Определение формы и параметров развала в карьерах

УДК 622.234.5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОРМЫ И ПАРАМЕТРОВ РАЗВАЛА В КАРЬЕРАХ

С.Д. Викторов, Н.Н. Казаков

Институт проблем комплексного освоения недр РАН Крюковский туп., 4, 111020 Москва, Россия

Изложена информация о компьютерных программах «Развал», «Развал-Каскад 1» и «Развал-Каскад 2» для расчета формы и параметров развала. Программа позволяет рассчитать и выдать на печать в графическом виде поперечные сечения развалов, формирующихся при проведении массовых взрывов на карьерах.

Форма и параметры развала отбитой горной массы на карьерах при взрывной отбойке руд и пород оказывают существенное влияние на продолжительность подготовительно-заключительных операций, на производительность и безопасность работ при экскаваторной погрузке. Изучением этого процесса на протяжении длительного времени занимались многие отечественные и зарубежные ученые, в том числе авторы работ [1-5]. Физический процесс вылета в разных направлениях, полета и падения кусков породы при взрыве весьма сложен.

На практике параметры развала рассчитывают по эмпирическим зависимостям, в основу которых при их выводе заложена заранее принимаемая геометрическая модель поперечного сечения развала. Модель поперечного сечения принимается разная, от простой треугольной до составной, состоящей из нескольких простых геометрических фигур. Каким-либо образом определяется один из параметров развала, например, принимается высота развала по техническим нормативам, а затем, зная массу отбитой породы, коэффициент разрыхления и модель поперечного сечения развала, рассчитывают остальные его параметры. Такие методы расчета дают удовлетворительный результат в узких условиях конкретного карьера при неизменных схемах обуривания и взрывания. При изменении условий обуривания и взрывания эмпирические расчетные методы требуют уточнений.

Нами разработан основанный на теоретических положениях развития процесса расчетный метод определения формы и параметров развала отбитой взрывом горной массы на карьерах.

В основу расчетного метода положена оригинальная многозонная модель физического процесса перемещения горной массы при взрыве скважинных зарядов на уступах карьера. Вокруг каждого скважинного заряда выделено пять зон, в каждой из которых создаются разные начальные условия вылета, разлета и падения кусков. Направления полета кусков породы, углы их бросания и высоты бросания определяются из геометрического положения куска в отбиваемом объеме, геометрического положения зарядов взрывчатого вещества и геометрии карьерного уступа.

Начальная скорость бросания каждого куска определяется по положению скважинного заряда и куска в отбиваемом объеме и по остаточной энергии в продуктах детонации к моменту начала прорыва продуктов детонации в атмосферу. Условием определения начальной скорости вылета куска породы является равенство доли остаточной энергии в продуктах детонации и кинетической энергии полета куска. Принято, что куски, расположенные на одной линии удара, приобретают одинаковую начальную скорость, но летят по разным баллистическим траекториям.

Чтобы определить скорости вылета при взрыве кусков породы, расположенных в разных местах отбиваемого скважинным зарядом объема, необходимо условно разделить отбиваемый объем на расчетные объемы [4]. Свободный контур (откос уступа и верхняя обуренная площадка) зоны действия скважинного заряда условно разбит на равные отрезки Да. Эти отрезки являются основанием отбиваемых объемов, лежащих на линии удара.

Начальные скорости вылета кусков определяются по формуле

где у — объемная масса породы; ЛЕ — остаточная энергия в продуктах детонации скважинного заряда; Ыф— количество сдвигающихся слоев; w* — расстояние от скважины до края зоны ее действия по направлению полета куска; о* — расстояние между скважинами в ряду; Ь — расстояние между рядами скважин.

Мы отказались от традиционного использования в расчетах геометрической модели поперечного сечения развала, так как форма поперечного сечения существенно изменяется при изменении условий взрывания.

В соответствии с принятой физической моделью процесса куски породы летят по баллистическим траекториям в разных направлениях, падают на нижний уступ, на верхний уступ и на непрерывно растущий развал породы. После падения на поверхность развала часть кусков сползает по развалу в места с более низкими высотными отметками.

Важным элементом расчетного метода является предложенная схема одновременного выполнения расчетов в двух системах координат: 1) в неподвижной системе координат, в которой формируется поперечное сечение развала отбитой горной массы; 2) в скользящей системе координат, в которой рассчитывается траектория полета куска.

Траектория полета расчетного объема в подвижной системе координат описывается формулой

где Х( — координата движения расчетного объема; — координата центра тяжести расчетного объема; ин — начальная скорость полета расчетного объема; Р — начальный угол вылета расчетного объема из массива.

В процессе расчета на каждом шаге определяется координата летящего куска в неподвижной системе координат по формуле

Х1 = Ым> - СИ - 2нс/£а + 0,5ак + х, ,

где Г — номер столбика; N — число скважин в сечении обуренного блока; м> — линия наименьшего сопротивления; а — угол откоса уступа.

На основе разработанного расчетного метода с использованием полученных аналитических зависимостей и программной оболочки ОеІрЬу 7 разработан программный комплекс «Развал», состоящий из шести компьютерных программ, работающих совместно. Программный комплекс позволяет по условиям взрывания скважинных зарядов на одноуступных блоках рассчитать параметры развала и построить в автоматическом режиме графическое изображение формы поперечного сечения развала (рис. 1).

Рис. 1. Развал породы на одноуступном блоке

На рис. 1 расчетный развал сформирован при следующих условиях взрывания: порода — гранит; высота уступа — 15 м; диаметр скважин — 250 м; взорвано 4 ряда скважинных зарядов. Длина блока 100 м. Взрывом на блоке отбито 36000 м3 горной массы. х

До взрыва нижняя кромка уступа проходила по координатной отметке 54 м. После взрыва нижняя кромка уступа проходит по координатной отметке 30 м. Нижняя кромка развала проходит по координатной отметке 93 м. Ширина развала 63 м. Однако за пределы обуренной кромки уступа порода выброшена взрывом на 39 м. Высота развала незначительно превышает 10 м только в одном месте, между координатными отметками 30-40 м.

Видно, что полученную форму развала нельзя задать набором каких-либо простых геометрических фигур.

С использованием комплекса компьютерных программ «Развал» для двух уступных блоков разработан комплекс программ «Развал — Каскад».

При адаптации комплекса программ «Развал» к двууступным блокам в исходные данные дополнительно введены: число рядов скважин на нижнем уступе, число рядов глубоких скважин, число рядов скважин обычной глубины на верхнем уступе, высоты верхнего и нижнего уступов.

В алгоритм включены формулы для определения координат всех характерных точек излома контура, проходящего по обуриваемым поверхностям и откосам уступов, а также по будущей поверхности, подстилающей развал породы.

Расчеты во всех программах комплекса «Развал — Каскад» выполняются в три этапа. На первом этапе расчет выполняется для скважинных зарядов нижнего уступа, на втором этапе — для зарядов в глубоких скважинах, на третьем — для зарядов верхнего уступа, размещенных в скважинах обычной глубины. Переход от этапа к этапу выделяются с помощью счетчика строк т.

На первом этапе:

0 -<т< щпстпс,

где и, — число рядов скважин на нижнем уступе; пст — число расчетных столбиков около каждой скважины; пс1 — число расчетных строк в каждом расчетном столбце на нижнем уступе.

На втором этапе:

«1 ПспА

где Ир — число рядов глубоких скважин; псХ1 — число расчетных строк в

каждом расчетном столбце для глубокой скважины.

На третьем этапе:

где п2 — число рядов скважин обычной глубины на верхнем уступе; пс2 —

число расчетных строк в каждом расчетном столбце на верхнем уступе для скважин обычной глубины.

На рис. 2 представлен поперечный разрез развала породы по центру блока, рассчитанный с использованием комплекса программ «Развал-Каскад» для следующих условий взрывания: высоты верхнего и нижнего уступов — 15 метров; на нижнем уступе пробурено 10 рядов скважин; пробурено 6 рядов глубоких скважин; в тыльной части верхнего уступа пробурено 6 рядов скважин обычной глубины. Верхней ломаной линией представлен контур уступов во время бурения скважин. Нижней ломаной линией представлен контур подстилающей развал поверхности, образующийся после взрыва.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Рис. 2. Развал породы по центру двух уступного блока

Расчеты выполнены для блока длиной 100 м. Взрывом отбито на блоке 208500 м3 горной массы, в 5,8 раза больше, чем на одно уступном блоке.

До взрыва нижняя кромка нижнего уступа проходила по координатной отметке 160 м.’ После взрыва нижняя кромка нижнего уступа проходит по координатной отметке 63 м. Нижняя кромка верхнего уступа после взрыва проходит по ко-

ординатной отметке 28 м. Нижняя кромка развала проходит по координатной отметке 193 м. Ширина развала 165 м. Но за пределы нижней кромки нижнего уступа обуренного уступа порода выброшена взрывом на 33 м.

Высота развала в двух местах незначительно превышает отметку 30 метров.

Комплексы компьютерных программ «Развал» и «Развал — Каскад» позволяют по условиям взрывания одно уступных и двух уступных блоков рассчитать форму и параметры развала на стадии проектирования буровзрывных работ. Это дает возможность на стадии проектирования оценить условия экскаваторной погрузки отбитой горной массы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Викторов С.Д., Галченко Ю.П., Закатшский В.М., Рубцов С.К. Разрушение горных пород сближенными зарядами. — М., 2006.

2. Кутузов Б.Н. Проектирование взрывных работ в промышленности. — М., 1983.

3. Друкованный М.Ф. Методы управления взрывом на карьерах. — М., 1973.

4. Казаков Н.Н., Копылов С.В. Методика расчета параметров развала породы на карьерах //Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2003. — № 11. — С. 47-48.

5. Викторов С.Д., Казаков Н.Н. Определение параметров развала отбитой взрывом горной массы на карьерах // Физические проблемы разрушения горных пород. — Новосибирск, 2003. — С. 137-141.

DEFINITION OF THE FORM AND PARAMETERS OF DISORDER IN QUARRIES

S.D. Viktorov, N.N. Kazakov

Institute of complex exploitation of Mineral resource Russian Academy of Science Kryukovsky tup. 4, 111020 Moscow, Russia

In given clause the information on computer programs «Disorder», «Disorder-cascade 1» and «Disorder-cascade 2 » for calculation of the form and parameters of disorder is stated. The program allows to calculating and givin out on a press in a graphic kind cross-section sections of the disorders formed at carrying out of mass explosions on the open mining works.

Викторов Сергей Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заместитель директора Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук.

Казаков Николай Николаевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук.