ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
РИМАРЧУК Борис Іванович
УДК 622.341.1+622.272:330.111.4
РОЗРОБКА РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ПІДЗЕМНОЇ ВІДБІЙКИ МІЦНИХ І НАДТО МІЦНИХ ЗАЛІЗНИХ РУД
Спеціальність 05.15.02 – підземна розробка
родовищ корисних копалин
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Кривий Ріг – 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант – доктор технічних наук, професор
Капленко Юрій Петрович,
Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України,
завідувач кафедри підземної розробки родовищ корисних копалин.
Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор
Сторчак Сергій Олександрович,
Державний комітет України з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду, м. Київ,
голова комітету;
–
доктор технічних наук, старший науковий співробітник Перепелиця Валентин Григорович,
Інститут геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ, завідувач відділу гірничої аерогазодінаміки;
доктор технічних наук, доцент
Дядечкін Микола Іванович,
Державне підприємство “Науково-дослідний гірничорудний інститут” Міністерства промислової політики, м. Кривий Ріг, провідний науковий співробітник відділу підземних гірничих робіт та геомеханіки.
Провідна установа – Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра підземної розробки родовищ, м. Дніпропетровськ.
Захист відбудеться “20” квітня 2007 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.02 в 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, Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.
Автореферат розісланий “16” березня 2007 р
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професор О. М. Голишев
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Розробка родовищ багатих руд Кривбасу досягла значних глибин: шахта “Ювілейна” ВАТ “Суха Балка” працює на глибині 1500 м, а шахти ВАТ “КЗРК” ім. Леніна, “Родіна”, “Жовтнева”, “Гвардійська” працюють на глибинах 1200-1300 м і вже виконують поглиблення стволів до 1500 м. Нижче глибини 1500 м відпрацювання багатих руд при існуючих технологіях їх видобутку стає нерентабельним. Забезпеченість рудників Кривбасу запасами багатих руд у проектних контурах до глибини 1500 м складає 304 млн. т, що зумовлює термін їх відробки 15-30 років. У рудних полях шахт Кривбасу є 6,2 млрд. т магнетитових кварцитів (3,7 млрд. т, затверджених Державним комітетом запасів (ДКЗ), і 2,5 млрд. т розвіданих, але не затверджених ДКЗ). Протягом часу, що залишився на відпрацювання покладів багатих руд, необхідно підготуватися до видобутку магнетитових кварцитів. Крім того, розпочинати його слід одночасно зі зниженням об’ємів видобутку багатих руд, поступово збільшуючи обсяги до проектної потужності шахти; тільки в цьому разі буде досягнута рентабельність виробництва.
Виходячи з цього, можна передбачити, що через 10-15 років розпочнеться значне зростання обсягів видобутку магнетитових кварцитів підземним способом. Оскільки їх збагачення буде проводитись переважно на збагачувальних фабриках Центрального і Північного гірничо-збагачувальних комбінатів, то собівартість видобутку кварцитів підземним способом повинна бути в межах 35-51,4 грн./т, що забезпечить їх рентабельну переробку. Щоб укластися в цю собівартість, потрібно орієнтуватись на найбільш економічні технології видобутку.
Обґрунтування й розробка ресурсозберігаючої технології видобутку магнетитових кварцитів із собівартістю в межах економічно доцільної дозволить надовго продовжити життя підземним рудникам Кривбасу й забезпечити сировиною металургійну промисловість України. Таким чином, тема дисертаційної роботи, присвяченої вирішенню зазначеної проблеми, є своєчасною й актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертаційної роботи покладено результати, отримані автором при виконанні науково-дослідних робіт “Технологія відбивання руди за допомогою концентрованих зарядів в масиві, оконтуреному екрануючими щілинами” (№ 1_); “Дослідження та розробка великомасштабної технології відбивання залізних руд, що забезпечує зниження собівартості видобутку руди та підвищення продуктивності праці” (КНД 3-88-2-94); “Розробка способів відпрацювання потужних покладів залізних руд з одночасним великомасштабним висадженням концентрованих зарядів і глибоких свердловин” (№ ДР 0195 U ), “Програма реструктуризації гірничорудних підприємств Криворізького басейну з підземного видобутку залізної руди” (Рішення колегії № /3 від 20.12.2000), а також при розробці галузевих програм Міністерства промислової політики, що виконуються інститутом “Кривбаспроект”.
Мета роботи – підвищення ефективності технології підземного видобутку міцних і надто міцних залізних руд, що забезпечує їх конкурентноздатність на світовому ринку.
Задачі дослідження:–
виконати теоретичні й експериментальні дослідження з визначення оптимальних розмірів конструктивних елементів вертикального концентрованого заряду й параметрів вибухового обвалення масиву гірських порід;–
розробити технологію створення екрану й визначити його основні параметри, за яких буде досягнуте якісне дроблення масиву та значне зниження сейсмічного ефекту;–
розробити технологію виробництва найпростішої ВР типу ігданіт з високою фізичною стабільністю й вибуховими характеристиками;–
розробити й упровадити технологію відбійки міцних і надто міцних залізних руд із застосуванням концентрованих зарядів ігданіту, виробленого за розробленою технологією й екрануванням хвильової енергії вибуху в об’ємі обвалюваного блоку;–
виконати техніко-економічну оцінку розробленої технології в умовах застосування її на відробці потужних покладів магнетитових кварцитів.
Ідея роботи полягає у використанні отриманих закономірностей з механізму вибухового руйнування міцних і надто міцних залізних руд концентрованими зарядами при локалізації енергії вибуху в межах руйнованої ділянки.
Об’єктом досліджень є процес вибухового руйнування міцних і надто міцних залізних руд в умовах об’ємного екранування хвильової енергії вибуху.
Предмет досліджень – вертикальні концентровані заряди ВР, екрани з порушених порід і вибухові речовини, використовувані для відбійки руди.
Методи досліджень. Поставлену в роботі мету досягнуто застосуванням комплексного методу досліджень з узагальненням, аналізом і оцінкою практичного досвіду й наукових досягнень у галузі теорії вибуху, технологій відбійки і виробництва вибухових речовин. Результати теоретичних досліджень було підтверджено лабораторними й промисловими експериментами.
Основні наукові положення, що захищаються.
1. Ефективність руйнування порід вибухом концентрованого заряду ВР досягається за рахунок оптимізації його параметрів, фізичних і вибухових характеристик найпростішої ВР типу ігданіт та об’ємної локалізації хвильової енергії вибуху в межах обвалюваної ділянки шляхом створення відбиваючих екранів за всіма гранями, які оконтурюють руйновану ділянку.
2. Оптимізація параметрів вертикального концентрованого заряду ВР (ВКЗ) досягається встановленням доцільного співвідношення його довжини до діаметру, параметрів породної подушки (набійки) в його основі та повітряної порожнини над ним. Оптимальне відношення довжини заряду до його діаметру знаходиться в межах 5-8, висота повітряної порожнини пов’язана прямою залежністю з потужністю застосовуваної ВР й оберненою залежністю з міцністю порід, які підриваються. Для зарядів з найпростішою ВР типу ігданіт відношення висоти повітряної порожнини до довжини заряду дорівнює 0,7, а висота породної подушки, яка забезпечує повну ізоляцію від прориву вибухових газів у підземний простір, дорівнює 6-7 м.
3. Високий ступінь дроблення міцних руд при їх масовому відбиванні, що сприяє ресурсозбереженню підземного видобутку, досягається застосуванням ВКЗ з найпростіших безтротилових ВР (типу ігданіт), отриманих за розробленою технологією, у якій використовується властивість аміачної селітри при нагріванні до температури модифікаційного переходу (32,3 С) збільшуватись в обсязі на 4,1з утворенням мікротріщин, після чого її змішують з дизельним паливом і витримують у закритій ємності під тиском 0,5-0,7 МПа 15-20 хв., що забезпечує глибоке проникнення дизельного палива в гранули, підвищує фізичну стабільність і вибухові характеристики.
4. Штучне порушення структурних зв’язків у породному масиві підвищує його дефектність, що забезпечує створення екрану, здатність якого відбивати хвильову енергію вибуху визначається шириною зони підвищеної дефектності, при цьому амплітуда вибухових хвиль, які проходять через екран залежно від його ширини зменшується за експонентою. При віддаленні екрану від заряду ВР на оптимальну відстань, яка дорівнює 0,7 ЛНО, ширина екрану дорівнює 0,2 ЛНО. За таких параметрів екрану 18енергії хвилі напружень повертається в руйнований масив, 74гаситься в порушених породах екрану й тільки 8проходить через екран.
Достовірність наукових результатів підтверджена збіжністю результатів теоретичних досліджень процесів вибухового обвалення масиву гірських порід ВКЗ з їх експериментальною перевіркою в лабораторних і промислових умовах і задовільними результатами впровадження у виробництві.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:–
уперше встановлено оптимальні параметри ВКЗ, повітряної порожнини над ним і породної подушки в основі заряду, які забезпечують максимальне використання енергії заряду ВР на дробленні;–
установлено ефективну форму заряду ВР і місце його розташування в масиві, обвалюваному вибухом, які забезпечують високу якість дроблення гірської маси;–
уперше отримано залежності ширини екрану з порушеної вибухом породи й відстані до нього від величини ЛНО, які забезпечують оптимальний ефект відбиття хвиль напруження, генерованих зарядом ВР;–
уперше встановлено, що при одноразовому нагріванні аміачної селітри до температури 32,3С і вище, змішування її в нагрітому стані з рідким паливом при нульовому кисневому балансі й витримка суміші в закритій ємності під тиском стиснутого повітря 0,5-0,7 МПа забезпечує створеному ігданіту високого тиску (ІВТ-5) високу фізичну стабільність, підвищує вибухові характеристики, при чому щільність заряджання свердловин на 15-20% вища, ніж щільність заряджання ігданітом на основі пористої селітри.
Наукове значення роботи полягає у розвитку наукових основ ефективної дії вибуху ВКЗ; у встановленні залежностей, які дозволяють визначити оптимальні параметри зарядів і штучних екранів; у визначенні раціонального місця розташування заряду в обвалюваному блоці та оптимальних параметрів технології виробництва найпростішої вибухової речовини, які забезпечують високі вибухові характеристики, фізичну стабільність і щільність заряджання ігданіту ІВТ-5.
Практичне значення роботи полягає у створенні й упровадженні технології відбивання за допомогою ВКЗ масиву гірських порід, оконтуреного екранами з порушених вибухом порід; технології попереднього екранування хвиль напружень на підземних і відкритих роботах; у розробці технології виробництва ігданіту високого тиску ІВТ-5, який пройшов повний цикл випробувань у підземних умовах і допущений до промислового застосування.
Особистий внесок автора в отриманні результатів досліджень, винесених на захист, полягає у формулюванні цілі роботи, її ідеї, наукової новизни, задач дослідження, проведенні теоретичних і експериментальних робіт, перевірці їх результатів у промислових умовах, визначенні параметрів ВКЗ, повітряної порожнини, породної подушки в його основі, штучного екрану з порушених вибухом гірських порід і параметрів розташування ВКЗ та штучних екранів у обвалюваному блоці, розробці технології виробництва ігданіту ІВТ-5 і технології відбивання міцних і надто міцних руд ВКЗ з ігданіту ІВТ-5 та впровадженні у виробництво результатів досліджень.
Реалізація роботи. Розроблена технологія відбійки впроваджена у виробництво. Технологія відбійки масиву ВКЗ з екрануванням хвиль напружень була впроваджена у блоці 39-49 гор. 910-985 м покладу “V-VIII Північна” шахти ім. Фрунзе. Всього було відбито 340 тис. т руди.
Технологія екранування хвиль напружень методом створення екранів упроваджена в блоках № 30 гор. 150 м, № 804 гор. 135 м, № 95 гор. 165 м, № гор. 105 м, № 105 гор. 255 м кар’єру ВАТ “Інгулецький ГЗК”.
Розроблені типові паспорти систем розробки й рекомендації з визначення параметрів відбійки масиву зарядами ВКЗ в умовах повного оконтурювання масиву екранами.
Розроблена технологія виробництва ігданіту високого тиску ІВТ-5 пройшла повну промислову перевірку в умовах ВАТ “Суха Балка”. Ігданіт допущений до промислового застосування. Побудована установка з виробництва ігданіту ІВТ_. Ігданіт ІВТ-5 застосовується на ВАТ “Суха Балка” при проходці виробок і відбійки гірських порід. Економічний ефект від застосування ігданіту ІВТ-5 на відбійці складає приблизно 1000 грн./т ВР в цінах 2005 р. Сумарний економічний ефект від упровадження технології відбійки на ВАТ “Суха Балка” і на кар’єрі ВАТ “Інгулецький ГЗК” склав 1205,5 тис. грн.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи в процесі її виконання доповідались і обговорювались на 2, 3, 4 і 5-й Міжнародних науково-технічних конференціях “Механіка, технологія і техногенна безпека вибухового руйнування гірничих порід” (АРК, 2003-2006 рр.), Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривий Ріг, 2006 р.), технічних нарадах ВАТ “КЗРК” і ВАТ “Суха Балка”.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 37 праць, у тому числі 22 – у фахових виданнях та 10 патентів на винахід.
Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, восьми розділів, висновків, списку використаних джерел з 212 найменувань і додатків. Загальний обсяг роботи складає 285 сторінок, у тому числі 257 сторінок тексту, 50 рисунків і 41 таблиця.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми; показано зв’язок з науковими програмами, планами, темами; сформульовано мету роботи, задачі дослідження, ідею роботи, основні наукові положення, що захищаються, методи і об’єкти дослідження; показано достовірність наукових результатів досліджень, наукову новизну роботи, наукове й практичне значення роботи, особистий внесок автора в отримані результатів досліджень, реалізації й апробації роботи, публікації, об’єм і структура роботи.
У розділі 1 проаналізовано ситуацію із сировинною базою залізних руд Кривбасу підземного видобутку, застосовувані вибухові речовини, рівень розвитку технології відбійки міцних руд і магнетитових кварцитів.
Сировинною базою залізорудної галузі України є родовища залізних руд, за розвіданими запасами яких Україна займає перше місце у світі, а за виробництвом товарної залізної руди – сьоме.
Але Україна може втратити своє передове положення, якщо своєчасно не розпочне видобуток магнетитових кварцитів підземним способом. Основною проблемою, пов’язаною з технологією підземного видобутку, є необхідність підвищення продуктивності праці й зниження собівартості видобутку.
Технологія видобутку магнетитових кварцитів з початку відпрацювання їх покладу в 1975 р. на шахті ім. Орджонікідзе й до теперішнього часу не зазнала істотних змін. Буріння свердловин здійснюється малопродуктивним буровим верстатом НКР-100М, а відбивання – свердловинними зарядами ВР з дорогого тротиловмісного грамоніту 79/21, який потрібно виводити з обігу.
Дешевих і ефективних нетротиловмісних ВР для відбійки міцних гірських порід на сьогодні немає.
На початку восьмидесятих років при відбиванні магнетитових кварцитів почали застосовувати розроблені при участі автора вертикальні концентровані заряди. Проте незважаючи на явні переваги порівняно з відбійкою свердловинами (більш висока якість дроблення, економічність, висока продуктивність праці) ця технологія мала й недоліки: неоптимізовані конструктивні елементи ВКЗ і параметри технології відбивання, неконтрольоване руйнування (за межами блоку), сильна сейсмічна дія на оточуючі конструктивні елементи системи розробки (цілики та ін.)
Ліквідація цих недоліків дозволить створити ефективну технологію відбійки руди й забезпечити собівартість видобутку в межах економічно доцільної.
Розробка технології відбійки й видобування кварцитів повинна базуватись на досягненнях у цій галузі, значний внесок в яку зробили вчені-гірники Є. Г. Баранов, Л. І. Барон, Ф. А. Баум, Д. М. Бронніков, О. Е. Власов, В. С. Гірін, Г. П. Демідюк, М. Ф. Друкований, Л. В. Дубнов, М. І. Дядечкін, Е. І. Єфремов, Ю. П. Капленко, Д. Р. Каплунов, В. М. Комір, Б. М. Кутузов, Г. М. Малахов, М. В. Мельников, Ю. С. Мец, Е. О. Мінделі, В. М. Мосинець, Г. І. Покровський, К. Н. Ткачук, П. Й. Федоренко, А. М. Ханукаєв, В. В. Цариковський.
Однак розроблені дослідниками технології майже вичерпали можливості зниження собівартості підземної відбійки міцних і надто міцних залізних руд. Аналіз і оцінка існуючих технологій відбійки, характеристик застосовуваних ВР, а також умов використання енергії вибуху дозволили обґрунтувати актуальність наукової проблеми, сформулювати мету і задачі дослідження.
У розділі 2 розглянуто методику проведення досліджень при вирішенні поставлених задач.
При проведенні досліджень застосовувався комплексний метод, який включає: аналіз і узагальнення літературних даних і виробничого досвіду, аналітичні дослідження й експериментальні роботи в лабораторних і промислових умовах. При проведенні теоретичних досліджень прийняте припущення, що при вибуху ВР процеси теплопровідності або променистого теплообміну не відіграють істотну роль, тому можна вважати, що тиск продуктів детонації в порожнині змінюється за адіабатичним законом.
Лабораторні дослідження проводились на моделях з піщано-цементних матеріалів, органічного скла й на свинцевих бомбах Трауцля. Метою проведення лабораторних досліджень було отримання якісних параметрів досліджуваних процесів. Дослідження здійснювались за методикою планування одночинних експериментів з кількісними та якісними рівнями чинників. Необхідною умовою моделювання була геометрична подібність і подібність фізико-механічних властивостей: об’ємна вага, міцність порід, швидкість поздовжніх хвиль, питомі витрати енергії на 1 м3 руйнованої маси. При підриванні піщано-цементних моделей за критерій оцінки приймався розмір середнього куска висадженого матеріалу моделі та площа наново утвореної поверхні.
Обробка результатів експериментів проводилась за методом середніх. Отримана позиція графіка емпіричної функції перевірялась за методом найменших квадратів.
Були проведені промислові випробування з вивчення властивостей екрану, утвореного за двома різними технологіями. Здатність екрану відбивати хвилі напружень визначалась порівнянням швидкостей сейсмічних коливань. Промислові експерименти виконувались в умовах кар’єрів ВАТ “ІнГЗК”, ВАТ “Суха Балка”.
За критерій оцінки ефективності випробовуваної технології була прийнята якість дроблення й економічна ефективність.
Для визначення вибухових характеристик розробленої ВР ігданіт ІВТ-5 та її ефективності при відбиванні порід був проведений повний цикл випробувань, установлений комітетом Держгіртехнагляду України (контрольні, попередні й приймальні), після чого було отримано дозвіл Держгіртехнагляду України на промислове застосування ігданіту ІВТ-5.
У розділі 3 викладені теоретичні дослідження за визначенням оптимальних параметрів ВКЗ і параметрів відбійки масиву цими зарядами.
Висота породної подушки, при якій відсутній викид газоподібних продуктів детонації в підземний простір забезпечує максимально можливе відбивання енергії ВКЗ (рис. ). Стійкість породної подушки гарантована при виконанні умови, що час проходження прямої й зворотної хвилі у бік оголеної поверхні повинен бути меншим, ніж час проходження хвильових процесів у породній подушці:
< , (1)
де hз – висота породної подушки; Суз – швидкість ударних хвиль у породній подушці; W – відстань до вільної поверхні (ЛНО); Ср – швидкість поздовжніх хвиль у породі.
Рис. . Схема для розрахунку параметрів ВКЗ. Область масиву, що прилягає до: 1 – повітряної порожнини; 2 – до заряду; 3 – породної подушки в гирлі підняттєвого.
Висота породної подушки дорівнює
hз > . (2)
Швидкість поздовжніх хвиль в породі відома, а швидкість ударних хвиль у породній подушці можна обчислити, виходячи із закону збереження маси й імпульсу:
, (3)
де соз – щільність матеріалу породної подушки; Uоз – швидкість зміщення часток; Роз – тиск; с13, U13 і Р13 – ті ж параметри за фронтом ударної хвилі.
Із системи рівнянь (3) швидкість ударних хвиль у породній подушці
. (4)
За розрахунком Суз = 1890 м/с, звідси, при ЛНО = 20-24 м розрахункова висота породної подушки буде дорівнювати 6-7 м.
Висота повітряної порожнини може бути оцінена з умови, що при розширені газоподібних продуктів вибуху в повітряну порожнину їх тиск падає за адіабатичним законом:
РАVА1,25 = РкVк1,25 , (5)
де РА – тиск в точці сполучення адіабат; VА – об’єм в точці сполучення адіабат; Рк – кінцевий тиск; Vк – кінцевий об’єм.
Ураховуючи, що , маємо
. (6)
Виразимо Vк і Vн через висоту заряду ВР й повітряної порожнини. Тоді формула (6) прийме вигляд
. (7)
Відношення буде дорівнювати
. (8)
Тиск Рк повинен бути таким, щоб за зоною роздавлювання тангенціальні напруження були більшими, ніж міцність породи на розтягування. Тоді Рк буде дорівнювати
, (9)
де rизм – відносний радіус зони подрібнення; µ – коефіцієнт Пуасона; уr – тангенціальне напруження.
Підставивши формулу (8), маємо
. (10)
Для заряду ВР, який вибухає в гірському масиві, з характеристиками щільності заряджання свв = 900 кг/м3, швидкості детонації щ = 4000 м/с, енергії вибуху е = 4285 кДж/кг, з фізико-механічними властивостями = 20 МПа і µ = 0,2 висота повітряної порожнини буде .
Для знаходження оптимальної форми заряду проаналізовано дію подовженого і сферичного зарядів у заданій точці масиву (рис. 2).
Рис. . Розрахункова схема визначення дії вибуху подовженого й сферичного зарядів у заданій точці масиву.
Дію подовженого заряду (напруження) в заданій точці масиву А можна представити як суму напружень, створюваних елементарними зосередженими зарядами Qi, рівними за масою. За елементарний заряд умовно приймемо заряд, висота якого дорівнює його діаметру. Нормальна складова у, створена елементарним зосередженим зарядом у найближчій зоні, прямо пропорційна об’єму заряду й обернено пропорційна кубу відстані до точки А.
Умовно приймемо, що частина подовженого заряду, яка створює напруження, не менше 90нормального напруження в точці А від створюваного зосередженим зарядом, вважається зосередженим
уri = 0,9уro (13)
Замінивши уri та уro їх значеннями, після математичних перетворень отримаємо довжину подовженого заряду
. (14)
де і – кількість елементарних зосереджених зарядів; h – довжина елементарного зосередженого заряду, яка дорівнює його діаметру.
Тобто довжина подовженого заряду, діючого як зосереджений заряд у точці А, дорівнює четвертій частині найменшої відстані від заряду до точки А.
Зосереджений заряд за дією в заданій точці масиву більш ефективний. Це підтверджується дослідженнями У. Лагенфорса, який дослідним шляхом визначив, що заряд завдовжки L за дією в найближчій точці дорівнює 60дії зосередженого заряду такої ж маси, розташованого на такій же відстані.
У нашому випадку, якщо ЛНО відбивання масиву ВКЗ дорівнює 20_м, то ефективна довжина подовженого заряду, діючого як зосереджений заряд, буде 5_ м. Проте враховуючи дані У. Лангефорса й те, що ВКЗ у своїй основі має породну подушку, яка запобігає руйнуванню масиву вниз, то для збільшення зони дроблення масиву по вертикалі необхідно, залежно від висоти відпрацьовуваного блоку, збільшити висоту заряду приблизно вдвічі. Таким чином, для зарядів ВКЗ з діаметром 1,5_ м ефективна довжина заряду дорівнює 0,5 W, тобто 10-12 м, а відношення довжини заряду L3 до діаметра d буде дорівнювати 5-8.
При руйнуванні гірської породи ВКЗ необхідно розраховувати наступні параметри: відстань між зарядами по горизонталі (б), ЛНО (W), відстань між зарядами по вертикалі (Z) (рис. 3), час уповільнення висадження зарядів (tз).
Рис. . Схема розташування ВКЗ у масиві, що відбивається.
Зазначені параметри відбійки розраховані за методом кореляційно-регресивного аналізу згідно з гідродинамічною теорією О. Є. Власова, перевірені за розрахунками параметрів відбійки масиву великої кількості масових вибухів на рудниках Кривбасу. При розрахунку параметрів відбійки враховувались фізико-механічні властивості порід, які відбиваються, параметри ВКЗ, середній розмір куска подрібненої маси, а також вплив породної подушки в гирлі підняттєвого на якість дроблення масиву, який було враховано за допомогою емпіричних коефіцієнтів. Фізико-механічні властивості порід визначаються критичною швидкістю крихкого руйнування, яка дорівнює
. (15)
Для кварцитів міцністю, за шкалою М. М. Протод`яконова, f = та щільністю сn=3300 кг/м3 критична швидкість крихкого руйнування масиву буде дорівнювати 0,9-0,96.
Відстань між зарядами по горизонталі визначається за формулою
, (16)
де L – довжина заряду, м; d – діаметр заряду, м; dср – середній розмір куска подрібненої маси, м.
При довжині заряду L= 10 м, діаметрі заряду d = 2 м, середньому розмірі куска подрібненої маси dср = 0,2 м, коефіцієнті К = 1,8–2 (приймемо 2), відстань між зарядами по горизонталі буде дорівнювати 30 м.
ЛНО відбійки масиву визначається за формулою
. (17)
При довжині заряду L = м, діаметрі заряду d = м, середньому розмірі куска подрібненої маси dср = ,2 м і коефіцієнті К1 = (приймемо 4) ЛНО буде дорівнювати 22 м.
Відстань між зарядами по вертикалі (між верхньою межею розташованого нижче заряду та нижньою межею розташованого вище) буде дорівнювати
. (18)
За такими ж параметрами розрахунку (L = м, d = м, dср = 0,2 м) і К2 = ,5 (приймемо 3,5) відстань між зарядами по вертикалі буде дорівнювати 22 м.
Час уповільнення висадження зарядів розраховується за формулою
, (19)
де – товщина шару породи, яка відбивається.
Приймемо, що перший заряд відбиває шар породи в бік вільної поверхні товщиною w.
Для прийнятих вище параметрів ВКЗ та величини ЛНО м час уповільнення вибуху буде дорівнювати 150 мс.
Вищенаведені параметри відбійки гірського масиву за допомогою ВКЗ мають наступні коефіцієнти (відповідно до формул 13-15). Коефіцієнт кореляції дорівнює відповідно 0,982; 0,9834; 0,9562; коефіцієнт детермінації – 0,9543; 0,9643; 0,9431; стандартна похибка рівнянь – 0,17; 0,15; 0,16.
У розділі 4 визначаються параметри екрану та його властивості. Для утворення екрана з порушених вибухом свердловинних зарядів порід, який забезпечить відбиття хвиль напружень генерованих при підриванні ВКЗ в бік обвалюваного масиву важливе значення має технологія його утворення. При одночасному підриванні свердловинних віялоподібно розташованих зарядів ВР в площині їх розташування має місце протилежно направлене розповсюдження стискаючих напружень від суміжних зарядів. При їх зустрічі різко (у 3-4 рази) підвищується тиск, крім того, у площині розташування свердловин має місце трансформація стискаючих напружень у розтягуючі, що приводить до утворення тріщини між зарядами. При підриванні кожного свердловинного заряду утворюється циліндрична ударна хвиля, під дією якої, за рахунок наявності тангенціальної складової, навколо кожної свердловини утворюється розетка радіальних тріщин. Таким чином, утворення тріщин в площині розташування свердловинних зарядів віяла й радіальних тріщин від кожного заряду різко підвищує дефектність масиву гірських порід, що веде до зміни його фізичних властивостей. Для розрахунку параметрів розташування свердловинних зарядів при утворенні екрану приймаємо в плоскій задачі, що від точки зустрічі падаючих протилежно направлених хвиль напружень у зворотному напрямку розповсюджується хвиля відбиття. Схематично взаємодія падаючих і відбитих хвиль напружень показана на рис. 4.
Рис. . Профіль максимальних радіальних напружень по лінії свердловин на фронті: 1 – падаючої хвилі; 2 – відбитої хвилі.
Як видно, сумарні напруження будуть мінімальними в точках перетину падаючої й відбитої хвиль (М, N, N1, М1). Ураховуючи, що в цих точках напруження в масиві однакові, прирівняємо значення радіальних напружень падаючої й відбитої хвилі:
, (20)
де Rс – радіус свердловини; б – відстань між свердловинами; уi – напруження на контурі свердловини; =м/1-м – показник ступеня загасання.
Після математичних перетворень формула (20) матиме вигляд
(б - х)2-б = 3х2-б. (21)
Добудемо з формули корінь ступеня (2-):
, (22)
оскільки межа міцності гірських порід на розтягування значно нижча, ніж на стиснення, руйнування масиву по лінії свердловин буде визначатись динамічною величиною тимчасового опору порід на розрив:
, (23)
де – динамічна межа міцності гірських порід на розрив.
Добудемо з правої й лівої частини рівняння корінь ступеня (2-), отримаємо
(б·уr)1/(2- б ) = [уq]1/(2-б) . (24)
З отриманого виразу знаходимо
. (25)
Результати розрахунків оптимальної відстані між кінцями свердловин у віялі наведені в табл. .
Таблиця 1
Відстань між кінцями свердловин при утворенні екрану
Коефіцієнт міцності порід
за шкалою проф. М. М. Протод`яконова | Динамічна межа міцності
порід на розтягування, МПа | Щільність порід, т/м3 | Коефіцієнт Пуассона | Щільність ВР, т/м3 | Швидкість детонації ВР, м/с | Діаметр свердловини, м | Швидкість розповсюдження поздовжньої хвилі, м/с | Відстань між кінцями свердловин, м
без застосування набійки. | із застосуванням набійки
10-12 | 15,0 | 3,24 | 0,28 | 1,0 | 4500 | 0,105 | 6190 | 3,0 | 3,9
12-14 | 20,0 | 3,33 | 0,25 | 1,0 | 5000 | 0,105 | 6120 | 2,3 | 3,0
14-16 | 25,0 | 3,28 | 0,25 | 1,0 | 5000 | 0,105 | 6250 | 2,1 | 2,7
Параметри екрану визначаються за такою методикою: при відбитті від першої межі екрану амплітуди падаючої уо і відбитої увб хвиль пов’язані залежністю
. (26)
де R1 і R2 – хвильові опори породи масиву і екрану.
Позначивши , отримаємо
. (27)
Ураховуючи, що напруження від зосередженого заряду убувають обернено пропорційно кубу відстані, а від подовженого – обернено пропорційно квадрату, то відстань від заряду до екрану буде дорівнювати:
, (28)
. (29)
З огляду на те, що відношення хвильових опорів масиву і екрану дорівнює 2,5, отримаємо для подовженого і зосередженого зарядів відповідно , .
Це значить, що для отримання таких же за величиною напружень, як і при відбитті від вільної поверхні, екран необхідно розташовувати на відстані від заряду, яка дорівнює 0,65-0,75 W. Після відбиття від другої межі екрану хвиля, що повернулась в породу, буде хвилею стиснення (рис. ).
Рис. . Схема проходження відбитої й переломленої хвиль через екран: А – хвиля стиснення від заряду Q; В – хвиля, відбита від стінки 1 (хвиля розтягнення); С – хвиля стиснення, що пройшла через стінку 1; Д – хвиля стиснення, яка відбилася від стінки II й пройшла через стінку 1 в бік заряду; Е – хвиля стиснення, що пройшла через стінки I і II.
Ця хвиля після проходження через першу межу може частково ослабити хвилю розтягування. Умовою максимальної відбиваючої здатності екрану є рівність часу проходження хвилі розтягування від екрану до заряду й пробігу усередині екрану хвиль стиснення і розтягування:
, (30)
де Со і Сэ – швидкість звуку в масиві й екрані з порушених порід відповідно;
Дмах – максимальна ширина екрану.
Отже,
?тах = 0,5 . (31)
Звичайно відношення , тоді Дmax ? (0,3 - 0,4) або з урахуванням формул 27, 28: для подовженого заряду Дmax = (0,20-0,26) W, для зосередженого заряду Дmax = (0,23-0,3) W.
Оскільки енергія хвиль напружень пропорційна квадрату амплітуди, здатність екрану відбивати енергію хвиль напружень буде дорівнювати
. (32)
Це значить, що екран з порушених вибухом гірських порід відбиває максимум 18% енергії падаючої хвилі.
Хвиля напружень, що пройшла через екран, буде сильно послаблена, її амплітуда після проходження екрану товщиною Д дорівнює
= · К о . (33)
де Ко – коефіцієнт послаблення, який обчислюється за формулою:
(для зосередженого заряду), (34)
(для подовженого заряду). (35).
При Д = Дmax і m = 2,5 послаблення амплітуди падаючої хвилі, що пройшла через екран, для подовженого заряду буде дорівнювати 0,53 уо, а для зосередженого заряду 0,29 уо. Енергія хвилі напруження, яка пройшла екран, для подовженого заряду буде дорівнювати 0,176, а для зосередженого заряду 0,084 від енергії падаючої на екран хвилі. Залежність енергії хвилі напруження, яка пройшла екран завтовшки Д, представлена на рис. .
Рис.6. Залежність відносної енергії хвилі напруження, яка пройшла екрануючий шар від параметру : 1 – для зосередженого заряду; 2 – для подовженого заряду.
Аналіз графіка показує, що при збільшенні ширини екрану енергія напруження інтенсивно убуває і при його товщині Д = 0,4 складає всього 8% енергії падаючої хвилі, тобто відбувається майже повне поглинання хвильової енергії вибуху, що забезпечує цілісність конструктивних елементів системи розробки.
У розділі 5 викладена методика лабораторних і промислових експериментів, виконаних для перевірки результатів теоретичних досліджень і розробки технології обвалення масиву ВКЗ в умовах повного об’ємного оконтурювання масиву.
Лабораторні дослідження проводилися з метою вивчення властивостей породної подушки й повітряної порожнини, а також їх впливу на якість дроблення.
При проведені промислових експериментів визначався вплив екранів на ефективність вибуху ВКЗ. Дослідження впливу породної подушки на ефективність руйнування твердого середовища проводилися на статично напруженій моделі з органічного скла, яка являла собою паралелепіпед з розмірами ребер 90100120 мм. Зарядом ВР був тен масою 150 мг діаметром 4 мм. У моделі розташовувались 2 заряди: один з набійкою, яка імітує породну подушку в гирлі підняттєвого, другий – без набійки. Руйнування моделі фіксувалось за допомогою швидкісної фотореєструючої установки (ШФУ). Як видно з кінограми, розвиток вибуху свердловинного заряду з набійкою випереджає на 80-90 мкс (за розміром затіненої області кадру) аналогічний процес при підриванні свердловинного заряду без набійки, рис. 7.
Рис. 7. Кінограма розвитку вибуху зарядів ВР з набійкою і без набійки:
1 – заряди ВР; 2 – набійка.
При цьому зона активного дроблення моделі зарядом з набійкою значно (у 2-2,5 рази) перевищує аналогічну зону в моделі без неї.
Дослідження впливу повітряної порожнини на якість дроблення виконувалось на піщано-цементних моделях, які за формою являли собою прямокутний паралелепіпед з розмірами ребер 150170 250 мм. Було висаджено 15 піщано-цементних моделей.
Висота заряду становила 100 мм. Висота повітряної порожнини мінялася дискретно (10, 30, 50, 70, 90 мм). Обробка і аналіз результатів вибуху моделей проводились на основі даних ситового аналізу гранскладу зруйнованого матеріалу з розрахунком розміру середнього куска і площі наново утвореної поверхні (рис. ). На підставі виконаних експериментів можна зробити наступні висновки: при невеликих розмірах повітряної порожнини (10-30 мм) величина площі наново утвореної поверхні змінюється незначно.
Рис. . Залежність величини розміру середнього куска (dср) і площі знову утвореної поверхні (Sn) від висоти повітряної порожнини.
Це пояснюється тим, що при малих розмірах повітряної порожнини тиск у ній значно більший, ніж при великих розмірах. У цьому випадку збільшується зона пластичних деформацій, зменшуючи тим самим зону розповсюдження ударних хвиль, а відповідно, і зону тріщиноутворення.
І лише при оптимальних значеннях розміру повітряної порожнини, які становлять 0,7-0,9 висоти заряду, забезпечується максимальна площа наново утвореної поверхні, а відповідно поліпшується якість дроблення.
Для встановлення впливу інтенсивності подрібнення середовища, що заповнює товщу екрану, а також впливу його ширини на передачу енергії вибуху при руйнуванні моделі, були проведені експерименти на піщано-цементних моделях.
Схема експерименту наведена на рис. .
Рис. 9. Схема експерименту для дослідження властивостей екрану: 1 – вибухова камера; 2 – модель; 3 – заряд ВР; 4 – підпірна стінка; 5 – п’єзоелектричні датчики ЦТС-19; 6 – екран; 7 – осцилограф С 8-13; 8 – підривна машинка.
На першому етапі експериментів досліджувалася залежність амплітуди хвиль напружень, що виникли в підпірній стінці за екраном, від розмірів часток подрібненого матеріалу модельного середовища в екрані. На рис. наведена графічна залежність амплітуди хвиль напружень від розмірів часток подрібненого матеріалу модельного середовища у екрані, з якої встановлено, що якнайменші амплітуди хвиль напружень знаходяться при розмірі часток в межах 3-7 мм.
Третім етапом досліджень було встановлення частки енергії хвиль напружень, що поглиналась і відбивалась подрібненим матеріалом, з якого складається екран.
Спочатку було визначено енергію хвиль напружень Ео, що пройшла через суцільне середовище. Потім обчислювали різницю між значенням енергій Ео і значенням енергії Еі, отриманим на тій же відстані, але при наявності екрану, складеного з матеріалу різної крупності.
Відношення показує ту частину загальної енергії хвиль напружень, яка поглинається і відбивається матеріалом, з якого складається екран.
Графічна залежність функції з від розмірів часток матеріалу, з якого складається екран, наведена на рис. .
Рис. 12. Залежність відносної енергії хвиль напружень, що поглинається і відбивається подробленим матеріалом екрануючого шару, від розміру часток матеріалу в шарі.
Результати трьох етапів досліджень показали, що:–
відбиття і поглинання хвиль напружень екраном значною мірою залежать від інтенсивності подрібнення матеріалу, з якого він складається;–
ширина екрану має більше значення у відбитті й поглинанні енергії хвиль напружень, ніж інтенсивність дроблення матеріалу, з якого він складається.
Теоретичні дослідження, проведені в четвертому розділі дисертації показали, що для досягнення рівних напружень відбитої хвилі відстань від заряду до “екрану” повинна складати 0,7 W. З метою підтвердження цього проведена серія дослідних вибухів піщано-цементних моделей зосередженим зарядом, який розміщувався в різних точках руйнованого блоку.
Для експерименту використовувалися піщано-цементні блоки у формі паралелепіпеда з розмірами ребер 210210255 мм. Заряд вагою 2 г розміщувався в теоретичному центрі “рівноефективної дії вибуху” й у геометричному центрі блоку.
За центр рівноефективної дії вибуху доцільно вважати місце розташування заряду в блоці кубічної або близької до кубічної форми на відстані до оголеної поверхні, рівній ЛНО, та на відстані до оконтурюючих блок за іншими п’ятьма гранями екранів 0,7 ЛНО. При цьому вибух ВКЗ буде створювати рівні напруження як на оголеній поверхні, так і на поверхнях, оконтурених екранами.
Результати експерименту показують, що краще й найбільш рівномірне дроблення досягається в разі, коли центр заряду розташовується в “центрі рівноефективної дії вибуху”, а не в геометричному центрі руйнованого блоку.
Утворення екрану в підземних умовах найбільш технологічно виконувати прострілюванням віял глибоких свердловин. Для перевірки ефективності відбиття хвиль напружень екраном був проведений промисловий експеримент на шахті “Гігант” (гор. 540 м в осях 85-89, див. рис. ). На експериментальній ділянці штреку були вибурені свердловини діаметром 105 мм. Віяла І і V були призначені для розміщення сейсмоприймачів, віяла II і ІV – для утворення екрану, а віяло III – для розташування зарядів ВР.
Рис. 13. Схема розташування віял свердловин для утворення екранів і місць розташування сейсмоприймачів: I – свердловини для розташування сейсмоприймачів; II – свердловини для розташування зарядів ВР; III і IV – свердловини для утворення екрану; V – свердловини для розташування сейсмоприймачів.
Експеримент виконували в наступній послідовності. Першим утворили екран IV миттєвим вибухом семи свердловин, розташованих у двох віялах, що складалися, відповідно, з трьох і чотирьох свердловин. Свердловини у суміжних віялах були розташовані в шаховому порядку. Відстань між віялами дорівнювала 0,7 м, відстань між кінцями свердловин у віялі – 4 м, а між кінцями свердловин в сусідніх віялах – 2,03 м. Після розташування й закріплення сейсмоприймачів у свердловинах І і V був висаджений заряд у свердловині № віяла III і проведений запис сейсмічного ефекту на самописець. Потім утворили екран II миттєвим вибухом віяла з 4-х свердловин, вибурених за звичайною схемою (відстань між кінцями свердловин дорівнювала 3 м).
Після цього був також висаджений заряд у свердловині № віяла III із записом сигналів на самописець.
Результати розрахунків швидкостей зміщень наведені в табл. 2.
Таблиця 2.
Розрахункові швидкості зміщень
Сейсмоприймачі | Швидкості зміщень, см/с
без екрану | екран з 4-х свердловин | екран з 7-ми свердловин
1 | 4,39 | 4,39 | -
2 | 4,80 | 4,80 | -
4 | 5,0 | 5,0 |
