МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РУБЛЬОВА Ольга Ігорівна

УДК 622.235.5:622.016.22

ОБГРУНТУВАННЯ ЕФЕКТИВНИХ КОНСТРУКЦІЙ

І ПАРАМЕТРІВ ШПУРОВИХ ЗАРЯДІВ ПРИ ПРОХОДЦІ ВЕРТИКАЛЬНИХ СТВОЛІВ ШАХТ

Спеціальність 05.15.04 - „Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі будівництва шахт і підземних споруд Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Левіт Віктор Володимирович

професор кафедри будівництва шахт і підземних

споруд Донецького національного технічного

університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Соболєв Валерій Вікторович,

професор кафедри будівництва і геомеханіки

Національного гірничого університету Міністерства освіти і

науки України (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук

Манжос Юрій Вікторович,

завідувач лабораторії вибухових робіт та вибухових

матеріалів Макіївського науково-дослідного інституту з

безпеки праці у гірничий промисловості Міністерства

вугільної промисловості України

Захист відбудеться « 30 » травня 2008 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ,

пр. К. Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ,

пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий « 25 » квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.В. Солодянкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Згідно енергетичної стратегії України на період до 2030 року планується будівництво 7 нових вугільних шахт, а також 24 вертикальних стволів. Спорудження вертикальних стволів відноситься до категорії найбільш складних і трудомістких. У той же час, рівень техніко-економічних показників (ТЕП) буропідривної технології при проходці стволів часто недостатньо високий. Стримуючим фактором досягнення високих ТЕП основних причин цього є тривалість другої фази прибирання зруйнованої вибухом породи, на яку доводиться 10...20% породи від її загального об'єму, і в той же час витрачається від 25 до 35% загального часу вантаження із застосуванням ручної праці прохідників.

Однією з головних причин цього є недостатня вивченість закономірностей дії вибуху в нижній частині оббуреного масиву.

У зв’язку з тим, актуальною науково-технічною задачею є скорочення витрат на прибирання породи у 2-ій фазі за рахунок використання закономірностей дії вибуху на нижню частину обуреного масиву.

Одним з можливих шляхів рішення цієї задачі є дослідження дії розосереджених зарядів, як найбільш ефективних конструкцій при вибухових роботах у скельних породах, встановлення нових закономірностей вибухових процесів, що дозволяють обгрунтувати способи їх застосування і методику розрахунку оптимальних параметрів і схем розташування шпурів у вертикальних стволах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до тематичного плану наукових досліджень ДонНТУ, що проводяться за завданням Міністерства освіти і науки України (№ ДР. 0105U002292).

Метою роботи є удосконалення буропідривної технології проведення вертикальних стволів шляхом обґрунтування конструкцій і параметрів шпурових зарядів, що підвищують ефективність руйнування породи в нижній частині прохідницької заходки.

Для досягнення мети поставленні та вирішені наступні задачі:

· встановити місце розташування і оптимальні параметри зони з 2-ою фазою прибирання зруйнованої вибухом породи;

· вивчити в лабораторних умовах дію вибуху розосередженого заряду з інертними проміжками між патронами ВР і визначити відстань передачі детонації;

· розробити і обґрунтувати раціональні конструкції шпурових зарядів, що підсилюють динамічну дію вибуху на нижню частину шпура в масиві гірських порід, що обурені;

· провести шахтні випробування і впровадження буропідривної технології, що знижує тривалість прибирання породи у 2-ій фазі і підвищує КВШ;

· виконати оцінку техніко-економічної ефективності запропонованих технічних рішень.

Ідея роботи полягає у використанні ефекту просторової затримки виникнення детонації пасивного патрона ВР, відокремленого від патрона-бойовика інертним проміжком, для створення конструкції шпурового заряду з керованою імпульсною дією вибуху в радіальному напрямку.

Об’єкт досліджень – процес руйнування порід з використанням шпурових зарядів при проходженні вертикальних гірничих виробок.

Предмет досліджень – параметри підривних конструкцій шпурових зарядів у вибої вертикальної виробки.

Методи досліджень. Основу виконаної роботи складає комплексний метод, який включає: аналіз і узагальнення виконаних досліджень і накопиченого досвіду буропідривної технології будівництва вертикальних стволів; лабораторні дослідження закономірностей детонації зарядів з інертними проміжками між патронами ВР; узагальнення результатів експериментів із застосуванням кореляційного аналізу і методів підбору емпіричних формул; дослідно-промислова перевірка і впровадження розробленої буропідривної технології, і техніко-економічний аналіз ефективності способів інтенсифікації процесу зонального руйнування порід.

Наукові положення, що виносяться на захист:

· глибина воронки пушення визначається степеневою залежністю від довжини шпуру, енергії вибуху шпурового набою та міцності порід, а її вершина при відстані між шпурами менш ніж 0,93 м є початком другої фази прибирання породи, в якій через 10-13 мс після вибуху шпурових набоїв реалізується ефект ущільнення зруйнованої породи за рахунок розкриття радіальних та кільцевих тріщин, що дозволяє визначити ділянку по довжині ствола в межах якої слід підсилювати динамічну дію вибуху для скорочення тривалості другої фази прибирання породи;

· максимальне значення осьового імпульсу вибуху досягається при відношенні маси активної частки розосередженого набою, розташованого до інертного проміжку, до маси цього проміжку рівному 8, а при збільшенні цього відношення до 80 зростає величина радіального імпульсу вибуху набою вздовж шпуру, що дозволяє управляти динамічною дією вибуху на нижню частину оббуреного масиву при проходці вертикальних виробок.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше отримані аналітичні залежності глибини воронки пушення і «стаканів» шпурів від міцності порід, параметрів шпурових зарядів і схеми їх розташування.

2. Вперше запропонована схема розрахунку радіусу руйнування гірських порід вибухом, що відрізняється діленням шпурового заряду на зосереджені ділянки (довжиною, що дорівнює 4-м його діаметрам). Встановлено, що при руйнуванні обводнених гірських порід вибухом шпурових зарядів амоналом скельним № 1 пресованим, радіус руйнування складає до 0,93 м, а амонітом АП-5ЖВ до 0,59 м. При руйнуванні «сухих» порід величини радіусів знижуються.

3. Вперше експериментально встановлено, що наявність в заряді інертного проміжку, через який передається детонація, викликає пульсуючий характер розповсюдження детонаційної хвилі уздовж пасивної частини заряду.

4. Вперше експериментально встановлено, що в перший момент часу після завершення детонації заряду ВР в породній оболонці продукти вибуху розповсюджуються тільки уздовж осі каналу, тобто радіальна швидкість зсуву гірських порід рівна нулю.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується адекватністю розробленої моделі буропідривної технології проходки вертикальних стволів реальним об'єктам і процесам, відповідністю встановлених особливостей процесу детонації заряду з інертними проміжками між патронами ВР, основним фізичним законам і якісним представленням характеру протікання процесів, коректною збіжністю результатів аналітичних досліджень з даними натурних спостережень (коефіцієнт кореляції дорівнює 0,81...0,92), позитивними результатами експериментів і випробувань в промислових умовах зарядів розроблених конструкцій.

Наукове значення роботи полягає у розкритті закономірностей управління дією вибуху на обурений масив та обґрунтуванні ефективних конструкцій шпурових зарядів.

Практичне значення роботи: розроблена методика розрахунку параметрів зарядів, що підсилюють динамічну дію вибуху на задану ділянку масиву, що оббурений; розроблені і упроваджені конструкції зарядів для інтенсифікації процесу руйнування порід на ділянці ствола 2-ої фази прибирання породи і в придонній частині шпурів. Застосуванням розробленої буропідривної технології, забезпечується зниження тривалості 2-ої фази прибирання породи в 2 рази і підвищення КВШ на 0,05 при проходці ствола.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи - двох'ярусні шпурові заряди спеціальної конструкції і методика розрахунку їх параметрів упроваджені при проходці скипового ствола на руднику «Вдалий» (Росія, Якутія), очікуваний економічний ефект складає 1312 грн./м. Заряди з інертним проміжком між патронами ВР і з осьовим поглибленням, заповненим водою, і методика розрахунку їх параметрів використані при проходці скипового ствола № 2 на шахті «Красноармійська - Західна № 1».

Наукові і практичні результати роботи використовуються при підготовці фахівців гірничого профілю.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці нового підходу щодо розрахунку воронки пушення і глибини «стаканів» шпурів, проведенні і математичній обробці результатів експериментальних досліджень, дослідження вибуху заряду в породній оболонці з інертними проміжками між патронами ВР. У публікаціях основні ідеї належать здобувачеві.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладалися на регіональній науково-практичній школі-семінарі «Прогресивні технології будівництва і реконструкції гірничих підприємств» (м. Донецьк, 2005 р.); міжнародній науково-технічній конференції «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості» (м. Кривий Ріг, 2006 р.); міжнародній науково-практичній конференції «Форум гірників» (м. Дніпропетровськ, 2006-2007 рр.); міжнародній науково-технічній конференції молодих учених, аспірантів і студентів «Вдосконалення технології будівництва шахт і підземних споруд» (м. Донецьк, 2006-2007 рр.); Міжнародній науково-практичній конференції молодих учених, аспірантів і студентів «Перспективи освоєння підземного простору» (м. Дніпропетровськ, 2007 р.); II міжнародній науково-практичній конференції «Геотехнології та управління виробництвом ХХI століття» (м. Донецьк, 2007 р.); міжнародній конференції «Geotechnika - 2007» (Польща, м. Глівіце-Устронь, 2007 р.); VII міждержавному науковому семінарі «Високоенергетична обробка матеріалів» (2007 р.); а також в процесі професійного стажування в НДІ «Острава-Радваніце» (Чехія, м. Острава, 2007 р.).

Публікації. За наслідками досліджень опубліковані 12 наукових праць, з яких 5 – в спеціалізованих виданнях і 7 в збірниках матеріалів науково-технічних конференцій, в т.ч. 2 без співавторів.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація містить вступ, 5 розділів, висновки, список використаних джерел з 89 найменувань на 10 сторінках і 5 додатків. Загальний обсяг дисертації 225 сторінок, зокрема 148 сторінок основного тексту, 61 малюнок і 24 таблиці.

Автор висловлює глибоку подяку співробітникам кафедри будівництва шахт і підземних споруд ДонНТУ за допомогу в проведенні лабораторних експериментів і в оформленні роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі даної роботи наведений аналіз сучасного стану буропідривної технології проходки вертикальних шахтних стволів.

Одним з важливих елементів прохідницького циклу при спорудженні стволів є буропідривні роботи. Як вибухова речовина (ВР) в переважній більшості випадків застосовується амонал скельний № 1, пресований в патронах діаметром 45 мм, набагато рідше – амоніти 6ЖВ і АП-5ЖВ в патронах діаметром 36 мм. Діаметр шпурів зазвичай дорівнює 52...53 мм. Як набійка застосовується гранульований шлак. Основною особливістю вибухових робіт у вертикальних стволах є те, що при перетині забоєм обводнених гірських порід шпури додатково заповнюються водою.

Техніко-економічні показники буропідривної технології невисокі. Це обумовлено різним характером деформації порід уздовж обуреного масиву, і, як наслідок, наявність двох фаз прибирання породи.

У першій фазі здійснюється інтенсивне навантаження основної маси зруйнованої вибухом породи при найбільш продуктивній роботі грейфера. В другій фазі виникає необхідність в ручній праці для додаткового спушення породи, її підгортанню і підкиданню до грейфера: на вантаження 10...20% її об'єму витрачається 25...35% загального часу процесу, причому із застосуванням ручної праці.

Наявність 2-ої фази прибирання породи у вертикальних стволах обумовлена, головним чином, застосуванням шпурів глибиною 4,2...4,5 м, пов'язаних з висотою опалубки, що застосовується. Відмовитися від розбирання порід цієї фази не можна із-за неможливості пробурити і зарядити шпури подальшого циклу підривання.

Питання теорії і практики дії вибуху в гірській породі істотно розвинені в роботах Г.І. Покровського, В.М. Родіонова, Г.П. Демідюка, А.М. Ханукаєва, М.Ф. Друкованого, М.А. Садовського, В.В. Левіта, Г.Г. Литвинського і багато інших. Проте, запропоновані розрахункові формули для визначення радіусу руйнування, отримані на емпіричній основі, не враховують ступінь обводненості гірського масиву. Ці недоліки усунені в моделі, запропонованою Л.І. Гречихіним. Вона базується на гіпотезі, згідно якої міцність гірських порід визначається величиною потенціалу бінарної взаємодії між окремими кластерами, яка різна для «сухих» і обводнених порід. Проте метод розрахунку радіусу руйнування запропонований в роботі стосується тільки зосередженого заряду. Аналітична оцінка протяжності руйнованих вибухом зон відсутня. Без рішення цієї задачі неможливо розробити спосіб управління руйнуванням масиву, що оббурений. Відомі способи забезпечують управління енергією вибуху тільки в придонній частині шпура. Цей недолік можуть усунути розосереджені заряди, теорія і практика яких розроблені М.В. Мельниковим, Л.М. Марченко, П.Я. Тарановим. Проте до теперішнього часу недостатньо вивчені динамічні процеси, що протікають при вибуху заряду з малим інертним проміжком, через який передається детонація від одного патрона до іншого. Теоретичні розробки, виконані К.П. Станюковічем, стосуються тільки метання тіла, розташованого не всередині, а за межами заряду ВР.

На підставі виконаного аналізу сформульовані основні задачі і методика досліджень за визначенням ділянки ствола з 2-ою фазою прибирання породи і вивчення детонації розосереджених зарядів для розробки конструкцій шпурових зарядів з керованою динамічною дією на нижню частину масиву, що оббурений.

У другому розділі роботи наведені результати досліджень з встановлення характеру осьового руйнування гірського оббуреного масиву вибухом і аналітичний опис кожній зі встановлених зон. Для цього шляхом системного аналізу сучасних теоретичних уявлень, а також багаторічного практичного досвіду проходки стволів вперше диференційован характер процесу деформації оббуреного масиву гірських порід у часі і просторі. При цьому встановлена тимчасова послідовність ступеня і характеру деформації напруженого гірського масиву (рис. 1). Зокрема, через 10...13 мс після вибуху шпурового заряду починається зрушення гірських порід і в результаті розкриття тріщин відбувається ущільнення вибухом зруйнованої гірської маси (породних окремостей); процес воронкоутворення наступає не раніше 46 мс після вибуху заряду.

Ключовим моментом виконаних досліджень було визначення посування забою ствола після завершення 1-ої і 2-ої фаз прибирання породи.

Перший з названих параметрів встановлений через глибину воронки пушення. Рішення даної задачі виконане модифікованим чисельним методом «крупних частинок» (МКЧ), який раніше використовувався А.В. Чернай і М.М.Налісько відносно до врубів, вживаних в підготовчих виробках.

Рис. 1. Часова картина знаходження масиву гірських порід у напруженному стані:

1 – вибух шпурових зарядів ВВ; 2 – пластичні деформації середовища, яке розташова не поряд з зарядом; 3 – початок деформації оббуреного масиву гірських порід, який не примикає безпосередньо до заряду; 4 – початок руйнування та дробління середовища; 5 – інтенсифікація відкольних явищ на відкритих поверхнях; 6 – зрушення гірських порід (витікання продуктів вибуху із зарядних полостей); 7 – утворення додаткових відкритих поверхонь; 8 – початок формування воронки пушення

Залежно від інтервалу варіювання коефіцієнта міцності порід ( f ), працездатності ВР (Р), величини шпурового заряду (dз) і глибини шпурів (lш), отримані формули для розрахунку глибини вертикальної воронки пушення для різних інтервалів варіювання чинників.Так, при lш =2,5…4,5 м, q3 =1,2…4,0 кг,

f =7…20 і Р = 380...460 смі формула має вигляд:

, (1)

Аналіз практичних результатів БПР показує, що величина посування забою після завершення 1-ої фази прибирання породи співпадає з розрахунковою глибиною воронки пушення з максимальною погрішністю + 4,4 і – 16,2:

(2)

Припускаючи, що «стакани» шпурів залишаються в тій частині гірського оббуреного масиву, де вибухи сусідніх шпурових зарядів не взаємодіють, вперше отриманв формула для визначення їх глибини при aш Rр:

де Rр - радіус руйнування гірських порід; аш - відстань між шпурами; dш - діаметр шпура.

Дана формула справедлива для умов, коли шпури розташовуються в межах зони руйнування порід навколо шпура, тобто коли aш Rр.

Розрахунок радіусу руйнування гірських порід вибухом циліндрового (подовженого) шпурового заряду, заснований на положеннях кластерного підходу до руйнування гірських порід вибухом. Для цього шпуровий заряд був представлений конструкцією, яка складається з зосереджених зарядів, які примикають один до одного своїми торцями (завдовжки 4-м його діаметрів). Встановлено, що при руйнуванні обводнюючих скельних порід вибухом амоналу скельного № 1, пресованого він дорівнює 0,93 м, а вибухом амоніту АП-5ЖВ – 0,59 м.

Достовірність отриманих залежностей була підтверджена при проходці вертикальних шахтних стволів в різних гірничо-геологічних умовах.

Отже, для отримання високого КВШ необхідно, щоб відстань між сусідніми шпуровими зарядами, була не менше радіусу руйнування. Інакше за рахунок утворення в масиві між циліндрами руйнування незруйнованих вибухом породних ціликів, стає неможливим реалізувати режим прибирання породи 1-ої фази впродовж воронки спушення, глибина «стаканів» шпурів і тривалість прибирання породи 2-ої фази зростають.

У третьому розділі наведені результати теоретичних і лабораторних досліджень дії вибуху заряду в породній оболонці з інертними проміжками між патронами ВР, що не перешкоджають передачі детонації.

Рис. 2. Конструкція оболонкових зарядів:

а – заряд з 2-х патронів, які розташовані впритул один до одного; б – між патроном-бойовиком та пасивним патроном розташован інертний проміжок;

1 – патрон-бойовик; 2 – пасивный патрон ВР; 3 – зволоженний (водонасичений) домений шлак; 4 – пластикова оболонка; 5 – інертний проміжок

Мірою оцінки результатів підривання служило відхилення стандартного балістичного маятнику МакНДІ, а також величина і інтенсивність полум'я, що утворюється. Заряд складався з патрона-бойовика масою 53,5...63,5 г, завдовжки 68...77 мм і одного або двох пасивних патронів загальною масою 130...140 г і довжиною 158...178 мм.

За ВР використовувався амоніт 6ЖВ, як ініціатор – електродетонатор миттєвої дії ЭДМД-0П.

Найбільш характерні отримані фотознімки наведені на рис. 3 (накладено початкове положення балістичного маятника на силует полум'я).

Рис. 3. Фотографії полум'я вибуху двохпатроного заряду амоніта 6 ЖВ у водонасиченій породній оболонці:

а – патрони розташовані впритул; б – між патронами розташована таблетка із граншлаку товщиною д=10 мм; в – теж, д=19 мм; г – теж, водонасичена д=10 мм; д –пластина з жерсті д=0,22 мм; е – пластина з водонасиченої фанери д=3,15 мм; ж – заряд с повітряним проміжком; з – заряд з водяним проміжком

Обробка результатів досліджень дозволила отримати емпіричну залежність відхилення балістичного маятника як характеристики величини осьового імпульсу вибуху від маси інертного проміжку, що знаходиться між патронами ВР (рис. 4).

, (4)

, (5)

Залежності (4) і (5) мають характерний максимум при масі інертного проміжку близько 7 г, що дорівнює 52,4 мм і 27,7 мм відповідно. Це вказує на те, що при певних масах інертного проміжку між патронами осьовий імпульс вибуху заряду росте у порівнянні з вибухом заряду, у якого інертні проміжки між патронами ВР відсутні або мають більш велику масу.

Підтвердженням достовірності отриманої закономірності відхилення маятника зі збільшенням маси інертного проміжку є ідентичність характеру зміни об'єму розжарених продуктів вибуху, що викидаються з ампули.

заряд двохпатронний; заряд трьохпатронний

Рис. 4. Залежність відхилення балістичного маятнику (lот) від маси інертного проміжку (Мин) із різноманітних матеріалів (жерсть, фанера, граншлак, торкретбетон)

З позицій класичної теорії К.П. Станюковіча, згідно якої максимальна швидкість метання інертного тіла Um продуктами детонації ВР може бути визначена за формулою:

(6)

де Д – швидкість детонації ВР; mВВ – маса активної частини заряду, тобто розташованої перед інертним проміжком по ходу детонації; Мин – маса інертного проміжку.

Підставивши в (6) середні значення параметрів, що відповідають встановленому в експерименті максимуму, отримаємо:

Um ? D.

Отже, максимально можлива величина осьового імпульсу вибуху заряду з інертним проміжком між патронами ВР спостерігається при рівнянні швидкості детонації ВР і швидкості метання матеріалу проміжку і описується умовою, яка витікає з формули (6):

, (7)

Аналіз залежності (6) показує, що при зростанні співвідношення маси ВР активного заряду і маси інертного проміжку можна отримати швидкості метання тіла, що значно перевищують стаціонарну швидкість детонації самої ВР. Це призведе до посилення загального імпульсу вибуху. В той же час, згідно з (4) і (5) зниження маси інертного проміжку в порівнянні з оптимальним, призводить до зменшення осьового імпульсу вибуху, тобто матиме місце перерозподіл загального імпульсу вибуху у напрямі посилення його радіальної складової.

Для опису фізичного механізму цього явища виникла необхідність вимірювання динаміки швидкості детонації заряду ВР, між патронами якого знаходяться інертні проміжки, що не перешкоджають передачі детонації. При проведенні лабораторних досліджень використовувалися іонізаційні датчики. За отриманими даними розраховувалися швидкості детонації ВР на послідовних ділянках заряду.

Встановлено, що швидкість детонації ВР в пасивному патроні з довжиною має пульсуючий характер. Приклад отриманих графіків наведений на рис.5. При цьому в місці розміщення інертного проміжку спостерігається різке падіння швидкості до 1,9...1,6 км/с, а уздовж пасивних патронів ВР – підвишення швидкості детонації до 6,3 км/с. При підриванні заряду без інертних проміжків мають місце лише незначні коливання швидкості детонації.

Рис. 5. Динаміка швидкісних параметрів детонації оболонкового заряду з інертним проміжком при mвв / М ин 8:

А – патрони ВР упритул; б – торкретбетон М ин = 8,0 г; в – граншлак М ин = 15,4 г.

Проте при < 8 згадана пульсація відбувається практично нижче за стаціонарну швидкість детонації ВР і тому не сприяє збільшенню швидкості виділення енергії вибуху. В той же час при 8, пульсуючий характер розповсюдження детонації спостерігається щодо стаціонарної швидкості детонації ВР, що призводить до зростання радіального імпульсу вибуху заряду в напрямку детонації за рахунок збільшення швидкості виділення енергії вибуху.

Для встановлення нижнього значення маси інертного проміжку, при якій спостерігається посилення радіального імпульсу вибуху, використані результати підривань, при яких застосовувався патрон-бойовик масою mBB = 300 г. Приймаючи, що ефективним з позицій збільшення радіального імпульсу є інертний проміжок, який сприяє збільшенню швидкості детонації вище стаціонарної для даного ВР. Такий режим спостерігається при розміщенні усередині заряду інертного проміжку масою, не меншою 3,7 г, тобто при співвідношенні =.

Отже, посилення радіальної дії вибуху на масив гірських порід спостерігатиметься за умовою:

. (8)

З метою принципового підтвердження даного висновку проведені підривання з визначення радіального імпульсу вибуху за схемою, що відрізняється тим, що ампула із зарядом до маятника була направлена своєю бічною поверхнею. Досліджувалися дві конструкції двохпатронного заряду з інертним проміжком між патронами ВР при масі патрона-бойовика, що дорівнює 58 г. В одній з конструкцій інертна таблетка мала товщину 5 мм і масу Мин = 7,1 г, що відповідало =, а у другій конструкції таблетка мала товщину (2,7...3,0) мм і масу Мин = 3,5 г при = 16,6, тобто при вибуху дотримувалася умова (8). Встановлено, що в першому випадку відхилення маятника склало 115 мм, а у другому - 140 мм, тобто зросло на 21,7% (виходячи з (4) осьовий імпульс при цьому зменшився на 18,7%).

У четвертому розділі наведені результати щодо розробки раціональних конструкцій розосереджених шпурових зарядів.

Основним є заряд з інертним проміжком, що розміщується упритул до вершини воронки пушення.

В той же час величина інертної перешкоди повинна бути менше критичної (Мин.пр.), тобто через неї повинна стійко передаватися детонація.

Можливе застосування розроблених двох'ярусних шпурових зарядів спеціальної конструкції. Вони відрізняються відсутністю інертного проміжку між ярусами і їх ініціаціювання створюється електродетонаторами однієї серії уповільнення. Завдання щодо встановлення ординати розташування в заряді 2-го електродетонатора вирішене геометричним шляхом з умови забезпечення зустрічі прямих і відображених ударних хвиль і продуктів вибуху на проектній ділянці шпура. Отримана формула має вигляд:

, (9)

де - довжина шпурового заряду; - відстань від дна шпура до проектної площини зіткнення стрічних потоків продуктів вибуху і ударних хвиль.

Обидві конструкції шпурових зарядів повинні при вибуху проводити посилену динамічну дію на стінки шпура до початку ущільнення гірських порід вибухом, тобто не пізніше 10...13 мс після вибуху сусідніх шпурових зарядів. Для цього їх слід розміщувати у врубових шпурах або в шпурах інших кіл, що ініціюються електродетонаторами короткозатриманої дії (розкид за часом спрацьовування рівний 7...10 мс). Враховуючи роль співвідношення відстані між шпурами і радіусів руйнування навколо кожного з них, в роботі запропонована формула для розрахунку числа відбійних і оконтурюючих шпурів на забій ствола:

(10)

де Двч – діаметр ствола начорно; Двр – діаметр кола, на якому розміщені основні врубові шпури.

Кількість кіл при застосуванні незапобіжних ВР з діаметром патронів 45 мм приймається такою, щоб відстань між шпурами залежно від тієї, що обводнює складала 0,70...0,93 м, що звужує діючий проектний інтервал (1,0...1,2 м). При застосуванні запобіжних ВР ці відстані рекомендується приймати не більше 0,60 м. Проте, щоб виключити в цьому випадку можливість відмов і неповної детонації, ініціацію шпурових зарядів слід проводити тільки електродетонаторами миттєвої і короткозатриманої дії.

У п'ятому розділі викладені результати польових і шахтних випробувань і впровадження розроблених конструкцій розосереджених шпурових зарядів.

У полігонних умовах Донецького казенного заводу хімічних виробів проведені випробування суцільних монозарядів в еластичній шланговій оболонці завдовжки 1,0...1,5 м і діаметром 40 мм. Встановлено, що такі заряди безвідмовно вибухають при порушенні поліетиленової оболонки і зволоженні порошкоподібного амоналу скельного № 1 до 30%.

Випробування також проведені при проходці скипового ствола підземного рудника «Вдалий» (Росія, Якутія), а також скипового ствола на шахті «Красноармійська - Західна № 1».

Шахтні підривання показали, що розроблені конструкції достатньо технологічні, не вимагають використання дорогих матеріалів. Запропоновані в роботі методи розрахунку оптимальних параметрів конструкцій не вимагають додаткового корегування. При новій технології тривалість 2-ої фази прибирання породи на руднику «Вдалий» знизилася в два рази, а на шахті «Красноармійська - Західна № 1» - в 1,3 рази. Застосування зарядів з інертним проміжком дозволило збільшити КВШ на 0,05, тобто підвищити його з 0,84 до 0,89. Економічна ефективність для рудника «Вдалий» склала 1312 грн/м стола.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей управління дією вибуху на обурений масив та обґрунтування ефективних конструкцій шпурових зарядів вирішена актуальна науково-технічна задача удосконалення буропідривної технології проведення вертикальних стволів, яка дозволяє підвищити її ефективність.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Системний аналіз сучасних уявлень про руйнування гірських порід вибухом, а також багаторічний практичний досвід проходки вертикальних стволів, дозволив вперше аналітично описати у часі і просторі вертикальні зони деформації оббуреного вибухом масиву гірських порід, що дає можливість визначати ділянку оббуреного масиву , в межах якого слід забезпечувати посилення динамічної дії вибуху на породи протягом 10...13 мс від початку детонації шпурового заряду для зниження тривалості 2-ої фази прибирання породи і підвищення КВШ.

2. Вперше встановлено, що посування забою вертикального ствола після завершення першої фази прибирання зруйнованої вибухом гірської породи чисельно дорівнює глибині воронки пушення, яка залежить від працездатності ВР, глибини шпурів і величини заряду в них, а також міцності гірських порід. 3. Вперше встановлена і підтверджена практикою будівництва вертикальних шахтних стволів статечна залежність глибини «стаканів» шпурів від радіусу руйнування гірських порід навколо шпурів і відстані між ними.

4. Розроблені методи розрахунку глибини воронки пушення і «стаканів» шпурів дозволяє визначати протяжність 2-ї фази прибирання породи у стволі, а також на рівні складання паспорта БВР (проекту БВР) проектувати довжину заходки () і КВШ ().

5. У результаті експериментальних і теоретичних досліджень встановлено, що при відношенні маси активної частини заряду до маси інертного проміжку між патронами ВР, через який передається детонація, що дорівнює 8, формується максимально можливий осьовий імпульс вибуху із-за рівності швидкостей детонації ВР і метання матеріалу проміжку, а при збільшенні цього відношення до 81 спостерігається посилення радіального імпульсу вибуху ВР.

6. Визначений пульсуючий характер розповсюдження детонації в пасивному патроні ВР, відокремленому від активного заряду інертним проміжком. В результаті відбувається зростання швидкості виділення енергії вибуху і збільшення імпульсної дії продуктів детонації ВР в радіальному напрямі.

7. Лабораторними дослідженнями обгрунтовано, що при підриванні зарядів з циліндровим осьовим поглибленням діаметром 8...9 мм і завдовжки не менше діаметру і заповненні його водою досягається двократне збільшення осьового імпульсу вибуху (відхилення маятника) порівняно із стандартними зарядами.

8. Отримана формула для розрахунку числа відбійних і оконтурюючих шпурів в забої ствола, що відрізняється врахуванням можливого радіусу руйнування гірських порід вибухом навколо шпура.

9. Шахтні випробування і впровадження розроблених конструкцій розосереджених зарядів, проведені при проходці скипових стволів на руднику «Вдалий» (Росія, Якутія) і на шахті «Красноармійська - Західна № 1» показали, що застосування зарядів з інертними проміжками між патронами ВР дозволяє знизити в 1,3...2,0 рази тривалість прибирання породи 2-ої фази і підвищити КВШ до 0,05. Застосування зарядів з циліндровим каналом також підвищує КВШ до 0,05.

10. Реальний економічний ефект від впровадження нової технології на руд

нику «Вдалий» склав 1312 грн. на 1 м ствола.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Рублева О.И., Купенко И.В., Левит В.В. Установление влияния формы заряда на эффективность взрывания // Геотехнічна механіка. – Дніпропетровськ: ІГТМ НАН України, 2005. – Вып. 61. – С. 267–273.

2. Шевцов Н.Р., Калякин С.А., Рублева О.И. Исследование полноты и устойчивости детонации зарядов с инертными промежутками между патронами // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ, 2006. – С. 75-79.

3. Левит В.В., Рублева О.И. Исследование условий интенсификации процесса разрушения горных пород взрывом при проходке вертикальных шахтных стволов // Вісті Донецького гірничого інституту. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. - № 1. – С. 15-26.

4. Левит В.В., Рублева О.И. Модель буровзрывной технологии проходки вертикальных шахтных стволов // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. - Вип. 6 (125). – С. 75-85.

5. Левит В.В., Рублева О.И., Налисько Н.Н. Метод расчета подвигания забоя вертикального ствола за сет 1-й фазы уборки разрушенной взрывом породы // Уголь Украины. – 2007. - № 10. – С. 41-44.

6. Пронин В.И., Рублева О.И. Основные причины значительной продолжительности уборки породы в вертикальных стволах при производстве взрывных работ // Прогрессивные технологии строительства, безопасности и реструктуризации горных предприятий. – Донецк: Норд-Пресс, 2006. – С. 80-92.

7. Гречихин Л.И., Рублева О.И. Взрывные технологии в шахтном строительстве // Современные проблемы шахтного и подземного строительства: Матер. междунар. научно-практ. симпозиума. – Донецк: Норд-Пресс. – 2006. – Вып. 7. – С. 100-111.

8. Шевцов Н.Р., Рублева О.И., Купенко И.В. Экспериментальные исследования процесса разлета продуктов взрыва оболочечного заряда с инертным промежутком между патронами ВВ // Физика и техника высокоэнергетической обработки материалов. – Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2007. – С. 363-374.

9. Левит В.В., Рублева О.И., Анищенко А.А. Повышение эффективности взрывания // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Матер. междунар. научно-техн. конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. – Донецк: Норд-Пресс. – 2007. – Вып. 13. – С. 160-161.

10. Калякин С.А., Лабинский К.Н., Рублева О.И. Исследование скорости детонации и импульса взрыва заряда в породной оболочке с инертными промежутками между патронами ВВ // Геотехнологии и управление производством ХХI века: Сб.научн.тр. II междунар. научно-практ. конференции. – Донецк: ДонНТУ, 2007. – С. 73-81.

11. Рублева О.И. Прогнозирование подвигания вертикальных стволов за одно взрывание // Геомеханіка і геомеханічний моніторинг при підземному будівництві. Матер. міжнар. конференції «Форум гірників-2007». – Дніпропетроськ: РВК НГУ, 2007. – С. 176-182.

12. Рублева О.И. Фотографирование взрыва заряда ВВ с осевым каналом // Miedzy-«VIII Szkola Geomechaniki 2007»: Materialy Naukowe. – Gliwice – Ustron: Politechnika Slaska, 2007. – С. 161.-170.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих в співавторстві: [1-3, 9-10] – розробка методики дослідження, проведення експериментальних підривань, обробка і аналіз результатів; [4-6] – постановка задачі, встановлення аналітичних залежностей; [7] – узагальнення практичного досвіду виявлення причин низьких ТЕП; [8] – постановка задачі, метод розрахунку радіусу руйнування циліндровими зарядами.

АНОТАЦІЯ

Рубльова О.І. «Обгрунтування ефективних конструкцій і параметрів шпурових зарядів при проходці вертикальних стволів шахт». – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.04 – «Шахтне та підземне будівництво». – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена питанням удосконалення буровибухової технології проходки вертикальних стволів шляхом управління динамічною дією вибуху на оббурений гірський масив за рахунок використання розосереджених шпурових зарядів, які формують пульсуючий режим детонації пасивної частини заряду.

У роботі вперше отримана аналітична залежність для визначення посування вибою вертикального ствола за рахунок першої і другої фаз прибирання породи, а також глибини «стаканів» шпурів.

Експериментально встановлені та теоретично обґрунтовані умови перерасподілу імпульсу вибуху вздовж шпура. Вперше виявлений пульсуючий характер розповсюдження детонації в пасивній частині набою, розкритий механізм цього явища.

Обґрунтовані раціональні параметри розосереджених шпурових зарядів для вертикальних стволів. Основні результати роботи застосовані при прохідці вертикальних стволів на шахті «Красноармійська-Західна №1» та руднику «Вдалий».

Ключові слова: фази прибирання породи, інертний проміжок, пульсуюча детонація, управління руйнуванням, вертикальний ствол.

АННОТАЦИЯ

Рублева О.И. «Обоснование эффективных конструкций и параметров шпуровых зарядов при проходке вертикальных стволов шахт». – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04 – «Шахтное и подземное строительство». – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2008.

Диссертация посвящена вопросам совершенствования буровзрывной технологии проходки вертикальных стволов путем управления динамическим воздействием взрыва на обуренный горный массив за счет использования рассредоточенных шпуровых зарядов, формирующих пульсирующий режим детонации пассивной их части.

На базе современных научных представлений, многолетнего опыта проходки вертикальных стволов, а также проведенных теоретических исследований процесса разрушения горного массива взрывом представилось возможным аналитически определена ордината участка шпура, в пределах которого производится наиболее трудоемкая 2-я фаза уборки разрушенной взрывом породы.

Решение данной задачи позволило на основе теоретических исследований и лабораторных опытов по взрыванию зарядов в породной оболочке с инертным промежутком между патронами ВВ разработать научные основы и рациональные конструкции рассредоточенных зарядов, способных формировать управляемое динамическое воздействие на обуренный массив.

На основании проведенных исследований получены следующие научные результаты: аналитически описаны вертикальные зоны деформирования массива; получена аналитическая зависимость для определения подвигания забоя вертикального ствола за счет 1 фазы уборки пород, численно равного глубине воронки рыхления; получена аналитическая зависимость для определения глубины «стаканов» шпуров; экспериментально установлено и теоретически обосновано неоднозначное влияние на величину импульса взрыва и параметры детонации заряда при размещении инертного промежутка между патронами ВВ, не препятствующего передаче детонации; установлены условия перераспределения осевого импульса в радиальный при взрыве рассредоточенных зарядов; обнаружен пульсирующий характер распространения детонации в пассивной части заряда (размещенной за инертным промежутком), раскрыт механизм этого явления.

Практические результаты работы заключаются в следующем: обоснованы параметры, разработаны и внедрены конструкции, рассредоточенных двухъярусных зарядов специальной конструкции и рассредоточенных зарядов с инертным промежутком между патронами ВВ для управления разрушением обуренного горного массива взрывом; обоснованы условия эффективного воздействия на горный массив зарядов с торцевым осевым углублением; получена формула для расчета числа отбойных и оконтуривающих шпуров в забое ствола с учетом радиуса разрушения горных пород; разработана методика расчета радиуса разрушения «сухих» и обводненных горных пород взрывом шпуровых зарядов.

Испытания, проведенные на руднике «Удачный» и шахте «Красноармейская-Западная № 1», позволили получить практическое подтверждение полученных закономерностей и зависимостей.

Ключевые слова: фазы уборки породы, инертный промежуток, пульсирующая детонация, управление разрушением, вертикальный ствол.

ANNOTATION

Rubleva O.I. «Substantiation of effective constructions and parameters of hole charges at driving of the vertical shafts of mines». - Manuscript.

Thesis on competitions of a scientific degree of the candidate of engineering science at the speciality 05.15.04 - «Mine and underground buildings». National Mining University, Dnepropetrovsk, 2008.

The thesis is devoted to the questions of improvement of borebalasting technology of driving of the vertical shafts by a management the dynamic action of explosion on the revolted mountain range due to the use of the dispersed hole charges which form the pulsating mode of the detonation of passive part of charge.

In work analytical dependence is first got for determination of the advance face of the vertical shaft due to the first and second phases of cleaning up of breed and also depth of the «glasses» of holes.

It is experimentally set and in theory substantiation terms of the redistribution impulse of explosion along hole. First discovered pulsating character of distribution of detonation in passive part of the charge, the mechanism of this phenomenon is exposed.

Substantiation rational parameters of the dispersed hole charges for vertical shafts. The basic job performances found industrial application at driving of the vertical shafts on the mine and ore mine.

Keywords: time cleaning-up of rock, inert interval, pulsating detonation, management destruction, vertical shafts.