CC BY
35
УДК 622.235.453(045) В.Н. Тюпин,
д.т.н., профессор, ЗабИЖТ, ИрГУПС, (г. Чита)
В.С. Святецкий, генеральный директор ОАО ППГХО
БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ НА КАРЬЕРАХ И ПРИ УСТРОЙСТВЕ ВЫЕМОК _ПОД ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ПУТИ_
V.N. Tyupin, V.S. Svyatetsky
SAFETY AND EFFICIENCY OF THE EXPLOSION OPERATIONS DURING THE CUTTING UNDER THE RAILWAY TRACKS AND ON THE PITS
Аннотация. В статье приведен механизм действия взрыва в трещиноватом напряженном массиве горных пород. Определены размеры зон дробления, заколов, остаточных напряжений. Даны рекомендации по повышению устойчивости выемок для железнодорожных путей. Дана методика расчета параметров буровзрывных работ с целью получения заданной степени дробления массивов горных пород на карьерах и при проходке выемок.
Ключевые слова: взрыв, горные породы, карьер.
Abstract. The article deals the mechanism of explosion action in the crumbling stressed massifs of mine rocks. The dimensions of crushing areas, driving and residual stresses are determined. Recommendations on increasing the stability of railway cuts are given. The technique of rating calculations for boring and explosion operations to receive set degree of massif mine rocks crushing in the pits and in the cutting is presented.
Keywords: explosion, rocks, open-cast mine.
Выемки транспортных сооружений (железных и автомобильных дорог), как правило, имеют глубину до 10-15 м, иногда до 30 м и более. То есть, они располагаются в пределах зоны коры выветривания, где массивы горных пород характеризуются повышенной трещиноватостью и низкой прочностью. Естественные трещины, как правило, заполнены рыхлым заполнителем. Вместе с тем на отдельных участках, например, ВосточноСибирской и Забайкальской железных дорог появляются массивы горных пород крупноблочного строения с размером отдельностей более 1,0 м.
В связи с этим в процессе ведения взрывных работ для устройства выемок и на карьерах возникает две проблемы.
Первая - проблема безопасности - заключается в необходимости обеспечения устойчивости откосов выемки, горные породы которой нарушены взрывами. Степень устойчивости откосов выемок изменяется со временем за счет процессов выветривания и криогенных процессов. Землетрясения и ведение взрывных работ вблизи выемок существенно уменьшают устойчивость пород. Помимо этого, степень устойчивости откосов выемок уменьшается за счет периодического воздействия на нарушенный горный массив вибродинамических нагрузок от подвижного состава. Неучет этих процессов может привести к обрушению пород (как правило, вблизи поезда), что резко снижает уровень безопасности при движении поезда на опасном участке и может привести к сходу поезда.
Вторая проблема возникает при ведении взрывных работ в крупноблочных массивах горных пород с размером естественных отдельностей более 1,0 м, так как используемые экскаваторы могут грузить горную породу с размером куска не более 0,7 м. Выход негабарита в крупноблочных породах, как правило, составляет 20-30 %. Это снижает производительность экскавации и требует дополнительных затрат на дробление негабарита при устройстве выемок и на карьерах.
Целью настоящей работы является установление причин формирования неустойчивости массивов горных пород вблизи откосов выемок при образовании их взрывным способом, а также разработка методики расчета параметров буровзрывных работ для получения заданной степени дробления.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Многочисленные экспериментальные (в натуральных условиях) и теоретические исследования авторов настоящей работы, проведенные при ведении взрывных работ на карьерах и подземных горных работах (рудники и карьеры ОАО ППГХО, карьеры ОАО «Ураласбест», Забайкальского ГОКа, ФГУГП «Читагеологоразведка») позволили установить механизм действия взрыва в трещиноватых массивах горных пород.
Рис. 1. Зоны деформирования напряженного трещиноватого массива взрывом. 1 - выработанное пространство; 2, 3, 4, 5 - соответственно, зоны выброса, трещинообразова-ния (дробления отдельностей), разгрузки (заколов), остаточных деформаций (напряжений); 6 - зона естественного состояния массива. КТР, КОЗ, КОСТ - радиусы зон трещи-нообразования, заколов и остаточных напряжений
При взрыве группы зарядов ВВ, параллельных открытой поверхности (рис.1), под действием давления продуктов детонации (ПД) трещиноватый массив начинает смещаться во все стороны от взрываемых зарядов ВВ. Это сопровождается дроблением отдельностей в зонах 2 и 3, деформациями с трением и смещением по граням естественных отдельностей, а также упругими деформациями отдельностей в зонах 4 и 5. Движение части массива 2 в сторону выработанного пространства 1 сопровождается выбросом горной массы.
После падения давления в зарядных полостях, реакция упруго деформированных взрывом отдельностей в зонах 3 и 4 приводит к смещению массива в сторону пространства 1. Причем, запас упругой энергии в зонах 3 и 4 превышает энергию, расходуемую на трение, возникающее между от-дельностями, что сопровождается смещением массива и падением напряжения в этих зонах с образованием заколов. Возвращению упруго деформированных отдельностей в зоне 5 в первоначальное напряженно-деформированное состояние (НДС) препятствуют силы трения на гранях естественных
отдельностей, создаваемые горным давлением. Иными словами, в фазе упругой реакции массива силы трения препятствуют возвращению его в первоначальное положение, то есть массив за пределами зоны заколов как бы запрессовывается. При воздействии взрывной нагрузки силы трения обеспечиваются боковым распором отдельностей в направлении, перпендикулярном сжимающей нагрузке, а также статическим горным давлением.
Таким образом, за зоной дробления отдель-ностей в трещиноватом массиве находятся зоны с измененными физическими свойствами, что выражается в образовании заколов в зоне 4 и уменьшении раскрытия естественных трещин в зоне 5 с изменением НДС отдельностей массива в зонах 4 и 5.
Проведение следующего цикла буровзрывных работ на расстоянии от зоны 5 приводит к практически мгновенному приращению величины напряжений в зоне 5, что обеспечивает превышение сил трения в ней и разгрузку массива за счет сейсмического действия взрыва, в результате чего максимум напряжений смещается вглубь массива, а напряжения в зоне максимума уменьшаются.
Размеры зон трещинообразования, заколов и остаточных напряжений зависят от диаметра зарядов взрывчатого вещества (ВВ), типа ВВ, удельного расхода ВВ, сетки расположения скважин, конструкции заряда, последовательности взрывания и интервалов замедления. Кроме того, размеры зон зависят от степени трещиноватости массива и прочности пород.
Следует особо отметить, что зона заколов характеризуется раскрытием естественных трещин, ослаблением связей между отдельностями массива - это весьма неустойчивая зона, склонная к обрушению. В зоне остаточных напряжений происходит повышение естественного напряженного состояния, то есть в этой зоне массив горных пород находится в виде «сжатой пружины». Воздействие на эту зону упругих волн (от последующих взрывов, землетрясений, вибродинамического воздействия подвижного состава) приводит к смещению массива в сторону выработанного пространства, с возможным обрушением неустойчивых пород зоны заколов. Принципиальная схема расположения зон после проходки выемки приведена на рис. 2.
Результаты промышленных экспериментальных исследований по определению радиусов зоны заколов и зоны дробления отдельностей (определены по сетке расположения скважин) приведены в таблице 1.
Современные технологии. Механика и машиностроение
Рис. 2. Схема расположения зон деформирования массива после проходки выемки под железнодорожные пути.
1 - выемка, 2 - зона заколов, 3 - зона взрывных остаточных напряжений (деформаций)
Следует отметить, что за дальней границей зоны заколов находится зона остаточных напряжений. Наиболее подробные исследования размеров зон деформирования массива проводились на карьерах ОАО «Ураласбест». В результате анализа сетки расположения скважинных зарядов ВВ, замеров расстояния от зарядов ВВ до границы зоны заколов, а также реперных замеров установлено, что в трудновзрываемых перидотитах и серпентинитах выделяются 3 зоны деформаций: зона дробления, в которой происходит динамическое соударение и дробление отдельностей на части, ^ <(10 —15) (- диаметр заряда ВВ), зона
упругопластических деформаций (зона заколов), в которой происходят деформации на берегах трещин и упругие деформации в отдельностях без разрушения, упругая составляющая динамических деформаций обеспечивает движение отдельностей
к зарядной полости с образованием заколов, 15^3 < Я3 < 50^3; зона остаточных напряжений, в
которой происходит закрытие трещин и упругие остаточные деформации в отдельностях массива,
50± < Я < 150^з.
3 ост 3
Теоретические исследования действия взрыва в трещиноватых горных породах, основанные на законе сохранения энергии позволили получить формулы для определения радиусов зон. Радиус зоны радиального трещинообразования
Ятр "
4л
су
1 —
/у
(1)
Я. = 55
8 арФ05 (1 — уД 1 — у/
где О, рв, - детонационные и геометрические параметры ВВ;
с,у, /л,& , ф - физико-технические характеристики горного массива.
Радиус зоны заколов равен
(1 — 1—У]N)К. , (2)
где Е - упругий параметр горной породы;
Кп1_, К± (N),Кот- показатели, учитывающие
взаимодействие зарядов ВВ и открытую поверхность.
Зона остаточных напряжений распространяется от дальней границы зоны заколов до точки, где смещение отдельностей во время взрыва в массиве отсутствует. В этом случае (на дальней границе зоны) деформации структурного элемен-
Таблица1
Свойства массивов, параметры БВР и радиусы зон действия взрывов
Наименование карьера, разреза Наименование горных пород f de м q, кг/м3 dскв, м Rp, м R03, м
«Камень-2» Гранит 10-16 0,5-1,0 2,0 0,115 1,25 5-7
«Уртуйский» Уголь 1,5-2 1,5-2,0 0,67 0,18 2,5 10-20
«Юбилейный» Гранит 6-8 0,05-0,4 0,74 0,115 1,25 10
«Шахматное» Флюорит 10-12 0,15-1,0 0,80 0,11 1,25 5-7
«Дельмачик» Эксплозивная брекчия 13-15 1,0-2,0 0,77 0,25 2,5 5-7
«Дельмачик» Гранит 15-16 0,5-1,5 1,0 0,25 2,5 8-12
«Жетково» Сланцы 6-9 0,5-1,0 0,8 0,15 2,0 4,5
/- коэффициент крепости пород, йе - размер отдельности, q - удельный расход ВВ, Яр - радиус дробления отдельно-
стей, Я03 - радиус зоны заколов.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
5 1 (Л-3 ав та массива составят — = 10 = — и радиус зоны
С Е
остаточных напряжений равен 4л РрвСс С /У
Д™ = ■
8 ЕФЮ-3 V 1 (3)
Для обеспечения устойчивости откосов выемок очевидно необходимо иметь минимальные размеры зон заколов и остаточных напряжений, так как зона заколов является неустойчивым массивом, а зона остаточных напряжений является сжатой «пружиной», которая смещает массив к откосу с обрушением горных пород.
Для обеспечения максимальной устойчивости откосов разработана специальная технология и параметры ведения взрывных работ, которые апробированы на некоторых горных предприятиях РФ.
Решение второй проблемы направлено на улучшение экономических показателей при ведении буровзрывных работ.
Основными задачами при ведении БВР на щебеночных карьерах ОАО «РЖД» и при проходке выемок под железнодорожные пути, сложенных крупноблочными трудновзрываемыми породами, является снижение выхода негабарита и получение заданной степени дробления взрываемого массива, что повышает технико-экономические показатели работы предприятий. Особенно это важно при проходке выемок под железнодорожный путь, так как для погрузки породы используют экскаваторы с емкостью ковша 1 м3.
Решение этих научных проблем для конкретных предприятий успешно проводилось, начиная с 1960 года, причем ученые считали разрушаемую среду монолитной. Решением вопросов о дроблении реальных трещиноватых горных массивов в конце 60-х годов занимались Б.Н. Кутузов, В.К. Рубцов и др. учитывая в расчетах параметров БВР степень трещиноватости массива в виде размера естественной отдельности, а также коэффициент крепости породы по М.М. Протодъяконову. Наиболее близко к решению вопросов о дроблении реальных трещиноватых массивов на основе теории соударения отдельностей подошел В.Н. Мосинец, который помимо размера отдельности учитывает величину раскрытия трещин, материал-заполнитель трещин, упругие и прочностные свойства отдельностей массива, коэффициент Пуассона. Однако полученные им зависимости имеют чисто физический характер и определяют напряженное состояние массива и скорости движения соударяющихся отдельностей. Зависимости не доведены до реального практического результата с
определением параметров БВР в различных горно-геологических и горнотехнических условиях.
В данной части на основе анализа литературных источников, экспериментальных и теоретических исследований, изложенных в [1] приведена методика расчета параметров БВР на карьерах для получения заданной степени дробления.
Величина ЛСПП (Ж), расстояние между
скважинами в ряду (а) и между рядами (в), обеспечивающие заданную степень дробления, определены на основе теоретических исследований [1] с учетом взаимодействия одновременно взрываемых зарядов и равны Ж = а = Ь = 4Яр =
В рв
2 ( + Мр)Ф0,5 (1 -у)\
При отсутствии численных значений физико-технических свойств горного массива ((Гр, С, V, /), с учетом того, что для верхних горизонтов карьеров Р = 0 и основываясь на полуэмпирической зависимости, приведенной в [1], (4) можно переписать в виде
Ж = а = Ь = 2
Рре С
0,5
(ТФ)
\*к. .ю-4 + с
(5)
Величина перебура, обеспечивающая отсутствие порогов, получена исходя из равенства растягивающего напряжения (создается при взрыве условно сферического заряда ВВ в перебуре ) пределу прочности на разрыв отдельности и равна
П = 1,1106
(ж )0,5
(6)
рв В2Сз ( )
Длина забойки (расстояние от верхнего торца заряда ВВ до верхней площадки уступа) определена из принципов действия условно сферических зарядов ВВ в приустьевой части скважины с учетом перераспределения части энергии взрыва на выброс, взаимодействия зарядов ВВ при КЗВ и равна
-22/
1заб
2,7 -10
-7 РВ2С
х3
(7)
( /СеФ )0,5
Данные формулы применимы при высоте уступа 5 м. При определении параметров БВР с высотой уступа более 5 м необходимо учитывать коэффициент усиления действия взрыва вдоль колонки заряда за счет взаимодействия его частей, расположенных в отдельностях. Например, для
Таблица 2
Параметры БВР для обеспечения заданной степени дробления рудных трещиноватых горных массивов карьера «Дельмачик» при ¿см=0,15 м, dк=0,4 м, ^=5,0 м, ВВ - граммонит М-21, P=15 кг/м
Категория трещино вато сти Размер отдельности, м Ж = а = в, м ¿пер , м ¿скв , м 1 заб ' м / з, м Q,, кг q, з кг/м
I <0.1 5,0 1,5 6,5 4,0 2,0 <30 <0.24
II 0,1-0,5 5,0-3,0 1,0 6,0 4,0-3,0 2,0-3,0 30-45 0,24-1,0
III 0,5-1,0 3,0 1,0 6,0 3,0-2,0 3,0-4,0 45-60 1,0-1,3
IV 1,0-1,5 3,0 1,0 6,0 2,0-1,5 4,0-4,5 60-68 1,3-1,5
V >1,5 3,0 1,0 6,0 1,5 4,5 >68 >1,5
Условные обозначения: Ж , а, в - параметры расположения скважин; 1пер - величина перебура, 1скв - длина
скважины, / ^ - длина недозаряда, /з - длина заряда, Q, - масса заряда в скважине, q - удельный расход ВВ, P -
вместимость скважины.
высоты уступа 10 м величина Ж увеличивается в
1,27 раза, величина перебура /я уменьшается в
1,5 раза, длина забойки увеличивается в 1,27 раза.
Длина и масса заряда ВВ в скважине соответственно равны
13 " НУ + 1П - 1заб; = /3 'Р' где р - вместимость скважины.
Проектный удельный расход ВВ равен
ч-1
Чп = Q3 (НуаЖ)- .
(8)
(9)
Предложенная методика определения параметров БВР обладает патентной чистотой. На основные формулы расчета параметров имеются 2 патента РФ.
Один из вариантов параметров БВР для карьера «Дельмачик» приведен в таблице 2.
Указанная методика была внедрена на карьерах «Громовский», «Камень-2», разрезе «Уртуй-ский» ОАО Приаргунское производственное горно-химическое объединение, на карьерах «Юбилейный», «Шахматное», «Железный кряж», «Бо-гомоловский» ФГУГП «Читагеологоразведка», на
карьере «Дельмачик» ОАО Забайкальский ГОК. Фактическая прибыль от внедрения, полученная ОАО ППГХО по р. «Уртуйский», составила 3,0 млн руб. в год, по гранитному карьеру «Камень-2» - 5,6 млн руб. в год в ценах 2002 г.
Таким образом, в настоящей работе рассмотрены 2 проблемы, возникающие при взрывной проходке выемок под железнодорожные пути и ведении взрывных работ на карьерах, направленные на повышение уровня безопасности и эффективности работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород. - Диссерт. на со-иск. уч. степ. докт. техн. наук. - М. : ВНИ-ПИПТ, 2002. 267 с.
2. Тюпин В.Н. Геометризация зоны дробления трещиноватого массива параллельно оси взрываемого заряда.//Изв. ВУЗов. Горный журнал. -1985. - №1. - С.41-45.
