CC BY
33
В.Н. Тюпин, Н.П. Фофанов, В.М. Лизункин
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОХОДКИ ВОССТАЮЩИХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК КОМБАЙНОМ 2-КВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА В ПРОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ РУДНИКОВ ОАО "ППГХО"
ЖЖз отечественного и мирового опыта известно, что проведе-
-ЖЛ. ние восстающих выработок бурением является наиболее прогрессивным способом с точки зрения безопасности и экономики в сравнении с буровзрывными способами.
Однако практика показала, что применяемые на ОАО "Приаргунское производственное горно-химическое объединение" (ППГХО) комбайны 2-КВ эффективно работают в породах с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову (/) до 12. В более крепких породах (высокоабразивные граниты, окварцованные тра-хидациты вне зон тектонических разломов, некоторые разновидности конгломератов и гравелитов) технико-экономические показатели проходки значительно ухудшаются. Например, в гранитах (/= 16-18) средняя техническая скорость проходки составляет около 0,3-0,5 м/смену, расход шарошечных долот 32 шт. на 60 м, в массиве трахидацитов - 0,5-3 вместо 8 м/смену по паспорту.
С целью повышения скорости проходки восстающих и снижения расхода шарошечных долот в кварцсодержащих породах предложено использовать энергию взрыва для предварительного снижения их прочности или повышения в них напряженного состояния.
Для научного обоснования возможности применения такой технологии в гранитах и трахидацитах были проведены промышленные экспериментальные и аналитические исследования. Эксперименты (3 серии) проведены на четырех рудниках ОАО ППГХО в рабочих забоях проходческих и добычных выработок.
В первой серии после взрыва комплекта шпуров диаметром 40 мм (взрывание - электроогневое, ВВ - аммонал, аммонит 6ЖВ, длина шпуров 1,8 м, масса заряда на шпур 0,8-1,2 кг, число шпуров
24-36) по образованному забою определяли диаметр зоны раздавливания (диаметр "стакана") от взрыва одного шпура, радиус зоны радиального трещинообразования. Всего проведено замеров более чем по 100 взорванным шпурам.
Во второй серии с целью получения количественных закономерностей изменения физико-технических свойств горных массивов с расстоянием от взорванного заряда проведены исследования по 5 проходческим забоям рудника "Восточный". Всего было взорвано 15 шпуров диаметром 40 мм, которые заряжали аммоналом. Породы представлены гранитами с размером отдельности 0,4-1,0 м, / = 14-18 и трахидацитами с размером отдельности 0,5-1,0 м ,/= 812.
После взрывов на различном расстоянии от взорванного шпура отбирали пробы и изготавливали образцы, по которым определяли параметры микротрещиноватости (с помощью микроскопа), скорость продольных волн (ультразвуковым прибором УКБ 1-М), коэффициент крепости пород (методом толчения).
В третьей серии определяли характер изменения напряженного состояния гранитного массива вокруг шпуров диаметром 40 мм до и после их взрывания по специальной ультразвуковой методике.
Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что взрывание заряда ВВ в глубине трещиноватого горного массива обеспечивает формирование трех зон деформирования массива: раздавливания, радиального трещинообразования и взрывных остаточных напряжений.
Зона раздавливания характеризуется мелкодисперсным дроблением породы на контакте с зарядом ВВ и запрессовкой взрывной полости частицами породы размером до 10-20 мм. Ее диаметр составляет (2-5)А3 (А3 - диаметр заряда ВВ).
Зона радиального трещинообразования имеет радиус (5-15)А3. Число радиальных трещин составляет от 20 до 50 в гранитах и от 8 до 16 в трахидацитах. Порода в этой зоне ин-тенсивно нарушена микротрещинами со средним расстоянием между ними 0,10,5 мм на расстоянии менее 5А3 и 0,5-1,5 мм на расстоянии (5-15)А3. В этой связи коэффициент крепости уменьшился в гранитах с 14-18 в ненарушенном взрывом мас-сиве до 2-12 в нарушенном и с 10-12 до 3-8 в трахидацитах.
В зоне остаточных напряжений, находящейся на расстоянии (15-50)А3 от заряда ВВ диаметром 40 мм, под действием взрыва в
глубине массива происходит радиальное перемещение раздробленных и не раздробленных отдельностей. Это сопровождается закрытием естественных трещин и упругим остаточным деформированием отдельностей массива, что впервые установлено в [1]. При этом скорость продольных волн в зоне остаточных напряжений в массиве гранитов увеличивается с 5340-5790 до 5600-5800 м/с в радиальном направлении от заряда ВВ и с 5500-5788 до 5548-6100 м/с в тангенциальном направлении. Напряжения увеличиваются с 3,9-13,2 до 7,1-18,7 МПа в радиальном направлении и с 5,9-16,4 до 7,7-26,8 МПа в тангенциальном направлении.
Проведенные исследования показали перспективность применения в ОАО "ППГХО" комбайнов 2-КВ и предварительной взрывной подготовки при проходке восстающих в крепких гранитах и трахидацитах с размером естественных отдельностей от 0,15 до 1,5 м.
Для проверки эффективности такой технологии испытаны в производственных условиях два варианта взрывной подготовки:
- взрывание одной скважины, проходящей по оси проектируемого восстающего и проходка восстающего в пределах зоны радиального трещинообразования, где имеет место снижение прочности массива;
- взрывание 2-3 скважин, находящихся за пределами проектного контура восстающего симметрично его оси, и проходка восстающего в искусственно созданной зоне остаточных напряжений.
Повышение эффективности разрушения массива комбайном 2КВ в первом варианте основано на снижении прочностных свойств массива, во втором - на "закачке" в массив упругой энергии, которая преобразуется в энергию разрушения при взаимодействии рабочего органа комбайна с искусственно напряженным массивом.
Для реализации и проверки эффективности взрывной подготовки по первому варианту на 7 горизонте рудника "Восточный" был пройден вентиляционный восстающий. Породы - окварцован-ные трахидациты с размером отдельности 0,4-1,0 м. Из камеры проходки восстающего предварительно снизу вверх бурили скважину длиной 30 м (длина проектируемого восстающего 57 м) и диаметром 105 мм, затем заряжали ее гранулитом АС-8 на длину 23 м. После взрыва бурили пилот-скважину, а затем разбуривали восстающий до диаметра 1500 мм.
Эффективность взрывной подготовки определяли по технической скорости проходки. Установлено, что на участке взрыва длиной около 30 м техническая скорость проходки составила 2,3 м/смену, в неподготовленном взрывом массиве - 1,5 м/смену. Однако этот способ имеет существенный недостаток - значительное отклонение взрывных скважин большой длины (при длине до 57 до 3-6 м), а также малый радиус зоны радиального трещинообразова-ния, который при диаметре скважины 105 мм равен 0,5-1,5 м. В этой связи практический интерес представляет зона остаточных напряжений, которая расположена от заряда на расстоянии (15-50)А3 и для скважин диаметром 105 мм составляет 1,5-5,0 м.
Теоретические исследования, основанные на энергетической теории действия взрыва в трещиноватом массиве, находящемся в условиях горного давления, позволили установить зависимость изменения остаточных напряжений с расстоянием от группы зарядов ВВ. Зависимость получена из условия: взрывные нагрузки на дальней границе зоны остаточных напряжений уравновешиваются трением по берегам естественных трещин, обеспечиваемым горным давлением. При одновременном взрыве нескольких зарядов ВВ (Ы) величина напряжений в центре между зарядами после взрыва равна
(г) =
Л /
л/ж DpBd3c [ ¿V
8 Фг I 1 -V
N + Рг (1)
где D, рв,, А3 - соответственно скорость детонации, плотность, диаметр заряда ВВ; с, V - соответственно скорость продольной волны, коэффициент Пуассона горной породы; Ф, /и - соответственно показатель трещиноватости массива, коэффициент трения между отдельностями; Рх, Ру - соответственно главные компоненты горного давления, перпендикулярные оси взрываемого заряда (в нашем случае Рх имеет направление "Север-Юг", Ру - "Запад-Восток"); г - половина расстояния между взрывными скважинами.
Численные расчеты величины остаточных напряжений при взрыве двух скважин (Ы = 2), расположенных симметрично относительно оси проектируемого восстающего, для массивов гранитов и тра-хидацитов определены при D = 4,2-103 м/с, рВ = 0,9-103 кг/м3, =
0,105 м, г = 2 м.
Физико-технические свойства:
- трахидацитов: с = 4350 м/с, Ф = 6, v= 0,29, /и = 0,5, Рх = Ру = 16 МПа.
- гранитов: с = 4540 м/с, Ф = 5, V = 0,22, и = 0,5, Рх = 47 МПа, Ру = 30 МПа.
Расчеты показывают, что при расположении двух взрывных скважин на расстоянии друг от друга 4 м величина напряжений в центре между ними после взрыва будет равна: для трахидацитов -50,6 МПа, для гранитов при расположении скважин на линии "Север-Юг" 85,2 МПа, на линии "Запад-Восток" 51,2 МПа. Эти цифры сравнимы с пределами прочности образцов пород на сжатие (97 МПа - трахидациты, 144 МПа - граниты). С учетом коэффициента концентрации напряжений на забое проводимого восстающего, равного 1,5-3, можно предположить эффективность разрушения пород комбайном 2-КВ за счет преобразования упругой энергии напряженного массива в энергию разрушения при взаимодействии рабочего органа комбайна с массивом.
Промышленные испытания способа взрывной подготовки массива с использованием поля остаточных напряжений проводились на руднике "В" при проходке рудоспуска 4в-608/2 в неравномерно окварцованных трахидацитах. Вначале из буровой камеры бурили вертикально вниз две скважины диаметром 105 мм на расстоянии 3 м друг от друга, глубиной 40-45 м. За счет искривления скважин фактическое расстояние между ними составило 3-6 м. Скважины заряжали патронированным аммонитом 6ЖВ, масса заряда в каждой 198 кг, длина - 27 м и взрывали одновременно. Затем бурили пилот-скважину и проходили восстающий комбайном 2-КВ. В результате хронометражных наблюдений установлено, что скорость проходки на участке, подготовленном взрывом к механическому разрушению, увеличивается в среднем с 1,45 до 2,98 м/см. Это происходит преимущественно за счет формирования зоны взрывных остаточных напряжений, а также за счет разупрочнения массива на расстоянии от взорванных скважин 0,5-5 м.
Промышленное использование способа взрывной подготовки массива гранитов с бурением двух скважин вне контуров восстающих на всю высоту этажа (57 м) проводилось в блоке 6а-713 (рудоспуск, вентиляционный и материальный восстающие, два закладочных восстающих). Результаты внедрения показали, что за счет разупрочнения массива и создания в нем зоны взрывных остаточных напряжений техническая скорость проходки восстающих уве-
личилась с 0,4-1,4 до 1,5-2,4 м/см, т.е. в среднем в 2,1 раза. Стойкость шарошечных долот увеличилась с 1,78 до 3,56 м. Фактический экономический эффект от использования комбинированной технологии проходки восстающих в блоке 6а-713 составил 3,3 млн руб. в ценах 2002 г. при объеме внедрения 290 п.м.
Таким образом, промышленные испытания и внедрение показали, что предварительная взрывная подготовка прочного массива горных пород и последующее бурение восстающих выработок комбайном 2КВ обеспечивает увеличение скорости проходки в 2,1 раза и стойкости шарошечных долот в среднем в 2 раза. Это происходит как за счет разупрочнения массива, так и за счет формирования в нем поля взрывных остаточных напряжений.
Для реализации изложенного способа разработана "Научнотехническая документация по интенсификации проходки восстающих комбайном 2-КВ с использованием энергии взрыва" и имеется авторское свидетельство СССР на изобретение и патент [2, 3].
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тюпин В.Н. Разработка взрывных способов снижения напряженного состояния удароопасных массивов // Горный журнал. 1992, №12, с. 27-29.
2. Способ взрывной подготовки горного массива к разрушению /Авт. В.Н. Тюпин, Н.П. Фофанов, И.А. Мищенко, С.В. Матюшин - А.С. СССР, №1799052, от 16.03.90 г.
3. Тюпин В.Н., Ковшар Ю.Б. Способ взрывной подготовки массива к разрушению. - Патент РФ, №1799051 от 12.12.89 г.
Коротко об авторах
Тюпин В.Н, Фофанов Н.П. - ОАО Лизункин В.М. - Читинский ГИ. ППГХО",
© С.К. Рубцов, А.Г. Шлыков, О.Н. Мальгин, Н.А. Зинько, В.И. Филь
С.К. Рубцов, А.Г. Шлыков, О.Н. Мальгин, Н.А. Зинько, В.И. Филь
