Разработка мер по снижению выхода мелких фракций и негабаритов при взрывном разрушении горных пород

--© М.Г. Мснжулин, А.Ю. Казьмина,

П.И. Афанасьев, 2012

УДК 622.235

М.Г. Менжулин, А.Ю. Казьмина, П.И. Афанасьев

РАЗРАБОТКА МЕР ПО СНИЖЕНИЮ ВЫХОДА

МЕЛКИХ ФРАКЦИЙ И НЕГАБАРИТОВ

ПРИ ВЗРЫВНОМ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД

Существующие в настоящее время проекты буровзрывных работ основаны на эмпирических методах 30-40летней давности. Они не учитывают характеристики современных ВВ, методов расчета диссипации энергии при распространении волн напряжений и физически обоснованных расчетах параметров буровзрывных работ. В результате значительная часть ресурсов уходит в отсев и негабарит. Поэтому необходимо создать новые ресурсосберегающие технологии взрывного разрушения горных пород.

Ключевые слова: негабарит, энергия диссипации, детонационные параметры, энергетическая эффективность.

Проблема рационального дробления полезных ископаемых не является новой и решается многими исследователями десятки лет. К приоритетным направлениям следует отнести выбор рациональной конструкции скважинных зарядов ВВ (таких как рассредоточенный заряд или комбинированный заряд), использование низкобризантных ВВ, схем взрывания и т.д. И, тем не менее, проблема выхода мелких фракций и негабаритов остаётся важной и сегодня хотя бы потому, что меняются условия взрывания: увеличивается глубина карьеров и, соответственно, возрастает объём добычи крепких и обводнённых пород. Обводнённость пород не позволяет использовать низкобризантные ВВ типа игданит и отдельные конструкции скважинных зарядов, например с воздушными промежутками^].

На открытых горных работах подготовка полезного ископаемого к выемке заключается в разрушении массива. Разрушение массива обычно осуществляется буровзрывным способом. К основному методу ведения

взрывных работ на карьерах следует отнести метод вертикальных сква-жинных зарядов.

К основным параметрам метода вертикальных скважинных зарядов относят удельный расход ВВ, сетку скважин, линию наименьшего сопротивления и тип ВВ.

Для учета реальных факторов, связанных со взрывом, на основе эталонного удельного расхода ВВ устанавливают проектный удельный расход ВВ:

Яп = Яэ ' квв ' кд ' кс.з ' ' кс.п ' Ктр , где квв — переводной коэффициент от аммонита №6 ЖВ к практически используемому ВВ; кд — коэффициент, учитывающий требующуюся в данных условиях степень дробления; ксз — коэффициент, учитывающий фактически принимаемую степень сосредоточения зарядов ВВ, то есть форму заряда в массиве, отличную от принятой при определении яэ ; kV — коэффициент, учитывающий влияние объёма взрываемой массы на проектный расход ВВ; кСП — коэффици-

ент, учитывающий число свободных поверхностей взрываемой части массива; Ктр — коэффициент трещино-ватости.

В основу расчётных методик принимается формула по определению удельного расхода, предложенная в МГИ проф. Б.Н. Кутузовым[4]. Данная методика расчёта основана на фундаментальных работах академика РАН В.В. Ржевского:

я = 0,13• 7-(о,6 + 3,3• 10-3 • а3 • а0)х

0,5 У5

I -евв-Р

п >

где р п — плотность породы, кг/см ; евв — коэффициент работоспособности ВВ; 7 — коэффициент крепости породы по проф. М.М. Протодья-конову; ё3 — диаметр заряда, м; ё0 — средний размер отдельности во взрываемом массиве по МКВД, м; ак — предельный кондиционный размер куска, м;

Определение ЛНС осуществляется с помощью различных формул:

1) Формула С.А. Давыдова - для определения ЛНС одиночных зарядов

Ш = 53 • кт • а •

Р,

(р),

Ш =

^0,56р2 + 4дрИЬт - 0,75р

2дИт

0,9 •

где р — вместимость 1-ого погонного метра скважины, кг/м; я — удельный расход ВВ, кг/м ; И — высота уступа, м; L — глубина скважины, м; т — коэффициент сближения скважин.

Данное многообразие мнений основано на разных предпосылках моделирования и сравнения взрывов с фактически различными параметрами детонационных волн, создаваемых ВВ, а также различной структурой горного массива. В горных породах из-за сильных диссипативных потерь при ударном нагружении закон подобия взрывных волн изменяется, хотя

Нтр

ВВ

О

Итр

О

расстояние между

ВВ

зарядами

Рис. 1. Совмещение зон трешинообра-зовання

где кт — коэффициент трещиновато-сти пород

— поправка, учитывающая отношение длины заряда к его диаметру.

2) Формула, предложенная сотрудниками «Союзвзрывпрома» при длине забойки 0,75Ш:

откос уступа

откол ьнад зона

Рис. 2. Определение линии наименьшего сопротивления

Рис. 3. Зависимость детонационного давления на стенки скважины от энергии диссипации

Т^г- í 1

04

Рис. 4. Зависимость тангенциальной составляющей волны напряжения от относительного расстояния

сохраняются некоторые общие зависимости параметров волн напряжения от массы заряда и расстояния. Но на эту зависимость накладывается влияние параметров детонационной волны. Таким образом существующие методы необходимо улучшать.

В настоящей работе предлагается метод взрывного разрушения горных пород обеспечивающий снижение выхода мелкой фракции и негабаритов, основанный на рассмотрении физических процессов взрывного разрушения.

При взрывании зарядов различных ВВ характер разрушения в ближней зоне неодинаков. Уменьшение энергии диссипации, затрачиваемой на переизмельчение, про-

исходит в среде при взрыве тех ВВ, у которых меньше скорость детонации. А увеличение скорости детонации сопровождается резким увеличением объемной энергии диссипации разрушения в непосредственной близости от заряда [2].

Скорость детонации ВВ определяет начальное давление продуктов детонации; от величины последнего зависит сильное измельчение породы на границе с зарядом, не только не полезное, но и во многих случаях вредное. Разрушение значительных объемов среды, находящихся в отдалении от границы заряда, определяется параметрами волны, распространяющейся по среде, а также движением среды, возникшей при взрыве. В свою очередь, параметры волны на некотором расстоянии от заряда зависят от полной энергии, выделившейся при взрыве.

Заряд ВВ, выделяющий некоторое количество энергии, создает волну напряжений, даже если скорость детонации его невелика и, следовательно, невелико начальное давление продуктов детонации. При снижении начального давления продуктов детонации, сопровождающегося уменьшением начального напряжённого состояния на стенке взрывной полости, происходит уменьшение диссипатив-ных потерь, уменьшение наведенной трещиноватости в ближней зоне и увеличение доли полезной энергии на более далёких расстояниях и, как следствие, к увеличению объёмов разрушенной горной

1 4 ~'ПI Ь Р.Т ' ниТ Пэдэшт

массы. Тем самым большая часть энергии расходуется на механическую работу.

В настоящей работе предлагается метод расчёта параметров волны напряжений, распространяющейся по среде, после преломления в нее детонационной волны. Метод основан на расчетах энергии диссипации и использовании законов подобия.

Зная энергию диссипации, можно определить энергию, участвующую в механической работе[1], оценить радиальные и тангенциальные составляющие волн напряжения и на их основе рассчитать зоны разрушения. На основе совмещения зон трещинооб-разования (рис. 1), получаемых при

взрыве двух смежных скважинных зарядов, можно оценить расстояние между ними, а также другие параметры буровзрывных работ. В частности, линия наименьшего сопротивления (ЛНС) определяется по совмещению зон трещинообразования и откольной (рис. 2). Кроме того, зная связь между энергией диссипации и средними размерами кусков на различных расстояниях от заряда, можно получить гранулометрический состав горной породы после взрывного воздействия. Тем самым можно уменьшить выход мелких фракций, негабарита и осуществить выбор нужного типа ВВ. На рис. 3, 4 представлены результаты расчетов, выполненных в настоящей работе.

1. Менжулин М.Г., Бровин В.Е. Энергетическая эффективность разрушения горных пород при взрыве ВВ с различными детонационными характеристиками / Записки Горного Института. 2007. Т. 171. С. 121125.

2. Менжулин М.Г., Афанасьев П.И., Трофимов А.В. Влияние детонационных параметров взрывчатых веществ на энергетическую эффективность взрывного разрушения

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

горных пород / Записки Горного Института. 2010. Т.186. С.63-70.

3. Ефремов Э.И., Пономарев А.В. Технология формирования скважинных зарядов ВВ и отбойки обводненных горных пород / Взрывное дело. 2007. Вып.5. С.33-40.

4. Кутузов Б.Н. Методы ведения взрывных работ. 4.1. Разрушение горных пород взрывом: Учебник для вузов. -М.: «Горная книга», 2007 - с. 352-353 52Е

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Менжулин М.Г. — доктор технических наук, профессор, тел. 8-981-743-1501, Казьмина А.Ю. — аспирант, e-mail: kazmina.anna@gmail.com, Афанасьев П.И. — аспирант, e-mail: afan_@mail.ru, Санкт-Петербургский государственный горный университет.

А