Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения оптимального заряда ВВ с учетом зоны предразрушения

Изобретение относится к области буровзрывных работ в горных породах с использованием многорядного короткозамедленного взрывания (МКЗВ) и может быть использовано в различных отраслях, применяющих взрывные работы в скальных массивах горных пород.

Известно, что процесс дробящего действия взрыва в среде - это активная составляющая часть общего разрушения горных пород с нарушением сплошности или разделением (диспергированием) пород в результате действия на них различных физических факторов взрыва. Ударная волна от взрыва заряда ВВ переходит в волну сжатия (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, 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 действия волны сжатия в фазе разрежения. Это и приводит к образованию систем трещин, рассекающих массив горных пород. Установлено, что при МКЗВ наилучшее качество дробления достигается при полном развитии независимых максимальных зон дробления от взрыва каждого из зарядов с образованием наибольшего числа обнаженных поверхностей около взрываемых зарядов [2].

В последние годы в результате ряда теоретических и экспериментальных работ было установлено, что механическое действие взрыва проявляется не только в дроблении и разрушении горных пород, но и в разупрочнении на удаленных (» R_тр) расстояниях от заряда. В этой области проходящие от взрыва волны напряжений приводят к развитию существующих микродефектов, микротрещин, повышению их концентрации, ослаблению межзерновых и межкристальных связей. Массив горных пород меняет свои прочностные и деформационные свойства, переходит в новое состояние, называемое предразрушенным. Для горных пород типичны микронарушения, при которых в среде возникают микротрещины, меняется ее микроструктура, что не приводит к нарушению сплошности (дроблению), но меняет эффективные параметры среды [3].

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 [4] объясняют многократным взрывным нагружением массива горных пород при реализации принципа «одно замедление - одна скважина», что способствует образованию дополнительных поверхностей обнажения, увеличению соударений потоков взорванной породы, а в работе [5] удельное замедление между скважинами в ряду принимают от 29 мс/м, а между рядами скважин - от 33 мс/м. Именно сочетание принципа «одно замедление - одна скважина» и увеличенных интервалов замедления позволяет повысить качество дробления горной массы. Однако при этом масса конкретных скважинных зарядов не связана с изменением свойств пород в зонах предразрушения при развитии массового взрыва.

Наиболее близким по существу решаемой задачи является способ определения оптимальных параметров взрывного разрушения горных пород, включающий замер величины удельной энергоемкости бурения пород в процессе бурения взрывных скважин и расчет по ней параметров зарядов ВВ, схем и интервалов замедления при их взрывании, оценку результатов взрыва энергоемкостью экскавации горной массы и выбор оптимальных параметров взрыва по данным статистики, в котором на опытных блоках с одинаковыми свойствами массива проводят несколько взрывов с фиксацией точного времени инициирования каждого заряда ВВ и строят модель фактического развития массового взрыва в реальном времени и пространстве для конкретной схемы взрывания и конструкции зарядов. При достижении рациональных результатов взрыва сочетание конкретных показателей свойств массива, параметров зарядов и последовательности их инициирования во времени и пространстве считают оптимальными параметрами взрывного разрушения для массивов с аналогичными показателями свойств и накапливают их в банке данных. Рабочие блоки разделяют на участки с одинаковыми показателями свойств массива и выбирают для каждого из них оптимальные параметры взрывного разрушения из накопленного банка данных [6].

Недостатком этого способа, принятого за прототип заявляемому изобретению, является необходимость сбора большого объема статистического материала из-за заложенного в нем принципа «черного ящика»: измеряются только входные свойства системы «массив горных пород - заряд ВВ - горная масса» (прочность пород массива, параметры зарядов) и выходные - энергоемкость экскавации.

Технической задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является определение интенсивности ослабления массива в районе каждой взрываемой скважины в процессе развития массового взрыва в реальном массиве горных пород на основе учета размеров зон предразрушения и использование его при расчете параметров зарядов конкретных скважин.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения оптимальных параметров взрывного разрушения горных пород с учетом зоны предразрушения, включающем замер величины удельной энергоемкости бурения пород в процессе бурения взрывных скважин и расчет по ней параметров зарядов ВВ, выбор схем взрывания с удельными интервалами замедления выше 25 мс/м, построение модели развития массового взрыва в реальном времени и пространстве для конкретной схемы взрывания и конструкции зарядов, оценку результатов взрыва по данным экскавации горной массы и выбор оптимальных параметров взрыва по данным статистики, согласно изобретению, величину скважинных зарядов рассчитывают дифференцированно для различных зон ослабления массива, происходящего в процессе развития взрыва, в два этапа; на первом этапе предварительным графическим анализом намеченной схемы взрывания на обуренном и следующем блоках определяют параметры волн напряжений, проходящих через окрестности конкретных скважин, охваченных зонами предразрушения от взрывов предыдущих скважинных зарядов: число волн и расстояние до взрыва предыдущих зарядов; на втором этапе при обуривании следующего блока оценивают величину снижения прочности пород в узлах сетки скважин по предыдущему графическому анализу и при проектировании следующего массового взрыва в аналогичных условиях рассчитывают удельный расход ВВ q_н по каждой конкретной скважине по формуле:

q_н=q⋅К

где q - удельный расход ВВ без учета предварительного разрушения окрестности скважин, кг/м³; К - коэффициент учета предразрушения окрестностей скважин от волн напряжения с расстоянием.

Выполнение способа определения оптимальных параметров взрывного разрушения горных пород с учетом зоны предразрушения рассмотрим на примере взрывания блока диагональной схемой скважин диаметром 140 мм, расположенных по сетке 4×4 м. Взрывание проводят с применением неэлектрической системы, например, RIONEL. Замедление между скважинами поверхностной сети выполнено устройством RIONEL X: в ряду 200 мс, между рядами - 150 мс. Инициирование внутрискважинной сети выполнено устройством RIONEL MS-30 с замедлением 750 мс.

Радиус зоны разрушения r может достичь предельной величины в 40 радиусов заряда (R_з) [7], а радиус зоны предразрушения R - величины в (200-250)R_з [8-11]. Для графического построения взаимодействия зон предразрушения радиус зоны разрушения принимаем r=2,8 м, а зоны предразрушения R=14 м. Инициирование поверхностной сети скважинных зарядов блока проводят от скважины 1.

На фиг. 1 представлена схема развития зоны предразрушения блока с диагональным поскважинным взрыванием и инициированием поверхностной сети от крайней скважины в первом ряду блока после взрыва первой скважины; на фиг. 2 - схема развития зоны предразрушения блока с диагональным поскважинным взрыванием и инициированием поверхностной сети от крайней скважины в первом ряду блока после взрыва седьмой скважины; на фиг. 3 - схема развития зоны предразрушения блока с последовательно-встречным поскважинным взрыванием и инициированием поверхностной сети от средней скважины в первом ряду блока после взрыва первой и второй скважин; на фиг. 4 - схема развития зоны предразрушения блока с последовательно-встречным поскважинным взрыванием и инициированием поверхностной сети от средней скважины в первом ряду блока после взрыва шестой скважины; на фиг. 5. - количество предразрушений окрестностей скважин блока с диагональным поскважинным взрыванием и инициированием поверхностной сети от крайней скважины в первом ряду блока; на фиг. 6. - интенсивность предразрушений окрестностей скважин блока с диагональным поскважинным взрыванием и инициированием поверхностной сети от крайней скважины в первом ряду блока.

Анализируя схемы развития зоны предразрушения блока с диагональным поскважинным взрыванием и инициированием поверхностной сети от крайней скважины в первом ряду блока, можно сделать вывод о том, что зона предразрушения блока с диагональным поскважинным взрыванием ограничивается только радиусом R.

При применении схемы с последовательно-встречным поскважинным взрыванием развитие зоны предразрушения происходит несколько иначе. Так, после взрыва скважины 2 волна напряжений гасится в разрушенной породе окрестностей скважины 1, и зона ее действия ограничивается размерами сектора, определяемого направлением касательной линии, проведенной из цента скважины 2 к окружности, определяющей окрестности скважины 1.

Аналогично определяется зона предразрушения других скважин, например, скважины 6. Зона предразрушения от этой скважины ограничивается сектором, куда входят окрестности скважин 7, 16, 18, 19 и 20.

Анализируя схемы развития предразрушения, можно сделать следующие заключения о процессе развития взрыва с замедлениями в 150×200 мс. Всегда между скважинами присутствует зона разрушения от предыдущих зарядов, исключающая прямое взаимодействие соседних зарядов комплекта. Поэтому каждый скважинный заряд взрывается обособленно, но зоны предразрушения большинства близко расположенных зарядов комплекта взаимодействуют с наложением. Такое наложение зон предразрушения увеличивает кратность воздействия волн напряжения в окрестностях отдельных скважин, причем волна напряжения приходит из различных направлений.

На рубеже XX и XXI веков произошло важное для естествоиспытателей событие - понимание того, что в основе развития нелинейных геомеханических и геодинамических процессов лежит блочно-иерархическое строение массивов горных пород в очень широком диапазоне их линейных размеров - от атомарных и до космических масштабных уровней [12].

Установлено неизвестное ранее явление знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия - при образовании полостей внутри массивов горных пород посредством мощных взрывов в их окрестностях происходят смещения разных знаков между геоблоками с колебательным движением друг относительно друга, обусловленные стесненным поворотом и трансляционным движением породных блоков разного иерархического уровня, зависящего от размеров образующихся полостей, горного давления и энергии взрывов. [13, 14]. На руднике "Октябрьский" Талнахско-Октябрьского месторождения осуществлен цикл электрометрических исследований по изучению реакции сплошных халькопирит-пирротиновых руд впереди очистного забоя при сплошной камерной системе отработки вертикальными прирезками [15]. Корреляционный анализ кривых, полученных по электрометрическим исследованиям методом естественного потенциала (ЕП), свидетельствует о последовательном во времени переходе локальных максимумов кривых ЕП в локальные минимумы (относительному уплотнению руд соответствуют локальные максимумы, относительному разуплотнению - локальные минимумы ЕП). Так, на участке наблюдательной скважины в интервале 4-6 м прослеживается, что после отбойки блока 1-й камеры кривой ЕП соответствует локальный максимум; блока 2-й - локальный минимум; блока 3-й - локальный максимум, после отбойки блока 4-й - локальный минимум. Можно заключить о "гармоническом" поведении участков горных пород не только в пространстве, но и по времени: четко выделяются участки массива, состояние которых в зависимости от порядка производимой серии взрывов меняется знакопеременным образом. Иными словами, если при k-й серии взрывов произошло относительное уплотнение массива по определенным участкам за счет смыкания трещин, то k+1 серия взрывов приводит к относительному разуплотнению этих участков массива за счет раскрытия трещин, и наоборот. С приближением очистного забоя происходит прогрессирующее дробление естественных блоков на более мелкие.

Существенной особенностью знакопеременной реакции горных пород на мощные взрывные воздействия в геосредах явилось их "дальнодействие" [16]: отмеченные деформации массивов распространяются вокруг образующихся полостей значительно дальше, чем это можно ожидать из классических представлений о зоне взрывного разрушения сплошной среды, примерно на порядок. Локальные механические проявления необратимого характера, как оказалось, происходят до расстояний (8-10)⋅R, где R - радиус зоны взрывного разрушения породы. Для этой системы разработки область влияния взрывов от камеры распространяется на расстояние не менее 50 м, причем область интенсивного разуплотнения окружающего массива простирается на расстояние порядка 20 м. Обнаружение знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия стало экспериментальным доказательством того, что большая доля энергии взрывов расходуется не только на дробление породного массива в очаговой зоне и ее непосредственной окрестности, но и передается в виде кинетической энергии структурным элементам напряженной геосреды.

Под действием циклической знакопеременной нагрузки возникают потоки 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 [17]. 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 напряжений или касательных, причем не вся энергия растягивающих напряжений расходуется на рост трещины, а только ее превышение над энергией деформаций среды. После достижения трещиной максимального приращения, что происходит на стадии действия растягивающей нагрузки, в течение последующего времени длина трещины остается постоянной (не залечивается).

С увеличением расстояния между скважинами комплекта число скважин с наложением волн напряжения уменьшается, вплоть до полного исчезновения к концу взрыва.

Используя такой графический метод, можно определить количество предразрушений окрестностей всех скважин взрываемого блока. Анализируя приведенные графики, можно сделать вывод о том, что распределение предразрушений по скважинам в рядах и между рядами имеет аналогичную картину, Однако определять интенсивность предразрушения окрестностей взрывных скважин по количеству этих предразрушений можно приблизительно, поскольку эта интенсивность в значительной степени зависит от расстояния до взрываемой скважины. Предлагается определять интенсивность И, зависящую от расстояния до взрываемой скважины, как частное от деления радиуса зоны предразрушения R на расстояние между взрываемой скважиной и скважиной, для которой она определяется:

Чем выше интенсивность предразрушения окрестностей скважин, тем меньший требуется удельный расход зарядов ВВ. Там, где нет предразрушений, следует производить полную зарядку скважин ВВ, а чем больше интенсивность предразрушений, тем меньше заряд ВВ. Относительную величину заряда ВВ обозначим K - коэффициент учета предразрушения окрестностей скважин от волн напряжения с расстоянием и подсчитаем как величину, обратную интенсивности предразрушения

Чем меньше величина коэффициента K, тем больше интенсивность предразрушения скважины и, соответственно, можно делать меньший заряд ВВ.

Такое наложение зон предразрушения увеличивает кратность воздействия волн напряжения в окрестностях отдельных скважин, причем волна напряжения приходит из различных направлений.

Для определения коэффициента К на опытных участках блоков проводят несколько взрывов в зажатой среде, после каждого взрыва строят модель развития зон предразрушения при взрыве каждой скважины на блоке и в его окрестностях; при бурении взрывных скважин нового блока по величине энергоемкости оценивают долевое снижение прочности пород в зонах предразрушения от многократного знакопеременного воздействия волн напряжений и при проектировании следующего массового взрыва в аналогичных условиях удельный расход ВВ q_н рассчитывают по формуле:

q_н=q⋅К

где q - удельный расход ВВ без учета предварительного разрушения окрестности скважин, кг/м³; К - коэффициент учета предразрушения окрестностей скважин от волн напряжения с расстоянием.

Таким образом, заявляемый способ определения оптимальных параметров взрывного разрушения горных пород с учетом зоны предразрушения позволит использовать ослабление пород в районе каждой взрываемой скважины в процессе развития массового взрыва в реальном массиве горных пород на основе учета размеров зон предразрушения и количественных изменений свойств горных пород в окрестностях конкретных скважин для изменения их количественных параметров взрывания.

Источники информации

1. Справочник взрывника / Б.Н. Кутузов [и др.]. Под общей редакцией Б.Н. Кутузова - М.: Недра, 1988. - 511 с.

2. Лапшов А.А. Оптимизация интервалов замедлений при массовых взрывах на карьерах // Автореф. дисс…к.т.н. Екатеринбург. 2011.

3. Лупий С.М. Зоны предразрушения при буровзрывном способе проведения горных выработок и влияния их на параметры анкерного крепления // Взрывное дело. - М. - 2016. - №115/72. - С. 226-232.

4. 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.

5. Патент Российской Федерации №2593285 МПК Е21С 41/26.

6. Патент Российской Федерации 2275587, МПК F42D 3/04 (прототип).

7. 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.

8. Александров В.Е., Кочанов А.Н., Левин Б.В. О взаимосвязи прочностных и акустических свойств пород в зоне предразрушающего действия взрыва // ФТПР-ПИ - 1987 - №4. - С. 24-32.

9. Садовский М.А., Адушкин В.В., Спивак А.А. О размере зон необратимого деформирования при взрыве в блочной среде // Динамические процессы в геосферах. Геофизика сильных возмущений. - М., 1994. - С. 45-56.

10. Сеинов Н.П. Вклад В.Е. Александрова в развитие взрывного дела // Разрушение взрывом и необратимые деформации горных пород. - М., 1997. - С. 43-50.

11. Шемякин Е.И., Кочанов А.Н., Деньгина Н.И. Параметры волн напряжений и предразрушение прочных пород при взрыве // Разрушение взрывом и необратимые деформации горных пород. - М., 1997. - С. 15-25.

12. Адушкин В.В., Опарин В.Н. От явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия - к волнам маятникового типа в напряженных геосредах. Ч. I // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2012. - №2. - С. 3-27.

13. Курленя М.В., Опарин В.Н., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. О некоторых особенностях реакции горных пород на взрывные воздействия в ближней зоне // ДАН СССР. - 1987. - Т. 293, №1.

14. Курленя М.В., Адушкин В.В., Гарнов В.В., Опарин В.Н., Спивак А.А. Знакопеременная реакция горных пород на динамическое воздействие // ДАН СССР. - 1992. - Т. 323, №2.

15. Адушкин В.В., Опарин В.Н. От явления знакопеременной реакции горных пород на динамические воздействия - к волнам маятникового типа в напряженных геосредах. Ч. I // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2012. - №2. - С. 3-27.].

16. Садовский М.А., Адушкин В.В., Спивак А.А. О размере зон необратимого деформирования при взрыве в блочной среде // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1989. - №9.

17. Каркашадзе Г.Г., Ларионов П.В., Мишин П.Н. Моделирование роста трещины под действием циклической нагрузки // ГИАБ. - 2011. - №3. - С. 258-262.