Обоснование параметров предварительного контурного взрывания при подготовке обводненных высоких вскрышных уступов на разрезах Кузбасса

Гришин, Сергей Валентинович

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров предварительного контурного взрывания при подготовке обводненных высоких вскрышных уступов на разрезах Кузбасса"

004604930

На ираках рукой:

щей

Гришин Сергей Валентинович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КОНТУРНОГО ВЗРЫВАНИЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ОБВОДНЕННЫХ ВЫСОКИХ ВСКРЫШНЫХ УСТУПОВ НА РАЗРЕЗАХ КУЗБАССА

Специальность:

25.00.22 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ИЮН 2010

Кемерово-2010

004604930

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический

университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Сысоев Андрей Александрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Паначев Иван Андреевич

кандидат технических наук Тимошин Игорь Владимирович

Ведущая организация новационная фирма «КУЗБАСС-НИОГР»

Защита состоится 22 июня 2010 г. в 15 00 на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Автореферат разослан /У ОЛСцЗ^ 2010 г.

Ученый секретарь у

диссертационного совета у"'"" ^г В.В.Иванов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Обводненность вскрышных пород разрезов Кузбасса является фактором, который негативно влияет на технико-экономические показатели буровзрывных работ. Необходимость использования более дорогих водоустойчивых типов ВВ, увеличение проектного удельного расхода ВВ, снижение возможностей механизированного заряжания скважин и ухудшение условий работы буровых станков обусловливают увеличение себестоимости буровзрывных работ на 20 — 30 % по сравнению с затратами на иод-готовку необводненных пород.

По данным геологических служб обводненность угольных месторождений Кузбасса, разрабатываемых открытым способом, в среднем составляет 25 -30 % объемов массива, находящегося в рабочей зоне. Между тем обводненность отдельных буровзрывных блоков достигает 80 % и более. Удаление воды из пробуренных скважин путем использования осушающих машин решает этот вопрос только частично, поскольку взрываемый блок в целом остается обводненным и уровень воды в скважинах неизбежно восстанавливается.

На открытых горных работах при подготовке высоких вскрышных уступов широко применяется предварительное контурное взрывание для повышения устойчивости откосов уступов и бортов карьеров. Практический опыт разрезов Кузбасса, накопленный в последние годы, показал, что в случае обводненности таких уступов эффективным способом ее снижения является предварительное взрывание сближенных контурных скважин с размещением в их нижней части усиленного заряда водоустойчивого ВВ. Верхняя часть контурных скважин при этом заряжается принятыми при заоткоскс высоких уступов рассредоточенной гирляндой патронов-боевиков.

Это позволяет создать по внутренней части периметра блока на уровне подошвы уступа зону интенсивного дробления, имеющую повышенные фильтрационные характеристики, которая, вместе со щелью вдоль контурных скважин, является локальной дренажной системой для данного блока. Таким образом создаются более благоприятные условия для работы буровых станков и зарядки основной системы скважин, появляется возможность применения более дешевых неводоустойчивых ВВ, традиционно обеспечивается качество заот-коски высоких уступов.

Имеющийся опыт предварительного контурного взрывания с целью снижения обводненности буровзрывных блоков весьма индивидуален. Выбор расстояния между контурными скважинами и конструкции заряда в них в настоящее время имеет научное обоснование только в части заооткоски уступов, и отсутствует в отношении важного сопутствующего эффекта - осушения блоков. Это снижает эффективность данного способа по сравнению с фактическими возможностями и затрудняет его более широкое внедрение.

Из сказанного следует, что обоснование конструкции заряда и рациональных параметров предварительного контурного взрывания при разработке обводненных вскрышных пород угольных разрезов, позволяющая повысить эффективность буровзрывных работ, имеет важное научное и практическое значение для угольной промышленности.

Целью работы является повышение эффективности взрывной подготовки горной массы при разработке обводненных вскрышных пород путем обоснованного выбора параметров предварительного контурного взрывания, обеспечивающих снижение обводненности блока одновременно с заоткоской высоких уступов.

Объектом исследования являются высокие обводненные буровзрывные блоки, при взрывной подготовке которых применяется предварительное контурное взрывание.

Предметом исследования являются технико-экономические показатели буровзрывных работ в зависимости от обводненности взрываемого блока, крепости вскрышных пород с учетом параметров зарядов в контурных скважинах.

Идея работы заключается в использовании способа предварительного контурного взрывания с донными зарядами в скважинах для снижения обводненности блоков с учетом параметров и горнотехнических условий его применения.

Задачи исследования.

1. Обосновать параметры и конструкцию скважинных зарядов контурного ряда, обеспечивающих снижение обводненности блока за счет образования зоны с повышенными фильтрационными характеристиками по внутренней части нижнего его периметра на уровне донных зарядов.

2. Исследовать влияние коэффициента обводненности взрывных блоков на технико-экономические показатели процесса подготовки вскрышных пород к выемке в части производительности буровых установок, расхода бурового инструмента, расхода водоустойчивых и неводоустойчивых ВВ при использовании предварительного контурного взрывания, как средства снижения обводненности.

3. Обосновать условия применения предварительного контурного взрывания с донным зарядом в скважинах, в которых обеспечивается повышение эффективности взрывной подготовки горной массы при разработке обводненных вскрышных пород угольных разрезов.

Методы исследования. Статистическая обработка производственных данных и результатов хронометражных наблюдений, математическое моделирование технико-экономических показателей буровзрывных работ, опытно-промышленные эксперименты.

Научные положения.

1. Расстояние между скважинами контурного ряда, обеспечивающее создание зоны повышенной фильтрации по нижнему периметру взрываемого блока, асимптотически увеличивается по мере увеличения высоты колонки донного заряда, поэтому ее не целесообразно принимать более (10 -ь 12)й?скв.

2. Использование предварительного контурного взрывания с донными зарядами в скважинах для снижения обводненности взрывных блоков оказывает разнонаправленное влияние на затраты, связанные с бурением и взрыванием. Снижение затрат за счет использования дешевых неводоустойчивых ВВ всегда компенсирует увеличение затрат на бурение.

3. Значения коэффициента обводненности взрываемого блока и крепости взрываемых пород являются достаточной информацией для принятия решения о целесообразности предварительного контурного взрывания с донными зарядами в скважинах для снижения обводненности. Граничный коэффициент обводненности, выше которого обеспечивается технико-экономическая эффективность данного метода, составляет для легковзрываемых пород

1 * *

л0дв =0,09 — 0,12, для пород средней взрываемости - &0дв = 0,29 — 0,31, для

трудновзрываемых пород - кобв = 0,49 - 0,51.

Научная новизна.

Установлена и обоснована взаимосвязь массы донного заряда, расстояния между контурными скважинами и их диаметром, обеспечивающих снижение обводненности блока, с крепостью взрываемой породы.

Установлены закономерности изменения технико-экономических показателей буровзрывных работ при предварительном контурном взрывании в зависимости от крепости пород и обводненности взрываемого блока.

Разработана экономико-математическая модель и обоснованы условия эффективности предварительного контурного взрывания для снижения обводненности вскрышных блоков.

Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследования; формулировании основной идеи достижения цели, организации и проведении опытно-промышленных взрывов, разработки структуры экономико-математической модели, обобщения результатов исследования, формулировании выводов и рекомендаций.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждается:

- применением для описания, исследования и анализа изучаемых технико-экономических закономерностей методов математического моделирования с обоснованием адекватности всех элементов модели;

- непротиворечивостью результатов и выводов и их сопоставимостью с ранее выполненными исследованиями;

- положительными результатами опытно-промышленной проверки отдельных рекомендаций;

- фактически имеющимся опытом буровзрывных работ в обводненных условиях угольных разрезов.

Практическое значение работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

- проектировать производство взрывных работ при подготовке обводненных бестранспортных и высоких транспортных уступов;

- планировать производительность буровых станков и расход водоустойчивых и неводоустойчивых взрывчатых веществ с учетом обводненности при предварительном контурном взрывании;

- оперативно принимать решение о целесообразности предварительного контурного взрывания с целью снижения обводненности;

- снизить текущие затраты на подготовку вскрышных пород к выемке в горнотехнических условиях, где целесообразно предварительное контурное взрывание с донным зарядом.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на X международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России - новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово. - 2009), на технических совещаниях УК «Кузбассразрезуголь», на техническом совете ООО «Куз-бассразрезуголь-Взрывпром» (2002 - 2010 гг.),

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, 6 из которых в изданиях,рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение?четыре главы, заключение и приложение, изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 22 рисунка и список литературы из 115 наименований.

Содержание диссертации

Традиционно считается, что контурное взрывание на карьерах применяют главным образом для повышения устойчивости откоса уступов и бортов карьеров скальных пород при их выходе на проектный контур. Имеются обобщенные рекомендации, как по выбору конструкции и линейной плотности заряда в контурных скважинах, так и учету геолого-структурных условий угольных месторождений (Барон Л. И., Галустьян Э. Л., Ключников А. В., Кузнецов Г. В., Стафеев А. А. и др.). Имеющийся производственный опыт использования контурного взрывания для снижения обводненности блоков в настоящее время не подкреплен научными рекомендациями по выбору параметров контурных зарядов. Наряду с практически полным осушением блока после предварительного контурного взрывания имеются случаи очень незначительного снижения коэффициента обводненности.

Ранее выполненные и опубликованные работы (Зотеев В. Г., Прокопенко С. В., Тимошин И. В. и др.) по снижению притоков фунтовых и/или поверхностных вод при предварительном взрывании некоторой части скважин с донным зарядом были посвящены, главным образом, проверке идеи создания зон повышенной фильтрации и обмену опытом.

Для эффективного использования данного метода в производстве необходим теоретически обоснованный выбор параметров предварительного контурного взрывания на основе исследования технико-экономических показателей буровзрывных работ и укрупненных признаков его целесообразности.

Обоснование параметров предварительного контурного взрывания, обеспечивающих снижение обводненности взрываемого блока.

Механизм снижения обводненности запланированного к отработке блока с использованием предлагаемой конструкции заряда в контурных скважинах показан на рис. 1. Верхняя часть заряда представляет собой гирлянду патронов-боевиков распределенных с линейной плотностью 1-2 кг/м в зависимости от сближения скважин и крепости взрываемых пород в соответствии с существующими в научной и нормативной литературе рекомендациями, а также имеющимся на разрезах опытом. Задача этой части заряда заключается в создании относительно ровной поверхности откоса торцевой части следующего

по фронту горных работ уступа. Очевидно, что создаваемая при этом щель в массиве будет служить препятствием для грунтовых вод, движущихся в направлении боковой обнаженной поверхности блока.

Рис. 1. Механизм снижения обводненности после предварительного контурного взрывания с донным зарядом

11азначение нижних частей заряда - создание системы пересекающихся зон интенсивного дробления с повышенными фильтрационными характеристиками за счет разрыхления раздробленной породы при освобождении пространства ранее занятого донным зарядом водоустойчивого ВВ.

Пересечение соседних зон интенсивного дробления можно обеспечить как за счет увеличения массы донного заряда в скважинах, так и за счет их сближения. Таким образом, под параметрами предварительного контурного взрывания для снижения обводненности блока понимаются расстояние между скважинами контурного ряда (ак, м), высота колонки заряда , м), которые

зависят от диаметра скважин и крепости взрываемой породы. Возможность использования того или иного фактора с этой целью определяется закономерностью изменения радиуса зоны интенсивного дробления в зависимости от диаметра скважин и массы донного заряда в контурной скважине.

Решение поставленной в настоящем разделе задачи выполнялось путем теоретического обоснования закономерности изменения радиуса зоны интенсивного дробления в зависимости от высоты колонки донного заряда, диаметра скважин и крепости породы с последующим определением некоторых постоянных коэффициентов на основе результатов проведенных нами опытно-промышленных взрывов, а также результатов других авторов.

Теоретическая оценка этих параметров тесно связана с современными представлениями о действии взрыва на горную породу и ее состояние в окрестности заряда после взрыва, сложившимися в результате исследований А. Баума,

Е. Г. Баранова, Г. И. Демедкжа, Б. Н. Кутузова, М. А. Лаврентьева, Ф. Г. И. Покровского, В. Н. Рахматуллина, В. Н. Родионова, А. Н. Ханукаева, Е. И. Шемякина. На основе анализа этих исследований, а также с привлечением результатов детальных экспериментальных исследований процесса взрывного дробления вскрышных пород разрезов Кузбасса, проведенных проф. И. А. Паначевым, были сделаны три основных допущения:

- зона интенсивного дробления удлиненного цилиндрического заряда имеет эллипсоидную форму;

- радиус зоны интенсивного дробления (горизонтальная ось эллипсоида) пропорционален радиусу заряда;

- объем зоны интенсивного дробления пропорционален массе заряда;

- радиус зоны интенсивного дробления экспоненциально зависит от крепости пород с отрицательным показателем степени.

На базе сформулированных допущений была получена формула для расчета радиуса зоны интенсивного дробления (-/?инт, м) в зависимости от высоты колонки донного заряда (/¡^р, м), диаметра скважин (б/скв, м) и крепости

породы (У), которая лежит в основе расчета параметров донных зарядов контурного ряда:

0 5 Ъ й К <Г°'075/

_ 5 ^ипт скв Ъар

к +0 227 £°'67с1 е~°'025/ '

"зар ^ ' Ьинт "скв е

где £инт - где безразмерный постоянный коэффициент.

Оценка коэффициента £инт нами выполнена по состоянию скважин последнего ряда, находящихся на различном расстоянии от предварительно взорванного контурного ряда. Например, в легковзрываемых породах скважины последнего ряда, пробуренные на расстоянии 1,0 м от взорванных контурных скважин диаметром ¿/скв =215 мм и массе донного заряда 100 кг, в большинстве своем оказались осыпавшимися в нижней части (рис. 2). При расстоянии до контурных скважин 2 м скважины основной системы были устойчивы по всей длине. Т. е. радиус зоны интенсивного дробления для указанных значений диаметра скважин и массы заряда 1,0</?инт <2,0. Последующее контурное взрывание при расстоянии между скважинами 3,0 м обеспечивало снижение уровня обводненности не менее, чем в 2,5 - 3 раза, а в ряде случаев практически полное осушение блока.

Обобщение подобного рода данных в породах различной крепости позволило принять значение Еинт = 25 в качестве безразмерной численной характеристики зоны интенсивного дробления.

На рис. 3 показана зависимость относительного диаметра зоны интенсивного дробления от относительной высоты донного заряда при различной

крепости породы, построенная по формуле (1). В табл. I представлены расчеты массы заряда при различных расстояниях между контурными скважинами.

а)

1,0

/

I

б)'

скважины контурного ряда 0 216 мм

скважины последнего ряда основного блока

зона ин тенсивного дробления

осыпавшаяся часть скважины

2,0 м

100 кг ВВ

Рис. 2. Схема экспериментальных взрывов для определения коэффициента ^инт

Из графиков видно, что увеличение высоты колонки донного заряда более 10-г 12 диаметров скважин не приводит к существенному увеличению размеров зоны интенсивного дробления. Это отражено также в таблице 1 - отсутствие данных в некоторых клетках таблицы означает, что зона интенсивного дробления при любой массе заряда не выходит за пределы половины расстояния между скважинами. На этом основании сформулировано первое научное положение - расстояние между скважинами контурного ряда, обеспечивающее создание зоны повышенной фильтрации на уровне донных зарядов, асимптотически увеличивается по мере увеличения высоты колонки донного заряда, поэтому ее не целесообразно принимать более (10 +12)с?скв .

Рис. 3. Зависимость относительного радиуса зоны интенсивного дробления Яиыт от относительной высоты скваж:инного заряда Йзар при различной крепости породы

Другими словами, если расстояние между контурными скважинами составляет более (10 -г 12)öfCKB, то существенного снижения обводненности блока невозможно добиться ни при какой массе донного заряда.

Таблица 1

Рекомендуемая масса донного заряда ВВ в контурных скважинах (dCKB =215 мм., тип ВВ - Сибирит-1200')

Крепость пород по шкале проф. М. М. Протодьяконова Расстояние между контурными скважинами, м

2,0 2,5 3,0 3,5

4 17 29 50 115

6 23 44 110 -

8 35 85 - -

10 60 - - -

12 155 - - -

Опытно-промышленная проверка полученных рекомендаций, проведенная в 2006 - 09 гг. на разрезах «Моховский», «Сартакинский», «Ерунаковский», «Краснобродский», «Калтанский» и «Кедровский» ОАО «УК Кузбассразрез-уголь», показала снижение обводненности в результате предварительного контурного взрывания не менее, чем в три раза по сравнению с первоначальным. На рис. 4 показано характерное состояние обводненности бестранспортных и высоких транспортных уступов до и после предварительного контурного взрывания с донными зарядами.

Рис. 4. Обводненность блоков до и после контурного взрывания с донным зарядом в скважинах: 1 I - начальный уровень обводненности, 1 I - остаточный уровень обводненности

В настоящее время такой подход к подготовке обводненных взрывных блоков на разрезах компании применяется всегда, когда высота уступа превышает 20 м.

Исследование технико-экономических показателей буровзрывных работ в

обводненных условиях

Предварительное контурное взрывание обводненных блоков с размещением в контурных скважинах донного заряда позволяет снизить уровень обводненности массива, что влечет за собой увеличение производительности буро-

вых установок по длине пробуренных скважин, увеличение стойкости буровых коронок и снижение расхода относительно дорогих водоустойчивых типов ВВ.

Задача настоящего раздела заключается в определении сравнительной технико-экономической значимости производительности станков, расхода бурового инструмента и расхода водоустойчивых ВВ при различных вариантах предварительного контурного взрывания.

Базовый вариант преследует только цель повышения устойчивости откосов уступов, признаком чего является ровная поверхность откоса при отсутствии нависей породы. При этом в контурных скважинах размещаются гирлянды патронов аммонита 6ЖВ при рекомендованных в научной и нормативной литературе линейной плотности заряда. В частности, на разрезах УК «Кузбас-сразрезуголь» расстояние между контурными скважинами принимается половине расстояния между скважинами в рядах основной системы, а линейная плотность составляет 1-2 кг/м в зависимости от крепости пород. Контурные скважины бурятся только со стороны последнего ряда основной системы взрывных скважин.

Проектный вариант одновременно решает задачу снижения обводненности блока за счет создания донными зарядами локальной дренажной системы. Параметры контурных зарядов выбираются в соответствии результатами, полученными в предыдущем разделе.

При расчете сменной производительности бурового станка ((7СМ, м/смену) учитывались скорость бурения по сухой части массива (), м/мин.), обводненной части (1^2, м/мин.), а также вспомогательное время на бурение I м скважины (7В, мин./м). Зависимость этих величин от крепости породы {/) и глубины скважин (/скв, м) устанавливались по результатам хронометражных наблюдений выполненных на разрезах «Кедровский», «Талдинский» и «Мохов-ский» (Сартакинское и Ерунаковское поля) при крепости пород f — 5 -И 0. Для станка ОМ!,-1200 результаты обработки этих наблюдений представлены с достоверностью не менее 0,94 в виде формул

у61=5<Г°'2/, уб2=4,4е~°'2Л ¿„=2,41 Г^2. (2)

Расчеты показывают, что предварительное контурное взрывание с донным зарядом в скважинах для снижения обводненности блока практически не влияет на сменную производительность бурового станка, исчисляемую по суммарной длине пробуренных скважин (м/смену) во всем диапазоне изменения начального коэффициента обводненности по сравнению с базовым вариантом. В производственных условиях при планировании графика выполнения работ по подготовке горной массы к выемке более информативной является производительность бурового станка по объему обуренной горной массы (м3/смену). Этот показатель может заметно отличаться по рассматриваемым вариантам при увеличении как начального коэффициента обводненности блока, так и по мере увеличения крепости вскрышной породы.

Например, в мелкоблочных породах производительность станка по вариантам контурного взрывания незначительно отличается друг от друга (± 3 %). В крупноблочных трудновзрываемых породах производительность станка при использовании контурного взрывания с донным зарядом для снижения обводненности на 10 - 22 % меньше по сравнению с базовым вариантом.

Значимость факторов, влияющих на эффективность контурного взрывания для снижения обводненности, определяется затратами непосредственно на бурение, буровой инструмент и взрывчатые материалы в сравнении с базовым вариантом. Затраты непосредственно на бурение определялись по стоимости машиносмены станка на основе отчетных данных разрезов УК «Кузбассрарез-уголь» о времени работы и всех элементов прямых затрат (амортизация, ГСМ, запасные части, заработная плата и т. д.). Затраты на буровой инструмент устанавливались по цене на буровые шарошки и штанги с учетом существующих нормативов их расхода в различных горнотехнических условиях. Проанализированы данные по станкам ВМ-45 (с1скп =0,171 м), ОМЬ-1200 (с1ски =0,215 м), ОМ-М2 (с1сш =0,269 м). Стоимость машиносмены бурового станка (Смс, тыс. руб./ смену) с достоверностью 0,94 представлена в виде функции

Смс= 5,08е8'2£/™. (3)

Затраты на взрывные работы рассчитывались в зависимости от параметров контурного ряда, параметров сетки скважин и удельного расхода ВВ при взрывании непосредственно блока с учетом коэффициента его обводненности и расходом водоустойчивых и неводоустойчивых типов ВВ, предусмотренных типовыми проектами взрывных работ.

г" \

и о

Диаметр скважин, м Рис. 5. Фактические данные о стоимости машиносмены бурового станка и расчетная ее зависимость от диаметра скважин

Полученные промежуточные данные позволили провести сравнительный анализ влияния предварительного контурного взрывания с донным зарядом на экономические показатели, связанные с бурением, расходом бурового инструмента и расходом ВВ по отношению к базовому варианту контурного взрывания при различных коэффициентах обводненности взрывного блока. В

табл.2 представлен характерный результат расчета удельных значений рассматриваемых элементов затрат в зависимости от обводненности взрываемого блока, а на рис. 6 - разница между этими значениями при к0§ъ — 0,2; 0,5; 0,8.

Таблица 2

Расчетные значения удельных элементов затрат (руб./м3)

Элементы затрат Начальный коэффициент обводненности блока, дол. ед.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Контурное взрывание с донным зарядом (проектный вариант)

Бур. инструмент Бурение ВВиСВ 0,40 0,41 0,43 0,44 0,46 0,47 0,49 0,50 0,52 1,91 1,93 1,95 1,97 1,99 2,01 2,03 2,05 2,06 4,09 4,20 4,32 4,44 4,56 4,68 4,81 4,93 5,06

Базовый вариант контурного взрывания

Бур. инструмент Бурение ВВиСВ 0,36 0,38 0,40 0,42 0,44 0,46 0,48 0,51 0,53 1,73 1,76 1,79 1,82 1,86 1,89 1,92 1,95 1,99 4,12 4,35 4,60 4,85 5,10 5,36 5,63 5,90 6,18

Удельные затраты на буровой инструмент во всем диапазоне изменения коэффициента обводненности по вариантам контурного взрывания несущественно отличаются друг от друга, а по величине в 5 - 10 раз меньше, чем другие элементы затрат. При этом затраты на эксплуатацию станка (без учета инструмента) при базовом варианте контурного взрывания всегда ниже, что объясняется большим объемом бурения в целом по блоку за счет большего расстояния между контурными скважинами, а также отсутствием их со стороны торца взрываемого блока. Разница в величине этих затрат уменьшается но мерс увеличения обводненности блока в связи с относительным увеличением объемов бурения по сухой части блока при контуром взрывании с донными зарядами.

-0,01 0,01

0,97

0,54

0,15

-0,03 -0,17 -0,13 -0,09 !

Б>р. инсрумсит Б>рение ! ВВиСВ

□ ^обв = 072Г -0,03 -0,17 0,15

п ^обв = 0,5 -0,01 -0,13 ! 0,54

□ ^пбв = 0,8 0,01 -0,09 0,97

Рис. б. Разница удельных значений элементов затрат (руб./м3)между базовым и проектный вариантами предварительного контурного взрывания при различных значениях коэффициента обводненности блока

Наибольшая экономия затрат при котурном взрывании с донными зарядами имеет место по элементу взрывчатых веществ за счет увеличения доли относительно дешевых неводоустойчивых ВВ. Особо следует отметить, что экономия затрат на ВВ при относительно небольшой обводненности взрывного блока (при < 0,5 ) сравнима с увеличением затрат на эксплуатацию бурового станка. По мере увеличения коэффициента обводненности массива значимость фактора неводоустойчивых ВВ существенно возрастает и во много раз перекрывает прирост затрат на бурение.

На этом основании установлено, что использование предварительного контурного взрывания для снижения обводненности взрывных блоков оказывает разнонаправленное влияние на затраты, связанные с бурением и взрыванием. Снижение затрат при использовании дешевых неводоустойчивых ВВ всегда компенсирует увеличение затрат на бурение.

Исследование условий целесообразного применения предварительного контурного взрывания с донными зарядами для снижения обводненности

Полученные в предыдущем разделе результаты следует рассматривать как предпосылки существования такого коэффициента обводненности, выше которого экономически целесообразно применение предварительного контурного взрывания с донными зарядами в скважинах для создания локальной дренажной системы блока и его частичного осушения перед бурением основной системы скважин. Значение такого коэффициента обводненности в дальнейшем будем называть граничным коэффициентом обводненности блока и обозначать

^обв-

Критерием целесообразности предварительного контурного взрывания с предлагаемой конструкцией заряда в скважинах служит разность АСбвр между себестоимостью буровзрывных работ, которая имеет место в этом случае (С$вр, руб./м3), и себестоимостью при базовом варианте контурного взрывания

(СдВр, руб./м3), когда в скважинах размещается только гирлянда патронов аммонита 6ЖВ для обеспечения заоткоски уступа:

ЛСбвр (¿обв ) = сбвр - с£р > о. (4)

Закономерности изменения граничного коэффициента обводненности исследовались на основе экономико-математической модели, разработанной по результатам, полученным в настоящей работе, а также по результатам ранее выполненных исследований, которые нашли широкое применение в практике буровзрывных работ на разрезах:

- объем бурения и расход взрывчатых материалов при базовом варианте предварительного контурного взрывания определялся по данным научной и нормативной литературы с учетом существующей практики заоткоски взрыв-

ных блоков. При предлагаемом варианте с донными зарядами в контурных скважинах - по рекомендуемым значениям расстояния между скважинами, представленным в табл. 1;

- объем бурения при подготовке основной системы скважин и соответствующий расход взрывчатых материалов формализованы по методическим рекомендациям, имеющимся в утвержденных типовых проектах массовых взрывов на разрезах УК «Кузбассразрсзуголь». Данные рекомендации разработаны кафедрой открытых горных работ Кузбасского государственного технического университета и учитывают в явном виде коэффициент обводненности массива:

- производительность буровых станков, расход бурового инструмента, а также соответствующие затраты формализованы по результатам настоящего исследования.

Исходные данные для выполнения расчетов соответствовали практически существующим на разрезах Кузбасса значениям горнотехнических факторов и диапазонов их изменения, а также требованиям типовых технологических схем производства вскрышных работ:

- геометрические параметры врываемого блока: А = 30 4- 40 м; Ну =20 + 40 м; 1бл =150 + 250 м;

- коэффициент обводненности к0§в = 0 + 0,9;

- буровой станок принят в соответствии с типовыми технологическими схемами производства вскрышных работ для бестранспортной технологии разработки вскрыши при диаметре скважин г/скв =216 мм;

- крепость вскрышных пород / = 4 +12;

- типы ВВ: сибирит-1200, эмульсолит П, гранулит УП-1. Многовариантные расчеты с использованием разработанной экономико-

математической модели показали, что наибольшее влияние на граничный коэффициент обводненности оказывает крепость вскрышных пород. На рис. 7 показана зависимость себестоимости буровзрывных работ по вариантам контурного взрывания и сравнительной эффективности АСдвр от коэффициента обводненности блока при крайних фактически существующих на разрезах значениях крепости вскрышных пород / = 4и / = 12. Значения граничного коэф-

*

фициента обводненности взрывного блока я0дв, определяемого формулой (4), в

этом случае отличаются примерно в пять раз. При промежуточных значениях

*

крепости пород имеет место линейная зависимость к0§в =0,05 / — 0,1.

Значимость типоразмера экскаватора и, соответственно, высоты уступа и ширины заходки по целику, также длины блока в указанных выше диапазонах

. *

их изменения весьма незначительны и составляют 3 - 6 % от величины я0дв.

° Коэффициент обводненности, дол. ед. и Коэффициент обводненности, дол. ед.

Рис. 7. Зависимость критерия сравнительной эффективности и стоимости буровзрывных работ при различных вариантах контурного взрывания от коэффициента обводненности блока при различной крепости пород: а -/ = 4; б -/ = 12

Таким образом, значения коэффициента обводненности взрываемого блока и крепости взрываемых пород являются достаточной информацией для принятия решения о целесообразности предварительного контурного взрывания с донными зарядами в скважинах для снижения обводненности. Граничный коэффициент обводненности, выше которого обеспечивается технико-экономическая эффективность данного метода, составляет для

легковзрываемых пород к0^в = 0,09 — 0,12, для пород средней взрываемости * *

- ^обв = 0,29 — 0,31, для трудновзрываемых пород — «0дв = 0,49 — 0,51.

Заключение

В диссертации, являющейся законченной научно-квалификационной работой, изложены новые научно обоснованные технические решения по выбору параметров контурного взрывания при подготовке высоких вскрышных уступов на разрезах, позволяющие значительно снизить обводненность массива одновременно с заоткоской следующего по фронту горных работ уступа, что имеет существенное значение для угольной отрасли РФ.

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем.

1. Обводненность вскрышных пород угольных разрезов обусловливает увеличение затрат на буровзрывные работы на 20 - 30 % по сравнению с необ-водненными условиями их производства. По результатам опытно-промышленных взрывов показано, что предварительное контурное взрывание с усиленным донным зарядом в скважинах позволяет не только обеспечить заот-коску следующего по фронту горных работ уступа, но и снизить уровень обводненности запланированного для взрывания блока.

2. Снижение обводненности блока происходит в результате образования по нижнему его периметру системы пересекающихся зон интенсивного дробления с повышенными фильтрационными характеристиками, а также образования

щели в массиве по плоскости контурных скважин, которые в совокупности играют роль локальной дренажной системы.

3. Установлено, что радиус зоны интенсивного дробления и высота колонки донного заряда взаимосвязаны между собой и однозначно определяют параметры контурных зарядов - расстояние между контурными скважинами и массу донного заряда при заданном диаметре скважин. Высоту колонки донного заряда при этом не целесообразно принимать более 10-12 диаметров скважины, в связи с асимптотическим характером влияния на расстояние между ними.

Проектирование предварительного контурного взрывания с учетом выявленных закономерностей позволяет снизить первоначальный уровень обводненности взрывного блока не менее, чем в 2,5 - 3 раза.

4. Предварительное контурное взрывание обводненных взрывных блоков с размещением в контурных скважинах донного заряда влечет за собой изменение объемов бурения и расхода взрывчатых материалов по сравнению с базовым вариантом контурного взрывания только с целью заоткоски уступов. Установлено, что при этом имеет место увеличение производительности бурового станка по суммарной длине пробуренных скважин, незначительное уменьшение его производительности по объему обуренной горной массы и существенное увеличение доли относительно дешевых неводоустойчивых ВВ.

5. Исследованные закономерности позволяют планировать производительность буровых станков и расход водоустойчивых и неводоустойчивых взрывчатых веществ с учетом обводненности вскрышных пород.

6. Доказано существование граничного коэффициента обводненности взрывного блока, выше которого обеспечивается технико-экономическая эффективность предлагаемой технологии предварительного контурного взрывание в результате разнонаправленного влияния на затраты, связанные с бурением и взрывчатыми материалами.

7. Разработана адекватная экономико-математическая модель расчета технико-экономических показателей буровзрывных работ при любых практически встречающихся горнотехнических параметрах разработки вскрышных пород. Адекватность модели в целом обусловлена обоснованной адекватностью отдельных ее составляющих элементов и формул, сопоставимостью с фактическими данными о производительности буровых станков, расходу бурового инструмента и взрывчатых материалов, а также сопоставимостью с отчетными данными разрезов о затратах на производство буровзрывных работ.

8. Установлено, что значение коэффициента обводненности взрываемого блока и крепость взрываемых пород являются достаточной информацией для принятия решения о целесообразности предварительного контурного взрывания с донными в скважинах для снижения обводненности.

9. Существующие в настоящее время на разрезах УК «Кузбассразрез-уголь» объемы контурного взрывания с донными зарядами в скважинах обводненных вскрышных блоков предопределяют экономический эффект в размере более 12 млн. руб. в год

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

Издания рекомендованные ВАК:

1. Сысоев, А. А. Параметры предварительного контурного взрывания при осушении взрывных блоков / А. А. Сысоев, С. В. Гришин, С. В. Кокин // Сб. Взрывное дело. - М. - № 102/59. - 2009.

2. Гришин, С. В. Пути снижения обводненности массива при ведении взрывных работ / С. В. Гришин, С. В. Кокин, А. В. Новиков // Сб. Взрывное дело. -М.-№ 98/55. -2008

3. Гришин, С. В. Выбор оптимальных промежуточных детонаторов для инициирования скважинных зарядов / С. В. Гришин, С. В. Кокин, А. В. Новиков // Сб. Взрывное дело. - М. - № 99/56. - 2008.

4. Гришин, С. В. Измерение скорости детонации скважинных зарядов в производственных условиях с использованием различных патронов боевиков / С. В. Гришин, С. В. Кокин, А. В. Новиков // Сб. Взрывное дело. — М. — № 100/57.-2008.

5. Гришин, С. В. «Кузбассразрезуголь-Взрывпром» - состояние и основные направления развития взрывных работ / С. В. Гришин, С. В. Кокин, А. В. Новиков // Сб. Взрывное дело. - М. - № 97/54. - 2007.

6. Сапрыкин, И. Е. Оптимизация взрывных работ на разрезах угольной компании «Кузбассразрезуголь» // И. Е. Сапрыкин, С. М. Федотенко, С. В. Гришин, С. В. Кокин, В. С. Федотенко / Горный журнал, - 2006. №11.

Другие издания:

7. Гришин, С. В Условия целесообразности предварительного контурного взрывания обводненных блоков / С. В. Гришин, А. А. Сысоев // Труды XI международной научно-практической конференции: Экономическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности. / Кемерово. - 2009. - с. 110-112

8. Гришин, С. В. Выбор рационального веса патрона-боевика для инициирования скважинных зарядов на разрезах. /С. В. Гришин, С. В. Кокин, А. Н. Новиков // Вестник КузГТУ. - Кемерово. - № 2-2008.

9. Сысоев, А. А. Анализ принципов проектирования и направлений совершенствования параметров БВР на разрезах Кузбасса. /А. А. Сысоев, С. В. Гришин, С. В. Кокин, // Вестник КузГТУ. - Кемерово. - № 3. - 2009. с. 5 - 9.

10. Патент РФ на изобретение № 2133942 Способ заряжания скважин /В. И. Белов, А. Ф. Макаров, С. В. Гришин и др./ по заявке № 97120673, приоритет от 16.12.97.-М.-27.06.1999.

Подписано в печать 13.01.2010. Формат 06x84 1/16 Объем 1,25 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано на ризографе. ГУ Кузбасский государственный технический университет 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

Типография ГУ КузГТУ. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гришин, Сергей Валентинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1. Анализ состояния вопроса.

1.1. Состояния технологии и организации буровзрывных работ на разрезах УК «Кузбассразрезуголь».

1.2. Анализ исследований по контурному взрыванию на карьерах.

1.3. Цель, задачи и методы исследования.

Выводы по разделу 1.

2. Обоснование параметров предварительного контурного взрывания, обеспечивающих снижение обводненности взрываемого блока.

2.1. Теоретическая оценка параметров зарядов в скважинах контурного ряда, обеспечивающих снижение обводненности взрываемого блока.

2.2. Горнотехнические условия проведения опытно-промышленных взрывов.

2.3. Результаты опытно-промышленных взрывов по оценке радиуса зоны интенсивного дробления.

Выводы по разделу 2.

3. Исследование технико-экономических показателей БВР в обводненных условиях.

3.1. Технико-экономические показатели буровых работ.

3.2. Технико-экономические показатели взрывных работ.

3.3. Влияние обводненности на технико-экономические показатели буровзрывных работ.

Выводы по разделу 3.

4. Обоснование рациональных горнотехнических условий предварительного контурного взрывания.

4.1. Обоснование критерия и разработка экономико-математической модели эффективности предварительного контурного взрывания обводненных блоков

4.2. Исследование горнотехнических условий целесообразности предварительного контурного взрывания.

4.3. Оценка экономической эффективности предварительного контурного взрывания для снижения обводненности буровзрывных блоков.

Выводы по разделу 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров предварительного контурного взрывания при подготовке обводненных высоких вскрышных уступов на разрезах Кузбасса"

Актуальность работы. Обводненность вскрышных пород разрезов Кузбасса является фактором, который негативно влияет на технико-экономические показатели буровзрывных работ. Необходимость использования более дорогих водоустойчивых типов ВВ, увеличение проектного удельного расхода ВВ, снижение возможностей механизированного заряжания скважин и ухудшение условий работы буровых станков обусловливают увеличение себестоимости буровзрывных работ на 20 - 30 % по сравнению с затратами на подготовку необводненных пород.

По данным геологических служб обводненность угольных месторождений Кузбасса, разрабатываемых открытым способом, в среднем составляет 25 - 30 % объемов массива, находящегося в рабочей зоне. Между тем обводненность отдельных буровзрывных блоков достигает 80 % и более. Удаление воды из пробуренных скважин путем использования осушающих машин решает этот вопрос только частично, поскольку взрываемый блок в целом остается обводненным и уровень воды в скважинах неизбежно восстанавливается.

На открытых горных работах при подготовке высоких вскрышных уступов широко применяется предварительное контурное взрывание для повышения устойчивости откосов уступов и бортов карьеров. Практический опыт разрезов Кузбасса, накопленный в последние годы, показал, что в случае обводненности таких уступов эффективным способом ее снижения является предварительное взрывание сближенных контурных скважин с размещением в их нижней части усиленного заряда водоустойчивого ВВ. Верхняя часть контурных скважин при этом заряжается принятыми при заоткоске высоких уступов рассредоточенной гирляндой патронов-боевиков.

Это позволяет создать по внутренней части периметра блока на уровне подошвы уступа зону интенсивного дробления, имеющую повышенные фильтрационные характеристики, которая, вместе со щелью вдоль контурных скважин, является локальной дренажной системой для данного блока. Таким образом создаются более благоприятные условия для работы буровых станков и зарядки основной системы скважин, появляется возможность применения более дешевых неводоустойчивых ВВ, традиционно обеспечивается качество заоткоски высоких уступов.

Имеющийся опыт предварительного контурного взрывания с целью снижения обводненности буровзрывных блоков весьма индивидуален. Выбор расстояния между контурными скважинами и конструкции заряда в них в настоящее время имеет научное обоснование только в части заооткоски уступов, и отсутствует в отношении важного сопутствующего эффекта — осушения блоков. Это снижает эффективность данного способа по сравнению с фактическими возможностями и затрудняет его более широкое внедрение.

Из сказанного следует, что обоснование конструкции заряда и рациональных параметров предварительного контурного взрывания при разработке обводненных вскрышных пород угольных разрезов, позволяющая повысить эффективность буровзрывных работ, имеет важное научное и практическое значение для угольной промышленности.

Целью работы является повышение эффективности взрывной подготовки горной массы при разработке обводненных вскрышных пород путем обоснованного выбора параметров предварительного контурного взрывания, обеспечивающих снижение обводненности блока одновременно с заоткоской высоких уступов.

Объектом исследования являются высокие обводненные буровзрывные блоки, при взрывной подготовке которых применяется предварительное контурное взрывание.

Предметом исследования являются технико-экономические показатели буровзрывных работ в зависимости от обводненности взрываемого блока, крепости вскрышных пород с учетом параметров зарядов в контурных скважинах.

Идея работы заключается в использовании способа предварительного контурного взрывания с донными зарядами в скважинах для снижения обводненности блоков с учетом параметров и горнотехнических условий его применения.

Задачи исследования.

1. Обосновать параметры и конструкцию скважинных зарядов контурного ряда, обеспечивающих снижение обводненности блока за счет образования зоны с повышенными фильтрационными характеристиками по внутренней части нижнего его периметра на уровне донных зарядов.

2. Исследовать влияние коэффициента обводненности взрывных блоков на технико-экономические показатели процесса подготовки вскрышных пород к выемке в части производительности буровых установок, расхода бурового инструмента, расхода водоустойчивых и неводоустойчивых ВВ при использовании предварительного контурного взрывания, как средства снижения обводненности.

3. Обосновать условия применения предварительного контурного взрывания с донным зарядом в скважинах, в которых обеспечивается повышение эффективности взрывной подготовки горной массы при разработке обводненных вскрышных пород угольных разрезов.

Методы исследования. Статистическая обработка производственных данных и результатов хронометражных наблюдений, математическое моделирование технико-экономических показателей буровзрывных работ, опытно-промышленные эксперименты.

Научные положения.

1. Расстояние между скважинами контурного ряда, обеспечивающее создание зоны повышенной фильтрации по нижнему периметру взрываемого блока, асимптотически увеличивается по мере увеличения высоты колонки донного заряда, поэтому ее не целесообразно принимать более (10 -^12)<iCKB.

2. Использование предварительного контурного взрывания с донными зарядами в скважинах для снижения обводненности взрывных блоков оказывает разнонаправленное влияние на затраты, связанные с бурением и взрыванием. Снижение затрат за счет использования дешевых неводоустойчивых ВВ всегда компенсирует увеличение затрат на бурение.

3. Значения коэффициента обводненности взрываемого блока и крепости взрываемых пород являются достаточной информацией для принятия решения о целесообразности предварительного контурного взрывания с донными зарядами в скважинах для снижения обводненности. Граничный коэффициент обводненности, выше которого обеспечивается технико-экономическая эффективность данного метода, составляет для легковзрываемьтх пород к0$в =0,09 — 0,12, для пород средней взрываемости - k0QB = 0,29 — 0,31, для трудновзрываемых пород

Аобв =0,49-0,51.