Энергетический метод расчета параметров буровзрывных работ при проведении подземных горных выработок

В.В. Романов, К.С. Мальский, Ю.В. Александрова

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Рассмотрен энергетический метод расчета параметров буровзрывных работ при проведении горных выработок. Выявлена и обоснована актуальность энергетического метода расчета буровзрывных работ в сравнении с принятым на данный момент методом расчета. Предлагаемый энергетический метод профессора Анистратова отличается надежностью получаемой информации, учетом большого количества влияющих факторов и условий буровзрывных работ, отсутствием нефизичных и качественных параметров в расчетных формулах. Количество взрывного вещества, получаемое по данным энергетического метода меньше, чем определяемое стандартной формулой, что подтверждается практикой горного дела. Результаты исследований позволяют сказать, что представленный метод обеспечит эффективность, надежность выполнения графика проходческих работ и экономию эксплуатационных расходов. Ключевые слова: энергетический метод, буровзрывные работы, подземная разработка, физико-механические свойства, инженерная сейсморазведка, упругие модули, сейсмические свойства.

Введение

Проведение подземных горных выработок буровзрывным способом в обязательном порядке производится на основании технической документации — паспорта буровзрывных работ. Это документ в обязательном порядке включает в себя схему расположения и параметры шпуров, наименование и массу взрывчатого вещества, материалов, последовательность иколичество приемов взрывания зарядов. Существующий метод расчета параметров паспорта буровзрывных работ при проведении подземных горных выработок основывается на формулах, в которые входят приближенные коэффициенты, реальные значения которых значительно отличаются от табличных, как в большую, так и в меньшую сторону.

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 6. С. 271-277. © 2016. В.В. Романов, К.С. Мальский, Ю.В. Александрова.

Свойства горного массива при расчете паспорта учитываются при помощи единственного безразмерного параметра — коэффициент крепости М.М. Протодьяконова, заданной на 20-ти балльной шкале порядка. Эта шкала предложена более 100 лет назад, а сам параметр не имеет единицы измерения и четкого физического смысла. Такое положение сложилось в силу трудности обобщения в одной величине все разнообразные техногенные воздействия на горные породы при разработке месторождений полезных ископаемых [1].

Определение коэффициента крепости

Профессором Протодьяконовым для измерения коэффициента крепости был предложен способ, основанный на изучении прочности образцов горных пород на одноосное сжатие (1) [3].

. = [МПа] 10

Использование методов инженерной сейсморазведки предполагает удобное и оперативное определение параметров, входящих в выражение (1) на бортах карьеров и в подземных горных выработках. Для этого в изучаемом горном массиве возбуждаются слабые сейсмических волны, которые преломляются на границах сред с различными физико-механическими свойствами и возвращаются на поверхность выработки, где они регистрируются сейсмическими приемниками [4]. Наиболее просто инженерная сейсморазведка реализуется на бортах карьеров при небольшой мощности вскрышных работ. Также возможно проведение сейсморазведки по поверхности подземных горных выработок и в разведочных скважинах постоянного диаметра [5]. Ценная информация о значениях важнейших физико-механических свойствах горного массива содержится в значениях скоростей продольных и поперечных сейсмических волн [6].

Скорость поперечной сейсмической волны V связана с прочностьюгорных пород на одноосное сжатие эмпирической формулой (2) [3]. _ 2

°сж [МПа] = 10 -С,

где р — плотность горной породы в г/см3, У5 — скорость поперечных волн в км/с; С = 0,6 для молодых интрузивных и эффузивных пород, С = 1,2 для древних интрузивных пород; С = 1,8 для метаморфических пород, песчаников и алевролитов, С = 2,4 для известняков.

Объединяя формулы (1) и (2) получаемдля известняков:

/ =

РУ2 2,4

где р — плотность горной породы в г/см3, У5 — скорость поперечных волн в км/с.

Скорость поперечных волн может быть найдена в каждой точке выработки путем проведения и последующей обработки данных инженерной сейсморазведки [6]. Неизвестное значение плотности р, при необходимости, определяется на основании значения скорости продольной волны Ур по уравнению Гарднера

1

р[г/см3] = 1,74 • У} [км/с]

Для типичного для коренных горных пород значения коэффициента Пуассона а = 0,25, отношение составляет , поэтому формулу (3) для известняков можно преобразовать в (5).

/ =

рУ2 _ 1,74 • V4 - VI _ 1.74-((ЗУ;)) - V

2,4 2,4 2,4

« 3,8^/У5 [км/с] « 2,9^Ур [км/с]

В случае если коэффициент Пуассона неизвестен или требуется уточнение его значения, он находится по значениям скоростей продольных и поперечных волн (6).

а = У - У

2

\шШ

Сейсмограмма метода преломленных поперечных волн. В первых вступлениях наблюдается волна, образованная в кровле трещиноватых известняков. По наклону ее годографа определяется значение граничной скорости V = 2,5 км/с

Таким образом, для известняков показатель твердости можно определить, проведя инженерную сейсморазведку на бортах карьера или по подземной горной выработке. Например, инженерная сейсморазведка, проведенная на бортах известнякового карьера в Подмосковье, позволила установить скорость продольной сейсмической волны в коренных каменноугольных отложений Ур = 2,5 км/с (рисунок) и рассчитать коэффициент крепости f = 4,5, что позволило отнести их к IV категории — «довольно крепкие породы».

Определение удельного расхода взрывчатого вещества

Рассмотрим методику расчета главного параметра паспорта буровзрывных работ — удельного расхода взрывчатого вещества q [кг/м3] с использованием найденного коэффициента крепости f (7) [2]. гу

Я = и^ , (7,

где SI — площадь поперечного сечения выработки, е — коэффициент работоспособности взрывчатого вещества. Например, при проведении выработки прямоугольного сечения высотой h1 = 2,4 м и шириной В = 2,6 м в упомянутых ранее известняках при помощи аммонита 6 ЖВ, удельный расход ВВ составит:

Я = 1,52,р^ = 1,29 кг/м3

4 V 6,24

В том случае, если расчеты по формуле (7) ведутся на основании справочного значения коэффициента крепости, а не определенного шБки, удельный расход взрывчатого вещества приходится завышать для большей надежности прогноза. Вторым недостатком расчета параметров буровзрывных работ при проведении горных выработок является отсутствие требований к составу горной массы после взрыва, обеспечивающим эффективную работу погрузочной техники.

Для более точного учета параметров буровзрывных работ принимается метод профессора Ю.И. Анистратова [2], который базируется на учете физико-механических свойств массива горных пород, закономерности дробления горных пород взрывом и параметров экскавационной техники для ее высокопроизводительной и безопасной работы (9).

Е ии + Е

Я = Т7

Евв -П

ДР т ^Р ,

где ЕДР — удельная энергия дробления массива в необходимой степени, ЕР —удельная энергия формирования развала взорванной горной массы, ЕВВ = 3,57 МДж/кг — полная идеальная работа взрыва для аммонита, п = 0,04 — коэффициент полезного действия взрыва взрывчатого вещества в массиве.

Удельная энергия дробления массива в необходимой степени находится по выражению (10):

едр=°'12 2ст]ж k ig n,

Zhc

где kR — коэффициент динамичности, EC — статический модуль Юнга, n — необходимая степень дробления массива данной блоч-ности (11). ,

n = ,

B [мм]

где B — ширина ковша погрузочной машины, dom — блочность (трещиноватость).

Удельная энергия формирования развала взорванной горной массы вычисляется при помощи формулы (12).

' V2

Ер =

lg kp,

где У0 — скорость разлета породы при взрыве,необходимый коэффициент разрыхления породы в развале к .

По значению скорости продольной волны Ур = 2,5 км/с, находим скорость поперечной волны (13).

у = У = 1,45 км/с

а/3

Из уравнения Гарднера (4) находим плотность р = 2190 кг/м3. Найденные параметры позволяют найти прочностьисследуе-мых известняков на одноосное сжатие (2),(14).

\2

км

PVs „Л см3 ^ c

,2 2,19— • | 1,45

осж [МПа] = 10 • ^^ = 10-——ь-= 19,18 МПа

С 2,4

Статический модуль Юнга Ес определяется через динамический модуль Юнга Ед, который, в свою очередь, зависит от скоростей Ур [км/с], у'[км/с] и плотности р [г/см3] (14) [7].

У?р

V2 - V2

V P

Статический модуль Юнга для известняков изучаемого карьера, определенный по формуле (14), составил EC = 9,7 ГПа. Значения физико-механических свойств, определенные геофизическим методом были подставлены в формулы (9)—(12) и, принимая kд = 1,45, Б = 1600 мм, dом = 1000 мм и ^ = 1,4, удельный расхода взрывчатого веществаqоказался равным 1,21кг/м3, что на 0,08 кг/м3 меньше значения, полученного первым способом.

Выводы

Из примера видно, что расчет главного параметра буровзрывных работ с учетом всех свойств горной породы, взрывчатого вещества и технологических условий (степени дробления и коэффициентом разрыхления горной массы в развале) меньше на 0,08 кг/м3.

Необходимые данные для расчета паспорта буровзрывных работ по энергетической теории в настоящее время обеспечиваются портативной измерительной аппаратурой в конкретных производственных условиях.

Использование инженерной сейсморазведки дает важнейшую количественную информацию о физико-механических свойствах горного массива, в которых проводится выработка, что обеспечивает более точные расчеты параметров паспорта буровзрывных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамчук В. П., Педчик А. Ю., Костенко В. В., Меденков Ф. Г., Чмы-халова С. В. Проблемы категорирования горных пород по трудности их разрабатывания // Метро и тоннели. — 2013. — № 6.— С. 20—22.

2. Анистратов Ю. И. Энергетическая теория расчета технологии открытых горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 1996. - № 3. - С. 20-29.

3. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. VI. Правила производства геофизических исследований. СП 11-105-97.

4. Романов В. В., Посеренин А. И., Дронов А. Н., Мальский К. С. Обзор геофизических методов, применимых при поиске геомеханических нарушений вблизи горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2016. - № 1. - С. 243-248.

5. Романов В. В., Мальский К. С. Анализ возможностей изучения гидрогеологического режима карьеров и подземных горных выработок инженерной сейсморазведкой // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 6. - С. 74-78.

6. Романов В.В., Мальский К.С., Боровой Е.А. Определение устойчивости бортов карьеров при инженерно-геологических изысканиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2015. - № 7. - С. 77—81.

7. Романов В. В. Применение амплитудных графиков при обработке и интерпретации данных метода преломленных волн для решения задач инженерной геологии // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. -2012. - № 4. - С. 56-60. ит^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Романов Виктор Валерьевич1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: roman_off@mail.ru,

Мальский Кирилл Сергеевич1 — доцент, e-mail: sabbat@mail.ru, Александрова Юлия Викторовна1 — преподаватель, e-mail: aleksyu21@yandex.ru,

1 Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 6, pp. 271-277. V.V. Romanov, K.S. Mal'skiy, Yu.V. Aleksandrova ENERGY PARAMETERS CALCULATION METHOD OF BLASTING FOR UNDERGROUND MINING

In this article the method of calculating the energy of blasting parameters during mining. Revealed and proved the power of the method of calculating the relevance of blasting compared to currently approved method of calculation. The proposed energy professor Anistra-tova method differs reliability of the received information, taking into account the large number of influencing factors and blasting conditions, the absence of nonphysical and qualitative parameters in the calculation formulas. The amount of explosive material was prepared according to the method of energy less than determined by the standard formula, as evidenced by the practice of mining. The research results allow us to say that the presented method provides efficiency, reliability and performance of graphics tunnel works and operating cost savings.

Key words: energy method, blasting, underground development, physical and mechanical properties, near-surface seismic, elastic modules, seismic properties.

AUTHORS

Romanov V.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: roman_off@mail.ru,

Mal'skiy K.S.1, Assistant Professor, e-mail: sabbat@mail.ru, Aleksandrova Yu.V.1, Lecturer, e-mail: aleksyu21@yandex.ru,

1 Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidzе (MGRI-RSGPU), 117997, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Abramchuk V. P., Pedchik A. Yu., Kostenko V. V., Medenkov F. G., Chmykhalo-va S. V. Metro i tonneli. 2013, no 6, pp. 20—22.

2. Anistratov Yu. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 1996, no 3, pp. 20—29.

3. Inzzhenerno-geologicheskie izyskaniya dlya stroitel'stva. Ch. VI. Pravila proizvodstva geofizicheskikh issledovaniy. SP 11-105-97 (Engineering-geological surveys for construction. Part VI. Manufacture of geophysical research. SP 11-105-97).

4. Romanov V. V., Poserenin A. I., Dronov A. N., Mal'skiy K. S. Gornyy informatsion-no-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 1, pp. 243—248.

5. Romanov V. V., Mal'skiy K. S. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 6, pp. 74-78.

6. Romanov V. V., Mal'skiy K. S., Borovoy E. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 7, pp. 77—81.

7. Romanov V. V. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Geologiya i razvedka. 2012, no 4, pp. 56-60.

UDC 622+550. 834.33