Условия эффективного сооружения подземных горных выработок с применением взрывных работ

УДК 622.235

УСЛОВИЯ ЭФФЕКТИВНОГО СООРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

Рассмотрены условия наиболее эффективного проведения горных выработок и процесса формирования зоны нарушенности законтурного породного массива в зависимости от параметров вруба.

Ключевые слова: ПОРОДНЫЙ МАССИВ; ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА; СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ

Ю.А. Масаев

а 1

канд. техн. наук, профессор кафедры строительства подземных сооружений и шахт ФГБОУ ВПО «КузГТУ»

В.Ю. Масаев

канд. техн. наук, доцент кафедры экономики и управления на предприятии Кемеровского института (филиал) ФГБОУ ВПО «РЭУ им. Г.В. Плеханова»

I 1

В.П. Доманов

канд. техн. наук, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ»

Проведение горных выработок с помощью буровзрывных работ значительно отличается от комбайнового способа как по трудоемкости производственных работ, так и по их организации. Трудоемкость буровзрывных работ увеличивается с увеличением крепости, упругости и вязкости горных пород.

Повышение трудоемкости буровзрывного комплекса приводит к повышению общей трудоемкости горнопроходческих работ за счет снижения коэффициента использования шпуров (КИШ) и подвигания выработки за взрыв, неравномерного дробления отбитой горной массы, наличия «перебуров» породы за проектным контуром выработки.

Одним из факторов, определяющих тру-

доемкость буровзрывного комплекса и удельную трудоемкость, приходящуюся на 1 м3 готовой выработки, является удельный расход бурения для отбойки 1 м3 горной породы.

Сравнение нормативных и фактических расходов бурения показало, что фактический удельный расход бурения превышает нормативный в выработках сечением в проходке 8-10 м2 на 13-15%, а в выработках сечением 14-16 м2 на 17-19% в зависимости от категории буримости пород.

Наиболее трудоемкими операциями проходческого цикла в крепких породах являются бурение шпуров и возведение постоянной бетонной крепи. Только эти операции составляют 75-80% суммарной трудоемкости работ.

Анализ трудоемкости горнопроходческих

работ по всем основным сечениям протяженных выработок показал, что она зависит от крепости пород и глубины шпуров, а также от размеров сечения сооружаемых выработок.

Исследования показали, что при различных сечениях горных выработок и определенных диапазонах коэффициентов крепости пород наблюдаются оптимальные глубины шпуров, при которых трудозатраты на 1 м3 готовой выработки минимальны. Так, при увеличении сечения выработок в проходке от 10 до 14 м2 относительная трудоемкость работ снижается, а при дальнейшем увеличении сечения выработок возрастает независимо от крепости пород. С увеличением же крепости горных пород относительная трудоемкость работ возрастает при любых сечениях выработок.

Эффективность буровзрывных работ предопределяется работой врубовых, отбойных и оконтуривающих шпуров, а также энергетическими показателями применяемых взрывчатых веществ.

Можно отметить, что основная роль в формировании конечных результатов взрыва принадлежит врубовым шпурам. Отбойные шпуры работают на сформированную врубовую полость и разрушают основную массу горного массива, а оконтуривающие шпуры формируют требуемый контур горной выработки, обеспечивающий устойчивость окружающих пород в процессе ее эксплуатации. Назначение врубовых шпуров сводится к формированию дополнительных обнаженных поверхностей достаточной ширины, созданию врубовой полости достаточного объема и максимальному ослаблению взрывом заврубовой части массива (в зоне расположения отбойных шпуров).

На все эти показатели эффективности вруба оказывают влияние геометрические размеры вруба, его форма, величина заряда взрывчатых веществ (ВВ), продолжительность разрушения породы во врубе, относительный коэффициент использования шпуров вруба. За относительный коэффициент использования врубовых шпуров принимается отношение видимой глубины врубовой полости к глубине шпуров всего комплекта. При проведении горных выработок, как в крепких горных породах, так и в породах средней крепости применяются преимущественно призматические врубы, редко применяют клиновые врубы. В крепких и весьма крепких горных породах применяют призматические врубы с центральной незаряжаемой скважиной, выполняющей роль дополнительной обнаженной поверхности в системе вруба.

Исследования большого количества паспортов буровзрывных работ (БВР) и методов их расчета показали, что все они рассчитываются по однотипной методике, в которой при выборе параметров БВР в учет принимается две характеристики ВВ - работоспособность и бризант-ность, а при оценке эффективности взрыва -удельный расход ВВ и удельный расход бурения на 1м3.

В ранее проведенных исследованиях ФГБОУ ВПО КузГТУ нами был предложен метод расчета параметров БВР и оценки эффективности взрыва на основе следующих энергетических показателей [1].

1. Энергия взрыва заряда ВВ:

Евв=а,,

где ЕВВ - энергия взрыва заряда ВВ, кДж; 0> - теплота взрыва ВВ, кДж/кг; д- масса заряда ВВ, кг.

2. Мощность взрыва заряда ВВ, выражаемая отношением энергии взрыва заряда к продолжительности процесса детонации или количеством энергии, выделившейся за единицу времени евв

¥вй = "7

где г- продолжительность процесса детонации заряда ВВ, мкс;

Ывв - мощность взрыва заряда ВВ, кДж.

3. Объемная плотность энергии заряда, выражаемая отношением энергии взрыва к объему заряда ВВ (кДж/см3):

где У3 - объем заряда ВВ, см ; А - плотность ВВ, г/см3.

4. Объемная плотность энергии заряжания, равная отношению энергии взрыва к объему шпура.

где С1 - диаметр шпура, см; длина заряда ВВ в шпуре, см.

5. Поверхностная плотность энергии заряда ВВ, равная отношению энергии взрыва к площади боковой поверхности заряда ВВ

- 5 м'

где 5"- площадь боковой поверхности заряда ВВ, см2;

С - диаметр заряда ВВ, см.

6. Поверхностная плотность энергии заряжания, выражаемая отношением энергии взрыва к боковой поверхности зарядной камеры.

08

Рк =

21

Для выбора типа ВВ и оценки способности породы разрушаться под воздействием взрыва взамен показателя взрываемости предлагается принять следующие показатели:

A. Акустическая жесткость горных пород:

г = рпс,

где рп - плотность ..^оды, кг/м3;

с - скорость продольной звуковой волны в породе, м/с.

B. Энергоемкость разрушения породы:

для призматических врубов:

э=А

¿15

где А - энергия, затрачиваемая на дробление породы, кДж;

А5" - приращение площади боковой поверхности после дробления породы, см2.

Для оценки состояния горного массива впереди забоя проводимой горной выработки могут быть принять следующие показатели.

А. Показатель трещиноватости горного массива.

П = -а1а2аг,

где а1, а2, а3 - соответственно число трещин на 1 м систем А, В, С, выделенных в забое.

B. Угол встречи оси выработки с осью наиболее активной системы трещин, зависящей от угла залегания относительно оси выработки и угла падения этой системы.

а= аг^

где в - угол залегания наиболее активной системы трещин относительно оси выработки град; Ф- угол падения этой системы, град.

C. Глубина зоны растягивающих напряжений в горном массиве впереди забоя выработки.

1,4

Ф-.

Н

/Г''Л'

где /- коэффициент крепости породы по шкале проф. М. М. Протодьяконова;

- сечение выработки в проходке, м2; н - глубина заложения выработки, м; Л- коэффициент бокового отпора.

С учетом энергетических характеристик ВВ и состояния горного массива удельный заряд ВВ может быть рассчитан по формуле [2] .

Чвв =

48.6 - 0.04/7

№

1884,5-4-- + 502.3/- 1551.3

Л

Q

\

где Q - теплота взрыва ВВ, кДж/кг; а- угол встречи оси выработки с осью наиболее активной трещиноватости, град.

Удельный заряд для клиновых врубов во врубке может быть определен из выражения:

вр.

1 +

'ш?

Г/

x ф

При проведении горизонтальных горных выработок с креплением при выборе типа вруба следует учитывать необходимость предотвращения нарушения крепи действием взрыва.

Установлено, что при применении прямых врубов разброс взорванной массы и ее воздействие на крепь менее интенсивно, чем при клиновых врубах. Кроме этого прямые врубы обеспечивают увеличенное предразрушаю-щее воздействие на заврубовую часть массива, улучшая условия работы зарядов в отбойных шпурах.

При выборе рациональных параметров прямых врубов необходимо использовать следующие показатели:

1 .Полный объем обуренного призматического вруба.

увр=аЫш>

где а - ширина вруба, м; Ь - высота вруба, м; 1ш -глубина вруба, м.

2. Удельная энергия врубовых шпуровых зарядов ВВ - величина энергии ВВ, приходящейся на единицу полного объема вруба (кДж/м3).

£?ХС

V '

где суммарный заряд ВВ врубовых шпуров.

3. Активный объем вруба - объем горной породы во врубе, оконтуренной той частью шпуров, где размещены заряды ВВ.

Евр =-

увр=аЬ1з<

где 13- длина заряда ВВ во врубовых шпурах, м.

4. Удельная энергия зарядов ВВ, приходящаяся на единицу активной части вруба.

г -Як £ вр - г ' вр

где евр- удельная энергия активной части вруба, кДж/м3.

5. Коэффициент заполнения вруба, равный отношению активной части к полному объему вруба

При прямых врубах коэффициент заполнения вруба численно равен коэффициенту заполнения шпуров.

Исследования, проведенные в забоях подготовительных выработок угольных и рудных шахт, проводимых по породам с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодъяконо-ва от 4 до 18, площадью поперечного сечения

22

от 8 до 20 м2, при глубине шпуров от 1,6 до 2,5 м показали, что прямые врубы, расположенные в центральной части плоскости забоя и рассчи-

танные по энергетическим показателям эффективнее всех других типов врубов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Баранов, Л. В. Энергетические показатели эффективности взрыва / Л. В. Баранов, Ю. А. Маса-ев, Г. Е. Баранова //Научно-технические проблемы сооружения горных выработок: Межвуз. сб. научн. тр. Кузбас. политехн, ин-т.- Кемерово.-1991.-С.111-116.

2. Баранов, Л. В. Физические основы определения параметров взрывных работ в условиях проведения горизонтальных выработок / Л. В. Баранов, Ю. А. Масаев, Е. Е .Баранова // Совершенствование горнопроходческих работ при сооружении шахт и рудников - Кемерово. Межвуз. сб. науч. тр. Кузбас. политехн, инт..- 1989.- С.58-65.

TERMS OF UNDERGROUND MINE WORKINGS EFFICIENT CONSTRUCTION BY BLASTING

Massaev Y.A., Domanov V.P., Massaev V.Y.

Conditions of the most effective mine opening heading and the perimeter rock mass disturbance zone formation process as function of the cut parameters.

Key words: ROCK MASS, MINE OPENING, BUILDING METHOD OF AN UNDERGROUND CONSTRUCTION

Масаев Юрий Александрович

Доманов Виктор Петрович e-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

Масаев Владислав Юрьевич

23