Введение к работе
Актуальность темы исследования. Взрывные работы являются основным методом отделения породы от массива в горном деле. Как отмечают ведущие ученые, наблюдается прямая зависимость уровня развития горной промышленности от уровня организации процессов разрушения горных пород при добыче полезных ископаемых. Объемы ведения взрывных работ в Советском Союзе считались наибольшими в мире. Потребление взрывчатых веществ (ВВ) для нужд горного производства приближалось к 2 млн. т в год. К середине 90-х годов прошлого века их потребление в России уменьшилось в два раза. В настоящее время с увеличением промышленного производства происходит рост потребления ВВ. При таких масштабах взрывных работ даже незначительное общее снижение удельного расхода ВВ и повышение выхода дробленной горной массы сім скважины (шпура) приводит к большому экономическому эффекту в масштабах горнодобывающих отраслей России.
Во многих случаях неоправданный перерасход ВВ, а также низкие показатели выхода дробленной горной массы сім скважины (шпура) обусловлены недостаточной теоретической обоснованностью применяемых методик расчета параметров БВР. Практическая проблема надежного обеспечения высоких показателей БВР лежит в створе важнейших задач горной науки о разрушении горных пород: определение механизма разрушения горной породы и изучение явлений, сопровождающих процессы разрушения и отделения горной породы от горного массива.
Таким образом, физико-техническое обоснование параметров разрушения породного массива удлиненными зарядами представляет актуальную проблему, имеющую важное научное и практическое значение.
Цель работы - получение закономерностей развития зон нарушенности и установление факторов, влияющих на процессы трещинообразования для физико-технического обоснования параметров взрывного разрушения горного массива удлиненными зарядами.
Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей по определению формы, размеров, динамики развития зон разрушения и комплексно учитывающих физические свойства взрываемых массивов скальных пород, характеристики ВВ, геометрические размеры и места инициирования удлиненных зарядов.
Задачи исследований.
-
Проведение экспериментальных исследований параметров зон смятия и трещинообразования на реальных массивах скальных пород с последующей математической обработкой данных экспериментов для подтверждения и уточнения аналитических исследований.
-
Разработка теоретических моделей для расчета параметров зон смятия и трещинообразования при разрушении породного массива взрывом удлиненных зарядов, и согласование их с полученными экспериментальными данными.
-
Оценка влияния нарушенности массива на параметры зоны трещинообразования.
-
Определение влияния временных параметров процесса взрыва на развитие зон разрушения при различных физических свойствах взрываемых массивов скальных пород, характеристик ВВ, параметров и места инициирования удлиненных зарядов.
-
Разработка теоретических основ расчета рациональных параметров БВР при проведении горных выработок и скважинной отбойке полезных ископаемых.
Методы исследований.
Анализ и обобщение научно-технической информации, применение результатов теории сопротивления материалов, математическое моделирование, промышленные эксперименты и испытания, корреляционный и регрессионный анализ результатов экспериментов.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Определяющие параметры разрушения горного массива - радиус зоны смятия и предельно возможный радиус зоны трещинообразования, образующиеся при воздействии на монолитный скальный массив взрыва удлиненного заряда, описываются закономерностями в виде произведения степенных функций от диаметра заряда, плотности заряжания, скорости детонации ВВ, пределов прочности массива на сжатие и срез.
-
В трещиноватом массиве предельный радиус зоны трещинообразования увеличивается обратно пропорционально коэффициенту структурного ослабления, являющемуся функцией отношения предельно возможного радиуса зоны трещинообразования для монолитного массива к среднему расстоянию между трещинами.
-
Предельный размер зоны трещинообразования достигается при условии, что за время действия взрывного импульса волна напряжений в массиве успевает охватить всю
зону, в противном случае размеры этой зоны ограничиваются расстоянием, пройденным продольной волной.
4. Разрушение массива по длине заряда происходит в объеме фигуры, состоящей из
цилиндра с радиусом зоны трещинообразования и примыкающей к нему со стороны недо-
заряда (торца заряда, находящегося вблизи свободной поверхности) выпуклой половины
тора с радиусом равным половине радиуса зоны трещинообразования. Граница воронки
взрыва определяется линией пересечения половины тора с поверхностью обнажения, При
длине недозаряда большей, чем половина радиуса зоны трещинообразования, происходит
камуфлетное взрывание.
5. Установленные закономерности, подтвержденные представительными экспери
ментами, позволяют проектировать параметры БВР, обеспечивающие высокие технико-
экономические показатели взрывных работ, как при проходке горных выработок, так и
при очистной выемке полезных ископаемых и в комплексе составляют физико-
техническое обоснование параметров разрушения горного массива взрывом удлиненного
заряда.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается представительным объемом промышленных экспериментов и испытаний, соответствием результатов теоретических исследований полученным данным опытно-промышленных испытаний, технико-экономическими показателями результатов внедрения.
Научная новизна работы:
экспериментально определены размеры радиусов зон смятия и трещинообразования при взрыве удлиненных зарядов в различных горно-геологических и горнотехнических условиях;
на основе применения решения статической задачи теории упругости при оценке размеров зон смятия и трещинообразования при взрывном воздействии на породный массив удлиненными зарядами получены зависимости, описывающие данные проведенных экспериментов с достаточной степенью точности;
получена эмпирическая зависимость влияния естественной нарушенности массива на размер предельно возможного радиуса зоны разрушения массива;
определено влияние времени действия взрывного импульса и скорости распространения продольной волны в массиве на развитие зоны трещинообразования;
установлено, что образующаяся в массиве зона разрушения приближенно имеет форму цилиндра с примыкающей к нему со стороны торца заряда выпуклой половиной тора;
получены аналитические зависимости определения минимальной длины заряда, при которой достигается полное развитие фигуры зоны разрушения в горном массиве для случаев прямого, обратного и центрального инициирования;
разработан методологический подход определения схемы расположения зарядов и их параметров для проектирования взрывных работ при строительстве горных выработок и скважинной отбойки, комплексно учитывающий физические свойства горного массива, характеристики ВВ, размеры, форму и динамику образования зон разрушения.
Личный вклад автора состоит в: постановке задач и их решении, участии в промышленных экспериментах и испытаниях; анализе полученных результатов и выявлении зависимостей и ограничений, описывающих изучаемые явления; установлении научных и методологических основ физико-технического обоснования параметров разрушения горного массива удлиненными зарядами; разработке методических основ по определению параметров БВР при проведении подземных горных выработок и скважинной отбойки.
Практическое значение работы:
разработана методика определения схемы расположения шпуровых зарядов и расчета их параметров для проектировании взрывных работ при проведении подземных горных выработок, позволяющая надежно обеспечивать снижение удельных расходов бурения и ВВ (от 15 % до 30 %) по сравнению с существующими их значениями при высоких значениях коэффициента использования шпуров (от 0,95 до 0,98);
разработана методика определения схемы расположения скважинных зарядов и расчета их параметров при проектировании взрывных работ для открытых горных работ, исключающая необходимость перебура и обеспечивающая снижение удельных расходов бурения и ВВ на 15 % при снижении выхода негабарита до 1,7 % (абсолютных);
предложен способ взрывного разрушения кристаллосодержащих горных пород удлиненными зарядами, позволяющий практически полностью исключить дробление добываемых кристаллов (Патент РФ № 2142610).
Реализация работы в промышленности. Разработанные методики и рекомендации работы внедрены и используются при проектировании скважинной отбойки на ОАО
«Севуралбокситруда», ОАО «Боксит Тимана» и при проектировании паспортов БВР для подземных горных выработок на ОАО «Севуралбокситруда».
Апробация работы. Содержание работы и отдельные ее положения обсуждались на производственно-технических совещаниях: концерна «Совалюминий» (г. Москва, 1990 г.), треста «Бокситстрой» (г. Североуральск, 1990 г.), НПО «Сибруда» (г. Новокузнецк, 1991 г.), горного отдела Комитета металлургии Российской Федерации (г. Москва, 1994 г.), ОАО «Севуралбокситруда» г. Североуральск 2004 г., ОАО «Боксит Тимана» г. Ухта 2006 г.; на Международной конференции по открытым горным, земляным и дорожным работам (г. Москва, 1995 г.); на II Международной конференции по буровзрывным работам (г. Москва, 1995 г.); на II Международной конференции по открытым горным работам (г. Москва, 1996 г.); на третьей Международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Кемер, Турция, 2005г.); на четвертой Международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Пекин, Китай 2006 г.).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 29 научных работах, в том числе 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в открытии, в монографии, в авторском свидетельстве СССР, в 6 патентах РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений, списка использованной литературы из 226 наименований, изложена на 351 страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц и 60 рисунков.
