Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, обоснование постановки темы и методика исследований 3
Глава 2. Оценка точности соблюдения расчетных параметров и анализ результатов взрывов на карьерах строительных материалов 21
1. Методика исследований 21
2. Анализ параметров отбойки 25
3. Анализ изменения длины преодолеваемой ЛСГШ при уступной отбойке 45
Глава 3. Описание экспериментальных взрывных работ по оценке эффективности применения различных вв и комбинированных зарядов 53
Глава 4 Эффективность применения боеприрасов и порохов для проходки профильных выемок с помощью взрывов на выброс 70
1. Общие сведения 70
2. Определение расхода боеприпасов и расстояния передачи детонации 72
3. Определение дальности разлета при взрывании боеприпасов 76
Глава 5 Разработка системы направленного поиска скорректированных параметров 82
1. Общие соображения 82
2. Математическое обеспечение расчетов 84
3. Методика корректировки проектных параметров 90
4. Программа направленного поиска скорректированных параметров 98
Выводы 115
Заключение 116
Литература 118
- Состояние вопроса, обоснование постановки темы и методика исследований
- Анализ изменения длины преодолеваемой ЛСГШ при уступной отбойке
- Описание экспериментальных взрывных работ по оценке эффективности применения различных вв и комбинированных зарядов
- Определение расхода боеприпасов и расстояния передачи детонации
Состояние вопроса, обоснование постановки темы и методика исследований
Изменения, происшедшие в экономике Российской Федерации с начала 90-х годов, нашли отражение в технике и технологии буровзрывных работ, как и ранее, достаточно широко применяемых в различных отраслях промышленности (главным образом, горной) и строительстве. Наиболее часто в настоящее время взрывная отбойка продолжает использоваться на карьерах и угольных разрезах при добыче и вскрытии месторождений полезных ископаемых в различных горно-геологических и технических условиях.
Как показал наш анализ, наиболее характерными организационно-техническими особенностями современной практики подготовки и производства буровзрывных работ являются:
Сокращение объемов потребления промышленных ВВ (ПВВ) в среднем в 1,8-2 раза. В Российской Федерации годовой расход различных ПВВ составляет в настоящее время около 0,6 млн. тонн. Крупнейшим потребителем и производителем ПВВ являются США - объем годового потребления достиг почти 2 млн. тонн, в СНГ в 90-х годах - более 1 млн. тонн, Китай - 0,4 млн. тонн, Европейское сообщество - около 0,5 млн. тонн. Для сведения можно отметить, что стоимость выпускаемых ПВВ в США по оценкам известной экспертной группы Freedonia, составит к 2002 году гигантскую цифру 2,4 биллиона долларов и будет ежегодно возрастать в денежном выражении на 5,2% [83, 89].
В системе двух наиболее известных в России специализированных организаций - «Союзвзрывпроме» и «Трансвзрывпроме» в настоящее время ежегодно расходуется не более 50 - 60 тыс. тонн ВВ, что почти в два раза меньше, чем в конце 80-х - начале 90-х годов. В качестве основных ВВ, расход которых составляет не менее 80 - 85% суммарного расхода потребления ВВ, на многочисленных объектах этих трестов (ежегодно не менее 700 - 800 объектов) при разработке открытым способом месторождений строительных материалов, представленных породами с f = от 4 - 5 до 16 - 18, продолжают использоваться различные грам-мониты и аммонит 6ЖВ в необводненных условиях; для отбойки обводненных пород - граммонит 30/70, и в отдельных случаях - тротил. Характерно, что наиболее перспективные водосодержащие и эмульсионные ВВ [38, 70, 79, 89] в указанных трестах практического распространения не получили (в России доля этих ВВ при ведении взрывных работ в угольной промышленности и при отбойке руд достигла в 1997 г. 11,2%), главным образом в виду их высокой стоимости (не менее 5-6 тыс. руб. за 1 тонну) и отсутствия соответствующих средств механизации, учитывающих специфику отбойки на карьерах по добыче стройматериалов [69].
В связи с ростом стоимости всех ПВВ весьма перспективным оказалось внедрение с начала 90-х годов на объектах трестов списываемых боеприпасов и ВВ на их основе. В «Союзвзрывпроме» в последние 3-5 лет для уменьшения затрат на взрывные работы были использованы новые ВВ, главным образом, заводского изготовления - граммопоры, нитропоры и гранипоры ФМ - ВВ на основе пироксилиновых зерненых порохов, а так же гранулиты Т, содержащие смесь гранулированной аммиачной селитры, порошкообразного торфа и жидкого нефтепродукта.
В «Трансвзрывпроме» эффективно применяется широкий ассортимент различных порохов и реже заводские ПВВ на их основе. Следует также отметить успешное использование комбинированных зарядов из аммиачной селитры и порохов при относительно небольших высотах уступов -от 3-4 до 8-10 метров.
Доля потребления списанных боеприпасов и ВВ на их основе в двух указанных спе иализированных организациях примерно одинакова - порядка 8 -10%.
Существенно, что примерно одинаков и расход смесей АС-ДТ, который достиг в последние годы 5-7%, главным образом, при отбойке пород с f до 7 - 8. Более широкое внедрение этих ВВ сдерживается из-за отсутствия надежных и доступных средств механизации для их изготовления на местах работ.
Уменьшение в 90-х годах расходов ВВ, с одной стороны, способствовало повышению безопасности взрывных работ на карьерах, т. к. снизилось число взрывов и количество рабочих, занятых на различных операциях с ВВ, сократился объем серий и упростились монтажные схемы и охрана опасных зон. С другой стороны, в таких условиях возросли требования к обеспечению качества работ, т.к. ликвидация результатов неудачных взрывов, например, с увеличенным выходом негабарита, весьма дорогостояща. В этом случае увеличится на 10-15 дней (при производстве в настоящее время не более одного - двух взрывов в месяц на подавляющем большинстве карьеров) время уборки отбитой массы, которая будет осуществляться неритмично. Возможны также значительные простои и остановка оборудования ввиду отсутствия достаточного количества кондиционной горной массы.
На объектах ФГУП «Союзвзрывпром» число скважинных зарядов, взрываемых в серии, составляет в настоящее время не более 20-25, а в «Трансвзрыв-проме» - 15-20 при объеме отбиваемых пород не более 5-7 тыс.м3. Из большого числа объектов можно отметить Афанасьевский карьер в г. Воскресенске, на котором объем потребления ВВ практически не меняется в последние 5-7 лет, и на котором автором были проведены исследования по эффективности отбойки различными ВВ, в том числе и на основе порохов. К 2001 г. наметилось некоторое повышение (на 15-30%) годового объема работ на карьерах стройматериалов, главным образом, в центральном регионе России.
2. Средняя стоимость буровзрывных работ1 в расчете на 1м3 отбитых пород к 1999 году возросла до 5452 руб. (без деноминации) - см. рис.1-1. В 1991 г. средняя стоимость была равна 0,82 руб. Такой рост, в первую очередь, объясняется увеличением затрат на взрывчатые материалы. Так, если в начале 90-х годов стоимость 1 кг аммонита 6ЖВ составляла 2,48 руб., то к I кв. 1999г. возросла более чем 1600 раз, а к 2001 г. превысила 2000 раз (без учета деноминации). По данным института Мосгипротранс индекс повышения цен на буровзрывные работы составил в 1998 году по сравнению с 1991 годом 10133, тогда как при выполнении буровых работ он равен 3205, т. е. в 3,1 раза меньше.
Анализ изменения длины преодолеваемой ЛСГШ при уступной отбойке
Известно, что одной из основных причин некачественного дробления пород на карьерах по добыче стройматериалов является наличие порогов по подошве отбиваемых уступов. Высота таких порогов часто превышает 1 - 1,5 м, а длина вдоль забоя - 10-12 м. Образование порогов происходит, главным образом вследствие того, что фактическая длина ЛСПП превышает расчетную не на 7 -12% (см. предыдущий параграф настоящей главы), а на 20 - 25 % и более. Такое возрастание ЛСПП особенно часто наблюдается при отбойке уступов высотой более 15 м ввиду невозможности установки буровых станков ближе 3 м от верхней бровки уступов и вне границ возможной призмы обрушения. По нашим данным в среднем не менее 15-17 % всех скважин в первых рядах имеют завышенные от 15 до 20 % длины ЛСПП, что серьезно ухудшает качество проработки подошвы уступов и, в свою очередь, ведет к увеличению выхода негабарита.
Рассмотрим наиболее эффективные способы преодоления завышенных, по сравнению с проектными значениями, ЛСГШ (Wnp), расчет которых обычно осуществляется по формуле «Технических правил» [72]. где Р - вместимость 1м скважины, принимаемая в зависимости от диаметра скважины и плотности заряжания, кг; К - расчетный удельный расход ВВ, кг/м .
Если известна величина фактического удельного расхода q (кг/м3), то ЛСПП может определяться по следующей формуле [72].
А. Корректировка ЛСПП за счет применения более мощных ВВ (формулы (П-10) и (П-11) предполагают применение штатного ВВ - аммонита 6ЖВ). Следует отметить, что ввиду довольно ограниченного ассортимента более мощных ВВ и обычной невозможности существенного регулирования плотности заряжания на карьерах по добыче стройматериалов, возможности увеличения ЛСПП таким способом в настоящее время практического значения не имеют и в дальнейшем специально не рассматривались.
Сетка расположения скважин обычно характеризуется коэффициентом их сближения, обозначаемым (т) и численно равным отношению расстояния между скважинами в ряду (а) к длине W, а при многорядном расположении скважин, начиная со второго ряда, отношению расстояния между рядами (в) к W. На рис. П-10 показана диаграмма частости различных значений коэффициентов сближения скважинных зарядов на карьерах по добыче строительных материалов (всего 1043 случая). Средняя величина m оказалась равной 1,0; минимальная - 0,3; максимальная - 4,0. Наиболее часто величину m принимают в пределах 0,91 - 1,2 (67,2 % всех случаев). Отклонения фактических значений m от проектных определяются точностью соблюдения проектных расстояний между зарядами (см. предыдущий параграф настоящей главы).
Автором была специально исследована эффективность применения сближенных скважин для преодоления завышенных, по сравнению с проектными значениями, ЛСПП в первом ряду. После каждого взрыва определялось качество дробления в зоне расположения сближенных скважинных зарядов. Для получения сопоставимых результатов при проведении анализа величина tfxWnp для всех зарядов в серии оставалась постоянной. Диапазон изменения m был принят равным от 0,4 до 1,0. Все сближенные скважинные заряды располагались только в первом ряду и их взрывали мгновенно. В каждую скважину устанавливались по два боевика -в верхнюю и нижнюю части заряда, а вся сеть ДШ дублировалась. Установлено, что минимально допустимыми значениями коэффициентов сближения являются т 0,5. При меньших величинах т были зафиксированы пороги высотой 0,5 - 2 м и заброс породы после взрывов на верхнюю бровку уступов. Характерно, что в этом случае разрушение происходило в основном вдоль линии скважин, а не в направлении забоя. Одновременно резко уменьшалась подвижка пород в сторону выработанного пространства и длина развала Lp сокращалась до (0,2 - 0,3)Н. Выход негабарита возрастал при этом на 30 - 40% по сравнению с отбойкой зарядами с т = 0,9- 1,1.
Выполненный анализ позволил установить, что за счет сближения скважин длина ЛСПП при отбойке скальных пород типа известняка, гранита, песчаника, мергеля может быть дополнительно увеличена (AW) на 25% по сравнению с Wnp одиночной скважины. На графике рис. II-11 показано изменение W при m от 0,9 -1,0 до 0,3. Коэффициент корреляции при сопоставлении m и AW оказался весьма высоким (0,94), а Квар = 21% (см. рис. П-12).
Таким образом, в большинстве случаев завышенные значения W в первых рядах скважин на карьерах по добыче стройматериалов могут быть преодолены за счет применения сближенных зарядов, так как \Уф обычно отличаются от Wrip не более чем на 20-25%. Следует, однако, отметить, что такой способ улучшения качества отбойки используется в настоящее время совершенно недостаточно. При разработке проектов никак не учитываются вероятные диапазоны изменения ЛСПП и возможности преодоления завышенных W в первых рядах. Все расчеты ведутся только для Wnp и Ofnp. Корректировка величины W за счет сближения скважин после окончания бурения является достаточно сложной по организационно-техническим причинам и может привести к увеличению стоимости отбойки. Наиболее эффективным в существующих условиях является обязательное рассмотрение уже на стадии проектирования мероприятий для обеспечения качественной проработки подошвы уступов при реализации проекта.
Описание экспериментальных взрывных работ по оценке эффективности применения различных вв и комбинированных зарядов
Основной объем экспериментальных взрывных работ был выполнен автором в 1997-2000 г.г. на Афанасьевском карьере Воскресенского цементного завода и при строительстве котлована для Московского Международного Делового Центра «Москва-Сити» (ММДЦ) [66]. В процессе проведения наблюдений за опытными и производственными взрывами была установлена эффективность отбойки различными ВВ доломитов, мергелей, известняков и оценена целесообразность использования комбинированных зарядов в случае взрывания указанных пород, имевших различную крепость и трещиноватость. Обработка результатов взрывов осуществлялась по методике, изложенной в предыдущей главе.
В табл. III-1 дан перечень показателей, которые фиксировались автором в процессе подготовки и проведения экспериментальных исследований на различных объектах.
При выполнении подавляющего большинства (более 75%) опытных и промышленных взрывов по рекомендациям автора специально учитывалось качество дробления отбитых пород, которое оценивалось по среднему диаметру куска и выходу негабарита - см. главу II. Установленные автором переводные коэффициенты, в отличие от «Технических правил» [72], наиболее часто применяемых для прогнозирования расхода ВВ различных типов, были установлены с учетом кус-коватости отбитой горной массы.
Исследования в Московском Международном Деловом Центре «Москва-Сити» по выбору рациональной конструкции заряда и типа ВВ были начаты автором с проведения взрывов скважинных зарядов из граммонита 30/70. Ввиду обводненности скважин диаметром 120 и 160 мм (высота столба воды в скважинах достигала 65-70 % их глубины), граммонит 30/70 предварительно засыпали в полиэтиленовые рукава диаметром 100 и 125 мм. Взрываемые породы были представлены в основном известняками различной трещиноватости VI - VII категории по СНиПу. В верхней части уступа находилась прочная известняковая плита мощностью до 1,0 м, а в средней части уступа и зоне подошвы - трещиноватые известняки и доломиты с включениями кремнистых пропластков мощностью 0,1 - 0,15 м. Общая мощность слоя трещиноватых пород была равна около 1,8 м, а средняя глубина скважин - 3,8 м. Сетка расположения скважин диаметром 120 мм составляла 2,5 м 2,5 м; диаметром 160 мм - 2,5 м 3,0 м. Масса зарядов при такой сетке расположения и глубине скважин была равна соответственно 12 кг и 15 кг, длина заряда — 1,5 -н 1,6 м и 1,3 -s- 1,4 м. Вместимость одного погонного метра скважин диаметром 120 мм составляла 8 кг, диаметром 160 мм - 11,5 кг. Фактически удельный расход был равен в среднем 0,47 кг/м3. Инициирование зарядов осуществлялось с помощью боевиков из патронированного аммонала- 200 массой 1 кг или шашек-детонаторов ГК-1 массой 1,12 кг, устанавливаемых в верхней части зарядов. Взрывание - короткозамедленное, интервал замедления -20 и 25 мс. Масса заряда, приходящаяся на один интервал замедления, не превышала 20 - 30 кг. Для ограничения дальности разлета кусков породы после окончания заряжания и забойки устье каждой скважины засыпали слоем песка высотой до 1,2 м. Объем засыпки составлял в среднем около 1,5 м3. При такой конструкции заряда и укрытия из песка фактическая дальность разлета кусков породы не превышала 12 - 15 м при минимальном расстоянии до охраняемых объектов от места взрывов 40 - 50 м. Взрывные работы производились при наличии одной обнаженной поверхности. Качество дробления было достаточно высоким и соответствовало требованиям «Нормативного справочника по буровзрывным работам» [44]. После взрывов наблюдалось вспучивание (до 0,8 м) верхней плиты при ее минимальной горизонтальной подвижке (не более 0,2 - 0,3 м). Выход негабарита составлял 6%. Погрузка взорванной горной массы производилась экскаваторами с емкостью ковша 1,5 м".
При определении величины переводных коэффициентов для гранипоров, альгетолов и тротила-У удельный расход этих ВВ и, соответственно, сетка расположения скважин были предварительно скорректированы автором, исходя из имеющегося опыта по обеспечению требуемого качества дробления в случае применения различных ВВ, в том числе и граммонита 30/70. С использованием каждого из вышеперечисленных ВВ было проведено не менее 5 взрывов. Гранулометрический состав отбитой горной массы при взрывании зарядов из граммонита 30/70, гранипоров, альгетолов и тротила-У характеризовался следующим образом
Определение расхода боеприпасов и расстояния передачи детонации
В настоящее время, как отмечалось выше, наиболее широкое применение боеприпасы получили при сооружении профильных выемок на выброс в подводных условиях. Удлиненные и сосредоточенные заряды выброса под водой формируют из БЗО, авиабомб, снарядов, мин и реже из порохов. В подавляющем большинстве случаев боеприпасы используются в металлических оболочках без их предварительного расснаряжения. При такой конструкции зарядов особое значение приобретает правильный выбор расстояния передачи детонации между отдельными боеприпасами, т.к. ликвидация отказов в подводных условиях весьма трудоемка и дорогостояща.
Так, по данным В.Л. Барона, при использовании БЗО на строительстве подводного канала на Дальнем Востоке на одном взрыве был зафиксирован массовый отказ, т.к. расстояния между отдельными боеприпасами оказались значительно завышенными (до 40 5 см). Всего не взорвалось 66 БЗО из 275. На ликвидацию отказавших зарядов было затрачено 7 дней, а на подготовку и производство основного взрыва всего 2 дня. В проекте производства взрывных работ предусматривалась укладка БЗО без зазоров между ними.
Как показала наша обработка данных взрывов на выброс на трассе каналов Выборг-Высоцк и на Дальнем Востоке, при использовании БЗО в оболочках предельные расстояния, на которых обеспечивается передача детонации между отдельными боеприпасами (1пер) не должны превышать в воде 15 см. В том случае, если расстояния составляли 25-30 см, передача детонации происходила в половине случаев, а при 1пер = 35 45 см - не более чем в 20-30% всех случаев. На расстояниях 1пер 50 см передача детонации вообще не происходила. При использовании бомб и снарядов величина 1пер практически не изменяется, а при взрывании мин типа ТМ-57М возрастает до 20 см. Следует отметить, что значения 1пер приведены с учетом возможной точности укладки боеприпасов под водой.
Методика расчета зарядов выброса в подводных условиях наиболее подробно изложена в работах доктора технических наук В. Л. Барона [3, 4, 19]. Наименее изученными в настоящее время являются вопросы выбора рациональных параметров таких зарядов при относительно небольшом (до 2-2,5 м) слое воды над зарядами. При сооружении каналов Выборг-Высоцк и на Дальнем Востоке все случаи недоборов проектной глубины были зафиксированы на участках, когда ЛНС 2Н (Н - мощность столба воды над зарядами).
По-видимому, необходимость корректировки массы зарядов при малых глубинах заложения зарядов в подводных условиях, также как и в случае применения сосредоточенных зарядов с ЛНС до 1,5-2 м на дневной поверхности [30], объясняется предварительным прорывом слоя забойки или воды газами взрыва без совершения (или со значительным уменьшением) полезной работы по выбросу грунта. Для компенсации этих потерь требуется соответственное увеличение массы зарядов. Наш анализ результатов взрывов, главным образом на трассе подводного канала Выборг-Высоцк, показал, что при высоте столба воды над ВВ менее 5-7 диаметров заряда проектный расход ВВ должен быть увеличен на 25%, а в случае мощности слоя воды 4-5 диаметра - на 50%. При меньшей мощности слоя взрывы производить не рекомендуется из-за резкого увеличения расхода ВВ, интенсивности воздушных ударных волн и дальности разлета. Так, на одном из взрывов при мощности слоя воды не более 3-3,5 диаметра зарядов оказались серьезно поврежденными жилые и административные здания г. Выборга, находившиеся на расстояниях от 1,7 до 2,5 км от места заложения БЗО.
Величина расчетного удельного расхода ВВ (К) при взрывании в подводных условиях, как известно, численно равного отношению массы заряда, необходимого для образования нормальной воронки выброса, к объему такой воронки, возрастает на 13-30,8% по сравнению со взрывами на дневной поверхности. Большие значения в указанном диапазоне относятся к нескальным породам, меньшие - следует применять при отбойке пород с f 10-12. В таблице IV-1 приведены установленные автором величины К для пород различной крепости в подводных условиях, а также табличные значения К по «Техническим правилам» для тех же пород при взрывании на дневной поверхности.
В случае применения нитроглицериновых порохов в упаковке для формирования зарядов выброса на дневной поверхности должно быть обеспечено, для исключения отказов, касание металлических стенок тары между собой. Величину расчетного удельного расхода ВВ в этом случае следует устанавливать по обычной методике [5, 71, 72]. Характерно, что расстояния передачи детонации в подводных условиях были установлены нами впервые, так как значения 1пер не приводятся как в отечественной, так и зарубежной литературе. Подобные рекомендации также отсутствуют в специальных руководствах и инструкциях Министерства обороны.
Расчет массы зарядов выброса должен осуществляться по известным формулам, но с учетом необходимости увеличения К и расхода ВВ в зависимости от фактической мощности слоя воды над зарядами. В последние 3-5 лет боеприпасы в связи с утилизацией их оболочек часто поступают потребителям без тары. Взрывы на выброс с использованием БЗО, мин, торпед и т.п. можно рекомендовать в первую очередь для выполнения аварийных работ в регионах, где осуществляется хранение боеприпасов.
Как отмечалось выше, практическое распространение получили и списанные нитроглицериновые пороха. Они, например, были использованы при проходке канала в Каршинской степи с помощью взрывов на выброс и сооружении выемок на полигоне Полотняно-заводского участка «Союзвзрывпрома» [31]. К недостаткам применения нитроглицериновых порохов, в первую очередь, следует отнести довольно высокое значение переводного коэффициента (1,25), что вызывает увеличение объемов проходческих работ и стоимости транспортировки ВВ. Кроме того, после взрывов были зафиксированы многочисленные случаи неполной детонации и выгораний пороховых шашек. Суммарный расход нитроглицериновых порохов составил при проведении указанных взрывов 133 т, (главным образом, пороха ФГ-14 и НМ-2-С-5 при длине шашек до 1 м и среднем диаметре 50 мм).
