CC BY
12
УДК 622.233:622.235:622.831
Г.Н. Волченко (кандидат технических наук, доцент ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»)
В.Н. Фрянов (доктор технических наук, заведующий кафедрой ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»)
Сейсмобезопасная технология крупномасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудниках Сибири
Предложен способ взрывного разрушения напряженных железных руд на удароопасных рудниках Сибири, позволяющий значительно снизить объем выплеска взрывосейсмической энергии во вмещающий массив и риск возникновения аварийных ситуаций в шахте.
Ключевые слова: РУДНИК, ГОРНЫЙ МАССИВ, ВЗРЫВ, ЗАРЯД, ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТ-
ВА, СЕЙСМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ, ГЕОДИНАМИКА, ЭНЕРГИЯ, ДЕФОРМАЦИИ
Из теории разрушения материалов известно [1], что для разрушения пород при объемном трехмерном сжатии требуются большие затраты энергии по сравнению с затратами энергии, необходимой для разрушения пород в двухмерном или одномерном напряженно-деформированном состоянии или подверженных растягивающим напряжениям.
По результатам натурных измерений установлено, что на рудниках Алтае - Саянской складчатой области, отрабатывающих железорудные месторождения, в нетронутом горном массиве горизонтальные напряжения в 1,5-3,0 раза превышают вертикальные [2]. Следовательно, для взрывного разрушения горных пород в условиях повышенных сжимающих горизонтальных напряжений требуются затраты энергии, существенно большие по сравнению с затратами энергии на разрушение пород, находящихся в гравитационном поле напряжений. Поэтому актуальными являются исследования, направленные на формирование в отрабатываемых блоках неравномерного поля напряжений, в котором одно или два нормальных напряжения близки к нулю или являются растягивающими.
Разработанная и адаптированная к условиям отработки удароопасных рудных месторождений Сибири технология крупномасштабной взрывной отбойки [3] включает следующие технологические процессы: бурение в целике скважин с размещением в них зарядов взрывчатых веществ (ВВ); проходку восстающих выработок с размещением в них камерных зарядов ВВ; последовательное взрывание с образованием системы противолежащих ослабляющих полостей на две противоположные поверхности обнажения целика; разрушение целика взрыванием камерных зарядов
ВВ.
Существенными недостатками этой технологии являются повышенная опасность ведения горных работ за счет провоцирования после массового взрыва динамических проявлений горного давления (горных ударов) высоких классов энергии, снижения устойчивости горных выработок, а
также некачественное дробление пород в целике из-за неравномерного неуправляемого распределения напряжений и деформаций до, в процессе и после взрыва зарядов ВВ.
Согласно результатам проведенного анализа для сейсмоактивного региона Алтае - Саянской складчатости, где расположены удароопасные железорудные месторождения Сибири, актуальной научно-практической задачей является разработка новой технологии разрушения пород, сохраняющей достоинства и лишенной недостатков предыдущей.
В соответствии с концепцией создания энергосберегающих технологий предлагается реализовать идею сейсмобезопасной схемы короткозамедленного взрывания (КЗВ) [4], сущность которой состоит в поэтапном разрушении пород при формировании после каждого этапа КЗВ ослабляющих полостей, обеспечивающих инициирование волн разгрузки в напряженном массиве и способствующих снижению энергоемкости его взрывного разрушения. При этом на предпоследней стадии схемы КЗВ посредством образования ослабляющих полостей обеспечивается отрезка (купирование) массива целика полостями от вмещающих пород с целью снижения сейсмовзрывного эффекта и повышения интенсивности разрушения зон нерегулируемого дробления в торцах целика.
Последовательность КЗВ по предлагаемой схеме представлена на рисунке 1. В горизонтальной проекции рудного целика (панель технологического блока) показана схема расположения скважинных и камерных зарядов ВВ и проектных контуров ослабляющих полостей.
3 7 5 3 17
1 - обрушаемый целик; 2 - ряды нисходящих скважин; 3 - проектные контуры ослабляющих полостей; 4 - компенсационная камера; 5 - породы ранее обрушенного блока; 6 - восстающие выработки; 7 - дополнительные скважины; отях - максимальные сжимающие напряжения
Рисунок 1 - Сейсмобезопасная схема короткозамедленного взрывания при комплексном применении вертикальных концентрированных и пучковых зарядов ВВ
Последовательность формирования ослабляющих полостей в торцах целика при короткозамедленном взрывании приведена на рисунке 2.
а
б
а - первоначальное формирование ослабляющих полостей в торцах целика;
б - последующий этап формирования ослабляющих полостей на две противоположные
поверхности обнажения целика; в - оконтуривание целика перед окончательным его разрушением
Рисунок 2 - Схема формирования ослабляющих полостей и окончательного разрушения целика зарядами ВВ на различных этапах короткозамедленного взрывания
Способ осуществляется следующим образом (рисунок 1). Целик 1 обуривают рядами нисходящих скважин 2 для формирования проектных контуров ослабляющих полостей 3 на две противоположные поверхности обнажения целика: компенсационную камеру 4 и породы ранее обрушенного блока 5. Известными способами определяют места расположения камерных зарядов ВВ [3].
В указанных местах проходят восстающие выработки 6, например, секционным взрыванием глубоких скважин. Соосно с проектными контурами ослабляющих полостей 3 бурят дополнительные скважины 7, причем их располагают симметрично продольной оси целика 1 на расстоянии расчетной линии наименьшего сопротивления по отношению к поверхностям обнажения целика 4,5. После окончания бурения скважин 2,7 и проходки восстающих горных выработок 6 приступают к созданию удлиненных зарядов ВВ в скважинах 2,7 и камерных зарядов ВВ в восстающих выработках 6. Бурение дополнительных скважин соосно с проектными контурами ослабляющих полос-
тей симметрично продольной оси целика и размещением в них зарядов ВВ призвано перераспределить энергию взрыва по площади целика.
Перераспределение энергии и полей напряжений после первоначального образования ослабляющих полостей в торцах целика происходит за счет воздействия максимальных сжимающих напряжений 0-^, вектор которых на действующих рудниках железорудных месторождений Сибири направлен с торцов целика. В целике под влиянием природных и техногенных напряжений формируются значительные по величине и распространению поля касательных и растягивающих полей напряжений [5]. С учетом указанной закономерности для образования остальных ослабляющих полостей в сформировавшемся поле напряжений массу зарядов ВВ можно снизить, т.к. поля касательных и растягивающих напряжений интегрируются с полями напряжений, возникающих при взрывании ВВ [6]. То есть для образования ослабляющих полостей бурение дополнительных скважин и размещение в них зарядов ВВ производят за счет экономии массы зарядов ВВ.
Взрывание зарядов ВВ 2, 6, 7 осуществляют короткозамедленным взрыванием в следующей последовательности. Первоначально образуют ослабляющие полости 3 в торцах целика взрывом зарядов 2, как показано на рисунке 2,а. Затем в сформировавшемся поле касательных и растягивающих напряжений инициируют скважинные заряды ВВ 2 для формирования остальных ослабляющих полостей 3 согласно рисунку 2,б. После образования всех ослабляющих полостей 3 взрывают заряды ВВ в дополнительных скважинах 7, расположенных в торцах целика, для дополнительного динамического воздействия на массив и отрезки разрушаемого массива целика 1 от вмещающих пород, как показано на рисунке 2, в.
Заряды ВВ в дополнительных скважинах, расположенных в торцах целика, взрывают после образования ослабляющих полостей, при этом преследуют две цели. Первая цель - динамическое воздействие на массив, в котором после образования всех ослабляющих полостей формируются значительные по величине и распространению поля растягивающих полей напряжений [7]. В результате такого воздействия в массиве, подверженном динамическому воздействию растягивающих полей, возможна реализация малоэнергоемкого механизма разрушения вследствие изменения типа разрушения: от одноочагового разрушения в области
квазистатического нагружения к многоочаговому при импульсном растяжении. В результате этого формируется ансамбль одновременно растущих и взаимодействующих микротрещин большой концентрации, осуществляя предразрушение массива [8]. Вторая цель - это отрезка разрушающего массива целика от вмещающих пород, что позволит значительно снизить объем выплеска взрывосейсмической энергии во вмещающий массив после одновременного взрывания камерных зарядов ВВ и оставшихся зарядов ВВ в дополнительных скважинах [9] и вероятность провоцирования динамических проявлений горного давления высоких классов энергии, что повысит безопасность ведения горных работ [10]. Применение такой схемы существенно уменьшает вероятность возникновения горных ударов и разрушений горных выработок.
Снижение энергоемкости разрушения и вероятности динамических форм проявления горного давления достигается посредством взрывания камерных зарядов ВВ 6 и оставшихся зарядов ВВ в дополнительных скважинах 7 в последнюю очередь одновременно. Взрывы зарядов ВВ в дополнительных скважинах ориентируют энергию взрывов камерных зарядов ВВ к границам целика, расположенного напротив ослабляющих полостей. Такая ориентация основана на взаимодействии
одновременно взрываемых зарядов ВВ [11], что позволит гарантированно и качественно разрушить оставшийся массив целика и снизить вероятность инициирования горных ударов.
Следовательно, вышеописанное интегральное воздействие на массив целика взаимодействующих статических и динамических полей напряжений предопределяет его предразрушение (ослабление), поэтому взрывание камерных зарядов ВВ и оставшихся зарядов ВВ в дополнительных скважинах осуществляют с пониженными энергетическими характеристиками взрыва (снижение массы зарядов ВВ), а отрезка (купирование) разрушающего массива целика от вмещающих пород позволит значительно снизить объем выплеска взрывосейсмической энергии во вмещающий массив и вероятность провоцирования динамических проявлений горного давления высоких классов энергии, что повысит безопасность ведения горных работ.
Предложенный вариант реализации данного способа разрушения целиков представляет собой частный случай при применении системы этажного принудительного обрушения. Практическое применение разработанного способа разрушения целиков возможно на железорудных шахтах филиалов ОАО «Евразруда». Опытно-промышленные испытания способа позволят установить оптимальные параметры БВР, характер перераспределения природных и техногенных полей напряжений.
При проведении промышленного эксперимента необходимо проводить мониторинг последствий взрывов автоматизированными системами непрерывного микросейсмического и сейсмоаку-стического контроля напряженного состояния массива горных пород (АСНК), поверхностными сейсмодатчиками, что позволит получить экспериментальные данные о сейсмобезопасности предлагаемой схемы взрывания.
Результаты эксперимента предлагается использовать в качестве исходных данных при моделировании методом конечных элементов процессов перераспределения взаимодействующих природных и техногенных полей напряжений.
По результатам моделирования и тестирования выходных параметров модели по фактическим данным проводится предпроектная проработка и обоснование параметров БВР для конкретных технологических блоков.
Поэтапная реализация и адаптация элементов технологии в конкретных горногеологических и горнотехнических условиях позволит создать способ регионального управления напряженно-деформированным состоянием массива, снижающим долю провоцирования высокоэнергетических динамических событий массовыми взрывами по специальным проектам. Очевидно и то, что снижение сейсмического эффекта взрыва обеспечит повышение уровня промышленной и экологической безопасности в горнодобывающих регионах.
Работа выполнена в соответствии с государственным контрактом № П1118 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Черепанов, Г.П. Механика хрупкого разрушения/ Г.П. Черепанов.- М.: Наука, 1974. - 640 с.
2 Курленя, М.В. Техногенные геомеханические поля напряжений/ М.В. Курленя, В.М. Серя-ков, А.А. Еременко. - Новосибирск: Наука, 2005.- 264 с.
3 Викторов, С.Д. Технология крупномасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Сибири /С.Д. Викторов, А.А. Еременко, В.М. Закалинский, И.В. Машуков.- Новосибирск: Наука, 2005. - 212 с.
4 Пат. 2360117 Россия, МПК7 Е21С 41/22. Способ разрушения целиков /Г.Н. Волченко, Н.Г. Волченко, В.Н. Фрянов, В.М. Серяков [и др.]; СибГИУ - 2008104454; заявл. 05.02.2008; опубл. 27.06.2009, Бюл. №18. - 6 с.
5 Квапил, Р. Новые взгляды в теории горного давления и горных ударов /Р. Квапил. - М.: Углетехиздат, 1959. - 67 с.
6 Ханукаев, А.Н. Динамическая прочность на разрыв при взрыве в условиях предварительно напряженного состояния породы / А.Н. Ханукаев, В.П. Беляцкий, А.А. Ионин // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1976. - N 2. -С. 49-53.
7 Серяков, В.М. Геомеханическое обоснование параметров скважинных зарядов при отбойке напряженного массива / В.М. Серяков, Г.Н. Волченко //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2003. - № 5. - С. 23 - 29.
8 Белендир, Э.Н. Сопротивление разрушению горных пород при временах нагружения 10-2 - 10-6 с. /Э.Н. Белендир, В.Ф. Клятченко, А.И. Козарчук [и др.] // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1991. - № 2. - С.46-49.
9 Адушкин, В.В. Подземные взрывы /В.В. Адушкин, А.А. Спивак. - М.: Наука, 2007. - 579 с.
10 Матвеев, И.Ф. Управление удароопасностью горного массива изменением параметров взрывной отбойки при разработке железорудных месторождений Сибири: автореф. дис. ... докт. техн. наук / И.Ф. Матвеев. - Новокузнецк: СибГИУ, 2004. - 34 с.
11 Лангефорс, У. Современная техника взрывной отбойки горных пород/ У. Лангефорс, Б. Кильстрем. - М.: Недра, 1968. - 245 с.
SEISMICALLY SAFE METHOD OF LARGE SCALE ORE BLAST AT SHOCK HAZARDOUS SIBERIAN MINES
G.N. Volchenko, V.N. Fryanov
Method of stressed iron ores blast at shock hazardous Siberian mines is suggested which allows to reduce significantly the amount of blast seismic energy splash into surrounding rock massif and risks of emergency situations at the mine.
Key words: ORE MINE, ROCK MASSIF, BLAST, CHARGE, EXPLOSIVE, SEISMIC EN-ERGY,GEODYNAMICS, DEFORMATION ENERGY
Волченко Григорий Николаевич Е-mail: [email protected] Фрянов Виктор Николаевич E-mail: [email protected]
