Повышение эффективности скважинной отбойки на карьерах при использовании смесевых ВВ местного изготовления и систем неэлектрического инициирования зарядов

Листопад, Геннадий Геннадьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Повышение эффективности скважинной отбойки на карьерах при использовании смесевых ВВ местного изготовления и систем неэлектрического инициирования зарядов
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности скважинной отбойки на карьерах при использовании смесевых ВВ местного изготовления и систем неэлектрического инициирования зарядов"

На правах руко. Листопад Геннадий Геннадьевич //

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СКВАЖИННОЙ ОТБОЙКИ НА КАРЬЕРАХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СМЕСЕВЫХ ВВ МЕСТНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СИСТЕМ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ ЗАРЯДОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Апатиты 2006

Работа выполнена в Горном институте Кольского научного центра Российской Академии наук

Научный руководитель доктор технических наук

Козырев Сергей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Епимахов Юрий Александрович

кандидат технических наук, доцент Ковалевский Владимир Николаевич

Ведущее предприятие: ЗАО "Взрывиспытания".

Защита диссертации состоится шОУ 2006 г. в 14 час 30 мин. на

заседании диссертационного совета Д002.029.01 при Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук по адресу: 184209, г.Апатиты, Мурманской обл., ул. Ферсмана, д.24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института КНЦ РАН.

Автореферат разослан ' сентября 2006г.

а, к.т.н. ^^

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. О.Е.Чуркин

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Несмотря на определенные успехи в решении основных научно-технических проблем разрушения горных пород взрывом, на большинстве горнорудных предприятий, в том числе на карьерах ОАО "Апатит", постоянно возникают вопросы, связанные с повышением эффективности ведения взрывных работ.

Характерной особенностью Хибинских месторождений является изменчивость физико-механических свойств пород, как по площади карьерного поля, так и в объеме подготавливаемых к взрыву блоков. С понижением горных работ стали преобладать крупноблочные и весьма крупноблочные породы. Существующая практика использования на рудниках стандартных параметров буровзрывных работ не обеспечивает необходимой степени дробления горных пород. При этом значительно возрос выход негабарита при взрывании крупноблочных пород.

Особенно это стало актуальным при переходе на ВВ собственного изготовления и применении систем неэлектрического инициирования зарядов. Применение различных типов ВВ обуславливает необходимость установления рациональных параметров буровзрывных работ для пород с различной трещиноватостью и определенными физико-механическими свойствами с учетом их реальных энергетических характеристик, а использование систем неэлектрического инициирования зарядов, обоснования схем монтажа взрывной сети при согласовании интервалов замедления поверхностных и скважинных замедлителей.

Поэтому повышение эффективности скважинной отбойки можно достичь только при правильном выборе типа взрывчатого вещества, параметров БВР, схем взрывания и др. и при оперативном управлении этими параметрами по мере изменения свойств пород.

Цель работы. Повышение эффективности и безопасности взрывной отбойки за счет интенсификации дробления горных пород на основе выявления рациональных условий применения ВВ местного изготовления и использования систем неэлектрического инициирования.

Идея работы заключается в использовании экспериментально установленных энергетических характеристик смесевых ВВ местного изготовления, закономерностей разрушения апатит-нефелиновых руд с различным содержанием апатита и параметров систем неэлектрического инициирования для обоснования параметров буровзрывных работ применительно к глубоким горизонтам карьеров Хибинских месторождений.

Задачи исследований:

1. Выявить факторы и особенности, влияющие на эффективность ведения буровзрывных работ для условий Хибинских апатитовых месторождений.

2. Исследовать взрывчатые характеристики применяемых смесевых ВВ и установить взаимосвязь детонационных характеристик со степенью реализации потенциальной энергии.

3. Исследовать особенности разрушения апатит-нефелиновых руд взрывом, выбрать методы расчета и обосновать рациональные параметры буровзрывных работ.

4. Определить оптимальные условия применения смесевых ВВ местного производства на апатитовых карьерах.

5. Оценить реальные времена срабатывания поверхностных и скважинных замедлителей систем неэлектрического инициирования и определить рациональные интервалы замедлений.

Методы исследования. При выполнении данной работы использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта ведения взрывных работ на карьерах; лабораторные методы исследования процессов разрушения апатитовых руд и пород при взрыве; полигонные и натурные эксперименты по оценке детонационных характеристик смесевых ВВ и времени срабатывания средств взрывания; инструментальные наблюдения за сейсмическим действием карьерных взрывов; применение методов математической статистики с обработкой экспериментальных данных на ПЭВМ; промышленные испытания разработанных способов взрывания.

Защищаемые научные положения.

1. Степень реализации потенциальной энергии в зоне реакции детонационной волны промышленных ВВ, представляющих собой механические смеси тротила, аммиачной селитры и жидкого горючего, зависит от компонентного состава, применяемого диаметра заряда и может быть определена по экспериментальным значениям скорости детонации.

2. Учет особенностей разрушения апатит-нефелиновых руд взрывом и реальных взрывчатых характеристик применяемых ВВ позволяет обосновать оптимальные условия их применения и достичь повышения качества взрывоподготовки горной массы.

3. Повышение эффективности и безопасности скважинной отбойки при использовании систем неэлектрического инициирования обеспечивается путем согласования интервалов замедления поверхностных и скважинных замедлителей с учетом их фактического времени срабатывания.

Достоверность научных положений подтверждается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации,

удовлетворительной сходимостью лабораторных и полигонных экспериментов с данными промышленных испытаний, корректным выбором методов измерений, использованием современной измерительной аппаратуры с минимальной погрешностью и широким использованием результатов исследований в горной промышленности.

Основные научные результаты.

вытекающего из теории детонации и экспериментальных значений скорости детонации, выявлено, что в скважинах диаметром 100 мм выделяется 40-50% от полной энергии смесей ТНТ-АС-ДТ. При взрыве в скважинах 250 мм скорость детонации выходит на стационарный уровень, а реализация потенциальной энергии достигает 65%.

2. Установлено, что размер зоны разрушения руд и пород Хибинских месторождений при одинаковых динамических воздействиях определяется их физико-механическими свойствами и зависит от содержания в них апатита. Выявлено, что в крепких породах (стсж>120-140 МПа) относительные размеры зоны трещин практически постоянны, а в более слабых (асж<120 МПа) размеры зоны трещин в 1,2-1,5 раза меньше, чем в крепких.

3. Установлено, что сопротивляемость горных пород разрушению в зоне развития радиальных трещин при интенсивных динамических нагрузках можно определить через коэффициент динамичности, который зависит в основном от упругих свойств массива и является функцией от модуля Юнга. По результатам разрушения образцов горных пород эта зависимость имеет следующий вид

4. Разработаны новые составы смесевых ВВ (ТНТ-АС-ДТ) — граммониты-АП (Патент РФ 2197454), которые позволяют в широком диапазоне изменять энергетические характеристики ВВ.

5. Обоснованы оптимальные параметры буровзрывных работ для смесевых ВВ (ТНТ-АС-ДТ) с учетом их реальных энергетических характеристик и определены условия рационального применения смесевых ВВ местного изготовления в зависимости от блочности, категории взрываемости массива и требуемого качества дробления.

6. Установлено совместное влияние поверхностных и скважинных замедлителей систем неэлектрического инициирования на эффективность разрушения горных пород взрывом.

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении исходной информации; установлении пространственной изменчивости физико-

механических свойств и структуры в границах взрываемых блоков на карьерах Хибинских месторождений и их влияния на эффективность ведения буровзрывных работ; экспериментальном определении детонационных и энергетических характеристик применяемых ВВ; дифференциации отрабатываемых карьеров по блочности и взрываемости; разработке методики определения рациональной области применения ВВ местного изготовления на основе учета реальных энергетических характеристик применяемых ВВ и механизма разрушения апатит-нефелиновых руд.

Практическая значимость работы:

1. Обоснованы оптимальные параметры буровзрывных работ для смесевых ВВ (ТНТ-АС-ДТ) с учетом их реальных энергетических характеристик и определены условия их применения в зависимости от блочности, категории взрываемости массива и требуемого качества дробления.

2. Обоснованы оптимальные интервалы замедлений при комбинированных схемах монтажа взрывной сети (поверхностные ДШ, скважинные НСИ).

3. Разработаны технические условия (ТУ 7276-066-00203938-2000) и технология приготовления граммонитов-АП на Центральном руднике ОАО "Апатит".

• 4. Разработаны технологические процессы ведения взрывных работ с использованием новых промышленных взрывчатых веществ, изготавливаемых на местах применения и современных средств инициирования, позволившие повысить технико-экономическую эффективность и безопасность работ.

Реализация работы. Научные результаты и разработанные автором рекомендации реализованы на Центральном и Восточном рудниках ОАО "Апатит". Суммарный экономический эффект, достигнутый за счет оптимизации параметров БВР, составил более 30 млн. рублей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических советах ОАО "Апатит", на научных семинарах Горного института КНЦ РАН, международных конференциях "Физические проблемы разрушения горных пород", - Москва (ИПКОН) 1999, С-Петербург (СГГГГУ) 2000г., Хакасия - 2002 г., Всероссийской конференции "О состоянии взрывного дела в РФ", Москва - 2002 г., Всероссийском семинаре-совещании "Состояние и перспективы разработок, производства новых промышленных ВМ и технологий" - г. Кировск, 1999 г., "Неделя горняка" -г. Москва, 1999-2002 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ и получен патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения, списка литературы из 74 наименований и содержит 116 страниц машинописного текста, 27 рисунков и 18 таблиц.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.т.н. С.А.Козыреву, а также сотрудникам Горного института д.т.н. Д.С.Подозерскому, к.т.н. С.А.Едигареву, к.т.н. Е.А.Власовой, А.В.Соколову за участие и помощь в проведении исследований, а также работникам ОАО "Апатит", способствовавшим реализации результатов исследований. Особую благодарность автор приносит академику Н.Н.Мельникову, докт.техн.наук А.А.Козыреву, к.т.н. А.В.Григорьеву за внимание, советы и консультации, которые способствовали написанию и завершению диссертации

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ__

Взрывное разрушение пород явление чрезвычайно сложное. Большой вклад в развитие теории и практики управления процессами взрывного нагружения и разрушения горных пород внесли В.В.Адушкин, Е.Г.Баранов, Л.И.Барон, В.Л.Белин, В.А.Боровиков, Д.М.Бронников, С.Д.Викторов, Ю.В.Демидов, Г.П.Демидюк, М.Ф.Друкованный, Э.И.Ефремов, Н.Н.Казаков, С.А.Козырев, В.М.Комир, Б.Н.Кутузов, С.В.Лукичев, Н.В.Мельников, М.Г.Менжулин, В.Н.Мосинец, В.А.Падуков, Г.П.Парамонов, Д.С.Подозерский, Б.Р.Ракишев, В.В.Ржевский, В.Н.Родионов, М.А.Садовский, Е.И.Шемякин, А.Н.Ханукаев и многие другие.

При дроблении, в силу технологических требований к кусковатости горной массы и экономических причин, на первый план выступают задачи, связанные с повышением КПД взрыва и, в первую очередь, со снижением затрат энергии взрыва на диссипативные потери в области необратимых деформаций. Решение этих задач связано с соблюдением соответствия взрывчатых характеристик заряда прочностным свойствам массива, а также регулированием степени нагружения массива за счет подбора в каждом конкретном случае наиболее дешевых ВВ с соответствующими взрывчатыми характеристиками. В настоящее время существуют различные подходы к описанию процессов взрывного разрушения и установлению связи между характеристиками заряда и результатами действия взрыва. '

Известно, что на энергетические характеристики ВВ существенное влияние оказывает степень завершенности химических реакций, которая для эмульсионных ВВ достигает 0,9-0,95, а для гранулированных и суспензионных 0,5-0,7. На степень завершенности химических реакций суспензионных и гранулированных ВВ оказывают влияние многие параметры и, в первую очередь, диаметр скважины, компонентный состав и качество приготовления ВВ на местах применения, что и определяет их энергетические характеристики.

В большинстве методик по расчету параметров БВР используют расчетные значения теплоты взрыва. Но как указано выше, из-за неполноты химических

реакций не обеспечивается полное выделение энергии. Потому расчетные значения параметров БВР не всегда обеспечивают необходимое качество дробления. И только после их корректировки в натурных условиях останавливаются на приемлемом варианте.

Комплексное решение вопросов по определению реальных взрывчатых характеристик ВВ, структуры и строения массива, выбору оптимальных параметров БВР, распределению энергии во взрываемом объеме при использовании систем неэлектрического инициирования позволит значительно улучшать технико-экономические показатели взрывной отбойки.

В работе защищаются следующие научные положения.

В последние годы в горнорудной промышленности в целях снижения в смесевых ВВ доли дорогостоящего тротила стали широко применять механические смеси аммиачной селитры, тротила и дизельного топлива при различном их процентном соотношении как заводского, так и местного изготовления. Расчетные энергетические характеристики этих смесей при содержании тротила от 5 до 20% находятся на уровне граммонита 79/21. Но как показала практика, эти смеси по взрывной эффективности значительно ниже граммонита 79/21, а скорость их детонации далека от идеальной.

В настоящее время разработано несколько методов, позволяющих с использованием брутто-формулы ВВ рассчитать состав продуктов взрыва, а по ним теплоту, объем газов и параметры детонации ВВ. Нами для сравнительной оценки энергетических и детонационных характеристик промышленных ВВ, представляющих собой стехиометрические смеси тротила (ТНТ), аммиачной селитры (АС) и жидкого горючего (ДТ - дизельное топливо), был использован хорошо апробированный эмпирический экспресс-метод, разработанный в ИПХФ РАН (А.Н.Афанасенков и др.). Согласно этому методу, при условии разложения ВВ по правилу Бринкли-Вильсона, теплота взрыва и объем газообразных продуктов взрыва определяются с использованием законов Гесса и Авогадро, а скорость детонации (Д,) рассчитывается по формуле (1), в предположении полного выделения потенциальной энергии ВВ в детонационной волне

где р - плотность ВВ, г/см3; ()взр - теплота взрыва, ккал/кг; V - объем газообразных продуктов взрыва, л/кг.

Результаты расчетов, полученные с использованием экспресс-метода, приведены в табл.1. В таблице приведены также расчетные характеристики граммонита 79/21 и смеси АС-ДТ.

Таблица 1.

Расчетные энергетические и детонационные характеристики различных типов ВВ

Состав ВВ, % Плотность,* г/см3 Теплота взрыва, ккал/кг Объем газов, л/кг Расчетная скорость детонации, м/с

ТНТ-21; АС-79 0,92 1031 893,4 5493,8

ТНТ-20; АС-79,67; 0,82 1032 897,2 5190,4

ТНТ-15; АС-83,38; 0,82 1007 916,6 5186,4

ТНТ- 10; АС-87,1; 0,82 981,6 935,7 5180,1

ТНТ-5; АС-90,81; ДТ- 0,81 955,7 955,1 5141,4

АС-94,5; ДТ-5,5 0,8 930,3 974,2 5101,7

* экспериментальные значения

Анализ приведенных данных показывает, что энергетические и детонационные характеристики смесей аммиачной селитры, тротила и дизельного топлива практически не отличаются друг от друга, а их

соотношение ориентировочно можно определить по зависимости Q = 36,4£>2 № - теплота взрыва, ккал/кг; £> - скорость детонации, км/с). Но из-за неполноты взрывчатого превращения полного энерговыделения в детонационной волне не происходит. Это особенно существенно для смесевых ВВ, у которых значительная часть тепловыделения падает на вторичные реакции, происходящие в газовой фазе. Такие тепловые потери А.Ф.Беляев назвал химическими потерями, под которыми понимают потери связанные не только с незавершенностью химических реакций, но и возникающие вследствие радиального разброса непрореагировавшего вещества при взрыве. Толщина слоя разброса зависит от детонационной способности ВВ, характеризуемой критическим диаметром или глубиной зоны реакции.

Приведенные Л.В.Дубновым и др. экспериментальные данные о теплоте взрыва индивидуальных и промышленных ВВ, полученные при калориметрических измерениях, свидетельствуют о существенном их несоответствии расчетным и, тем

более, максимально возможной теплоте взрыва. При этом за счет химических потерь теплота взрыва составляет 0,85-0,90 от потенциальной энергии ВВ.

Кроме названных факторов на энерговыделение при детонации промышленных ВВ существенное влияние оказывает компонентный состав смеси, дисперсный состав компонентов, равномерность и качество их перемешивания, наличие воды, диаметр заряда, плотность заряжания и др. Учесть все эти факторы в расчетных методах определения теплоты взрыва не представляется возможным. Кроме того, существующие на горнорудных предприятиях способы и средства приготовления смесевых ВВ не позволяют достичь равномерного распределения компонентов. Поэтому только экспериментальные методы в конкретных условиях могут дать представление о теплоте взрыва, максимально приближенной к реальным значениям.

Для выявления объективных детонационных и энергетических характеристик ВВ были проведены их испытания в полигонных и натурных условиях. В первой серии экспериментов были выбраны составы с содержанием гранулированного тротила крупностью 2-5 мм от 5 до 20%, а во второй с крупностью тротила 1-2 мм при том же процентном соотношении. В качестве окислителя использовалась пористая аммиачная селитра ОАО "Акрон" со средним размером гранул 1,78 мм. Скорость детонации измерялась на двух базах, расположенных на удалении не менее десяти диаметров заряда от плоскости инициирования. Длина зарядов изменялась от 15 до 24 диаметров заряда. В экспериментах использовались стальные трубы внутренним диаметром 100 мм. Данные о скорости детонации смесей в зависимости от содержания тротила представлены на рис. 1. Видно, что при уменьшении содержания тротила с 15 до 5% в обоих случаях наблюдается снижение скорости детонации ВВ, причем скорости детонации значительно меньше расчетных.

тротил крупностью 2-5 мм тротил крупностью 1 -2 мм

J 3000 -

♦ ст. труба 100 мм

5 10 15

Содержание тротмпа, %

.о 4500

S § 4000

го

1 3500

■=t

{ 3000

О. О

б 2500

9/21

ст. труба 100 мм ■ скважина 250 мм

Содержание тротила,

■ -граммонит 79/21 Рис.1. Скорость детонации смесей ТНТ-АС-ДТ

Из экспериментальных данных следует, что тротил является основным компонентом, определяющим скорость детонации смесей ТНТ-АС-ДТ. Наиболее высокая скорость детонации характерна для граммонита 79/21, изготовленного с использование чешуек тротила. При уменьшении крупности тротила до 1-2 мм происходит заметное повышение скорости детонации. Особенно это характерно для смесей, содержащих 15-20% тротила.

Известно, что в смесевых ВВ соотношение размеров частиц зависит от соотношения массовых долей компонентов. Если горючего в смеси содержится меньше, чем окислителя, то и размер его частиц должен быть меньше. Уменьшение диаметра гранул окислителя при наличии крупных частиц горючего не повышает детонационную способность. Поэтому для граммонита 79/21, изготовленного с использование чешуек тротила, размеры которых значительно меньше гранул селитры имеет место более равномерное его распределение по заряду ВВ по сравнению с гранулированным тротилом, используемым в смесях ТНТ-АС-ДТ, что облегчает процессы диффузионного перемешивания продуктов разложения и приводит к более полному выделению энергии в зоне реакции детонационной волны и соответственно повышению скорости детонации.

Проведенные полигонные эксперименты показали, что наибольшей детонационной способностью обладают смеси ТНТ-АС-ДТ содержащие 15 и 20% тротила, поэтому эти составы были выбраны для натурных экспериментов. Скорость детонации смесей в натурных условиях измерялась в скважинах диаметром 250 мм. Заряды готовились с нормальным количеством дизельного топлива, при котором кислородный баланс ВВ был равен нулю.

В результате замеров скорости детонации смесей ТНТ-АС-ДТ в зарядах диаметром 250 мм установлено, что скорости детонации смесей, содержащих 15 и 20% тротила крупностью 2-5 мм, практически одинаковы и соответственно равны 4085 и 4090 м/с.

Согласно данным К.К.Шведова скорость детонации граммонита 79/21 на чешуйчатом тротиле в зарядах 250 мм равна 4150 м/с. Отсюда следует, что даже в зарядах большого диаметра скорость детонации смесей ТНТ-АС-ДТ, при диаметре гранул тротила больше диаметра гранул окислителя, меньше, чем для граммонита 79/21 на чешуйчатом тротиле. Использование в смесях тротила крупностью 1-2 мм приводит к повышению скорости детонации до уровня граммонита 79/21.

Количественные данные по реализации потенциальной энергии ВВ во фронте детонационной волны были получены с использованием соотношения вытекающего из теории детонации, экспериментальных значений скорости детонации и в предположении о том, что, идеальной скорости детонации соответствует 100% реализация потенциальной энергии ВВ.

Впервые такой подход к определению полноты разложения смесевых промышленных ВВ был использован К.К.Шведовым. Результаты расчетов представлены в табл.2, из которой следует, что в скважинах диаметром 100 мм выделяется 40-50% от полной энергии смесей ТНТ-АС-ДТ. При взрыве в скважинах 250 мм скорость детонации выходит на стационарный уровень, а реализация потенциальной энергии достигает 61 %.

Таблица 2.

Степень реализации потенциальной энергии смесей ТНТ-АС-ДТ в зависимости от компонентного состава и диаметра заряда

Состав ВВ, % Степень реализации потенциальной энергии ВВ, %

диаметр заряда 100 мм

тротил крупностью 2-5 мм тротил крупностью 1 -2 мм

ТНТ-5; АС-90,81 (пор.); ДТ-4,19 41 41

ТНТ-10; АС-87,1 (пор.); ДТ-2,9 45 50

ТНТ-15; АС-83,38 (пор.); ДТ-1,62 49 51

ТНТ-20; АС-79,67 (пор.); ДТ-0,33 47 52

ТНТ-21(чеш.); АС-79 (фан.) 52

диаметр заряда 250 мм

ТНТ-15; АС-83,38(пор.); ДТ-1,62 60.5

ТНТ-20; АС-79,67 (пор.); ДТ-0,33 61

граммонит 10-АП 56

граммонит 15-АП 64

Анализ экспериментальных данных и результатов промышленных взрывов показал, что для необводненных скважин наиболее эффективными являются граммонит 79/21 заводского изготовления. Для замены граммонита 79/21 заводского изготовления с учетом выявленных закономерностей были разработаны граммониты-АП (ТУ 7276-066-00203938-2000) и технология их приготовления на Центральном руднике ОАО "Апатит" (Патент РФ 2197454).

Компонентный состав граммонитов-АП приведен в табл.3. В данных составах предусмотрено применение тротила с размером гранул 1-2 мм и различных типов селитр — гранулированной, пористой и марки МП.

В целях повышения удерживающей способности аммиачной селитры и перераспределения жидкого горючего между тротилом и аммиачной селитрой в сторону последней в состав вводится поверхностно-активное вещество.

Таблица 3.

Компонентный состав граммонитов-АП

Наименование компонента Норма для марки, %

10АП 15АП

Селитра аммиачная 87,1+5,0 83,3+5,0

Тротил 10,0+2,0 15,0+3,0

Нефтепродукт 2,9+0,9 1,7+0,9

ПАВ (сверх 100%) 0,001-:-0,01 0,001-:-0,01

Проведенные в натурных условиях эксперименты по измерению скорости детонации этих смесей в зарядах диаметром 250 мм показали, что о™ сопоставимы со скоростью детонации граммонита 79/21 заводского изготовления и составляют для граммонита-10АП - 3900 м/с и 15АП - 4190 м/с. При этом степень реализации потенциальной энергии смесей составляет 56% и 64% соответственно, что значительно выше, чем на некалиброванном тротиле.

Таким образом, использование реальных энергетических характеристик смесей ТНТ-АС-ДТ позволит подобрать оптимальные параметры буровзрывных работ для данных горно-геологических условий.

2. Учет особенностей разрушения апатит-нефелиновых руд взрывом и реальных взрывчатых характеристик применяемых ВВ позволяет обосновать наиболее оптимальные условия их применения и достичь повышения качества взрывоподготовки горной массы.

Эффективность взрывных работ во многом определяется правильным выбором типа ВВ, параметров БВР, схем взрывания для пород с различной трещиноватостью и определенными физико-механическими свойствами. Недостаточная изученность состава и строения массива горных пород, непредставительность получаемой геолого-маркшейдерской информации создают условия для возникновения несоответствия между данными, используемыми при проектировании, и реальными условиями разработки месторождений полезных ископаемых, что осложняет и выбор соответствующих типов ВВ для конкретных условий взрывания.

Для этих целей на основе геологической информации и данных о результатах массовых взрывов более детально исследована трещинная тектоника Центрального и Восточного рудников ОАО "Апатит".

при среднем расстоянии между трещинами 1,0-1,5м) и практически монолитные (относительно крупноблочные) с расстоянием между трещинами от 2,5 до 5,0 м, что приводит к образованию блоков размером 3,0x4,0x3,0 м.

Руды и породы Восточного рудника относятся к II-V категориям по взрываемости. Расстояние между трещинами каждой системы колеблется в пределах 10-15 см до 1-2 и более метров. Крупноблочные и исключительно крупноблочные породы являются весьма трудновзрываемыми. Выявлено, что взрывные уступы представляют собой двух-трехслойную среду с верхним слоем мощностью от 3 до 7м, в котором от воздействия предыдущих взрывов значительно увеличилась степень раскрытия естественных трещин практически без дробления блоков, слагающих массив, на более мелкие. Такое положение дел существенно сказалось на качестве дробления. При этом при переходе на нижние горизонты и принятых параметрах отбойки выход негабаритов из верхней части уступов и первого ряда скважин увеличился в 2-3 раза по сравнению с верхними горизонтами. Ухудшение показателей отбойки при взрывании крупноблочных пород вызвано в основном несоответствием условий взрывания типу ВВ и применением стандартных параметров БВР, которые определялись в основном по удельному расходу ВВ применительно к граммониту 79/21 при расчетных показателях теплоты взрыва.

Применение различных типов ВВ обуславливает необходимость установления рациональных параметров буровзрывных работ. Отличительной особенностью апатитовых месторождений является то, что взрываемые блоки, как правило, состоят из различных типов руд и пород при различном процентном содержании апатита. Анализ показателей отбойки на рудниках показал, что для достижения одинаковых результатов взрыва в рудах богатой зоны по сравнению с взрывами в рудах бедной зоны необходимо увеличить удельный расход ВВ на отбойку почти на 20%.

Для выявления особенностей разрушения руд и пород с различным содержанием апатита в лабораторных условиях были выполнены модельные взрывы в образцах, которые показали, что разрушение образцов с малым содержанием апатита (рисчорриты, уртиты) происходит в основном на четыре части (рис.2а), в образцах линзовидно-полосчатых и пятнисто-полосчатых руд с содержанием апатита <30% развитие трещин происходит в основном по контактам с менее прочной рудой (рис.26), а в образцах с большим содержанием апатита (>30%) в ближней зоне от заряда разрушение происходит до размера зерна апатита (рис.2в), а на периферии по направлению полосчатости и контактам с менее прочной рудой. При содержании апатита >60% (рис.2г) разрушение образца происходит до уровня зерна апатита. В этой же серии экспериментов на поверхности образцов с помощью пьезокерамических датчиков измерялись параметры волн напряжений от взрыва микрозарядов ВВ. При этом выявлено закономерное снижение амплитуды волны напряжений с увеличением содержания апатита (рис.3), что говорит о значительных затратах энергии взрыва на переизмельчение руды в ближней зоне.

Рис.2. Характер разрушения образцов сразличньш содержанием апатита

1-уртиты, 2- линзовидно-полосчатые и пятнисто-полосчатые руды с содержанием апатита <30%, 3 - линзовидно-полосчатые и пятнисто-полосчатые руды с содержанием апатита > 30%, 4 - при содержании апатита >60%.

Оценка зон разрушения при взрыве заряда ВВ в скважинах диаметром 105 мм в условиях камуфлета показала, что в богатых рудах (осж<120 МПа) размер зоны разрушения руд в 1,2-1,5 раза меньше, чем в крепких (осж >120-140 МПа). Таким образом, можно предположить, что породы с пределом прочности на одноосное сжатие <120-140 МПа (с большим содержанием апатита) в области больших давлений разрушаются преимущественно под действием касательных напряжений, образуя трещины сдвига, а прочностью >140 МПа разрушаются в основном под действием разрывных напряжений. Т.е. руды богатой зоны, хотя и имеют значительно меньшие прочностные и упругие характеристики, чем руды бедной зоны, но по механизму разрушения их следует отнести к трудновзрываемым.

Установлено, что сопротивляемость рассматриваемых горных пород разрушению в зоне развития радиальных трещин при интенсивных динамических нагрузках можно определить через коэффициент динамичности, который зависит в основном от упругих свойств массива и является функцией от модуля Юнга. По результатам разрушения образцов горных пород эта

ту. __3 -0.745

зависимость имеет следующий вид —8*10 £.ю

Анализ известных зависимостей по расчету величины ЛНС, в которых используются стандартные показатели прочности (пределы прочности на сжатие и растяжение и др.) и энергетические характеристики взрыва, показал, что ни одна из них не дает удовлетворительной сходимости расчетных данных с практическими результатами взрывания в рудах богатой зоны. Параметры взрывной отбойки для таких типов пород определяются только по удельному расходу ВВ и результатам опытного взрывания, т.е. на основе эмпирических данных.

Разработанная в Горном институте КНЦ РАН методика расчета основных параметров БВР, в основу которой положена зонная схема действия взрыва, позволяет в некоторой степени устранить этот пробел. Отличительной особенностью данной методики является то, что она позволяет учитывать размер кондиционного куска, характерное расстояние между естественными, трещинами, реальную энергию взрыва через коэффициент химических потерь и все прочностные и упругие характеристики массива горных пород.

В представленной методике динамические пределы прочности на сжатие и растяжение приняты постоянными для всех типов горных пород

=1.5 <7^. и (У^ =2 <тсртаст). Использование в данной методике

конкретных значений коэффициента динамичности для предела прочности на отрыв, вычисленных по представленной зависимости, дает возможность более точно определить параметры буровзрывных работ для различных руд и пород.

По уточненной методике проведены расчеты величины ЛНС и определены параметры сетки скважин для условий Центрального и Восточного рудников ОАО "Апатит" в зависимости от типа применяемых ВВ и условий их применения» - ч

Применение откорректированных параметров БВР позволило значительно улучшить технико-экономические показатели работы рудников: уменьшить выход негабарита и увеличить производительность экскаваторов. Использование на карьерах разработанных ВВ - граммонитов-АП с различными энергетическими характеристиками позволило дифференцированно подходить к составлению паспортов БВР в зависимости от физико-механических свойств и структуры массива.

В последние годы на горных предприятиях значительно расширился ассортимент, как промышленных ВВ, так и средств взрывания. Применение неэлектрических систем инициирования (НСИ) является одним из основных направлений повышения безопасности и качества отбойки при проведении взрывных работ.

Учитывая объективные преимущества НСИ перед детонирующим шнуром горнорудные предприятия страны с середины 90-х годов прошлого века начали интенсивно осваивать новую технологию взрывных работ. К числу пионерных предприятий следует отнести ОАО "Апатит", которое с 1996 по 2000 год при непосредственном участии автора проводило испытания первоначально системы "1^опе1", а затем "Эдилин" и СИНВ. В результате испытаний отечественных НСИ были выявлены практически все их недостатки, в основном, связанные с качеством волноводной трубки и соединительных элементов, что позволило производителям доработать и улучшить их потребительские свойства и допустить данные изделия к промышленному применению, в том числе и для горячельющихся ВВ. Первые испытания классических схем монтажа поверхностной взрывной сети показали, что при одновременной подготовке к взрыванию 3-5 блоков в суровых климатических условиях из-за ошибок в монтаже происходили единичные и групповые отказы. В ряде случаев отказы происходили из-за повреждения магистральных волноводов осколками разлетающихся при взрыве частей соединительных блоков или поверхностных детонаторов, что потребовало применения дублирующей взрывной сети и повышения квалификации обслуживающего персонала. Но применение дублируюшей сети значительно усложняло ее монтаж и приводило к удорожанию взрывных работ.

Поэтому было предложено дифференцированно подходить к выбору схем монтажа. На участках с особыми условиями взрывания, где необходимо достичь минимального негативного воздействия на охраняемые объекты, рекомендовано применять НСИ как для скважинной, так и поверхностной сети с реализацией сложных схем, а на участках, где такие ограничения не существуют, рекомендовано применять комбинированную схему, в которой скважинная взрывная сеть выполняется с использованием НСИ, а поверхностная - традиционно с помощью ДШ.

Если на первом этапе внедрения отечественных систем неэлектрического инициирования основное внимание уделялось их усовершенствованию для безотказного взрывания, то на следующем этапе ставилось целью добиться интенсификации дробления. При отработанных параметрах сетки скважин для наиболее распространенных типов ВВ этого можно достичь только правильным выбором схем взрывания и интервалов замедления между рядами.

До последнего времени выбору рационального интервала замедления не уделялось должного внимания, что особенно актуально для комбинированных схем коммутации (НСИ + ДШ). Известно, что практически все средства инициирования с замедляющим составом имеют отклонения от установленного номинала, причем, чем больше интервал замедления, тем больше отклонение. Как правило, на практике интервалы замедлений скважинных детонаторов применяют в диапазоне от 450 до 550 мс, а поверхностных - от 20 до 40 мс (РП-Д). Это сделано с той целью, чтобы исключить подбои поверхностной сети. В тоже время, если не учитывать разброс времени срабатывания скважинных замедлителей и произвольно принимать интервалы замедлений элементов поверхностных сетей, то можно получить ситуацию, когда последующие ряды взорвутся раньше предыдущих или может произойти одновременный взрыв двух рядов, что приведет к значительному снижению интенсивности дробления и увеличению сейсмического воздействия массового взрыва, как это было подтверждено экспериментально.

В связи с этим на полигоне Кировского рудника ОАО "Апатит" были проведены сравнительные испытания на время срабатывания систем неэлектрического инициирования различных фирм - производителей. При этом особое внимание было уделено скважинным детонаторам отечественного производства СИНВ и для сравнения измерялись фактические времена замедлений систем Primadet и Nonel.

Измерения проводились методом разрыва проволочек с фиксированием времени срабатывания цифровым измерителем временных интервалов (ИВИАЦ-1М) и компьютеризированным комплексом BlastCap. Результаты измерений времен срабатывания скважинных и поверхностных замедлителей представлены в табл.-£

Таблица 4,

Результаты испытаний замедлителей

№ Марка Номина- Данные № Марка Номина- Данные

п/ льное измерений п/п льное измерений

п время срабатывания, мс мс время срабатыван ия, мс мс

СИНВ Пиротехнические реле

1. СИНВ-С 500 1. РП-Д-30 30

1 партия 583 - 543 1 партия 27-34

2 партия 465-551 2 партия 27-34

3 партия 568-582 2. РП-Д-60 60

4 партия 540-601 1 партия 59-68

2. СИНВ-С 450 442 - 490 2 партия 59-72

3. СИНВ-П 17 16-20 3. РП-Д-80 80

4. СИНВ-П 25 26-30 1 партия 76 - 100

5. СИНВ-П 42 41-45 2 партия 79-87

6. СИНВ-П 67 71-80

7. СИНВ-П 109 111-116

Копе! РШМАЭЕТ

1. 11475 475 496 - 498 1. МБ-20 500 511-516

2. ШОО 500 520 - 528 2. МБ-22 550 556-571

3. БЬ 109 112-114 3. ЕСТ Ь 109 103 -109

4. БЬ 67 67-69 4. Егтъ 67 62-64

5. БЬ 42 42-49 5. Е/Л' I. 42 37-41

6. БЬ 25 25-27 б. Егть 25 22-25

7. БЬ 17 15-17 7. ьгть 17 14-17

По результатам измерений следует отметить, что поверхностные замедлители всех рассматриваемых систем имеют примерно одинаковый интервал разброса и не выходят за допустимые пределы. Что касается скважинных замедлителей, то системы Рптас1е1 и Ыопе1 имеют значительно меньший разброс, чем СИНВ. Причем каждая партия СИНВ по времени срабатывания значительно отличается друг от друга. Так, если партии 1 и 3 имеют разброс в большую сторону, то партия 2 - и в меньшую и в большую стороны. При этом величина разброса в некоторых партиях почти в два раза превышает допустимые по техническим условиям. Из результатов измерений следует, что время замедления поверхностных систем должно быть не менее 60 мс.

С другой стороны, проведенные измерения показали, что практически ни в одной партии систем СИНВ не было одинаковых времен замедления детонаторов. Это говорит о том, что во взрываемом ряду скважины взрываются не одновременно, а независимо друг от друга. В результате не достигается взаимодействия зарядов, уменьшается подвижка массива, что при многорядном взрывании может привести к взрыву последующих рядов в условиях камуфлета и, как следствие, выбросу горной массы в основном в вертикальном направлении. В данном случае невозможно предсказать какая скважина в ряду взорвется первой. При этом в наихудших условиях будет находиться скважина, взрываемая первой в тыльной части блока. Все это несомненно сказывается на качестве дробления горной массы и приводит к увеличению выхода негабарита и не проработке тыльной части массива и, как следствие, к увеличению величины ЛСПП.

При первых испытаниях комбинированных систем инициирования использовались поверхностные замедлители с номиналом 20 и 40 мс, а скважинных 500 мс. При этом значительно возрос выход негабарита и увеличилось сейсмическое воздействие на законтурный массив.

На рис.4 приведена сейсмограмма колебаний поверхности вышележащего уступа от массового взрыва, который был разбит на 16 ступеней с интервалом замедления между ними в 20 мс.

У(тт\сек)

Рис.4. Сейсмограмма колебаний поверхности уступа по вертикальной компоненте от массового взрыва при интервале замедления между ступенями в 20 мс

Из сейсмограммы следует, что продолжительность взрыва составила 200 мс, в то время как исходя из выбранного интервала, она должна составить 320 мс. Кроме того, количество пиков на сейсмограмме не соответствует числу ступеней замедления, что говорит о сложном процессе взаимодействия сейсмических колебаний в процессе взрыва.

Применение в поверхностных сетях интервала замедления между рядами в 60 и более мс позволило получить более равномерное дробление. Проведенные эксперименты по оценке сейсмического действия показали, что в данном случае четко выделяются все ступени замедления. В одном из экспериментов при таких схемах монтажа взрывной сети с помощью сейсмической регистрации оценивалось время срабатывания скважинных детонаторов совместно с поверхностными замедлителями. Для этих целей в 50 м от взрываемого блока бурилась отдельная скважина, инициирование которой производилось двумя шашками ТГФ-850 с устройством СИНВ-С-500. Конструкция зарядов в скважинах основного блока была такой же. Поверхностная сеть была смонтирована с помощью ДШ и пиротехнических замедлителей РП-Д. Время замедления между отдельной скважиной и основным блоком было выбрано равным 120 мс (два последовательно соединенных РП-Д - 60), между рядами основного блока 60 мс. Первоначально взрывалась одиночная скважина, а затем основной блок. Время начала инициирования одиночной скважины бралось от начала инициирования волновода ДШ. Сейсмограмма колебаний массива при данном взрыве представлена на рис.5.

Восточный рудник KD1 Одиночная скважина Скважины основного блока

[Шш MiiiJj_

(1 0 2 0 4 Л 8 2 1 4

Рис.5. Акселерограмма колебаний массива при взрыве одиночной скважины и основного блока.

Начало инициирования одиночной скважины на рисунке привязано к началу координат. Из сейсмограммы видно, что взрыв одиночной скважины произошел через 518 мс после подачи инициирующего импульса, а взрыв врубовых скважин основного блока через 610 мс, .т.е интервал замедления

составил 92 мс вместо 120 мс. Это еще раз подтверждает, что управлять дробящим и сейсмическим действием является довольно сложной задачей. Дальнейшие испытания позволили обосновать оптимальные соотношения замедлений между скважинными и поверхностными детонаторами. В частности, при применении скважинных детонаторов с замедлением в 500 мс необходимо применять замедление между взрываемыми рядами для III категория пород по взрываемости от 40 до 60 мс, а для IV и V категорий — 60 -100 мс.

На сегодняшний день более 95% взрывов производится с использованием комбинированной схемы монтажа взрывной сети, что позволило значительно снизить количество отказов и значительно улучшить качество дробления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи интенсификации дробления горных пород на основе выявления условий рационального применения ВВ местного производства и использования систем неэлектрического инициирования, имеющей существенное значение для повышения эффективности и безопасности взрывной отбойки.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Экспериментально определены детонационные и энергетические характеристики ВВ местного изготовления и выявлены их характерные отклонения от идеальной работы взрыва.

2. С использованием соотношения Г? ~ Qslp, вытекающего из теории детонации и экспериментальных значений скорости детонации, выявлено, что в скважинах диаметром 100 мм выделяется 40-50% от полной энергии смесей ТНТ-АС-ДТ. При взрыве в скважинах 250 мм скорость детонации выходит на стационарный уровень, а реализация потенциальной энергии достигает 65%.

3. Для замены граммонита 79/21 заводского изготовления были разработаны граммониты-АП (ТУ 7276-066-00203938-2000) и технология их приготовления на Центральном руднике ОАО "Апатит" (Патент РФ 2197454), которые позволяют в широком диапазоне изменять энергетические характеристики ВВ.

4. Установлено, что размер зоны разрушения руд и пород Хибинских месторождений при одинаковых динамических воздействиях определяется их физико-механическими свойствами и зависит от содержания в них апатита. Выявлено, что в крепких породах (осж> 120-140 МПа) относительные размеры

зоны трещин практически постоянны, а в более слабых (осж<120 МП а) размеры зоны трещин в 1,2-1,5 раза меньше, чем в крепких.

5. Установлено, что сопротивляемость горных пород разрушению в зоне развития радиальных трещин при интенсивных динамических нагрузках можно определить через коэффициент динамичности, который зависит в основном от упругих свойств массива и является функцией от модуля Юнга. По результатам разрушения образцов горных пород эта зависимость имеет следующий вид

тг „ . „3 »-.—0.745

Кд=8*ЮЕю .

6. Обоснованы оптимальные параметры буровзрывных работ для смесевых ВВ (ТНТ-АС-ДТ) с учетом их реальных энергетических характеристик.

7. Определены условия рационального применения смесевых ВВ местного изготовления в зависимости от блочности, категории пород по взрываемости и требуемого качества дробления.

8. Экспериментально выявлены отклонения времен срабатывания поверхностных и скважинных детонаторов в системах неэлектрического инициирования зарубежного и отечественного производства от номинала, что позволило обосновать оптимальные их соотношения. В частности, при применении скважинных детонаторов с замедлением в 500 мс необходимо применять замедление между взрываемыми рядами для III категории пород по взрываемости от 40 до 60 мс, а для IV и V категорий -60-100 мс.

9. Использование на карьерах ОАО "Апатит" новых составов ВВ, откорректированных параметров БВР и систем неэлектрического инициирования с согласованными интервалами замедлений позволило значительно улучшить технико-экономические показатели работы рудников.

10. Экономический эффект от внедрения рекомендаций за период с 1996 по 2005 г. составил более 30 млн. рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Опыт применения утилизируемых ВВ на предприятиях ОАО "Апатит"/

A.С.Душин, В.М.Доильницын, В.М.Федотов, Г.Г.Листопад // Горный журнал. -1998. №4. С. 64-65.

2. Опыт применения водосодержащих ВВ с пониженным содержанием тротила / Д.С.Подозерский, С.А.Едигарев, Е.А.Власова, В.И.Почекутов,

B.С.Семочкин, Н.И.Гринберг, Ю.М.Шинкарюк, Г.Г.Листопад // Горный журнал. - 1999. №7. с. 96-97.

3. Совершенствование взрывных работ на рудниках /А.В.Григорьев,

B.С.Свинин, В.М.Доильницын, Г.Г.Листопад // Горный журнал. - 1999. №9.

C.29-33.

4. Опыт и перспективы применения неэлектрических средств инициирования на карьерах ОАО "Апатит"/ А.В.Григорьев, Г.Г.Листопад,

B.М.Доильницын, В.И.Попов, В.В.Андреев, А.Г.Гусев// Горный журнал. - 2001, №8. С.37-40.

5. Опыт применения промышленных ВВ и средств инициирования на рудниках ОАО "Апатит" / Г.Г.Листопад // О состоянии взрывного дела в Российской Федерации. Основные проблемы и пути юс решения: Сборник докладов Всероссийской конференции 28-30 мая 2002 г. Москва, 2002. С. 142147.

6. Пути и способы повышения эффективности разработки руд глубоких горизонтов открытым и открыто-подземным способами / С.П.Решетняк, Г.М.Еремин, Г.Г.Листопад // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2002.- №9.-С.131-136.

7. ОАО "Апатит" - шаг в будущее / С.Г.Федоров, В.С.Свинин, Г.ГЛистопад // Горный журнал. - 2002. №3. С.25-30.

8. Метод определения скорости детонации и газовой вредности промышленных взрывчатых веществ / Подозерский Д.С., Едигарев С.А., Власова Е.А., Соколов A.B., Белоглазов М.И., Шишаев В.А., Листопад Г.Г., Доильницын В.М. // Горный информационно-аналитический бюллетень.-2003,-№9.—С.63-66. .

■ 9. Взрывчатый состав, Патент РФ 2197454. - 2001. БИ 2003.

10. Влияние типа и свойств аммиачной селитры на взрывчатые характеристики сыпучих смесевых ВВ / В.Г.Додух, А.В.Старшинов, А.М.Черниловский, В.Х.Кантор, Ж.Жмьян, Г.Г.Листопад // Горный журнал. -2003. №4-5. С. 66-70.

11. Доильницин В.М., Листопад Г.Г., Ляшенко В.А. Испытания зарядов мягкого взрывания на рудниках ОАО "Апатит" // Горный журнал. — 2004. №9.

C.53-56.

12. Свинин B.C., Листопад Г.Г. Стратегическое планирование - основа технической политики ОАО "Апатит" // Горный журнал. — 2004. №9. С. 11-16.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Листопад, Геннадий Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Современное состояние теории и практики разрушения горного массива на карьерах.

1.2. Горно-геологические, горнотехнические особенности отработки Хибинских апатитовых месторождений открытым способом.

1.3. Применяемые взрывчатые вещества и технология ведения взрывных работ.

Выводы по главе I.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗРЫВЧАТЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СМЕСЕВЫХВВ.

2.1. Определение факторов, влияющих на детонационную способность механических смесей тротила, аммиачной селитры и дизельного топлива.

2.2. Расчет энергетических и детонационных параметров смесей ТНТ-АС-ДТ.

2.3. Определение скорости детонации и газовой вредности смесей ТНТ-АС-ДТ в полигонных и натурных условиях.

2.4. Разработка новых составов смесевых ВВ.

2.5. Определение относительного взрывного эффекта различных ВВ по коэффициенту передачи энергии взрыва в массив горных пород.

Выводы по главе II.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ВВ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

3.1. Выявление механизма разрушения апатит-нефелиновых руд и пород при взрыве скважинных зарядов.

3.2. Выбор методики расчета параметров буровзрывных работ.

3.3. Обоснование условий рационального применения смесевых

Выводы по главе 3.

4 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СКВАЖИННОЙ ОТБОЙКИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СИСТЕМ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ.

4.1. Анализ условий применения систем неэлектрического инициирования на Хибинских карьерах.

4.2. Определение фактического времени срабатывания систем неэлектрического инициирования в полигонных и натурных условиях

4.3. Обоснование рационального интервала замедления при комбинированных схемах монтажа взрывной сети.

Выводы по главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение эффективности скважинной отбойки на карьерах при использовании смесевых ВВ местного изготовления и систем неэлектрического инициирования зарядов"

Дальнейшее развитие горнодобывающей промышленности Хибин в условиях рыночной экономики будет происходить на базе подземного и открытого способов добычи с применением энергосберегающих технологий, а подготовка скальных горных пород к выемке с использованием энергии взрыва на обозримую перспективу останется единственным универсальным, высокопроизводительным и относительно безопасным методом.

Взрывное разрушение породы явление чрезвычайно сложное. Большой вклад в развитие теории и практики управления процессами взрывного нагружения и разрушения горных пород внесли В.В.Адушкин, Е.Г.Баранов, Л.И.Барон, В.Л.Белин, В.А.Боровиков, Д.М.Бронников, С.Д.Викторов, Ю.В.Демидов, Г.П.Демидюк, М.Ф.Друкованный, Э.И. Ефремов, Н.Н.Казаков, С.А.Козырев, В.М.Комир, Б.Н.Кутузов,

С.В.Лукичев, Н.В.Мельников, М.Г.Менжулин, В.Н.Мосинец, В.А.Падуков, Г.П.Парамонов, Д.С.Подозерский, Б.Р.Ракишев, В.В.Ржевский, В.Н. Родионов, М.А.Садовский, Е.И.Шемякин, А.Н.Ханукаев и многие другие.

К настоящему времени наибольшее распространение на открытых и подземных горных работах получили смесевые гранулированные взрывчатые вещества, отвечающие требованиям горной технологии и механизации процессов их изготовления и заряжания. Все шире применяются водосодержащие и эмульсионные взрывчатые вещества, отличающиеся экономичностью и высокими энергетическими показателями. Разрабатываются новые технологические схемы приготовления смесевых взрывчатых веществ в непосредственной близости от мест проведения взрыва и схемы комплексной механизации взрывных работ.

Характерной особенностью Хибинских месторождений является изменчивость физико-механических свойств пород, как по площади карьерного поля, так и в объеме подготавливаемых к взрыву блоков. С понижением горных работ стали преобладать крупноблочные и весьма крупноблочные породы. Существующая практика использования на рудниках одинаковых параметров буровзрывных работ приводит к различному качеству дробления руды. При этом значительно возрос выход негабарита при взрывании крупноблочных пород. Поэтому изыскание способов повышения интенсивности разрушения является актуальной научной задачей.

Довольно широкий ассортимент как заводских ВВ, так и приготавливаемых на местах применения требует решения вопроса выбора области рационального применения имеющихся на предприятии ВВ, так как основным условием достижения качественного дробления массива, горных пород взрывом является соответствие параметров взрывного нагружения физико-механическим свойствам и состоянию массива взрываемых пород. Поэтому повышение эффективности скважинной отбойки можно достичь только при правильном выборе типа взрывчатого вещества, параметров БВР, схем взрывания и др. для пород с различной трещиноватостью и определенными физико-механическими свойствами и при оперативном управлении этими параметрами по мере изменения свойств пород.

С середины 90 -х годов прошлого века горнорудные предприятия страны начали интенсивно осваивать новую технологию взрывных работ с использованием неэлектрических систем инициирования. Применение неэлектрических систем инициирования (НСИ) является одним из основных направлений повышения безопасности и качества отбойки при проведении взрывных работ. Если на первом этапе внедрения отечественных систем неэлектрического инициирования основное внимание уделялось их усовершенствованию для безотказного взрывания, то на следующем этапе ставилось целью добиться интенсификации дробления. При отработанных параметрах сетки скважин для наиболее распространенных типов ВВ этого можно достичь только правильным выбором схем взрывания, интервалов замедления между рядами и согласования интервалов замедления поверхностных и скважинных замедлителей с учетом их фактического времени срабатывания.

Комплексное решение этой проблемы позволит значительно повысить эффективность скважинной отбойки, обеспечить равномерность дробления, снизить негативные эффекты массовых взрывов и определить необходимый перечень ВВ для данного горнорудного предприятия.

Известно, что на энергетические характеристики ВВ существенное влияние оказывает степень завершенности химических реакций, которая для эмульсионных ВВ достигает 0.97, а для гранулированных и суспензионных 0.5-0.7. На степень завершенности химических реакций суспензионных и гранулированных ВВ оказывают влияние многие параметры и, в первую очередь, диаметр скважины, компонентный состав и качество приготовления ВВ на местах применения, что и определяет их энергетические характеристики.

В большинстве методик по расчету параметров БВР используют расчетные значения теплоты взрыва. Но как указано выше, из-за неполноты химических реакций не обеспечивается полное выделение энергии. Потому расчетные значения параметров БВР не всегда обеспечивают необходимое качество дробления. И только после их корректировки в натурных условиях, останавливаются на приемлемом варианте.

Задачи исследований

4. Определить оптимальные условия применения смесевых ВВ местного производства на апатитовых карьерах.

5. Оценить реальные времена срабатывания поверхностных и скважинных замедлителей систем неэлектрического инициирования и определить рациональные интервалы замедлений

Защищаемые научные положения.

3. Повышение эффективности и безопасности скважинной отбойки при использовании систем неэлектрического инициирования обеспечивается путем согласования интервалов. замедления поверхностных и скважинных замедлителей с учетом их фактического времени срабатывания.

Достоверность научных положений подтверждается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации, удовлетворительной сходимостью лабораторных и полигонных экспериментов с данными промышленных испытаний, корректным выбором методов измерений, использованием современной измерительной аппаратуры с минимальной погрешностью и широким использованием результатов исследований в горной промышленности.

Основные научные результаты.

1. Экспериментально определены детонационные и энергетические характеристики ВВ местного изготовления и выявлены их характерные отклонения от идеальной работы взрыва. С использованием соотношения Э ~ СЬф, вытекающего из теории детонации и экспериментальных значений скорости детонации, выявлено, что в скважинах диаметром 100 мм выделяется 40 - 50 % от полной энергии смесей ТНТ-АС-ДТ. При взрыве в скважинах 250 мм скорость детонации выходит на стационарный уровень, а реализация потенциальной энергии достигает 65%.

2. Установлено, что размер зоны разрушения руд и пород Хибинских месторождений при одинаковых динамических воздействиях определяется их физико-механическими свойствами и зависит от содержания в них апатита. Выявлено, что в крепких породах (асж>120-140 МПа) относительные размеры зоны трещин практически постоянны, а в более слабых (ссж<120 МПа) размеры зоны трещин в 1,2-1,5 раза меньше, чем в крепких.

4. Разработаны новые составы смесевых, ВВ (ТНТ-АС-ДТ) -граммониты АП (Патент РФ 2197454), которые позволяют в широком диапазоне изменять энергетические характеристики ВВ.

6. Установлено совместное влияние поверхностных и скважинных замедлителей систем инициирования на эффективность разрушения горных пород взрывом.

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении исходной информации; установлении пространственной изменчивости физико-механических свойств и структуры в границах взрываемых блоков на карьерах Хибинских ■ месторождений и их влияния на эффективность ведения буровзрывных работ; экспериментальном . определении детонационных и энергетических характеристик применяемых ВВ; дифференциации отрабатываемых карьеров по блочности и взрываемости; разработке методики определения рациональной области применения ВВ местного изготовления на основе учета реальных энергетических характеристик применяемых ВВ и механизма разрушения апатит-нефелиновых руд.

Практическая значимость работы.

3. Разработаны технические условия (ТУ 7276-066-00203938-2000) и технология приготовления граммонитов АП на Центральном руднике ОАО «Апатит».

4. Разработана технологические процессы ведения взрывных работ с использованием новых промышленных взрывчатых веществ, изготавливаемых на местах применения и современных средств инициирования, позволившие повысить технико-экономическую эффективность и безопасность работ.

Реализация работы. Научные результаты и разработанные автором рекомендации реализованы на Центральном и Восточном рудниках АОА «Апатит». Суммарный экономический эффект, достигнутый за счет оптимизации параметров БВР, составил более 30 млн. рублей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических советах ОАО. «Апатит», на научных семинарах Горного института КНЦ РАН, международных конференциях «Физические проблемы разрушения горных пород», - Москва (ИПКОН) 1999, С-Петербург (СПГГУ) 2000г., Хакасия - 2002 г., Всероссийской конференции «О состоянии взрывного дела в РФ», Москва -2002 г., Всероссийском семинаре-совещении «Состояние и перспективы разработок, производства новых промышленных ВМ и технологий» - г. Кировск, 1999 г., «Неделя горняка» - г. Москва, 1999-2002 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ и получен патент РФ.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Листопад, Геннадий Геннадьевич

Выводы по главе 2

1. При уменьшении содержания тротила с 15 до 5% и замене его части на минеральное масло наблюдается интенсивное снижение скорости детонации ВВ.

2. В результате замеров скорости детонации смесей ТНТ-АС-ДТ в зарядах диаметром 250 мм установлено, что скорости детонации смесей, содержащих 15 и 20% тротила крупностью 2-5 мм значительно ниже, чем на чешуйчатом тротиле, а использование в смесях тротила крупностью 1-2 мм приводит к повышению скорости детонации до уровня граммонита 79/21.

3. По полученным экспериментальным данным о скорости детонации тротилосодержащих ВВ с использованием соотношения ()взр, вытекающего из теории детонации, получены количественные данные по реализации потенциальной энергии ВВ во фронте детонационной волны и показано, что фактическая работоспособность данных ВВ не соответствует расчетным энергетическим характеристикам. Это указывает на неполноту протекания реакций взрывчатого превращения, обусловленную неидеальностью детонации грубодисперсных смесевых ВВ. При этом в скважинах диаметром 100 мм выделяется 40 - 50 % от полной энергии смесей ТНТ-АС-ДТ. При взрыве в скважинах 250 мм скорость детонации выходит на стационарный уровень, а реализация потенциальной энергии достигает 61%.

4. С использованием сейсмического метода определен коэффициент передачи энергии взрыва в массив горных пород для различных типов ВВ. Показано, что наибольшее количество энергии в квазисплошном массиве передается от взрыва граммонита 79/21 и граммонита АП20 и по своей работоспособности они близки между собой. Граммониты АП15 и АП10 обладают более низкими энергетическими характеристиками по сравнению с граммонитом 79/21. Исходя из представленных экспериментальных данных можно константировать, что грамониты АП 10 целесообразно использовать в трещиноватых породах средней крепости, а грамониты АП 15 для отбойки крепких горных пород.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ВВ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

3.1. Выявление механизма разрушения апатит-нефелиновых руд и пород при взрыве скважинных зарядов

Эффективность взрывных работ во многом определяется правильным выбором типа ВВ, параметров БВР, схем взрывания для пород с различной трещиноватостью и определенными физико-механическими свойствами. Недостаточная изученность состава и строения массива горных пород, не представительность получаемой геолого-маркшейдерской информации создают условия для возникновения несоответствия между данными, используемыми при проектировании и реальными условиями разработки месторождений полезных ископаемых, что осложняет и выбор соответствующих типов ВВ для конкретных условий взрывания.

На нижних горизонтах Центрального рудника массив горных пород относится к IV и V категории по взрываемости и IV и V категориям по трещиноватости. Руды и породы малотрещиноватые (весьма крупноблочные при среднем расстоянии между трещинами 1.0-1.5м) и практически монолитные (относительно крупноблочные) с расстоянием между трещинами от 2.5 до 5.0 м, что приводит к образованию блоков размером 3.0x4.0x3.0 м.

Выявлено, что взрывные уступы на обоих рудниках представляют собой двух-трехслойную среду с верхним слоем мощностью от 3 до 7 м (рис. 3.1), в котором от воздействия предыдущих взрывов значительно увеличилась степень раскрытия естественных трещин практически без дробления блоков, слагающих массив, на более мелкие. Такое положение дел существенно сказалось на качестве дробления.

Рисунок 3.1. Характер разрушения верхней части уступов при производстве массовых взрывов

При этом при переходе на нижние горизонты и принятых параметрах отбойки выход негабаритов из верхней части уступов и первого ряда скважин увеличился в 2-3 раза по сравнению с верхними горизонтами (рис.3.2).

Рисунок 3.2. Результаты отбойки крупноблочных пород при существующей технологии отбойки.

Ухудшение показателей отбойки при взрывании крупноблочных пород вызвано в основном несоответствием условий взрывания типу ВВ и применением одинаковых параметров БВР, которые определялись в основном по удельному расходу ВВ применительно к граммониту 79/21 при расчетных показателях теплоты взрыва.

Эффективность взрывных работ во многом определяется рациональным размещением зарядов в массиве горных пород с учетом энергетических характеристик ВВ и способов взрывания. Применение различных типов ВВ обуславливает необходимость установления рациональных параметров буровзрывных работ. Отличительной особенностью апатитовых месторождений является то, что взрываемые блоки, как правило, состоят из различных типов руд и пород при различном процентном содержании апатита. Для выявления механизма разрушения пород с различным содержанием апатита в лабораторных условиях были выполнены модельные взрывы в образцах, которые показали, что разрушение образцов с малым содержанием апатита (рисчорриты, уртиты) происходит в основном на четыре части (рис. 3.3а), в образцах линзовидно-полосчатых и пятнисто-полосчатых руд с содержанием апатита < 30% развитие трещин происходит в основном по контактам с менее прочной рудой (рис. 3.36), а при содержании апатита > 30 % в ближней зоне от заряда разрушение происходит до размера зерна апатита (рис. З.Зв), а на периферии по направлению полосчатости и контактам с менее прочной рудой. При содержании апатита > 60% (рис. 3.3г) разрушение образца происходит до уровня зерна апатита.

В этой же серии экспериментов на поверхности образцов с помощью пьезокерамических датчиков измерялись параметры волн напряжений от взрыва микрозарядов ВВ. При этом выявлено закономерное снижение амплитуды волны напряжений с увеличением содержания апатита (рис.3.4), что говорит о значительных затратах энергии взрыва на переизмельчение руды в ближней зоне.

Рисунок 3.3. Характер разрушения образцов с различным содержанием апатита, а) — уртиты; б) - линзовидно-полосчатые и пятнисто-полосчатые руды с содержанием Р20^<30%; в) - линзовидно-полосчатые и пятнисто-полосчатые руды с содержанием Р205 > 30%; г) - при содержании Р205> 60%.

Рисунок 3.4. Изменение напряжений на фронте волны для различных типов руд (1.2,3.4 - соответствуют а-? но рисунке 3.3).

Оценка зон разрушения при взрыве заряда ВВ в скважинах диаметром 105 мм в условиях камуфлета (рис.3.5), показала, что в богатых рудах (асж<120 МПа) размер зоны разрушения руд в 1,2-1,5 раза меньше, чем в крепких (ссж >120-140 МПа).

Рисунок 3.5 - Характер развития трещин при взрыве скважинного заряда диаметром 105 мм а) в бедных рудах, б) в богатых рудах

Анализ показателей отбойки на подземных рудниках показал, что для достижения одинаковых результатов взрыва (оценивалось по удельному расходу ВВ на выпуске руды) в рудах богатой зоны по сравнению с взрывами в рудах бедной зоны необходимо увеличить удельный расход ВВ на отбойку почти на 20% (рис. 3.6). подземных горных работах в различных зонах: 1- бедных руд (лежачий бок), 2- средней части рудного тела, 3 - богатых руд (висячий бок).

В настоящее время существует несколько подходов к описанию механизма разрушения малопрочных пород.

Наиболее распространенным является взгляд, связанный с повышением прочности горных пород при интенсивных динамических нагрузках [46-49].

Анализ сведений по динамическому испытанию образцов в широком диапазоне скальных пород показывает, что с приближением, достаточным для инженерных расчетов, коэффициент динамического упрочения может быть принят Кд= 2. Для особо прочных (близких к монолитным) скальных массивов Кд=\.5. Для менее прочных пород таких исследований практически не проводилось. Использование динамических пределов прочности при расчетах также дает завышенные значения размеров зон разрушения при взрыве скважинных зарядов по сравнению с практическими результатами.

Согласно исследованиям А.А.Вовка и А.В.Михалюка [50] породы с пределом прочности на одноосное сжатие < 100 МПа в области больших давлений разрушаются преимущественно под действием касательных напряжений, образуя трещины сдвига. Породы прочностью > 100 МПа разрушаются в основном под действием разрывных напряжений, для которых относительные размеры зоны трещин практически постоянны, при этом отношение размеров этой зоны в крепких породах к размерам зоны в слабых составляет 2-3. Эти выводы хорошо подтверждаются при разрушении апатит-нефелиновых руд как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Таким образом, можно предположить, что породы с пределом прочности на одноосное сжатие <120-140 МПа (с большим содержанием апатита) в области больших давлений разрушаются преимущественно под действием касательных напряжений, образуя трещины сдвига, а прочностью >140 МПа разрушаются в основном под действием разрывных напряжений. Т.е. руды богатой зоны, хотя и имеют значительно меньшие прочностные и упругие характеристики, чем руды бедной зоны, но по механизму разрушения их следует отнести к трудновзрываемым.

В.П. Тарасенко [51] уменьшение размеров зон разрушения в слабых породах связывает с вязкостью пород, определяемой соотношением предела прочности на сжатие к пределу прочности на растяжение. Чем выше этот показатель, тем к более вязким они относятся.

Но наиболее убедительным представляется механизм разрушения, представленный в работе [52]. В данном случае авторы исследовали фильтрацию газов в упруго-деформируемой пористой среде на стадии динамического расширения полости. Ими было показано, что если среда на фронте волны разрушения дробится, то течение разрушенной среды сопровождается эффектом дилатансии, который приводит к разрыхлению среды и образованию дополнительного порового пространства. Продукты детонации заполняют это поровое пространство по мере расширения полости, что приводит к падению давления в ней икс существенному снижению механического действия взрыва. В частности, расчетами установлено, что при учете утечки продуктов детонации размер зоны разрушения уменьшается в 1.5-2.0 раза. При этом в 5-10 раз уменьшается энергия взрыва, передаваемая в упругую зону.

Проведенные эксперименты на апатит-нефелиновых рудах убедительно подтверждают это предположение (рис.3.3). Так для бедных руд с большим пределом прочности в случае, когда динамические напряжения превышают статический предел прочности, но ниже динамического предела, то разрушение происходит не сразу, а с задержкой. При этом утечки продуктов детонации не происходит, в массив передается больше энергии, а размер зоны разрушения ограничивается пределом прочности на разрыв. В более слабых породах (с большим содержанием апатита) разрушение начинается на стадии расширения взрывной полости, т.е. имеют место утечки продуктов детонации и, как следствие, более быстрое падение давления во взрывной полости, что и уменьшает размер зоны разрушения.

3.2. Выбор методики расчета параметров буровзрывных работ

В настоящее время существует достаточно большое число формул и методов расчета параметров БВР, обзор которых дан, например, в работах [53-55]. Однако, несмотря на многочисленность, они могут быть разделены на две большие группы: формулы, полученные на основе опытных данных (эмпирические), и формулы, полученные теоретическим путем (теоретические).

Эмпирические формулы, как правило, построены на принципе пропорциональности объема разрушения величине заряда ВВ. При этом величина удельного расхода ВВ, входящая в формулы, подбирается или опытным путем, или на основании эмпирических зависимостей, а линия наименьшего сопротивления (ЛНС) и расстояние между зарядами находятся исходя из геометрических соображений.

Теоретические формулы строятся на основе упрощенных моделей разрушения горных пород и дают зависимости для вычисления ЛНС и расстояния между зарядами. Удельный расход ВВ в этом случае находится также исходя из геометрических соображений, но уже на основе известных параметров БВР.

Среди эмпирических формул расчета ЛНС наиболее известной является формула Л.И.Барона

V/ = (1 "^0,785 • А • К3/ (ш • я), (3.1) где й - диаметр скважины, м; Д - плотность ВВ, кг/м3; Кз -коэффициент заполнения скважин; ш - коэффициент сближения зарядов; q -удельный расход ВВ на отбойку, кг/м3.

Для определения удельного расхода ВВ при скважинной отбойке Б.Н.Кутузов и др. [54] предложил пользоваться формулой

Ч = Ч0-КГК2-К3-К4-К5-К6, (3.2) где К] - коэффициент относительной работоспособности ВВ;

Кг = (1тр/ак)п1 - коэффициент, учитывающий трещиноватость руд и требуемое качество дробления (Ц - среднее расстояние между видимыми трещинами в массиве, ак - размер кондиционного куска, П1 = 0,5 - 0,6; К3 -коэффициент, учитывающий условия отбойки ( К3 =1 - одна плоскость отбойки, Кз= 0,7-0,9 - две плоскости отбойки, К3 = 1,2-1,3 - отбойка в зажиме); К4 - коэффициент, учитывающий способ заряжания скважин; ( К4 = 1- ручное заряжание, К4 = 0,9-0,95 - пневмозаряжание); К5 = (<1/0,105 )п2-коэффициент, учитывающий диаметр заряда (п2 = 0,5-1,0 - большое значение для монолитных руд); Кб - коэффициент, учитывающий схему расположения скважин ( Кб = 1 - параллельное, Кб = 1,1-1,2 - веерное, Кб = 1,3-1.5 -пучковое); - теоретический удельный расход ВВ на отбойку.

Величину теоретического удельного расхода ВВ можно найти по таблице в зависимости от коэффициента крепости пород, как предложено в [53], или по формуле, введенной В.В.Ржевским:

ЯЭ = 0,02(5СЖ + 5СД+5р) + 2у (3.3) где 5СЖ , 8СД , 5Р - соответственно пределы прочности ГП на сжатие, сдвиг и отрыв; у - плотность ГП.

В некоторых формулах по расчету ЛНС удельный расход ВВ присутствует в неявном виде. Показательной среди них является формула В.Н.Мосинца [55], полученная в результате обобщения известных зависимостей и результатов исследований по определению рациональных параметров БВР:

3.4) где f - коэффициент крепости руды по шкале М.М.Протодьяконова; Му -число открытых поверхностей; - энергия используемого ВВ; С>уо - энергия аммонита № 6 ЖВ; £10 - диаметр скважины, м.

В большинстве случаев эмпирические формулы разрабатываются для условий конкретных рудников.

Так для рудников Джезказгана А.И.Арыков и М.М.Ахматов предложили простую формулу

У = с1/(0,002Г+0,013), (3.5) где <1 - диаметр заряда, м; Г - коэффициент крепости руды.

Для условий Горной Шории в работе [56] предложена зависимость

3-ак'Кн +1, (3.6)

Кт ^|/(0,39-0,3ак У где 6 - диаметр скважины, м; Е - показатель относительной мощности ВВ; Кт - коэффициент трещиноватости руды ( Кт > 1 - при мелкоблочной); ак - размер кондиционного куска, м; Кн - выход негабарита ( Кн = [0,043 (\\7с1)2 - 5] {/15 при \У/<1 >11).

Для рудников цветной металлургии в работе [54] ЛНС рекомендуется определять по формуле И.Ш.Ибраева где Км - коэффициент, учитывающий местные условия (Км = 0,3-0,5); f - коэффициент крепости: А - плотность заряжания, кг/м3; с! - диаметр скважины, К] - коэффициент относительной работоспособности ВВ.

Теоретические формулы расчета параметров БВР основаны, как правило, на определении размеров зон разрушения при взрыве скважинного заряда, по которым определяется величина линии наименьшего сопротивления.

Процессы, происходящие в твердой среде вблизи зарядной камеры весьма сложны и в настоящее время не поддаются точному математическому описанию. Механическое поведение среды меняется по мере удаления от центра взрыва, поэтому исследователи выделяют ряд зон, отличающихся одна от другой напряженным состоянием и характером разрушения'. В ближней зоне, примыкающей к заряду, сжимающие напряжения превышают предел прочности пород на сжатие, здесь развиваются значительные пластические деформации, и разрушение имеет характер переизмельчения (зона мелкого дробления). Большинство отечественных и зарубежных исследователей считают, что размеры этой зоны не превышают трех-пяти радиусов заряда.

Следующая зона - зона радиальных трещин имеет довольно сложную структуру. Интенсивность дробления пород в этой зоне за счет пересечения радиальными трещинами естественных трещин, а также возможных кольцеобразных разрывов, образующихся вокруг зарядной полости, убывает по мере удаления от центра взрыва. Внешняя граница этой зоны расположена за областью отдельных, не связанных с друг с другом радиальных трещин. Дальняя зона - зона упругих деформаций.

Наибольший интерес представляет установление границ области с определенной интенсивностью дробления (кусковатостью) или хотя бы зоны так называемого управляемого дробления. Теоретическое решение этой задачи чрезвычайно сложно, потому что одним из определяющих факторов процесса дробления является трещиноватость массива, поэтому для точного ее решения нельзя пользоваться методами механики сплошной среды. Экспериментальные оценки зон дробления, выполненные различными методами, имеют значительный разброс. Однако в первом приближении можно считать, что при взрыве бризантных ВВ, находящихся в контакте со стенками зарядной полости, граница зоны радиальных трещин расположена на расстоянии 40-50 радиусов заряда от центра взрыва [57-59]. Из всех известных теоретических зависимостей по расчету зон разрушения можно выделить следующие.

Для приближенной теоретической оценки границ зон действия взрыва в работе [60] рассмотрен процесс разрушения, вызванный взрывом одиночного заряда в неограниченной среде при квазистатическом расширении цилиндрической полости (решена плоская задача) с использованием зонной схемы действия взрыва [61]. Размеры зоны мелкого дробления и зоны радиальных трещин могут быть рассчитаны по следующим формулам

К = ай

• Ро к Г к' --+ сг,+ — М / е. 1 + 1 + / 1 ь

М , сг. а. 1 + 1п —

1 ао]

3-8)

0"о где Ьт* - максимальный радиус зоны мелкого дробления; ао - начальный радиус полости; Р0 - начальное дробление в полости; к - сцепление; { -коэффициент внутреннего трения;о» - прочность породы при одноосном сжатии; ц - коэффициент Ляме; а0 - прочность породы при растяжении; у -показатель адиабаты; Ьто - максимальный радиус зоны радиальных трещин.

Давление Ро определяется по формуле Рср=-рввОг. 8

Результаты конкретных расчетов при помощи указанных выше формул приведены в табл. 3.1.

Полученные расчетные данные совпадают по порядку величин с экспериментальными, приведенными в работе [62].

Представляет интерес сопоставление протяженности разрушения вокруг полностью замкнутого (камуфлетного) взрыва со взрывом вблизи открытой поверхности, когда л.н.с. превышает радиус заряда в 50-100 раз. Такое сопоставление убедительно показывает важную роль открытой поверхности в процессах дробления. Процессы, происходящие в переходной зоне камуфлетного заряда (зона мелкого дробления и зона радиальных трещин), поглощают основную часть энергии детонирующего ВВ. Это положение действительно и при наличии открытых поверхностей, поскольку процессы, связанные с потреблением энергии, полностью завершаются до того момента, когда в переходную зону поступает информация о наличии открытой поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

2. С использованием соотношения Г? ~ ()взр, вытекающего из теории детонации и экспериментальных значений скорости детонации, выявлено, что в скважинах диаметром 100 мм выделяется 40-50% от полной энергии смесей ТНТ-АС-ДТ. При взрыве в скважинах 250 мм скорость детонации выходит на стационарный уровень, а реализация потенциальной энергии достигает 65%.

4. Установлено, что размер зоны разрушения руд и пород,Хибинских месторождений при одинаковых динамических воздействиях определяется их физико-механическими свойствами и зависит от содержания в них апатита. Выявлено, что в крепких породах (ссж>120-140 МПа) относительные размеры зоны трещин практически постоянны, а в более слабых (ссж<120 МПа) размеры зоны трещин в 1,2-1,5 раза меньше, чем в крепких.

10. Экономический эффект от внедрения рекомендаций за период с 1996 по 2005 г. составил более 30 млн. рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Опыт применения утилизируемых ВВ на предприятиях ОАО "Апатит"/ А.С.Душин, В.М.Доильницын, В.М.Федотов, Г.Г.Листопад // Горный журнал. - 1998. №4. С. 64-65.

В.С.Семочкин, Н.И.Гринберг, Ю.М.Шинкарюк, Г.Г.Листопад // Горный журнал. - 1999. №7. с. 96-97.

3. Совершенствование взрывных работ на рудниках /А.В.Григорьев,

B.С.Свинин, В.М.Доильницын, Г.Г.Листопад // Горный журнал. - 1999. №9.

C.29-33.

4. Опыт и перспективы применения неэлектрических средств инициирования на карьерах ОАО "Апатит"/ А.В.Григорьев, Г.Г.Листопад, В.М.Доильницын, В.И.Попов, В.В.Андреев, А.Г.Гусев// Горный журнал. - 2001, №8. С.37-40.

5. Опыт применения промышленных ВВ и средств инициирования на рудниках ОАО "Апатит" / Г.Г.Листопад // О состоянии взрывного дела в Российской Федерации. Основные проблемы и пути их решения: Сборник докладов Всероссийской конференции 28-30 мая 2002 г. Москва, 2002. С. 142147.

6. Пути и способы повышения эффективности разработки руд глубоких горизонтов открытым и открыто-подземным способами / С.П.Решетняк, Г.М.Еремин, Г.Г.Листопад //. Горный информационно-аналитический бюллетень.-2002.- №9.-С. 131-136.

7. ОАО "Апатит" - шаг в будущее / С.Г.Федоров, В.С.Свинин, Г.Г.Листопад // Горный журнал. -2002. №3. С.25-30.

9. Взрывчатый состав, Патент РФ 2197454. - 2001. БИ 2003.

11. Доильницин В.М., Листопад Г.Г., Ляшенко В.А. Испытания зарядов мягкого взрывания на рудниках ОАО "Апатит" // Горный журнал. - 2004. №9. С.53-56.

12. Свинин B.C., Листопад Г.Г. Стратегическое планирование - основа технической политики ОАО "Апатит" // Горный журнал. - 2004. №9. С. 11-16.

Ill

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Листопад, Геннадий Геннадьевич, Апатиты

1. Океании И.Ф., Миронов П.С. Закономерности дробления горных пород взрывом и прогнозирование гранулометрического состава. М.: Недра, 1982. -166 с.

2. Друкованный М.Ф., Куц B.C., Ильин В.И. Управление действием взрыва скважинных зарядов на карьерах. М.: Недра, 1980. - 223 с.

3. Повышение эффективности действия взрыва в твердой среде/ В.М.Комир, В.М.Кузнецов, В,В,Воробьев, В.Н.Чебенко. М.:Недра, 1988. -209 с.

4. Мачинский М.В. Теория расчета зарядов.- В.кн.: Взрывное дело № 26 и 27. М., ОНТИ, 1936, с. 12-38, 64-89.

5. Покровский Г.И., Федоров И.С. Действие удара и взрыва в деформируемых средах, М., Госстройиздат, 1957. 276 с.

6. Власов O.E., Смирнов С.А. Основы дробления горных пород взрывом. М., Изд-во АН СССР, 1962.104 с.

7. Мельников Н.В., Марченко JI.H. Методы повышения коэффициента полезного использования энергии взрыва (рациональная конструкция заряда). М., изд. ИГД АН СССР, 1957. 54 с.

8. Марченко JI.H. Увеличение эффективности взрыва при добывании полезных ископаемых. М., Наука, 1965. 220 с.

9. Мельников Н.В., Марченко JI.H. Подготовка горной массы взрывом при поточной технологии разработки скальных пород и руд в кн.: Взрывное дело, № 71/28. М., Недра, 1972, с. 41-48.

10. Демидюк Г.П. О механизме действия взрыва и свойства взрывчатых веществ в кн.: Взрывное дело, № 45/2. М., Госгортехиздат, 1960, с. 20-35.

11. Ханукаев А.Н. Энергия волн напряжения при разрушении пород взрывам. М., Горгостехиздат, 1962. 200 с.

12. Боровиков В.А., Беляцкий В.П. О развитии котловой полости при взрыве сферического заряда в твердой среде.- Физико-техн. пробл. разраб. полез, ископаемых, 1972, № 6, с. 65-69.

13. Балбачаи И.П. К механизму взрывного разрушения мерзлых грунтов в массиве.- Горн, журн., 1979, № 7, с. 32-34.

14. Балбачан И.П. Шлойдо Г.А., Юрко A.A. Рыхление мерзлых грунтов взрывом. М.: Недра, 1974.- 232 с.

15. Друкованный М.Ф., Ефремов Э.И., Ильин В.И. Буровзрывные работы на карьерах.- М.: Недра, 1969.- 374 с.

16. Демидюк Г.П., Смирнов С.А. Регулирование степени дробления при взрывной отбойке на уступах.- В кн.: Совершенствование буровзрывных работ на карьерах Украины. М., 1971, с. 44-53. (Взрывное дело. Сб. № 70/27).

17. Друкованный М.Ф. Бурозврывные работы на карьерах. М.: Недра, 1978.-278 с.

18. Демидюк Г.П. Современные теоретические представления о действии взрыва в среде. В кн. "Буровзрывные работы в горной промышленности". М., Госгортехиздат, 1962 г., с. 223-240. '

19. Демидюк Г.П., Смирнов С.А. К вопросу о механизме дробления пород взрывом. В кн. "Взрывное дело", №52/9, М., Горгостехиздат, 1963 г., с. 285-287.

20. Демидюк Г.П. К вопросу управления действием взрыва скважинных зарядов. В кн. "Взрывное дело", №54/11, М., "Недра", 1964, с. 174-185.

21. Демидюк Г.П., Иванов B.C. Влияние формы одиночного заряда на дробление твердой среды взрывов. В кн. "Взрывное дело", №53/10, М., Госгортехиздат, 1963 г., с. 47-58.

22. Демидюк Г.П., Бугайский А.Н. Средства механизации и технология взрывных работ с применением гранулированных взрывчатых веществ. М., "Недра", 1975 г., с.311.

23. Белаенко Ф.А. Исследование полей напряжений и процесса образования трещин при взрыве колонковых зарядов в скальных породах. В кн. "Вопросы теории разрушения пород действием взрыва". М., изд-во АН СССР, 1958 г., с. 126-140.

24. Белаенко Ф.А., Булич Ю.П., Дидык Р.П. Исследование волн напряжений и процессы разрушения пород при взрывах. В кн. "Буровзрывные породы в горной промышленности". М., Госгортехиздат, 1962 г., с. 411-425.)

25. Влияние диаметра заряда на интенсивность дробления хрупких тел взрывом. В кн. "Взрывное дело", №53/10. М., Госгортехиздат, 1963 г., с. 5976. Авт.: М.Г. Друкованый, JI.H. Гейман, Э.И. Ефремов, Ю.П. Хотиенко.

26. Филиппов В.К. Исследование механизма разрушения крепких горных пород взрывом удлиненных зарядов. Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. Алма-Ата, КазПТИ, 1959 г., с. 24.

27. Филиппов В.К. Направление распространения трещин, образующихся при разрушении пород взрывом. В кн. "Взрывное дело", №47/4. М., Госгортехиздат, 1961 г., с. 172-177.

28. Юхансон А.К., Персон П. Детонация взрывчатых веществ. (Пер. с анг.) Под редакцией В.К. Бобылева. М., "Мир", 1973 г., с. 352.

29. Свинин B.C., Листопад Г.Г. Стратегическое планирование- основа технической политики ОАО «Апатит» »// Горный журнал. 2004. №9. с. 1116.

30. Коробов Б.Л., Томчук Н.П. Минерально-сырьевая база ОАО "Апатит // Горный журнал. 1999. - № 9. - с. 19-23.

31. Временная методика расчета буровзрывных параметров для дробления пород до заданной крупности на карьерах горной химии, ГИГХС, 1970 г.

32. О критических диаметрах зарядов ВВ и скорости детонации гексогена / АЛ. Апин, Н.Ф.Велина // Взрывное дело, 63/20. М.: Недра, 1967.-c.5-35.

33. Хотин В.Г., Хотина Л.Д., Шаталов Н.Е., Кригер Г.Э. Исследование детонационной способности аммиачноселитренных ВВ, сенсибилизированных гексогеном. // Взрывное дело, 68/25.- М.: Недра, 1970. с.235-243.

34. Парфенов А.К., Воскобойников И.М., Апин А.Я. О малой скорости детонации промышленных ВВ // Взрывное дело, 60/17. -М. : Недра, 1966, с.29-33.

35. О влиянии воды на детонацию водоустойчивых гранулированных ВВ / М.Ф. Друкованый, О.Н.Оберемок // Взрывное дело, № 74/31. М.: Недра, 1974.- с. 17-27.

36. Патент РФ 2128156 . Состав взрывчатого вещества. Чикунов В.И., Щапов Ю.С., Мамонов П.И., Долбин И.И. БИ №9. 1999.

37. Эффективность применения игданита при взрывании высоких уступов на известняковых карьерах /A.A. Дауетас, В.Д. Воробьев, И.Н. Ковтун//Взрывное дело 81/38.-М.: Недра, 1979.-с.170-175.

38. Клаус-Петер Брайдунг. ANDEX 2000-аммиачног-селитренное взрывчатое вещество, усовершенствованное в отношении техники взрывных работ и безвредности для окружающей среды / Глюкауф.-1999, № 1.-С.34-40.

39. Перечень рекомендуемых промышленных взрывчатых материалов. -М: Недра, 1977.

40. Нормативный справочник по буровзрывным работам. М.: Недра,1986.

41. Барон B.JI., Кантор В.Х. Техника и технология взрывных работ в США.-М.: Недра, 1989.

42. Ханукаев А.Н., Ханукаева К.С. Критерий оценки В В и его действие на горные породы// Изв. ВУЗов. Горный журн. 1993.-№1. - С. 68-74.

43. Азаркович А.Е., Шуйфер М.И. Оценка относительной взрывной эффективности различных взрывчатых веществ в массивах горных пород// ФТПРПИ. 1997. - №2. - С.47-51.

44. Бохуш Г. Выбор наиболее пригодного ВВ для отбойки горных пород на основе местных измерений // РЖ. Горное дело. 1981.- Вып.№8. Реферат Б241.

45. Ставрогин А.Н., Фокеев Н.В. Исследование механических свойствчгорных пород при объемном напряженном состоянии при разных скоростях приложения нагрузки // ФТПРПИ. 1968.-№3.- с.40-44.

46. Харибе Т., Кобояси Р. Механические характеристики горных пород при различной скорости нагрузки. Дзайре, 1965. т.14. №141. Пер. с яп.

47. Шуйфер М.И., Азаркович А.Е. Расчет ' размеров зоны трещинообразования при взрыве скважинных зарядов в скальном массиве// Взрывное дело. №82/39. Недра. 1980. - с. 191-209.

48. Попов H.H., Расторгуев Б.С. Вопросы расчета и конструирования специальных сооружений: Учеб. Пособие для вузов.-М.: Стройиздат, 1980.190 с.

49. А.А.Вовк, А.В.Михалюк, И.В.Белинский. Развитие зон разрушения горных пород при камфлетных взрывах// ФТПРПИ. 1973.-№4.- с.39-45.

50. В.П. Тарасенко. Физико-технические основы расчета зарядов на карьерах// Учебное пособие. Изд-во МГИ. 1985.-80 с.

51. Зверев A.A., Фетисов B.C. Влияние утечки продуктов детонации на механические и упругие характеристики камуфлетного взрыва// ПМТФ.-1982.

52. Баранов А.О. Расчет параметров технологических процессов подземной добычи руд.- М.: Недра, 1985.- 224с.

53. Проектирование взрывных работ/ Б.Н.Кутузов, Ю.К.Валухин, С.А.Давыдов и др. М.: Недра,. 1974. - 328 с.

54. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрывов в горных породах М.: Недра,. 1976. - 271 с.

55. Дубынин Н.Г., Рябченко Е.П., Иванова Л.И. Отбойка руды скважинами. - Новосибирск, 1970.- 167 с.

56. Азаркович А.Е. О радиусе разрушения удлиненного заряда ВВ. В кн.: Взрывное дело, 57/14, Недра, 1965, с. 105-112.

57. Вовк A.A., Михалюк A.B., Белинский Н.В. Развитие зон разрушения горных пород при камуфлетных взрывах.- Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1973, №4, с. 39-45.

58. Атчисон Т.К. Основы взрывного дробления.- В кн.: Открытые горные работы. М., Недра, 1971, с. 128-145.

59. Расчет зон разрушения при взрыве цилиндрических зарядов в скальных породах.- Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1976, №3, с. 70-75. М.Ф.Друкованый, В.С.Кравцов, Ю.В.Чернявский и др.

60. Механический эффект подземного взрыва/ В.Н.Родионов, В.В.Адушкин, В.В.Костюченко и др. М, Недра, 1971. 222 с.

61. Вовк A.A., Михалюк A.B., Белинский Н.В. Развитие зон разрушения горных пород при камуфлетных взрывах.- Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1973, №4, с. 39-45.

62. Билоконь В.П., Ольховский А. К., Белоконь М.П. Расчет величины линии наименьшего сопративления при скважинной отбойке горных пород на железорудных карьерах. Механика и разрушение горных пород, вып. 2, Киев, Наукова думка, 1974, с. 230-236.

63. Справочник. Открытые горные работы / К.Н. Трубецкой, М.Г. Потатов, К.Е. Виницкий, H.H. Мельников и др. М.: Горное бюро, 1994. 590 с.

64. Технические правила ведения взрывных работ в энергетическом строительстве. -3-е изд. перераб. и доп. М.,1997. - 232 с.

65. Кузьменко A.A., Воробьев В.Д., Денисюк И.И., Даустас A.A. Сейсмическое действие взрыва в горных породах. М.:Недра, 1990. - 173 с.

66. Баранов Е.Г. Короткозамедленное взрывание. Фрунзе: Илим, 1971.- 146 с.

67. Фадеев А.Б. Дробящее и сейсмическое действие взрывов на карьерах. М.: Недра, 1972. - 136 с.6.

68. Машуков В.И. Расчет оптимальных интервалов замедления при короткозамедленном способе взрывания // Горн. журн. 1965. - № 1.1.

69. Шемякин Е.И. Деформации и разрушение горных пород при подземном взрыве // Взрывное дело. 1999. - № 92/49. - С. 20-28.

70. Казаков H.H. Вторая стадия безволнового расширения полости сосредоточенного заряда // Зап. Горного ин-та. СПб., 2001. - Т. 148(1). - С. 127-129.

71. Мосинец В.Н., Пашков А.Д., Латышев В.А. Разрушение горных пород. -М.: Недра, 1972

72. Шемякин Е.И. Расширение газовой полости в несжимаемой упругопластичной среде // ПМТФ. 1961. - № 5. - С. 92-99.

Информация о работе

Листопад, Геннадий Геннадьевич
кандидата технических наук
Апатиты, 2006
ВАК 25.00.20

Диссертация

Повышение эффективности скважинной отбойки на карьерах при использовании смесевых ВВ местного изготовления и систем неэлектрического инициирования зарядов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы