CC BY
31
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ
НА УДАРНОМ КОПРЕ*
ЖИЛИН А. С.
Уральская государственная горно-геологичсская академия
Повышение качества дробления горных пород ударом и взрывом может быть д путем направленного изменения параметров процесса и свойств разрабатываемых пород, тивным средством управления свойствами и состоянием горных пород являются поверх активные вещества (ПАВ), действие которых проявляется в адсорбционном понижении по стной энергии тел (эффект Ребиндера) [2]. Это приводит к акгивизации 1рещиноо€| общему снижению прочности горных пород. Обработка массива специально подобранными творами ПАВ значительно повышает эффективность процессов механического разрушения Так, промышленные испытания в условиях шахт Урала и Донбасса показали [3], что ско; рения шпуров и скважин с промывкой активными растворами на 20 - 50 % повышает про тельность процесса, в 1,2 - 2,0 раза снижает износ и затупление бурового инструмента, в 1,5 раза уменьшает выход пыли. Для обеспечения этого разработаны методики выбора ептима. ПАВ и проектирования технологии бурения и резания горных пород. Такой же полож эффект использования ПАВ ожидается при разрушении горных пород взрывом [4]. Иссле ям в этом направлении и посвящена предлагаемая работа.
Рациональное использование поверхностно-активных веществ при взрывном разру горных пород требует решения следующих задач: разработки методики выбора эффективных творов ПАВ и создания методов расчета оптимальных параметров БВР в условиях направлс изменения свойств и состояния горных пород. Наиболее надежным способом решения этих является проведение опытных взрывов на горных предприятиях. Однако трудоемкость таких тов настолько велика, что без предварительного решения данных задач теряет всякий пра ский смысл. Поэтому нами за основу принята доказанная многочисленными исследованиями [ 7 и др.] глубокая аналогия процессов разрушения горных пород ударом и взрывом, в ча общность закономерностей дробления пород ударным и взрывным импульсом. Характер дробления горных пород определялись на копре с падающим грузом. В качестве Объекта ЭКС1
ментальных исследований приняты известняки Ссвсроуральских бокситовых месторождений.
бор именно этих пород обусловлен достаточной однородностью их состава и строения, а всесторонней изученностью характеристик их разрушаемости, в том числе взрывом. Oiithi ной поверхностно-активной средой для данных известняков является 0,1 % раствор MgCb [5]. первом этапе производилась отработка методики экспериментальных исследований. Устан процедура определения рациональных параметров опыта (тип и размеры образцов, нсобхо число определений, энергия и скорость удара), обеспечивающих заданную надежность резул тов для данной горной породы, разработана компьютерная программа расчета характеристик бимости. На втором этапе исследовалось влияние ПАВ на разрушаемость горных пород. С результатов можно представить в следующем виде.
Насыщение образцов раствором ПАВ существенно снижает прочность горных пород. 1 прочность при растяжении, сжатии и сдвиге исходных пород составляет соответственно 16,2, и 32,3 МПа. Под действием раствора MgCI2 прочность известняка уменьшилась до 8,5, 85,0 и 1 МПа, т. е. наблюдаемое разупрочнение пород от 1,52 до 1,91 раза.
Определение показателей дробимости пород (по Л. И. Барону) основано на опенке у ного расхода энергии на дробление определенного объема породы и заключается в разру образца массой 50 - 70 г путем однократного сбрасывания на образец с высоты 0,5 м и груза и определении грансостава продуктов разрушения. При этом вычисляются два показателя: п затель дробимости У^, численно равный объему фракции, см', прошедшей через сито с СТИЯМИ (¡тя.ш 7 мм:
• Работа выполнялась в соответствии с жслелованиями по грату Минобразования РФ.
202
V -m? тел * .
- масса фракции 7 мм.
шжазатель качества дробления
>g
iga
(2)
ходе дробления горных пород ударом падающего груза определялся фракционнь й состав разрушения. По его результатам вычислялись следующие характеристики: средний куска dff,: коэффициент неоднородности дробления k-dt,о / J10 как отношение размеров составляющих 60 и 10 % от общей массы фракций; степень дробления J = D/d^ где D -ИСХОДНОГО куска; удельная энергоемкость дробления q » Q/SH как отношение энергии с величине вновь образованной поверхности: параметры распределения кусков по размерам чие Вейбулла - М, « I - ехр[-{Ь-d,/d^)m). Сводные результаты приведены в таблице. Срав-! средних по критерию Стьюдента показало, что действие ПАВ существенно (с надежностью более 99 %) изменяет характеристики дроби мости известняка. Так, средний размер дроб-лродукга уменьшается за счет действия ПАВ с 4.71 до 4,38 мм, степень дробления увели-с 5,76 до 6,15. Достаточно заметно снижение энергоемкости дробления в ПАВ с 26,7 до м\ т. е. на 30%.
Характеристики разрушения известняка ударом
Хараетеристмки Исходная порода Обработанная ПАВ
[ Параметры уравнения Вейбуллат/Ь 0.89 / 0.88 0.79/0.91
. Средний размер куска, мм 4.71 4.38
1 Коэффициент неоднородности дробленич А. 12,6 16,3
' Степень дробления 3 5,76 6.15
Удельная энергоемкость дробления ц, Дж/м^ 26.7 20,3
I Нормированный импульс дробления /„, Н с/м5 563 491
В. М. Мальцевым [6] в качестве константы горной породы, характеризующей ее сопротив-разрушению ударной нагрузкой, введен показатель нормируемого импульса дробления
7н =
ри
уд
(3)
- - плотность горной породы; ОуД - скорость улара.
Достоинством данного показателя является то, что в нем автоматически учитывается задаи-—епень дробления пород. Лабораторными исследованиями автора установлено, что дзя широ-iuum скялкимх порол (изучено 20 литотипоя) при самой рядной энергии удяря, ялркнропянис достигалось изменением массы и высоты сбрасывания ударника, нормированный им-дробления для каждого типа пород остается величиной постоянной. Экспериментальная величины нормированного импульса дробления позволяет обоснованно проектировать па-БВР с учетом требуемой степени дробления горных пород. При взрыве удлиненного за-<а именно такая конструкция используется преимущественно при ведении горных работ) ос-разрушающее действие оказывает боковой импульс. На долю торцевого импульса приходишь доли процента. Исходя из этого, В. М. Мальцевым [6] получены основные соотноше-для расчета J1HC и удельного расхода ВВ при взрывании на неограниченную свободную по-и при работе заряда на ограниченную врубовую полость. Широкомасштабные промыш-испытания (150 опытных взрывов) для различных горных пород и условий показали, что еиие между расчетными данными и реально полученными результатами не превышает
17 %. Такую точность следует признать вполне приемлемой для производственных условий. В огветствии с работой [6] удельный расход ВВ. обеспечивающий заданную степень дробления./.
<7 =
где (1 и ¿ир - диаметр и длина заряда ВВ; /> - скорость детонации применяемого ВВ; а -фициент, зависящий от способа инициирования заряда ВВ (при прямом инициировании а ■ 0.7 Линия наименьшего сопротивления (ЛНС) заряда шпура в комплеюе при взрывании на ограниченную свободную поверхность
Го
-Я
па (/ ¿цр Р-Р|Ж 4*1 •«•/„
где рвв - плотность применяемого ВВ; т] - коэффициент использования шпуров; т - коэффи сближения зарядов.
В соответствии с данными рекомендациями нами проведена серия лабораторных эк ментов, методика и результаты которых изложены выше. Основные выводы состоят в еле; Средний коэффициент вариации значений экспериментального определения нормированного пульса дробления исследованных изьестняков составляет 23 %. Причем вариация данных зируется, начиная с 3 - 5 опытов. В диапазоне скоростей удара от 3 до 7 м/с наблюдается нел ный рост степени дробления пород, описываемый квадратической зависимостью J = 0,08 -0,3иуд+2,67 с теснотой связи к1 = 0.995. В выражении нормированного импульса дробления величина 3 также в квадрате. Следовательно, значение /„ от скорости удара не зависит. Де тсльно, эксперименты показали его стабильность - коэффициент вариации составил 17,6 %. ка влияния размеров образцов показала, что с кубических образцов со стороной 15 мм норм ванный импульс дробления становится постоянным. Коэффициент вариации 19,5 % не превы естественного разброса данных (23 %). Вместе с тем соотношение размеров образца и э{ улара должно быть таким, чтобы обеспечить равномерное качество дробления. Отработанная цедура планирования эксперимента позволяет определить оптимальные параметры дробления разных по прочности горных пород. Для порэд, аналогичных по свойствам изученным из кам, дробление может осуществляться на стандартном копре, обеспечивающем высоту сб ния до 0,7 м и массе бойка до 16 кг при скорости удара 3-4 м/с.
Экспериментально определенный нормированный импульс дробления для изучавшихся всстняков Североуральских бокситовых месторождений в среднем составляет 563 Нс/м\ О ные расчеты параметров БВР при проходке вертикальных и горизонтальных выработок СУБРа, выполненные по вышеуказанным формулам, дают результаты, сопоставимые с данн реальных паспортов БВР. Обработка известняков 0,1 % раствором М^Ь уменьшает /„ до вел ны 491 Нс/м\ что позволяет при обеспечении того же качества дробления снизить удельный ход ВВ в 1,15 раза и увеличить ЛНС «а 7 %.
Таким образом, использование поверхностно-активных веществ способно существенно высить эффективность разрушения горных пород взрывом. Отработанная процедура экспе{ тального определения нормированного импульса дробления позволяет определять рационал удельный расход ВВ и расстояние между шпурами при подземных горных работах, а также фективность использования ПАВ при производстве БВР.
203 с.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Барон Л. И.. Хмельковский И. £. Разрушаемость горных пород свободным ударом. М.: Наука, 1
2. Горюнов Ю. В.. Перцш Н. В . Щукин £ Д Эффект Ребиндера. М.: Наука. 1966. 178 с.
1 з*ышев О. Г. Использование поверхностно-активных веществ в процессах горного производства Уральской гос. горно-геологической академии. Сер.: Горное дело. 2000. Вып. И. С. 153-159. [Лмшшев О. Г.. Анохина О. О. Оценка эффективности разрушения горных пород взрывом // Вест-Материяыы Российско-китайского симпозиума. 2002. №5. С. 55-56.
шее О. Г. Перспективы использования поверхностно-активных веществ для управления свой-в процессах строительства шахт // Строительство шахт, рудников и подземных сооружений: шуч темат. сб. Свердловск: СГИ. 1988. С. 69-73.
Мальцев В. М. Разработка метода расчета разрушения солевых и скальных горных порол импуль-
• длиненных цилиндрических зарядов: Дис.... канд. техн. наук. Пермь, 1997. 120 с. Ся9уков В. А.. Антоненко В. А.. Подозерский Д. С. Разрушение горных пород при ударе и взрыве. 1971. 161 с.
;-» •■ - .w N XMWfii» i'/q-.'.fi stmts'i «ft<m»w exTodeqrrt V. Я /« н n«n r-.oqou /UHqo-i анм-»шул*П .э ï4 iroquxtatt ..»• ft оякмюю»« ,.K Д
