СПОСОБ БУРОВЗРЫВНОЙ ПРОХОДКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В НАПРЯЖЕННЫХ ТРЕЩИНОВАТЫХ МАССИВАХ ГОРНЫХ ПОРОД

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

S - площадь сечения выработки, м²;

a₀ - среднее расстояние между шпурами в забое, м;

K_з - коэффициент заполнения шпура ВВ;

d_з - диаметр заряда ВВ, м/с;

ρ_в - плотность заряжания, кг/м³;

π=3,14;

D - скорость детонации ВВ, м/с;

с - скорость продольной волны в отдельности массива горных пород, м/с;

ν - коэффициент Пуассона отдельности;

σ_р - предел прочности на разрыв отдельности, Па;

µ - коэффициент трения между отдельностями в массиве;

Ф - показатель трещиноватости массива;

d_e - размер отдельности массива, м;

P - величина горного давления в месте взрывания, Па;

d_к - размер кондиционного куска, м;

W - линия наименьшего сопротивления, м, W=а₀.

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.

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)d₃ 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).

Предложенный способ осуществляют следующим образом. Вначале определяют величину a₀, подставляя туда численные значения параметров. Физико-механические свойства массива σ_р, c, ν, ρ обычно определяют на стадии геологоразведочных работ по известным методикам. Величину d_k задают исходя из требуемой степени дробления массива. Значения величин Ф, µ, K_з взаимосвязаны с размером естественной отдельности d_e, их определяют из таблицы

Детонационные характеристики ВВ (D, ρ_в) и диаметр заряда ВВ (d₃) 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/с²; 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.

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_e=0,05-0,15 м (0,1 м в среднем). Физико-технические свойства гранитов c=4,54·10³ м/с, ν=0,23, µ=0,25, σ_р=0,86-10⁷ Па, ρ=2,5·10³ кг/м³, Ф=11, K_з=0,45.

Взрывание производят патронами аммонала-200 с d₃=0,04 м, ρ_в=0,9-10³ кг/м, D=4,4-10³ м/с. Величина горного давления при H=500 м, g=9,8 M/c², ρ=2,5-10³ кг/м³, k=2 равна P=2,5·10⁷ Па.

Размер кондиционного куска d_к=0,4 м, площадь сечения заходки S=14 м². Подставляя численные значения в (3) получим a₀=0,91 м. Подставляя a₀ в (1) и (2), с учетом численных значений K₃, d₃ рв получим N=34, q=1,23 кг/м³.

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

Радиус зоны трещинообразования определен из (2), считая, что динамическая часть σ_pm(r) без величины P в правой части равенства равна пределу прочности отдельности массива на разрыв σ_p, то есть

Радиус зоны регулируемого дробления (R_p) в пределах которой размер крупных кусков не превышает кондиционного определен путем умножения правой части (3) на величину (d_к/d_e)^0,5 , полученную согласно закону Риттингера: работа разрушения обратно пропорциональна размеру разрушенных кусков, а разрушающее напряжение пропорционально корню квадратному из этого выражения. Тогда

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_p должна быть умножена на

Среднее расстояние между шпурами в забое равно a₀=2R_p или

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 a₀ и высотой W=a₀. Тогда

где S₁ площадь сечения горной породы выбрасываемой одним шпуровым зарядом ВВ, м².

Подставляя (9) в (8) получим:

Удельный расход ВВ можно определить по формуле:

где Q_в - масса заряда ВВ в шпуре, кг;

V₁ - объем породы отбитый одним шпуром, м³.

;

Подставляя (12) в (11) и учитывая, что - коэффициент заполнения шпура ВВ, получим

Промышленные экспериментальные исследования показали, что величина К_з 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.