Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения размеров зоны предразрушения в массиве горных пород

Изобретение относится к области буровзрывных работ в крепких горных породах и может быть использовано в различных отраслях, применяющих взрывные работы в скальных массивах горных пород.

Известно, что массу зарядов для разрушения горных пород рассчитывают, исходя из условия ее соответствия прочности взрываемых пород [1]. Существуют различные способы оценки свойств взрываемых пород: от оценки на образцах с пересчетом на массив до оценки свойств непосредственно в массиве. Установлена линейная зависимость между удельными энергоемкостями бурения (кВт⋅ч/м) и взрывного дробления (МДж/м³) [2, табл. 14].

Наиболее близким по существу решаемой задачи является способ определения энергоемкости взрывного разрушения пород, включающий определение прочностных характеристик пород по энергоемкости бурения и скорости звука в массиве горных пород и вычисление на их основе энергоемкости взрывного разрушения пород, в котором проводят взрывы на опытных блоках с типовыми конструкциями зарядов по типовым схемам взрывания с повторным определением прочностных характеристик горных пород на оставшихся участках блока после взрывания каждой ступени замедления, вычисляют коэффициенты изменения прочностных характеристик пород от воздействия взрыва предыдущих ступеней замедления для каждой типовой схемы взрывания и используют эти коэффициенты при вычислении энергоемкости разрушения пород для каждой ступени замедления рабочих блоков для аналогичных условий [3].

Недостатком этого способа, принятого за прототип заявляемому способу, является необходимость применения специального буровзрывного агрегата для укрытия взрываемого уступа, снабженного манипуляторами для бурения, зарядки и забойки горизонтальных взрывных скважин, а также взрывной станцией.

Технической задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является определение фактического размера зоны предразрушения, возникающей за счет снижения прочностных свойств пород при многократном взрывном воздействии взрыва зарядов предыдущих технологических блоков.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения размеров зоны предразрушения в массиве горных пород, включающем проведение взрывов на опытных блоках по типовым конструкциям зарядов и схем взрывания с определением прочностных характеристик пород по энергоемкости бурения горных пород и вычислением на их основе энергоемкости взрывного разрушения этих пород, согласно изобретению, при обуривании следующего смежного взрывного блока, примыкающего к предыдущему, по величине энергоемкости бурения определяют значение коэффициента интенсивности предразрушения породы в области буримой скважины, достигнутого в результате взрывного воздействия всех скважинных зарядов предыдущего блока, путем сопоставления текущей величины энергоемкости бурения горных пород данного типа с ее значением в породах предшествующего блока в условиях их естественного залегания; достижение одинаковых величин означает границу зоны предразрушения.

На фиг. 1 представлена схема расположения смежных блоков для определения размеров зоны предразрушения на блоке 2 от воздействия взрывов всех скважинных зарядов блока 1.

Способ определения размеров зоны предразрушения в массиве горных пород осуществляют, например, с помощью системы «Blast Maker» [4], следующим образом. Выбирают несколько пар смежных блоков, сложенных характерными для данного карьера типами горных пород и находящихся на одном горизонте. Разработка блоков ведется последовательно, с оценкой действия массового взрыва скважинных зарядов блока 1 на зону массива горных пород блока 2, непосредственно примыкающую к этому блоку.

Согласно существующим представлениям, механизм предразрушения можно описать следующим образом. Взрывная волна способствует развитию дефектов структуры, изначально присутствующих в массиве горных пород, а также появлению новых микродефектов. Трещиноватость породы увеличивается и, как следствие, уменьшается ее прочность. Это и есть предразрушение горной породы.

Радиальная деформация на расстоянии г от центра заряда определяется по формуле [5]

где ε* - критическая радиальная деформация; r* - радиус зоны разрушения.

Дня точек массива, находящихся за границей зоны разрушения (r>r*), отношение (r*/r)² можно принять в качестве меры уменьшения прочности в результате воздействия взрывной волны

где - коэффициент интенсивности предразрушения.

Породу считают разрушенной в случае, когда коэффициент достигает значения, равного единице. Внутри зоны разрушения (r≤r*) указанное условие выполняется. Если коэффициент меньше единицы, что справедливо для r>r*, взрывное действие на среду оказывается недостаточным для разрушения последней. Но под действием взрывной волны развиваются новые дефекты в объеме породы, что снижает ее прочность. Указанное воздействие ослабевает при удалении от оси заряда. При этом значение коэффициента уменьшается, стремясь к нулю, а на удалении равном (200÷250)R₀ предразрушение породы можно не учитывать [5].

Важно отметить, что коэффициент не является абсолютной характеристикой прочности горной породы массива, а только характеризует относительное изменение прочности породы в заданной области массива. При этом точкой отсчета считается прочность породы данной области в естественном состоянии, не подвергавшемся ранее взрывному действию. Следовательно, нулевое значение коэффициента может соответствовать различным по прочностным свойствам областям массива при условии, что горные породы в данных областях находятся в естественном состоянии. Если коэффициент , то горная порода в рассматриваемой области массива считается разрушенной в результате взрывной нагрузки, т.е. сплошность материала нарушена.

Предразрушение рассматриваемой зоны массива под действием взрывной волны от i-го заряда оценивается коэффициентом

где r_i, (i=1…n) - расстояние между осью 1-го заряда, входящего в состав группы из n зарядов, и рассматриваемой зоной массива.

Суммирование коэффициентов интенсивности от каждого из n зарядов позволит получить значение коэффициента интенсивности предразрушения заданной области массива [5].

Обозначим удельную энергоемкость бурения породы, не подвергавшейся влиянию взрывной волны, е⁰. В данном случае коэффициент интенсивности предразрушения будет . Если же взрывное воздействие имело место в рассматриваемой области массива, но не привело к разрушению последней, удельная энергоемкость бурения будет равна некоторой величине е.

Такому воздействию соответствует коэффициент интенсивности .

Допустим, что справедливо равенство изменения удельной энергоемкости бурения при воздействии взрывной волны (е⁰-е) и изменения коэффициента интенсивности предразрушения . Для проверки данной гипотезы был проведен полевой эксперимент с уточняющими расчетами. Разработка двух смежных блоков, находящихся на одном горизонте, велась последовательно с оценкой действия массового взрыва скважинных зарядов блока 1 на зону массива блока 2, непосредственно примыкающую к блоку 1 (фиг. 1). Эта зона изображена в виде скважин ряда №1 блока 2, который обуривали с замером энергоемкости бурения. Например, для скважины номер р измеренное значение характеризует породу, которая была ослаблена взрывным воздействием блока 1, или e_(p)=е.

За удельную энергоемкость бурения породы, находящейся в естественном состоянии, для принятой скважины принималась энергоемкость ближайшей скважины q блока 1. Эта энергоемкость измерялась до взрыва блока 1, или e⁰_(p)≈е⁰_(q)=e⁰. Так как скважины с номерами р и q расположены в непосредственной близости друг от друга, данное допущение оправдано.

Значение коэффициента интенсивности предразрушения породы в области скважины , достигнутое в результате взрывного воздействия, рассчитывалось с применением разработанного программного комплекса [6]. Указанный комплекс позволяет осуществлять расчет коэффициента породы путем имитации натурного взрыва скважинных зарядов, расположенных по заданной сетке и взрываемых в заданной последовательности.

Анализ значений параметров показал качественное и количественное несоответствие. Очевидно, что для полученного необходимо ввести некоторый поправочный коэффициент α, зависящий от количества воздействий на породу u, который бы учитывал накопление предразрушений в рассматриваемой области массива

где a, b, с, d - коэффициенты, зависящие от свойств породы в рассматриваемой области массива; u - общее количество волн напряжений, оказавших воздействие на рассматриваемую область массива.

Малое значение среднего квадратичного отклонения значений соответствующих коэффициентов полинома, полученных для нескольких пар смежных блоков в пределах карьера, позволило сделать вывод о возможности применения формулы (4) для практических расчетов в пределах всего рассматриваемого карьера. Результаты проведенных исследований показывают возможность производства количественной оценки размера зоны предразрушения массива горных пород. Появляется возможность моделирования других вариантов инициирования зарядов с целью выбора наименее затратного.

Определение прочностных характеристик по энергоемкости бурения проводится по всем характерным типам пород карьера, конструкциям зарядов и схемам взрывания. Затем производят вычисление размеров зоны предразрушения массива горных пород от действия взрыва зарядов предыдущих блоков для каждого смежного блока характерных типов пород и вносят параметры в банк данных, накапливая информацию для различных пород, конструкций зарядов ВВ и схем взрывания. Эту информацию в дальнейшем используют при расчете размеров зоны предразрушения следующего смежного блока по первоначально измеренной энергоемкости бурения взрывных скважин предыдущего смежного блока по принципу аналогии.

Таким образом, заявляемый способ определения размеров зоны предразрушения в массиве горных пород позволяет достаточно просто оценить фактический размер зоны предразрушения от действия ранее взорванных зарядов и, исходя из этого, установить необходимую удельную энергоемкость взрывания пород в этой зоне, а, следовательно, и расход взрывчатого вещества и тем самым решить поставленную задачу.

Источники информации

1. Технические правила ведения взрывных работ на дневной поверхности. - М.: Недра, 1972. - 240 с.

2. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. -М.: Недра, 1986. - 231 с.

3. Шевкун Е.В., Лещинский А.В., Левин Д.В., Матушкин Г.В., Шевкун Т.И. Способ определения энергоемкости взрывного разрушения пород. Патент РФ №2055193 С1. 22.10.2004 (прототип).

4. Коваленко В.А. Программно-технический комплекс «Blast Maker» - современное решение проектировать буровзрывных работ на карьерах // Открытые горные работы в XXI веке. Сб. материалов Межд. научно-практ. конфер. (Красноярск, РФ 4-7 окт. 2011 г.). - С. 30-35.

5. Штукарин, Н.Г. Физика взрыва в прикладных задачах / Н.Г. Штукарин. - Красноярск: Ситалл, 2010. - 309 с.

6. Свидетельство госрегистрации программ для ЭВМ 2017617987, Российская Федерация. Определение предразрушений окрестностей скважин при массовых взрывах в карьерах / Шишкин Е.А., Лещинский А.В., Шевкун Е.Б.; правообладатель Тихоокеан. гос. ун-т. - №2017614639; дата поступл. 22.05.2017; дата регистр. 19.07.2017. - 15 с.