СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ СТЕПЕНИ ДРОБЛЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТОГО ГОРНОГО МАССИВА И ТРЕБУЕМОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШПУРА ВЗРЫВОМ
METHOD FOR OBTAINING A PRESET CRUSHING RATIO OF FISSURED MOUNTAIN MASS AND THE REQUIRED COEFFICIENT OF HEADING ADVANCE PER ROUND TO SHOT HOLES LENGTH RATIO

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к слоевой системе разработки месторождений полезных ископаемых с использованием буровзрывных работ.
Известен способ улучшения качества дробления горного массива взрывом на карьерах, согласно которому у устья скважины размещается ВВ с наименьшей удельной энергией, а в нижней части скважины ВВ с высокой удельной энергией или путем разбуривания в нижней части скважины котловых расширений [1].
Однако автором не указано, каков диаметр котла в зоне расширения или какова масса ВВ (длина заряда ВВ) с высокой энергией, которые необходимо выбирать в зависимости от физико-технических свойств массива горных пород, детонационных и геометрических параметров ВВ.
3
Наиболее близким техническим решением является способ заряжания шпуров с обеспечением различной концентрации энергии взрыва в донной и колонковой части шпура [2]. Причем длина донной части шпура составляет 1/3 глубины шпура, а плотность заряжания 0,85 г/см для аммонитов, что создается уплотнением ВВ с помощью забойника. Концентрация ВВ в колонковой части составляет 0,5 кг/м, что достигается оставлением воздушного промежутка и части шпура для забойки.
3
3
Однако отбойные шпуровые заряды ВВ, применяемые при подземной добыче руды, как правило, заряжают на 2/3 от длины шпура. То есть половина заряда ВВ будет иметь плотность 0,85 г/см (высокая концентрация энергии), а другая половина 0,45-0,55 г/см (низкая концентрация энергии) за счет наличия воздушного промежутка.
Кроме того, при расчете массы заряда в донной части не учитывается линия наименьшего сопротивления (ЛНС), диаметр заряда ВВ, параметры трещиноватости и физико-технические свойства массива горных пород, детонационные характеристики ВВ и величина горного давления.
Предложен способ получения заданной степени дробления трещиноватого горного массива и требуемого коэффициента использования шпура (КИШ) взрывом, включающий бурение шпуров или скважин, их заряжание ВВ с таким расчетом, чтобы в донной части шпура плотность ВВ или концентрация энергии были больше, чем в приустьевой части шпура, отличающийся тем, что массу заряда уплотняемого или высокобризантного ВВ в донной части шпура определяют с учетом величины ЛНС, диаметра заряда, параметров трещиноватости и физико-технических свойств массива горных пород, величины горного давления и скорости детонации ВВ из выражения
где π=3,14,
W - линия наименьшего сопротивления или расстояние от шпура до контура врубовой полости, м;
e
d - средний размер отдельности массива, м;
Ф - показатель трещиноватости массива;
3
d - диаметр заряда ВВ, м;
µ - коэффициент трения между отдельностями массива;
Р - величина горного давления между отбойными шпурами и врубовой полостью, Па;
D - скорость детонации ВВ, м/с;
ν -коэффициент Пуассона горной породы.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить высокий КИШ за счет уплотнения ВВ и определения массы донной части заряда ВВ, необходимой для преодоления ЛНС. Кроме того, не уплотнение ВВ в приустьевой части позволяет уменьшить выход мелких фракций во взорванной горной массе, что приводит к повышению эффективности обогащения, например, урановых руд. Массу ВВ с высокой концентрацией энергии (за счет уплотнения или применения более мощного ВВ) в донной части определяют с учетом величины ЛНС, диаметра заряда, параметров трещиноватости и физико-технических свойств горного массива, величины горного давления и скорости детонации ВВ. Это позволяет повысить уровень безопасности, эффективность буровзрывных работ и обогащения руды.
Сущность способа заключается в следующем. Заниженной массы заряда ВВ в донной части недостаточно для отбойки горной массы от массива при слоевой выемке руд. Поэтому во вновь образованном забое появляются «стаканы», что снижает эффективность взрывных работ. Завышенная масса заряда ВВ в донной части приводит к переизмельчению рудной массы и снижению эффективности рентгено-радиометрического обогащения, например, урановых руд.
Массу заряда ВВ в донной части, необходимую для отбойки массива с максимальным КИШ, можно определить исходя их первого закона Ньютона в напряжениях. Сжимающее напряжение, возникающее в горном массиве в момент взрыва заряда ВВ на расстоянии от заряда, равном ЛНС, должно быть равно сумме сил трения, создаваемых горным давлением и боковым распором горной породы. Математический вывод см. в приложении 1.
M
в
M
2
Выход переизмельченных фракций в приустьевой части шпура с размером менее 40 мм (V) существенно зависит от плотности заряжания (ρ) и скорости детонации ВВ D. То есть V прямо пропорционален  и D.
3
3
3
M
Увеличение плотности заряжания ВВ с 600 до 850 кг/м приведет к увеличению выхода мелких фракций в 2 раза в приустьевой части шпура. Применение вместо аммонита 6ЖВ с величиной D=4,2·10 м/с, детонита с D=5,1·10 м/с приведет к увеличению выхода мелких фракций в 1,47 раза в приустьевой части шпура. Математический вывод V приведен в приложении 2.
3
e
3.
2
Предложенный способ осуществляют следующим образом. Коэффициент Пуассона горных пород определяют на стадии геологоразведочных работ по известным методикам. Скорость детонации D и диаметр заряда ВВ d определяют, используя справочную литературу. Величину горного давления в районе проведения слоевой заходки определяют либо геофизическими методами, либо по известной формуле P=ρgH, где ρ - объемная масса горного массива, кг/м, g - ускорение свободного падения, м/с, Н - глубина от поверхности земли, м, величину К коэффициент концентрации горного давления в районе взрываемого шпура, обычно он равен К=2-3. Значение величин Ф, µ определяют в зависимости от d по таблице
d<sub>e</sub>, м
<0,05
0,05-0,15
0,15-0,40
0,40-1,0
>1,0
Ф
>12
12-10
10-8
8-6
<6
µ
<0,2
0,2-0,3
0,3-0,45
0,45-0,6
≥0,6
Величину ЛНС W определяют по паспорту БВР. Для врубовых шпуров W равна расстоянию между ними, для отбойных - минимальному расстоянию от шпура до поверхности врубовой полости. Для оконтуривающих - минимальному расстоянию от шпура до обнаженной поверхности образованной полости.
e
Величину d определяют непосредственно по забою выработки. Подставляя
численные значения параметров в формулу (1), получим величину Q. Далее в слоевой заходке бурят врубовые, отбойные и оконтуривающие шпуры. Все шпуры заряжают. При применении однотипного ВВ патроны в донной части максимально уплотняют забойником. Патроны ВВ в приустьевой части вводят в шпуры без уплотнения. При применении разнотипного ВВ в донную часть вводят более работоспособное ВВ (например, детонит М, аммонал 200), в приустьевую - менее работоспособное - аммонит 6ЖВ.
Далее производят монтаж сети и взрывают в соответствии с паспортом БВР.
Пример. На руднике «Глубокий» ОАО ППГХО в массиве трудновзрываемых гранитов с размером отдельностей 0,3-0,5 м производят добычу руды системой нисходящая слоевая выемка с твердеющей закладкой. Бурят шпуры и взрывают по обычной технологии, заряжая шпуры аммонитом 6ЖВ и подпрессовывая все патроны. Замеры результатов проводились путем определения КИШ (по длине «стаканов») и выхода мелких фракций (-40 мм) фотопланиметрическим методом. Результаты после пяти циклов взрывания: КИШ составил 0,7-0,85, выход фракции - 40 мм составил 37-45%.
e
3
3
3
2
7
3
Далее решено было использовать новый способ. Численные значения параметров в формуле (1): W=0,7 м; d=0,4 м; Ф=8 (см. таблицу); d=0,04 м; величина горного давления при H=500 м, ρ=2,5·10 кг/м, g=9,8 м/с, К=2 равна Р=2,46·10 Па; D=4,2·10 м/с; ν=0,25. Подставляя численные значения в формулу (1), получим Q=0,24 кг.
3
3
Расчеты по формуле (1) показали, что масса донной уплотняемой части заряда ВВ должна быть равной 0,24 кг - это примерно один патрон аммонита 6ЖВ. Последующие опытные работы в трудновзрываемых гранитах с массой донной части заряда, равной 0,2-0,25 кг (1 патрон), и плотности заряжания приустьевой части заряда (3-4 патрона массой 0,6-1,0 кг, диаметром 32 мм), равной 0,64·10 кг/м, показали: КИШ составил 0,8-0,9, выход фракции - 40 мм 28-35%.
Таким образом, применение нового способа позволило увеличить КИШ и уменьшить выход мелких фракций, что обеспечило повышение эффективности и безопасности буровзрывных работ, а также эффективность рентгено-радиометрического обогащения.
Источники информации
1. Ефремов Э.М. Подготовка горной массы на карьерах. - М.: Недра. - 1980. - С.203 (рис.60е,м), с.206.
2. Техника и технология взрывных работ на рудниках // Авт. Г.П.Демидюк, Л.В.Дубнов, В.В.Стоянов и др. - М.: Недра. - 1978. - С.186-187.
Приложение 1. Теоретический расчет массы заряда ВВ в донной части шпура для повышения КИШ
Повышение коэффициента использования шпура при нисходящей слоевой выемке руд повышает эффективность горных работ и уровень безопасности. Для повышения КИШ рекомендуется уплотнять ВВ в донной части шпура или применять там более работоспособное ВВ. Однако необходимо определить массу ВВ, достаточную для надежной отбойки горного массива во врубовую полость. Занижение массы ВВ не приведет к получению заданного КИШ, завышение - к переизмельчению рудной массы, что отрицательно сказывается на обогащении, например, урановых руд.
в
г
бр
Массу заряда ВВ в донной части, достаточную для надежной отбойки горного массива, можно определить исходя из первого закона Ньютона в напряжениях. Сжимающее напряжение σ(r), возникающее в горном массиве на расстоянии r (r=W, где W - ЛНС), должно быть равно или превышать сумму сил трения, создаваемых горным давлением (σ) и боковым распором горной породы (σ) на контуре врубовой полости
Согласно [1] для сферического заряда ВВ
в
3
e
где ρ, D, d - соответственно, плотность заряжания, скорость детонации ВВ, диаметр заряда ВВ; W - ЛНС; d, Ф - соответственно, средний размер куска отдельности в горном массиве, показатель деформируемости трещиноватого горного массива, π=3,14.
Согласно [2]
где µ, ν - соответственно, коэффициент трения между кусками горной массы во врубе, коэффициент Пуассона горной породы, Р - величина горного давления между отбойными шпурами и врубовой полостью.
Подставляя (2) и (3) в (1), получим
Умножив правую и левую часть (4) на , получим формулу для определения массы заряда ВВ, необходимой для выброса горной массы из врубовой полости
3
3
Энергия цилиндрического заряда ВВ от донной части распространяется как от сферического при рассмотрении процессов на больших расстояниях (15-30 диаметров заряда ВВ) [1]. В этом случае l=4d [3]. Тогда (5) можно переписать в
виде
Приложение 2. Расчет выхода переизмельченных фракций (-40 мм) при изменении детонационных характеристик ВВ.
Выход переизмельченных фракций с размером менее 40 мм можно определить из геометрических соображений по формуле
где
M
R - радиус зоны переизмельченных фракций вблизи заряда ВВ, определен в [2], м;
N - число шпуров в забое слоевой заходки;
2
S - площадь сечения слоевой заходки, м;
в
3
ρ - плотность заряжания, кг/м;
с - скорость продольной волны в образце породы, м/с;
M
M
d - максимальный размер куска в переизмельченной горной массе, d=0,04 м;
p
σ - предел прочности образца породы на разрыв, Па.
M
2
2
Анализ формулы (7) после подстановки в нее (8) показывает, что выход мелких фракций V прямо пропорционален D и ρ.
Библиографический список
1. Тюпин В.Н. Геометризация зоны дробления трещиноватого массива параллельно оси взрывного заряда. // Известия ВУЗов. Горный журнал. - 1985, №1, - С.41-45.
2. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород. // Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. - Москва: ВНИПИ промтехнологии. - 2002. - С.102, 104.
3. Покровский Г.И. Зависимость формы зоны действия взрыва от формы и расположения зарядов. - В кн. Взрывное дело. - М.: Недра. - 1964. - №54/11. - С.237.