Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій

та у справах захисту населення від наслідків чорнобильської катастрофи

Національний науково-дослідний інститут охорони праці

ЮРКО Олексій Олексійович

УДК 624.139: 624.132.35

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ

ОКОНТУРЮВАННЯ ГІРНИЧИХ ВИЇМОК ВИБУХОМ

КУМУЛЯТИВНИХ ЗАРЯДІВ

Спеціальність 05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор ДРАГОБЕЦЬКИЙ Володимир В’ячеславович, зав. кафедри технології машинобудування Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ЛУГОВИЙ Петро Захарович, завідувач відділом інституту механіки НАН України ім. С.П. Тимошенка, заслужений діяч науки і техніки України;

кандидат технічних наук ФРОЛОВ Олександр Олександрович, доцент кафедри геобудівництва та гірничих технологій інституту енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету “КПІ”.

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

Захист відбудеться 19.10.2006 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.802.01 при Національному науково-дослідному інституті охорони праці за адресою: 04060, Київ - 60, вул. Вавілових, 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного науково-дослідного інституту охорони праці за адресою: 04060, Київ - 60, вул. Вавілових, 13.

Автореферат розісланий 18.09.2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Ковтун І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі становлення народного господарства України, її економічного зростання, значну увагу слід приділяти удосконаленню технології розробки виїмок, що обумовлюється необхідністю якнайшвидшого введення в експлуатацію підприємств вугільної, нафтової і газової промисловості, об’єктів чорної та кольорової металургії, а також будівництва різних промислових підприємств, які мають важливе значення для держави.

У практиці ведення гірничих робіт по доведенню бортів кар’єра до проектного контуру, промислово-цивільному, гідромеліоративному, транспортному будівництві, а також при виконанні геологорозвідувальних та спеціальних видів гірничобудівельних робіт вельми широко використовується енергія вибуху.

Основними передумовами розширення області використання технологічних процесів, пов’язаних з застосуванням енергії вибуху є порівняно незначні трудомісткість і простота засобів їх здійснення, висока потужність, можливість концентрованого та направленого спрямування великих енергій в обмежено короткі часові інтервали.

Слід відзначити, що буровибуховий спосіб утворення виїмок потребує удосконалення в частині зменшення обсягів земляних робіт, підвищення ККД вибуху, зменшення питомої ваги ручної праці, покращення якості виконання робіт. Дійсно, при буровибуховому способі виконується значно завищений відносно проектного, об’єм робіт у зв’язку з поширенням дії вибуху в законтурний масив, що спричиняє марні витрати енергії вибуху, низьку якість робіт, недостатню стійкість укосів, перевитрати вибухових матеріалів, ускладнення заходів з техніки безпеки, інші недоліки. Ось чому в ряді випадків виникає нагальна потреба розробки методів керування енергією вибуху з метою отримання проектних контурів виїмок, з мінімальними деформаціями приконтурної зони виробок та щонайменшими обсягами доробки ґрунту по зачищенню дна та плануванню укосів, а також влаштуванню кріплення останніх в разі необхідності.

В зв’язку з цим дослідження закономірностей руйнування гірських порід при формуванні контурної шпарини і розробка обґрунтованого визначення параметрів БВР для підвищення ефективності вибуху при влаштуванні виїмок є актуальною науковою задачею.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі “Технології машинобудування” при проведенні НДР у Кременчуцькому державному політехнічному університеті в 1999 – 2001р.р. (шифри тем: 6В/99-ОМД, 23В/00-Т, 53В/01-МЮ, №ДР 0102U000742), у яких автор брав участь як виконавець.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає у підвищенні ефективності вибухового оконтурювання укосів за рахунок удосконалення існуючих і розробці нових конструкцій кумулятивних зарядів.

Для досягнення цієї мети сформульовані наступні задачі досліджень:

- теоретичне обґрунтування раціональних параметрів зарядів з двома діаметрально протилежними подовжніми кумулятивними виїмками, для утворення якісної контурної шпарини вздовж проектного контуру виїмки;

- експериментальна перевірка аналітичних розробок та визначення оптимальних параметрів запропонованих конструкцій на об’ємних моделях;

- розробка методики розрахування головних технологічних параметрів БВР при використанні запропонованих зарядів в якості оконтурюючих в полігонних умовах;

- обґрунтування глибини оконтурюючих свердловин та свердловин рихлення при використанні спеціальних конструкцій зарядів.

Об’єкт дослідження – руйнування гірських порід за допомогою контурного вибуху для улаштування різнопрофільних виїмок різного призначення.

Предмет дослідження – свердловинні двобічні кумулятивні заряди і їх конструктивні параметри.

Ідея роботи полягає у керуванні енергією вибуху у контурному підриві за рахунок перерозподілу енергії при використанні спеціальних конструкцій кумулятивних зарядів.

Методи досліджень. Вирішення поставлених в роботі задач було досягнуте шляхом аналізу і узагальнення досягнень теорії та практики вибухових робіт, теоретичних досліджень з урахуванням сучасних поглядів на процес детонації зарядів ВР та механізму вибухового руйнування твердого середовища, експериментальних досліджень в лабораторних і натурних (полігонних та промислових) умовах з використанням теорії подібності та розмірностей, а також застосування методів математичної статистики і техніко- економічного аналізу з обробкою результатів на ПК.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

- зміна форми кумулятивного заряду на прямокутну дозволяє підсилити динамічний вплив кумулятивного струменя на середовище за рахунок наближення фокусної відстані до руйнівної поверхні та суттєвого збільшення активної частини заряду ВР;

- активна частина та коефіцієнт використання ВР двобічного циліндричного подовженого кумулятивного заряду набувають максимального значення, коли радіус кумулятивної виїмки у формі півкола складає половину радіуса заряду, а в двобічному кумулятивному заряді прямокутної конструкції, відповідні параметри сягають максимальних значень, коли радіус кумулятивної виїмки складає 0,7...0,9 величини меншої сторони заряду.

Наукова новизна отриманих результатів роботи полягає в тому, що в дисертації вперше:

- теоретично обґрунтовано геометричні параметри двобічних кумулятивних зарядів, за яких досягається посилення динамічного навантаження масиву при утворенні контурної шпарини;

- встановлено закономірності впливу розмірів двобічних кумулятивних зарядів та характеристик міцності порід на відстань між контурними свердловинами.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються використанням апробованих методів досліджень, доброю збіжністю результатів теоретичних розрахунків і лабораторних експериментів, обґрунтованим обсягом полігонних та промислових досліджень, що забезпечує похибку не більше 15...20%.

Практичне значення отриманих результатів:

- нова конструкція кумулятивного заряду дозволяє підвищити якість утворення укосів, ККД вибуху, збільшити відстань між контурними свердловинами при визначених умовах в 1,6 рази та зменшити діаметр оконтурюючих свердловин в 1,5 рази ;

- використання нової конструкції двоступеневого кумулятивного заряду в донній частині свердловин в комбінації з двобічними контурними зменшує глибину перебуру свердловин у 2 рази у порівнянні з нормативною при визначених умовах;

- впровадження методики розрахунку основних технологічних параметрів вибуху дає змогу забезпечити високу якість утворення виїмок, зменшити загальний обсяг робіт, уникнути додаткових робіт доробки та очищення днища, особливо бокових і кутових укосів, зменшити трудомісткість робіт, скоротити термін їх виконання.

Особистий внесок здобувача. Автором здійснені теоретичні дослідження по визначенню активної частини та коефіцієнта використання ВР удосконалених конструкцій кумулятивних зарядів [5, 7, 8], а також лабораторні і полігонні дослідження по визначенню оптимальних параметрів контурних зарядів [10].

Реалізація результатів досліджень. Основні положення дисертації використанні при проведенні вибухових робіт на Кременчуцькому кар’єроуправлінні “Кварц” (акт від 3.10.2003 р.) та Полтавському ГЗК ( акт від 19.04.2004 р.) В результаті впровадження поліпшена якість робіт по утворенню укосів та підошов виїмок, зменшено вихід негабариту, а також витрати на вибухові матеріали, що дало змогу отримати фактичний економічний ефект 180 тис. грн.

Апробація результатів досліджень. Основні положення роботи доповідались на міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми створення нових машин і технологій” (Кременчук, 2001...2004 р.р.), 4-й Міжнародній - “Механіка, технологія і техногенна безпека вибухового руйнування гірських порід” (Крим, 2005 р.) та 3-й Всеукраїнській - “Фізичні процеси та поля технічних і біологічних об’єктів” (Кременчук, 2004 р.), на засіданні кафедри технології машинобудування КДПУ (Кременчук, 2005 р.), на семінарі вченої ради Національного науково-дослідного інституту охорони праці (Київ, 2006 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 12 наукових праць, які висвітлюють основні розділи дисертаційної роботи; з них 11 статей і один патент.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 116 найменувань і 1 додатку на 15 сторінках; містить 174 сторінки, 28 таблиць, 39 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність виконаних досліджень, їх наукова новизна та практична цінність, а також подана загальна характеристика роботи.

В першому розділі за вітчизняними та зарубіжними літературними джерелами визначено стан теоретичних та експериментальних досліджень механізму руйнування гірських порід, здійснено аналіз існуючих методів розробки міцних ґрунтів з використанням енергії вибуху, показана можливість перерозподілу енергії і керування дією вибуху за рахунок використання спеціальних конструкцій кумулятивних зарядів ВР і схем КЗВ при створенні виїмок.

Сучасні уявлення про механічну дію вибуху в гірських породах були сформульовані на основі теоретичних робіт та експериментальних досліджень вітчизняних та зарубіжних вчених: Ф.А. Баума, В.В. Бойка, О.Є. Власова, О.О. Вовка, В.В. Воробйова, В.Д. Воробйова, Г.П. Демидюка, Е.І. Єфремова, В.М. Коміра, В.Г. Кравця, М.В. Крівцова, Р.С. Крисіна, В.М. Кузнєцова, Б.М. Кутузова, П.З. Лугового, І.А. Лучка, Ю.С. Меца, В.Д. Петренка, Г.Й. Покровського, В.М. Родіонова, К.Н. Ткачука, П.Й. Федоренка, А.В. Шапуріна, Р. Густафcона, І. Лангефорса, М. Кука, К. Хіно та інш.

При контурному підриві основні витрати часових та матеріальних ресурсів пов’язані з підвищеними обсягами буріння. Для отримання якісної поверхні стінок уступів більшість сучасних методів обумовлюють застосування наступних заходів: діаметр контурних свердловин повинен в три рази перевищувати діаметр патронів для зменшення бризантної дії вибуху на стінки свердловини; також глибина контурних свердловин повинна перевищувати глибину свердловин рихлення на 10...15 діаметрів останніх для запобігання руйнування законтурного масиву ударною хвилею, що спричиняється вибухом зарядів рихлення.

На практиці широкого розповсюдження набули комбіновані заряди, коли в донній частині розміщуються патрони збільшеного діаметра, та більш потужною ВР. Основні недоліки – здрібнення породи в донній частині та значна нерівномірність проробки днища котловану на проектному рівні.

Зважаючи на високу собівартість та трудомісткість буріння слід віддати перевагу способам, що сприяють зменшенню обсягів бурових робіт без погіршення якості проробки днища та укосів виїмок.

В останній час застосовуються способи, пов’язані з послабленням контурної зони свердловини до вибуху, шляхом створення в ній концентраторів напруг. Загальний недолік – складність отримання останніх та відповідно, збільшення обсягів робіт.

Більш раціональне використання зарядів ВР, шляхом перерозподілу енергії вибуху забезпечує метод зарядів направленої дії. Найбільш перспективний спосіб цього класу – використання подовжніх зарядів ВР з кумулятивними виїмками. Струмені газів, що сходяться, співударяються один з одним і створюють вельми потужний газовий потік, що направлений вподовж вісі виїмки. Теорія бронепробивної дії кумулятивного струменя вперше була розроблена М.О. Лаврент’євим і отримала подальший розвиток в роботах Г.Й. Покровського.

Ефективність використання кумулятивних зарядів у порівнянні зі звичайними при необхідності спрямованого руйнування – беззаперечна. Експериментально встановлено, що заряди ВР з подовжньою кумулятивною виїмкою можуть успішно використовуватися при контурному підриванні. Напрямок кумуляції у цьому випадку повинен бути паралельним площі оконтурювання, що дозволяє збільшити відстань між шпарами та понизити обсяг бурових робіт. Крім того, внаслідок зменшення величини заряду ВР (на об’єм кумулятивної виїмки) суттєво зменшуються загальні витрати ВР.

Той факт, що заряд повинен забезпечити руйнування породи в діаметрально протилежних напрямках, виявляє доцільність використання конструкцій двобічних кумулятивних зарядів.

Але на відміну від однобічних зарядів, для двобічних конструкцій детальних досліджень по визначенню їх раціональних параметрів не проводилося. Тому виникає необхідність проведення відповідних теоретичних та експериментальних розробок.

Загально прийнятними параметрами, котрі піддають оптимізації, є активна частина кумулятивного заряду та коефіцієнт використання ВР. Відомі теоретичні залежності, котрі дозволяють визначити ці параметри, були розроблені для однобічних кумулятивних зарядів і мають обмеження по застосуванню. Тому безпосередні розрахунки за існуючими виразами дають помилкові результати, оскільки активна частина заряду починає формуватись одночасно з декількох точок.

Отже виникає потреба встановити аналітичні залежності, що дозволять дослідити параметри двобічних кумулятивних зарядів і визначити їх раціональні величини.

На основі проведеного аналізу стану питання були визначені мета і основні задачі досліджень.

У другому розділі викладені результати теоретичних досліджень по встановленню оптимальних конструкцій і визначенню оптимальних параметрів контурних кумулятивних зарядів.

Практика і теорія показують, що для подовжених кумулятивних зарядів найбільший ефект отримується у тому випадку, коли фокус знаходиться на руйнівній поверхні, тобто на стінці шпари, в протилежному випадку спостерігається лише розсіювання кумулятивного пучка та непродуктивні витрати енергії. Як один з варіантів вирішення вказаної проблеми, можна запропонувати конструкцію заряду прямокутної форми (рис. 1). З одного боку полегшується задача орієнтації зарядів як вподовж напрямку контуру виїмки, так і при їх взаємному розташуванні один відносно одного у шпарі. З другого боку відбувається зближення фокусної відстані з руйнівною поверхнею. Така форма заряду має також додаткові переваги перед циліндричною: відбувається суттєве підвищення коефіці-єнту використання ВР.

На основі математич-ного моделювання процесу поширення хвиль розрі-дження були розроблені алгоритми розрахунків па-раметрів трьох типів конс-трукцій з циліндричними (рис. 2, 3) та трикутними кумулятивними виїмками: активної площини SA попе-речного перерізу відповідних конструкцій і коефіцієнта використання з ВР. По отриманим теоретичним залежностям були побудовані відповідні графіки (рис. 4). В результаті аналізу отриманих залежностей встановлені раціональні співвідношення між розмірами патрона та кумулятивної виїмки для всіх типів конструкцій, що наведені в табл. 1. Так, двобічна циліндрична конструкція у порівнянні з зарядом з однією кумулятивною виїмкою дозволяє збільшити SA в 1,5 р. та з в 1,4 рази. Прямокутна конструкція при тих же умовах підвищує ці значення до 2,75 та 1,43 рази відповідно.

Також були проведені розрахунки по врахуванню кінцевої швидкості детонації для однобічного кумулятивного заряду, якщо детонація здійснюється точечним детонатором, розташованим в центрі заряду. Детонаційна хвиля у вигляді концентричних кіл розповсюджується від центра і одночасно сягає зовнішньої поверхні заряду. Але раніше детонаційна хвиля досягає поверхні кумулятивної виїмки і хвиля розрядження починається з її вершини, а потім поступово поширюється до поверхні заряду – точок геометричного перетину кола поверхні виїмки з колом зовнішньої поверхні заряду. Отже, коли відбулася детонація всієї маси ВР заряду, поверхня кумулятивної виїмки зазнала змін і вже не може бути описана частиною ідеального кола.

Рівняння цієї поверхні у полярних координатах має вигляд:

, (1)

де - змінна величина кута, котрий може приймати значення в діапазоні: ;

- відношення радіуса виїмки до радіуса заряду.

- відношення швидкостей хвилі розрідження до детонаційної.

При n = 0, рівняння поверхні перетворюється в коло.

Таблиця 1

Оптимальна глибина кумулятивних виїмок r, виражена в радіусах заряду R (для прямокутної конструкції R - величина половини меншої сторони заряду).

Форма заряду в перерізі | Форма кумулятивної виїмки в перерізі

циліндрична | трикутна

Однобічний циліндричний

Двобічний циліндричний

Двобічний прямокутний

При деяких спрощеннях можна записати наступну формулу для визначення n:

. (2)

де б – коволюм газу, тобто мінімальний об’єм що може зайняти даний газ при необмеженому підвищенню тиску;

l – відношення теплоємності газу при постійному тиску до теплоємності при постійному об’ємі: ;

V0 – початковий питомий об’єм газу, можна знайти за відомою питомою вагою г ВР: .

Для визначення коефіцієнтів можна використати методику, наведену у монографії проф. Власова О.Е. Наприклад, для амоніту №6 ЖВ n = 0,052.

Отже, для ВР високої та середньої потужностей швидкість детонаційної хвилі в десятки разів перевищує швидкість хвилі розрідження на поверхні заряду. Причім відомо, що швидкість vp фронту хвилі розрідження по мірі просування вглиб заряду поступово зменшується, а швидкість vД залишається постійною величиною, тобто n – буде зменшуватись.

Отже зміна форми кумулятивної виїмки при врахуванні кінцевої швидкості детонації виявилась незначною і вплив цього фактора на величину активної частини заряду SA – несуттєвий. Тому попередні розрахунки по визначенню величини SA, коли приймалося припущення про миттєву детонацію, можна вважати прийнятними.

Дослідження параметрів шпарових зарядів з подовжньою кумулятивною виїмкою проводились також Г.П. Демидюком та В.Ф. Ведутіним. В їхній роботі наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень по визначенню оптимальних параметрів однобічних зарядів з кумулятивними виїмками різних форм. Використання схожих критеріїв оцінки, а саме активної частини заряду SA, та коефіцієнта використання ВР з, дозволяють перевірити достовірність отриманих аналітичних залежностей.

Побудову кривої, котра визначає активну площу заряду ВР, автори виконували графічно, а розрахунок площі, котра міститься між цією кривою та кумулятивною поверхнею заряду, проводили за допомогою планіметра.

Порівняння характеристик для однобічного заряду з циліндричною кумулятивною виїмкою представлені на рис. 5. За даними Г.П.Демідюка максимум активної площі заряду (SA=0,9R2 ) спостерігається при радіусах кумулятивної виїмки . В свою чергу, використання алгоритму запропонованого в даній роботі, дає наступні результати: максимуму активної частини заряду SA=0,82R2 відповідає діапазон , котрий входить в інтервал оптимальних розмірів, визначених попереднім методом. При цьому різниця між максимальними значеннями активної площі складає всього близько 9 %. А залежності з=f(k) визначені двома методами мають зовсім незначні розходження в діапазоні оптимальних значень k – близько 1,2 %.

Отже, графічний метод та аналітичні розрахунки дають практично близькі результати при визначенні оптимальних розмірів кумулятивної виїмки, що підтверджує вірність запропонованих алгоритмів.

В третьому розділі викладена методика проведення експериментальних досліджень по виявленню оптимальних параметрів зарядів і контурного вибуху, описана методика планування і проведення необхідної кількості випробувань в лабораторних та виробничих умовах. Також наведені результати експериментів по дослідженню параметрів кумулятивних зарядів, їх вплив на формування контурної шпарини на основі теоретичних досліджень.

Лабораторно-полігонні експерименти проводились на об’ємних зразках з цементно-піщаного розчину зі щільністю 1500 кг/м3 та відповідними розмірами 0,2Ч0,3Ч0,2 м. Визначалися оптимальні параметри геометрії кумулятивної виїмки і самого заряду (патрону) у цілому, а також оптимальні співвідношення діаметрів шпари і патрона ВР.

В першій серії експериментів досліджувалися циліндричні однобічні та двобічні конструкції: при фіксованому значенні діаметра патрона dП = 0,01 м змінювався діаметр кумулятивних виїмок в діапазоні, для якого з аналітичних досліджень очікувався максимальний ефект.

Отримані результати показали добру збіжність з теоретичними розрахунками. За раціональні рекомендовано прийняти наступні співвідношення між радіусом виїмки r і радіусом патрона R: для однобічного заряду ; для двобічного циліндричного - .

Для визначення оптимальної величини радіального зазору виконувалися інструментальні заміри параметрів хвиль напружень з боку масиву, що охороняється, за допомогою осцилографічної апаратури.

Для запобігання тріщиноутворення в ближній до свердловини зоні величина ударної хвилі на стінки свердловини не повинна перевищувати тимчасового опору породи стисканню [у]ст.

З урахуванням місця розташування датчика в моделі та масштабного коефіцієнта напруг, було визначено, що оптимальному значенню радіального зазору для моделі будуть відповідати напруги, котрі по величині мають значення менші ніж .

Заміри швидкості зміщення середовища проводилися за допомогою індукційних датчиків СПЕД типу СМВ при різних величинах радіального зазору: при постійному діаметрі патрона dП =0,01м - змінювався діаметр шпари dШ =(1; 1,4; 1,6; 1,8; 2)Ч10-2 м.

Датчики закріплювалися в блоці напроти центра заряду перпендикулярно до уявного контуру шпарини. В останній розташовувався кумулятивний заряд масою 1,7Ч10-3 кг.

В результаті експериментів було встановлено, що затухання напружень носить експоненціальний характер. При dШ /dП = 2 досягається бажана величина напружень – вони стають менші за визначене межове значення. При подальшому збільшенні радіального зазору напруження спадають досить повільно, тобто збільшення співвідношення dШ /dП є недоцільним.

Отже, величину радіального зазору можна вважати достатньою, коли діаметр шпари у 2 рази перевищує діаметр патрона.

Полігонні експерименти проводились з метою перевірки одержаних результатів лабораторних випробувань та аналітичних досліджень. Крім перевірочних, використовувались додаткові експерименти, тому що неможливо провести всі необхідні дослідження на цементно-піщаних блоках у зв’язку із обмеженими габаритно-енергетичними характеристиками. Отже, проводились випробування по визначенню: оптимальної щільності заряджання оконтурюючих шпар, відстані між оконтурюючими шпурами для патронів діаметром . Патрони мали оптимальні параметри, які були визначені в попередніх експериментах. Наведемо їх.

Розміри циліндричних кумулятивних виїмок для відповідних типів конструкцій: однобічні заряди: ; двобічні заряди: ; двобічні прямокутні заряди: з розміром меншої сторони 0,03 м. Діаметр шпари перевищував діаметр патрона в 2 рази, цебто .

Дослідження по встановленню оптимальної відстані між контурними свердловинами проводились при щільності заряджання патронів 1,1Ч10-3 кг/м3, а лінійна щільність заряджання дорівнювала нормативній величині: 0,35 кг/м. Така щільність досягалась шляхом розосередження патронів по всій довжині свердловин з однаковими проміжками. Експерименти проводились з застосуванням холостих шпар і без них.

Основними критеріями оцінки якості оконтурювання були прийняті: попередня оцінка – отримання суцільної щілини між сусідніми свердловинами шириною не менше ніж 0,10 м без руйнування поверхні масиву; остаточна оцінка – величина лінійних відхилень фактичного контуру виїмки від проектного, цебто відхилення від площини, що проходить через вісі сусідніх свердловин не більше .

Визначення оптимальної щільності заряджання проводилося при заповненні всіх контурних шпар ВР. Відстані між контурними свердловинами були фіксованими і дорівнювали оптимальним значенням, що були визначені в попередніх випробуваннях. Необхідна лінійна щільність заряджання досягалась шляхом варіювання довжиною патронів та відстанню між ними.

Проведені експерименти дозволили встановити раціональні відстані а між контурними свердловинами: для зарядів прямокутного перерізу у всіх видах дослідних порід при лінійній щільності заряджання 0,4 кг/м; для двобічних циліндричних: в гранітах при і вапняках та піщаниках при ; для однобічних циліндричних: в гранітах при , у вапняках при і в піщаниках при .

Виконані вище дослідження дозволили встановити, що застосування холостих шпар в породах VIII міцності по БНіП – не ефективне: задана нерівність бокової поверхні отримується при відстанях між свердловинами 0,4 – 0,5 м, тобто об’єми буріння збільшується майже в 2 рази.

Проведені лабораторні та полігонні експерименти дозволили підтвердити обґрунтованість теоретичних припущень та встановити ефективність використання нових конструкцій подовжених двобічних кумулятивних зарядів для заряджання контурних свердловин, котрі дозволили зменшити діаметр свердловини в 1,5 рази, а також збільшити відстань між ними в 1,6 раза за рахунок перерозподілу енергії ВР і підвищити ККД заряду при визначених умовах.

У четвертому розділі наведені результати полігонних досліджень впливу різних факторів на величину перебура свердловин.

В залежності від вимог до якості виїмок і міцності порід глибина оконтурюючих свердловин повинна перевищувати глибину свердловин рихлення на 10…15 діаметрів контурних зарядів, а глибина свердловин рихлення, в свою чергу, повинна перевищувати проектну позначку глибини котловану на 4…12 діаметрів зарядів рихлення. Зважаючи на високу собівартість буріння є сенс застосувати інші способи, котрі сприяють зменшенню величини перебуру. Як вже згадувалось раніше, цю мету можливо досягти шляхом використання спеціальних конструкцій зарядів.

На практиці широке розповсюдження отримали комбіновані свердловинні заряди, коли в донній частині заряду розміщуються більш потужні ВР, а в контурних свердловинах патрони більшого діаметру. Основний недоліки – непродуктивне використання ВР, здрібнення породи в донній частині, порівняно невисока рівномірність проробки дна котловану.

Для усунення цих недоліків з’явилася ідея створення двохступеневого кумулятивного заряду (рис.6), що дозволяє сконцентрувати більшу частину енергії вибуху в необхідному напрямку. Нова конструкція свердловинного заряду підтверджена патен-том на винахід 59025А, виданим 14.05.2003 року державним департаментом інтелектуальної власності України.

Наявність циліндрич-ного заглиблення сприяє скороченню загального тер-міну детонації, задіянню більшої активної маси вибухових речовин для утворення кумулятивного струменя, забезпеченню повної детонації, оскільки у даному випадку ініціювання здійснюється практично од-ночасно у всіх точках заряду, завдяки чому сут-тєво підвищується його потужність.

При підриві заряду детонація спочатку прохо-дить до вершини виїмки, верхня ділянка якої має значну глибину при малому діаметрі і сприяє швидкому стисканню кумулятивного струменя. Поширюючись далі, детонація підходить до вершини другої ступеневої кумулятивної виїмки з посиленням кумуляції за рахунок сформованого кумулятивного струменя першого ступеня, що сприяє залученню значно більшої маси вибухової речовини в активну частину заряду для утворення вельми щільного кумулятивного струменя, що спричиняє інтенсивну руйнацію твердого середовища.

Застосування двоступеневого заряду у порівнянні з зарядом-прототипом (з однією кумулятивною виїмкою) призводить не тільки до економії ВР, але і до зниження виходу негабариту практично до нуля.

При утворенні котловану (рис.7) для можливості зменшення величини перебуру свердловин визначалися основні параметри БВР при розташуванні в донній частині свердловин рихлення та контурних свердловин двоступеневих кумулятивних зарядів в комбінації з двобічними. Таке поєднання дозволяє зменшити величину перебуру практично в два рази у порівнянні з нормативною величиною: глибина свердловин рихлення складає відносно проектної позначки, а величину перебуру оконтурюючих свердловин - відносно свердловин рихлення.

Застосування розроблених конструкцій свердловинних зарядів на основі кумулятивного ефекту в умовах Кременчуцького кар’єроуправління “Кварц” та Полтавського ГЗК дозволило отримати сумарний економічний ефект 180 тис. грн. за рахунок зниження витрат на вибухові матеріали і буріння свердловин. Також, в результаті впровадження була поліпшена якість робіт по утворенню укосів та підошов виїмок та зменшено вихід негабариту.

ВИСНОВКИ

Дисертація містить нове рішення актуальної наукової задачі по удосконаленню метода попереднього контурного вибуху шляхом перерозподілу енергії при використанні спеціальних конструкцій кумулятивних зарядів, що призводить до економії матеріальних та часових ресурсів за рахунок суттєвого зменшення обсягів буріння та економії вибухових матеріалів.

Основні наукові висновки і практичні рекомендації базуються на результатах теоретичних і експериментальних досліджень і їх можливо звести до наступних положень.

1. Проведений аналіз теоретичних і експериментальних досліджень вітчизняних та закордонних авторів, а також узагальнення досвіду підприємств гірничодобувної галузі свідчать, що в контурному підриві існують методи, котрі дозволяють суттєво підвищити ефективність ведення бурових робіт. Найбільш перспективним є метод зарядів направленої дії, котрий обумовлює використання подовжених кумулятивних зарядів. Для отримання контурної шпарини доцільно використовувати двобічні кумулятивні заряди. Але відсутність теоретично обґрунтованих залежностей по визначенню раціональних параметрів двобічних конструкцій стримує їх застосування в промисловості.

Використання традиційних комбінованих зарядів в донній частині свердловин не завжди забезпечує якісну проробку днища на проектному рівні і потребує додаткових обсягів бурових робіт для утворення захисної контурної шпарини в перебурі. Можливість концентрації енергії вибуху в необхідному напрямку дозволяє застосувати кумулятивний ефект для зменшення глибини перебуру свердловин.

Тому є доцільним проведення теоретичних та експериментальних досліджень для розробки нових конструкцій кумулятивних зарядів для підвищення ефективності ведення БВР в контурному підриві.

2. Вперше теоретично обґрунтовані раціональні параметри двобічних кумулятивних зарядів різних конструкцій за допомогою математичного моделювання процесу поширення хвиль розрідження. Так, активна частина та коефіцієнт використання ВР двобічного циліндричного подовженого кумулятивного заряду набувають максимального значення, коли радіус кумулятивної виїмки у формі півкола складає половину радіуса заряду. Для двобічного кумулятивного заряду прямокутної конструкції, аналогічні параметри сягають своїх максимальних значень, коли радіус циліндричної кумулятивної виїмки складає 0,7...0,9 величин від меншої сторони заряду.

3. Розроблена нова конструкція двобічного прямокутного кумулятивного контурного заряду, котра дозволяє збільшити величину активної частини заряду в 1,8 р. у порівнянні з циліндричним двобічним.

4. Розроблені і випробувані нові конструкції подовжених двобічних кумулятив-них зарядів для заряджання контурних свердловин, котрі дозволили зменшити діаметр свердловини в 1,5 рази, а також збільшити відстань між ними в 1,6 раза за рахунок перерозподілу енергії ВР і підвищити ККД заряду при визначених умовах.

5. Розроблена і перевірена в полігонних умовах нова конструкція двохступеневого свердловинного кумулятивного заряду для більш ефективного використання ВР за рахунок перерозподілу енергії вибуху та зменшення виходу негабариту при дробленні порід.

6. Експериментально встановлено, що розташування в донній частині свердловин рихлення та контурних свердловин двохступеневих кумулятивних зарядів в комбінації з двобчіними дозволяє зменшити величини перебуру практично в два рази у порівнянні з нормативними величинами.

7. Встановлено закономірності впливу розмірів двобічних кумулятивних зарядів та характеристик міцності порід на відстань між контурними свердловинами.

8. Реалізація результатів досліджень на Кременчуцькому кар’єроуправлінні “Кварц” (акт від 3.10.2003 р.) та Полтавському ГЗК ( акт від 19.04.2004 р.) дозволила поліпшити якість робіт по утворенню укосів та підошов виїмок, зменшити вихід негабариту, а також витрати на вибухові матеріали. Це дало змогу отримати фактичний економічний ефект 180 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах:

1. Юрко О.О. Врахування кінцевої швидкості детонації при розрахунку параметрів однобічного кумулятивного заряду // Проблеми створення нових машин і технологій. Вісник КДПУ.– Кременчук: КДПУ. – 2005. – Вип. 5/2005(34). – С.107-110.

2. Юрко А.А. Совершенствование технологии взрывных работ устройства выемок с использованием кумулятивных зарядов // Проблемы создания новых машин и технологий. Научн. тр. КГПУ. – Кременчуг: КГПУ.- 2000. – Вып. 2/2000 (9).– С. 501-503.

3. Юрко О.А., Юрко О.О. Дослідження впливу забивки виробок на якість буровибухових робіт // Проблеми створення нових машин і технологій. Наук. пр. КДПУ.– Кременчук: КДПУ.- 2001. - Вип 1/2001 (10). – С. 381-383.

4. Юрко О.А., Юрко О.О. Визначення основних технологічних параметрів контурного вибуху з використанням сполучених виробок // Проблеми створення нових машин і технологій. Наук. пр. КДПУ. – Кременчук: КДПУ.- 2001. – Вип. 1/2001 (10).– С. 384-387.

5. Юрко А.А. Влияние геометрии кумулятивной выемки на глубину проникания струи // Проблемы создания новых машин и технологий. Научн. тр. КГПУ.– Кременчуг: КГПУ.- 2001. – Вып. 2/2001 (11). – С. 378-380.

6. Юрко О.О. Удосконалення вибухової технології розробки приконтурної зони різнопрофільних виїмок // Проблеми створення нових машин і технологій. Наук. пр. КДПУ. – Кременчук: КДПУ.- 2002. – Вип. 3/2002 (14).– С. 119-121.

7. Юрко О.О. Заряд прямокутного поперечного перерізу з двосторонньою кумулятивною виїмкою // Проблеми створення нових машин і технологій. Наук. пр. КДПУ.– Кременчук: КДПУ.- 2002. – Вип. 6/2002 (17). – С. 56-59.

8. Юрко О.О. Циліндричний кумулятивний заряд з кумулятивною виїмкою трикутної форми в поперечному перерізі // Проблеми створення нових машин і технологій. Наук. пр. КДПУ.– Кременчук: КДПУ.- 2002. – Вип. 6/2002 (17). – С. 45 - 48.

9. Юрко А.А., Юрко А.А. Эффективный метод устройства траншей под инженерные коммуникации // Проблемы создания новых машин и технологий. Научн. тр. КГПУ. – Кременчуг: КГПУ.- 2003. – Вып. 4/2003 (21).– С. 137 - 138.

10. Юрко О.А., Юрко О.О. Удосконалення конструкцій свердловинних зарядів // Проблеми створення нових машин і технологій. Наук. пр. КДПУ.– Кременчук: КДПУ.- 2003. – Вип. 4/2003 (21). – С. 139-140.

11. Юрко О.А., Юрко О.О. Вибір раціональної технології улаштування виїмок з використанням енергії вибуху // Проблеми створення нових машин і технологій. Наук. пр. КДПУ.– Кременчук: КДПУ.- 2003. – Вип. 2/2003 (19). – С. 130-131.

12. Юрко О.О. Розробка та дослідження методу оконтурювання укосів з ви-користанням ефекту кумуляції при улаштуванні гірничо-будівельних виїмок // Наук. пр. КДПУ.– Кременчук: КДПУ.- 2005. – Вип. 1/2005(30). – С.83-85.

13. Патент № 59025А Україна, МПК 7 F42 B3/08. Свердловинний заряд. / О.А. Юрко, О.О. Юрко. - № 2002129825; опубл. 15.08.2003, Бюл. № 8. - 3 с.

АНОТАЦІЯ

Юрко О.О. “Підвищення ефективності оконтурювання гірничих виїмок вибухом кумулятивних зарядів”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”. - Кременчуцький державний політехнічний університет міністерства освіти і науки України, Кременчук, 2006.

Дисертація присвячена удосконаленню метода попереднього контурного вибуху для запобігання руйнування законтурного масиву та якісної проробки днища виїмки на проектному рівні. Це досягається за рахунок застосування зарядів нової конструкції. Вперше для двобічних циліндричних та прямокутних подовжених кумулятивних зарядів отримана залежність для визначення величини активної частини заряду. Це дозволило виявити оптимальні розміри кумулятивних виїмок різних форм і створити умови для використання найбільшої частини вибухової речовини заряду для виконання корисної роботи. Розроблені і випробувані нові конструкції подовжених двобічних кумулятивних зарядів для заряджання контурних свердловин, котрі дозволили зменшити діаметр свердловини в 1,5 рази, а також збільшити відстань між ними за рахунок перерозподілу енергії ВР і підвищити ККД заряду. Розроблена і перевірена в полігонних умовах нова конструкція двоступеневого свердловинного кумулятивного заряду для більш ефективного використання ВР за рахунок перерозподілу енергії вибуху та зменшення виходу негабариту при дробленні порід. Визначені основні параметри БВР при розташуванні в донній частині свердловин рихлення та контурних свердловин двоступеневих кумулятивних зарядів в комбінації з двобічними. Це дозволяє зменшити величини перебуру практично в два рази у порівнянні з нормативними величинами.

Ключові слова: контурний вибух, кумулятивний заряд, активна частина, коефіцієнт використання ВР, перебур, двоступеневий заряд, комбінований заряд.

АННОТАЦИЯ

Юрко А.А. “Повышение эффективности оконтуривания горных выемок взрывом кумулятивных зарядов”. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. - Кременчугский государственный политехнический университет Министерства образования и науки Украины, Кременчуг, 2006.

Диссертация посвящена усовершенствованию метода предварительного контурного взрывания для предотвращения разрушения законтурного массива и качественной проработки днища выемки на проектном уровне. Это достигается за счет применения зарядов новой конструкции.

Тот факт, что заряд должен обеспечить разрушение породы в диаметрально противоположных направлениях, обуславливает целесообразность применения конструкций двусторонних кумулятивных зарядов. Если использование односторонних кумулятивных зарядов известно уже давно и проводились детальные исследования их параметров, а также существуют рекомендации касательно их практического применения, то для двухсторонних кумулятивных зарядов серйозных исследований не проводилось. Поэтому становиться целесообразным проведение теоретических и экспериментальных исследований для разработки конструкции заряда на основе кумулятивного эффекта. В качестве критериев оценки различных конструкций кумулятивных зарядов были использованы активная площадь поперечного сечения заряда и коэффициент использования ВВ.

Впервые для двухсторонних цилиндрических и прямоугольных удлиненных кумулятивных зарядов получена зависимость для определения активной части заряда, при этом было принято предположение, что детонация возникает мгновенно и разлёт заряда начинается одновременно по всей его поверхности. Это позволило определить оптимальные размеры кумулятивных выемок разных форм и создать условия для использования наибольшей части взрывчатого вещества заряда для выполнения полезной работы. С помощью проведенных расчетов также было установлено, что влияние фактора конечной скорости детонации на величину активной части заряда, при использовании ВВ большой и средней мощности – незначительно. Поэтому мгновенную модель процесса детонации можно считать допустимой.

Разработаны и испытаны новые конструкции удлиненных двухсторонних кумулятивных зарядов для заряжания контурных скважин, которые позволяют уменьшить диаметр скважин в 1,5 раза, а также увеличить расстояние между ними за счет перераспределения энергии ВВ и увеличить КПД заряда. Определены основные технологические параметры БВР при использовании зарядов новой конструкции в качестве контурных для получения качественной контурной щели без нарушения законтурного массива. Разработана и проверена в производственных условиях новая конструкция двухступенчатого скважинного кумулятивного заряда для более эффективного использования ВВ за счет перераспределения энергии взрыва и уменьшения выхода негабарита при дроблении пород. Определены основные параметры БВР при расположении в донной части шпуров рыхления и контурных шпуров двухступенчатых кумулятивных зарядов в комбинации с двухсторонними. Это позволяет уменьшить величину перебура практически в два раза по сравнению с нормативными величинами.

Ключевые слова: контурное взрывание, кумулятивный заряд, активная часть, коеффициент использования ВВ, двухступенчатый заряд, комбинированный заряд.

ABSTRAKT

A.A. Yurko. “Increase in efficiency of mountain groove mapping by exploding cumulative charges”. - Manuscript.

Candidate’s of engineering thesis in the speciality 05.15.11 “Mining physical processes”. - Kremenchuk State Polytechnic University of the Ministry of Education and Science of Ukraine. Kremenchuk, 2006.

The thesis is devoted to an improved method of preliminary contour blasting which prevents out-of-the-contour mass destruction and ensures quality treatment of the extraction bottom at the design level. This result is achieved due to the use of newly designed charges together with slow blasting.

Dependence for determining the active part of the charge has been found for the first time for double-sided cylindrical and rectangular extended shaped charges. It allows to find optimal dimensions of shaped extractions of various shapes and create conditions to use the largest part of blasting agent for useful work. New designs for extended double-sided shaped charges for contour wells have been developed and tested. These charges make it possible to reduce the well diameter by a factor of 1,5, to increase the distance between them due to the blasting agent energy redistribution and to increase the charge efficiency.

A new design of