Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения оптимальных параметров взрывного разрушения горных пород 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.

В связи с тем, что определение фактического времени замедления в производственных условиях сопряжено со значительными трудностями из-за большого разброса интервалов последовательно срабатывающих замедлителей, поэтому развитие взрыва группы зарядов во времени и пространстве в массиве горных пород приобретает вероятностный характер и интервалы замедления либо рассчитывают аналитически, либо принимают по данным моделирования, например, взрыванием на моделях из стекла.

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 [2] 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 [3] 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 [4].

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. Последовательность же работы конкретной системы «массив горных пород - заряд ВВ» неизвестна вследствие вероятностного характера развития взрыва группы зарядов во времени и пространстве из-за отклонения от номинала времени срабатывания замедлителей.

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, направление подхода 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 увязывают это снижение с изменением величины заряда скважин, повторяя процесс до достижения заданного качества дробления.

Выполнение способа определения оптимальных параметров взрывного разрушения горных пород с учетом зоны предразрушения рассмотрим на примере взрывания блока клиновой схемой скважин диаметром 215 мм, расположенных по сетке 6×6 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. Инициирование поверхностной сети скважинных зарядов блока проводят с середины блока по схеме «взрыв в зажиме».

На фиг. 1 представлена схема взрывания блока; на фиг. 2 - зоны предразрушения при взрыве первых трех скважин; на фиг. 3 - развитие взрыва к 1300 мс; на фиг. 4 - развитие взрыва к 1900 мс.

Анализируя фиг. 1, можно сделать следующие заключения о процессе развития взрыва с замедлениями в 150×200 мс. За счет кратности в 50 мс все заряды блока, кроме стартового, взрываются комплектами скважин - по 2 (замедление 150-300 мс, 400 и 450 мс), по 4 (замедления 350 мс, 500-700 мс, 850 мс), по 6 и 8 скважин в комплекте. Но всегда между скважинами комплекта 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, так при взрыве уже первого комплекта из двух зарядов на замедлении 150 мс из 46 скважин в зонах предразрушения по окрестностям 14 (30%) прошла удвоенная волна напряжения, причем пришедшая из противоположных направлений. С увеличением расстояния между скважинами комплекта число скважин с наложением волн напряжения уменьшается, вплоть до полного исчезновения к концу взрыва.

От старта взрыва в скважине 94 по врубовому ряду расположены по 10 скважин в обе стороны на длине блока по 60 м, которые взрывают через 150 мс.

В работе [5] показано, что волна напряжения за 30 мс проходит расстояние около 50 м, следовательно, скорость волны напряжения составит около 1670 м/с, а скорость роста трещин - около 660 м/с. В аналогичных породах можно принять такие же скоростные параметры развития взрыва. Тогда к моменту взрыва вторых врубовых скважин 83 и 105 волна напряжения от взрыва первой скважины 94 за 150 мс пройдет около 100 м и выйдет за пределы блока, радиус зоны разрушения может достичь предельной величины в 40 радиусов заряда (R_з) [6], а радиус зоны предразрушения - величины в (200-250)R_з, т.е. 22-27,5 м [7-10]. Для графического построения взаимодействия зон предразрушения размер зоны разрушения принимаем до 9 м, а зоны предразрушения - 44 м.

При взрыве первой врубовой скважины 94 зона предразрушения пройдет через окрестности скважин 59-63, 69-75, 80-86, 91-93, 95-97, 102-108, 113-119, 125-129. Перед взрывом последующих скважин волна напряжения производит образование трещин в полном объеме зон разрушения и предразрушения в фазах сжатия и растяжения и вполне достаточно времени на формирование трещин в обеих зонах до полного раскрытия. Волны напряжения поглощаются в зоне разрушения, производя дополнительное дробление пород в этой зоне, что необходимо учитывать при построении последующих зон предразрушения - они выглядят в виде секторов различной конфигурации. Скважины, попадающие в зону перекрытия секторов зоны предразрушения, дважды подвергаются воздействию волн напряжения.

В комплекте скважин на замедлении 300 мс, скважины начинают попадать в зону предразрушения 6-кратно, на замедлении 350 мс - 8-кратно, а к 1000 мс появляются скважины с 20-кратным воздействием волн напряжений. Воздействие каждого импульса вызывает определенное число нарушений как в результате развития существующих в породе нарушений при воздействии прямой волны сжатия, так и образования новых в местах концентрации напряжений, дислокаций, ослабленной прочности и т.д., при воздействии волны растяжения, сменяющей волну сжатия через определенный промежуток времени [11].

При больших интервалах замедления имеется необходимое время для прорастания трещин на полную глубину, соответствующую квазистатической стадии разрушения под действием распирающего действия продуктов детонации взрыва последующих зарядов. К. Хино [11] утверждает, что при короткозамедленном взрывании в результате взрыва зарядов предыдущей очереди образуются дополнительные поверхности обнажения, в которых распирающее действие газов взрыва последующей очереди продолжается от 10 до 100 мс.

Филд и Ладегаард-Педерсен [9] наблюдали в экспериментах, как газообразные продукты детонации вырываются из трещин в плексигласе, достигающих поверхности на ранних стадиях процесса. Заряд ТЭНа массой 40 мг располагался на дне шпура диаметром 3,3 мм и глубиной 65 мм на уровне подошвы уступа. ЛНС составляла 35 мм, взрывание производилось без забойки. По регистрограмме установлено, что процесс вылета продуктов детонации из зарядной полости заканчивается через 170-180 мкс после инициирования заряда. Однако процесс развития трещин продолжается вплоть до выхода их на свободную поверхность, причем длительное время после полного истечения продуктов детонации из зарядной камеры. В направлении ЛНС трещины достигают свободной поверхности через 304 мкс после начала инициирования, а в противоположном направлении - через 448 мкс. Столь продолжительный рост трещин после полного истечения продуктов детонации из зарядной полости в вязком материале, каким является плексиглас, не может быть объяснен ни волновыми процессами, ни действием квазистатических напряжений. Наиболее вероятно, что развитие трещины обусловлено расклинивающим действием защемленных в ней продуктов детонации, обратное истечение которых в зарядную полость после уменьшения в ней давления затруднено в связи с захлопыванием устьев трещин.

Многократное повторение чередующихся сжимающих и растягивающих напряжений приводит к раскрытию трещин и за пределами взрываемого блока. На фиг. 4 видно, что на длинной стороне блока по узловым скважинам проектной сетки a1-a17 кратность волн напряжения составляет в основном 15 (от 10 на a1 и а17 до 16 на а3 и а15), по а18-а34 - 10-11 и по а35-а51 - 5, а по короткой стороне блока соответственно по б1-б11 - 10-12, по б17-б27 - 8-9 и по б33-б43 - 5. При бурении взрывных скважин на этом блоке оценивают степень снижения прочности пород по узловым скважинам, например, энергоемкостью бурения, пропорционально этим величинам снижают массу заряда в этих скважинах напрямую или через увеличение сетки их расположения и, после нескольких экспериментальных взрывов, окончательно принимают величину этой пропорциональности.

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.

Источники информации

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

2. 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.

3. Патент Российской Федерации №2593285, МПК Е21С 41/26.

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

5. Оптимизация параметров взрывных работ увеличением интервалов замедления / Митюшкин Ю.А. [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - №4. - С. 341-348.

6. 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.

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

8. 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.

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

10. 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.

11. Hino К. Fragmentation of rock through blasting and shock waves, theory of blasting Quarterly of the Colorado School of Mines, Golden, 1956, 51. P. 189-209.

12. Повышение эффективности действия взрыва в твердой среде / Комир В.М. [и др.] // - М.: Недра, 1988. - 209 с.