Способ ведения взрывных работ на протяженных блоках с учетом зоны предразрушения
METHOD OF CONDUCTING BLASTING OPERATIONS ON EXTENDED BLOCKS, TAKING INTO ACCOUNT THE PRE-DESTRUCTION ZONE

Изобретение относится к области взрывного разрушения горных пород с использованием многорядного короткозамедленного взрывания и может быть использовано в различных отраслях, применяющих взрывные работы в скальных массивах горных пород.
3
При многорядном короткозамедленном взрывании (МКЗВ) с инициированием массовых взрывов системой ДШ + РП взрываемые блоки были или изометричны, когда количество рядов скважин и скважин в рядах различались незначительно или число скважин в рядах было кратно выше числа рядов скважин, которые располагались преимущественно вдоль уступа. [1, с. 256-263]. Главным условием было наличие не менее 6-8 рядов скважин для обеспечения качественной работы МКЗВ [2]. С появлением систем неэлектрического инициирования и переходом на уступы высотой 5 м число рядов скважин стало, как правило, кратно превышать число скважин в рядах. Так, в работе [3] рассматривается массовый взрыв обычного промышленного блока объемом 129015 м, длиной более полукилометра, на котором взорвано 940 скважин диаметром 215 мм средней глубиной 6,1 м (средняя высота уступа 5,5 м), расположенных в ПО рядах перпендикулярно бровке уступа с количеством скважин в ряду от 6 до 20 шт.
По аналогии с горными выработками, именуемыми протяженными при существенном различии диаметра и длины [4, с. 116], можно считать протяженными взрываемые блоки при 3-5-ти кратном превышении числа рядов скважин над числом скважин в них.
з
Известно, что процесс дробящего действия взрыва в среде - это активная составляющая часть общего разрушения горных пород с нарушением сплошности и разделением (диспергированием) пород в результате действия на них различных физических факторов взрыва. Ударная волна от взрыва заряда ВВ переходит в волну напряжения в виде неупругого возмущения среды с достаточно плавным изменением параметров и скоростью распространения равной скорости звука в данной среде, а время выведения вещества из состояния покоя всегда меньше времени возвращения его к этому состоянию. В области распространения волн сжатия, охватывающей объем 120-150 радиусов заряда (R), среда ведет себя не упруго, в ней возникают остаточные деформации, ведущие к нарушению сплошности строения среды [1]. Таким образом, процесс разрушения массива горных пород, ограниченного открытой поверхностью, протекает не мгновенно, а в течение определенного времени, когда система сил и напряжений, участвующих в разрушении, значительно изменяется в пространстве. Процесс хрупкого разрушения горных пород взрывом с физической точки зрения характеризуется одним видом разрушения - отрывом под действием растягивающих напряжений от волны напряжения в фазе разрежения. Это и приводит к образованию систем трещин, разделяющих массив горных пород на отдельности.
Качественные показатели взрывов на карьерах Навоийского ГМК с применением неэлектрических систем инициирования типа ИСКРА характеризуется компактной формой развала взорванной горной массы, что способствует снижению потерь и разубоживания; уменьшением выхода крупнокусковых фракций горной массы; улучшением качества проработки подошвы уступа и снижением сейсмического эффекта. Улучшение перечисленных показателей в работе [5] объясняют многократным взрывным нагружением массива горных пород при реализации принципа «одно замедление - один скважинный заряд», что способствует образованию дополнительных поверхностей обнажения, а в работе [6] удельное замедление между скважинами в ряду принимают от 29 мс/м, между рядами скважин - от 33 мс/м. Именно сочетание принципа «одно замедление - один скважинный заряд» с увеличенными интервалами замедления позволяет повысить качество дробления горной массы.
Наиболее близким по существу решаемой задачи является способ ведения взрывных работ с учетом зоны предразрушения, включающий построение модели развития массового взрыва во времени и пространстве для конкретной схемы взрывных работ, подачу стартового импульса на взрывание одновременно на два врубовых ряда, расположенных во втором или третьем ряду скважинных зарядов от края блока с противоположных концов врубовых рядов навстречу друг другу. Стартовый импульс на взрывание стартовый импульс на взрывание дают с противоположных концов врубовых рядов навстречу друг другу, интервал замедления во врубовых рядах принимают не ниже 100 мс, а в перпендикулярном направлении, по рядам отбойных скважин, - вдвое выше [7].
Изобретение позволяет повысить интенсивность ослабления массива горных пород в средней части взрываемого блока за счет взаимного наложения зон предразрушения от двух врубовых рядов по его краям.
Недостатком этого способа, принятого за прототип заявляемому изобретению, является повышение интенсивности ослабления массива горных пород за счет взаимного наложения зон предразрушения от двух врубовых рядов по его краям только в средней части взрываемого блока при низкой кратности волн напряжения, проходящих через районы скважинных зарядов на краях блока. Схема применима на изометричных блоках, с числом скважин в рядах скважин близким числу рядов между врубами.
Технической задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является повышение интенсивности ослабления массива горных пород на большей части взрываемого блока за счет изменения расположения врубовых рядов и интервалов замедления между врубовыми и отбойными рядами.
Поставленная задача достигается тем, что в способе ведения взрывных работ на протяженных блоках с учетом зоны предразрушения, включающем построение модели развития массового взрыва во времени и пространстве для конкретной схемы взрывных работ, включающей врубовые и отбойные ряды, подачу стартового взрывного импульса на взрывание осуществляют одновременно на два врубовых ряда, расположенных во втором ряду скважинных зарядов от края блока, с противоположных углов блока навстречу друг другу, согласно изобретению, врубовые ряды располагают поперек протяженного блока, число отбойных рядов скважин между врубовыми рядами принимают равным удвоенному количеству скважин во врубовом ряду, интервал замедления по отбойным рядам скважин принимают 200 мс, а во врубовых рядах - вдвое выше.
з
з
Выполнение способа ведения взрывных работ на протяженных блоках с учетом зоны предразрушения рассмотрим на примере взрывания блока скважинными зарядами диаметром 215 мм, расположенными по сетке 5×5 м, с применением неэлектрической волноводной системы инициирования, например, RIONEL. Радиус зоны разрушения может достичь предельной величины в 30-40 радиусов заряда (R), т.е. 3,2-4,3 м [8], а радиус зоны предразрушения - величины в (200-250)R, т.е. 21,4-27,5 м [9]. Для графического построения модели взаимодействия взрывных волн напряжения в зонах предразрушения размер зоны разрушения принимаем 8,5 м, а зоны предразрушения - 55 м. Замедление между скважинами поверхностной сети может быть выполнено устройством RIONEL Х-200, для врубовых рядов -двумя устройствами RIONEL Х-200, соединенными последовательно, а инициирование внутрискважинной сети - устройством RIONEL LP-50 с замедлением 5000 мс. Выбор такой схемы объясняется допускаемыми производителем разбросами величины интервалов замедления: у Rionel Х-200 она составляет 188-212 мс, у Rionel LP-50 - 4750-5240 мс, следовательно, расчетное минимальное замедление между взрывами соседних ступеней замедления возможно 62 мс. Инициирование поверхностной сети скважинных зарядов блока проводят с противоположных концов врубовых рядов навстречу друг другу. При построении графической модели для анализа прохождения волн напряжения через районы расположения скважинных зарядов приняты следующие условия [2]:
- зона разрушения каждого предыдущего скважинного заряда, взорванного с фактическим замедлением более 75 мс, является экранирующей средой, отражающей от своей поверхности около трети энергии волн напряжения обратно во взрываемый объем с поглощением остальной энергии. Поэтому зона предразрушения в районе ранее взорванных скважинных зарядов замыкается лучами, выходящими из центра взрываемого заряда касательно ближайшим соседним зонам разрушения [10];
- при наложении на район расположения какого-либо скважинного заряда зон предразрушения, сформированных одновременно взрываемыми зарядами каждой ступени замедления, он подвержен действию всех приходящих волн напряжения (в данном случае до пяти, с учетом кратности размера зоны предразрушения сетке скважин), независимо от направления прихода волны - это обусловливает знакопеременность и разнонаправленность воздействий.
Рассмотрим особенности развития массового взрыва по предполагаемому изобретению.
На фиг. 1 представлена первая схема взрывания блока с 15-ю скважинами в ряду; на фиг. 2 - графическая модель развития массового взрыва на ступени замедления 3600 мс, когда произошло первое наложение волн напряжения от обоих врубовых рядов; на фиг. 3 - графическая модель развития массового взрыва на ступени замедления 4600 мс, когда произошел полный охват блока волнами напряжения от обоих врубовых рядов; на фиг. 4 - итоговое количество волн напряжения, прошедших через районы расположения скважинных зарядов блока до их взрывания (цветом залиты районы скважинных зарядов с прохождением 30-ти и более волн напряжения); на фиг. 5 - итоговое количество волн напряжения, прошедших через районы расположения скважинных зарядов блока до их взрывания для второй схемы взрывания блока с 10-ю скважинами во врубовом ряду; на фиг. 6 - итоговое количество волн напряжения, прошедших через районы расположения скважинных зарядов блока до их взрывания по третьей схема взрывания блока с 8-ю скважинами в ряду; на фиг. 7 - графическая модель развития массового взрыва по третьей схема взрывания блока на ступени замедления 2400 мс, когда произошел полный охват блока волнами напряжения от обоих врубовых рядов; на фиг. 8 - сравнение процентного распределения динамики охвата блока волнами напряжения при разных схемах взрывания.
На графических моделях зоны разрушения залиты серым цветом, зоны предразрушения, формируемые взрывами конкретных скважинных зарядов, ограничены лучами, выходящими из их центров касательно зоне разрушения ранее взорванного заряда до пересечения с окружностью радиусом 250R.3. Число волн напряжения, прошедших через районы расположения конкретных скважинных зарядов на определенной ступени указаны цифрой внутри геометрической фигуры, а кратность воздействия волн напряжений на район конкретных скважинных зарядов данной ступени замедления отражена формой геометрической фигуры (помещены под графикой на фиг. 2, 3 и 7).
При использовании двух врубовых рядов все заряды блока взрываются комплектами скважин - от 2 в стартовом комплекте до 30 на ступени замедления 5400 мс по первой схеме взрывания. Но всегда между скважинами комплекта присутствуют зоны разрушения сработавших ранее зарядов, исключающие прямое взаимодействие соседних зарядов комплекта - каждый скважинный заряд взрывается обособленно. Однако волны напряжения в зонах предразрушения большинства близко расположенных зарядов комплекта взаимодействуют с наложением. Многократное прохождения волн напряжения в стадии сжатия-растяжения через окрестности скважинных зарядов в зоне предразрушения обладает накопительным эффектом увеличения трещиноватости массива горных пород [11], что существенно способствует его расчленению на более мелкие фракции.
Волны напряжения поглощаются в зоне разрушения, производя в ней дополнительное дробление пород, что необходимо учитывать при построении зон предразрушения - они выглядят в виде секторов различной конфигурации. Массив горных пород в районах скважинных зарядов, попадающий на перекрытие секторов зон предразрушения, кратно подвергается воздействию волн напряжения. На интервале замедления 3600 мс начинается встречное наложение волн напряжения от обоих врубовых рядов, охватывающее районы расположения 16 скважинных зарядов. При этом такое наложение трехкратно охватывает район расположения 2 скважинных зарядов, четырехкратно - 5 зарядов и пятикратно - 9 зарядов (фиг. 2).
Следует подчеркнуть особенность роста трещин под действием волн напряжения. В работе [12] предлагается учесть, что под действием циклической знакопеременной нагрузки возникает поток энергии в вершину трещины. При этом одинаковые по абсолютной величине растягивающие и сжимающие напряжения создают равные потоки энергии, однако их влияние на рост трещины прямо противоположно: энергия сжимающих напряжений оказывает упрочняющее действие, а растягивающих - направлена на разрыв связей в вершине трещины. Рост трещины не может происходить на стадии действия сжимающей нагрузки, несмотря на приток энергии в вершину трещины. Эта особенность соответствует физической природе механизма разрыва связей только под действием растягивающих или касательных напряжений, причем не вся энергия растягивающих напряжений расходуется на рост трещины, а только ее превышение над энергией деформаций среды.
В качестве примеров реализации способа рассмотрены три схемы расположения скважинных зарядов в рядах: 15 в первом примере, 10 (на треть меньше) во втором и 8 (вдвое меньше) в третьем примере.
В первой примере на ступени замедления 4600 мс, зоны предразрушения от взрыва зарядов скважины 361 со стороны верхнего врубового ряда и скважины 120 со стороны нижнего врубового ряда достигли противоположных врубовых рядов, т.е. охватили практически весь блок. Максимальное число волн напряжения, одновременно воздействующих на районы скважин 161 и 320, достигло 10, а общее число волн напряжения, прошедших через район расположения этих зарядов к этому моменту, достигло 40.
В третьей примере взрывания, с 8-ю скважинами в ряду, на ступени замедления 2400 мс, зоны предразрушения от взрыва зарядов скважины 105 со стороны верхнего врубового ряда и скважины 47 со стороны нижнего врубового ряда также достигли противоположных врубовых рядов, т.е. охватили практически весь блок. Максимальное число волн напряжения, одновременно воздействующих на районы скважин 54, 69, 84 и 99, достигло 8, а общее число волн напряжения, воздействовавших на район этих зарядов к этому моменту, достигло соответственно 49, 53, 32 и 49 (см. фиг. 8).
Наибольшее число волн напряжения, прошедших через районы расположения скважинных зарядов в зонах предразрушения, в первом примере с числом скважин во врубе 15 (длина ряда втрое выше размера зоны предразрушения) достигло 71; во втором примере с числом скважин во врубе 10 (с двукратным превышением длины ряда над зоной предразрушения) - 67, а при 8 скважинах в ряду (длина ряда в 1,5 раза выше зоны предразрушения) - 59.
Поэтому наблюдается закономерное снижение соотношения прохождения волн напряжения через районы расположения зарядов блока по мере снижения кратности охвата рядов скважин зоной предразрушения. Но во всех схемах расположения скважин в ряду наблюдается выход на число волн напряжения более 30 уже со второго ряда после вруба. Тем самым указывается на наличие прямой связи между максимальным количеством волн напряжения, прошедших через районы расположения зарядов на блоке и кратностью перекрытия зоны предразрушения длиной ряда скважин, а степень охвата блока повышенными воздействиями волн напряжения остается одинаковой - уже со второго ряда от вруба с обоих углов блока.
В примерах осуществления заявляемого изобретения динамика прохождения волн напряжения различается на 10-20% до 15 прохождений волн напряжения, после 20 прохождениях кривые 2 и 3-го примеров сливаются, а после 35 воздействий и с первым примером различие снижается до 5-7%.
Таким образом, заявляемый способ ведения взрывных работ на протяженных блоках с учетом зоны предразрушения позволяет устойчиво охватить существенную часть площади блока между врубовыми рядами встречным наложением волн напряжения, прошедших через район расположения скважинных зарядов, увеличив ослабление горных пород в районе взрываемых скважинных зарядов, может быть применен на блоках различной протяженности при разном количестве скважин в ряду и, тем самым, решить поставленную техническую задачу.
Источники информации
1. Справочник взрывника / Б.Н. Кутузов [и др.]. Под общей редакцией Б.Н. Кутузова - М: Недра, 1988. - 511 с.
2. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. - М., Недра. - 1976. - 271 с.
3. Влияние схем взрывания на процессы в зоне предварительного разрушения / Е. Б. Шевкун, А. Ю. Плотников // Маркшейдерия и недропользование. - 2021. - №4. - С. 23-34.
4. Горное дело: Терминологический словарь /Под научной редакцией акад. РАН К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Д.Р. Каплунова. - 5-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Издательство «Горная книга», 2016. - 635 с.
5. Рубцов С.К., Ершов В.П. Применение неэлектрических систем инициирования на карьерах Навоийского ГМК // Физические проблемы разрушения горных пород: Сб. тр. Четвертой международной научной конференции, 18-22 октября 2004 г. М. 2005. С. 387-391.
6. Патент Российской Федерации №2593285, МПК Е21С 41/26.
7. Патент Российской Федерации №2744534, МПК F42D 1/08, F42D 3/04, Е21С 41/26 (прототип).
8. Юровских А.В. Разработка модели разрушения горных пород на квазистатической стадии действия взрыва: Дис. … канд. техн. наук: 25.00.20: Санкт-Петербург, 2003. - 119 с.
9. Александров B.E., Кочанов А.Н., Левин Б.В. О взаимосвязи прочностных и акустических свойств пород в зоне предразрушающего действия взрыва // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1987. - №4. - С. 24-32.
10. Шевкун Е.Б., Лещинский А.В., Шишкин Е.А., Лысак Ю.А. Графоаналитический метод определения интенсивности предварительного разрушения окрестностей взрывных скважин. // Взрывное дело. - 2018. - №121/78. - С. 33-47.
11. Хопунов Э.А. Селективное разрушение минерального и техногенного сырья (в обогащении и металлургии). - Екатеринбург: ООО «УИПЦ», 2013. - 429 с.
12. Каркашадзе Г.Г., Ларионов П.В., Мишин П.Н. Моделирование роста трещины под действием циклической нагрузки // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. №3. С. 258-262.