Обоснование и разработка способа взрывного разрушения сложноструктурных массивов горных пород с крепкими включениями на карьерах

Рахманов, Руслан Азаматович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование и разработка способа взрывного разрушения сложноструктурных массивов горных пород с крепкими включениями на карьерах
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка способа взрывного разрушения сложноструктурных массивов горных пород с крепкими включениями на карьерах"

На правах рукописи

Рахманов Руслан Азаматович

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД С КРЕПКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ НА КАРЬЕРАХ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 !\?Я 1':П

Москва 2013 005538159

005538159

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Взрывное дело»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Белин Владимир Арнольдович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Викторов Сергей Дмитриевич,

заместитель директора Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук

кандидат технических наук Пупков Владимир Васильевич, директор ООО «Промтехвзрыв»

Ведущее предприятие - Ассоциация «Союзвзрывпром», г. Москва Защита диссертации состоится «12» декабря 2013 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета (MlГУ)

Автореферат разослан « 28 » ocr&g'/'jf 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета

Мельник Владимир Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Горно-геологические условия большинства карьеров, разрабатывающих месторождения осадочного происхождения, характеризуются значительными объёмами разнопрочных горных пород. Наличие в толще мягких пород хаотично распределённых крепких включений предъявляет к буровзрывным работам особые требования. Исследованиями отечественных и зарубежных учёных успешно решены многие актуальные вопросы в этой области. Однако появились объективные причины, связанные с эволюцией техники и технологии, применяемых при проведении буровзрывных работ (БВР), позволяющие, опираясь на фундамент накопленных знаний, поновому решать задачи взрывного дела и вывести их на ещё более высокий уровень.

Практикой разработки пластовых месторождений осадочного типа установлено, что наличие крепких включений в сложноструктурном массиве горных пород затрудняет эффективное использование традиционных методов управления энергией взрыва, основанных на пропорциональности удельного расхода ВВ объёму взрываемых пород. Она свидетельствует о необходимости дифференциации параметров БВР в зависимости от его конкретных структурных и прочностных особенностей. Это обуславливает разработку и внедрение специальных методов буровзрывной подготовки таких пород к экскавации.

Поэтому разработка способов и технологических схем ведения БВР с конструкциями скважинных зарядов взрывчатых веществ (ВВ), основанных на принципе энергетического соответствия между энергией взрыва и её потребностью на дробление породного массива с крепкими включениями и обеспечивающих необходимое качество взрывного разрушения, является актуальной научной задачей и имеет важное практическое значение.

Целью работы является обоснование и разработка способа взрывного разрушения горного массива с крепкими включениями, расположенными в верхней части уступа, обеспечивающего уменьшение выхода негабарита и

среднего размера куска взорванной горной массы для повышения производительности погрузочно-транспортного оборудования.

Идея работы заключается в выборе и обосновании параметров комбинированного заряда для взрывного разрушения разнопрочных слоев горных пород исходя из характеристик применяемых ВВ, разработке и применении способа передачи энергии взрыва в породном массиве, основанного на теории короткозамедленного взрывания и механизме формирования взрывной воронки в верхней части уступа.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Установлены зависимости и определены уравнения взаимосвязи характеристик ВВ с физико-механическими свойствами разрушаемых крепких включений и менее прочных пород, позволяющие выбрать ВВ для комбинированных скважинных зарядов, обеспечивающих необходимое качество дробления разнопрочных слоёв горных пород.

2. Радиус зоны взрывного разрушения верхней части гравелитового массива изменяется по параболическому закону в зависимости от высоты незаряженной части скважины и диаметра зарядов, обеспечивающих максимальную зону разрушения верхней части уступа.

3. При взрывном разрушении горного массива с крепкими включениями, находящимися в верхней части уступа, снижение выхода негабарита достигается разновременным взрывным воздействием сначала на крепкое включение, а затем на менее крепкий слой породы, с замедлением, обеспечивающим опережающее разрушение крепкого включения.

4. Установлено, что повышение эффективности взрывного разрушения породного массива с крепкими включениями, расположенными в верхней части уступа, достигается применением зарядов ВВ с уменьшающимися от дна к устью скважины диаметрами, которые формируются в зависимости от энергетических характеристик ВВ и зон их воронкообразования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждаются:

- комплексной методикой работ, включающей обзор, анализ и обобщение теоретических исследований, экспериментальных полигонных и опытно-промышленных взрывов в разнопрочном породном массиве, а также математической статистики, корреляционного и сравнительного анализа результатов исследований с натурными данными;

- сходимостью результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований по разрушению разнопрочного породного массива с результатами известных решений, описывающих процессы разрушения горного массива, и теории короткозамедленного взрывания;

- положительными результатами апробации разработанного способа взрывания разнопрочного горного массива с крепкими включениями на месторождении Джарой-Сардара - карьер Ташкура в Узбекистане, и использованием результатов исследований и рекомендаций автора при составлении проектов буровзрывных работ на этом карьере.

Научная новизна работы заключается в установлении:

закономерности, учитывающей процесс разрушения породного массива с крепкими включениями при взрыве в нём комбинированных зарядов ВВ, позволяющей рассчитывать их параметры и определять их взаимосвязь с прочностными свойствами этих пород и характеристиками ВВ;

- зависимости изменения размеров зоны разрушения верхней части уступа гравелитового массива от диаметра и высоты недозаряда патронированного заряда ВВ, позволяющей определить эффективную область применения этих зарядов в верхней части скважины;

- зависимости изменения размеров зоны разрушения гравелитового массива по верхней части уступа взрывом патронированного заряда ВВ, позволяющей определить оптимальную длину верхней части активной забойки, обеспечивающей максимальный эффект камуфлета.

Научное значение диссертации:

свойств слоев разнопрочного породного массива, получены уравнения, позволяющие определить необходимые параметры зарядов ВВ;

- разработаны способы изменения формы передачи энергии взрыва в разнопрочные слои горного массива, которые основаны на теории коротко-замедленного взрывания и механизме формирования взрывной воронки в верхней части уступа.

Практическое значение диссертации заключается в разработке способа взрывания разнопрочных массивов горных пород с крепкими включениями на открытых горных работах (патент РФ на изобретение № 2478913), обеспечивающего повышение эффективности БВР за счёт увеличения выхода с одного погонного метра скважины во взорванной горной массы, снижения выхода негабарита в крепком включении с 15 до 3-5 % и уменьшения среднего размера куска породы во взорванной горной массе для повышения производительности погрузочно-транспортного оборудования.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанный способ взрывания разнопрочных массивов горных пород с крепкими включениями и практические рекомендации приняты к внедрению при разработке месторождения Джерой-Сардара в карьере Ташкура Центрального рудоуправления Навоий-ского горно-металлургического комбината. Его внедрение позволяет получить экономический эффект в размере 2 руб/м3 взрываемой горной массы.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались автором на Международной научно-практической конференции «Инновация» (г. Ташкент, 2008-2011 гг.), республиканском научно-практическом семинаре на тему: «Инновационная деятельность молодых ученых» (г.Навои, сентябрь, 2008 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ, включая 5 статей в журналах рекомендованных ВАК Ми-нобрнауки и 2 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 130 страницах, содержит 49 рисун-

ков, 9 таблиц, списка использованной литературы из 110 наименований и 1 приложения.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность проф., д.т.н. В.А. Белину, проф., д.т.н. В.Н. Сытенкову, д.т.н. П.А. Шеметову, помощь и постоянное внимание которых способствовали успешному выполнению работы, а также сотрудникам рудника Мурунтау и преподавательскому составу кафедры ВД Ml 1У за полезные консультации и практическую помощь в ходе выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Большой вклад в развитие науки в области разрушения горных массивов взрывами скважинных зарядов ВВ на открытых горных работах внесли ученые: Мельников Н.В., Трубецкой К.Н., Ржевский В.В., Абрамов A.B., Баранов В.А., Белин В.А., Беляев А.Ф., Бибик И.П., Викторов С.Д., Валахович Е.М., Валиев Б.С., Вяткин H.JL, Глазков Ю.В., Гончаров С.А., Данилин О.П., Демидюк Г.П., Друкованный Н.В., Дугарцыренов A.B., Ефремов Э.И., Жариков И.Ф., Ильин В.И., Кантор В.Х., Качанов А.Н., Клинов Ю.В., Котенко Е.А., Крюков Г.М., Кутузов Б.Н., Ляхов Г.М., Мальгин О.Н., Марченко JI.H., Михайленко Е.В., Мосинец О.Н., Родионов В.Н., Рубцов С.К., Русаков B.JL, Сеинов Н.П., Синицын И.Ю., Сорокин В.Т., Сытенков В.Н., Фугзан М.М., Фурсов A.A., Цэдэнбат А, Чакветадзе P.A., Шамонин В.А., Штейнберг А.Б. и др. В работах этих авторов рассматриваются и предлагаются разные способы взрывного разрушения разнопрочных породных массивов с крепкими включениями. Разработанные способы ориентированы на создание максимальных взрывных напряжений и увеличение продолжительности действия взрыва именно там, где залегают такие включения.

Однако применение такого подхода к дроблению разнопрочного породного массива, в котором крепкое включение расположено в верхней части взрываемого уступа (далее по тексту такой массив будет называться просто разнопрочным), ведёт к увеличению затрат на производство БВР, так как свя-

зано с излишним взрывным нагружением слабой части массива. Приближение заряда ВВ к поверхности уступа и при этом увеличение его мощности ведёт к росту расхода энергии взрыва на бесполезные формы механической работы — разброс кусков породы и увеличение ударно-воздушной волны. Это снижает эффективность использования энергии взрыва на разрушение горного массива. С учётом изложенного в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать действие взрыва зарядов ВВ в породном массиве с крепкими включениями, определить основные параметры заряда и характеристики ВВ в зависимости от физико-механических свойств взрываемых пород.

2. Провести исследование способа передачи энергии взрыва в верхнюю часть уступа, основанного на теории короткозамедленного взрывания и механизме формирования взрывной воронки в верхней части уступа.

3. Провести полигонные испытания по определению эффективных параметров скважинного заряда ВВ при разрушении верхней части крепкого включения из гравелита.

4. Разработать способ взрывного разрушения горных пород с крепкими включениями и провести его опытно-промышленную проверку.

Анализ механизма взрывного разрушения разнопрочного породного массива позволяет прийти к выводу, что основной причиной низкого качества проработки и появления негабаритов при взрыве зарядов ВВ в скважинах, сетка которых определена по традиционной методике для однородного горного массива, является образование неразрушенных зон в пределах крепких включений (рис. 1а). Неодинаковые прочностные характеристики менее прочного слоя горной породы и крепкого включения приводят к существенному снижению радиуса ЗРД в крепкой части по сравнению с менее прочной.

Для предотвращения образования негабаритов в верхней части уступа и повышения коэффициента полезного действия энергии взрыва на разрушаемый массив необходимо формирование комбинированного скважинного заряда с заряжанием более мощного ВВ в крепкое включение (рис. 16).

Рис. 1. Схема разрушения разнопрочного породного массива скважинным сплошным (а) и комбинированным (6) зарядами ВВ: 1 и 2 - зоны регулируемого дробления соответственно менее прочного массива и крепкого включения; 3 - зона не регулируемого дробления в крепком включении; г и г* - радиусы соответственно зон регулируемого и нерегулируемого дробления.

Для определения параметров комбинированного скважинного заряда использовались разработки, выполненные на кафедре «Взрывное дело» МГГУ. По современным представлениям, радиус регулируемого дробления для удлиненного заряда ВВ определяется выражением:

' +М + П

(1)

гдем = 21^}| +

р{1 + У)

- коэффициент учитывающий упругое расширение взрывной полости; г0 - радиус заряда; С - параметр адиабаты; Ро -начальное давление газа; у2 - показатель изоэнтропы; К - коэффициент всестороннего сжатия; П-пористость породы отн. ед.; Е - модуль упругости; V - коэффициент 11уассона; р - конечное давление продуктов детонации.

Основное влияние на радиус регулируемого дробления оказывает давление газа Ро на стенки скважин (давление продуктов детонации в точке Жуге). Оно определяется следующим выражением:

ДО2

Ро=-

у+1 '

(2)

где Л - плотность заряжания ВВ; £> - скорость детонации; у- показатель адиабаты.

Для увеличения радиуса регулируемого дробления необходимо увеличить значение Ро. Согласно соотношению (2) наибольшее влияние на величину давления в точке Жуге оказывает скорость детонации ВВ. Тогда, соответственно для заряжания скважин в пределах крепкого включения, следует подобрать ВВ с большей скоростью детонации.

Выбор ВВ для крепких включений определён на основе равенства зон регулируемого дробления во включении г* и в менее крепкой породе г.

г*=г. (3)

Подставляя (1) в (3) и проводя математические преобразования, исходя из применяемых параметров зарядов ВВ и с учётом физико-механических свойств взрываемых слоёв породы (по условию: р - <^рас), скорость детонации ВВ для дробления крепкого включения составит (параметры с верхним индексом «к» относятся к заряду ВВ в крепком включении):

>21

иуУ+1)

4*-А*

^ а

<7 рас

К"

+ МК+П'

-+1--

К"

,(4)

где М-2

АГ= 2

ду(1+к*)~| Гоу(1+^)

Е" ЕГ

Для случая применения в разнопрочных слоях породного массива зарядов с изменяющимися диаметрами, исходя из параметров характеристик ВВ и физико-механических свойств взрываемых слоёв пород, диаметр заряда ВВ, располагаемого в крепком включении, будет определяться выражением:

^+М'+1Г К"_

5^+м+л к

Уравнения (4) и (5) позволяют получить для разнопрочных слоев породного массива необходимые параметры комбинированных зарядов ВВ с неизменным и изменяющимися диаметрами, обеспечивающие необходимое качество разрушения разнопрочных слоев пород и исключающие появление негабарита.

При разработке способа разрушения горных пород в основу концепции, принятой автором, заложены идеи изменения механизма передачи энергии взрыва разнопрочному массиву, реализуемые на принципе суперпозиции, согласно которому динамические воздействия от близко расположенных зарядов ВВ суммируются, создавая повышенные взрывные напряжения в горном массиве.

Первая идея базируется на теории короткозамедленого взрывания. Для изменения механизма передачи энергии взрыва в верхнюю часть уступа целесообразно рассматриваемый комбинированный заряд рассредоточить укороченным инертным промежутком, который позволит взорвать сначала верхнюю, а затем нижнюю части зарядов. За счёт этого достигается опережающее разрушение крепкого включения, при котором продукты детонации нижнего заряда, воздействуя на менее прочный массив, раскрывают начальные трещины, образовавшиеся в крепком включении от взрыва верхнего заряда. Время замедления Д? между взрывами зарядов определяется выражением:

где о - время инициирования нижнего заряда, располагаемого в менее прочном массиве, мс;

¡2 - время инициирования верхнего заряда, располагаемого в крепком включении, мс.

& = мс,

(6)

Время замедления Аг должно быть достаточным для того, чтобы прямая взрывная волна напряжений сжатия могла пройти через зону дробления и через эту же зону успела бы вернуться обратно волна разрежения-растяжения, производящая основное разрушение породы вблизи свободной поверхности (из-за вызываемых ею растягивающих напряжений, на порядок меньше сжимающих).

Необходимое для этого время состоит из двух частей: времени, затрачиваемого на движение взрывной волны от центра взрыва к свободной поверхности, и времени, затрачиваемого на движение волны разрежения от свободной поверхности (отражённой волны напряжений) до границы зоны дробления, расположенной внутри породы на расстоянии IV. То есть время замедления в рассмотренной системе рассредоточенного заряда должно быть не меньше величины:

А1>2\У/Ск,с, (7)

где Ск — скорость распространения продольной волны в крепком включении, м/с.

На практике время замедления, при котором наиболее полно используется эффект короткозамедленного взрывания, должно быть еличине не менее:

Дг > 20 У//Ск, с. (8)

Это объясняется необходимостью учёта временных интервалов на развитие трещин и перемещение (отрыв) породы.

Выполненные и приведённые теоретические предпосылки не теряют своего смысла, в связи с этим экспериментальные значения Лгэ целесообразно принимать не менее приведённых расчётных значений.

Вторая идея основана на механизме формирования взрывной воронки в верхней части уступа. Её сущность заключается в формировании в верхней части уступа зарядов ВВ с уменьшающимися от дна к устью скважины диаметрами (рис. 2). Изменение диаметров di в такой конструкции зарядов основано на том, что заряд ВВ с меньшим диаметром занимает место

большего, уменьшая тем самым влияние взрыва на радиус образующейся воронки Л„ обеспечивая рациональное использование энергии взрыва на разрушение. Выбор глубины заложения заряда ВВ /хй с определённым диаметром производится из условия того, что данный участок заряда обеспечивает максимальный радиус воронки взрыва (рыхления) Л,-. То есть каждый локальный участок заряда ВВ с высотой /г, воздействует на свою область зоны воронкообразования и тем самым обеспечивает эффект «запирания» и рационального использования энергии взрыва всего

Рис. 2. Схема формирования заряда ВВ с изменяющимися диаметрами в верхней части уступа и принцип их взрывного воздействия на массив

Высота участка заряда /г, с диаметром (I, расчитывается по формулам:

к, = /¡21 - кц, (9)

к2 = к72 -И,- (10)

Н3 = Игз - /г/ - /г2 - , (11)

п~\

Ы = -К , (12)

где параметры Иг, и /г,\- определяются экспериментальными взрывами.

С целью исследования действия взрыва и определения параметров заряда ВВ с изменяющимися диаметрами выполнены испытания на крепких включениях гравелитового массива месторождения Джерой-Сардара (карьер Ташкура, Навоийский горно-металлургический комбинат, Узбекистан).

Взрывание производилось с применением патронированного ЭВВ нобелит 216 Z (табл. 1) в скважинах диаметром 250 мм. После взрывов по инструментальной съёмке определялась зона разрушения поверхности уступа и устанавливались эффективные параметры взрыва.

Таблица 1

Основные характеристики патронированных ЭВВ нобелит 216 Z_

Диаметр патрона, мм Вес, г Длина, см Плотность, кг/м3 Скорость детонации, м/с Передача детонации, мм

38 + 0,7 600 ±10 450 ±20 1,13-Г 1,23 3,2-4,6 30

70 ±3 2000 ±33 440 + 25 1,13 -г 1,23 3,5-5,0 70

90 ±5 3000 ±50 400 ±35 1,13 -г 1,23 4,0-5,5 100

Первая серия испытаний была направлена на определение высоты заряда, обеспечивающая максимально возможную зону разрушения (радиус воронки взрыва). Испытания проводились для зарядов диаметром 38, 70, 90 и 127 мм. Взрывание зарядов ВВ производилось без забоечного пространства, при этом их глубина изменялась от 0,5 до 5 м в зависимости от диаметра.

После обработки результатов полигонных испытаний установлено, что изменение зоны разрушения массива зависит от высоты и диаметра заряда ВВ (рис. 3). С увеличением диаметра и высоты заряда ВВ размер зоны разрушения поверхности массива увеличивается.

В результате статистической обработки полигонных испытаний получена эмпирическая формула для расчёта высоты заряда, обеспечивающей максимальную зону разрушения поверхности уступа в зависимости от заданного диаметра заряда ВВ:

А2 = 27,3^-0,8. (13)

Величина коэффициента корелляции для данной зависимости составляет И2 = 0,95.

11а

I I *

с >»

8 & &

° " я

£ 2 о

Э & §

& 1 §

II § § 3 с

л я

СО 3

2,5

0,038 0,058

0,078 0,098 0,118

0,138

Диаметр заряда ВВ нобелит 2162, с1, м

Рис. 3. Изменение высоты заряда ВВ, обеспечивающей максимальную зону разрушения поверхности гравелитового массива, в зависимости от его диаметра

Вторая серия испытаний была направлена на определение высоты недозаряда, обеспечивающей максимально возможную зону разрушения (радиус воронки взрыва) взрывами заряда ВВ с высотой установленной в выполненной первой серии полигонных испытаний. В данной серии взрывались заряды ВВ с диаметрами 90 и 127 мм, их высота принималась равной соответственно 1,6 и 2,8 м и оставалась неизменной, при этом изменялась глубина заложения заряда ВВ. Высота недозаряда в зависимости от диаметров зарядов изменялась от 1 до 4 м.

После обработки результатов полигонных испытаний установлены параболические зависимости изменения радиусов разрушения поверхности уступа от высоты недозаряда (рис. 4). Полученные зависимости показывают, что с уменьшением высоты недозаряда и увеличением диаметра зарядов радиус взрывного действия на массив возрастает. При этом после взрыва, в зависимости от глубины недозаряда, на поверхности уступа формируются три вида зон разрушения: заколообразования, разрыхленного навала и воронко-образования. Первый вид зон разрушения имеет явно проявляющиеся на поверхности уступа трещины и заколы, второй характеризуется образованием в

зоне разрушения «шапки» из разрыхленного навала горной массы, третья зона разрушения имеет вид конусообразной воронки взрыва.

и га Я о и

Линия тряцни«' образования

Диаметр

заряда

—Л ниш

разрушу

Зона заколо- Зона разрыхлен- \ Зона воронь-о-

образованин *■, ного навала образования

Высота незаряженной части скважины м

Рис. 4. Изменение радиусов зон разрушения и трещинообразования на поверхности граве-литового массива от высоты незаряженной части скважины при взрыве заряда ВВ нобелит

21бг

Диаметр заряда -90Тйм"

За радиусом разрушения выявлена зона трещинообразования — трещины, явно проявившиеся на поверхности уступа. Она возникает во всех трёх выявленных зонах разрушений, при этом с уменьшением глубины недозаряда она уменьшается.

Установлено, что при взрыве зарядов ВВ высота незаряженной части скважины, обеспечивающая максимальные зоны разрушения массива на поверхности уступа для диаметров зарядов 90 и 127 мм, достигается от 1 до 1,5 м и от 2 до 1,5 м соответственно. Приводя полученные значения высоты незаряженной скважины к отношению диаметров зарядов, получим эмпирическую формулу для расчёта высоты незаряженной части скважины (забойки) в зависимости от заданного диаметра заряда ВВ:

= (12 -г 16) с/ ~ 14 (14)

На основе проведённых теоретических исследований и полигонных испытаний разработан способ взрывания разнопрочных массивов горных пород, выполненный на уровне изобретения и защищенный патентом Российской Федерации.

При реализации разработанного способа взрывания основной заряд ВВ 1 (рис. 5) размещают в нижнем, менее крепком слое горной породы. Затем помещают укороченную инертную забойку 2. В зависимости от мощности крепкого включения и величины забоечного пространства сверху располагают заряд ВВ 3 с неизменным диаметром (рис. 5а) либо с изменяющимися диаметрами (рис. 56).

С помощью скважинных ударно-волновых трубок неэлектрической системой инициирования применяют раздельное инициирование для каждого из зарядов, при этом предусматривают инициирование и взрыв сначала верхнего, а затем нижнего зарядов ВВ с замедлением Дг, мс. После заряжания засыпают буровой шлам 4 в забоечное пространство. Расчёт параметров заряда ВВ производят по приведенной ниже методике.

Из выражения (4) для соседних зарядов ВВ, располагаемых в разно-прочных слоях горных пород, определяется основное соотношение характеристик ВВ, применяемых для заряжания комбинированных зарядов с неизменным диаметром.

а)

о)

Рис. 5. Схема предложенного способа взрывания разнопрочного породного массива с неизменным (а) и изменяющимися (б) диаметрами зарядов ВВ

При определении параметров заряда ВВ с изменяющимися диаметрами диаметр м-го заряда <1п определяется из выражения (5). Количество участков п и изменение их диаметра зависит от технологичности изготовления такого заряда на предприятии и мощности крепкого включения.

На основании полученных в полигонных условиях зависимостей (13) и (14) определена формула расчёта высот участков заряда ВВ с изменяющимися диаметрами для разрушения крепкого включения в верхней части уступа:

Л,-= А^-В-^^-са,, (15)

(«1

где / и п — соответственно номер и количество участков заряда ВВ с изменяющимися диаметрами заряда; hí и - соотвественно высота и диаметр заряда, соответствующие номеру участка, м; А и В - эмпирические коэффициенты, определяющие эффективные параметры радиуса разрушения взрывной воронки; С - эмпирический коэффициент, определяющий высоту недозаряда, обеспечивающую эффективное разрушение верхней части уступа.

Для гравелитового массива, в котором проводились полигонные испытания с применением патронированных ВВ, эмпирические коэффциенты, установленные опытным путём, равны: А=21,3,5=0,3, С—12.

С целью сопоставления теоретических расчётов с конечным результатом действия взрыва на месторождении Джерой-Сардара проведены опытно-промышленные взрывы с испытанием разработанного способа взрывания. В ходе проведённой работы по оптимизации параметров буровзрывных работ для горно-геологических условий месторождения Джерой-Сардара разработана и внедрена технологическая схема ведения БВР (рис. 6).

Данная схема позволяет вести БВР с минимальным расходом ВВ и с максимальным объёмом выхода взорванной горной массы с одного погонного метра скважины. Её сущность заключается в следующем: для имеющихся на месторождении разнопрочных пород принимается базовая сеть бурения,

которая определена по условию эффективного дробления сплошной конструкцией заряда наиболее слабого по прочностным характеристикам типового забоя (для месторождения Джерой-Сардара это глинистый массив с сетью бурения 8 х 8 м). По этой сети забуриваются буровые блоки, при этом в процессе бурения по воздействию бурового инструмента на забой и визуально по выходу бурового шлама уточняется структура залегания крепких включений. На основе полученной информации о залегании крепких включений на взрываемых участках выделяются типовые забои, для которых:

• в глинистом массиве применяется сплошная конструкция заряда из маломощного взрывчатого вещества;

• в разнопрочном массиве из гравелита и глины применяется предложенный способ взрывания разнопрочного горного массива (рис. 5);

• в массиве из гравелита применяется сплошная конструкция заряда из более мощного ВВ.

Типовые забой:

сплошные глины разнопрочный из гравелита и глины сплошной гравелит

Рис. 6. Схема ведения БВР в разнопрочном горном массиве пород для трёх типовых забоев месторождения Джерой-Сардара

Применительно к условиям месторождения Джерой-Сардара для взрывания глинистого массива рекомендовано ВВ игданит, а для крепкого про-пластка из гравелита более мощное ВВ, например нобелан 2080.

Сравнение результатов опытных блоков (с разработанным способом) с контрольными (традиционно применявшийся способ со сплошными

комбинированными зарядами), показало, что на разнопрочных вскрышных уступах достигнуто повышение эффективности рыхления крепкого включения со снижением выхода негабарита на 10-12 % и среднего размера куска взорванной горной массы с 0,9 до 0,6 м. За счёт более полного использования коэффициента полезного действия взрыва достигнуто увеличение энергонасыщенности горного массива. Это позволило снизить удельный расход ВВ с 0,73 до 0,61 кг/м3 и увеличить сеть бурения с7х7до8х8м, увеличив выход взорванной горной массы с одного погонного метра скважины.

Разработанный способ взрывания разнопрочных массивов горных пород применён на карьере Ташкура Навоийского горно-металлургического комбината для дробления вскрышных пород месторождения Джерой-Сардара. В результате внедрения получен экономический эффект в размере 2 руб/м3 взрываемой горной массы в ценах 2012 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке способа взрывного разрушения горных пород с крепкими включениями, расположенными в верхней части уступа, обеспечивающего уменьшение выхода негабарита и среднего размера куска взорванной горной массы для повышения производительности погрузочно-транспортного оборудования.

Основные научные результаты и практические выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Основной причиной низкого качества дробления и появления негабаритов при взрыве скважинных зарядов ВВ в разнопрочном породном масссиве, является образование неразрушенных зон в пределах крепких включений. Для предотвращения этого целесообразно формировать комбинированный скважинный заряд ВВ с изменяющимися энергетическими характеристиками и заряжанием более мощного ВВ в крепкое включение.

2. Установлено, что регулирование степенью разрушения разнопрочных слоев горных пород должно производиться выбором детонационных характеристик применяемых ВВ и диаметра зарядов ВВ, определяемых в зависимости от физико-механических свойств этих пород. Установлены уравнения взаимосвязи характеристик ВВ и свойств разнопрочных слоёв массива для комбинированного скважинного заряда.

3. Разработаны способы передачи энергии взрыва разнопрочным слоям породного массива, основанные на теории короткозамедленного взрывания и механизме формирования взрывной воронки в верхней части уступа. Предложенные способы базируются на принципе суперпозиции расположения зарядов, согласно которому динамические воздействия от близко расположенных зарядов ВВ суммируются, создавая повышенные взрывные напряжения в горном массиве.

4. Исследованиями на гравелитовом массиве месторождения Джерой-Сардара установлена зависимость высоты заряда, обеспечивающей максимальную зону разрушения поверхности уступа, и зависимость высоты верхней части активной забойки от диаметров заряда патронированного ВВ. Установлена параболическая зависимость изменения радиусов разрушения поверхности уступа от высоты недозаряда. Установлены параметры заряда из патронированного ВВ, при которых в гравелитовом массиве формируются характерные зоны разрушения поверхности уступа: воронкообразования, разрыхленного навала и заколообразования. За радиусом этих зон формируется зона трещинообразования.

5. На основе проведённых теоретических исследований и полигонных испытаний разработан способ взрывания разнопрочных массивов горных пород, учитывающий детонационные характеристики ВВ и свойства отдельных слоёв таких пород и обеспечивающий равномерное их дробление и эффективное использование энергии взрыва по высоте уступа. Новизна способа подтверждена патентом Российской Федерации на изобретение № 2478913.

6. Разработанный способ взрывания применён на месторождении Дже-рой-Сардара, разрабатываемого карьером Ташкура Навоийского горнометаллургического комбината. Он обеспечил повышение эффективности БВР, его применение позволяет снизить удельный расход ВВ и увеличить выход горной массы с одного погонного метра скважины, снижает выход негабарита и средний размер взорванного куска в развале. В результате внедрения получен экономический эффект в размере 2 руб/м3 взрываемой горной массы в ценах 2012 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Издания, рекомендованные ВАК Минобрнауки РФ:

1. Бибик И.П., Рахманов P.A., Ивановский Д.С. Повышение эффективности взрывного рыхления разнопрочных массивов при разработке месторождения фосфоритов Джерой-Сардара // Горный журнал. — Москва, 2008. — № 8. - С. 48-52.

2. Белин В.А., Крюков Г.М., Трусов A.A., Камолов Ш.А., Насиров У.Ф., Норов Ю.Д., Шеметов П.А., Рахманов P.A. Способ взрывания разнопрочных массивов горных пород // Патент Российской Федерации на изобретение №

2478912. Опубликовано: 10.04.2013 Бюл. № 10.

3. Белин В.А., Крюков Г.М., Трусов A.A., Камолов Ш.А., Насиров У.Ф., Норов Ю.Д., Шеметов П.А., Рахманов P.A. Способ взрывания разнопрочных массивов горных пород // Патент Российской Федерации на изобретение №

2478913. Опубликовано: 10.04.2013 Бюл. № 10.

4. Рахманов P.A. Конструкции скважинного заряда с изменяющимися диаметрами в верхней части уступа // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. № 8. - С. 205 - 207.

5. Рахманов P.A. Обоснование параметров комбинированной конструкции скважинного заряда для разнопрочного горного массива // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. № 8. - С. 207 - 209.

6. Рахманов P.A. Управление энергией взрыва скважинного заряда путём короткозамедленного воздействия на разнопрочные слои горного массива// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. № 8. - С. 210 - 2012.

7. Белин В.А., Дугарцыренов A.B., Рахманов P.A., Камолов Ш.А., Ким С.И. Взрывное разрушение разнопрочных слоев горного массива зарядами с изменяющейся по высоте скважины энергетикой. Депонированная рукопись (987/12-13 от 18.10.13г) // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2013. № 12.-131с.

Прочие издания:

8. Сытенков В.Н., Бибик И.П., Рахманов P.A. Результаты опытно-промышленных работ по уточнению параметров БВР в карьере Ташкура // Горный вестник Узбекистана. - Навои, 2007. - № 4. - С. 30-38.

9. Рахманов P.A. Оптимизация параметров буровзрывных работ при разработке месторождения Джерой-Сардара // Горный вестник Узбекистана. - Навои, 2011. - № 3. - С. 45-49.

10. Рахманов P.A. Разработка и обоснование параметров конструкции скважинного заряда для дробления разнопрочного горного массива // Горный вестник Узбекистана. - Навои, 2013. - № 2. - С. 72-76.

Подписано в печать 24.10.2013. Формат 60x90/16. Бумага офсетная 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2715

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД № 53-305

119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (499) 230-27-80; факс (495) 737-32-65

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Рахманов, Руслан Азаматович, Москва

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный горный университет (ФГБОУ ВПО МГГУ)

На правах рукописи

04201364901

Рахманов Руслан Азаматович

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика».

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Белин Владимир Арнольдович

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 4

ГЛАВА 1. ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ И АНАЛИЗ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТЕПЕНЬЮ ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................ 10

1.1. Анализ основных горно-геологических особенностей месторождений осадочного происхождения с сложноструктурными массивами горных пород.............................................................................. 10

1.2. Горно-геологическая характеристика объекта исследований на примере пластового месторождения осадочного типа Джерой-Сардара..... 12

1.3. Анализ способов управления действием взрыва с применением различных конструкций скважинных зарядов на открытых горных работах............................................................................................. 20

1.4. Выводы по первой главе................................................... 39

1.5. Цели и задачи исследований.............................................. 42

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЕЙСТВИЯ ЗАРЯДОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ДРОБЛЕНИИ РАЗНОПРОЧНЫХ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД................. 43

2.1. Анализ выполненных исследований и физических особенностей взрывного разрушения разнопрочных массивов горных пород................ 43

2.2. Исследование механизма разрушения разнопрочного массива горных пород и обоснование параметров комбинированного скважинного заряда ВВ...................................................................................... 53

2.3. Аналитическое исследование короткозамедленного взрывного воздействия скважинным зарядом ВВ на разнопрочные слои горных пород........................................................................................... 63

2.4. Аналитическое исследование и обоснование параметров заряда

ВВ, располагаемого в крепком включении, залегающем в верхней части разнопрочного породного массива..................................................... 70

2.5. Выводы по главе 2........................................................... 76

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ В ПОЛИГОННЫХ УСЛОВИЯХ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СКВАЖИННОГО ЗАРЯДА ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ С ИЗМЕНЯЮЩИМИСЯ ДИАМЕТРАМИ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ УСТУПА................................. 79

3.1. Методика исследований................................................... 79

3.2. Первая серия испытаний - определение высоты заряда обеспечивающая максимально возможную зону разрушения поверхности уступа 82

3.3. Вторая серия испытаний - определение высоты недозаряда, обеспечивающего максимально возможную зону разрушения поверхности уступа.................................................................................. 84

3.4. Третья серия испытаний - определение эффективных параметров активной забойки.................................................................... 87

3.5. Выводы по главе 3........................................................... 90

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА С КРЕПКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ.......... 91

4.1. Разработка способа взрывного разрушения и методики расчётов параметров БВР для дробления разнопрочного породного массива......... 91

4.2. Опытно-промышленное внедрение разработанного способа взрывания разнопрочного породного массива..................................... 95

4.3. Расчёт экономической эффективности от внедрения разработанного способа взрывания разнопрочного породного массива............... 109

4.4. Выводы по главе 4........................................................... 110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................... 112

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................... 114

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................. 127

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее энергоёмких процессов открытой добычи полезных ископаемых являются буровзрывные работы (БВР). От их эффективности в значительной степени зависят технико-экономические показатели работы карьера в целом. Важным направлением совершенствования БВР на открытых горных работах является разработка эффективных ресурсосберегающих технологий разрушения горных пород.

Горно-геологические условия большинства карьеров, разрабатывающих сложноструктурные месторождения осадочного происхождения, характеризуются значительными объёмами разнопрочных горных пород. Наличие в толще мягких пород хаотично распределённых крепких включений, предъявляет к буровзрывным работам особые требования. Исследованиями отечественных и зарубежных учёных успешно решены многие актуальные вопросы в этой области. Однако появились объективные причины, связанные с эволюцией техники и технологии, применяемых при проведении буровзрывных работ (БВР), позволяющие, опираясь на фундамент накопленных знаний, поновому решать задачи взрывного дела и вывести их на ещё более высокий уровень.

Практикой разработки пластовых сложноструктурных месторождений осадочного типа установлено, что наличие в горном массиве крепких включений затрудняет эффективное использование традиционных методов управления энергией взрыва, основанных на пропорциональности удельного расхода ВВ объёму взрываемых пород. Она свидетельствует о необходимости дифференциации параметров буровзрывных работ (БВР) в зависимости от его конкретных структурных и прочностных особенностей. Это обуславливает разработку и внедрение специальных методов буровзрывной подготовки таких пород к экскавации.

Поэтому разработка способов и технологических схем ведения БВР с рациональными конструкциями скважинных зарядов взрывчатых веществ (ВВ), основанных на принципе энергетического соответствия между энергией взрыва и её потребностью на дробление горного массива с крепкими включениями и обеспечивающих необходимое качество взрывного разрушения, является актуальной научной задачей и имеет важное практическое значение.

Большой вклад в развитие науки в области разрушения горных массивов взрывами скважинных зарядов ВВ на открытых горных работах внесли ученые: Мельников Н.В., Трубецкой К.Н., Ржевский В.В., Абрамов A.B., Баранов В.А., Белин В.А., Беляев А.Ф., Бибик И.П., Викторов С.Д., Ва-лахович Е.М., Валиев Б.С., Вяткин Н.Л., Глазков Ю.В., Гончаров С.А., Данилин О.П., Демидюк Г.П., Друкованный Н.В., Дугарцыренов A.B., Ефремов Э.И., Жариков И.Ф., Ильин В.И., Кантор В.Х., Качанов А.Н., Клинов Ю.В., Котенко Е.А., Крюков Г.М., Кутузов Б.Н., Ляхов Г.М., Мальгин О.Н., Марченко Л.Н., Михайленко Е.В., Мосинец О.Н., Родионов В.Н., Рубцов С.К., Русаков В.Л., Сеинов Н.П., Синицын И.Ю., Сорокин В.Т., Сытенков В.Н., Фугзан М.М., Фурсов A.A., Цэдэнбат А, Чакветадзе P.A., Шамонин В.А., Штейнберг А.Б. и многие др. В работах этих авторов рассматриваются и предлагаются разные способы взрывного разрушения массивов горных пород. Разработанные способы для взрывного разрушения сложноструктурных массивов горных пород с крепкими включениями ориентированы на создание максимальных взрывных напряжений и увеличение продолжительности действия взрыва именно там, где залегают такие включения.

Однако применение такого подхода к дроблению сложноструктурного массива горных пород, в котором крепкое включение расположено в верхней части взрываемого уступа - в зоне нерегулируемого дробления (далее по тексту такой массив будет называться просто разнопрочным) ведёт к увеличению затрат на производство БВР, так как в ряде случаев связан с излишним

взрывным нагружением слабой части массива и дополнительным объёмом буровых работ. Приближение заряда ВВ к поверхности уступа и при этом увеличение его мощности ведёт к росту расхода энергии взрыва на бесполезные формы механической работы (разброс кусков породы и увеличение ударно-воздушной волны), потери энергии в процессе детонации ВВ и выброса ядовитых газов в атмосферу. Это снижает эффективность использования энергии взрыва на разрушение горного массива.

Поэтому задача разработки эффективного способа взрывного разрушения разнопрочных массивов горных пород является одной из важных задач, а тема диссертации актуальна и имеет большое научное и практическое значение.

Целыо работы является обоснование и разработка способа взрывного разрушения горного массива с крепкими включениями, расположенными в верхней части уступа, обеспечивающего уменьшение выхода негабарита и среднего размера куска взорванной горной массы для повышения производительности погрузочно-транспортного оборудования.

Идея работы заключается в выборе и обосновании параметров комбинированного заряда для взрывного разрушения разнопрочных слоёв горных пород исходя из характеристик применяемых ВВ, разработке и применении способа передачи энергии взрыва в породном массиве, основанного на теории короткозамедленного взрывания и механизме формирования взрывной воронки в верхней части уступа.

Научные положения, выносимые на защиту:

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждаются:

Научная новизна работы заключается в установлении:

Научное значение диссертации:

- на основе обоснования энергетического соответствия между комбинированными зарядами ВВ взаимоувязаны характеристики ВВ и параметры зон регулируемого дробления (ЗРД) в зависимости от физико-механических свойств слоев разнопрочного породного массива, получены уравнения, позволяющие определить необходимые параметры зарядов ВВ;

го размера куска породы во взорванной горной массе для повышения производительности погрузочно-транспортного оборудования.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанный способ взрывания разнопрочных массивов горных пород с крепкими включениями и практические рекомендации приняты к внедрению при разработке месторождения Джерой-Сардара в карьере Ташкура Центрального рудоуправления Навоийского горно-металлургического комбината. Его внедрение позволяет

получить экономический эффект в размере 2 руб/м взрываемой горной массы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 130 страницах, содержит 49 рисунков, 9 таблиц, списка использованной литературы из 110 наименований и 1 приложения.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность проф., д.т.н. В.А. Белину, проф., д.т.н. В.Н. Сытенкову, д.т.н. П.А. Шеметову, помощь и постоянное внимание которых способствовали успешному выполнению работы, а также сотрудникам рудника Мурунтау и преподавательскому составу кафедры ВД МГГУ за полезные консультации и практическую помощь в ходе выполнения диссертационной работы.

ГЛАВА 1. ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ И АНАЛИЗ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТЕПЕНЬЮ ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ ПРОДНОГО МАССИВА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ основных горно-геологнческнх особенностей месторождений осадочного происхождения с сложноструктурными массивами горных пород

Горно-геологические условия большинства карьеров месторождений осадочного происхождения характеризуются значительными объёмами покрывающих пород, представленных сложноструктурными горными массивами из мягких пород и крепких включений. Крепкие включения, залегая в мягких породах, не поддаются прямой экскавации, поскольку коэффициенты их сопротивления копанию превышают усилия копания экскаваторов, что обусловливает увеличение колебаний и перенапряжение несущих конструкций экскаваторов, их механизмов привода и т.п. В связи с этим производительность выемочно-погрузочного оборудования снижается, ухудшая тем самым технико-экономические показатели разработки месторождения в целом.

Выполненный авторами работ [1] анализ геологического строения 30 сложноструктурных месторождений осадочного типа с прослоями крепких включений в рыхлых вскрышных породах и в пластах полезного ископаемого показывает, что крепкие включения представлены телами самых разнообразных форм, размеров, состава и строения. Карьеры, разрабатывающие эти месторождения, характеризуются следующими основными особенностями:

наблюдается чередование неоднородных и отличных по прочностным свойствам разнопрочных горных пород: мягких (пески, суглинки), плотных (окисленные алевролитовые глины), очень плотных (неокисленные алевролитовые и мергелистые глины), полускальных (мергели, гравелиты) и скальных (карбонатные песчаники и др.);

- отмечается наличие в толще вскрышных пород крепких включений, не поддающихся прямой экскавации и затрудняющих р�

Информация о работе

Рахманов, Руслан Азаматович
кандидата технических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.20

Диссертация

Обоснование и разработка способа взрывного разрушения сложноструктурных массивов горных пород с крепкими включениями на карьерах - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Обоснование и разработка способа взрывного разрушения сложноструктурных массивов горных пород с крепкими включениями на карьерах - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы