Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Рациональные конструкции зарядов эмульсионных ВВ, обеспечивающие эффективное дробление горных пород на высоких уступах карьеров

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Рациональные конструкции зарядов эмульсионных ВВ, обеспечивающие эффективное дробление горных пород на высоких уступах карьеров"

На правах рукописи

ОВЕРЧЕНКО Михаил Николаевич

УДК 622.233:622.235

РАЦИОНАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗАРЯДОВ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОЕ ДРОБЛЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД НА ВЫСОКИХ УСТУПАХ КАРЬЕРОВ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук Жученко Евгений Иванович

Официальные оппоненты Профессор, доктор технических наук Викторов Сергей Дмитриевич Кандидат технических наук Гильманов Рафаэль Абдулхакович

Ведущее предприятие: «Промтехвзрыв»

• Защита диссертации состоится « »_2004 г.

в_час_на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 в

Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Проф., д.т.н. Крюков Г. М.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время при ведении открытых горных работ обострилась ситуация с подготовкой добычных уступов для разработки полезных ископаемых из-за резкого отставания вскрышных работ.. Объем последних достигает в Российской Федерации 700 млн, т/год и в перспективе с развитием карьеров и разрезов будет увеличиваться.

Одним из наиболее эффективных путей решения поставленной проблемы является применение высоких (сдвоенных) уступов высотой до 50 м и более с применением БВР, при этом стоимость последних достигает 70% стоимости всех вскрышных работ.

Существенное снижение затрат на производство взрывных работ может быть достигнуто посредством использования эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ), стоимость которых в кратное число раз меньше стоимости обычных водоустойчивых промышленных ВВ. Кроме того, ЭВВ имеют еще одно очень важное преимущество — их изготавливают на местах производства взрывных работ, вследствие этого существенно снижаются затраты на транспортирование ВВ и повышается безопасность при обращении с ними.

Наиболее дешевыми ЭВВ являются вещества, газификация которых осуществляется с применением газогенерирующей добавки. Опытное, опытно-промышленное и промышленное ведение взрывных работ с ЭВВ показало, что их применение при взрывном дроблении горных пород на высоких уступах не всегда эффективно - часто имеют место недостаточная степень дробления горной массы и формирование высоких порогов. Выяснена принципиальная возможность использования "сибиритов" для этих условий (высокие уступы). Однако их непосредственное применение без соответствующих оценок также затруднено, так как не всегда удается получить качественное дробление горных пород, что обусловлено влиянием конструктивных параметров зарядов на детонацию ЭВВ.

Поэтому установление влияния конструктивных параметров зарядов ЭВВ в глубоких скважинах высоких уступов карьеров и параметров сетки скважин на • качество дробления горных пород взрывом этих зарядов является актуальной научной задачей.

Дель работы. Разработка способа взрывания высоких уступов для повышения эффективности взрывного дробления горных пород при использовании ЭВВ типа "сибирит" путем приведения в соответствие их детонационных характеристик по высоте скважинного заряда с прочностными свойствами горных пород.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей изменения детонации ЭВВ в зависимости от конструктивных параметров зарядов при различной глубине скважин для рационального распределения их энергии по высоте взрываемого блока.

Новизна работы заключается в:

- установлении обобщающей зависимости среднего размера куска взорванной горной массы от механических свойств горных пород, термодинамических и конструктивных параметров зарядов ЭВВ для высоких уступов;

|РОС.,НАЦИОНАЛЬНА*/ БИБЛИОТЕКА 1

- установлении закономерностей детонации зарядов ЭВВ от содержания компонент, степени газогенерации, глубины скважин и диаметра последних.

Методы исследований: анализ и обобщение результатов предшествующих исследований, полигонные и промышленные эксперименты, обработка данных статистическими методами.

Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна.

1. Впервые установлен обобщающий критерий , позволяющий оценивать степень дробления горных пород взрывом удлиненных зарядов в зависимости от свойств пород, типа ВВ и параметров сетки скважин. При этом установлена обобщающая зависимость среднего размера куска взорванной горной массы от ах

2. Впервые установлена закономерность изменения плотности ЭВВ типа "сибирит" по глубине скважины в зависимости от содержания компонентов и степени их газогенерации, что позволяет задавать для этих ЭВВ исходную плотность заряжания, обеспечивающую эффективную детонацию зарядов по всей их длине.

3. Установлены критические значения плотности ЭВВ типа "сибирит" при разных диаметрах зарядов, размещенных в скважинах высоких уступов.

4. Установлены закономерности изменения скорости детонации "сибири-тов" в зависимости от диаметра и плотности зарядов. Новизна полученных результатов заключается в определении области значений этих параметров соответствующих максимальным значениям скорости детонации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- удовлетворительным согласованием теоретических расчетов изменения плотности зарядов ЭВВ с изменением их состава и гидростатического давления (различия опытных и теоретических данных не превышают 1%);

- надежным экспериментальным определением скорости детонации ЭВВ, при котором погрешность ее значений составляет не более 10% при вероятности Р=0,9;

- надежным определением работоспособности ВВ по воронке выброса, при котором ее значений составляет не более 10% при вероятности Р=0,95;

- положительными результатами, полученными при производстве опытно-промышленных взрывов с рекомендованными параметрами конструкций зарядов ВВ при ведении вскрышных работ на угольных разрезах юга Кузбасса.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей дробления горных пород высоких уступов карьеров при разных горногеологических условиях в зависимости от плотности, состава зарядов ЭВВ и параметров сетки скважин.

Практическое значение работы заключается в разработке методики расчета рациональных параметров сетки скважин и конструкций зарядов ВВ для глубоких скважин, обеспечивающих качественное дробление горных пород высоких уступов.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Научные результаты, рекомендации и методика, разработанные автором, включены в типовые проекты буровзрывных работ на угольных разрезах Кузбасса и внедрены в производство. Экономический эффект от их внедрения составил ~500 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований были доложены и получили одобрение: на третьей международной. конференции "Физические проблемы разрушения горных пород" (Абаза, 2002 г.), на международных симпозиумах "Неделя горняка" (Москва, МГГУ, 2003 и 2004 гт.), на научных семинарах в ЗАО "Нитро Сибирь" (Москва, 2002 и 2003 гг.), МГГУ (Москва, 2003 г.), на техническом совете ЗАО "Сибирит-1".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы (62 наименования, изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 41 таблицу и 30 рисунков.

Основное содержание работы

Выполняемые исследования были направлены на совершенствование БВР при разработке вскрышных пород высокими уступами на угольных разрезах Кузбасса — "Междуреченский", "Сибиргинский", "Ольжерасский", "Красногорский", "Калтанский" (юг Кемеровской области). Физико-техни-ческие свойства вскрышных пород этих разрезов представлены в табл. 1.

Для горных предприятий юга Кузбасса в г. Междуреченске в 1999 г. был построен комплекс ЗАО "Сибирит-1" по изготовлению ЭВВ с применением газо-генерирующей добавки.

Используемые смесительно-зарядные машины СЗМ-8, СЗМ-20 и МЗ- ЗБ позволяют изготавливать на месте применения эмульсионные взрывчатые вещества разного компонентного состава, с разными дозированным соотношением компонентов и насыщенностью газовыми пузырьками, т.е. взрывчатые вещества разной плотности и мощности.

Первые опытно-промьшшенные взрывы, произведенные в 2000 г. на горных предприятиях при ведении вскрышных работ с использованием ЭВВ и глубиной скважин до 30 м, не дали положительного результата. Поэтому была поставлена задача: разработать конструкции зарядов ЭВВ с газогенерирующей добавкой, обеспечивающие эффективное взрывное дробление горных пород. При этом под основными конструктивными параметрами зарядов понимаются сле-дуюгцие.

1. Для слошных зарядов: длина-?,« диаметр-^, состав ЭВВ и его плот-ность-р, изменяющаяся по глубине скважины;

2. Для комбинированных слоевых зарядов - все указанные ранее параметры для каждой части зарядов;

3. Для комбинированных коаксиальных зарядов - кроме указанных ранее параметров, учитывают соотношения между внешними диаметрами его коаксиальных частей.

"Сибириты", как и все водонаполненные ВВ, обладают одной особенностью - с ними невозможно проводить лабораторные исследования процессов взрывного дробления горных работ при наличии малых количеств этих ВВ ввиду

3

больших критических диаметров зарядов ВВ. Поэтому на подготовительном этапе работ необходимо было решить следующие научные задачи:

- установить закономерности изменения плотности ЭВВ по высоте глубоких скважин (до 50 м);

- установить значения критических диаметров зарядов "сибиритов" в зависимости от их плотности;

- оценить работоспособность ЭВВ при их разных плотностях и составах;

- оценить эффективность применения "сибиритов" и их смесей с простейшими гранулированными ВВ при взрывах зарядов на высоких уступах.

Изучению разрушения горных пород посредством взрыва зарядов промышленных ВВ посвящено большое количество работ, позволивших установить основные закономерности этого процесса. Теоретические и экспериментальные результаты исследований процесса взрывного дробления пород приведены в работах Н. В. Мельникова, В. В. Ржевского, К. Н. Трубецкого, Е. И. Шемякина, В. В. Адушкина, В. А. Белина, В.А. Боровикова, С. Д. Викторова, Г. П Демидюка, Е. И. Жученко, Н. Н. Казакова, Г. М. Крюкова, Б. Н. Кутузова, М. Г. Менжулина, В. М. Родионова, Г. И. Покровского и др.

При этом за основу при теоретических описаниях процессов разрушения горных пород взрывом зарядов промышленных ВВ принимается модель Г. И. Покровского с дальнейшим ее усовершенствованием и уточнениями. В данной работе при анализе результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований взрывного разрушения пород за основу принята именно эта модель усовершенствованная проф. д-ром техн. наук Г. М. Крюковым, по которой радиус регулируемого дробления горных пород посредством взрыва удлиненных зарядов промышленных ВВ определяется по формуле

Это соотношение соответствует локальности действия на породу детонационной волны в отдельных частях удлиненных зарядов. Таким образом, если в породе взрывают удлиненный заряд, имеющий на разных участках различные значения пиков детонационной волны, то и разрушение породы на этих участках соответственно будет неодинаковым.

Для достоверной оценки эффективности взрывания зарядов "сибиритов" . необходимо было установить их взрывчатые характеристики для разных горнотехнологических условий.

1. Взрывчатые характеристики ЭВВ 1.1 Оценка плотности ЭВВ от состава и глубины скважины

а. Зависимость плотности ЭВВ от их состава Вначале установили теоретическую закономерность изменения плотности смеси ЭВВ с гранулированным ВВ при атмосферном давлении в зависимости от процентного содержания компонентов. Она описывается формулами (2), (3) и представлена на рис. 1 (кривые 1,2).

при

Рем :

(1-,

КРлс

>НЕ®Х1-®э)'

при

Рас Рнеф J

где К = 1-0,14соэ(1-Шэ) - поправочный коэффициент, учитывающий поглощение воздуха смесью в процессе перемешивания; рэ - плотность эмульсии (рэ=1,33 г/см3), рвеф-плотность нефтепродукта (рнсф=0.9 г/см3), рАС - насыпная плотность аммиачной селитры (рАс= 0,95 г/см3); Ргр -плотность гранул аммиачной селитры (ргр=1,7 г/см3); <Ээ-массовая доля эмульсии в смеси, юнеф -массовая доля нефтепродукта в АСДТ (сонеф =0,06), P=l-D — пустотность упаковки (доля межгранульного пространства), В = рАС/рп, - доля аммиачной селитры (АС) в заданном объеме, заполненном ее гранулами.

В частном случае при двухкомпонентной смеси ЭВВ/АС из формул (2), (3) следуют соотношения (4) и (5) (рис. 2 (кривые 1,2)).

при

при

(4)

(5)

На рис. 1 и 2 показано сопоставление теоретических (расчетных) плотностей смесей и результатов их экспериментального определения. При этом расхождение теоретических результатов с учетом коэффициента К и опытных данных не превышает одного процента. Эти соотношения позволяют оценивать плотность смесей, размещаемых в скважинах, при опытно, опытно-промышленных и промышленных взрывах.

б. Изменение плотности ЭВВприувеличении давления Особенностью формирования зарядов в глубоких скважинах является создание большого гидростатического давления в ее нижней части, приводящее к значительному повышению плотности ЭВВ с газогенерирующей добавкой в этой части заряда по сравнению с плотностью заряжания скважины.

При теоретических оценках повышения плотности ЭВВ в случае увеличения гидростатического давления было принято считать жидкую фазу несжимаемой, а объем пузырьков газа - изменяющимся по закону Бойля-Мариотта. При этом теоретическая зависимость плотности ЭВВ от процентного содержания компонентов и гидростатического давления установлена в виде

где: - исходная плотность ЭВВ при атмосферном давлении

и

объем жидкой фазы в ЭВВ, м3; У2 - объем пузырьков в ЭВВ при атмосферном давлении Ро, м3, Р1=У2/У1. Результаты исследований представлены в табл. 2.

Теоретический расчет по формуле (6) подтвержден с погрешностью не более чем в 1%, что позволяет использовать это соотношение для оценки изменения плотности ЭВВ по глубине реальных скважин с учетом формирующегося гидростатического давления в них.

в. Оценка изменения плотности ЭВВ по высоте скважин

Основная задача в этом цикле работ - установление закономерностей изменения плотности ЭВВ в зависимости от глубины скважины с учетом гидростатического давления под действием собственного веса заряда. При этом учтем, что, как правило, в качестве забойки для зарядов ЭВВ используют воду, поэтому на заряд действует еще и гидростатическое давление воды Рв-

Для установления зависимости, описывающей закономерности изменения давления и плотности по высоте скважин, рассматривается элементарный слой толщиной dx на глубине х от уровня границы контакта вода-ЭВВ (рис. 3).

Таким образом, зависимость давления Рх в заряде ЭВВ от высоты скважины будет описываться следующем интегральным уравнением

Р^Рв+ёРисх]^^- (7)

Р

При этом плотность ЭВВ с учетом выражений (6) и (7) определяется соотношением

Напрямую интегральное уравнение (7) в квадратурах не решается, поэтому был выполнен приближенный расчет давления с шагом Дх = 10 см по высоте скважины методом последовательной иттерации

ЛР = ЕРИСХР;-х(] + ^ЛХ, Р,=РВ + ±АР„ (9)

где соответствует

Плотность "сибирита-1200" по глубине колонки заряда в скважине (для различных исходных плотностей заряжания), рассчитанные по формуле (9) изображены на рис. 4. При этом массы зарядов в скважинах различной глубины при различных исходной плотности "сибирита-1200" и заданной его плотности на забое скважины можно определить по графикам, показанным на рис. 5.

1.2.Оценка взрывчатых свойств ЭВВ

а. Оценка критического диаметразарядов ЭВВ

Опыты первой группы выполнялись с целью определения влияния содержания газогенерирующей добавки в ЭВВ на величину критического диаметра. Стальные трубы различного диаметра с толщиной стенок 1мм и длиной 30 диаметров заполняли сенсибилизированной эмульсией. В концевой части трубы (у заваренного торца) на ее поверхности устанавливали две пары датчиков, при помощи которых определяли скорость распространения детонации по заряду. Процесс превращения ЭВВ в ПД считался с установившейся детонацией, если измеренная скорость на двух базах была одинаковой. Результаты определения соответствующего критического диаметра для ЭВВ с различной плотностью представлены на рис. 6, хорошо описываются уравнением

</ю>= 5,18 + ехр (-46,051 + 52,235ротн), мм. (10)

Для определения критических диаметров реальных зарядов использовали известные закономерности для разных ВВ по длине затухания детонации Ьт в зарядах, диаметр которых с1 меньше критического' йк? (рис. 7). Эти результаты удалось описать соотношением

1-2,64 ¿/Г

Используя формулу (11), критический диаметр можно определить с1ю> любого ВВ путем проведения лишь одного эксперимента с определением, в ходе которого устанавливается длина затухания Ьзт детонации при заданном диаметре заряда

По этой методике было проведено несколько опытов со взрывом зарядов из смеси "сибирита-1200" и "гранулита-НП", в стальных трубах с толщиной стенок 1 мм диаметрами от 160 до 225 мм, меньшими о?ю>. В этих опытах регистрировалась Ьт, что позволило по формуле (11) рассчитать с1кр в зависимости от процентного содержания "сибирита-1200" и "гранулита-НП" в заряде (рис. 8.)

Затем для указанных смесей были проведены опытные взрывы соответствующих удлиненных зарядов с в которых действительно наблюдалась полная детонация ВВ, что подтвердило достоверность предложенной методики и оценки <1ю> разных ЭВВ.

В реальных условиях ведения взрывных работ с ЭВВ под действием большого гидростатического давления происходит сжатие газовых включений, так что в донной части скважины будет формироваться заряд с плотностью, близкой к плотности матрицы эмульсии. Поэтому необходимо было определить критический диаметр заряда эмульсионной матрицы. Соответствующие экспериментальные данные представлены на рис. 9.

Расчет по этим данным и по формуле (11) показал, что действительно для матрицы эмульсии ¿¡кр = 0,5...0,55 м в зависимости от степени эмульгирования.

Учитывая изложенные выше зависимости с1ю> от плотности ЭВВ (10), установлено, что для этих ЭВВ диаметром 220 мм предельное значение плотности составляет 1,28 г/см3. На рис. 4 соответствующая область значений плотности ЭВВ, при которых их детонация будет неэффективна, заштрихована.

б. Оценка скорости детонации в удлиненных зарядах ЭВВ

Для давления Рж в пике детонационной волны (точка Жуге) установлено соотношение:

где D - скорость детонации, м/с; п - показатель изоэнтропы ПД. Следовательно, наибольшее дробление горных пород взрывом имеет место при максимальной скорости детонации.

Схема опытов по определению зависимости Б от р для ЭВВ представлена на рис. 10, их результаты - на рис. 11. На рис. 12 показана зависимость максимальной скорости детонации от диаметра заряда. Как видно из рисунка, что при диаметрах зарядов более 100 мм скорость детонации ЭВВ будет максимальной при относительной плотности ЭВВ Следовательно, можно ожидать, что при этих параметрах зарядов ЭВВ процесс дробления горных пород взрывом этих зарядов будет наиболее эффективен.

Чтобы убедиться в этом, в лабораторных условиях была проведена еще одна серия опытов по оценке работоспособности зарядов ЭВВ.

в. Оценка работоспособности зарядов ЭВВ разных конструкций Работоспособность взрывчатых смесей ЭВВ оценивали по известному методу путем определения объема воронки выброса, формирующейся при взрыве этих зарядов в песке.

Опыты проводили с зарядами разных конструкций: сплошные, комбинированные, слоевые, комбинированные коаксиальные (рис. 13).

Заряды размещали в пробуренных шпурах диаметром 100 мм в песчаном бассейне так, чтобы расстояние от центра заряда до свободной поверхности всегда было равно 0,7 м.

После взрыва заряда измерялась глубина и диаметр образованной воронки выброса, затем рассчитывали ее объем по формуле где г -радиус воронки, /г - высота конической части полости. Работоспособность каждого ВВ определялась, как среднее значение по опытным взрывам. Некоторые результаты этих опытов представлены в табл. 3.

В этой же таблице приведены значения удельной работоспособности у испытанных зарядов ВВ. Анализ величины удельной работоспособности показывает, что для всех рассматриваемых типов зарядов (схем зарядов) с диаметром г/ > удельная работоспособность с погрешностью не более

10% одинакова и имеет среднее значение 7^=0,2 см3/Дж (рис. 14). Это позволяет оценить эффективность применения зарядов рассмотренных конструк-

(12)

ций ВВ в разных горно-геологических условий карьеров. Предполагали, что эффективность дробления ими горных пород будет одинакова при равных энергиях зарядов.

Кроме того, эффективность ЭВВ оценивали еще по их относительной работоспособности.

В качестве критерия было принято отношение масс зарядов эталонно -го ВВ к исследуемому при взрыве которых образуются воронки

одинакового объема.

В качестве эталонного ВВ был принят аммонит 6ЖВ. Калибровочная кривая при взрывании зарядов аммонита 6ЖВ различной массы представлена на рис. 15. Исследовались следующие ВВ: ТНТ, "сибирит-1200", гранулированное ВВ, "гранулит-НП" и их смеси. Результаты оценок относительной работоспособности представлены в табл. 3.

При использовании ЭВВ в реальных взрывных работах учитывали зависимость работоспособности ЭВВ от относительной плотности заряда рота: Ротн =Рэвв/Рмт • гДе Рмт —абсолютная плотность матрицы эмульсии (рис. 16).

Изложенный выше цикл исследований впервые позволил дать рекомендации по конструкции зарядов ВВ для дробления горных пород на высоких уступах при различных по высоте скважины свойствах горных пород и горно-геологических условиях, формируя по колонке заряда участки с разной энергией и обеспечивая их эффективное воздействие на горные породы с учитом плотности ВВ, критического диаметра заряда, скорости детонации и работоспособности.

2. Методика определения рациональных параметров конструкций зарядов ЭВВ

1. Определяют горно-технические условия ведения взрывных работ.

1.1. Фиксируют высоту уступа Н, глубину скважин -Ее которая с учетом

длины перебура Н + Ь„б.

1.2. Рассчитывают длину заряда - длина забойки

1.3. В соответствии с применяемой или предполагаемой к применению

буровой техникой определяют диаметр заряда

2. Горно-геологические условия ведения взрывных работ.

2.1По степени обводненности пород определяют вид ЭВВ на разных участках скважины.

2.2На основании данных о прочностных свойствах пород по глубине блока и энергии частей зарядов на разных участках определяют радиусы Ьо зон регулируемого дробления.

2.3До ¿о проектируют параметры сетки скважин на блоке.

3. Обеспечение эффективности взрывного дробления пород.

3.1.По£,р и принятому типу ВВ определяют плотность заряжания ЭВВ в устье скважины.

3.2Дроверяют плотность заряжания в донной части скважины. ЕЕ значение не должно превышать критических значений. Если превышает, то исходная плотность должна быть уменьшена.

3.3 Оценивают относительную плотность заряда ЭВВ по длине скважины и устанавливают величину, с учетом с1зр , скорости детонации в различных частях заряда. Если относительная плотность ЭВВ в некоторых частях заряда при принятых параметрах заряжания не соответствует ее оптимальным значениям, то изменяют параметры заряжаемого ВВ.

4. В случае необходимости в соответствии с требованиями по технике безопасности, охране окружающей среды, экологическими и другими могут быть дополнительно рассмотрены вопросы изменения схем и средств инициирования зарядов.

В диссертации приведены примеры разработки конструкций зарядов для ряда горных предприятий и результаты применения этих зарядов при опытно-промышленных взрывах. В автореферате приведены только три примера.

3. Опытно-промышленные экспериментальные исследования дробления горных пород взрывом зарядов с применяемыми и рекомендованными параметрами 3.1. Взрыв на разрезе "Сибиргинский" ОАО "Взрывпром Юга Кузбасса" Опытный взрыв на вскрышном уступе был проведен 24 апреля 2003 г. Весь блок был разделен на две равные части. Одна его половина была заряжена "гранулитом-НП" с серийно-применяемыми параметрами БВР. Другая половина блока была заряжена в соответствии с рекомендованными параметрами. Схемы инициирования зарядов были одинаковыми с использованием СИНВ-С при замедлении на поверхности в 30 мс, а внутри скважины 450 мс. Обратное инициирование зарядов в обеих частях блока было проведено одновременно по диагональной схеме с углом наклона диагоналей к бровке уступа, равным

Для опытно-промышленного взрыва были рекомендованы следующие параметры конструкций зарядов.

Нижнюю часть заряда длиной 25 м заряжали "сибиритом-2500РЗ" коаксиальной конструкции, в котором содержание эмульсии составляло 25%, что обеспечивало снижение на 70% растворимости этого ВВ по сравнению с "гранулитом-НП". Плотность заряжания "сибирита" составляла 1,05 г/см3, а плотность "гранулита-НП" - 0,97 г/см3. Верхнюю часть заряда длиной 12 м заряжали "гранулитом-НП" плотностью 0,97 г/см3. При этих параметрах зарядов плотность ЭВВ в донной части скважины составляла 1,27 г/см3.

При этом в соответствии с установленными закономерностями (7)-(9) по всей длине заряда будут формироваться максимальная скорость детонации (см. рис. 12) и максимально-возможное давление ПД в пике детонационной волны. Фотопланометрическая оценка степени взрывного дробления пород представлена в табл. 4, а кумулятивные кривые на рис. 17. Результаты опытно-промышленного взрыва с серийными и рекомендованными параметрами БВР приведены в табл.5.

В результате применения рекомендованных параметров увеличились технико-экономические показатели БВР за счет снижения себестоимости работ по следующим видам:

1. В результате уменьшения объема бурения на 22% получен экономический эффект 33840 руб.

2. От снижения удельного расхода и массы зарядов ЭВВ на 22,8 т, был получен экономический эффект на сумму 5000 руб.

3. Был полностью исключен процесс разделки негабарита, что позволило получить экономический эффект на сумму 15 000 руб.

4. В результате повышения производительности экскавации драглайнами экономический эффект составил 4000 руб.

5. Таким образом, общий экономический эффект от предложенных конструкций зарядов на опытном блоке составил 57,84 тыс. руб.

3.2 Взрыв на разрезе "Красногорский" ОАО "Южный Кузбасс"»

Взрыв был проведен 22 апреля 2003 г. Весь блок разделен на две равные части по 60 м. Правая сторона блока по высоте состояла из двух типов пород. Его нижняя часть блока была представлена крутопадающей прослойкой крупноблочного песчаника могцностью 5-15 м с коэффициентом крепости пород £=12-13 по М.М.Пртодьяконову, а верхняя часть-алевролитом с коэффициентом крепости пород £==7-8.. Обводненность составляла порядка 07%. На этой стороне блока для взрывного дробления пород были применены комбинированные слоевые заряды нижняя часть которых (примерно 2/3 заряда) была "сибиритом-2500 РЗ" с исходной плотностью 1,1 г/см3, верхняя часть заряда - "гранулитом-НП" с плотностью 0,97. Левая сторона блока представлена алевролитом с коэффициентом крепости 1=7-8 по М.М.Протодьяконову. Эта часть блока заряжалась "гранулитом-НП". В обоих случаях применялось обратное инициирование зарядов с использованием СИНВ-С-450 при замедлении па поверхности 30 мс. Схема инициирования зарядов была диагональной при угле наклона диагоналей к бровке уступа равной ф=45°. Результаты опытно-промьшленных взрывов с принятыми и рекомендованными параметрами буровзрывных работ приведены в таб.5. Фотопланометрическая оценка степени взрывного дробления пород представлена в табл. 6, а кумулятивные кривые на рис. 18.

В результате применения рекомендованных параметров БВР получено повышение их ТЭП за счет снижения стоимости работ по следующим видам:

1. Объем бурения уменьшился на 35%, что дало экономический эффект на сумму 65 000 руб.

2.Уменыпились удельный расход и масса зарядов ЭВВ на 50 т, что дало экономический эффект на сумму 77 тыс. руб.

Таким образом, общий экономический эффект предложенных конструкций зарядов на опытном блоке составил 142 тыс. руб.

3 3. Взрыв на разрезе «Междуреченский» ОАО «Междуречье»

При серийном взрывании использовали грапулотол при сетке скважин 6x6 м. При этом средний размер кусков во взорванной горной массе составлял ёср= 23,6 см, выход негабарита был равен 1,5 %.

Опытный взрыв на разрезе «Междуреченский» был выполнен 16 октября 2002 г. Взрываемый блок был разделен на две части: северную и южную. Обводненность пород в северной части составляла порядка 50 %, а в южной части - 10-15 %.

В северной части блока скважины (общим числом в ПО шт.) заряжали «сибиритом-1200» с исходной плотностью 1 г/см3. В южной части блока нижнюю половину скважин (156 шт) заполняли «сибиритом-1200». По истечении некоторого времени после дренирования воды, когда вода над зарядом «сибирита» уходила, вторую половину скважин засыпали «гранулитом-НП».

В процессе формирования колонки заряда устанавливали инициаторы «сибирит-П», которые были соединены при помощи СИНВ-С-450. Схема была диагональной в виде вруба. Одна часть блока была заряжена «сибири-том-1200», а другая комбинированным зарядами.

Результаты опытно-промышленных взрывов с принятыми и рекомендованными параметрами буровзрывных работ приведены в табл.5. Фотопла-нометрическая оценка степени взрывного дробления пород представлена в табл. 7, а кумулятивные кривые - на рис. 19.

В результате применения рекомендованных параметров БВР увеличились их технико-экономические показатели за счет снижения стоимости следующих видов работ:

1. Объем бурения уменьшился на 2457 п. м. При себестоимости бурения одного погонного метра 40 руб. экономический эффект от снижения объема буровых работ составил 98 тыс. руб.

2. Повышение степени дробления песчаника в северной части блока привело к увеличению эффективности работы драглайна. Экономический эффект при этом составил 12 тыс. руб.

3.3а счет применения более дешевого ВВ экономический эффект

Сэф= 125(21-3)+375(21-7) = 7500тыс.руб.

Таким образом, в результате применения рациональных конструкций зарядов и ЭВВ при опытно-промышленном взрыве на разрезе «Междуречен-ский» получен общий экономический эффект 7700 тыс. руб.

4. Анализ результатов опытно-промышленных взрывов

Таким образом установлено, что процесс дробления горных пород в описанных выше промышленных и опытно-промышленных взрывах зарядов ВВ определяется не энергонасыщенностью массива Эн и не волновыми напряжениями, а квазистатическими напряжениями формируемыми в породах взрывными волнами и рассчитанными по модели ФКСВ.

При этом впервые установлен обобщающий критерий определяющий степень дробления горных пород взрывом зарядов промышленных ВВ (рис.20):

где -длина заряда с одним типом ВВ, - длина заряда с другим типом ВВ

=0,5(а| +¿1), (14)

0^=0,5(02+62), (1.5)

"1=%КУ Ъх=%ь„у ~аг=%ь,у ~Ьг=%ь0у

где а,, аг, 6,, Ь2- параметры сетки скважин на участках заряда с разными типами ВВ.

* Разработан совместно с проф., д-р.техннаук. Г.МКрюковым

Этот критерий зависит от физико-технических свойств пород, типа применяемого ВВ, конструктивных параметров зарядов и параметров сетки скважин (табл. 8).

После успешного проведения опытно-экспериментальных взрывов и анализа результатов взрывного дробления пород разработанные конструкции и типы зарядов ЭВВ были рекомендованы к промышленному применению на разрезах «Междуреченский», «Сибиргинский», «Красногорский», «Томусин-ский», «Ольжерасский», «Калтанский», «Осинниковский», «Таллинский». Соответствующие параметры БВР приведены в табл. 9.

Во всех рассмотренных выше опытно-промышленных взрывах технико-экономические показатели были выше, чем при серийном взрывании.

Заключение.

В диссертации дано решение новой актуальной задачи - установление влияния конструктивных параметров зарядов ЭВВ в глубоких скважинах на высоких уступах карьеров и параметров сетки скважин на процесс дробления горных пород взрывом этих зарядов. Применение рассматриваемого технического решения позволяет повысить эффективность взрывного дробления и БВР на вскрышных работах при использовании глубоких скважин.

По результатам выполненных исследований сформулированы следующие основные выводы.

1. Установлены обобщающие закономерности дробления горных пород взрывом зарядов промышленных ВВ в зависимости от физико-технических свойств пород, применяемого ВВ и конструктивных параметров зарядов и сетки скважин.

2. Установлен обобщающий критерий для оценки степени дробления пород взрывом зарядов промышленных ВВ, в котором учтены свойства пород, детонационные характеристики ВВ и параметры зарядов.

3. Установлены закономерности изменения взрывчатых свойств (критический диаметр, скорость детонации, работоспособность) ЭВВ в зависимости от диаметра и глубины скважин, от состава ЭВВ и исходной плотности заряжания.

4. Разработана методика последовательного расчета рациональных параметров конструкций зарядов ЭВВ для разных горно-геологических и горнотехнических условий, обеспечивающих эффективное дробление горных пород взрывом удлиненных зарядов ЭВВ в глубоких скважинах.

5. Разработаны согласно предложенной методики и переданы горным предприятиям параметры зарядов и сетки скважин для взрывного дробления пород высоких вскрышных уступов. Например, для дробления пород V кате-

гории трещиноватости крепостью 12-14 по шкале проф. Протодьяконова и с обводненностью 5-6 % на уступе высотой 35-40 м взрывом глубоких сква-жинных зарядов их конструктивные параметры должны быть следующими:

нижняя часть скважины порядка 20 м должна быть заряжена «сиби-ритом-2500РЗ» с исходной плотностью 1,05 г/см3;

верхняя часть скважин должна быть заряжена «гранулитом-НП» с исходной плотностью 0,97 г/см3;

при диаметре скважин 220 мм параметры сетки скважин должны быть равны 5x6 м;

инициирование зарядов должно осуществляться СИНВ-С при замедлениях: на поверхности- 30 мс, внутри скважины - 450 мс.

6. Разработанные рекомендации и методика определения рациональных параметров конструкций зарядов ЭВВ предложены в ОАО «Междуречье» (разрез «Междуреченский»), ОАО «Южный Кузбасс» (разрезы «Красногорский», «Томусинский»), ОАО «Взрывпром Юга Кузбасса» (разрезы «Сибиргинский», «Ольжерасский»), ОАО «Торговый Дом Сибирский Уголь» (разрезы «Калтанский» и «Осинниковский»).

7. По разработанным параметрам БВР были проведены в 2002-2003 гг. опытно-промьшленные взрывы на угольных разрезах юга Кузбасса («Меж-дуреченский», «Сибиргинский», «Красногорский») в результате чего получен экономический эффект составил 7900 тыс. руб.

Основные положения опубликованы в следующих работах:

1. Жученко Е.И., Иоффе В.Б., Кукиб Б.Н., Сундуков И.Ю., Оверченко М.Н. Применение эмульсионных ВВ, сенсибилизированных методом газификации, в глубоких скважинах. Безопасность труда в промышленности, М., 2002, № 11, с.30-32.

2. Жученко Е.И., Иоффе В.Б.., Кукиб Б.Н., Сундуков И.Ю., Фролов А.Б., Оверченко М.Н. Оценка относительной работоспособности современных промьппленных взрывчатых веществ.

Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня, 2003, №5. М., МГГУ, 2003.

3. Оверченко М.Н. Плотностные характеристики эмульсионных взрывчатых веществ.

Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня, 2003, №5. М., МГГУ, 2003.

4. Жученко Е.И., Иоффе В.Б., Кукиб Б.Н., Оверченко М.Н. Влияние плотности на критический диаметр детонации эмульсионных взрывчатых веществ.

Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня, 2003, №5. М., МГГУ, 2003.

5. Жученко Е.И., Иоффе В.Б., Кукиб Б.Н., Сундуков И.Ю., Оверченко М.Н. Методика заряжания глубоких скважин эмульсионными взрывчатыми веществами. - Физические проблемы разрушение горных пород. (Труды Ш международной научной конференции 9-14 сентября 2002г. г.Абаза).-Новосибирск. Наука, 2003 -290стр.

Приложения

Таблица 1

Классификация горных пород на угольных разрезах юга Кузбасса

№ п/п Условное наименование горных пород Минеральный состав Крепость f Сопротивление на сжатие Сс*, Мпа Трещиноватость м

1 Легковзрываемые Мелхоблочный 5-7 до 60 до 0,6

алевролит, аргелиг

2 Средневзрываемые Алевролит 7-10 60-90 0,7-1,3

3 Средне- Песчаник трещи- 10-12 90-120 1-1,9

трудновзрываемые новатый ■

4 Трудновзрываемые Песчаник, конг- 12-14 120-150 1,5-2,9

ломерат

Таблица 2

Показатели изменения плотности «сибирита-1200» от давления

Иэбшчэчное давление, атм Гил определения Плотность «сибирита-1200», т/см3

0 0.8 09 1.0 105 1 10 1,15 1,20 1,25

0,7 Эксперимент 0,95 1,02 1.И 1,15 1.18 1,22 1,25 1,28

расчет теор 0,957 1,03 1,115 1.15 1,185 1,218 1,25 1,282

2 Эксперимент 1,09 1,15 1.19 1,22 1,24 1,26 1,27 1,29

Растеттеор 1,089 1,148 1,197 1,222 1,243 1,264 1,28 1,30

3 Эксперимент 1.14 1.19 1,23 1,25 1.26 1,275 1,28 -

расчет теор. 1,142 1,187 1,228 1,248 1,264 1,28 1,29 -

4 Эксперимент 1,175 1,212 № 1,26 1,27 1,285 - ■

расчет теор 1,176 1,214 1,248 1,263 1,276 1,289

5 Эксперимент 1.19 1,231 1.26 1,27 1,28 1.295 - -

расчет теор. 1,199 1,231 1,261 1,274 1,285 1,295

Работоспособность различных видов ВВ и конструкций

№ Конструк- ТипВВ Масса Объем Относи- Теплота Энер- Удельная

ция заряда т, кг воронки выброса м3 тельная работоспособность взрыва, кДж/кг гия заряда ЭхЮ", Дж работоспособность, V Y=—7Г, m-Q см3/Дж

1 Сплошной Аммонит 6ЖВ 1,646 1,52 Эталон 4309,52 7,093 0,21

2 Сплошной Аммонит 6ЖВ 1,690 1,3 Эталон 4309,52 7,28 0,18

3 Сплошной ТНТ 1,69 1,21 0,69 3642 6,15 0,2

4 Сплошной Сибирит-1200 1,370 1,01 0,73 3466,73 4,75 0,18

5 Сплошной Гранулиг-НП 1,69 0,51 0,5 3769,2 6,37 0,08

6 Сплошной Гранулит-НП 1,616 1,13 0,755 3769,2 6,09 0,19 '

7 Коаксиальный ЭВВ 32% ГравулитНП 68% ГАС 1,752 1,11 0,68 3352 5,87 0,19

8 Коаксиальный ЭВВ 32% ГранулитНП 68% ПАС 1,747 1,28 0,98 3352 5,86 0,22

9 Слоевой (б) ЭВВ 32% Гранулит-НП 68% ПАС 1,775 1,07 0,63 3352 5,35 0,18

Таблица 4

Зависимость кусковатости взорванной горной массы от типа ВВ

ТипВВ. Выход фракций (%) Гранулометрического состава, мм Средний размер куска взорванной горной массы, dq,, см

менее ОД * 0,20,4 м 0,40,6 м 0,60,8 м 0,81,0 м 1- U м

2/3 сибирит-2500РЗ 1/3 гранулит-НП 80 14,2 5,8 " " 15,2

гранулит-НП 27,2 26,3 17,1 15,4 10,1 3,9 47,94

Горнотехнические свойства пород, тип ВВ и результаты их взрывного дробления при серийных и рекомендованных параметрах ЕВР на некоторых разрезах юга Кузбасса.

№п/п Параметры блока Участки блока Свойства пород Тип ВВ и параметры заряда Сетка скважин м V«. %

н, м В, м Цм Н,м В, м ь, м Рэар, г/см3 ЬхЮ Па С^хМ м/с f ВВ £зб> м £ябр> м ?!р> М а, м ь, м

Разрез «Сибиргинский» породы, песчаник.

1 40 45 100 35 45 50 2,8-3 6,5 4,5 12-14 Гранулит-НП 6 3 32 5 5 47,94 14,0

2 35 45 50 2,8-3 6,5 4,5 12-14 2|3 Сибирит-2500 РЗ 6 2 21 6 6 15,2 —

1/3 Гранулиг-ПП 10

Разрез «Красногорский» породы, песчаник, алевролит

3 33 55 120 33 45 60 2,5-2,8 3,5-5 3,5-4 7-8 Гранулит-НП 6 3 30 5 5 43,8 0,9

•4 33 45 60 2,5-2,8 6,5-7 4,5 12-13 2|3 Сибираг-2500 РЗ 6 2 20 5 6 35,6 —

2,3-2,5 3,5-5 3,5-4 7-8 1/3 Гранулит-НП 9

Разрез «Междуреченский» породы, песчаник

5 46 60 200 46 60 100 2,43-2,52 4-5 3,741 9 Эибирит-1200 7 2 41 6 6 12,7 —

6 46 60 100 2,43-2,52 4-5 3,741 9 Комб 0,5гранулит-Т!П 7 2 20 6 6 28,9 1

0,5 сибиртЧ200 20

7 26 40 120 26 40 120 2,43-2,52 4-5 3,7-4,1 9 Гранулотол 6 3 20 6 6 23,6 1,5

*-верхняя строчка соответствует песчанику, нижняя строчка алевролиту. Диаметр скважин составлял 220 мм.

Таблица. 6

Зависимость кусковатости взорванной горной массы от типа ВВ_

Тип ВВ. Выход фракций (%) Средний

Гранулометрического состава, мм размер куска

ме- 0,2- 0,4- 0,6- 0,8- 1- более взорванной

нее 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,2 горной массы,

0,2 н м м М м м м ¿о, см

2/3 сибирит-2500РЗ 45,2 34,2 15,8 4,8 — — - 35,6

1/3 гранулит-НП

гранулит-НП 17,6 46,2 23,5 11,8 0,9 — — 43,8

Таблица 7

Зависимость кусковатости взорванной горной массы от типа ВВ_

Тип ВВ. Выход фракций (%) Средний

гранулометрического состава, мм размер куска взо-

ме- 0,2- 0,4- 0,6- 0,8- 1- бо- рванной горной ,

нее 0,2 м 0,4 0,6 0,8 1,0 и лее массы,

м ы м м м и м <1ср,СМ

Сибирит-1200 88 10,2 1,8 12,76

Комбинированный 32,2 46,3 17,1 3,4 1 — — 28,91

Таблица 8

Расчетные значения относительного критерия степени дробления

№п/п К а Ь Оср Ьср а2

1 1,54 1,61 1,61 1,61 1,61 1,61

2 2,64 1,14 1,14

1,54 1,08 1,0 8 1,11 1,11 1,11

3 1,99 1,26 1,26 1,26 1,26 1,26

4 1,99 1,26 1,51

2,64 0,95 1,14 1,04 1,25 1,14

5 3,3 0,9 0,9

4,27 0,7 0,7 0,8 0,8 0,8

6 1,8 1,66 1,66

3,8 0,79 0,79 1,22 1,22 1,22

7 3,79 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

Рациональные параметры БВР в различных пародах.

Характерные типы пород, параметры буровзрывных работ Тип применяемых ВВ

Сибирит-2500РЗ Сибирит-1200

Глубина скважин, м Удельный расход ВВ, кг/кг Длина забойки, м Длина заряда, м Масса заряда ВВ, кг Параметры расположения Сетки скважин, м Легковзрываемые породы

а Ь а Ъ

20-50 0,5-0,63 8-13 12-37 490-1550 7x8 1,0 1,15 20-50 0,55-0,7 7-12 13-38 540-1710 8x8 0,9 0,9

Глубина скважин, м Удельный расход ВВ, кг/м Длина забойки, м Длина заряда, м Масса заряда ВВ, кг Параметры расположения Сетки скважин, м Средневзрываемые породы

20-50 0,63-0,75 6,5-8 13,5-42 610-1800 7x7 1,03 1,2 20-50 0,7-0,85 5-7 15-43 680-1950 7x8 0,9 1,03

Глубина скважин, м Удельный расход ВВ, кгДг Длина забойки, м Длина заряда, м Масса заряда ВВ, кг Параметры расположения Сетки скважин, м Средне- и трудновзрываемые породы

20-50 0,75-0,8 5-6 14-44 630-1960 6x6 1,17 1,17 20-50 0,85-0,95 7-13 13-37 670-2080 7x7 1,03 1,03

Глубина скважин, м Удельный расход ВВ, кг/кг Длина забойки, м Длина заряда, м Масса заряда ВВ, га-Параметры расположения Сетки скважин, м Тгрудновзрываемые породы

20-50 0,83-0,9 5-5,8 15-44,2 600-1900 5x6 1,06 20-50 0,9-1,0 4-5,5 16-44,7 650-2100 6x7 0,95 1,11

к

80 60 40 20 0

}

1 /

/ /

/

О 200 400 600 600 1000 1200 1400

^нм

Рис. 17. Кумулятивные кривые грансостава

1- 2/3 «сибирит-2500РЗ», 1/3 заряда «гранулит-НП»,

2-«гранулит-НП».

1

/ А

/ /

/ / >

/

/

/ /

А •

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

I, ММ

Рис. 18. Кумулятивные кривые грансостава

]-2/3-«сибирит-2500РЗ»,1/3-«гранулит-НП» 2-«1ранулит-НП».

d„,cM

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Imm

♦ /

♦ /

*/ ♦

Рис. 19. Кумулятивные кривые грансостава 1-«сибирит-1200», 2-граяуяит-НП.

Рис. 20. Зависимость среднего диаметра куска взорванной горной массы от относительного критерия степени дробления

Подписано в печать 05.02.2004. Формат 60x90/16. Бумага офсетная п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1162

ИЗДАТЕЛЬСТВО

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 от 30.06.98 г. Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД № 53-305 от 05.12.97г.

119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (095) 236-97-80;факс(095) 956-90-40

i-5212

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Оверченко, Михаил Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТ (ЭВВ) ПРИ ВЗРЫВНОМ ДРОБЛЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД НА КАРЬЕРАХ.

1.1. Анализ применения порэмитов для взрывного дробления горных пород на карьерах.

1.2. Опыт дробления горных пород взрывом с применением эмульсионных ВВ.

1.3. Анализ эффективности применения «сибиритов» для взрывного дробления горных пород на карьерах.

1.3.1. Взрывчатые вещества "сибириты".

1.3.2. Оборудование для производства «сибиритов».

1.3.3. Доставочные и смесительно-зарядные машины.27 1.3.4 Анализ применения «сибиритов» при взрывном дроблении горных пород на карьере.

2. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ ЗАРЯДОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВВ.

2.1. Модель камуфлетного взрыва сосредоточенного заряда.

2.2. Модель камуфлетного взрыва удлиненного заряда.

2.3. Процесс деформирования и разрушения пород по модели ФКСВ.

3. ВЗРЫВЧАТЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭВВ.

3.1. Определение физической стабильности эмульсионных матриц.

3.2. Определение физической стабильности эмуланов различного состава.

3.3. Определение водоустойчивости эмуланов.

3.4. Оценка плотности ЭВВ от состава и глубины скважины.

3.4.1. Зависимость плотности ЭВВ от их состава.

3.4.2. Изменение плотности ЭВВ с увеличением давления.

3.4.3. Оценка изменения плотности ЭВВ по высоте скважин.

3.5. Оценка взрывчатых свойств ЭВВ.

3.5.1. Оценка критического диаметра зарядов ЭВВ.

3.5.2. Оценки скорости детонации в удлиненных зарядах ЭВВ.

3.5.3 Оценка работоспособности зарядов ЭВВ разных конструкций.

3.6 Методика определения рациональных параметров конструкций зарядов ЭВВ.

4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ ЗАРЯДОВ ЭВВ.

4.1. Экспериментальный взрыв на разрезе "Сибиргинский" ОАО «Взрывпром Юга Кузбасса».

4.2. Опытный взрыв на разрезе "Красногорский"

ОАО «Южный Кузбасс».

4.3. Опытно-промышленный взрыв на разрезе «Междуреченский» ОАО «Междуречье».

4.4. Опытно-промышленный взрыв на ОАО «Торговый Дом Сибирский Уголь» разрез «Калтанский».

4.5. Опытно-промышленный взрыв на Кия-Шалтырском нефелиновом руднике.

4.6 Анализ результатов опытно-промышленных взрывов.

4.6.1. Оценка влияния энергии зарядов на эффективность дробления горных пород взрывом.

4.6.2. Оценка изменения напряжений во взрывных волнах с удалением от зарядной полости.

4.6.3. Оценка размеров зоны регулируемого дробления по модели ФКСВ.

4.7. Технико-экономические показатели БВР.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Рациональные конструкции зарядов эмульсионных ВВ, обеспечивающие эффективное дробление горных пород на высоких уступах карьеров"

В настоящее время при ведении открытых горных работ обострилась ситуация с подготовкой добычных уступов для разработки полезных ископаемых из-за резкого отставания вскрышных работ и с перспективным развитием горных работ они будут только увеличиваться. Поэтому, в горнодобывающей промышленности встала очень важная задача: существенно интенсифицировать ведение вскрышных работ.

Одним из наиболее эффективных путей решения указанной задачи является осуществление взрывного дробления горных пород на высоких (до 50 метров) уступах. Стоимость БВР в этом случае достигает 70% стоимости всех вскрышных работ.

Существенное снижение затрат на производство взрывных работ может быть достигнуто посредством использования эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ), стоимость которых в кратное число раз меньше стоимости обычных водоустойчивых промышленных ВВ. Кроме того, ЭВВ имеют еще одно очень важное преимущество: их изготавливают на местах производства взрывных работ, вследствие этого существенно снижаются затраты на транспортирование ВВ и повышается безопасность при обращении с ними.

Эмульсионные ВВ состоят в основном из водного раствора неорганического окислителя, который в виде капелек представляет дисперсную фазу, и жидкого горючего, являющегося непрерывной фазой. Первые ЭВВ в своем составе раствора окислителя содержали растворы нитратов, перхлоратов и хлоратов аммония, щелочных металлов и редкоземельных элементов. Наиболее часто использовали аммиачную селитру отдельно или в смеси с другими селитрами. Взрывчатые характеристики ЭВВ изменялись путем различной их газификации.

Первые опытно-промышленные взрывы зарядов ЭВВ были проведены в конце 80-х годов и в целом дали обнадеживающие результаты.

Впоследствии были проведены работы, позволившие упростить технологию изготовления ЭВВ и конструкции соответствующего оборудования, которые с 1990 года начали интенсивно внедряться в промышленность.

Основной особенностью при производстве эмульсионных ВВ является формирование в матрице эмульсии «горячих точек», которые при инициировании являются центрами детонации ЭВВ. В разработанные эмульсионные составы для обеспечения необходимой чувствительности вводились различные сенсибилизаторы ("горячи точки") в виде полых стеклянных микросфер, пористой аммиачной селитры и т.д.

В 90-х годах удалось обеспечить сенсибилизацию ЭВВ микропузырьками азота, образующихся химическим путем при реакции нитрита натрия с тиомочевиной в процессе охлаждения эмульсии. Тогда же появились первые самые дешевые ЭВВ — порэмиты, которые использовались при взрывном дроблении горных пород на карьерах.

Вместе с тем, при изготовлении порэмитов произошло несколько преждевременных взрывов, что потребовало существенного улучшения техники и технологии изготовления ЭВВ, основой которых явилось применение специальных газогенерирующих добавок.

Кроме того, применение этих добавок привело к снижению стоимости ЭВВ.

Опытно-промышленное и промышленное ведения взрывных работ с применением ЭВВ, имеющие газогенерирующие добавки на карьерах позволили существенно снизить себестоимость взрывных работ и повысить их технологичность.

Вскрышные породы угольных разрезов Кузбасса представлены конгломератами, песчаниками, алевритами и аргиллитами с разными прочностными свойствами, поэтому и энергия необходимая для их дробления должна существенно различаться.

Однако применение указанных ВВ при взрывном дроблении горных пород на высоких уступах не всегда было эффективно — часто имели место недостаточная степень дробления горной массы и формирование высоких порогов, что было обусловлено изменением взрывчатых свойств ЭВВ с увеличением глубины скважин. Хотя, в принципе, применение ЭВВ с газогенерирующими добавками является очень перспективным. Но для этого необходимо было знать закономерности изменения физических и взрывчатых свойств «сибиритов» по высоте глубоких скважин.

Поэтому установление влияния конструктивных параметров зарядов ЭВВ в глубоких скважинах высоких уступов карьеров и параметров сетки скважин на качество дробления горных пород взрывом этих зарядов является актуальной научной задачей.

Цель работы. Разработка способа взрывания высоких уступов для повышения эффективности взрывного дробления горных пород при использовании ЭВВ типа "сибирит" путем приведения в соответствие их детонационных характеристик по высоте скважинного заряда с прочностными свойствами горных пород.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей изменения детонации ЭВВ в зависимости от конструктивных параметров зарядов при различной глубине скважин для рационального распределения их энергии по высоте взрываемого блока.

Новизна работы заключается в: -установлении обобщающей зависимости среднего размера куска взорванной горной массы от механических свойств горных пород, термодинамических и конструктивных параметров зарядов ЭВВ для высоких уступов;

-установлении закономерностей детонации зарядов ЭВВ от содержания компонентов, степени газогенерации, глубины скважин и диаметра последних.

Методы исследований: анализ и обобщение результатов предшествующих исследований, полигонные и промышленные эксперименты, обработка опытных данных статистическими методами.

Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна.

1. Впервые установлен обобщающий критерий позволяющий оценивать степень дробления горных пород взрывом удлиненных зарядов в зависимости от свойств пород, типа ВВ и параметров сетки скважин. При этом установлена обобщающая зависимость среднего размера куска взорванной горной массы от а-^.

2. Впервые установлена закономерность изменения плотности ЭВВ типа "сибирит" по глубине скважины в зависимости от содержания компонентов и степени их газогенерации, что позволяет задавать для этих ЭВВ исходную плотность заряжания, обеспечивающую эффективную детонацию зарядов по всей их длине.

3. Установлены критические значения плотности ЭВВ типа "сибирит" при разных диаметрах зарядов, размещенных в скважинах высоких уступов.

4. Установлены закономерности изменения скорости детонации "сибиритов" в зависимости от диаметра и плотности зарядов. Новизна полученных результатов заключается в определении области значений этих параметров соответствующих максимальным значениям скорости детонации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- удовлетворительным согласованием теоретических расчетов изменения плотности зарядов ЭВВ с изменением их состава и гидростатического давления (различия опытных и теоретических данных не превышают 1%);

- надежным экспериментальным определением скорости детонации ЭВВ, при котором погрешность ее значений составляет не более 10% при вероятности Р=0,9;

- надежным определением работоспособности ВВ по воронке выброса, при котором ее значений составляет не более 10% при вероятности Р=0,95;

- положительными результатами, полученными при производстве опытно-промышленных взрывов с рекомендованными параметрами конструкций зарядов ВВ при ведении вскрышных работ на угольных разрезах юга Кузбасса.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей дробления горных пород высоких уступов карьеров при разных горно-геологических условиях в зависимости от плотности, состава зарядов ЭВВ и параметров сетки скважин.

Практическое значение работы заключается в установлении рациональных параметров сетки скважин и конструкций зарядов ВВ для глубоких скважин, обеспечивающих качественное дробление горных пород высоких уступов.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Научные результаты, рекомендации и методика, разработанные автором, включены в типовые проекты буровзрывных работ на угольных разрезах Кузбасса и внедрены в производство. Экономический эффект от их внедрения составил ~500 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований были доложены и получили одобрение: на третьей международной конференции "Физические проблемы разрушения горных пород" (Абаза, 2002 г.), на международных симпозиумах "Неделя горняка" (Москва, МГГУ, 2003 и 2004 гг.), на научных семинарах в ЗАО "Нитро Сибирь" (Москва, 2002 и 2003 гг.), МГГУ (Москва, 2003 г.), на техническом совете ЗАО "Сибирит-1".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Оверченко, Михаил Николаевич

Выводы:

1.Bo всех опытно-промышленных взрывах при ведении БВР с рекомендованными параметрами конструкций зарядов и сетки скважин получены улучшение степени дробления горных пород взрывом скважинных зарядов ЭВВ и нулевой выход негабарита.

2. Оценка размеров зоны регулируемого дробления пород взрывом зарядов по модели ФКСВ согласуется с результатами опытно-промышленных взрывов.

3. Установлен обобщающий критерий аъ для оценки степени дробления горных пород взрывом удлиненных зарядов в зависимости от свойств пород и термодинамическими параметрами ЭВВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение новой актуальной задачи - установление влияния конструктивных параметров зарядов ЭВВ в глубоких скважинах на высоких уступах карьеров и параметров сетки скважин на процесс дробления горных пород взрывом этих зарядов. Применение рассматриваемого технического решения позволяет повысить эффективность взрывного дробления и БВР на вскрышных работах при использовании глубоких скважин.

По результатам выполненных исследований сформулированы следующие основные выводы.

1. Установлены обобщающие закономерности дробления горных пород взрывом зарядов промышленных ВВ в зависимости от физико-технических свойств пород, применяемого ВВ и конструктивных параметров зарядов и сетки скважин.

2. Установлен обобщающий критерий для оценки степени дробления пород взрывом зарядов промышленных ВВ, в котором учтены свойства пород, детонационные характеристики ВВ и параметры зарядов.

3. Установлены закономерности изменения взрывчатых свойств (критический диаметр, скорость детонации, работоспособность) ЭВВ в

127 зависимости от диаметра и глубины скважин, от состава ЭВВ и исходной плотности заряжания.

4. Разработана методика последовательного расчета рациональных параметров конструкций зарядов ЭВВ для разных горно-геологических и горнотехнических условий, обеспечивающих эффективное дробление горных пород взрывом удлиненных зарядов ЭВВ в глубоких скважинах.

5. Разработаны, согласно предложенной методики, и переданы горным предприятиям параметры зарядов и сетки скважин для взрывного дробления пород высоких вскрышных уступов. Например, для дробления пород V категории трещиноватости крепостью 12-14 по шкале проф. Протодьяконова и с обводненностью 5-6 % на уступе высотой 35-40 м взрывом глубоких скважинных зарядов их конструктивные параметры должны быть следующими: нижняя часть скважины порядка 20 м должна быть заряжена «сибиритом-2500РЗ» с исходной плотностью 1,05 г/см3; верхняя часть скважин должна быть заряжена «гранулитом-НП» с исходной плотностью 0,97 г/см3; при диаметре скважин 220 мм параметры сетки скважин должны быть равны 5x6 м; инициирование зарядов должно осуществляться СИНВ-С при замедлениях: на поверхности-30 мс, внутри скважины - 450 мс.

6. Разработанные рекомендации и методика определения рациональных параметров конструкций зарядов ЭВВ предложены в ОАО «Междуречье» (разрез «Междуреченский»), ОАО «Южный Кузбасс» (разрезы «Красногорский», «Томусинский»), ОАО «Взрывпром Юга Кузбасса» (разрезы «Сибиргинский», «Ольжерасский»), ОАО «Торговый Дом Сибирский Уголь» (разрезы «Калтанский» и «Осинниковский»).

7. По разработанным параметрам БВР были проведены в 2002-2003 гг. опытно-промышленные взрывы на угольных разрезах юга Кузбасса («Междуреченский», «Сибиргинский», «Красногорский»), в результате чего полученный экономический эффект составил 7900 тыс. руб.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Оверченко, Михаил Николаевич, Москва

1. Баранов Е.Г., Подойницын Е.М. Исследование трещиноватости массива и влияние его на степень дробления горных пород взрывом. Фрунзе, Илим, 1970, 135 с.

2. Викторов С.Д. Разработка и применение простейших взрывчатых веществ. М., ИПКОН РАН. 1996, 156 с.

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

4. Демидюк Г.П., Дубнов Л.В. и др. Техника и технология взрывных работ на рудниках. М., Недра, 1978, 238 с.

5. Казаков Н.Н. Взрывная отбойка руд скважинными зарядами. М., Недра, 1975. 192 с.

6. Кутузов Б.Н. Взрывные работы. М., Недра, 1980. 392 с.

7. Мельников Н.В. Открытая разработка месторождений. М., Недра, 1985.279 с.

8. Поздняков З.Г., Кутузов Д.С. Водонаполненные ВВ, их свойства и опыт применения. М., 1971. С. 143.

9. Ржевский В.В. Процессы открытых горных работ. М., Недра. 1978. С.543.

10. Друкованный М.Ф. Методы управления взрывом на карьерах. М., Недра, 1973. С.415.

11. Скоробогатов В.М., Кукиб Б.Н., Поздняков З.Г., Викторов С.Д. Совершенствование ассортимента промышленных ВВ в зарубежных странах. Взрывное дело. Сб.№87/44. М., Недра, 1985.

12. А.Т.Калашников, Г.П.Попов. Опыт применения оборудования фирмы ETI (Канада) для получения эмульсионного ВВ в условиях ОАО "Лебединский ГОК"

13. Андреев А.С., Дресвянников А.П. Опыт изготовления и применения простейших гранулированных и эмульсионных ВВ в ОАО "Ураласбест".

14. Кононов Л.П., Гапнмуллин А.Т., Шех Н.А. Опыт применения эмульсионного ВВ порэмита на разрезах Центрального Кузбасса. М., ЦНИЭИуголь, 1991.

15. Болховитинов Л.Г., Викторов С.Д. Зависимость скорости детонации от диаметра заряда. Журнал "Физика горения и взрыва" №5, Новосибирск, 1976.

16. Кузнецов В.И., Ташкинов А.С. и др. Повышение эффективности взрывных работ на разрезах Кузбасса. Кемерово, 1989.

17. Родионов В.Н., Адушкин В.В., Костюченко В.Н. и др. Механический эффект подземного взрыва.-М., Недра, 1971.

18. Родионов В.Н., Сизов И.А, Цветков В.М. О поведении среды в зоне разрушения при камуфлетном взрыве.-Разрушение и деформирование твердой среды взрывом. Взрывное дело №76/33, М., Недра, 1976, с.24-40.

19. Родионов В.Н., Цветков В.М. Некоторые результаты наблюдений при подземных ядерных взрывах. -Атомная энергия, 1971.

20. Крюков Г.М. Физика взрывного разрушения. Учебное пособие Разрушение горных пород взрывом. -М.,:МГИ, 1986, 64 с.

21. Крюков Г.М. Физика взрывного разрушения. Учебное пособие. — М.: МГИ, 1985.96 с.

22. Кононов А.П., Галимуллин А.Т. и др. Исследование эффективности применения порэмита на разрезах ПО "Кемеровоуголь". Проблемы открытой добычи угля в Кузбассе. Сб. статей. Кемерово, "Родник", 1990.

23. Физика взрыва. Под ред. Станюковича К.П. — М.: Наука, 1975, 704 с.

24. Седов Л.И. Механика сплошной среды.-М.: Наука, 1970, т. 1, 492 с, т.2-568 с.

25. Крюков Г.М. Физика взрывного разрушения. Учебное пособие. -М.: МГИ, 1985. 96 с.

26. Мельников Н.В., Демидюк Г.П., Адрианов Н.Ф. Регулирование объемной концентрации энергии ВВ как средство интенсификации дробления горных пород взрывом. М., ИФЗ АН СССР, 1970.

27. Шемякин Е.И., Кочанов А.Н. Волны напряжений при взрыве скважинного заряда // Сб. «Взрывное дело» № 91/48.-М: 1998, с. 12-21.

28. Кейсер Н.Д., Гамсахурдия Ш.Г. Математические модели разрушения горных пород взрывом в приложении к инженерно-технологическим задачам горного дела. — М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1972,31с.

29. Барон B.JI., Кантор В.Х. Техника и технология взрывных работ в США. М., Недра, 1989, 376 с.

30. Жученко Е.И., Иоффе В.Б., Кукиб Б.Н. Эмульсионные взрывчатые вещества. В кн.: Структурообразование и межфазные явления в системах жидкость-жидкость. М., РАН, 2001, с.339-348.

31. Горбонос М.Г. Применение тяжелых ANFO на гранитных карьерах Канады. Материалы международной конференции "Взрывное дело -99", М., МГГУ, 1999, с.307-310.

32. Алявьев С.Г., Деловеров В.Б., Штырко А.Н., Черняховский A.JL, Круцкий А.А., Бондаренко И.Ф. Оборудование и технология применения эмульсионных взрывчатых веществ на карьерах компании. Горный журнал, 2000, №7, с.42-44.

33. Безруков С.В., Марков П.П., Мацеевич Б.В., Сидрков А.И., Шалыгин Н.К. Смесительно-зарядные машины для заряжания скважин эмульсионными ВВ. Материалы международной конференции "Взрывное дело-99", М., МГГУ, 1999, с.267-270.

34. Натаров О.В., Мацеевич Б.В., Марков П.П., Шалыгин Н.К. Опыт эксплуатации смесительно-зарядных машин в комплексе с производством "Порэмита". Горный журнал, 2000, "2, с.52.

35. Воробьев В.Н., Сабинин С.И., Ткачев В.Б. Машины и оборудование АО НИПИГОРМАШ. Материалы международной конференции "Взрывное дело-99", М., МГГУ, 1999, с.205-210.

36. Калашников А.Т., Попов Г.П. Опыт применения оборудования фирмы ETI (Канада для получения эмульсионного ВВ в условиях ОАО"Лебединский ГОК". Материалы международной конференции "Взрывное дело-99", М., МГГУ, 1999, с.59-61.

37. Андреев А.С., Дресвянников А.П. Опыт изготовления и применения простейших гранулированных и эмульсионных ВВ в ОАО "Ураласбест". Материалы международной конференции "Взрывное дело -99", М., МГГУ, 1999, с.73-77.

38. Перепелицын А.И., Колганов Е.В., Соснин В.А., Чумбуридзе Г.Г., Комаров Б.Е. Опыт создания установок по производству эмульсионных ВВ. Горный журнал, 2001, №12, с.5-12.

39. Олименко В.М., Минеев В.И. Комплекс по приготовлению компонентов эмульсионных взрывчатых веществ на Михайловском ГОКе. Горный журнал, 2001, №12, с.20-23.

40. Мова А.А. ОАО "Гормаш" — базовое предприятие по выпуску транспортно-смесительно-зарядных машин. Горный журнал, 2001, №12, с.27-28.

41. Кутузов Б.Н. Перспективы использования эмульсионных промышленных ВВ на горных предприятиях. Горный журнал, 2001, №12, с.15-16.

42. Колганов Е.В., Соснин В.А. Концепция разработки безопасных и экологически чистых промышленных взрывчатых веществ. Горный журнал, 2001, №12, с. 1-4.

43. Афанасенков А.Н., Демченко Н.Г., Котова Л.И., Музляев Ф.П., Шведов К.К. Тепловое воздействие на промышленное ВВ. Безопасность труда в промышленности., 1991, №9, с.56-58.

44. Баум Ф.Л., Державец А.С., Санасарян Н.С. и др. Термостойкие взрывчатые вещества и их действие в глубоких скважинах. М., Недра, 1969, с.5-24.

45. Соснин В.А., Смирнов С.П., Сахипов Р.Х. Оценка работоспособности и полноты взрывчатого превращения эмульсионных промышленных взрывчатых составов. ФГВ, 1998, т.34, №5, с.118-121.

46. Работинский Н.И., Соснин В.А. Состояние и перспективы развития непредохранительных взрывчатых веществ. Материалы международной конференции "Взрывное дело -99", М., Ml 1 У, 1999, с.33-43.

47. Иоффе В.Б., Меньшиков Б.А. О етонационной способности водонаполненных взрывчатых веществ. Сб. "Взрывное дело", №75/32, М., Недра, 1975.

48. Анников В.Э., Кондриков Б.Н., Корнеева Н.Н., Пузырев С.Н. О механизме детонации газонаполненных водных гелей. ФГВ., 1983, №4, с.139-143.

49. Влодарчик Э. Роль пузырьков в инициировании детонации водонаполненных взрывчатых веществ. 1985. Т.34, №3, с.З.

50. Крысин Р.С., Куприн В.П., Кукушкин С.И. Физико-химические особенности матрицы эмульсионного взрывчатого вещества Украинит-Д. Сб. "Взрывное дело", №91/48, М., 1998, с.115-117.

51. Жученко Е.И. Гранулированные взрывчатые смеси и их применение. М., ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского, Минтопэнергетики РФ-РАН, 2002, 96 с.

52. Дубнов JI.B., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества.-М.: Недра, 1988,358 с.

53. Справочник (кадастр) физических свойств пород/ Под ред. Мельникова Н.В., Ржевского В.В., М.М. Протодьяконова.-М.: Недра, 1975, 279 с.

54. Мазин М.Ю., Литвинов Ю.М., Хромов В.Г., Шведов К.К. Метод определения работоспособности взрывчатых веществ. В сб.: Методы испытаний низкочувствительных ВВ (методические рекомендации). Изд. ОИХФ АН СССР, Черноголовка, 1991, с. 109-117.

55. Кукиб Б.Н., Иоффе В.Б., Александров В.Е. Оценка работоспособности по результатам взрывов в песке. Сб. "Взрывное дело", №84/41, М., Недра, 1982, с.83-87.

56. Тимошин В.И. Совершенствование взрывных работ на разрезах юга Кузбасса. Материалы международной конференции "Взрывное дело-99", М., МГГУ, 1999, с.251-254.

57. Александров В.Е., Кукиб Б.Н., Иоффе В.Б. Повышение эффективности и безопасности работ в угольных шахтах. ЦП H i I О, Буровзрывные работы, 1981.

58. Жученко Е.И., Кукиб Б.Н., Иоффе В.Б., Сундуков И.Ю., Оверченко М.Н. Применение эмульсионных ВВ, сенсибилизированных методов газогенерации в глубоких скважинах // Безопасность труда в промышленности. М., 2002, №11, с.30-32.

59. Иоффе В.Б. Научные основы безопасного производства и применения эмульсионных взрывчатых веществ типа "Сибиритов" на горных предприятиях. "Докторская диссертация", Москва, ННЦ им. А.А.Скочинского, 2002.

60. Жученко Е.И., Иоффе В.Б. Технология производства и применения эмульсионных взрывчатых веществ, предназначенных для механизированного заряжания скважин на открытых горных работах. Москва, 2002.