Способ нейтрализации влияния аномалий состояния массива на горные разработки
METHOD FOR NEUTRALISING THE EFFECT OF ANOMALIES IN THE STATE OF THE ROCK MASS ON MINING

Изобретение относится к горной промышленности и в частности к разработке твердых полезных ископаемых в условиях измененного состояния массива полезных ископаемых как подземным так и открытым способами.
Известен взрывной способ образования экранирующей щели, заключающийся в повышении эффективности защиты массива горных пород и сооружений от сейсмического воздействия, для этого бурят и взрывают ряды скважин дугообразной формы в сторону охраняемого массива, смежного с отбиваемым, причем часть скважин бурятся увеличенного диаметра, оставляя их незаряженными, а взрывание начинают с ряда, ближайшего к охраняемому массиву [Авторское свидетельство СССР №907246, М.Кл. Е21С 37/00,23.02.82 г.].
Недостатком данного способа является ограниченность масштаба его применения рамками защиты массива горных пород и сооружений от сейсмического воздействия в пределах отбиваемого слоя, основным недостатком данного способа является его решение только «задачи защиты сооружений от сейсмического воздействия и традиционного получения качественного дробления горной массы».
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ предупреждения внезапных выбросов угля и газа», включающий размещение зарядов взрывчатых веществ в камерах и камуфлетно-сотрясательное взрывание этих зарядов, камеру располагают во вмещающих породах в крест простирания выбросоопасного угольного пласта на расстоянии от него, равном радиусу дробления применяемых зарядов, при этом взрывание зарядов взрывчатых веществ производят до начала ведения горных работ по выбросоопасному пласту [Авторское свидетельство СССР SU 1120112 А E21F 5/00, 23.10.1984 г. (прототип)].
Недостатком данного способа является ограниченность зоны его применения размерами радиуса «дробления применяемых зарядов», когда для продолжения воспроизводства эффекта «обработки выбросоопасного пласта» необходим следующий (новый) смежный объем трудоемких проходческих работ.
Технической задачей изобретения является создание ориентированного взрывного воздействия на горный массив посредством комплексного использования взрывчатых веществ и конструкции заряда, при взрыве которых формируется механизм направленного взрыва.
Указанная цель достигается изменением распределения энергии взрыва пучковым зарядом, а именно бурят сближенные скважинные пучковые заряды /ПЗ/, одинаковые со штатными скважинами, контурами пучковых зарядов /ПЗ/ различной формы и их расположением, осуществляют определенную направленность взрывного воздействия, обеспечивая максимальную продолжительность импульса взрыва за счет порядного короткозамедленного инициирования рядов пучковых зарядов /ПЗ/ с последовательным нарастанием энергии волны в сторону проблемного горного массива, достигая передачей детонации каждой противоположной скважине очередного ряда электронным электродетонатором с рассчитанным временем в пределах от 0 до 4 мс, т.е. больше нуля и менее или равно четырем мс, или детонирующим шнуром. В сближенных пучковых зарядах с разновременным взрыванием их рядов используют взрывчатые составы с растянутым импульсом взрыва и умеренным или низким начальным давлением продуктов взрыва типа игданита или разработанных на их базе разновидностей низко- или среднебризантных взрывчатых веществ, а буровые камеры формируют до начала ведения в проблемном массиве очистных горных работ.
Таким образом создают сближенные скважинные пучковые заряды /ПЗ/ в виде нескольких сближенных скважинных зарядов различной конфигурации, конструктивные особенности которых позволяют существенно расширить диапазон взрыва, включая физику взрыва разновременно детонирующих в определенной последовательности и взаимодействующих между собой рядов на расстоянии около четырех диаметров одного ПЗ, при этом достигается эффекта взрыва единого заряда с направленного временного воздействия процесса в зависимости от состояния массива горных пород и задачей горного производства, при этом механизм физики взрыва пучкового заряда, характеризуется существенно растянутым диапазоном контролируемого направленного импульса взрыва заряда, что достигается конструктивными и структурными особенностями инициирования его частей с применением взрывчатых составов максимального диапазона (продолжительного действия) импульса взрыва типа игданита или разработанных на их базе разновидностей взрывчатых веществ при компьютерном моделировании взрывного процесса сравнительных схем расположения определенных форм короткозамедленных рядов сближенных скважинных зарядов, в частности, вогнутой или линейной формы, и эквивалентного одинарного заряда.
Сущность изобретения поясняется сводными табличными данными таблица 1, и чертежами, где на фиг. 1-10 показаны виды ПЗ и различные по воздействию изображения их в момент взрывания 3,5 мс (для точки замера 2), на фиг. 11 приведен сводный график изменения скорости смещения в зависимости от общего времени действия взрыва для одиночного заряда и некоторых пучковых конфигураций в одной из характерных точек наблюдения (точке замера 2).
На чертежах фиг. 1-10 показаны скважины с ПЗ и места точек замеров - 1, 2, 3, 4, 5, порода - 6, разрушенная порода - 7.
На (фиг. 11) приведен сводный график изменения скорости смещения в зависимости от общего времени действия взрыва для одиночного заряда и некоторых пучковых конфигураций с разновременным сближенными рядами скважин в одной из характерных точек наблюдения, где линия - 8 для одинарного заряда, линия - 9 для ПЗ, в котором верхний ряда с задержкой 50 мкс, а нижний линейный ряд с его одновременной детонацией, линия - 10 ряды линейных ПЗ, линия - 11 выпуклый ПЗ однорядной параболической формы, линия - 12 пучковый заряд, где два верхних заряда взрываются мгновенно, а два ряда нижних с задержкой 50 мкс, линия - 13 вогнутый ПЗ однорядной параболической формы. Виды ПЗ показаны на фиг. 1-10, где: фиг. 1 и 2 - одинарный заряд - 14, эквивалентный по энергии пучку, фиг. 3 и 4 - конфигурация линейного пучкового заряда - 15, фиг. 5 и 6 - конфигурация пучкового заряда параболической формы выпуклостью вверх - 16, фиг. 7 и 8 - конфигурация двухрядного пучкового заряда с направлением параболического ряда зарядов вверх и под ним линейного ряда - 17, фиг. 9 и 10 - конфигурация двухрядного пучкового заряда с другим направлением взрывания - 18.
Способ реализуется следующим образом.
Компьютером моделируют взрывной процесс и сравнивают схемы расположения определенных форм короткозамедленных рядов сближенных скважинных пучковых зарядов вогнутой - 16, линейной формы - 15, или эквивалентного одинарного заряда - 14.
Поскольку механизм физики взрыва в сближенных пучковых зарядах /ПЗ/, характеризуется существенно растянутым диапазоном контролируемого направленного импульса взрыва ПЗ, то достигается он конструктивными и структурными особенностями инициирования частей каждого из них, применяя взрывчатые составы с диапазоном максимального продолжительного действия импульса взрыва типа игданита или разработанных на их базе разновидностей взрывчатых веществ, для чего бурение сближенных скважин пучковых зарядов ПЗ осуществляют контурами пучкового заряда различной формы.
При взрывании направление потока энергии взрыва сохраняет форму совокупного расположения рядов сближенных ПЗ, в отличии от эквивалентного им одинарного по энергии заряда соответствующего диаметра круглого в сечении.
В результате направление взрыва потока меняется в зависимости от характера и цели действия взрыва. Таким образом, обращая выпуклости формы заряда в сторону проблемного массива (с разновременным инициированием различных рядов сближенных ПЗ реализуют техническую возможность управления действия и направления взрыва.
На фиг. 1, 3, 5, 7, 9 показаны исходное положение зарядов, а на фиг. 2, 4, 6, 8, 10 характер процесса взрыва одинарных зарядов и некоторых деконцентрированных зарядов различной формы: фиг. 1 и 2 - одинарный заряд - 14, эквивалентный по энергии пучковому заряду ПЗ, где 1, 2, 3, 4 - места точек замеров, 5 - скважина одновременно и точка замера, 6 - порода, 7 - разрушенная порода; фиг. 3 и 4 - конфигурация линейного пучка - 15, где 2, 3, 4, 5 - места точек замеров, 1 - скважина и одновременно точка замера, 6 - порода; 7 - разрушенная порода; фиг. 5 и 6 - конфигурация пучкового заряда параболической формы выпуклостью вверх - 16, где 2, 3, 4, 5 - места точек замеров, 1 - скважина и одновременно точка замера, 6 - порода; 7 - разрушенная порода; фиг. 7 и 8 - конфигурация двухрядного пучкового заряда ПЗ с направлением параболического ряда зарядов вверх и под ним линейного ряд - 17а, где 2, 3, 4, 5 - места точек замеров, 1 - скважины и одновременно точка замера, 6 - порода; 7 - разрушенная порода; фиг. 9 и 10 - конфигурация двухрядного пучкового заряда /ПЗ/ с другим направлением взрывания - 18, где 2, 3, 4, 5 - места точек замеров, 1 - скважины и одновременно точка замера, 6 - порода; 7 - разрушенная порода. Расстояние между смежными деконцентрированными зарядами составляет 3-5 диаметров одного сближенного ПЗ. Инициирование рядов скважинных пучковых зарядов ПЗ производят по порядной схеме выпуклой формой в сторону проблемного массива. Используют взрывчатые составы максимального диапазона (продолжительного действия) импульса взрыва типа игданита или разработанных на их базе разновидностей; взрывание производят по схемам короткозамедленного действия и с вариантами конфигураций. На фиг. 11 приведен сводный график изменения скорости смещения в зависимости от общего времени действия взрыва для одиночного заряда и некоторых пучковых конфигураций с разновременным сближенными рядами скважин в одной из характерных точек наблюдения. Так, обозначением на фиг. 11 соответствуют табличные данные следующим образом: линия - 8 для одинарного заряда №1 первой колонки и т.д., линия - 9 для пучкового заряда №4 /ПЗ/, в котором верхний ряд с срабатывает с задержкой 50 мкс, а нижний линейный ряд с его одновременной детонацией, линия - 10 для рядов линейных пучковых зарядов №2, линия - 11 выпуклый пучковый заряд однорядной параболической формы №3, линия - 12 пучковый заряд №4, где два верхних заряда взрываются мгновенно, а два ряда нижних с задержкой смотри таблицу, линия - 13 вогнутый пучковый заряд однорядной параболической формы №3. В соответствии с методикой применения способа, выбор граничных точек и сторон действия взрыва обуславливает характер действия взрыва, связанный с выходом распространяющейся по твердому телу взрывной волны (или волны напряжений) на свободную поверхность.
Результаты в виде физических величин (параметров волны напряжения) - массовой скорости и давления на фронте волны, фиксированные в четырех противоположных точках контура «взрывания» в виде различных конфигураций сближенных ПЗ и эквивалентного одинарного заряда, численно демонстрируют наличие асимметричного и симметричного эффектов его действия. С другой стороны, на качественном уровне, определяется линейная зависимость между масштабом области измененного после прохождения волны массива и размерами (энергией) одинарного заряда. Наличие разницы в однотипных сравниваемых величинах показывает возможность физического воздействия на определенные конструктивные элементы систем разработки управляемого пучкового заряда ПЗ различной конфигурации и форм взрывного воздействия в зависимости от существующих in situ тектонических напряжений и динамических явлений в массивах горных пород.
Буровые камеры или заходки формируют в процессе отработки действующего или подготовки нового горизонта в зависимости от состояния массива удароопасных и структурно нарушенных месторождений и характера направленного взрывания в процессе отработки действующего или подготовки нового горизонта в горном массиве до начала ведения очистных горных работ, без специальной проходки комплекса подводящих выработок, непосредственно в выработках технологического назначения (штреки, орты, квершлаги и т.п.). Все работы и операции проводят штатным оборудованием по паспорту бурения, а именно: обуривание конфигураций групп сближенных ПЗ заряжание их взрывчатыми веществами, коммутация схем порядного (последовательного) инициирования рядов ПЗ с интервалом замедления между ними. Противоположная сторона формы направленной волны зависит от конструктивных особенностей систем подземной или открытой разработки полезных ископаемых и связанных с ними горнотехнологическими факторами и задачами. Это может быть представлено условной плоскостью или местами, над или за которыми находятся участки обрушенного массива подэтажного, этажного, отработанного горизонта. Их необходимо учитывать в технологическом процессе. Механизм способа взрыва заряда характеризуется рядом таких конкретных инструментов воздействия, как: варианты направлений потока энергии взрыва в зависимости от характера аномалий состояния массива, ориентации выпуклости формы (дуги) сближенных ПЗ в сторону проблемного массива, схемы инициирования рядов ПЗ, выбор взрывчатых веществ с определенными параметрами, когда используют взрывчатые вещества типа игданита или разработанных на их базе разновидностей бризантных взрывчатых веществ, др. Совокупное действие этих факторов образует взрывную волну существенно продолжительного в заданном направлении действии с эффектом масштабного управления взрывом практически единого заряда.
Представленные ниже табличные данные и закономерности базируются на численном решении упругопластических задач механики сплошной среды, в частности, на исследовании внутрискважинных детонационных волн и их различных аспектов взаимодействий методом сглаженных частиц SPH (Smooth Particle Hydrodynamics).
Результаты в виде физических величин (параметров волны напряжения) - массовой скорости и давления на фронте волны фиксировались в четырех противоположных точках контура «взрывания», что представлено в таблице и на фиг. 1-11. Замеряемый процесс представлен временным интервалом от 0 до 4 мс. В таблице приведен замер во временной точке взрывания 3,5 мс. Анализ данных компьютерного моделирование взрыва и табличных данных наглядно демонстрирует наличие асимметричного и симметричного эффектов, что представляет основу реальной возможности направленного взрывания.
Таким образом, на основе критериев сравнительной оценки в виде массовой скорости, давления на фронте волны, вертикальной скорости, давления в горном массиве (тензорное напряжение), «взрыванием» зарядов в противоположных точках их контуров, получены результаты, которые лежат в основе оценки механизма действия направленного импульса взрыва заряда и возможностей способа. Установлено, что направленным короткозамедленным взыванием достигается эффект последовательно нарастающего увеличения (наложении) параметров (фронта) суммарной взрывной волны сближенных пучковых зарядов ПЗ в заданном направлении.