Уточнение расчетных формул для разработки паспортов буровзрывных работ

УДК 622.458

УТОЧНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПАСПОРТОВ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ

В.П. Сафронов, А.В. Панкратов

Представлены уточненные формулы расчета параметров паспортов БВР на основе фоточислового анализа свободных поверхностей выемочного блока карбонатного массива. Приведено описание экспресс-метода сбора расширенной исходной информации о породном массиве на основании фоточислового анализа поверхности откоса выемочного блока.

Ключевые слова: буровзрывные работы, фоточисловой метод, цветовая гамма пород, прочностные характеристики.

Совершенствование взрывной или безвзрывной технологии подготовки карбонатных породных массивов к экскавации зависит от уровня достоверности информации о структурных и прочностных свойствах породного массива и собственно слагающих его горных породах. Массивы карбонатных пород являются трудно прогнозируемыми по структурным и прочностным свойствам, например, массив известняков характеризуется неоднородностью по структурным и прочностным свойствам не только в пределах месторождения, но и даже в рамках горизонта, уступа. Структуру массива известняков задают системы трещин и последовательность напластований разнопрочных пород. Для количественной оценки породных массивов используют такие показатели, как модуль трещино-ватости, коэффициент трещиноватости, предел прочности породных образцов на сжатие, растяжение. Высокую точность результатов при решении разного рода задач, связанных с разрушениями породных массивов взрывным или безвзрывным способами, невозможно получить из-за усреднённой информации о карбонатном массиве. Поэтому совершенствование экспресс-способов получения достоверной информации о породном массиве и ее формализации является актуальной задачей.

Базовой прочностной характеристикой горной породы является предел ее прочности на одноосное сжатие осж. Соотношения между максимальными и минимальными значениями пределов прочности карбонатных пород при сжатии колеблются от 2 до 10 МПа и более. Отмечено, что предел прочности образцов карбонатных пород зависит от размера зерен цементируемого материала. С увеличением размера зерен цемента предел прочности образцов пород на одноосное сжатие уменьшается и, наоборот, при уменьшении размера зерен цемента предел прочности образцов пород на одноосное сжатие увеличивается.

Неоднородность массивов известняков по прочности обусловливается содержанием в них слоев слабых разностей (породы с пределом прочности при сжатии менее 20 МПа), которые представлены межслоевыми породами и «рубашками» выветрилости отдельностей, выделенных системами трещин. Без сла-

бых разностей известняки достигают значения предела прочности при сжатии до 150 МПа. Коэффициент вариации значений предела прочности известняков при сжатии изменяется от 29 до 62 % [2]. Прочностные свойства естественной породной отдельности определяются взаимным расположением зерен минералов и цемента, слагающих породу. Прочностные характеристики породного массива определяются взаимным расположением природных естественных отдельностей (блоков) и их контактными связями по граням между отдельностями [1].

Испытание, изучение породных образцов на лабораторных установках позволяет установить показатели свойств пород только для отобранных проб, но для массива пород данные показатели свойств уже не будут актуальны по причине разномасштабности организации породы и породного массива в геологической среде. Породный массив рассматривается как часть геологической системы. Так, например, буровзрывной способ ориентирован на одномоментное рыхление и дробление породного массива - выемочного блока уступа (или спаренных уступов), а безвзрывной способ подготовки породного массива к экскавации ориентирован на контакт рабочего органа с природной отдельностью карбонатного массива. Взрыв работает на всех уровнях организации вещества, а механический инструмент взаимодействует с горной породой и разрушает в основном цементационные связи. Поэтому расчеты технологических параметров взрывного способа должны опираться на показатели, характеризующие прочность, структуру массива выемочного блока и породу его слагающих. Необходимо отметить, что массивы карбонатных пород, как правило, имеют многослойное строение, а каждый слой имеет свои характеристики прочности, свой коэффициент трещинова-тости и пределы прочности образцов пород соответственно сжатию, растяжению и сдвигу.

Рассмотрим формулу показателя трудности разрушения породного массива (1) и определим, насколько она учитывает показатели, характеризующие прочность, структуру массива выемочного блока и прочностные характеристики пород его слагающих:

Ктр ^сжат +s раст +^сдв )+10 ' pn ' g.,

где Ктр - коэффициент, учитывающий трещиноватость пород; <зсжат,

sраст, всдв - предел прочности пород соответственно сжатию, растяжению

и сдвигу, МПа; pn - плотность горной породы кг/м ; g - ускорение свободного падения м/с2.

Если принимать условие, что скважинный заряд в породном массиве пересекает один слой, что на практике производства горных работ такие ситуации почти не встречаются, то какая система трещин оценивается коэффициентом трещиноватости в формуле

В формуле расчета удельного расход взрывчатого вещества присутствует значение коэффициента крепости образца породы f, который принимается рав-

ньш 0,1 (Гсжат:

П р = 0,05

дп = 0,47^ + 0,2)4/ рп-

2,6

V ^н у

где de - средний размер естественной отдельности, м; / - коэффициент

крепости породы; рп - плотность горной породы, кг/м3; dн - принятый

размер негабаритного куска, м; е - коэффициент работоспособности принятого ВВ.

В формуле (2) средний размер естественной отдельности является показателем, характеризующим породный массив как среду из отдельно-стей, разграниченных системами трещин. Карбонатный массив - многослойная среда, и мощность каждого слоя определяет размеры отдельно-стей. Если учитывать, что мощность каждого слоя карбонатного массива изменяется в среднем от 0,1 до 1,5 м, то какой средний размер естественной отдельности вводить в формулу (2) для расчета удельного расхода взрывчатого вещества скважинного заряда?

В формулу для вычисления диаметра скважин, пробуренных под заряды ВВ, включены показатели, характеризующие породный массив через высоту уступа, коэффициент трещиноватости и плотность горной породы.

d,

скв

50 К

тр

р зар

р

п

где Ну - высота уступа, м; а - угол откоса уступа, град.; с - минимально допустимое расстояние (3,0 м) от оси скважины до верхней бровки уступа, м; рзар -

плотность заряжания взрывчатого вещества в скважине, кг/дм3; рп - плотность горной породы, кг/м .

Уступ включает несколько слоев породного массива. Каждый слой имеет свой коэффициент трещиноватости и плотность горных пород. Более достоверно оценивать эти показатели возможно как средневзвешенные относительно мощности каждого слоя. Достоверные мощности слоев можно получить с поверхности откоса уступа.

В формуле по расчету линии сопротивления по подошве присутствует, как и в формулах (1), (2), коэффициент трещиноватости

ш = 53К d

р

зар

р

где Ктр - коэффициент, учитывающий трещиноватость массива пород; dскв - диаметр скважины, м; рзар - плотность заряжания взрывчатого ве-

33

щества в скважине, кг/дм ; рп - плотность горной породы кг/м [3].

е

Из результатов анализа формул (1) - (4) и с учетом накопленного практического опыта реализации паспортов БВР следует, что требуется индивидуальный подход к оценке каждого слоя породного массива. Одни слои карбонатного массива требуют только рыхления, а другие, которые способны «выдать» негабариты, требуют дробления естественных отдельностей, входящих в состав слоя, то есть при подготовке паспорта БВР нужно соблюдать принцип «Не дроби в породном массиве ничего лишнего». Для соблюдения данного принципа предлагается усовершенствовать расчетный аппарат за счет ввода в вышеприведенные формулы показателей, которые объективно характеризуют в режиме реального времени породный массив. Такие показатели предлагается получать за счет применения экспресс-методов сбора расширенной исходной информации о породном массиве на основании фоточислового анализа поверхности откоса выемочного блока.

Прочностную характеристику, структуру породного массива выемочного блока и прочностные показатели пород, слагающих естественные отдельности карбонатного массива, предлагается получать экспресс-методом, основанным на фоточисловом анализе свободных поверхностей породного массива выемочного блока. Фоточисловой анализ свободных поверхностей породного массива позволяет получать информацию о системах трещин, слоевой структуре, геометрии отдельностей и цвете сколов отдельностей в породном массиве. Шкала цветов сколов отдельностей сопоставляется со шкалой прочностных показателей породы слоя породного массива, что позволяет оценивать прочность горной породы.

Изучение цвета дает информацию о составе и происхождении осадочных пород, их постседиментационных преобразованиях (рис. 1).

Рис. 1. Плоская модель откоса выемочного блока карбонатных пород с идентифицированными палитрами оттенков цветов слоев

В цветовой гамме пород различаются ахроматические тона - черный, белый, серый и хроматические - красный, оранжевый, коричневый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый, образующие всевозможные взаимопереходы. В генетическом отношении все окраски подразделяются на первичные и вторичные. Первичные окраски, в свою очередь, могут быть унаследованными или сингенетическими. Унаследованные окраски определяются цветом терригенного материала. К типичному представителю подобных пород относятся белые карбонатные песчаники. Интенсивность их окраски зависит от содержания окрашенных минеральных зерен и закономерно связана с гранулярной и гравитационной сортировкой обломочного материала. Выявление первичного характера этой окраски сомнения обычно не вызывает. Сингенетическая окраска обусловлена цветом цемента либо окраской аутигенных минералов, возникающих при осадконакоп-лении и диагенезе пород. Вторичные окраски возникают в постдиагенети-ческой стадии изменения пород. Признаками вторичности окраски является связь с трещинами, изменение тональности при переходе от вы-ветрелых образцов к свежим, пятнистое распределение и несогласованность со слоистостью, связь с пористыми и водоносными горизонтами, зональность изменения в одной и той же литологической разновидности породы и т.д. [4].

По цвету (оттенку) свежего скола природной естественной отдельности (блока) конкретного месторождения возможно составить шкалу цветов и соответствующих им прочностных свойств карбонатных пород. Принцип классификации пород заключается в соответствии каждому цвету (оттенку) образца значения крепости / или значения предела прочности породы на сжатие

Осж.

Для составления шкалы цветов (оттенков) и соответствующих им прочностных свойств подвергаются исследованию слои массива карбонатных пород конкретного месторождения. С каждого слоя отбираются пробы пород и исследуются их прочностные свойства на осж по любой из известняковых методик. Одновременно с помощью предварительно настроенных фототехники и освещения фиксируются цвета проб карбонатных пород с привязкой к значениям осж. На основании проделанных измерений формируется база данных, в которую заносятся прочностная характеристика пробы слоя и значение оттенка цвета данного образца.

Разработка базы данных значений оттенков цветов и соответствующих им пределов прочности карбонатных пород на сжатие осж позволит автоматизировать процесс получения информации о прочностных свойствах природных отдельностей массива карбонатных пород [1]. Оперативный мониторинг и развитие базы данных возможны за счет формирования комплексной системы, основанной на фоточисловом анализе поверхности откоса выемочного блока.

Фоточисловой метод сканирования свободных поверхностей выемочного блока позволяет получить исходную информацию о внешних и внутренних геометрических параметрах естественных отдельностей выемочного блока, достоверно выполнять раскройку данного блока на слои согласно их мощности (рис. 2).

Определение угла между поверхностью откоса и направления трещинодатости «п.о=90-ат

База данных значений оттенков цветов и пределов прочности

Т

Оценка прочностных характеристик горных пород по цвету

'Л

Жат

Определение азимута падения

плоскости трещиноватости

_ат_

т

Вычисление коэффициента трещиноватости

послойно:

ОЦИФРОВКА ПОВЕРХНОСТИ

ОТКОСА ВЫЕМОЧНОГО БЛОКА

Определение геометрических параметров структурных элементов выемочного блока

ai.ji.ity! . п " > '! > *[шах> т

тр

Масштабирование и привязка фотоснимка к условной системе координат

Эк спор фотоснимка в графический редактор

Построение плоской модели поверхности откоса выемочного блока

Фотосъемка поверхности откоса Выемочного блока

Рис. 2. Принципиальная схема фоточислового анализа поверхности откоса выемочного блока карбонатных пород

Результатом фоточислового анализа является получение набора показателей (таблица), которые используются в формулах расчета параметров паспортов БВР.

Показатели, получаемые по результатам фоточислового анализа поверхности откоса выемочного блока карбонатных пород

<л Мощность п-слоя, м

¡1 Расстояние между трещинами системы первого порядка, м

1 с л г тах Максимальный размер открытой плоскости отдельности, м

псл тр Количество вертикальных трещин в слое, шт.

&сл сжат Предел прочности породы слоя на одноосное сжатие, МПа

При использовании исходных данных, представленных в таблице, формулы (1) - (4) примут следующий вид.

Показатель трудности разрушения п-слоя вычисляется по следующей формуле:

г п

П

слоя рп

0,05

п

тр

&

I

сжат

раст+&сдв ) +10 Гп  ё

ед

где птр - количества трещин в п-слое; I^ - единичный промежуток дли-

сл

ны, м; &сжат - предел прочности пород слоя сжатию, МПа; &раст, сдв - предел прочности пород соответственно растяжению и

сдвигу, МПа; рПг°Я - плотность горной породы п-слоя, кг/м3; ё - ускорение свободного падения, м/с2.

Общий показатель трудности разрушения всего выемочного блока будет равен средневзвешенному значению

п 11 + п 12 + + п 1п

_П р1 1ср "г П р 2 ~ П рп 1ср

2

П

р.с.в

Етп 11

ср

где Прп - показатель трудности разрушения п-слоя; 1ср - средний размер природной отдельности п-слоя,

Чп = 0,47(15, + 0,2)4Тп р

^0,5Л

V ^ н у

где ¡п- средний размер естественной отдельности п-слоя, м; /п - коэффи-

циент крепости породы п-слоя; рп

слоя

плотность горной породы п-слоя,

кг/м ; dн - принятый размер негабаритного куска, м; е - коэффициент работоспособности принятого ВВ.

е

Общий удельный расход взрывчатого вещества на разрушения всего выемочного блока будет равен средневзвешенному значению

_ уХ ' ¡ер + у2 ' ¡ср + ... + уп " ¡ср

Усв _ ¿¡п ,

¿X ¡ср

где уп - удельный расход взрывчатого вещества для п-слоя, кг/м ;

тП ^ ^

1ср - средний размер естественной отдельности п-слоя, м.

Диаметр скважинного заряда для разрушения п-слоя вычисляется по следующей формуле:

п _ [тСпЛ<*£а +с)

аскв _ „ -,

пп 50 пт

¡ед

Рзар

пслоя рп

сл Г сл

где тп - мощность п-слоя выемочного блока, м; птр - количество трещин в п-слое; а - угол откоса уступа, град.; с - минимально допустимое расстояние (3,0 м) от оси скважины до верхней бровки уступа, м;

3

Р зар - плотность заряжания взрывчатого вещества в скважине, кг/дм ;

рсгл°я - плотность горной породы п-слоя, кг/м3.

Учитывая специфику буровых работ, можно сказать, что применение множества диаметров скважины нерентабельно, следовательно, наиболее логичным будет использовать среднее значение диаметра скважинного заряда:

ИХ • 11 + И2  12 + й3  I3 + + йп  ¡п

1 _и скв ' сл ' и скв ' сл ' и скв 1сл^---^искв ' сл аскв _ '

Етп

X1 ср

где аспкв - диаметр скважинного заряда для разрушения п-слоя, кг/м3; ¡спр - средний размер естественной отдельности п-слоя, м.

С учетом результатов фоточислового анализа, формула расчета значения линии сопротивления по подошве примет следующий вид:

пп

ш _ 53 тр а

уу п скв-

ед сл

где птр - количество трещин в п-слое; ¡ед - единичный промежуток дли-

ЬЛО л

¡ед 1

р зар

рсл°я рп

ны, м; аспкв - диаметр скважины для п-слоя, м; рзар - плотность заряжания взрывчатого вещества в скважине, кг/дм3; рс1П1°я - плотность горной

3

породы п-слоя, кг/м .

Алгоритм определения прочностных характеристик образцов горных пород по оттенку цвета интегрируется в фоточисловой анализ поверхности откоса выемочного блока. В результате фоточислового анализа получаем комплексную систему оперативного сбора исходных данных: прочностные характеристики горных пород в слоях массива и геометрические параметры отдельностей, слагающих породный массив.

Формулы (5) - (8) были использованы при разработке паспортов БВР для условий карьера «Берники» в Тульской области. Получены положительные результаты. Удельный расход ВВ снижен на 12 %. Дальнейшие исследования направлены на разработку схем размещения зарядов ВВ в породном массиве с целью реализации принципа «Не дроби в породном массиве ничего лишнего».

Список литературы

1. Сафронов В.П. Технология и комплексы оборудования выемки природных естественных отдельностей (блоков) из массива карбонатных пород: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2003. 322 с.

2. Введенский Н.В. К методике оценки строительных качеств известняков // Строительные материалы. 1939. № 8-9.

3. Копытов А.И., Масаев Ю.А., Першин В.В. Взрывные работы в горной промышленности. Новосибирск: Наука, 2013.414 с.

4. Справочник по литологии / Н.Б. Вассоевич [и др.]. М.: Недра, 1983. 510 с.

Сафронов Виктор Петрович, д-р техн. наук, проф., geotims@,list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Панкратов Антон Валерьевич, асп., pankrat@,drummer.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

UPDA TE CALCULA TION FORMULAS FOR DEVELOPMENT OF DOCUMENTATION FOR BLASTING

V.P. Safronov, A.V. Pankratov

The updatedformula for calculating the parameters on the basis ofpassports BSB fotochislo-vogo analysis of free surface excavation unit carbonate massif is presented. The rapid extension of the original method of collecting information about the rock mass on the basis of surface analysis fotochis-lovogo slope excavation unit is described.

Key words: blasting, fotochislovoy method, colors rock strength characteristics.

Safronov Viktor Petrovich, doctor of technical scienses, professor, geotims@,list. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pankratov Anton Valerjevich, postgraduate, pankratadrummer. ru, Russia, Tula, Tula State University