Обоснование параметров буровзрывных работ при разрушении скальных пород скважинными зарядами конечной длины

Казьмина, Анна Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование параметров буровзрывных работ при разрушении скальных пород скважинными зарядами конечной длины
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров буровзрывных работ при разрушении скальных пород скважинными зарядами конечной длины"

На правах рукописи

КАЗЬМИНА Анна Юрьевна

Шн-

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ РАЗРУШЕНИИ СКАЛЬНЫХ ПОРОД СКВАЖИННЫМИ ЗАРЯДАМИ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ (НА ПРИМЕРЕ ЗАО "ГАВРИЛОВСКОЕ КАРЬЕРОУПРАВЛЕНИЕ")

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение

горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 МАЛ /ои 005060115

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005060115

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Менжулин Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты:

Карманский Александр Тимофеевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", Научный центр геомеханнкн н проблем горного производства, лаборатория физико-механических свойств и разрушения горных пород, главный научный сотрудник.

Кукса Елена Николаевна, кандидат технических наук, Администрация Ленинградской области, Комитет по природным ресурсам Ленинградской области, главный специалист по использованию и изучению недр

Ведущая организация - ООО "Институт Гипроникель"

Защита диссертации состоится 07 июня 2013 г. в 16 ч 00 мин па заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете "Горный" по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета "Горный".

Автореферат разослан 07 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ 0 ^ , СИДОРОВ диссертационного совета С/- ^ Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Буровзрывные работы (БВР) являются неотъемлемой частью технологического процесса добычи скальных строительных материалов, от результатов проведения которых зависит качество сырья, покупаемого на дробильно-сортировочные комплексы, себестоимость и качество готовой продукции. БВР составляют до 25% затрат на добычу полезного ископаемого и непосредственно влияют на производительность выемоч-но-погрузочного и дробильно-сортировочного оборудования.

Применяемые в настоящее время технологии уступной отбойки, предлагаемые типовыми проектами производства взрывных работ, приводят к большим потерям энергии взрыва на излишнее измельчение горной породы в прилегающей к заряду зоне. В результате нерационального выбора параметров взрывчатых веществ (ВВ) выход отсева (фракция 0-5 мм) составляет до 30% и более, выход негабарита достигает 10 %.

оборудования, а также необходимости во вторичном дроблении, которое, в свою очередь, приводит к возникновению воздушно-ударных волн (ВУВ), отрицательно воздействующих на здания и сооружения.

Э.И. Ефремова, К.К. Шведова, В.А. Боровикова, И.Ф. Ванягина, В.А. Падукова, Г.П. Парамонова, В.А. Артемова и ряда других.

Вместе с тем, в настоящее время требуют дополнительного исследования вопросы, связанные с оценкой параметров БВР с учетом зон разрушения в массиве горных пород при взрыве цилиндрических зарядов ВВ конечной длины.

Выполнение исследований по выбору и обоснованию рациональных параметров БВР позволит оптимизировать результаты уступной отбойки, что будет способствовать снижению выхода негабарита и переизмельченных фракций из ближней зоны взрыва.

Цель диссертационной работы. Обоснование параметров БВР на основе сопряжения зон разрушения от удлиненного цилиндрического заряда ВВ конечной длины для повышения эффективности взрывных работ при уступной отбойке скальных горных пород.

Идея работы. Параметры зон разрушений от взрыва единичного скважинного цилиндрического заряда определяются с учетом: влияния его конечных размеров на зону разрушения, детонационных параметров ВВ, динамических прочностных характеристик образцов горной породы и взрываемого массива, времени взрывного нагружения.

Основные задачи исследования:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных исследований по взрывному разрушению горных пород.

2. Определить прочностные характеристики образцов породы и разрушаемого массива с учетом его трещиноватости.

3. Получить зависимость, определяющую размеры зон разрушения с учетом физико-механических свойств образцов породы и взрываемого массива, времени взрывного нагружения и детонационных характеристик ВВ.

4. Определить параметры БВР с учетом: конечных размеров скважинного цилиндрического заряда ВВ, сопряжения радиусов зон трещинообразования при взрыве одиночных зарядов и разработать рекомендации по выбору типа ВВ для условий карьера ЗАО "Гавриловское карьероуправление" на основании расчетов диссипации энергии при взрывном нагружении массива горных пород.

Методы исследований. Обобщение физических представлений о взрывном разрушении горной породы. Аналитическое исследование процессов разрушения твердых тел при наличии концентраторов напряжений. Исследования физико-механических свойств гранитов месторождения "Гаврилово" ЗАО "Гавриловское карьероуправление" в лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета. Определение интенсивно-

сти трещиноватости массива горной породы в программной среде МарЫо 10.0. Выполнение расчетов на ЭВМ с целью определения параметров зон разрушений, среднего размера отдельности на каждом относительном расстоянии от удлиненных цилиндрических зарядов конечной длины для различных типов ВВ. Экспериментальная проверка и уточнение полученных параметров БВР для условий карьера ЗАО "Гавриловское карьероуправление".

Научная новизна:

1. Установлена зависимость параметров волны напряжения от относительного расстояния, позволяющая оценить зону разрушения единичного скважинного заряда ВВ с учетом его конечных размеров.

2. Определена зависимость среднего размера отдельности от относительного расстояния с учетом величины диссипации энергии при взрыве скважинного заряда, позволяющая обосновать выбор ВВ, обеспечивающего снижение выхода мелких фракций.

Основные защищаемые положения:

1. Размеры зон разрушения единичных цилиндрических зарядов конечной длины следует определять с учетом величины диссипации энергии и динамических пределов прочности в процессе нагружения в зонах переизмельчения и дробления - на основании пределов прочности образцов горной породы, в зоне трещинообра-зования на основании прочностных параметров массива горной породы с учетом его трещиноватости.

2. Для уменьшения выхода мелких фракций на стадии взрывного разрушения необходимо осуществлять выбор типа ВВ на основании расчетного среднего размера отдельности в принятых зонах разрушения от скважинного цилиндрического заряда ВВ конечной длины с учетом энергии диссипации.

3. Параметры БВР для цилиндрических скважинных зарядов конечной длины следует определять на основании сопряжения радиусов зон трещинообразования смежных скважинных зарядов, с учетом прочностных характеристик массива горной породы и времени взрывного нагружения.

Практическая значимость работы. Разработан метод расчета основных параметров БВР (выбор ВВ, сетка скважин, величина забойки) с учетом сопряжения радиусов зон трещинообразования

скважинного цилиндрического заряда конечной длины, горногеологических условий карьеров строительных материалов Ленинградской области и типов ВВ с различными детонационными параметрами для условий месторождения гранитов "Гаврилово".

Разработаны рекомендации к расчету типового проекта производства БВР по снижению выхода негабарита и мелких фракций на стадии взрывного разрушения горной породы, обеспечивающие существенную экономическую эффективность.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: применением современных методов исследований; значительным объемом экспериментальных и аналитических изысканий; сходимостью полученных результатов с известными не менее 80 % , в том числе при проведении опытно-промышленных взрывов на карьере ЗАО "Гавриловское карьероуправление".

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на симпозиуме "Неделя горняка-2011" и "Неделя горняка-2012" (г. Москва, 2011-2012 гг.), на международной конференции молодых ученых "6. Freiberger -St. Petersburger Kolloquium junger Wissenschaftler" (Германия, г. Фрайберг, 2011 г.), на втором международном саммите "Оптимизация горнодобывающего производства в России и СНГ" (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), на международном форуме-конкурсе молодых ученых "Проблемы недропользования" (г. Санкт-Петербург, 2013 г.), на заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами Горного университета и получили одобрение.

Реализация результатов работы. Разработаны и внедрены рекомендации по выбору основных параметров БВР (сетка скважин, величина забойки) на ЗАО "Гавриловское карьероуправление".

Научные и практические результаты диссертации планируется использовать в учебном процессе при чтении курсов лекций по дисциплинам "Технология и безопасность взрывных работ", "Проектирование и организация взрывных работ" на кафедре взрывного дела Национального минерально-сырьевого университета "Горный".

Личный вклад автора заключается: в постановке цели и задач исследования, анализе ранее полученных данных отечествен-

ных и зарубежных исследователей, проведении теоретических исследований, обработке полученных данных, проведении расчетов на ЭВМ, сравнении полученных теоретических и экспериментальных данных, разработке практических рекомендаций и принятии участия в проведении промышленных экспериментов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит введение, четыре главы, заключение и библиографический список из 100 наименований, 54 рисунка и 20 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору М.Г. Менжулину, развитие идей которого, помощь и поддержка способствовали успешному выполнению работы, а также другим сотрудникам кафедры взрывного дела Горного университета за практические советы при написании диссертации, сотрудникам ЗАО "Гавриловское карьероуправление" за содействие при проведении промышленных экспериментов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации представлен обзор и анализ современных физических представлений о разрушении горных пород при взрыве, применяемых зависимостей для расчета параметров БВР в типовых проектах. Сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе приведена методика оценки снижения прочности массива горной породы с учетом естественной и наведенной трещиноватости. Получены зависимости для определения максимальных составляющих волн напряжений с учетом диссипации энергии в процессе формирования и развития трещин для модели взрывного разрушения горной породы при взрыве удлиненных зарядов ВВ.

В третьей главе представлены результаты оценки размеров зон разрушений от единичного цилиндрического заряда с учетом детонационных характеристик ВВ, физико-механических свойств

горной породы (гранита), даны рекомендации по выбору типов ВВ и расстояний между скважинами с целью уменьшения выхода некондиционных фракций. Выполнено сравнение затрат на реализацию разработанных предложений с затратами на применяемую технологию в карьере ЗАО "Гавриловское карьероуправление".

В четвертой главе представлены результаты промышленных экспериментов на месторождении гранитов "Гавриловское", расположенного в Ленинградской области и разрабатываемого карьером ЗАО "Гавриловское карьероуправление", по оценке рекомендуемых технологий с целью снижения выхода некондиционных фракций и удельного расхода ВВ. Исследовано влияние прочностных характеристик гранита, разрушенного взрывом, на последующий выход отсева.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Размеры зон разрушения единичных цилиндрических зарядов конечной длины следует определять с учетом величины диссипации энергии и динамических пределов прочности в процессе нагружения в зонах переизмельчения и дробления - на основании пределов прочности образцов горной породы; в зоне трещинообразования на основании прочностных параметров массива горной породы с учетом его трещиноватости.

Удлиненный цилиндрический заряд имеет конечные размеры. Для расчета зон разрушений можно разделить заряд на три основные части: верхнюю, среднюю и нижнюю.

Зоны разрушения от верхней и нижней части можно определить с помощью метода И. Хавке. Для этого верхняя и нижняя части цилиндрического заряда разбиваются на элементарные сферические, и в каждой точке горной породы от взрыва определяется напряжение путем суммирования волн от каждого элементарного заряда с учетом времени и геометрии распространения.

Максимальные параметры волны напряжений от сферического и цилиндрического зарядов с учетом энергии диссипации можно определить с помощью следующих зависимостей:

где crrmai - амплитуда радиальной составляющей волны напряжения, Па; сгргаа1 - амплитуда тангенциальной составляющей волны

напряжения, Па; А - давление на стенке скважины, Па; г - относительное расстояние; Е0 - энергия, выделившаяся при взрыве, Дж; Едис - диссипация энергии, Дж; т,п - коэффициенты учитывающие симметрию заряда, для цилиндрической: m ■= 1Д, п « У2, для сферической: m = 2,0, п = уг ; v - коэффициент Пуассона.

Зависимости для расчета радиальной аг и тангенциальной av составляющих волны напряжений в точке от элементарных сферических зарядов имеют вид:

<Tr(r,f) = î[crrmi(rltt)cos2 в, + <x„(r„t)sin2 о] ,

(2)

t-1

где г, -расстояние от i -го заряда до наблюдаемой точки, м; t - время, с; 0i - угол между направлением радиуса r-t и направлением нормали к площадке в точке наблюдения, град.

При расчете эпюр радиальной и тангенциальной составляющих волны напряжения в наблюдаемой точке учитывалось время взрывного нагружения и физико-механические свойства нагружаемого массива.

С целью определения физико-механических свойств образцов породы были взяты пробы трех видов гранита. Для определения паспортов прочности образцов гранита использовался экспресс метод, разработанный сотрудником лаборатории физико-механических свойств горных пород Научного центра "Геомеханики и проблем горного производства" Горного университета

к.т.н. В.А. Коршуновым и метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии в соответствии с ГОСТ 2898591.

При количественной оценки влияния параметров трещинова-тости массива горных пород на пределы прочности за основу принималась методика ВНИМИ. В связи с незначительной величиной остаточной прочности гранита выражение для определения предела прочности массива имеет следующий вид:

= (3)

где сг0 - предел прочности нетрещиноватых пород, Па; ск - показатель интенсивности изменения прочности от степени трещиновато-сти породы.

После определения интенсивности трещиноватости массива горной породы в программной среде МарМо 10.0 и показателя хрупкости по кривым деформируемости, рассчитавались пределы прочности массива с помощью зависимости (3). Данная зависимость дает возможность определить пределы прочности массива на сжатие и сдвиг, для нахождения предела прочности на растяжение массива горных пород данная зависимость не применяется. Поэтому предел прочности массива на растяжение был вычислен согласно методу М.М. Протодьяконова, основанного на том, что паспорт прочности (огибающая кругов Мора) для образцов одного размера сместится вправо при увеличении размеров испытуемых образцов без изменения своей формы. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Для определения размеров зон разрушения использовались следующие пределы прочности: для зон переизмельчения и дробления - динамические пределы прочности образцов горной породы на сжатие и сдвиг, в зоне трещинообразования - динамический предел прочности на растяжение массива горной породы, т.к. в зоне трещинообразования на характер разрушения влияют трещины крупной иерархии (от 0,1 м до 6 м).

Зоны трещинообразования единичного цилиндрического заряда конечной длины определялись с учетом времени нагружения взрываемого массива. Учет времени нагружения осуществляется на основе кинетической теории прочности. С этой целью была использована преобразованная зависимость С.Н. Журкова для долговечности разрушения:

X рост У рост

где - динамический предел прочности на растяжение, Па;

1/0 - энергия активации разрушения, Дж/моль; у^ - структурный коэффициент для растягивающего напряжения; г0 - период колебаний атомов, с; гтек - время положительной фазы волны напряжения, определяемое по зависимостям Боровикова В.А и Ванягина И.Ф., с; /? - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); Т - температура, К.

Таблица 1 - Пределы прочности образца и массива гранита

Гранит Интенсивность трещино-ватости, и> Показатель П редел прочности

на сжатие на растяжение на сдвиг

хрупкости, Кг интенсивности изменения прочности, Су»

образца °сж0> МПа массива &СЖ-* МПа образца Яро, МПа массива СрО, МПа образца Осдва МПа массива МПа

красный 2,0 0,9 0,44 201 89 25,0 7,0 45 20,0

красно-серый 2,0 0,9 0,44 189 84 21 6,2 41 18

серый 1,4 0,7 0,78 125 97 15,6 10,2 28 22

Возможность использования зависимости (4) основано на том, что полученные результаты сопоставлялись с известной методикой. Значения пределов прочности для различных видов гранита не отличались на величину более 5 МПа.

Динамические пределы прочности на растяжение ар" для

гранитов месторождения "Гаврилово", вычисленные по формуле (4) для цилиндрического заряда нитронита Э-100, составили для: красного гранита -17,4 МПа; красно-серого гранита - 15,3 МПа; серого гранита - 24,8 МПа.

На рисунке 1 представлена расчетная зависимость тангенциальной составляющей волны напряжения, создаваемой восьмью элементарными сферическими зарядами нитронита Э-100 диаметром 144 мм для красного гранита, от относительного расстояния. Таким образом, от центра крайнего элементарного сферического заряда зона трещинообразования, полученная путем суммирования

волн напряжений от восьми элементарных сферических зарядов, по горизонтальной оси составляет 22 относительных расстояний (1,6 м).

Полученные размеры зон разрушений от единичного сферического и цилиндрического зарядов для серого, красного и красно-серого гранитов месторождения "Гаврилово" приведены в таблице 2.

На рисунке 2 показана зона разрушения верхней части заряда нитронита Э-100 для диаметра скважины 144 мм с учетом времени нагружения и физико-механических свойств красного гранита месторождения "Гаврилово" ЗАО "Гавриловское карьероуправление".

с учетом конечных размеров 12

Таблица 2 - Размеры зон разрушении

Вид гранита

Плотность ВВ, кг/м / скорость детонации, м/с

Наименование ВВ

Диаметр заряда В В, мм

Радиус зоны переизмельчения цилиндрического заряда, м

Нитронит Э-100

красный

серый

красно-серый

1200/4400

170

0,14

Радиус зоны дробления цилиндрического заряда, м_

Радиус зоны трещиноб-разования цилиидриче-ского заряда, м

Радиус трешинообразо-

вания сферического _заряда, м_

144

0,12

0,21

0,44

3,24

0,54

0,37

2,70

0,46

170

144

0,18

0,48

3,03

0,15

0,41

2,53

0,52

0,44

170

144

0,12

0,48

0,40

4,69

0,67

Игданит

красный

серый

красно-серый

850/3400

170

0,29

3,24

0,56

2,54

0,43

144

170

0,13

0,25

0,32

2,11

0,36

0,11

2,37

0,42

144

0,09

0,28

1,97

0,35

170

144

0,07

0,32

0,27

3,81

3,17

0,53

0,45

Таким образом, предложен метод расчета размеров зон разрушений с учетом конечных размеров скважинного цилиндрического заряда, физико-механических свойств образца и массива, позволяющий определить форму области разрушения. Поскольку на размеры зон разрушения влияет тип применяемого ВВ, то обоснование выбора типа ВВ приведено в следующем защищаемом положении.

Заряд ВВ, выделяющий некоторое количество энергии, создает волну напряжений. Если скорость детонации его невелика, то невелико начальное давление продуктов детонации. При снижении начального давления продуктов детонации, сопровождающегося уменьшением начального напряжённого состояния на стенке взрывной полости происходит уменьшение диссипативных потерь и, как следствие, уменьшение наведенной трещиноватости в ближней зоне. При этом увеличивается полезная доля энергии, что позволяет уве-

личить объём разрушенной горной массы, так как большая часть энергии расходуется на механическую работу. В качестве примера на рисунке 3 представлена зависимость детонационного давления на стенке скважины от относительной диссипации энергии для красного гранита ЗАО "Гавриловское карьероуправление".

Рисунок 3 - Зависимость детонационного давления на стенке скважины от относительной диссипации энергии для красного гранита

Если знать связь между диссипацией энергии и средними размерами отдельностей на различных расстояниях от заряда, то можно уменьшить выход мелких фракций, негабарита и осуществить выбор нужного типа ВВ.

На рисунке 4 представлена расчетная зависимость среднего размера отдельности разрушенной породы от относительного расстояния для следующих типов ВВ: "Нитронит Э-100", "Фортис", "Гранипор 90/5 ВГ" и игданита. Стандартное отклонение от среднего значения для данных зависимостей составляет 10%.

Из анализа рисунка 4 можно сделать вывод о том, что ВВ с низкими детонационными свойствами дают меньший выход мелкой фракции, а соответственно, создают меньшую наведенную трещи-новатость, что благоприятно сказывается на дальнейшей переработке гранита на дробильно-сортировочном заводе (ДСЗ). Таким образом, для гранитных карьеров следует применять водоустойчивые

эмульсионные ВВ с характеристиками близкими к игданиту. Правильный выбор типа ВВ для определенных горно-геологических условий, наряду с другими факторами, предопределяет экономиче-

Рисунок 4 - Расчетная зависимость среднего размера отдельности от относительного расстояния

Для качественной оценки влияния физико-механических свойств отдельностей гранитов, образующихся при взрывном на-гружении массива, на гранулометрический состав готовой продукции, получаемой на ДСЗ ЗАО "Гавриловское карьероуправление", проведен лабораторный эксперимент, основная идея которого заключалась в моделировании дробления разрушенной горной породы. Целью проведения опытов являлось исследование влияния физико-механических свойств гранитов месторождения "Гаврилово" на выход отсева.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующий вывод: при выборе типа ВВ следует учитывать, что использование высокобризантных ВВ приводит к снижению прочности горной породы и, как следствие, к увеличению выхода отсева на стадии получения готовой продукции. Выбрав тип ВВ и определив зоны разрушения, можно получить основные параметры БВР, расчет которых поясняется следующим защищаемым положением.

3. Параметры БВР для цилиндрических скважинных зарядов конечной длины следует определять на основании сопряжения радиусов зон трещинообразования смежных скважинных зарядов, с учетом прочностных характеристик образцов породы и массива, а также времени взрывного иагружения.

При выемочно-погрузочных работах на карьере ЗАО "Гавриловское карьероуправление" применяют экскаваторы типа "обратная лопата", и в результате уборки взорванной породы наблюдаются перепады высот уступа. Вследствие этого на карьере при отработке нижележащего горизонта из-за разницы высот взрываемого блока меняется длина заряда, что приводит в одних случаях к переизмельчению в зоне забойки, а в других - к выходу негабарита (рисунок 5а).

Отличие предлагаемого метода от общепринятого заключается в том, что длина заряда, длина забойки, удельный расход определяются на основании расчетных значений зон разрушений от удлиненного цилиндрического заряда с учетом торцевых частей. Для уменьшения выхода негабаритной фракции и уменьшения отколов со стороны последнего ряда предлагается величину забойки определять как:

^заб ~ "^пср + ^ , (5)

где ¿пер - длина перебура, м; - радиус трещинообразования

элементарного сферического заряда, находящегося в донной или в верхней части скважинного заряда, м.

Расчетное расстояние между зарядами составляет сумму радиусов зон трещинообразования от двух смежных цилиндрических зарядов конечной длины. На рисунке 6 представлены различные варианты совмещения этих зон.

Из полученных результатов можно сделать вывод, что ромбическое расположение скважин (рисунок 6 б) является более эффективным, по сравнению с квадратной сеткой (рисунок 6 а), которую стоит применять в том случае, если средний размер естественной отдельности в массиве меньше максимального размера кондиционного куска, иначе в зоне предразрушения будет наблюдаться выход негабарита. Также, для уменьшения выхода негабаритных

зона разрушения от массового ЕзрыБа на предыдущем горизонте

зона разрушения от удлиненного цилиндрического заряда

Рисунок 5 - Параметры БВР для блока с различными высотами (используемое ВВ - нитронит Э-100): а - при постоянной величине забойки, б - при переменной величине забойки

Рисунок 7 - Развал породы: а - со стороны первого ряда, б - со стороны последнего ряда (линия отрыва), в- врубовая часть, г - фрагментация во врубовой части, д - фрагментация во фланговой части развала

кусков в данной зоне следует применять, например, диагональные, клиновые схемы монтажа взрывной сети, позволяющие увеличить число свободных поверхностей.

Диаметр заряда

а) и 5>5 »-I б) 5

Зона

предразрушення

Зона

трещинообразования

Рисунок 6 - Варианты сеток скважин при совмещении зон трещинообразований для расстояний между зарядами 5,5 м а - квадратная сетка скважин, б - ромбическое расположение скважин

В таблице 3 представлены расчетные и типовые значения параметров буровзрывных работ для красного гранита месторождения "Гаврилово" для уступа высотой 12 м.

Согласно проведенным расчетам ниже предложены варианты параметров БВР для блока с различными высотами (рисунок 56). При заряжании данного блока необходимо выдерживать длину заряда постоянной, а величину забойки принимать в зависимости от фактической высоты уступа. Таким образом, улучшится качество дробления в верхней части уступа, уменьшиться выход отсева и негабарита в рассматриваемой зоне.

Для предлагаемых параметров БВР по сравнению с типовыми на карьере месторождения гранитов "Гаврилово" удельный выход мелкой фракции из ближней зоны взрыва на этапе взрывного разрушения снизился прямо пропорционально увеличению сетки скважин, т.е. примерно на 30%, метраж бурения и удельный расход снизились соответственно на 34,5 и 28 %. Экономический эффект составит 5 млн.руб/год, без учета затрат на дробление негабарита и потерь минерального сырья в виде отсева.

В ходе проведения эксперимента были получены следующие результаты взрыва (рисунок 7): негабариты наблюдались со стороны первого ряда (рисунок 7а); развал - компактный; линия отрыва ровная по всему периметру (рисунок 76), за исключением центра (вру-

бовая часть) (рисунок 7в); внутри развала в центральной части отмечалась недостаточная фрагментация гранита (рисунок 7г), что связано с большим количеством врубовых скважин в ряду (5 шт.); во фланговой части, где заряды взрывались по диагональным рядам, негабаритная фракция почти отсутствовала (рисунок 1д).

Таблица 3 -Типовые и расчетные параметры БВР

Параметр Значение

типовое расчетное

Диаметр скважины, мм 144

Взрывчатое вещество Нитронит Э-70 Нитронит Э-100

Предельный кондиционный размер куска (1к, м 0,9

Расстояние между зарядами в ряду а, м 4,5 5,50

Длина забойки, м 3,0 2,50

Длина заряда, м 10,4 11,00

Длина перебура, м 1,4 1,5

Масса заряда в скважине, кг 194,5 214,5

Метраж бурения на I массовый взрыв, м 1608 1061

Количество скважин на один массовый взрыв, шт 120 79

Количество ВВ на 1 массовый взрыв, т 23,4 16,7

Фактический удельный расход, кг/м3 0,82 0,59

Расстояние, безопасное по разлету кусков, м 500 550

Выход негабарита по данным ЗАО "Гавриловское карьеро-управление" составил 5,5%, т.е. на экспериментальном блоке с увеличенной сеткой скважин выход негабаритной фракции не превышает по сравнению с проектным - 7%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа является законченной научно-квалификационной работой, в которой представлено решение актуальной для горно-добывающих предприятий задачи - снижение выхода некондиционных фракций, даны рекомендации по выбору взрывчатых веществ, расстояний между скважинами с учетом детонационных характеристик взрывчатых веществ и физико-механических свойств горной породы.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Обоснована зависимость для определения предела прочности массива горных пород на-растяжение с учетом их естественной трещиноватости при динамическом нагружении.

2. Предложен метод расчета параметров волн напряжений и размеров зон разрушения с учетом конечных размеров цилиндрического скважинного заряда, основанный на разбиении последнего на три основные части: верхнюю, среднюю и нижнюю.

3. Предложены рекомендации по выбору типа ВВ на основании расчетов диссипации энергии и расчетного среднего размера отдельности в принятых зонах разрушения.

4. Предложена методика расчета величины забойки с учетом конечных размеров цилиндрического заряда.

5. Выявлено влияние прочностных характеристик породы, разрушенной взрывом, на дальнейший выход отсева.

6. Разработаны рекомендации к расчету типового проекта массового взрыва на карьере, учитывающие физико-механические свойства образцов и массива горных пород, детонационные характеристики ВВ, зоны разрушения от зарядов предыдущего горизонта и обеспечивающие существенную экономическую эффективность.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Казьмина АЛО. Разработка мер по снижению выхода мелких фракций и негабаритов при взрывном разрушении горных пород / М.Г. Менжулин, А.Ю. Казьмина, П.И. Афанасьев, А.А Бульбашев// Горный информационно-аналитический бюллетень. №4/2012. М.: Горная книга, 2012. С. 333-336.

2. Казьмина А.Ю. Использование связи между энергией диссипациин, параметрами распределения гранулометрического состава в технологии взрывного разрушения горной породы / М.Г. Менжулин, А.Ю. Казьмина, П.И. Афанасьев, А.А Бульбашев // Горный информационно-аналитический бюллетень. №5/2012. М.: Горная книга, 2012. С. 93-96.

3. Способ определения радиуса зоны переизмельчения горной породы при взрыве: пат. 2459179 Рос. Федерация: МКП Р42РЗ/04 / Казьмина А.Ю., Менжулин М.Г., Афанасьев П.И., Заха-

рян M.B, Бульбашев А.А; заявитель и патентообладатель СПГГУ(ТУ).-№2010154340/03; заявл. 29.12.2010; опубл. 20.08.2012, Бюл. 23

4. KazminaAJ. Die Einwirkung der Sprengarbeiten auf den Erhaltungszustand des Massivs ausserhalb der Sprengzone mit und ohne Vorspaltenbildung / M.G. Menjulin, A.J. Kazmina, P.I. Afanasew // Scientific reports on resource issues. Freiberg: International University of Resources, 2011. Volume 1. pp. 184-187.

РИЦ Горного университета. 06.05.2013. 3.248 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Казьмина, Анна Юрьевна, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Национальный минерально-сырьевой университет "Горный"

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

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04? 01 4 591 49

Казьмина Анна Юрьевна

Научный руководитель доктор технических наук, профессор М.Г. Менжулин

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

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

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................................................................................................10

1.1 Физические процессы при взрывном разрушении горных пород...................10

1.2 Анализ существующих типовых проектов производства буровзрывных работ.............................................................................................................................18

1.3 Выход мелких фракций и негабаритов при применении существующих технологий буровзрывных работ..............................................................................33

1.4 Физико-механические процессы в горной породе при разрушении...............38

Выводы по главе 1 и постановка задач исследований............................................48

ГЛАВА 2 МОДЕЛЬ ВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ...............50

2.1 Оценка снижения прочности при развитии трещиноватости..........................50

2.2 Роль диссипации энергии в волне напряжений в процессе разрушения........67

Выводы по главе 2......................................................................................................79

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ПАРАМЕТРОВ БВР С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ВЫХОДА ОТСЕВА И НЕГАБАРИТА........................................................................80

3.1 Выбор типов ВВ, обеспечивающих снижение выхода мелкой фракции ...80

3.2 Выбор расстояния между скважинами на основании сопряжения зон трещинообразования..................................................................................................88

3.3 Экономический эффект разработанных предложений.................................98

Выводы по главе 3....................................................................................................102

ГЛАВА 4 ПРОВЕДЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ НА КАРЬЕРЕ ЗАО ТАВРИ ЛОВ СКОЕ КАРЬЕРОУПРАВЛЕНИЕ", С ЦЕЛЬЮ УТОЧНЕНИЯ И ПРОВЕРКИ МЕТОДИК ПО РАЦИОНАЛЬНОМУ

РАЗРУШЕНИЮ ГОРНЫХ ПОРОД...........................................................................103

4.1 Результаты промышленного эксперимента на карьере ЗАО "Гавриловского карьероу правления"..................................................................................................103

4.2 Выход мелких фракций при механическом способе разрушения горной

породы.......................................................................................................................117

Выводы по главе 4...................................................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Буровзрывные работы (БВР) являются неотъемлемой частью технологического процесса добычи скальных строительных материалов, от результатов проведения которых зависит качество сырья, поступаемого на дробильно-сортировочные комплексы, себестоимость и качество готовой продукции. БВР составляют до 25% затрат на добычу полезного ископаемого и непосредственно влияют на производительность выемочно-погрузочного и дробильно-сортировочного оборудования.

Высокое содержание отсева на выходе готовой продукции приводит к потере минеральных ресурсов (гранитного щебня), повышению запыленности в рабочей зоне и ухудшению экологической обстановки вблизи карьеров. Выход негабаритной фракции приводит к возникновению простоев, снижению производительности, поломке транспортно-погрузочного оборудования, а также необходимости во вторичном дроблении, которое, в свою очередь, приводит к возникновению воздушно-ударных волн (ВУВ), отрицательно воздействующих на здания и сооружения.

Задачам снижения выхода отсева и негабаритов при взрывном разрушении горных пород посвящены работы многих ученых: В.Н. Родионова, A.A. Спивака, И.А. Сизова, В.В. Адушкина, Е.И. Шемякина, Б.Н. Кутузова, Н.В. Мельникова, М.Г. Менжулина, В.Н. Мосинца, М.Ф. Друкованного, Э.И. Ефремова, К.К. Шведова, В.А. Боровикова, И.Ф. Ванягина, В.А. Падукова, Г.П. Парамонова, В.А. Артемова и ряда других.

Цель диссертационной работы.

Обоснование параметров БВР на основе сопряжения зон разрушения от удлиненного цилиндрического заряда ВВ конечной длины для повышения эффективности взрывных работ при уступной отбойке скальных горных пород.

Идея работы.

Параметры зон разрушений от взрыва единичного скважинного цилиндрического заряда определяются с учетом: влияния его конечных размеров на зону разрушения, детонационных параметров ВВ, динамических прочностных характеристик образцов горной породы и взрываемого массива, времени взрывного нагружения.

Основные задачи исследования:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных исследований по взрывному разрушению горных пород.

условий карьера ЗАО "Гавриловское карьероуправление" на основании расчетов диссипации энергии при взрывном нагружении массива горных пород.

Методы исследований.

Обобщение физических представлений о взрывном разрушении горной породы. Аналитическое исследование процессов разрушения твердых тел при наличии концентраторов напряжений. Исследования физико-механических свойств гранитов месторождения "Гаврилово" ЗАО "Гавриловское карьероуправление" в лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород Научного центра геомеханики и проблем горного производства Горного университета. Определение интенсивности трещиноватости массива горной породы в программной среде Мар1пй) 10.0. Выполнение расчетов на ЭВМ с целью определения параметров зон разрушений, среднего размера отдельности на каждом относительном расстоянии от удлиненных цилиндрических зарядов конечной длины для различных типов ВВ. Экспериментальная проверка и уточнение полученных параметров БВР для условий карьера ЗАО "Гавриловское карьероуправление".

Научная новизна:

Основные защищаемые положения:

горной породы, в зоне трещинообразования на основании прочностных параметров массива горной породы с учетом его трещиноватости.

Практическая значимость работы.

Разработан метод расчета основных параметров БВР (выбор ВВ, сетка скважин, величина забойки) с учетом сопряжения радиусов зон трещинообразования скважинного цилиндрического заряда конечной длины, горно-геологических условий карьеров строительных материалов Ленинградской области и типов ВВ с различными детонационными параметрами для условий месторождения гранитов "Гаврилово".

Апробация работы.

Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на симпозиуме "Неделя горняка-2011" и "Неделя горняка-2012" (г.Москва, 2011-2012 гг.), на международной конференции молодых ученых "6. Freiberger - St. Petersburger Kolloquium junger Wissenschaftler" (Германия, г.Фрайберг, 2011г.), на втором международном саммите "Оптимизация горнодобывающего производства в России и СНГ" (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), на международном форуме-конкурсе молодых ученых "Проблемы недропользования" (г. Санкт-Петербург, 2013 г.), на заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами Горного университета и получили одобрение.

Реализация результатов работы.

Разработаны и внедрены рекомендации по выбору основных параметров БВР (сетка скважин, величина забойки) на ЗАО "Гавриловское карьероуправление".

Личный вклад автора заключается: в постановке цели и задач исследования, анализе ранее полученных данных отечественных и зарубежных исследователей, проведении теоретических исследований, обработке полученных данных, проведении расчетов на ЭВМ, сравнении полученных теоретических и экспериментальных данных, разработке практических рекомендаций и принятии участия в проведении промышленных экспериментов.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 4 научные работы, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит введение, четыре главы, заключение и библиографический список из 100 наименований, 54 рисунка и 20 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Физические процессы при взрывном разрушении горных пород

Горная порода представляет собой неоднородное твердое тело сложной структуры. Механизм ее разрушения более сложен, чем механизм разрушения простых однородных твердых тел. Процесс разрушения горной породы под действием взрывной нагрузки, которая резко изменяется во времени и пространстве, отличается чрезвычайной сложностью.

В последнее время значительно развились познания о природе взрыва, но единая точка зрения о физической сущности процесса развития взрыва в горной породе еще не выработана. Существует большое разнообразие гипотез по этому вопросу. H.H. Казаков выделяет пять основных направлений развития теорий разрушения горных пород взрывом [24].

Теоретическая концепция А.Ф. Суханова заключается в том, что взрыв сопровождается отделением части разрушенного массива по боковой поверхности воронки взрыва и преодолением инерции массы или силы тяжести взрываемой породы. В это время по разным плоскостям внутри воронки происходит первичное дробление породы. Ударная волна при прохождении вызывает огромные ускорения породы и соответствующие им силы инерции, таким образом процесс разрушения обусловлен этими силами. По мнению А.Ф. Суханова, универсальная теория разрушения горных пород взрывом оказалась бы чрезвычайно сложной для практического использования. Поэтому разработка основ теории действия взрыва должна быть направлена в первую очередь на решение наиболее важных задач для практики [24].

На современном этапе развития вычислительной техники упрощается решение ряда задач, в т.ч. и моделирования процесса взрывного нагружения материала. Поэтому сейчас возможно и необходимо разрабатывать вычислительные алгоритмы расчета разрушения при взрыве с учетом многих факторов, таких как диссипация энергии и время взрывного нагружения.

Г.И.Покровский считает, что при взрыве заряда в породе одновременно действует давление продуктов взрыва по всей поверхности зарядной камеры, которое измеряется тысячами кгс/см . При таком давлении порода раздавливается и переходит в текучее состояние вблизи поверхности заряда. Вслед за фронтом ударной волны частицы смещаются и движутся по радиальным направлениям. Напряжения сжатия быстро падают по мере удаления от заряда и на определенном расстоянии становятся меньше динамического предела прочности породы на сжатие, и , соответственно, меняется характер деформаций среды. При дальнейшем распространении волны от заряда образуются радиальные трещины, которые распространяются во все стороны от заряда. Далее растягивающие тангенциальные напряжения в породе уменьшаются и становятся меньше динамического предела прочности породы на растяжение, образование новых трещин прекращается. После прохождения волны сжатия порода вблизи от заряда начинает разгружаться и расширяться в сторону центра заряда, поэтому в зоне радиальных трещин могут появиться кольцевые трещины. При наличии вблизи от заряда свободной поверхности характер дробления породы существенно меняется. В этом случае внутрь породы от ее свободной поверхности возникает волна разрежения, которая вызывает растягивающие напряжения, волна разрежения производит более значительные разрушения, чем волна сжатия, несмотря на то, что в волне растяжения абсолютные величины напряжений меньше, чем в волне сжатия. Это объясняется тем, что сопротивление горных пород сжатию гораздо больше сопротивления растяжению [60].

Н.В. Мельников высказал аналогичный механизм действия взрыва в среде ранее, но в несколько схематизированном виде [34]: образовавшиеся газы при взрыве мгновенно производят удар на окружающую среду, вызывая распространяющиеся волны сжатия и растяжения, причем среда приобретает поступательное движение и разрушается аналогично разлету шаров в сторону наименьшего сопротивления [55].

А. Н. Ханукаев высказывает такие же взгляды в своих работах, но характер разрушения зависит от свойств породы, которые он разделяет на три группы [78]:

1. Породы, разрушающиеся за счет запаса кинетической энергии, приобретаемой средой при расширении продуктов взрыва: пески, супеси, глины и т.д. Акустическая жесткость этих пород не пр

Информация о работе

Казьмина, Анна Юрьевна
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2013
ВАК 25.00.20

Диссертация

Обоснование параметров буровзрывных работ при разрушении скальных пород скважинными зарядами конечной длины - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы