СПОСОБ БУРОВЗРЫВНОЙ ПРОХОДКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В НАПРЯЖЕННЫХ ТРЕЩИНОВАТЫХ МАССИВАХ ГОРНЫХ ПОРОД
DRILLING-AND-BLASTING METHOD OF MINE WORKINGS IN STRESSED FRACTURED ROCK MASSES

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровзрывной проходке горизонтальных, вертикальных и наклонных горных выработок, служащих для вскрытия, подготовки, а также для выемки полезного ископаемого и может быть использовано для строительства железнодорожных и автомобильных тоннелей.
Наиболее близким техническим решением является способ буровзрывной проходки горных выработок, включающий бурение взрывных шпуров при их количестве, определяемом из выражения в зависимости от площади сечения выработки, средней глубины шпура, массы заряда ВВ в шпуре, а также коэффициента заполнения шпура и расчетного удельного расхода ВВ, зависящих от коэффициента крепости горной породы (см. Справочник взрывника / Под ред. Б.Н. Кутузова.- М.: Недра, - 1988, - с.362-363).
Однако известно, что с увеличением глубины разработки удельный расход ВВ и число шпуров на забой увеличивают при одинаковых сечениях выработок и прочностных свойствах горных пород. Это связано с увеличением горного давления с глубиной разработки, что вызывает увеличение затрат энергии взрыва на трение, уменьшение длины радиальных трещин, а значит и увеличение затрат на дробление и выброс горной породы или руды. Кроме того, естественная трещиноватость существенно влияет на качество дробления горного массива и коэффициент использования шпура (КИШ) при проходке выработок и отбойке руды при слоевой выемке. Помимо этого, зависимости по определению числа шпуров и удельного расхода ВВ не учитывают детонационные характеристики ВВ (скорость детонации, плотность заряжания) и диаметр заряда ВВ, что может привести к снижению КИШ и повышению выхода негабарита при использовании нового типа ВВ или другого диаметра шпура.
Предложен способ буровзрывной проходки горных выработок в напряженных трещиноватых массивах горных пород, который включает бурение шпуров при их количестве, определяемом из соотношения в зависимости от площади сечения выработки, геометрических параметров шпура и заряда ВВ в шпуре, расчетного удельного расхода ВВ, зависящих от коэффициента крепости горной породы, заряжание шпуров и их короткозамедленное взрывание, отличающиеся тем, это с учетом трения, горного давления и степени трещиноватости массива число шпуров на забой выработки определяют из выражения:
а удельный расход ВВ из соотношения
где
2
S - площадь сечения выработки, м;
0
a - среднее расстояние между шпурами в забое, м;
з
K - коэффициент заполнения шпура ВВ;
з
d - диаметр заряда ВВ, м/с;
в
3
ρ - плотность заряжания, кг/м;
π=3,14;
D - скорость детонации ВВ, м/с;
с - скорость продольной волны в отдельности массива горных пород, м/с;
ν - коэффициент Пуассона отдельности;
р
σ - предел прочности на разрыв отдельности, Па;
µ - коэффициент трения между отдельностями в массиве;
Ф - показатель трещиноватости массива;
e
d - размер отдельности массива, м;
P - величина горного давления в месте взрывания, Па;
к
d - размер кондиционного куска, м;
0
W - линия наименьшего сопротивления, м, W=а.
Предложенный способ позволяет обеспечить заданный КИШ и степень дробления напряженного трещиноватого горного массива при проходке выработок. Это происходит за счет определения необходимого числа шпуров на забой и удельного расхода ВВ с учетом эффектов трения между выбрасываемыми отдельностями массива, горного давления, уменьшающего радиус радиальных трещин и степени естественной трещиноватости массива, а также последующего бурения, заряжания и короткозамедленного взрывания врубовых, отбойных и оконтуривающих шпуров.
3
Сущность способа заключается в следующем. Действие взрыва в трещиноватом горном массиве подразделяется на две фазы: волновую и квазистатическое давление продуктов детонации (ПД). Волна напряжения распространяется со скоростью 2000-5000 м/с и имеет малую длительность фазы сжатия 0,05-0,7 мс, поэтому при величине раскрытия естественных трещин 2-8 мм волны напряжений полностью теряют свою энергию на трещинах - известный факт. На подземных горных работах раскрытие трещин составляет 0,1-5,0 мм, то есть и здесь волны напряжений теряют часть своей энергии на ближайшей трещине. С учетом того, что блочность массива, например на рудниках ОАО ППГХО, составляет в основном 0,1-0,4 м, то есть число трещин, встречающихся на пути распространения волн напряжений (в пределах радиуса зоны радиального трещинообразования), равно 2 и более, можно сказать, что естественная трещиноватость полностью локализует энергию волны напряжения вблизи заряда ВВ. Определяющим механизмом дробления (радиального трещинообразования) отдельностей массива, в пределах (5-15)d в является квазистатическое давление продуктов детонации, что обеспечивает соударение отдельностей.
Иными словами, под действием квазистатического давления продуктов детонации в массиве распространяется волна деформаций со скоростью 10-100 м/с, представляющая собой последовательное перемещение раздробленных и нераздробленных отдельностей в радиальном направлении от заряда ВВ. Перемещение отдельностей сопровождается деформированием массива на берегах естественных трещин, упругим деформированием отдельностей массива и трением по граням отдельностей при их смещении друг относительно друга.
Основываясь на указанном механизме действия взрыва, и используя закон сохранения энергии определены теоретические формулы расчета радиальных и тангенциальных напряжений в массиве, радиус зоны радиального трещинообразования и радиус зоны регулируемого дробления. Далее из геометрических соображений определено среднее расстояние между шпурами в забое выработки, число шпуров на забой и удельный расход ВВ (см. приложение 1).
0
р
k
з
e
Предложенный способ осуществляют следующим образом. Вначале определяют величину a, подставляя туда численные значения параметров. Физико-механические свойства массива σ, c, ν, ρ обычно определяют на стадии геологоразведочных работ по известным методикам. Величину d задают исходя из требуемой степени дробления массива. Значения величин Ф, µ, K взаимосвязаны с размером естественной отдельности d, их определяют из таблицы
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
K<sub>з</sub>
<0,4
0,4-0,5
0,5-0,65
0,65-0,8
>0,8
в
3
2
Детонационные характеристики ВВ (D, ρ) и диаметр заряда ВВ (d) определяют используя справочную литературу. Величину горного давления в районе подготовки массива определяют либо геофизическими методами, либо по известной формуле Р=kρgH (где g - ускорение свободного падения, м/с; Н - глубина от поверхности земли, м; k - коэффициент концентрации напряжений вблизи обнажения горного массива, k=2-3).
Далее определяют величину N по формуле (1) при заданном значении площади сечения выработки S и величину удельного расхода ВВ по формуле (2).
После вычислений бурят шпуры, заряжают их зарядами ВВ, монтируют электровзрывную сеть или сеть СИНВ-Ш и производят короткозамедленное взрывание врубовых, отбойных и оконтуривающих зарядов ВВ на врубовую полость или открытую поверхность горного массива.
e
р
з
3
7
3
3
Пример конкретного выполнения. Для снижения выхода негабарита (+400 мм до 2-5%) и обеспечения заданного КИШ (не менее 0,85) при взрывной отбойке урановых руд на рудниках ОАО ППГХО с использованием системы разработки: нисходящая слоевая выемка с твердеющей закладкой определены параметры БВР в соответствии с формулами (3), (1) и (2). Массив в блоке 6а-1212, слой 22, заходка 4, рудник «Глубокий» представлен гранитами с размером отдельности d=0,05-0,15 м (0,1 м в среднем). Физико-технические свойства гранитов c=4,54·10 м/с, ν=0,23, µ=0,25, σ=0,86-10 Па, ρ=2,5·10 кг/м, Ф=11, K=0,45.
3
в
3
3
2
3
3
7
Взрывание производят патронами аммонала-200 с d=0,04 м, ρ=0,9-10 кг/м, D=4,4-10 м/с. Величина горного давления при H=500 м, g=9,8 M/c, ρ=2,5-10 кг/м, k=2 равна P=2,5·10 Па.
к
0
0
3
3
2
3
Размер кондиционного куска d=0,4 м, площадь сечения заходки S=14 м. Подставляя численные значения в (3) получим a=0,91 м. Подставляя a в (1) и (2), с учетом численных значений K, d рв получим N=34, q=1,23 кг/м.
В соответствии с указанными параметрами бурили, заряжали, короткозамедленно взрывали шпуры в слоевой заходке блока 6а-1212. После взрыва гранулометрический состав определяли фотопланиметрическим методом. По трем фотографиям установлено, что выход негабарита (+400 мм) составил 1,4%, КИШ, определенный по средней длине «стаканов» составил 0,89. Аналогичные работы, проведенные в блоке 5-829, слой 13, заходка 4, рудник 1 при слоевой отбойке трахидацитов позволили уменьшить выход негабарита до 4,4% и КИШ довести до 0,9. В настоящее время ведется внедрение параметров БВР при слоевой отбойке руд на рудниках ОАО ППГХО в различных по степени трещиноватости массивах горных пород, с учетом эффектов трения и горного давления. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 180 млн. руб.
Таким образом, использование предлагаемого способа буровзрывной проходки горных выработок в напряженных трещиноватых массивах горных пород доказало его эффективность и достоверность.
Приложение 1. Теоретический расчет среднего расстояния между шпурами в забое, числа шпуров и удельного расхода ВВ на забой выработки.
Повышение КИШ и снижение выхода негабарита обеспечивают повышение эффективности и уровня безопасности горных работ. Это достигается расчетом оптимального числа шпуров и удельного расхода ВВ на забой с учетом естественной трещиноватости массива, а так же величины горного давления и трения при взрывном разрушении и выбросе горной массы.
При взрыве заряда ВВ, отдельности, пронизанные зарядом, дробятся на куски под действием волны напряжения. Под действием продуктов детонации раздробленные отдельности движутся в радиальном направлении, обеспечивая деформирование трещиноватого массива между гранями отдельностей, упругим деформированием и разрушением отдельностей массива, трением по граням отдельностей. Эффект трения и интенсивность разрушения отдельностей существенно зависят от величины горного давления в массиве.
Величина радиальных напряжений с учетом трения и горного давления при взрыве одиночного заряда ВВ в безграничном массиве для подземных горных работ составляет [1]:
Первые два члена правой части (1) представляют собой динамическую компоненту радиального напряжения от взрыва, третий - статистическую.
Величина тангенциальных напряжений с учетом пригрузки массива горным давлением равна
pm
p
Радиус зоны трещинообразования определен из (2), считая, что динамическая часть σ(r) без величины P в правой части равенства равна пределу прочности отдельности массива на разрыв σ, то есть
p
к
e
0,5
Радиус зоны регулируемого дробления (R) в пределах которой размер крупных кусков не превышает кондиционного определен путем умножения правой части (3) на величину (d/d) , полученную согласно закону Риттингера: работа разрушения обратно пропорциональна размеру разрушенных кусков, а разрушающее напряжение пропорционально корню квадратному из этого выражения. Тогда
p
При взрывании одиночных шпуровых зарядов ВВ на открытую поверхность (врубовые на забой выработки, отбойные и оконтуривающие на врубовую полость) часть энергии расходуется на выброс породы и согласно [1] величина R должна быть умножена на
0
p
Среднее расстояние между шпурами в забое равно a=2R или
0
0
Число шпуров на забой выработки можно определить зная, что 1 шпур обеспечивает дробление и выброс породы на свободную поверхность в виде треугольника (в сечении перпендикулярном оси шпура) с основанием a и высотой W=a. Тогда
1
2
где S площадь сечения горной породы выбрасываемой одним шпуровым зарядом ВВ, м.
Подставляя (9) в (8) получим:
Удельный расход ВВ можно определить по формуле:
в
где Q - масса заряда ВВ в шпуре, кг;
1
3
V - объем породы отбитый одним шпуром, м.
;
Подставляя (12) в (11) и учитывая, что
- коэффициент заполнения шпура ВВ, получим
з
Промышленные экспериментальные исследования показали, что величина К зависит от степени трещиноватости горного массива и может быть определена по формуле
Библиографический список
1. 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 промтехнологий. - 2002. - С.102, 113.