Способ ведения взрывных работ с учетом зоны предразрушения

Изобретение относится к области взрывного разрушения горных пород 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 (R_з), 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, разделяющих массив горных пород на отдельности.

В связи с тем, что определение фактического времени замедления в производственных условиях сопряжено со значительными трудностями из-за большого разброса интервалов последовательно срабатывающих замедлителей, развитие взрыва группы зарядов в массиве горных пород во времени и пространстве 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 в процессе развития массового взрыва.

Известен 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 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.

Наиболее близким по существу решаемой задачи является способ определения оптимальных параметров взрывного разрушения горных пород с учетом зоны предразрушения, включающий 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 фактического 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, в котором 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 увязывают это снижение с изменением величины заряда скважин, повторяя процесс до достижения заданного качества дробления.

Недостатком этого способа, принятого за прототип заявляемому изобретению,

является инициирование поверхностной сети скважинных зарядов блока с середины блока по схеме клинового вруба.

Технической задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является повышение интенсивности ослабления массива горных пород в средней части взрываемого блока за счет взаимного наложения зон предразрушения от двух врубовых рядов по его краям.

Поставленная задача достигается тем, что в способе ведения взрывных работ с учетом зоны предразрушения, включающем построение модели развития массового взрыва во времени и пространстве для конкретной схемы взрывания с удельными интервалами замедления выше 25 мс/м, дифференцированный расчет величины скважинных зарядов для различных участков ослабления массива зонами предразрушения, оценку результатов взрыва по данным экскавации горной массы и выбор оптимальных параметров взрыва по данным статистики, согласно изобретению, стартовый импульс на взрывание дают одновременно для двух врубовых рядов, расположенных по краю блока; при этом врубовым принимают второй или третий ряд скважинных зарядов от края блока, а интервал замедления во врубовых рядах принимают на одну ступень ниже, чем в перпендикулярном направлении по рядам отбойных скважин.

Выполнение способа ведения взрывных работ с учетом зоны предразрушения рассмотрим на примере взрывания блока клиновой схемой скважинными зарядами диаметром 215 мм, расположенных по сетке 6×6 м. Взрывание проводим с применением неэлектрической системы инициирования с волноводами, например, ИСКРА. В поверхностной сети во врубовых рядах системой ИСКРА-П установлено замедление 109 мс, для отбойных скважинных зарядов в рядах, расположенных перпендикулярно врубовым рядам - 176 мс (следующая ступень замедления системы ИСКРА). Инициирование внутрискважинной сети выполнено устройством ИСКРА-С с замедлением 500 мс. Инициирование поверхностной сети скважинных зарядов блока проводят с середины блока по схеме «взрыв в зажиме».

На фиг. 1 представлена схема взрывания блока, над скважинами указаны их порядковые номера, под скважинами - время замедления после взрывания врубовой скважины; на фиг. 2 - зоны дробления (залиты серым цветом), в кружках указано количество волн напряжений, прошедших через зону действия конкретного скважинного заряда при взрыве первых трех скважин в каждом врубовом ряду; на фиг. 3 - развитие взрыва к 528 мс, в кружках указано от 1 до 10 волн напряжений, прошедших через зону действия конкретного скважинного заряда, в прямоугольниках - от 11 до 20 волн напряжений; на фиг. 4 - развитие взрыва к 922 мс; на фиг. 5 - схема полного завершения взрыва, в шестиугольниках - от 21 до 30 волн напряжений, в пятиугольниках - более 30 волн напряжений.

Анализируя фиг. 1, можно сделать следующие заключения о процессе развития взрыва с замедлениями в 109×176 мс. Опыт ведения взрывных работ предприятием «АВТ-Амур» показал, что при расположении врубового ряда во втором или третьем (предпочтительнее) ряду от края взрываемого блока исключается выброс горной массы за последний ряд скважин, поскольку имеется возможность подвижки разрушаемого массива в сторону взорванной горной массы. А старт взрыва от средины блока снижает смещение взорванной горной массы, сохраняя контакты руд и пород близкими к естественным. За счет использования двух врубовых рядов все заряды блока взрываются комплектами скважин - от 2 (в стартом комплекте и при замедлениях 528 мс, 704 мс, 880 мс и т.д. по вертикальной линии стартовых зарядов) до 4 (замедления 109-352 мс, и др.) и до 8 скважин в комплекте (замедления 394, 461-503 мс и т.д.) 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 фиг. 2 при замедлении 109 мс из 46 скважин в зонах предразрушения по окрестностям 36 (56%) скважинных зарядов прошла удвоенная волна напряжения, причем пришедшая из противоположных направлений, а по окрестностям 12 скважин (19%) прошла утроенная волна напряжения. С увеличением расстояния между скважинами комплекта число скважин с наложением волн напряжения уменьшается, вплоть до полного исчезновения к концу взрыва.

От старта взрыва в скважинах 43 и 281 по врубовым рядам на длине блока по 48 м расположены по 8 скважинных зарядов в обе стороны, которые взрывают через 109 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 раз-вития взрыва. Тогда к моменту взрыва вторых врубовых скважин 42, 44 и 280, 282 волна напряжения от взрыва первых скважин 43 и 281 за 109 мс пройдет около 72 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 8 м, а зоны предразрушения - 50 м.

При взрыве врубовой скважины 43 верхнего врубового ряда зона предразрушения пройдет через окрестности скважин 6-12, 22-30, 39-47, 56-64, 74-80, 22-96, 110-112. При взрыве врубовой скважины 281 нижнего врубового ряда зона предразрушения пройдет через окрестности скважин 212-214, 228-232, 244-250, 260-268, 277-280, 282-285, 294-302, 312-318. Перед взрывом последующих скважин волны напряжения производят 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.

На интервале замедления 528 мс, происходит встречное наложение зон предразрушения от взрыва зарядов скважины 94 со стороны верхнего врубового ряда и скважины 230 со стороны нижнего врубового ряда на район скважинных зарядов 161-163 (выделены заливкой). К этому моменту через район отдельных скважин прошло 14-15 волн напряжений. Воздействие каждой волны напряжений 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.

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. 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.

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.

На интервале замедления 922 мс через район скважинных зарядов 161-163 проходят четыре волны напряжения от взрыва зарядов в скважинах 109, 113, 211, 215, а общая зона предразрушения от врубовых рядов, в которой происходит встречное наложение волн напряжений, охватывает пять рядов скважин в средней части блока.

На интервале замедления 1928 мс наибольшее число волн напряжения, прошедших от двух врубовых рядов с взаимным наложением через зону скважин среднего ряда, зарядов достигло 34, в то время как для скважин от одного врубового ряда этот показатель составил 25. Аналогичная картина наблюдается за пределами взрываемого блока - соотношение 21 к 16.

Таким образом, заявляемый способ ведения взрывных работ с учетом зоны предразрушения позволяет повысить число волн напряжений, проходящих через район скважинных зарядов в средней части взрываемого блока на 31-36%, и тем самым увеличить ослабление горных пород в районе каждой взрываемой скважины в процессе развития массового взрыва, в сравнении с применяемыми схемами взрывания, что позволяет 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. 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.