Оптимизация взрывных работ при разрушении неоднородных массивов

Б.В. Эквист

ОПТИМИЗАЦИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ РАЗРУШЕНИИ НЕОДНОРОДНЫХ МАССИВОВ

Предложен метод оптимизации параметров буровзрывных работ с учетом физико-технических свойств горных пород в пределах взрываемого блока, с целью улучшения качества взрыва на карьерах со сложной геологической структурой. Изложены результаты лабораторных экспериментов, подтверждающие улучшение качества дробления образцов пород взрывом зарядов с переменными замедлениями и расположением в зависимости от свойств образцов, относительно взрывов зарядов с неизменными параметрами. Предлагаемый способ может быть применен совместно с георадиолокационными просвечиваниями массива георадарами. Ключевые слова: сложно-структурные массивы, георадар, георадиолокация, градиент, крепость пород, трещиноватость пород, параметры буровзрывных работ.

Взрывное разрушение сложно-структурных массивов имеет ряд особенностей, связанных с изменением прочностных свойств, в пределах взрываемого блока. Для оптимизации эффективности дробления массивов со сложной геологической структурой требуется детальная оценка физико-технических свойств пород и определение координат залегания пород с различными прочностными свойствами в пределах взрываемого блока.

Для оперативной оценки физико-технических свойств, взрываемых блоков подходит метод георадиолокации [1] поверхностного слоя с применением георадаров. Георадарные технологии могут быть использованы для детального изучения сложно-структурных массивов, а так же определения координат залегания пород с разными прочностными свойствами в пределах взрываемого блока, что позволит оптимизировать параметры буровзрывных работ (БВР) и подобрать необходимые размеры сетки расположения зарядов и замедления между их взрывами. Это обеспечит более качественное дробление взорванной горной массы.

При плавном изменении крепости и трещиноватости горной породы плавно изменяются и параметры БВР (расстояние

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 2. С. 376-383. © 2017. Б.В. Эквист.

УДК 622.235. 535.2

между зарядами, замедления, удельный расход ВВ и др.). При скачкообразном изменении крепости и трещиноватости горной породы параметры БВР изменяются так же скачкообразно.

Известно что, прочностные характеристики пород влияют на расположение зарядов на взрываемом блоке и замедления между их взрывами. Например, если крепость взрываемых пород уменьшается, то согласно существующих рекомендаций, замедления между взрывами возрастают, а расстояния между взрывами увеличиваются [2, 3].

Для проверки теоретических исследований и изучения действия взрыва на сложно-структурные массивы, характеризующиеся как плавным переходом пород от одной крепости к другой, так и наличием в них твердых включений, в лабораторных условиях кафедры «Физика горных пород и геоконтроль» (ФизГео), горного института, научно-исследовательского технологического университета, «Московского института стали и сплавов» (ГИ НИТУ «МИСиС») были проведены эксперименты на смоделированных разнопрочных блоках размером 40 см на 30 см и толщиной 4 см (рис. 1). Не закрашенные части блоков имели коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Про-тодьяконова 1,5—2, а закрашенные 2,5—3. Расположение зарядов в масштабе блоков размером 40 см на 30 см показано на рис. 1. Модели блоков изготавливались из сухого кварцевого песка с частицами размером не более 0,25 мм с добавлением гипса и воды в различных соотношениях.

Взрывы моделей осуществлялись при помощи пятиканаль-ного генератора импульсов с использованием короткозамед-

1-я серия 2-я серия 3-я серия

а) б) в) г)

Рис. 1. Схемы взрывания модельных блоков, состоящие из разных по крепости пород, с неизменными параметрами БВР

Рис. 2. Пятиканальный генератор импульсов и модель взрываемого блока

ленного взрывания путем разряда конденсаторов на пиротехнические взрыватели (рис. 2), [4].

Максимальное напряжение, до которого заряжаются конденсаторы генератора 260 В. В пятиканальном генераторе величина емкости конденсатора в каждом из пяти каналов 3000 мкФ. Остаточное напряжение после имитации взрыва равно 50 В. Таким образом, выделенная энергия при разряде конденсатора одного канала в пятиканальном генераторе

Щ = _ си1ш

взр 2 2

3000 • 10_6 • 2602 3000 • 10_6 • 502 .... __

Щв3р =-2---2-= 101'4 _ 3,75 = 97,65

где Жвзр — энергия, выделенная при имитации действия взрыва, Дж; С — емкость конденсатора, Ф; U — напряжение, до которого заряжается конденсатор, В; иост — напряжение, которое осталось на конденсаторах после имитации взрыва, В.

Выделенная энергия может быть уменьшена уменьшением напряжения, до которого заряжаются конденсаторы. Для увеличения мощности взрыва одного заряда каждый конденсатор разряжался на пиротехнический взрыватель, вставленный в отверстие модельного блока. Тогда мощность взрыва одного заряда Жравна

Щ = Щвзр + = 97,65 + 300 = 397,65, где Жпир — энергия взрыва пиротехнического взрывателя, 300 Дж.

Общая максимальная энергия Жобщ, которая получена при имитации взрыва в используемой схеме

ТС

общ

= 5 • 97,65 + 5 • 300 = 1988,25

Модели массивов изготавливались из сухого кварцевого песка с частицами размером не более 0,25 мм с добавлением гипса и воды в различных соотношениях. Взрывы зарядов в модельных блоках осуществлялись при помощи пятиканального генератора импульсов с использованием корот-козамедленного взрывания.

Чтобы эксперимент в лабораторных условиях приближался к натурным исследованиям, взрывы в менее прочной части блоков происходили одновременно в первую очередь, а затем через 5 мс происходили одновременно взрывы в более прочной части модельных блоков.

В процессе проведения лабораторных исследований было проведено 3 серии опытов с различной вариацией изменения прочностных характеристик моделей блоков. В каждой из серий изготавливалось по две модели образцов. Одна модель взрывалась одновременно зарядами, без учета изменения физико-технических свойств пород блока, а вторая с учетом меняющихся свойств. То есть вторая модель взрывалась с изменением расстояния между зарядами и их количеством, а также с замедлением в 5 мс между взрывами в более прочной части моделей, относительно взрывов в менее прочной части моделей.

В первой серии опытов (рис. 3) граница раздела пород проходила по центру блока. Во второй серии опытов (рис. 4) твердые породы располагались внутри модели в виде клина, Рис. 4. Вторая серия опытов

Рис. 3. Первая серия опытов

Рис. 5. Третья серия опытов

а слабые по бокам. Клин твердых пород в образце имитировал хаотичное расположение включений твердых пород внутри породного массива. В третьей серии опытов (рис. 5) граница раздела крепости пород была смещена в одном случае в сторону крепких пород, а в другом — в сторону слабых.

По опытным данным производилась оценка качества дробления породы. В качестве критериев эффективности дробления приняты выход в процентах крупных фракций и средний размер кусков dср, раздробленных образцов.

Такие вариации расположения твердых пород в образцах, имитировавших сложно-структурный взрываемый массив, позволили оценить эффективность изменения параметров БВР в зависимости от геометрии включений и объемов разрушения крепких и слабых пород. Так как прочностные характеристики пород влияют на выбор параметров БВР, то эти параметры напрямую будут зависеть от изменения свойств горных пород. То есть, если изменение свойств, происходит плавно, то параметры меняются плавно, а если изменение свойств резкое, то параметры меняются скачкообразно. Если в породном массиве имеются твердые включения, то необходимо располагать заряды так, чтобы линия наименьшего сопротивления до границы раздела пород соответствовала радиусу регулируемого дробления [4].

В результате опытов установлено, что при взрывании образцов, с учетом изменяющихся свойств пород блока, а соответственно с изменением параметров БВР, в слабых породах образуются трещины и сколы, проходящие по границе раздела пород разных по крепости. Это способствует разгружению крепких пород и облегчает разрушающее действие взрывов зарядов в них. Таким образом, происходит более интенсивное дробление твердых пород в массивах со сложной геологической структурой [5].

На гистограмме (рис. 6) приводится сравнение выхода крупных фракций при взрыве слабых и крепких пород в процентах при взрывании экспериментальных блоков без учета и с учетом

Рис. 6. Гистограмма выхода крупных фракций в процентах. Две первые колонки при неизменных параметрах взрыва. Две следующие при измененных параметрах взрыва в зависимости от свойств образцов

изменяющихся свойств пород. Очевидно, что во втором случае эффективность дробления выше, чем в первом. При этом эффективность дробления в твердых породах возрастает, выход крупных фракций снижается на 26%. Так же при изменении параметров БВР наблюдается более равномерное дробление, как слабых пород, так и крепких включений и увеличение выхода средних фракций.

При плавном изменении свойств необходимо учитывать градиент их изменения в пространстве (рис. 7). Картину изменения свойств, взрываемых пород можно составить на основе георадиолокационных просвечиваний используя, к примеру, георадары серии «ОКО» [1].

Рис. 7. Разбивка взрываемого блока зарядами взрывчатого вещества

На рис. 7 изображена разбивка взрываемого блока зарядами ВВ. Точки А, Б, С, В, М, К места расположения зарядов. Допустим в точке А крепость/, ей соответствует расстояние между скважинными зарядами а и замедление t. Откладываем по оси у расстояние а, по оси х так же расстояние а. В точке Б крепость /1, ей соответствует расстояние между зарядами а±Ла. Плюс, если крепость/ </, grad/изменился, и минус, если/ >/. Замедление между точками Б и В t±Лt. Плюс, если крепость/1 </, grad/ изменился, и минус, если/1 >/. Аналогично в точке С крепость /2, ей соответствует расстояние между зарядами а±Ла1. Плюс, если крепость /2 </, grad/ изменился, и минус, если /2 > /. Замедление между точками С и М t±Лt1. Плюс, если крепость/2 </, grad/изменился, и минус, если/2 > /. Величины Ла, Ла1 и Лt, Лt1 тем больше, чем больше grad/. Для следующих точек В, К, М и т.д. действия аналогичны.

Выводы

В результате изменения параметров взрывных работ в пределах разрушаемых блоков (расположение зарядов, последовательность взрывания, замедление между взрывами) в соответствии с изменяющимися физико-техническими свойствами пород возможно достижение более качественного дробления, чем при неизменных параметрах.

Выполненные лабораторные эксперименты, подтверждают эффективность изменения параметров буровзрывных работ в зависимости от геологических особенностей неоднородного массива.

Предложена методика взрывания массивов пород на основе их георадиолокационных просвечиваний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Семейкин Н. П., Помозов В. В., Эквист Б. В., Монахов В. В. Геофизические приборы нового поколения // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2007. — № 8. — С. 249—253.

2. Совмен В. К., Кутузов Б. Н., Марьясов А. Л., Эквист Б. В., Токарен-ко А. В. Сейсмическая безопасность при взрывных работах. — М.: Изд-во «Горная книга», 2012. — 228 с.

3. Кутузов Б. Н. Методы ведения взрывных работ. Ч. 1. Разрушение горных пород взрывом: Учебник для вузов, 2-е изд., стер. — М.: Изд-во «Горная книга», 2009. — 471 с.

4. Эквист Б.В., Вартанов В.Г. Лабораторный практикум по дисциплине «Технология и безопасность взрывных работ» / Под ред. Б. Н. Кутузова: Учебное пособие для вузов. — М.: Изд-во «Горная книга», 2006. - 50 с.

5. Нетлетон М. Процессы детонации — М.: Мир, 1989. — 280 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Эквист Борис Владимирович — доктор технических наук, профессор, e-mail: borisekwist@mail.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 2, pp. 376-383. B.V. Ekvist

OPTIMIZATION OF BLASTING IN HETEROGENEOUS ROCK MASS

The author proposes a method for optimization of drilling-and-blasting parameters, considering physical and mechanical properties of rocks in order to improve fragmentation qualities in open pit mining in the regions having complex geological structure. The reported laboratory test data confirm that quality of rock fragmentation by blasting has been improved when charges are fired with varied delays and when a blast pattern takes into account properties of rock specimens as against charge firing with invariable parameters. The proposed method can be used in combination with georadar sounding of rocks.

Key words: complex structure rock mass, georadar, GPR sounding, gradient, rock hardness, rock jointing, drilling-and-blasting parameters.

AUTHOR

Ekvist B.V., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: borisekwist@mail.ru,

Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Semeykin N. P., Pomozov V. V., Ekvist B. V., Monakhov V. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2007, no 8, pp. 249—253.

2. Sovmen V. K., Kutuzov B. N., Mar'yasov A. L., Ekvist B. V., Tokarenko A. V. Seys-micheskaya bezopasnost'pri vzryvnykh rabotakh (Seismic safety under blasting), Moscow, Izd-vo «Gornaya kniga», 2012, 228 p.

3. Kutuzov B. N. Metody vedeniya vzryvnykh rabot. Ch. 1. Razrushenie gornykh porod vzryvom: Uchebnik dlya vuzov, 2-e izd. (Methods of blasting, part 1. Explosive fracture of rocks: Textbook for high schools, 2nd edition), Moscow, Izd-vo «Gornaya kniga», 2009, 471 p.

4. Ekvist B. V., Vartanov V. G. Laboratornyy praktikum po distsipline «Tekhnologiya i bezopasnost' vzryvnykh rabot». Pod red. B. N. Kutuzova: Uchebnoe posobie dlya vuzov (Blasting technology and safety: Laboratory course, Kutuzov B. N. (Ed.), Higher educational aid), Moscow, Izd-vo «Gornaya kniga», 2006, 50 p.

5. Netleton M. Protsessy detonatsii (Detonation processes), Moscow, Mir, 1989, 280 p.

UDC 622.235. 535.2