СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ВРУБОВОЙ ПОЛОСТИ
METHOD FOR PRODUCTION OF CUTTING CAVITY

Изобретение относится к горному делу, более конкретно - к способам образования врубовых полостей при проходке подземных горных выработок буровзрывным способом в угольной и горнорудной промышленности в условиях невзрывоопасной рудничной атмосферы.
Известен способ образования врубовой полости при проходке горных выработок путем применения следующей конструкции вруба.
Вруб состоит из центрального шпура (скважины), пробуренного перпендикулярно плоскости забоя на глубину больше на 0,6-1,0 м, и расположенных параллельно вокруг него периферийных шпуров. Заряд в центральном шпуре помещают только в перебуре, а в периферийных - на полную глубину заходки с учетом забойки. Взрывание производят с замедлением: сначала взрывают периферийные шпуры, а затем заряд в центральном шпуре (Э.О.Миндели. Разрушение горных пород. - М: Недра, 1974. - С.371, рис.181).
Недостатками такого способа образования врубовой полости являются высокие требования к точности бурения шпуров, что при применении глазомерных способов ориентирования направления бурения приводит к ограничению глубины заходки до 2,5 м и снижению эффективности очистки врубовой полости в вязких пластичных породах вследствие запрессовки отбитой горной массы, прочность которой становится соизмеримой с прочностью неразрушенной среды. Кроме того, необходимым условием эффективной работы данного вруба является разрушение среды, заключенной между периферийными шпурами и центральным, до полной потери связанности (до песка), что достигается при таких расстояниях между ними, при которых вероятность переуплотнения и затухания детонации зарядов, входящих в систему вруба, даже при применении непредохранительных ВВ и инициировании их одной ступенью замедления, весьма высока. Это недопустимо в условиях, опасных по газу и пыли, а в условиях, допускающих применение непредохранительных ВВ, приведет к снижению надежности результатов взрыва и повышению вероятности аварийности взрывных работ.
Известен также способ образования врубовой полости, включающий бурение центральной скважины и расположенных вокруг нее периферийных шпуров перпендикулярно плоскости забоя, заряжание периферийных шпуров цилиндрическими зарядами взрывчатых веществ, а центральной скважины - донным зарядом и взрывание. При этом в центральную скважину на уровне дна зарядов периферийных шпуров помещают капсюль-детонатор в сегментной обойме и соединяют его детонирующим шпуром с донным зарядом (авторское свидетельство СССР №724730, кл. E21C 37/00).
Преимущество этого способа заключается в том, что выброс отбитой горной массы из врубовой полости производится донным зарядом в тот момент, когда горная масса находится в движении, то есть запрессовка породы еще не произошла.
Использование такого технического решения улучшает условия очистки врубовой полости, но не устраняет полностью зависимости эффективности выброса материала от глубины заходки, поскольку весь объем разрушенной среды должен перемещаться по небольшому сечению, ограниченному шпуровыми зарядами, положение которых относительно центральной скважины определяется величиной разрушаемого целика между ними, и поэтому не может быть большим.
Недостатком этого способа являются также высокие требования к точности положения периферийных шпуров относительно центральной скважины, что обеспечивается только при условии применения средств ориентирования и удержания в заданном положении исполнительных органов бурильных установок.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известный способ образования врубовой полости, включающий бурение центральной скважины и шпура с заряжающим зарядом и расположенных вокруг нее периферийных шпуров перпендикулярно плоскости забоя, заряжание периферийных шпуров ярусными зарядами, а центральной скважины - сосредоточенным зарядом камуфлетного действия относительно плоскости забоя и одновременное взрывание в первую очередь зарядов в периферийных шпурах первого яруса, запрессовывающего и сосредоточенного заряда в центральной скважине, и взрывание с интервалом 15-20 мс зарядов второго яруса периферийных шпуров (авторское свидетельство СССР №1120761, кл. E21C 37/00).
К числу преимуществ данного способа образования врубовой полости следует отнести высокий эффект формирования свободной полости диаметром до 0,8-1,2 м при глубине заходки до 3,0 м и возможность применения в условиях, опасных по газу или пыли, поскольку в нем используются безопасные уровни концентрации энергии предохранительных ВВ и порядок инициирования зарядов, допущенные «Едиными правилами безопасности при взрывных работах».
Вместе с тем при глубине шпуров заходки 3,0 м и более для эффективного разрушения и выброса среды масса сосредоточенного заряда возрастает до такого уровня, при котором уже не исключается возможность уплотнения им шпуровых зарядов нижнего яруса, что недопустимо как в опасных, так и неопасных условиях производства взрывных работ. Таким образом, по условиям исключения уплотнения зарядов, входящих во вруб, данный способ, как и предыдущие, не может обеспечить подвигания забоя за один взрыв более 3,0 м.
В то же время современные образцы буровой техники обеспечивают бурение шпуров до 4,0 м и более. Технические возможности новых буровых установок могут быть реализованы только на основе применения врубов, обеспечивающих формирование полостей соответствующей глубины.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности образования глубокой врубовой полости и исключение возможности уплотнения зарядов.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе образования врубовой полости, включающем бурение периферийных шпуров и центральной углубленной скважины, заряжание периферийных шпуров цилиндрическими ярусными зарядами, а центральной скважины - сосредоточенным зарядом в донной части камуфлетного действия и взрывание зарядов ярусами в направлении от поверхности забоя вглубь массива, центральную скважину заряжают сосредоточенными ярусными зарядами камуфлетного действия относительно уровней, разрушаемых цилиндрическими зарядами в периферийных шпурах каждого яруса, которые располагают на уровне инертной забойки, находящейся между зарядами в периферийных шпурах, заряды в шпурах и скважине каждого яруса взрывают поочередно: сначала одновременно цилиндрические заряды в периферийных шпурах, а затем сосредоточенный заряд в скважине.
Отличительные от прототипа признаки заключаются в том, что ярусами располагают не только заряды в периферийных шпурах, но и сосредоточенные заряды в центральной скважине, при этом в каждом ярусе сосредоточенные заряды смещены вглубь массива и оказывают камуфлетное действие относительно уровня, разрушаемого цилиндрическими зарядами в периферийных шпурах этого яруса. Сосредоточенные заряды в скважине, кроме донного, размещают на уровне забойки, находящейся между ярусами зарядов в периферийных шпурах. Заряды в каждом ярусе взрывают поочередно: сначала одновременно цилиндрические заряды в периферийных шпурах, а затем с замедлением сосредоточенный заряд в скважине.
В известных технических решениях, принятых за аналоги, отсутствуют признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемый способ от прототипа. Отсюда следует, что предложенный способ соответствует критерию «существенные отличия».
Положительный эффект от изобретения обеспечивается за счет такого взаимоположения и порядка инициирования зарядов, при котором разрушение массива, независимо от удаления взрываемой его части от поверхности забоя, происходит при пониженной относительно объемного сжатия энергоемкости разрушения, за счет влияния открытых поверхностей, образуемых взрыванием с опережением зарядов, расположенных ближе к устью заходки относительно взрываемых после них, и дополнительного уплотнения через массив породы межъярусной забойки цилиндрических зарядов сосредоточенными, а межъярусной забойки сосредоточенных - запрессовывающими зарядами в центральном шпуре. Отсутствие уплотнения ВВ обеспечивается смещением цилиндрических зарядов по оси шпуров относительно сосредоточенных таким образом, чтобы на уровне последних располагалась межъярусная забойка.
На фиг.1 показано расположение шпуров и скважины с зарядами в плоскости забоя; на фиг.2 - то же в горизонтальной плоскости; на фиг.3 - схема очередности разрушения массива во врубе на фиг.2.
На чертеже обозначены: центральная скважина 1 с сосредоточенными ярусными зарядами 2 и песчано-глинистой забойкой 3, шпур 4 с зарядами запрессовки 5 и забойкой 6; периферийные шпуры 7 с цилиндрическими ярусными зарядами 8 и песчано-глинистой забойкой 9.
о
Римскими цифрами на чертеже обозначена очередность инициирования всех зарядов, входящих в систему вруба. Заглавными буквами на фиг.3 обозначены: А - зона полного разрушения и выброса среды цилиндрическими ярусными зарядами периферийных шпуров; Б - зона трещинообразования (предразрушения) зарядами периферийных шпуров; В - зона полного разрушения и выброса среды сосредоточенными ярусными зарядами; Г - зона доразрушения и выброса среды сосредоточенными ярусными зарядами. Линия наименьшего сопротивления зарядов массой четыре диаметра цилиндрических обеспечивается при их действии с показателем выброса, равным 1,0-W.
Процесс образования врубовой полости согласно предлагаемому способу заключается в следующем.
Перпендикулярно полости забоя выработки глубиной более 3,0 м бурят центральную скважину 1, шпур 4 и периферийные шпуры 7, причем центральную скважину 1 бурят на глубину 8-10 ее диаметров глубже периферийных шпуров 7. Периферийные шпуры 7 располагают равномерно по окружности, центром которой является центральная скважина 1. Радиус окружности и количество периферийных шпуров определяются расчетным путем, который должен учитывать физико-механические свойства пород и энергию ВВ. Для большинства горногеологических условий проходки количество периферийных шпуров равно 8, расстояние между ними на окружности изменяется в пределах 0,3-0,6 м, а радиус (r) на 10-15% больше этого расстояния.
Ц
Для запрессовки устья и промежутков между ярусами сосредоточенных зарядов центральной скважины 1 пробуривается шпур 4 с зарядами запрессовки 5 на расстоянии от оси скважины не более величины разрушаемого целика L.
Количество ярусов в скважине и периферийных шпурах определяется свойствами среды и ВВ и необходимой величиной подвигания забоя за цикл.
В центральную скважину 1, начиная с ее донной части, помещают сосредоточенные ярусные заряды 2 длиной, равной четырем-пяти диаметрам скважины, которые разделяют между собой на ярусы сплошной песчано-глинистой забойкой 3 длиной не менее 1,0 м. Расстояния между сосредоточенными ярусными зарядами 2 принимаются такими, чтобы в расчете до верхних границ зоны А каждого яруса обеспечивался их камуфлетный взрыв. Устьевая часть центральной скважины 1 до верхней границы зоны А первого яруса забойкой не заполняется.
Периферийные шпуры 7, начиная от донной их части, заряжают цилиндрическими ярусными зарядами 8, разделенными сплошной песчано-глинистой забойкой 9 длиной не менее 0,6 м. Заряды первого яруса периферийных шпуров 8 заполняют песчано-глинистой или водяной забойкой 9 длиной не менее 0,5 м. Цилиндрические заряды 8 располагают в периферийных шпурах 7 таким образом, чтобы они не находились напротив сосредоточенных зарядов 2, чем снижается возможность их уплотнения и при этом обеспечивается необходимая эффективность разрушения при максимальном их удалении по этому фактору от сосредоточенных зарядов 2.
Заряды запрессовки 5 массой 0,2-0,3 кг помещают в шпур 4 на уровне дна цилиндрических зарядов 8 каждого яруса в периферийных шпурах. Промежутки между зарядами запрессовки заполняют сплошной песчано-глинистой забойкой 6.
Первоначально одновременно взрывают цилиндрические заряды 8 первого яруса и заряды запрессовки 5 всех ярусов вруба, а затем с замедлением не менее 20 мс взрывают сосредоточенный заряд 2 в центральной скважине 1. Порядок инициирования зарядов последующих ярусов и величины замедления аналогичны.
Вследствие того, что изобретением предусмотрено обеспечение требования как эффективности, так и безопасности и надежности образования врубовой полости по условиям исключения уплотнения зарядов, входящих в систему вруба, между которыми существуют противоречия: эффективное разрушение среды без учета влияния свободных поверхностей обеспечивается при таких расстояниях между зарядами (Механический эффект подземного взрыва: Под ред. М.Садовского. - М.: Недра, 1971. - С.21, формулы 2.9-2.11), при которых не исключается возможность их взаимного уплотнения (Постановление Госгортехнадзора России от 30.01.01 №3, п.60, глава V, приложение 1, таблица 4).
Разрушение и выброс среды в предложенном врубе будет происходить следующим образом.
о
При одновременном инициировании цилиндрических зарядов 8 первого яруса и зарядов запрессовки 5 всех ярусов вруба, вследствие недостатка концентрации энергии ВВ в цилиндрических зарядах 8 полное разрушение и выброс среды распространится только до глубины W (зона А), а далее массив будет разрушен трещинами (зона В), сохранив до 20% своей первоначальной прочности. Запрессовывающие заряды 5 одновременно срезают целики породы, дополнительно уплотняя материал забойки в скважине 1, за счет чего увеличивается время воздействия сосредоточенных зарядов 2 на массив и снижается степень уплотняющего воздействия друг на друга.
При инициировании сосредоточенного заряда 2 первого яруса с замедлением не менее 20 мс процесс отделения трещинами зоны Б по контуру периферийных шпуров в первом ярусе и разделения его на блоки уже закончен, поэтому камуфлетное действие сосредоточенного заряда распространяется до вновь полученной открытой поверхности, при этом зона В первого яруса полностью разрушается и отделяется от массива по контуру воронки выброса сосредоточенного заряда с углом раскрытия α не более 90° и доразрушается и выбрасывается из полости вруба порода зоны Б.
Порядок разрушения и выброса среды в зоне второго яруса и последующих аналогичен процессу формирования врубовой полости в первом ярусе.
Концы и начала цилиндрических ярусных зарядов 8 отстоят от центров ближайших сосредоточенных зарядов на расстояния, определяемые формулами:
где r - расстояние от центров ближайших сосредоточенных зарядов до периферийных шпуров;
ш
d- диаметр шпуровых зарядов;
α - угол раствора воронки выброса сосредоточенных зарядов;
о
ш
W - линия наименьшего сопротивления начал и концов шпуровых зарядов, приравненных по действию к сосредоточенным (4÷5d), до открытой поверхности или поверхности обнажения, создаваемой сосредоточенными зарядами в скважине.
о
Из этих формул видно, что при всех реальных значениях W, r и α концы и начала шпуровых зарядов находятся от сосредоточенных зарядов дальше, чем периферийные шпуры. Если учесть, что интенсивность затухания амплитуды в волне напряжения шаровой симметрии прямо пропорциональна относительному расстоянию до источника во второй степени, а цилиндрической симметрии только в степени, равной 1,5, то при одинаковом начальном уровне напряжений, создаваемых цилиндрическими и сосредоточенными зарядами, уплотняющий эффект последних на одинаковом расстоянии будет существенно меньше. Это позволяет увеличивать массу сосредоточенных зарядов и соответственно глубину каждого яруса или уменьшить их количество при заданной глубине заходки.
Для того чтобы глубина скважины не превышала глубину шпуров более чем на 0,4-0,5 м, угол α сосредоточенного заряда последнего яруса может быть увеличен до 120°, поскольку кинетическая энергия выброса породы сосредоточенным зарядом последнего яруса будет значительно снижена за счет многократного отражения от стенок устьевой части врубовой полости.
По сравнению с прототипом при реализации предлагаемого способа обеспечивается возможность применения глубины шпуров заходки 3,0 м и более при высокой эффективности всего комплекса буровзрывных работ.
Образование врубовой полости по предлагаемому способу выгодно отличается от известных способов тем, что им предусмотрено такое расположение зарядов относительно друг друга и порядок инициирования, при которых исключается их взаимное уплотнение и обеспечивается необходимый уровень эффективности.
Для образования врубовой полости одинаковой глубины с прототипом может использоваться скважина меньшего диаметра. Кроме того, при постоянном диаметре скважины обеспечивается возможность варьирования глубины заходки в широком диапазоне.
За счет более рационального использования объема скважины трудоемкость ее бурения, отнесенная к единице глубины вруба по предложенному способу, относительно способа по прототипу, существенно снижается.