Результат интеллектуальной деятельности: Способ циклично-поточной отработки скальных горных пород

Изобретение относится к области разработки полезных ископаемых с применением взрывного рыхления скальных горных пород и может быть использовано в различных отраслях, применяющих взрывные работы в скальных массивах горных пород.

Известно, что наиболее эффективным при разработке скальных месторождений полезных ископаемых является способ циклично-поточной отработки с применением конвейерного транспорта от забоя до приемного пункта на поверхности [1], поскольку обеспечиваются малые затраты на транспорт и высокая технологичность. Однако значительный разлет кусков горной массы при взрывном рыхлении, достигающий 300 м и более, существенно осложняет вопросы сохранности конвейерных линий, как забойных, так и сборочных, и требует специальных мероприятий по их защите от поражения кусками горной породы.

Известно, что 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 [2].

Управление энергией взрыва путем изменения формы и удельной плотности энергии по первичному полю напряжений при использовании забойки зарядов, нижнего инициирования и взрывания парносближенных зарядов позволяет повысить полезное использование энергии взрыва и достигнуть на этой основе заданной степени дробления при высоких технико-экономических показателях. Вторичное поле напряжений формируется в массиве горных пород под действием отраженных волн растяжения, распространяющихся от внешнего контура разрушения к очагу взрыва. Управление параметрами отраженных волн при постоянной энергии заряда достигается путем регулирования граничных условий на внешнем и внутреннем контурах разрушения [3].

Экранирование энергии волны напряжения является дальнейшим развитием принципа регулирования параметров вторичного поля напряжений при изменении вторичных условий на внутреннем контуре разрушений. При экранировании волн напряжения 30-35% их энергии отражаются в сторону основного объема разрушения, около 8% проходит за экран в среду, локализованную экраном от основного объема разрушений, и 60-70% поглощается в экране. Исследования показали, что при замедлениях 25 и 50 мс экранирующий слой не образуется, и распространение энергии волн напряжения происходит как и при обычном взрыве без экрана: 60-65% энергии волны распространяется в массиве в виде энергии сейсмических колебаний. Образование экрана с существенно отличающейся жесткостью по сравнению с основной средой происходит в течение 70-75 мс. При взрывании с таким замедлением основных зарядов по отношению к зарядам, формирующим экран, энергия волны напряжения аналогична энергии, полученной за экраном, при его предварительном формировании. Поэтому в работе [3, с. 186] предложен способ взрывания с сохранением естественной геологической структуры рудных тел, в котором, из условий обеспечения наиболее эффективного группового действия заряды дробления взрывают при многорядном их расположении: не менее семи в ряду и шести - по глубине массива. Для экранирования энергии волн напряжения заряды в ряду скважин по внутреннему контуру разрушения взрывают мгновенно, чтобы было обеспечено формирование экранирующей преграды, а последующие заряды взрывают порядно через 75, 100, 125 мс и т.д. Для изменения граничных условий по внешнему контуру разрушения взрывание производят на неубранную горную массу.

Недостатками этого способа являются необходимость формирования подпора из неубранной горной массы, что не всегда возможно в условиях ограниченных размеров рабочих площадок, и сложность организации работ по отдельным районам взрываемого блока.

Наиболее близким по существу решаемой задачи является способ циклично-поточной отработки скальных горных пород, включающий обуривание горной массы на буровом блоке вертикальными или наклонными взрывными скважинами, зарядку скважин и взрывание их под укрытием на блоке подготовки пород к выемке, последующую выемку взорванной горной массы и погрузку ее на забойный конвейер через передвижной дробильный агрегат на выемочном блоке, в котором на всех трех блоках работы ведут одновременно: на блоке подготовки пород к выемке производят зарядку взрывных скважин и размещение гибкого газопроницаемого укрытия в виде мата, связанного из изношенных автомобильных шин или якорных цепей, а за пределами его запретной зоны ведут выемочно-погрузочные и буровые работы, при этом обуривание бурового блока начинают с противоположной стороны от блока подготовки пород к выемке [4].

Недостатками этого способа, принятого за прототип заявляемому изобретению, являются сложности в организации работ на трех отдельных участках блока, необходимость формирования укрытия и применение дополнительного мобильного агрегата для додрабливания горной массы.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение затрат на защиту элементов циклично-поточной технологии выемки и транспорта от поражения кусками взрываемой горной массы путем уменьшения количества агрегатов и минимизации подготовительно-заключительных операций при массовых взрывах, при одновременном повышении качества дробления горной массы за счет взрывания с экранированием волн напряжения по принципу «одно замедление - одна скважина».

Поставленная задача достигается тем, что в способе циклично-поточной отработки скальных горных пород, включающем обуривание горной массы вертикальными или наклонными взрывными скважинами, зарядку и взрывание скважин, последующую выемку взорванной горной массы и погрузку ее на забойный конвейер, согласно изобретению, взрывание проводят по принципу «одна ступень замедления - одна скважина» с подачей стартового импульса во врубовый ряд в глубине массива, предпочтительно по второму или третьему ряду на краю блока, интервал замедления во врубовом ряду принимают от 100 мс, а в перпендикулярном направлении, по рядам отбойных скважин, - вдвое выше; выемку горной массы ведут механической лопатой или фронтальным погрузчиком с погрузкой на забойный конвейер через перегружатель с бункером; конвейер перегружателя и забойный конвейер снабжают устройством для очистки нижней ветви ленты.

Особенности подготовки к выемке пород для способа циклично-поточной отработки скальных горных пород рассмотрим на примере взрывания клиновой схемой развития взрыва 100 скважинных зарядов диаметром 215 мм, расположенных на условном технологическом блоке по сетке 4×4 м, с применением неэлектрической системы инициирования, например, RIONEL. Замедление между скважинами поверхностной сети может быть выполнено, например, устройством RIONEL X, инициирование внутрискважинной сети - устройством RIONEL MS-30 с замедлением 750 мс. Рассмотрим развитие массового взрыва, например, по схеме взрывания 200×400 мс со стартом инициирования по второму ряду в глубине блока. Причина такого подхода заключается в том, что производитель системы Rionel допускает отклонения для поверхностных замедлителей в 150 и 200 мс ±12,5 мс, а скважинные замедлители номиналом 750 мс могут срабатывать в интервале от 725 до 800 мс. Тогда связка поверхностного замедлителя 150 мс со скважинным замедлителем 750 мс может сработать при максимальных отклонениях от номинала через 113 или 212 мс - фактически с разрывом в 100 мс. Для связки 200-750 мс максимальное отклонение от номинала составит 163-262 мс, - разрыв в те же 100 мс. Следовательно, чтобы иметь гарантированный разрыв замедлений в 100 мс необходимо использовать неэлектрическую систему инициирования Rionel по схеме 200×400 мс.

На фиг. 1 представлена схема взрывания блока со стартом «взрыв в зажиме»; на фиг. 2 - взаимодействие взрываемых зарядов ВВ с экранирующей зоной разрушения от предыдущих взорванных зарядов (выделено заливкой) на момент развития взрыва 1600 мс; на фиг. 3 - развитие взрыва к 1600 мс с указанием количества прошедших к этому моменту времени волн напряжения через окрестности конкретных скважинных зарядов в зоне предразрушения, формой окантовки цифры и заливкой выделена кратность прохождения волн напряжения в момент развития взрыва 1600 мс; на фиг. 4 - поверхность взорванной горной массы; на фиг. 5 - поверхность уступа после взрыва блока на фиг. 6 - камень на поверхности развала после взрыва; на фиг. 7 - забой экскаватора.

Выполнение подготовки к выемке пород массива для способа циклично-поточной отработки скальных горных пород базируется на управлении параметрами отраженных и преломленных волн при постоянной энергии заряда путем регулирования граничных условий на внешнем и внутреннем контурах разрушения.

Регулирование граничных условий на внешнем контуре разрушения основано на принципе отражения волн от границы полупространства по законам акустики [3]. В упругом приближении на границе раздела двух сред, имеющих соответственно акустическую жесткость ρ₁C_p1 и ρ₂С_р2, количество отраженной W_отр и прошедшей за границу раздела полупространства W_отр энергии может быть определено соответственно, как:

Следовательно, меняя акустическую жесткость среды, примыкающей к разрушаемой, можно существенно изменять параметры вторичного поля напряжений. Если на внешнем контуре разрушения воздух (поверхность или откос уступа), граничные условия на нем определяются акустической жесткостью окружающего среду воздуха при ρ₂С_р2/ρ₁C_p1→0. В связи с этим параметры волн, отраженных и падающих почти равны; параметры преломленных волн в этом случае близки к нулю. При взрывании в «зажатой» среде, когда к внешнему контуру разрушения примыкает не воздух, а разрушенная предыдущим взрывом среда, соотношение ρ₂С_р2/ρ₁C_p1 » 0.

При формировании в разрушаемой среде вторичного поля напряжений одним из важнейших параметров управления энергией взрыва является акустическая жесткость среды, примыкающей к внешнему контуру разрушения. Ее отличие от акустической жесткости основного массива определяет параметры волн не только отраженных, влияющих на эффективность дробящего действия взрыва, но и преломленных, проходящих в эту среду. От них зависит сейсмическое действие взрыва - энергия преломленных волн расходуется на переупаковку и дополнительное разрушение кусков взорванной горной массы и, тем самым, снижается энергия сейсмических воздействий. Управление энергией взрыва при изменении условий на внешнем контуре разрушения позволяет значительно повысить качество дробления взорванной горной массы при снижении затрат. При условии отражения волн напряжений от одной открытой поверхности (верхняя площадка уступа) в разрушаемый объем возвращается 1/6 энергии волны, от двух (верхняя площадка и откос уступа) – 2/6 от трех – 3/6 и т.д.; остальная энергия производит в массиве горных пород предразрушение [5].

Исходя из этих посылок, рассмотрим возможности повышения качества дробления в развале взорванных пород с минимальным разлетом опасных по размеру кусков комплексом факторов: взрывание в «зажиме», экранирование энергии взрыва разрушенной горной массой и увеличение нарушенности массива в зоне предразрушения. Взрывание в «зажатой среде» в виде взорванной горной массы по внешнему контуру разрушения позволяет, помимо изменения параметров отраженных волн напряжения, перераспределить кинетическую энергию выброса на энергию дробления. Многократное прохождения волн напряжения в стадии сжатия-растяжения через окрестности скважинных зарядов в зоне предразрушения существенно увеличивает трещиноватость массива горных пород, способствуя расчленению на более мелкие фракции. Волны напряжения, отраженные от разрушенной взрывами предшествующих зарядов горной породы, как экранирующей среды, увеличивают долю энергии взрыва в разрушаемом объеме пород. Преломленные в разрушенную среду волны напряжения дополнительно повышают степень ее дробления: достаточная сжимаемость разрушенных пород является гарантией достижения качественного дробления при одновременном использовании кинетической энергии выброса на дробление пород [3, с. 177]. Технологическое экранирование энергии волн напряжения при порядном взрывании достигали путем предварительного взрывания по внутреннему контуру разрушаемого объема серии зарядов, формирующих в массиве среду с отличной от исходной породы акустической жесткостью, что ведет к отражению энергии волн напряжения от четырех-пяти границ раздела, создавая условия к значительному повышению полезного использования энергии взрыва на дробление пород [3, с. 179].

При взрывании по схеме «одна ступень замедления - одна скважина» таким экраном может служить зона разрушения породы предыдущим зарядом, взорванным не менее чем за 75 мс. Это принципиально важная предпосылка, поскольку исследования [3] (с. 183) показали, что расстояния до экранирующей поверхности должны быть как можно меньшими, что фронты поперечной и продольной волн от взорванного заряда не успели разойтись, ибо эти волны по-разному поглощаются разрушенной породой. Разрушенная зона от предыдущего заряда располагается вплотную и является идеальной отражающей поверхностью, но она должна успеть сформироваться, поэтому в заявляемом способе предлагается делать следующий взрыв не ранее чем через 100 мс, с учетом отклонения замедлителей от номинала.

Развитие массового взрыва по схеме инициирования 200×400 мс по клиновому врубу к моменту времени 1600 мс переходит в пологую диагональ с одновременным срабатыванием комплекта из шести скважин: 7, 19, 27, 35, 43, 51. Все они, кроме скважины 19, имеют экран из разрушенной породы с трех сторон и поверхность уступа с четвертой, что позволяет отразить в разрушаемый объем породы 2/3 энергии волны напряжения каждого взрываемого заряда. При этом сразу обеспечивается усиленное дробление горных пород во врубовом ряду, например, на объем породы, разрушенный скважиной 17, воздействуют преломленные волны от 5 последующих взрывов скважинных зарядов - вначале от скважин 6-18-26, а через 100 мс - от скважин 7 и 27. Исходя из посылки, что преломленная волна несет с собой 60% энергии волны напряжения, такое развитие массового взрыва равнозначно трехкратному увеличению удельного расхода ВВ на создание зоны разрушения во врубовом ряду. Энергия волн напряжения будет интенсивнее отражаться от такой зоны [3] (с. 181), следовательно, на массив пород за контуром блока будет воздействовать энергия взрыва только двух рядов скважинных зарядов - первого и второго. Волны напряжения от остальных рядов скважинных зарядов (независимо от их числа) за пределы блока не выходит. Этот посыл подтверждается практикой ведения взрывных работ с увеличенными интервалами замедления - откосы уступов становятся круче, стоят без осыпания несколько лет [5].

Скважины каждой ступени замедления срабатывают комплектами, 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 близко расположенных зарядов комплекта взаимодействуют с наложением. Волны напряжения поглощаются в зоне разрушения с дополнительным дроблением пород в этой зоне, что необходимо учитывать при построении последующих зон предразрушения - они выглядят в виде секторов. Скважины, попадающие в зону перекрытия секторов зоны предразрушения кратно подвергаются воздействию волн напряжения - до пяти одновременных воздействий волн напряжения в окрестностях отдельных скважин с разных направлений.

Для проверки изложенных выше посылок были проведены несколько экспериментальных массовых взрывов с замедлениями по схеме 200×400 мс системой неэлектрического инициирования Rionel. Поверхность взорванной горной массы, полностью остающейся в контурах блока, практически спокойная, разлета крупных камней нет. На фиг. 5 автомобиль подъехал к развалу горной массы, оставшейся в контурах блока, без бульдозерной зачистки. Отдельные камни на поверхности сильно растрескались (фиг. 6) и разрушаются просто от ударов ногой, в забое экскаватора отсутствуют крупные камни, откос уступа почти вертикальный, при подкапывании обрушается.

Способ циклично-поточной отработки скальных горных пород осуществляют следующим образом. В комплект выемочно-транспортного оборудования включают механическую лопату или фронтальный погрузчик, перегружатель с бункером и забойный конвейер. Вначале на уступе создают достаточный запас взорванной горной массы, обеспечивающий непрерывную работу выемочно-погрузочного оборудования на период времени, обеспечивающий выполнение работ по обуриванию и взрыванию последующего блока. Затем устанавливают забойный конвейер на расстоянии 30-40 м от откоса разрабатываемого уступа (в зависимости от параметров перегружателя) и начинают отработку на него созданного запаса взорванной массы. Параллельно ведут подготовку и взрыв следующего технологического блока.

За счет повышения степени дробления горной массы исключается надобность в передвижном дробильном агрегате. Увеличение интервалов замедления позволяет использовать кинетическую энергию выброса на дробление пород: на небольшое расстояние происходит разлет только мелких фракций, которые не могут нанести ущерба конвейеру, поэтому исключаются трудоемкие операции с укрытием. Конвейерный перегружатель, позволяющий держать забойный конвейер на удалении от взрываемого блока, позволит решить проблему. Забойный конвейер и забойный перегружатель снабжают устройством для очистки нижней ветви ленты перед натяжным барабаном от случайно попадающих на нее разлетающихся мелких фракций взорванной горной массы.

Таким образом, заявляемый способ циклично-поточной отработки скальных горных пород за счет повышения степени дробления горных пород массива при подготовке к выемке и снижения разлета кусков горной массы позволяет исключить дробильный агрегат и комплекс операций по работе с защитными укрытиями и тем самым достичь поставленной цели.

Источники информации

1. Горная энциклопедия. Т. 5, М.: Советская энциклопедия, 1991, с. 379.

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

3. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. - М., Недра. - 1976. - 271 с.

4. Патент РФ №2362877: Способ циклично-поточной отработки скальных горных пород (прототип).

5. Шевкун Е.Б., Лещинский А.В., Лысак Ю.А., Плотников А.Ю. Особенности взрывного рыхления при увеличенных интервалах замедления // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2017. - №4. - с. 272-282.