Модель расчета зоны дробления горного массива зарядами вв с пеногелевой забойкой

УДК 622.232

И.Б.Катанов

МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ЗОНЫ ДРОБЛЕНИЯ ГОРНОГО МАССИВА ЗАРЯДАМИ ВВ С ПЕНОГЕЛЕВОЙ ЗАБОЙКОЙ

Поиск рациональной конструкции скважинных зарядов для дробления горных пород определяется необходимостью повышения их эффективности применительно к многообразию горногеологических условий разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом.

В основе поиска лежит определенная научная концепция, в которой заложена идея изменения механизма передачи энергии взрыва окружающей среде, реализуемой на принципе увеличения давления по высоте скважины и времени воздействия взрывного источника на разрушаемый массив горных пород. Разрушающее действие взрыва от скважинного заряда характеризуется предразру-шением массива ударными волнам, волнами напряжений и фугасным действием продуктов детонации. Действие ударных волн завершается в объеме около 1 % от общего объема дробления горных пород взрывом.

В основе методики управления энергией взрыва на стадии формирования в среде первичного поля напряжений лежит изменение составляющих г и t импульса взрыва при постоянной энергии заряда. Это изменение достигается увеличением продолжительности действия давления продуктов детонации на стенки зарядной камеры в результате качественной забойки скважин, преобразования форм распространяющихся в среде волн сжатия и вызываемых ими первичных зон напряжения.

Известно, что забойка скважин инертным материалом способствует повышению длительности воздействия давления продуктов взрыва на стенки зарядной камеры, а следовательно, и передачи энергии ВВ в среду. Действие забойки необходимо до тех пор, пока стенкам зарядной камеры и забойке, как неподвижной преграде, будет передан весь импульс взрыва.

Полагая, что разрушение горного массива осуществляется совместным действием энергией волн напряжений и давления газообразных продуктов, следует считать, что длительность импульса взрыва определяется временем действия продуктов детонации на среду и ее разрушением [1]

t = Ж + №

Р С V ,

г ^_р у тр

где tp - время разрушения массива без учета сдвижения, Vтp - скорость образования трещин ^тр * 0,5 Ср).

Для научного обоснования механизма взаимодействия волн напряжений, формирующихся при начальном давлении Рн, в массиве и забойке, представим скважинный заряд в виде колонки сферических зарядов радиусом г0 (рис.1).

Экспериментально установлено, что при ка-муфлетном взрыве на горизонтальной открытой поверхности образуются концентрические трещины.

На основании этого факта предположим, что образующая трещины зарождается на границе

Рис. 1. Схема к обоснованию распределения энергии заряда по незаряженной части скважины: г - радиус зоны смятия; в - угол; г0 - радиус заряда;ап аТ -радиальная и тангенциальная составляющая волны сжатия; т0 - результирующее напряжение, действующее на стенку скважины; Я - текущий радиус действия волны; № - смещения стенки скважины; И - высота смещения; Исж - высота сжатия забойки; 1заб - высота забойки; 1з - высота заряда; Рн, Рп, Рпр - давление соответственно начальное, в породе, забойке; гз.д - радиус зоны регулируемого дробления

зоны смятия радиусом г и распространяется из центра сферического заряда под углом в к вертикальной оси. Развитие трещины проявляется при превышении значения тангенциальной составляющей от волны сжатия пределу прочности пород на растяжение Ор с послойным их смещением Ж Процесс смещения можно рассматривать с позиций граничных задач теории упругости, когда элементарный слой ослаблен круговым отверстием (скважиной), а давление приложено к его ободу. Смещения Ж в каждом элементарном слое, при количестве слоев, составляющих расстояние, на котором от > Ор, формируют профиль деформированной стенки скважины.

Разрушение массива под воздействием прямой и отраженной волны напряжений без сдвижения определяется временем tp образования трещин до открытых поверхностей, через которые газообразные продукты вырываются из массива и их давление падает до атмосферного.

В отличии от горного массива низкоплотная, многокомпонентная среда под воздействием ударной волны имеет особый закон сжатия и разгрузки, учитывающий свойства компонентов и их содержание. Затухание взрывных волн в многокомпонентной среде значительно возрастает с увеличением содержания газообразного компонента а1, а скорость звука С в ней может быть на порядок меньше, чем в каждом из компонентов в отдельности. Так в буровой мелочи, содержащей в среднем а1 = 0,05 долей ед. скорость звука падает до 52 м/с, а в низкоплотной смеси на жидкой основе, содержащей а1 от 0,08 до 0,95 долей ед., С = 28-32 м/с.

Практически любой материал, применяемый в качестве забойки, является многокомпонентной средой с различным содержанием отдельных компонентов, т.е. воздуха а1, жидкости а2 и твердого вещества а3. Причем а1 + а2 + а3 = 1. Если

предположить, что а2 = 0, то смесь содержит твердый скелет с включениями воздуха. При а3 = 0, смесь представляет собой жидкую пузырьковую среду. Плотность каждого из составляющих при атмосферном давлении известна и составляет для воздуха 0,0012 г/см3, для воды 1 г/см3, а твердого (типа кварца), как основного элемента осадочных пород 2,65 г/см3.

Плотность многокомпонентной среды определяется соотношением плотности и объемным содержанием каждого компонента. С увеличением объемного содержания защемленного воздуха в пузырьковой среде, время ее сжатия tcx, изменяется пропорционально изменению акустической жесткости среды. За фронтом волны, прошедшей в пузырьковую среду формируется «коллективный» газовый пузырь, в котором сосредоточена энергия сжатого слоя, распределяющаяся в массив. Если на момент выброса забойки результирующее давление в скважине Pp, включающее давление газообразных продуктов взрыва Рн и газового пузыря Рпр больше прочностной характеристики породы на разрыв ор, то массив будет подвергаться разрушению в зоне дробления радиусом гз.д на высоту, занимаемую ПД 1з и газовым пузырем Ъсж. Задавшись количественными значениями параметров, характерных для типовых проектов буровзрывных работ в условиях разрезов Кузбасса (табл. 1) и характеристиками эталонного ВВ (граммонит 79/21 с плотностью заряжания рвв = 1000 кг/м3, и скоростью детонации 4000 м/с), проведем качественную оценку эффективности забойки, содержащей защемленный воздух.

Алгоритм решения поставленной задачи пакетом программ Mahtcad, Excel приведен на рис. 2.

Приняв в качестве переменной величины a1t рассчитывается время t(;x и величина слоя сжатия Нсж забойки на твердой и жидкой основе, давление в скважине Рр (рис. 3), импульс взрыва

Таблица 1

Средние значения параметров БВР в породах с различными структурно-прочностными и акустическими

характеристиками

Показатели Обозначения Категория пород по блочности

Мелкоблочные Среднеблочные Крупно и весьма крупноблочные

1. Коэффициент крепости по М.М. Протодъяконову f 3-5 б-S S-10

2. Диаметр скважин, м d 0,245 0,214 0,1S0

3. Глубина скважин, м 1ск 1б 1б 1б

4. Длина заряда, м і 9,5 9,б 11

5. Длина забойки, м 1заб 7,5 б,4 5

6. Линия наименьшего сопротивления, м 1нс б,б 5,б 3,S

7. Средний диаметр куска в развале, м ср d 0,3 0,4 0,5

8. Скорость звука, м/с С0 SS0 1500 1бб0

9. Плотность пород, кг/м3 р0 2450 2500 2550

^0 ’ Рт. > ^3 Ро > ^'0 > ^'6 ’ ^1) ^1 > Р~1 1 ^-"1 з

~ (1 _ <^1 )? >^з»^звВ5

^н.с.>/р ?2 > ^5 ’ ^ср> Р 3

1.

I

г

«ы =|[а1 [г, (П--Р.)/лс,2] + 1

^[М^н - 'Ро)//?2С2] + 1

А = 1-

I

Е= 2жВ

г01¥

(н-1)Л

1

1

1-Л""1 ______А

Ж

+ ,7,х

с/й

+

^д.=[<рМ(^РоАо^)]1/3

^сж

‘’Ы

Л36К) = {уГад/О-^Д^/ял2]}'

Р0) А,а6 /

I

^ сж ^чаб/2^

I

'Р = 4/Н.с./С0

т

Г0 = [О' со^/ЧЛ1-/')]- рп

I

W = т0г^ |2p0Clhыtga

В = раСЦА

Т

Р\ ~ Ро

'(Рг*в)/В

1

1/4

'* = 4/о

/ = Г +/

нар д сж

Р.=Г.{Ф1)1ПеН‘1',У 1 ~

|) = ^Р('А^Ге

1.

?(^) = бА^ (4+0

Рис 2. Алгоритм расчета параметров зоны дробления

I в пределах времени предразрушения массива, Из рис. 3. видно, что давление Рр в забойке с

радиус зоны дробления гдр и удельный расход ВВ твердым скелетом (буровая мелочь) с содержани-

д на разрушение массива с заданным качеством. ем воздуха а1=0,05 долей ед. соответствует дав-

Рис. 3. Изменение давления в скважине при сжатии: а) забойки с твердым скелетом (а1=0,05); б) на основе жидкости (а2=0,63); 1,2,3 - давление соответственно «коллективного» пузыря - Рпр; ПД-Рн; Рр-

результирующие

лению в скважине с жидкой забойкой при а 1=0,63. Соответственно импульс взрыва заряда ВВ с реальной твердой забойкой (буровая мелочь), содержащей в среднем аI = 0,05 долей ед., соответствует импульсу аналогичного заряда ВВ с пеногелевой забойкой, содержащей а1 > 0,63 долей ед. При давлении Рр на забойку из сопоставляемых материалов энергия взрыва распределяется в массив по высоте сжатия пеногеля более чем на 4 м, а при твердой забойке всего до 0,57 м.

Радиус зоны дробления с заданным качеством при а\=0,05 в твердой забойке соответствует его значению при а\=0,63 в жидкой. Радиус гдр и высота зоны дробления 1з+Исж определяют расход ВВ на объем породы, раздробленной с заданным качеством в сопоставляемых вариантах, и соотношение которых характеризуется коэффициентом усиления действия заряда ВВ с пеногелевой забойкой

Анализ зависимости Ку=/(а1) показывает, что максимальное усиление действия заряда ВВ, а следовательно и качество дробления возможно при а1=0,72.

Натурная оценка структурно-прочностных характеристик вскрышных пород показала, что практически весь спектр горно- и гидрогеологических условий разрезов Кузбасса, представлен породами разреза «Краснобродский», в т.ч. легко-взрываемыми, мелкоблочными трещиноватыми (алевролиты междупластья пл. Безымянного -Безымянного I); породами ниже средней блочно-сти (песчаники междупластья пл. Горелого - I Внутреннего) и крепкими породами средней блочности (песчаники пл. Горелого и Характерного).

Радиус зоны дробления вокруг каждого одиночного заряда из граммонита 79/21 массой 42 кг, закладываемого в скважину глубиной 7 м, диаметром 0,214 м и рассчитанного на камуфлетный взрыв, определялся методом сейсмического зондирования по изменению скорости распространения продольной упругой волны Ср в массиве.

Установлено, что при взрывании с пеногеле-

вой забойкой приведенный радиус зоны дробле-

к

Я О.й и

Я

и

^ 0.4 Л

аЗ 0,-3

!•= И г. I

О о. >

£^=-7,8783(1^+9,9762 оЛ2,3498 щ+С,15 Ь2=3,Э86Э

02 О.* 0,6 0# 1

Содержание воздуха, оц, доли ед.

Рис. 4. Зависимость показателя усиления действия заряда ВВ с пеногелевой забойкой

ния вокруг скважинного заряда, увеличивается по сравнению с забойкой из буровой мелочи на 7,1% в мелкоблочных породах; на 14,8% в породах средней крепости и на 21% в крепких породах.

Серия взрывов скважины глубиной 3 м, диаметром 0,150-0,214 м и длиной заряда 0,9 м проведена с целью установления зоны регулируемого дробления по высоте скважины. Вспучивание массива на высоту до 0,5 м наблюдалось при твердой забойке, а с пеногелевой забойкой формировалась воронка выброса глубиной до 0,7 м. Радиус зоны дробления определялся идентично первой серии экспериментов.

Верификация модели прогноза удельного расхода ВВ на объем разрушения с заданным качеством показали ее адекватность. Разница между расчетным и фактическим значениями с учетом показателя усиления взрыва составила 5-8%.

Таким образом, рациональное значение удельного расхода ВВ [2], скорректированное с учетом типа ВВ через коэффициент работоспособности, обводненности массива, фактического диаметра заряда и содержание воздуха в материале забойки, определяется по формуле:

-1

Чпр

5<1(2р -1) 1+0.15(4 -1И Н

ае -7.88«3 +9.97 а! -2.35а+0.15

где й - диаметр заряда, м; йе -диаметр естественной отдельности, м; Хр -рациональная степень дробления; Нв -высота столба воды в скважине, м; Н -высота уступа, м; а1 -объемное содержание воздуха в забойке, доли ед.

Эффективность дробления верхней части массива в зоне влияния горизонтальной открытой поверхности при использовании низкоплотных многокомпонентных смесей достигается за счет перераспределения начального давления в зарядной полости при сжатии пузырьковой среды и

увеличения времени активного воздействия продуктов взрыва на разрушаемый массив горных пород;

Таким образом, методический подход, основанный на классических теориях действия взрыва в различных средах позволил объяснить влияние воздуха, защемленного в материале забойки, на возможность управления качеством подготовки массива взрывом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Друкованый М.Ф. Управление действием взрыа скважинных зарядов на карьерах / М.Ф. Друко-ваный, В.С.Куц, В.И.Ильин. - М.:Недра, -1980, - 223 с.

2. Ташкинов А.С. Углесодержщие промышленные ВВ / А.С.Ташкинов, И.В.Тимошин . - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2005. - 128 с.

Автор статьи:

Катанов Игорь Борисович - канд.техн.наук, доц. каф. разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом

УДК 622.272

С.С. Кулагин

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ВСКРЫТИЯ И ПОДГОТОВКИ БАРЗАССКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Выполненное исследование связано со строительством высокорентабельного подземного угледобывающего предприятия в сложных горных, гидрогеологических условиях на запасах II шахтного поля Барзасского месторождения.

Основная задача состояла в разработке вариантов пространственной ориентации панелей и профилей выработок выемочных столбов, которые

бы в полной мере учитывали гипсометрию залегания пласта и эффективно осуществляли отток воды из подготовительных и очистных выработок, а также снижали негативное воздействие на окружающую среду, за счет эффективной технологии самоочистки шахтных вод.

При разработке схемы вскрытия и подготовки учитывалось влияние гидрогеологических факто-

Таблица 1

Вскрывающие выработки и их характеристики

Наименование выработки Длина выработки, м Угол наклона, град. Сечение в свету, м2 Материал крепления Назначение

Главные вскрывающие выработки

Конвейерный уклон 476 9 - 18 12,8 А - 13 - 22 ж/б затяжка Выдача горной массы на поверхность; выдача исходящей струи; запасной выход при аварии

Путевой уклон 476 9 -18 12,8 А - 13 - 22 ж/б затяжка Подача свежей струи воздуха при отработке запасов II очереди; спуск, подъем материалов, оборудования, людей; запасной выход при аварии

Фланговые вскрывающие выработки

Конвейерный уклон 935 15 12,8 А - 13 - 22 ж/б затяжка Выдача горной массы на поверхность исходящей струи; запасной выход при аварии

Путевой уклон 935 15 12,8 А - 13 - 22 ж/б затяжка Подача свежей струи при отработке запасов I очереди; спуск, подъем материалов, оборудования, людей