление качеством минерального сырья при добыче и переработке" (м. Ялта, 1999); на Українсько-Польському форумі гірників "Гірничодобувна промисловість України і Польщі: актуальні проблеми і перспективи" (м. Ялта, 2004); на науково - практичній конференції "Проблемы и направления использования САПР в учебном процессе и автоматизация проектно - конструкторских работ современных производств" (м. Кривий Ріг, 1998); на науково-технічній конференції "Проблемы развития Криворожского железорудного бассейна" (м. Кривий Ріг, 2002).

Результати роботи на різних етапах її виконання неодноразово заслуховувалися, обговорювалися і були позитивно оцінені на технічних нарадах і засіданнях науково - технічних рад ВАТ "Криворізький залізорудний комбінат", ВАТ "Полтавський ГЗК" і ВАТ "Північний ГЗК".

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 44 друкованих праці, з яких 1 – монографія, 1 брошура, 26 статті у фахових виданнях, 10 доповіді на наукових конференціях і симпозіумах, 6 патенти України на винаходи і корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 180 найменувань і додатків. Загальний обсяг дисертації – 317 сторінок, у тому числі 257 сторінок тексту, 63 рисунка і 19 таблиць.

Автор висловлює щиру глибоку подяку доктору технічних наук, професору В.Ф.Клочкову за наукові консультації, доктору технічних наук, професору В.О.Щєлканову – за конструктивне співробітництво, працівникам відкритих акціонерних товариств "Криворізький залізорудний комбінат", "Полтавський ГЗК" і "Північний ГЗК" – за сприяння в проведенні досліджень і впровадженні їхніх результатів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, ідею роботи, об’єкт і предмет досліджень, викладено завдання досліджень, основні наукові положення, що виносяться на захист, наукове й практичне значення роботи, а також наведено дані про методи досліджень, реалізацію результатів роботи, їхню апробацію, публікації та структуру дисертації.

У розділі 1 проаналізовано стан теорії і практики вибухової відбійки при підземному добуванні руд з урахуванням впливу техногенезу надр.

Відповідно до вчення про перетворення природи людиною, основні ідеї якого розроблені академіком В.І.Вернадським, з появою розумного життя, на поверхні Землі виникла нова геологічна сила. Її діяльність академік О.Є.Ферсман запропонував визначати терміном "техногенез". Дослідженню властивостей штучних утворень у надрах і впливу техногенних формувань на оточуюче середовище присвятили свої наукові праці О.П.Виноградов, Ю.Г.Вілкул, І.Л.Гуменик, І.М.Малахов, О.О.Сауков, Г.В.Секісов, К.М.Трубецькой, М.С.Четверик, А.Г.Шапар та ін.

У сучасних умовах техногенез безпосередньо стосується геотехнологічних процесів. Оскільки багаті руди складають усього близько 5 % світових запасів, набуває актуальності проблема залучення до відпрацювання родовищ з невисоким вмістом корисних компонентів. Виймання таких запасів, за умови максимального використання потужностей існуючих гірничодобувних підприємств, ускладнена наявністю антропогенних морфоструктур, обумовлених гірничими роботами попередніх періодів.

Аналіз досвіду підземної повторної, сумісної і комбінованої відкрито-підземної відробки родовищ показує, що вплив техногенезу на параметри підземних гірничих робіт (ПГР) істотний і різноманітний. Невідкладного вирішення вимагають проблеми, пов'язані з інтенсифікацією гірничого виробництва в умовах специфічних форм прояву гірського тиску, при інтенсивному засміченні корисної копалини скельними породами з відвалів або закладним матеріалом з відпрацьованих очисних блоків.

Різним аспектам повторної, сумісної і комбінованої відкрито-підземної розробки корисних копалин присвятили свої праці В.Ф.Бизов, В.І.Бондаренко, О.О.Вовк, Д.М.Казикаев, В.В.Куликов, Г.М.Малахов, А.К.Поліщук, Б.М.Усаченко, О.Д.Черних, Г.І.Чорний, С.Л.Шашурін, М.Ф.Шнайдер, В.О.Щєлканов, Б.П.Юматов та ін. Незважаючи на широкий спектр розв'язуваних цими вченими завдань, питання технології вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу надр з позицій єдиного методологічного підходу не досліджувались.

Ефективність вибухових робіт в умовах впливу на середовища, що руйнуються, різноманітних факторів була предметом наукових досліджень Е.І.Єфремова, Ю.П.Капленка, В.Ф.Клочкова, Б.М.Кутузова, Е.О.Мінделі, П.Й.Федоренка, М.Д.Фугзана, О.Н.Ханукаєва й інших учених. Розроблені на основі їхніх досліджень технологічні рішення вибухової відбійки і методики розрахунку параметрів БВР в основному враховують геомеханічні властивості гірських порід, що руйнуються, і лише в деяких випадках особливості видобутку руд при специфічних проявах техногенезу.

Аналіз і оцінка ефективності основних процесів підземної геотехнології і, зокрема, буровибухових робіт в умовах впливу техногенних формувань, а також геотехнологічна оцінка ресурсів залізорудної сировини середньої і низької цінності в Криворізькому басейні і Кременчуцькому залізорудному районі дозволили обґрунтувати актуальність наукової проблеми, сформулювати мету і завдання досліджень.

У розділі 2 досліджено вплив антропогенних морфоструктур на геомеханічні та геотехнологічні властивості об’єктів вибухової відбійки.

Систематизація основних видів техногенних формувань, що утворюються в процесі випереджальної і сумісної розробки родовищ корисних копалин, дала можливість визначити характер і ступінь їхнього впливу на підземні геотехнологічні процеси наступних періодів виймання мінеральної сировини. Морфоструктури в земній корі і на денній поверхні, що мають антропогенну природу, класифікуються на техногенні порушення, мінеральні об'єкти і комбіновані формування. За ступенем впливу на ПГР основними з них є зони обвалення, чаші діючих і відпрацьованих кар'єрів, породні відвали, ділянки родовищ, заповнені закладними матеріалами.

З урахуванням особливостей впливу вказаних техногенних формувань на об'єкти і процеси підземної геотехнології визначено пріоритетні напрямки розвитку технології вибухової відбійки при підземному добуванні руд в умовах техногенезу. Вони пов'язані з процесами: видобутку руди в умовах дії єдиної геомеханічної системи гравітаційних і штучних силових полів; формування рухомих ціликів – "плаваючих" стелин, які відокремлюють підземний очисний простір від налягаючих пустих порід; відпрацювання ділянок родовищ, що містять включення закладного матеріалу; повторної і сумісної розробки родовищ високопродуктивними варіантами систем розробки, здатними конкурувати з відкритими гірничими роботами (ВГР).

Зв'язок між техногенними формуваннями, проявами їхнього впливу на об'єкти і процеси підземної геотехнології і відповідними технологічними рішеннями вибухової відбійки відображено на рис. 1.

Рис.1. Структурна схема техногенних, конструктивних і допоміжних рішень в умовах техногенезу

Дослідження ступеня геомеханічного впливу зон обвалення проведено на основі розв’язання задачі про напружений стан шаруватого породного масиву за умови взаємної дії суміжних пластів. Розв’язання виконане поетапно. Спочатку розглянуто напружений стан масиву під впливом гравітаційних і геотермічних полів напружень, потім враховано розбіжність фізико-механічних властивостей суміжних пластів рудного (пласт І) і порушеного, рис. 2.

Рис. 2. Схема до розрахунку напружено - деформованого стану рудного покладу з урахуванням впливу суміжної зони обвалених порід

Встановлено, що в рудному пласті будуть діяти напруження

(1)

де кут падіння світи; Nд – додаткове напруження, обумовлене взаємодією суміжних пластів з різними властивостями.

Коефіцієнт бічного розпору в кожному з розглянутих n пластів світи визначається відповідно до виразу

(2)

де n – індекс пласта; 2 , 3 – коефіцієнти Пуассона уздовж відповідних напрямків; коефіцієнт лінійного температурного подовження порід, 1/град; t температурний градієнт, град/м; Е – модуль пружності порід; n об'ємна вага порід розглянутого пласта; Нt – глибина поясу постійної температури; Нn – висота стовпа налягаючих порід, приведена до об'ємної ваги пласта.

На основі отриманих рішень розроблено програму для ЕОМ і проведено комп’ютерне моделювання напруженого стану рудного покладу, що контактує з зоною обвалених порід. Воно показало, що під дією основних впливових факторів – кута падіння та об'ємної ваги обвалених порід, які при моделюванні змінювались у межах характерних для залізорудних родовищ інтервалів – у рудному покладі вертикальна компонента відхиляється від геостатичного значення на 15 %, а фактичний коефіцієнт бічного розпору змінюється від 0,16 до 0,67. За умови підвищення щільності матеріалу, що заповнює зону обвалення, до 4104 Н/м3 цей показник досягає значення 0,8. Наведені результати добре збігаються з даними експериментальних (шахтних) досліджень, проведених академіком Г.М.Малаховим в умовах рудників Криворізького басейну.

Оцінювання геомеханічних властивостей перспективних для підземних гірничих робіт ділянок залізорудних родовищ, що знаходяться нижче граничних контурів кар’єрів, виконано з позицій дії в підкар’єрному масиві єдиної геомеханічної системи гравітаційних і штучних силових полів, обумовлених впливом дна і бортів чаші кар'єру, рис. 3. Виходячи з цього, для елементарної площадки, зорієнтованої під кутом zx, шляхом суперпозиції напружень гравітаційного і штучного полів визначено нормальні і дотичні компоненти

; . (3)

Складові формули (3) у загальному вигляді записуються, як

, (4)

, (5)

де i ( i = 0, 1, 2) – індекси, що відповідають виразам, які випливають з (4) і (5) при урахуванні впливу гравітаційної складової, дна і бортів кар'єру (у бортах – нормального і дотичного навантажень).

Рис. 3. Розрахункова схема до визначення компонентів напружень у підкар’єрному рудному масиві.

При визначенні складових формули (3) для дна і бортів кар'єру прийнято місцеві прямокутні системи координат, початки яких (точки О1 і О2) розташовані в центрі відповідно дна і борта кар'єру. На кінцевій стадії розрахунку місцеві координати виражено через загальну для розглянутої схеми систему координат ZX з використанням відомих формул перетворення. Це дозволило, задаючи координати Z і X елементарної площадки, а також кут її нахилу zx, одержати для будь-якої точки підкар’єрного масиву значення компонентів єдиної геомеханічної системи, яка діє поблизу контурів кар’єру.

Характер і ступінь впливу на рудний масив потужної антропогенної морфоструктури – чаші кар’єру – досліджувався на базі створеної математичної моделі з використанням комп’ютерного моделювання. Для цього були задіяні можливості математичного пакета "Mathcad". Рудному покладу додано властивості, характерні для родовищ залізистих кварцитів Кривбасу. Параметри чаші кар’єру обрано з урахуванням фактичного стану сучасних залізорудних кар’єрів України та їхніх граничних контурів. Вертикальна відстань від дна кар’єру до границі досліджуваної ділянки – 300 м (550 м від денної поверхні), що відповідає технологічним особливостям відкрито-підземного відпрацювання запасів на початковій стадії впровадження комбінованої геотехнології.

Моделювання дозволило виявити закономірності зміни параметрів єдиної геомеханічної системи гравітаційних та штучних полів під впливом таких чинників, як глибина кар’єру, кути нахилів його бортів, ширина дна кар’єру. Встановлено, що фактичні величини напружень мають суттєві відхилення від початкових значень у недоторканому масиві. Відповідно коефіцієнт бічного розпору під впливом інженерно-геологічних властивостей техногенно порушених ділянок і геометричних параметрів чаші кар’єру досягає значень ф = 0,5…0,61.

При сучасному стані сировинної бази чорної металургії України набуває актуальності технологія, що передбачає ведення ВГР з формуванням у відпрацьованому просторі кар'єрів внутрішніх відвалів і подальшою підземною доробкою запасів під ними. Наявність налягаючого породного відвалу обумовлює застосування при підземних роботах рухомих ціликів – "плаваючих" стелин. Вони здатні ефективно запобігати проникненню засмічуючих порід у підземний простір. Цілики формують із застосуванням буровибухової технології, відокремлюючи частину рудного масиву по периметру майбутньої стелини відрізними щілинами.

З метою зниження інфільтрації налягаючих порід ширину відрізних щілин слід виконувати мінімальною відповідно до умови , де kп – коефіцієнт, що враховує імовірність проходу сипучого матеріалу через відрізну щілину, kп 2; dср середній діаметр кусків порід, що налягають, рис. 4.

Рис. 4. Схема до визначення ширини відрізної щілини при формуванні "плаваючих" стелин під відвалами скельного розкриття кар’єрів.

При складуванні порід за звичайною технологією в умовах залізорудних кар'єрів м. Така ширина забезпечується лише при малопродуктивній шпуровій відбійці. Застосування ефективної свердловинної відбійки можливе за умови збільшення значення bщ. Для цього в основі внутрішнього відвалу, з використанням принципу природної сегрегації рухомого потоку відвальної маси, формується захисний ярус з крупнокускових порід. Його висота становить

(6)

де kс коефіцієнт, що враховує умови утворення склепіння динамічної рівноваги в захисному ярусі, kс 2; dср.к. – середній діаметр кусків крупної фракції; kф – коефіцієнт частоти потрапляння кусків крупної фракції в прикордонний шар захисного ярусу, kф = 0,75…0,85; м – частка дрібної фракції в загальному обсязі заскладованих порід.

Значення м розраховується за виразом, отриманим у результаті математичної обробки досліджень гранулометричного складу порід на навантажувальних майданчиках Ганнівського кар’єру ВАТ "Північний ГЗК" у навалах, доставлених автотранспортом і переміщених бульдозером

.

Висота відрізної щілини визначається з умови , де hп товщина "плаваючої" стелини; hзр частина товщини стелини, яка руйнується за рахунок зрізу під дією власної ваги і порід внутрішнього відвалу, що налягають.

Розрахунки показали, що в умовах кар’єрів, які відпрацьовують Лавриковське, Ганнівське і ряд подібних родовищ, припустимою є ширина відрізних щілин bщ = 1,1…1,2 м і максимальна висота hщ = 8…10 м. Висота захисного ярусу, що забезпечує зазначені параметри, hз 21…28 м.

Розділ 3 містить результати досліджень технологічних параметрів вибухової відбійки в умовах впливу геомеханічної складової техногенезу, при віяловому розташуванні свердловинних зарядів у шарах руди, що відбиваються, при утворенні відрізних щілин "плаваючих" стелин, а також при відпрацюванні запасів, що містять включення стверділого закладного матеріалу.

Обґрунтування раціональних параметрів свердловинної відбійки руди в умовах впливу геомеханічних факторів здійснене за методикою, що базується на визначенні необхідних енерговитрат вибуху на руйнування шарів руди, розташованих на різній відстані щодо границь зон розвантаження в приконтурних масивах очисних камер. Місце розташування зарядів вибухових речовин (ВР) у напруженому рудному масиві характеризувалося відносною товщиною відбиваних шарів , де W – лінія найменшого опору (ЛНО), mр – глибина зони розвантаження.

Величини mр розраховані методом кінцевих елементів. При цьому враховувались змінювана у процесі виймання руди конфігурація очисних камер і обумовлені особливостями геомеханічного впливу техногенних формувань фактичні значення коефіцієнтів бічного розпору, які визначені у розділі 2.

Із сукупності спостережень, що характеризують показники відбійки на шахтах ВАТ "Криворізький залізорудний комбінат", за ознакою рівності кускуватості відбитої руди були згруповані вибірки даних, які містили відомості про енерговитрати вибуху при відбійці шарів руди на різних стадіях відпрацювання камерних запасів. Енерговитрати вибуху оцінювалися значенням лінійної щільності питомої енергії ВР , де q1 – питомі витрати ВР на відбійку.

Статистична обробка вибірок дозволила встановити наявність надійного однорідного параболічного зв'язку між параметрами і , а також визначити екстремуми отриманих залежностей у розглянутих границях інтервалів варіювання значень . Установлено, що за умови рівності кускуватості відбитої руди, у всіх досліджених вибірках даних величини мінімізуються при відносній товщині відбиваних шарів .

У такий спосіб доведено, що вплив геомеханічної складової техногенезу обумовлює прийняття технології і параметрів вибухової відбійки, які забезпечують мінімальний рівень насичення шарів руди енергією вибуху при дотриманні умови і зростання енергетичних показників вибуху при іншому розташуванні відбиваних шарів у зонах розвантаження очисних камер. Здійснення подібних технологічних рішень БВР можливе за рахунок застосування для кожного шару руди індивідуальної сітки розбурювання, а також використання конструкцій зарядів ВР із змінюваною повнотою віддачі енергії ВР.

Виходячи із сказаного та враховуючи, що високопродуктивне добування руд можливе за умови мінімізації кількості бурових виробок і перестановок бурових верстатів, у третьому розділі детально розглянуто питання керування енергією вибуху при віяловій схемі розташування вибухових свердловин. Її використання у комплексі із зарядами ВР зі змінюваною енерговіддачею обумовлює необхідність розосередження ВР у відбиваному масиві внаслідок можливого взаємного переущільнення суміжних зарядів. Таке розосередження пропонується здійснювати шляхом поділу віял на декілька груп, що послідовно ініціюються, у кожній з яких свердловини мають рівні недозаряди.

При розрахунку їхніх величин виникла потреба у багаторазовому визначенні розмірів областей руйнування з різною інтенсивністю дроблення, які утворюються в породних масивах при вибуху зарядів ВР. Для цього використано методику, яка випливає з теоретичних положень хвильового механізму дії вибуху і базується на принципі дискретизації його енергетичного поля.

Згідно з цим принципом у середовищі, що оточує заряд ВР, зони руйнування обмежуються енергетичними горизонтами, відстані до яких R1, R2…Ri з кратністю, де k = 1,2,3…i, пропорційні величині одиничної розмірної метрики просторової довжини М. Цей показник дорівнює радіусу джерела випромінювання хвилі напружень Rв, яким є гідродинамічна зона руйнування

(7)

де d0 – діаметр зарядної порожнини; – коефіцієнт Пуассона; ВР – щільність заряджання, кг/м3; Q – теплота вибуху, Дж/кг; G – модуль зсуву.

Вираз для визначення розмірів зон і областей руйнування, приведених до діаметра заряду , має вигляд

(8)

Величина напружень i на поверхні енергетичних горизонтів у загальному вигляді визначається формулою

(9)

Викладений підхід до визначення параметрів енергетичного поля вибуху дозволяє прогнозувати якість дроблення руди, адже максимальна кількість зон вибухового руйнування з різною інтенсивністю дроблення становить

(10)

де р – границя міцності руди на розтяг. Оскільки відстань між суміжними енергетичними горизонтами є розміром зони дроблення руди з визначеною кускуватістю і дорівнює , за умови найбільший діаметр куска руди розраховується, як .

Характер залежності значення від об'ємної щільності енергії ВР і міцності руд, а також прогнозні показники подрібнення масиву моделювалися на ЕОМ, рис. 5. Отримані результати добре погодяться з даними, визначеними з використанням інших методик і результатами фізичного моделювання. Наприклад, прийняті при підземній розробці залізорудних родовищ кондиційні розміри кусків відбитої гірської маси у випадку d0 = 0,105 м формуються в межах четвертого енергетичного горизонту, тобто на відстані від заряду ВР R4 = 1,6 м. При цьому значення ЛНО становить W = 3,2 м.

Рис. 5. Графік залежності приведеної відстані до границь зон руйнуваннявід щільності енергії ВР і границі міцності порід, що руйнуються, на розтяг [р] .

Таким чином, на підставі виразу (8) безпечна відстань між бойовиками Rб у суміжних свердловинах віяла, при якій виключається їхнє взаємне переущільнення внаслідок дії хвилі стиску, становить

(12)

де kн – коефіцієнт надійності, приймається 1,25…1,45; – безрозмірний показник, що враховує частку енергії ВР, яка трансформується в масив, що руйнується; ст – границя міцності руд на стиск.

При інженерних розрахунках недозаряд у всіх свердловинах, які ініціюють у першу чергу, визначається за спрощеною формулою , де Lср середньозважене значення довжини свердловин у віялі; Wc – відстань між зарядами ВР у віялі по нормалі, проведеної з торця свердловини до суміжної зарядної порожнини. Якщо Lср < 30 м, у віялі виділяються дві групи свердловин, у противному випадку три. Недозаряди свердловин другої і третьої черг підривання Lн2 і Lн3 розраховуються згідно з виразами і Наприклад, при застосуванні зарядів грамоніту 79/21 з відкритим устям ( = 0,4), при міцності рудного масиву, що руйнується, f =11...13, значення недозарядів складають Lн1 = 4 м, Lн2 = 6 м, Lн3 = 9 м.

Як показало комп’ютерне моделювання, збільшення частки енергії заряду ВР, що трансформується у рудний масив, дозволяє суттєво знизити витрати ВР на відбійку за рахунок підвищення величин недозарядів, рис. 6.

Рис. 6. Графіки залежності величин недозарядів Lн1 (крива 1), Lн2 (крива 2) і Lн3 (крива 3) від частки енергії ВР, що трансформується у рудний масив .

Технологічні особливості і параметри буровибухових робіт при відокремленні "плаваючих" стелин від рудного масиву досліджено з позицій можливості утворення відрізних щілин з визначеними вище параметрами bщ і hщ шляхом відбійки одного ряду свердловинних зарядів ВР. З цією метою досліджено дію вибуху уздовж їхнього осьового напрямку.

Необхідне заглиблення свердловинного заряду ВР відносно вільної поверхні відрізної виробки (недозаряд) Lн, при якому забезпечується формування воронки викиду з діаметром, що не перевищує потрібної ширини відрізної щілини, визначене на основі рішення для сферичного заряду, еквівалентного за радіусом зони руйнування циліндричному, рис. 7.

Рис. 7. Розрахункова схема до визначення параметрів колонкових зарядів при утворенні відрізних щілин "плаваючих" стелин.

Радіус зони руйнування сферичного заряду ВР, еквівалентного циліндричному, згідно з виразом (8) становить , де dц - діаметр циліндричного (свердловинного) заряду ВР; kе - коефіцієнт еквівалентності зарядів. Він дорівнює , де Е – модуль Юнга.

Виходячи з розрахункової схеми і приймаючи до уваги, що ЛНО еквівалентного сферичного заряду (глибина воронки) , де в – кут напіврозхилу воронки викиду, необхідний недозаряд свердловин становить

, (13)

де Lа активна довжина заряду, яка дорівнює , Сд – швидкість детонації заряду ВР.

При дослідженні осьової дії вибуху донної частини свердловинного заряду ВР прийнято умову подолання теоретичної межі міцності руди, яка добре описується рівнянням

, (14)

де Zт – відстань від поверхні прикладання вибухового навантаження (торець свердловини) до границі зони руйнування у рудному масиві (див. рис. 7).

Результати математичного моделювання змінювання величин Lн і Zт при варіюючих значеннях впливаючих параметрів показали, що з підвищенням границі міцності руд на розтяг з 8 до 20 МПа, значення Lн інтенсивно зменшується рис. 8. Наприклад, при щільності енергії вибуху = 4109 Дж/м3 (що відповідає грамоніту 79/21) заглиблення заряду відносно вільної поверхні відрізної виробки змінюється з 1,33 до 0,56 м. Протяжність зони руйнування Zт виявилась незначною і коливається від 0,228 до 0,944 діаметрів свердловини.

Рис. 8. Результати моделювання осьової дії свердловинних зарядів ВР при змінюваних значеннях границі міцності руд на розтяг р , діаметра заряду ВР dц і щільності енергії ВР .

За умови формування відрізних щілин у силікатно-карбонатно-магнетитових роговиках і кварцитах Криворізького залізорудного району свердловинними зарядами діаметром dц = 0,105 м значення недозарядів Lн слід приймати у межах 0,7…0,9 м. При цьому сумарна протяжність зони руйнування уздовж осі свердловини у вказаних умовах становитиме близько 5,2 м.

Якщо отримане значення цього показника менше, ніж необхідне для формування відрізної щілини висотою hщ, ефективна відрізка "плаваючої" стелини можлива за рахунок використання свердловин підвищеного діаметра, більш потужних ВР або конструкцій зарядів, які забезпечують більш високий рівень трансформації енергії вибуху у рудний масив.

Особливістю підземного відпрацювання в ускладнених техногенезом умовах є добування руд, які при первинній розробці цінної сировини системами із закладкою становили собою вміщуючі породи і тому зараз мають включення стверділого закладного матеріалу. Для подібних випадків запропоновано особливу технологію відбійки, реалізовану у захищеному патентом України способі розробки рудних тіл, що містять нерудні включення, рис. 9.

Рис. 9 Відбійка рудних тіл, що містять нерудні включення.

Руду зі сторони висячого боку нерудного включення потужністю а-п відбивають і випускають з камери. Нерудне включення шарами відбивають зі збільшеною кускуватістю і заповнюють відбитим матеріалом випускні отвори. З породного навалу АВС вибухом додаткових зосереджених зарядів ВР переміщують породні призми BDE та CDE і формують штабель ACK з нахилом його поверхні під кутом природного укосу . Після чого відпрацьовують камерні запаси, що залишилися. Параметри даної технології визначені для широкого діапазону впливаючих факторів.

Розділ 4 присвячено питанням підвищення результуючої дії вибуху свердловинних зарядів ВР за рахунок локалізації газоподібних продуктів детонації (ПД) у зарядних порожнинах. Розв’язання задач з визначення параметрів вибухової відбійки, що в найбільшій мірі відповідають специфічним умовам впливу техногенних формувань, висунули вимоги більш інтенсивного енергонасичення масивів, що руйнуються. Це спричинило необхідність обґрунтування можливості збільшення частки енергії ВР, що трансформується в роботу руйнування.

Така оцінка здійснена з використанням показника т -– теоретичного коефіцієнта передачі енергії вибуху , де Е0 початкова енергія на стінках зарядної порожнини, ; Ек залишкова енергія вибуху в період його квазістатичної фази

(15)

де п – щільність середовища, що руйнується.

Чотириразове збільшення початкової щільності енергії вибуху ВРQ призводить до росту величини т у 1,08…1,13 раза, причому більш інтенсивне зростання відповідає міцнішим породам. При подальшому збільшенні ВРQ параметр т асимптотично наближається до значення і = 0,958…0,968, що виконується при , і відображає найкращі умови узгодження щільності енергії вибуху і властивостей середовища, що руйнується, рис. 10.

Рис. 10. Графіки залежності теоретичного коефіцієнта передачі енергії ВР у масив, що руйнується т, від початкової щільності енергії ВР ВРQ і модуля Юнга Е.

На практиці істотне збільшення щільності енергії вибуху нереальне внаслідок обмеженості можливостей хімічних ВР і суттєвих втрат, обумовлених, зокрема, неефективною роботою газоподібних ПД. Однак досить близьке наближення показника т до оптимальних режимів руйнування можливе з використанням наявного арсеналу промислових ВР у комплексі з конструкціями зарядів, що дозволяють збільшити тривалість квазістатичної фази вибуху.

Тому в контексті вирішуваних завдань виникла потреба в якісно новому дешевому і технологічному засобі локалізації ПД у свердловинах, здатному забезпечити високі енергетичні показники вибуху. На основі дослідження закономірностей витікання газів вибуху з подовжених зарядних порожнин змінного перетину було визначено умови газодинамічної локалізації продуктів детонації ВР у вибухових свердловинах.

Встановлено, що викид продуктів детонації з простору зарядної порожнини різко знижується до повної локалізації газів у свердловині при критичній величині радіуса її поперечного перерізу Rкр, який визначається умовою , де r0 – радіус зарядної порожнини; газодинамічна функція приведеної швидкості витікання продуктів детонації. У загальному вигляді вона описується виразом

(16)

де kі – показник ізентропи; - приведена швидкість витікання ПД, ; g – прискорення вільного падіння.

При дотриманні умови , що для зарядної порожнини з початковим обсягом Vп при тиску Рп відповідає прийнятій ізоентропічній моделі розширення продуктів детонації , газодинамічна функція приведеної швидкості витікання продуктів детонації набуває вигляд , тоді . В умовах прийнятої ізоентропічної моделі розширення газів вибуху . Звідси випливає, що радіус критичного перетину устя зарядної порожнини, який забезпечує запирання ПД, дорівнює . При розміщенні ВР у свердловинах діаметром 0,105м Rкр= 0,024м. Технічним рішенням, спрямованим на виконання умови , є розміщення в гирловій частині зарядної порожнини спеціального конфузора, що зменшує до критичної величини площу перетину устя свердловини.

Виконаний у вигляді єдиної конструкції з осьовим каналом критичного діаметра, він одержав назву