Основы положения теории расчета параметров массового взрыва на карьерах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БУРОВЗРЫВНЫХ ТЕХНОЛОГИИ

А.М.Постовалов

Генеральный директор АООТ Коршуновский ГОК

ОСНОВЫ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ МАССОВОГО ВЗРЫВА НА КАРЬЕРАХ

Дальнейшее развитие промышленного производства обуславливает повышенную потребность в основных видах минерального сырья и продуктов его переработки. Для этого необходимо значительное наращивание объемов добычи полезных ископаемых, что влечет за собой дальнейшее увеличение объемов буровзрывных работ. Однако анализ современного состояния БВР показывает, что достигнутые средние значения коэффициента использования скважин (КИС) не превосходят величину 0,8-0,85. С учетом возрастающих объемов БВР это приводит к потере значительных объемов как буровых работ, так и затрат на весь буровзрывной цикл.

Одной из причин такого положения является отсутствие единой научнообоснованной технической политики в области проектирования буровзрывных работ, определяющей принципы расчета рациональной схемы расположения комплекта скважин по площади блока, определение удельных расходов бурения и взрывчатых материалов

Настоящая статья предлагает при использовании скважин различных диаметров, глубины и типов взрывчатых веществ (ВВ); содержит необходимые сведения для расчетов параметров БВР в зависимости от конкретных горно-геологических и горнотехнических условий

За основу расчета параметров БВР принята методика определения размеров воронки взрыва, полученная на основе теории сопротивления материалов.

Данный подход позволил определить размер образующей при взрыве радиу-

са воронки взрыва призмы разрушения в зависимости от прочностных свойств пород, диаметра, скважин, типа и плотности применяемого ВВ; получена эмпирическая зависимость, позволяющая определять размеры воронки взрыва призмы разрушения в зависимости от интенсивности трещиноватости массива, прочностных характеристик горных пород, диаметра скважин, типа и плотности применяемого ВВ.

В настоящее время имеется большое число концепций механизма разрушения горных пород при их взрывном нагружении. Это приводит к многообразию оценок характера разрушения среды. В итоге результаты взрывного разрушения среды, как правило, находятся в недостаточном соответствии с расчетными. Именно этим в значительной степени объясняется преобладание эмпирических формул в теории проектирования взрывных работ. С другой стороны, последние исследования показывают, что при взрыве в массиве образуются два вида напряжений: - радиальные и - тангенциальные. В классической теории разрушения существует ряд теорий прочности материала. В основном различают два вида разрушения - хрупкое и пластичное (вязкое). В соответствии с этим, развитие вопроса о видах разрушения привело к представлению о двух видах сопротивления материала разрушению: сопротивление отрыву и сопротивление срезу или сдвигу.

Между тем, на протяжении почти двух столетий представления о разрушении твердых тел путем отрыва и среза противопоставляли друг другу. Если учесть, что в массиве возникают два вида напряжений,

то необходимо рассматривать при расчетах те теории, которые учитывают эти виды напряжений.

Энергия взрыва в монолитной среде передается волной и расширяющимися продуктами взрыва. Из экспериментальных и теоретических исследований вытекает, что расположенный на данном расстоянии от центра заряда объем горной породы начинает разрушаться не в тот момент, когда в нем распространяется волна напряжений. Опыты в оптически прозрачных средах и наблюдения в производственных условиях показывают, что разрушения в рассматриваемом объеме начинаются спустя некоторое время после ее прохождения. Об этом свидетельствует убедительно тот факт, что скорость распространения трещин генерального разрушения в объеме породы меньше скорости волны напряжений. В зависимости от физико-технических свойств среды скорость распространения трещин колеблется от 30 до 90% скорости звука. Эти обстоятельства убеждают нас в том, что дробление породы связано не только с распространяющейся волной напряжений и его нельзя вычислять по тому же напряженному состоянию, в которое приводит породу эта волна.

Можно предположить, что идущая от открытой поверхности волна разряжения взаимодействуя с падающей (прямой) волной, вызывает откольные явления, которые для сред с большой акустической жесткостью являются основной причиной разрушения. Однако опыты и теоретические исследования показывают, что для трещиноватых сред разрушения идут от заряда, а объем разрушения, созданный откольны ми явлениями, составляет незначительную часть от всего разрушаемого объема среды.

Эти обстоятельства убеждают нас в том, что дробление (разрушение) массива происходит за счет развиваемого внутри зарядной камеры давления от продуктов детонации Поэтому за основу расчета ЛНС

при отбойке на открытую поверхность можно воспользоваться методикой определения возникающих напряжений в толстостенных цилиндрах при условии действия на них внутреннего и наружного давления.

Согласно этой методике:

/ -)\ / о \

1

Г» ~ГЪ

Р • Г

н и

2 > ГН

1-т

Г)

+ Рь ■ К

КГ

=

г*-г*

(1.1)

Р. ■ к

Ч

Рь-г11£ + 1

(1.2)

где аг- радиальное напряжение (сжатие),

Па;

0( - тангенциальное напряжение (растяжение), Па, гн, гь - соответственно наружный и внутренний радиусы цилиндра, М;

Рв, Рн - внутреннее и наружное давление в цилиндре, Па

При отсутствии наружного давления получим:

.2

а -

г~ г2-г2

'» гь

Р.-к

а< = - -2

в в

г* ~гь

' г2

1--Т

1+£

(13)

(1.4)

Применительно для наших условий -радиус скважин

Для главных напряжений:

Р-г

а1 =аг=- 2

в в

К -гь

' г2''

1+^-Ч г )

а2 = о, = 0, « - Р‘ •Г-

г~ г~ г2-г2

'н *Ь

(1.5)

(1.6) (1.7)

Располагая значениями главных напряжений составляем выражение для эквивалентного напряжения и приравниваем его к допустимому напряжению.

По третьей теории прочности:

>экв

= С\ - аз

(1.8)

или

СТэк« —

(гЦ-г'У

(1.9)

Известно, что порода, подвергаемая динамическому воздействию, переходит в напряженное состояние ( весь нагружаемый массив) не в момент приложения нагрузки, а по истечении некоторого времени (экспериментальные данные в этих работах показывают также, что принятая расчетная модель соответствует полученным результатам, т.к. характер распределения изохром, полученных на экспериментах, идентичен характеру распределения напряжений, принятых в расчетной схеме) и первоначально (до достижения критических нагрузок) ведет себя как упругая среда.

Известно также, что при взрыве заряда в массиве образуется зона смятия, в которой порода изменяет свою структуру, происходит интенсивное мелкодисперсное ее дробление (на частицы размером в доли миллиметра), которая переходит в текучее состояние

Учитывая этот факт и то, что смятая порода в этой зоне передает внутреннее давление, развиваемое продуктами детонации во взрываемой полости на окружающий эту зону массив, рассчитаем снижение давления на массив за счет увеличения площади контакта:

р, - *

Я

(1.10)

см

где Р2 - давление на контакте зоны смятия-массив, Па; остальные обозначения те же.

Учитывая, что гн = оо; гв = Ясм

0.11)

сг =

Так как необходимо определить напряжение, возникающее на поверхности

‘цилиндра”, образованного Яр (рис 1), то Яр = г

2 -л я:

=—¿ГТ

*2

'СМ

Я.

(112)

где Яр - расчетный радиус образующийся при взрыве воронки, м.

Из формулы (12) определяем радиус образующего при взрыве раствора воронки:

2Р \ Р -г

= *- = 0.7 4^-—"■ . (113)

см

же

Известно, что если наружный диаметр “цилиндра” ( согласно принятой расчетной схеме) больше внутреннего в 4 раза и в расчетах допускается погрешность в 6% (что мы можем вполне допустить), то наружный радиус можно считать бесконечно большим.

Рис.1. Схема образования взрывной воронки:

а -в ненарушенном массиве; в - в слоистом массиве; с - в разнонаправленнотрещиноватом массиве.

В этом случае решение не связано с формой внешнего контура и “цилиндр” находится в условиях чистого сдвига (расчет ведется на срез).

Таким образом, учитывая выше изложенное получим [1, 2, 3, 5, 6]

= О.? •

р,г" = о,2 кш, • <?“” • о15 ■ о;0”

ОС

.-0.5 ср '

(1.14)

Поскольку трещиноватостью обладает подавляющее большинство пород разрабатываемых месторождений, то возникает необходимость в изучении трещиноватости горных пород ( породных массивов), как фактора взрывной отбойки, т е. установление влияния той или иной насыщенности пород трещинами на параметры взрывной отбойки.

Если для выявления зависимости по определению радиуса воронки взрыва призмы разрушения при его взрывном нагружении удлиненными зарядами воспользоваться предыдущей схемой (разрушение цилиндров, рис. I), то очевидно, ее можно записать следующим образом [4,7]:

Р. г.

Н -а -К '

СМ ^ Жб л с

(1.15)

где Кс - коэффициент структурного ослабления массива для условий его взрывного разрушения, д ед.; остальные обозначения те же.

Как видно из приведенной схемы (рис. 1) при взрыве происходит разрушение либо тонкостенных цилиндров (рис. 1в), либо балок с одним или двумя защемленными концами (рис. 1с).

Согласно теории сопротивления материалов расчет “тонкостенных цилиндров” ведется на разрыв, а “балок” - по эквивалентному напряжению, равному пределу прочности материала на срез или на разрыв.

Таким образом, для расчета радиуса разрушенного объема призмы разрушения получаются две зависимости:

Л, = 0,7 • (І,

кр = 0,7 ■ сі,

Р. г.

СМ

см

°Р-кс

,(і.іб)

.(117)

В настоящее время для определения коэффициента структурного ослабления трещиноватого массива при его взрывном разрушении предлагаются эмпирические зависимости, в которых этот коэффициент зависит от расстояния между трещинами. Однако, как показывают исследования в области геомеханики и физики горных пород, на прочностные характеристики массива существенное влияние оказывает масштабный фактор. Доказательством реализации в горных породах масштабного эффекта служит тот факт, что с увеличением размеров испытываемых образцов горных пород их прочность снижается с увеличением размеров испытываемых образцов, снижаются таюке все показатели упругопластических свойств горных пород. С другой стороны, еще в первых работах исследователей нашей страны указывалось, что в результате взрыва от массива отделяется некоторый объем породы, который разваливается преимущественно по существующим в массиве трещинам. Только часть породы, прилегающая к заряду, подвергается дроблению на куски меньше естественной отдельности. Объем зоны разваливания, объем зоны дробления и их соотношения зависят от мощности применяемого ВВ и от прочностных характеристик массива, т.е. расстояние между трещинами 0,5 м ( или блочность массива 0,5x0,5 м) окажут различное влияние на результаты взрывов скважинного и шпурового зарядов.

Наиболее полно мощность взрывного импульса и прочностные характеристики массива саккумулированы в величине радиуса взрывной воронки призмы разрушения, определенном для условия отбойки монолита, т е. интенсивность трещиновато-

сти для условий взрывного разрушения трещиноватого массива целесообразно определять в зависимости от количества трещин, приходящихся на радиус воронки взрыва, определенный для условий отбойки монолита.

С целью проверки данного предложения и расчетных зависимостей (1 16, 117) была проведена серия экспериментов по отбойке трещиноватого массива на открытую пповерхность с изменением диаметров зарядов и типов взрывчатых веществ.

Из формул (1.16, 1.17) можно получить выражения для :

(V 'У •* 2 •

1 Л; V Кф) 9

Л 2 2

1 Я) к^-ф) 9

(1.18)

(1.19)

где Яф - фактический радиус взрывной воронки, образующейся при разрушении трещиноватого массива, остальные обозначения те же.

Для полученных значений Ке, К'

выполнен регрессионный анализ. Как показали расчеты, коэффициент структурного ослабления рассчитанный по пределу прочности на разрыв (в интервале от 0 до 10,2) получился больше 1, что противоречит здравому смыслу, поэтому в дальнейшем рассматривалась схема расчета по пределу прочности на срез (зависимости 1.16, 1.18).

Для выявления вида функциональной связи между коэффициентом структурного ослабления и трещиноватостью массива (//•) были рассмотрены три модели:

Ку=/(1Т). (120)

*•> - АЮ-

(121)

(1.22)

= А А.

Для исследуемых зависимостей (1.20, 1.21, 1.22) выполнен корреляционный

анализ; коэффициенты корреляции между функцией и аргументом для всех моделей значимы и равны соответственно: 0,648; 0,719; 0,722.

Функция /(2) находилась методом регрессионного анализа по лучшим в совокупности характеристикам; наилучшей оказалась регрессия вида:

1 (123)

к =

я

0,97+ 0,13 у5-

*г

2. Методика расчета параметров массового взрыва

2 1. Расчет радиуса образующейся при взрыве воронки в монолитном массиве (по формуле 1.14)

Рр = 0,2102</. У-75 • О15 -а^25 т^5.(2.1)

где с/ - диаметр заряжаемой скважины, м;

# - плотность ВВ в заряжаемой скважине, кг/м3;

О - скорость детонации применяемого

ВВ, м/с;

Осж - предел прочности пород на сжатие, Па;

хср - предел прочности пород на срез, Па; ( если хср не известен, то приближенно можно принять: хср = 0,3ас>с; <зсж =/100).

2.2. Расчет радиуса образующейся при взрыве воронки в трещиноватом массиве:

/>„ = ^ (2.2)

где Кс - коэффициент структурного ослабления, д.е. (формула 1.23);

К. =------------^ (2.3)

0,97 + 0,13

Д.

1т - среднее расстояние между трещинами, м.

2.3. Расчет линии сопротивления по подошве:

IV » Рр, соз(0,5а) (2 4)

где а - минимальный угол образующейся взрывной призмы (а = 60°), град

2.4. Расчет глубины бурения скважин

'-ш <25)

где / - глубина бурения скважин, м;

Н - высота уступа, м

2.5. Расчет длины заряда в скважине

(рис. 2)

/^-/-И'м; (2.6)

( длина заряда должна быть не менее 0,5/, если / - IV< 0,5/, то принимать 0,5/)

3. Схема расположения скважин по площади отбиваемого массива

Скважины размещают равномерно по площади отбиваемого массива

(прямоугольная сетка) рядами (рис. 2) таким образом, что расстояние между рядами скважин должно быть не более ЛСПП (2.4), а в рядах между скважинами на расстоянии не более расчетного радиуса воронки взрыва (а <РР1).

(Для спаренных скважин \У2 = 2\У: Рр1 = 2Рр,;а2<Рр2;Ь2<\У2)

4. Показатели БВР (объем бурения,

расход ВВ)

Определив длину заряда, рассчитывают массу заряда на скважину по формуле: q = 0;¿S■n■dг !г-gвв (4.1) Объем бурения на взрыв:

Ьш± I;

1

где п - количество скважин на взрыв.

Расход ВВ на взрыв:

е-Е*;

* ш у. А Ш. Ш. А

( Г ч | А ¥ я Ь 4 ¥ \ | А г **

Г Я | А * я 1 4 к -4 ъ 1 /

г 1 к -4 ¥т ™ к А г- § **

¥ % г * * *

//■М-

Рис.2. Схема расположения скважин по площади забоя.

удельный расход ВВ

где V - объем взорванной горной массы, м\

5. Последовательность взрывания и интервалы замедления

Последовательность взрывания представлена на рис.З.

Первоначально производят взрывание центральной скважины первого ряда, затем двух скважин (по обе стороны от центральной) первого ряда (рис. 3). Затем, с целью образования “клина” взрывают центральную скважину второго ряда и т.д. (рис.З. цифрами обозначена очередность взрывания). Интервалы замедления стандартные (по сериям электродетонаторов 50 мс).

(допустимо округление в пределах 0,5 м в большую сторону).

6.2. Определяем коэффициент структурного ослабления (по формуле 2.3):

6. Пример составления паспорта БВР на

отбойку уступа

Исходная информация руда крепостью /=14, диаметр скважин 250 мм; высота уступа 10 м, среднее расстояние между трещинами 50 см, ВВ - граммонит 79/21 (скорость детонации 4,2 км/с), плотность заряжания 1,1 г/см'.

6.1. Определяем радиус взрывной воронки для условий отбойки монолитного массива по формуле (2.1):

6 3 Определяем радиус взрывной воронки для условий отбойки трещиноватого массива (по формуле 2.2):

Рис. 3. Последовательность взрывания скважин (групп) по площади забоя.

6.5 Определяем глубину бурения вертикальных скважин (по формуле 2.5):

(допустимо округление в пределах 0,5 м в большую сторону).

6 4. Определяем размер линии сопротивления по подошве (по формуле 2.4): ^=6^30° = 4,94 *5 м. (допустимо округление в пределах 0,5 м в большую сторону), таким образом получили сетку обуривания массива ( 5x6 м).

, Ю

/ = —-10.5»

6.6 Определяем длину заряда в скважине ( по формуле 2.6):

¡з = 10,5 - 5 = 5,5 м.

(5,5 м> 0,5 • 10,5)

6.7. Определяем количество ВВ на одну скважину ( по формуле 4.1): д = 0,25 3,14 0,252 5,5 1100 = 296,8 * 300 кг.

рснции по открытым горным работам, Москва. 1996, С.200-205.

5. Андриевский А.П., Кутузов Б.Н., Матвеев П.Ф., Николаев Ю Н. К вопрос, образования зоны смятия (раздавливания) в скальном массиве при его взрывном нагружении колонковыми зарядами. ФТПРПИ.

6. Андриевский А.П., Кутузов Б.Н.. Матвеев П.Ф., Николаев Ю Н К вопросу образования воронки взрыва (зоны трещинообразования) в скальном массиве при его взрывном нагружении колонковыми зарядами ФТПРПИ. 1996, №11.

7. Андриевский А П., Кутузов Б.Н., Половов Б Д., Матвеев П.Ф. Влияние трещиноватости и физико-механических свойств горных пород на параметры образующейся вфывной воронки ФТПРП. 1997 г..

© А.М.Постовалов

~ РЕКЛАМА

«ТИПОГРАФИЯ-НА-КУХНЕ»

Так в Германии называют малые комплексы, которые состоят из настольных издательских систем (НИС) и микрополиграфических производств.

Действительно, современная техника дает возможность двум людям(например, мужу и жене) в небольшом помещении выпускать книги, брошюры, бланки и другую бумажную продукцию. Да и стоит это недорого.

В любом населенном пункте Германии и многих других стран есть такие издательства-типографии, выполняющие качественно, быстро и недорого полиграфические работы в любом объеме и в максимально короткие сроки.

Теперь такая возможность появилась и в России. На базе Государственного центра учебного книгоиздания при Издательстве Московского государственного горного университета была впервые применена такая технология. Полученные результаты показали, что в наших условиях "типография-на-кухне11 - незаменимый комплекс, в силу своей гибкости и меньших затрат позволяющий осваивать рынок полиграфических услуг с максимально благоприятными условиями.

СПЕЦИАЛИСТЫ ЦЕНТРА ПОМОГУТ ОРГАНИЗОВАТЬ МАЛОЕ СОВРЕМЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО И МИКРОТИПОГРАФИЮ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

ВУЗА, НИИ, ФИРМЫ.

В комплекс услуг входят:

=> проектирование и поставка необходимой техники, с учетом имеющегося оборудования и ваших возможностей

наладка оборудования, модернизация ЭВМ, несовместимых с НИС =э загрузка и настройка НИС, установка специальных пакетов программ => обучение специалистов всем элементам технологии

==> консультации по вопросам максимального сокращения затрат, оптимальной эксплуатации оборудования, книжного дизайна и другим вопросам =► оказание помощи в снабжении расходными материалами по низким ценам( бумага, картон, краски и формы RISO, картриджи, клей и т.д.).

По всем вопросам обращаться в Издательство МГГУ 117935, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6.

Тел. (095) 236-97-80 Факс (095) 956-90-40

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андриевский А.П Методик;! определения расстояния между шпурами и скважинами для щеле-образования/ФТПРПИ, 1983. - № 4. С. 34-38

2. Андриевский А.П. Методика расчета оптимальных параметров паспорта буровзрывных работ при проходке с прямым щелевым ярусным вру-бом/ФТПРПИ, 1992. - № 5 С. 71-77.

3. Андриевский А.П. Патент Российской Федерации № 2006581 “Способ разрушения горных пород при проходке горных выработок” от 11.01.94.

4. Андриевский А.П., Кутузов Б.Н., Половов Б Д.. Матвеев П.Ф. Влияние трещиноватости и физико-механических свойств горных пород на параметры взрывной воронки при отбойке на обнаженную плоскость. Доклад на II Международной конфе-