Методы расчета свойств разрушенной горной массы и регулирование параметров развала при ведении взрывных работ Цирель, Сергей Вадимович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Основная цель применения взрывных работ в горном деле и строительстве состоит в рыхлении скальных и полускальных массивов. Соответственно результаты взрыва в первую очередь характеризуются качеством дробления, формой и структурой (коэффициентом разрыхления) разрушенной породы. Наибольшее внимание обычно уделяется среднему размеру осколков и гранулометрическому составу взорванного массива, при этом ввиду чрезвычайной сложности процессов динамического разрушения горных пород расчеты данных параметров в основном ведутся эмпирическими методами. Достигнутые в последние годы успехи в изучении структуры и механических свойств горного массива дают возможности глубже рассмотреть процессы взрывного дробления. Однако новые представления о горном массиве находятся в стадии становления и пока не позволяют проводить полный расчет процессов разрушения. Поэтому является актуальной задача разработки новых методик вычисления среднего размера осколков и их гранулометрического состава, учитывающих как новые теоретические подходы, так и накопленный опыт горных работ.

Существенно меньше работ посвящено форме и структуре развала горной массы, также оказывающим существенное влияние на производительность выемочно-транспортного оборудования. Знание коэффициентов разрыхления необходимо при расчетах целого ряда технологических процессов горного дела и строительства -выбор параметров БВР при бестранстранспортной системе разработки с взры-водоставкой вскрышных пород в выработанное пространство; строительство насыпей, набросных и взрывонабросных плотин; магазинирование и выпуск руды; выбор гранулометрического состава наполнителей для тяжелых бетонов и закладочных материалов и т.д. Для составления методик расчета параметров развала взорванной массы требуются вычисления не только конечного разрыхления, но и промежуточных состояний разрушенной породы. Эмпирические методы, принятые в горном деле и строительстве, не могут охватить всех встречающихся на практике гранулометрических составов разрушенных и сыпучих пород при различном качестве смешения фракций и не позволяют изучать процессы разуплотнения взорванной массы. Механика сыпучих сред использует главным образом либо континуальные модели, неприменимые для расчетов коэффициентов разрыхления, либо дискретные модели, представляющие собой случайные упаковки правильных фигур, свойства которых не только количественно, но и качественно отличаются от свойств разрушенных горных пород, состоящих из кусков неправильных форм с размерами, изменяющимися в диапазоне 2-3 и более порядков. Поэтому необходима разработка новых подходов к изучению формы п структуры развала взорванной массы и расчету плотности разрушенных и сыпучих пород, опирающихся на экспериментальные результаты и позволяющих их распространить на материалы с произвольным гранулометрическим составом и любым качеством смешения фракций.

— 2 —

Цель работы и объект исследований. Основной целью работы является разработка методов расчета для решения комплекса задач, связанных со свойствами разрушенных горных пород. Объектом исследований являются разрушенные взрывом и сыпучие породы и, более широко, материалы различного гранулометрического состава, состоящие из частиц неправильных форм. В соответствии с выбранным объектом и с поставленной целью исследований решались следующие задачи.

1. Установление характеристик поля напряжений, определяющих дробяшее действие взрыва в горных породах и анализ влияния масштабного фактора, формы заряда, свойств ВВ и расстояния до свободной поверхности на дробящее и разрушающее действие взрыва.

2. Установление причин примерного постоянства параметров формы распределения осколков раздробленной породы по размерам и возможностей регулирования однородности дробления.

3. Разработка методов расчета средних размеров осколков и гранулометрического состава горной массы при различных параметрах веденій буровзрывных работ.

4. Разработка методов расчета плотности разрушенных и сыпучих пород, учитывающих их гранулометрический состав и качество смешения фракций.

5. Разработка методов расчета разрыхления горной массы в емкостях различных форм и размеров.

6. Оценка влияния гранулометрического состава на деформационные свойства разрушенных пород при вибрации и сжатии.

7. Изучение процесса разуплотнения взорванной породы при сдвижении и структуры развала раздробленной массы.

8. Разработка методов расчета скоростей сдвижения взорванной породы при многорядном взрывании.

9. Разработка методов расчета формы развала взорванной породы и способов повышения эффективности взрыводоставки вскрышных пород при бестранспортной системе разработки.

Основная идея работы. Однородность гранулометрического состава разрушенных горных пород зависит от соотношения объемного (деления на сравнимые по размеру куски) и поверхностного (отделения малых фрагментов) дробления и определяет их геометрические и кинематические характеристики - плотность в свободном состоянии и в емкостях, механизм деформации при различных воздействиях и характер разрыхления при взрывной отбойке.

Защищаемые научные положения.

1. Дробление горной породы при динамическом нагружении может быть описано как вязкий диссипативный процесс, а локальное дробящее действие определяется соотношением d~ — D~ = d kj_T e\, где D,d - средние размеры блоков до и после дробления; е\ - интеграл от квадратичной формы главных скоростей

— з —

деформации по времени действия напряжений; kf_r - характеристика прочности. При разрушении горных пород взрывом соотношение между диаметрами зарядов ^3, определяющими скорости деформации, и размерами неоднородностей в массиве обуславливает различные проявления масштабного эффекта дробления - d ~ уЩ, d ~ dz или d « D.

2. Характер распределения кусков по размеру в разрушенной массе определяется отношением К размеров исходного объема и отколовшихся кусков, при этом малые значения К отвечают объемному разрушению, характеризующемуся развитием магистральных трещин, а большие - поверхностному; граница между ними определяется значением концентрационного критерия разрушения К*. Логарифмическое стандартное отклонение /3 распределения кусков по размерам по мере увеличения интенсивности дробления возрастает, устремляясь к предельному значению /?, зависящему от К и показателя степени т, характеризующего масштабную зависимость прочности.

3. При разрушении конечных объемов или сред блочной структуры и возможности сдвижения раздробленной массы, в ней содержится, по крайней мере, две совокупности, имеющие различные логарифмические дисперсии, причем в области более крупных размеров кусков преобладает совокупность, отвечающая объемному разрушению, со значением /? ~ /3 ~1, а в области менее крупных - совокупность, отвечающая поверхностному разрушению, со значением /3 : 3-4. Такая структура гранулометрического состава характерна для разрушения горных пород взрывом вблизи свободной поверхности, а также при малой степени дробления для разрушения свободным ударом, в дробилках различного типа и при обрушении горных выработок.

4. При взрыве вблизи свободной поверхности объемное разрушение производится, в основном, волнами напряжений, а действие продуктов взрыва определяет, главным образом, поверхностное разрушение и реализацию естественных и наведенных взрывом трещин в виде разрушенной массы. Существенные изменения однородности дробления возможны лишь для второй совокупности и могут быть достигнуты путем перераспределения энергии ВВ между волнами напряжений и действием продуктов взрыва.

5. Плотность сыпучих и разрушенных материалов зависит от гранулометрического состава и качества перемешивания различных фракций, причем влияние гранулометрического состава определяется показателем однородности дробления п, введенной новой характеристикой, вычисляемой с помощью функции распределения кусков по размерам. При сжатии раздробленной породы для высоких значений п основным механизмом деформировашія является разрушение кусков, а при малых п - переупаковка кусков.

6. Характер зависимости коэффициента разрыхления от размеров емкости определяется значением показателя однородности дробления. Разрыхление горной

— 4 —

массы с большими значениями п существенно увеличивается с уменьшением размера емкости; разрыхление горной массы с малыми значениями п за исключением совсем малых емкостей, для которых существенны случайные вариации гранулометрического состава, практически не зависит от размеров емкости.

7. Начальный этап разуплотнения взорванной породы определяется дилатан-сией; характер дилатансионной кривой зависит от содержания мелких фракций: для малого их содержания характерно резкое снижение плотности при сдвиге 7 ~ 0.02 - 0.1, а для высокого - снижение плотности носит более плавный характер.

8. При сдвижении взорванной породы нарастание скорости свободной поверхности (откоса уступа) до максимума состоит из серии скачкообразных изменений. Из-за случайного характера распределения кусков в раздробленной породе максимальная скорость имеет случайную составляющую, достигающую 10-15%, а длительность периода нарастания скорости варьирует в 2 - 3 раза.

9. Форма развала взорванной породы существенно зависит от интервалов замедления между группами зарядов, как за счет влияния формирующегося развала на движение кусков, особенно заметного при больших интервалах замедления, так и за счет подталкивания передних и торможения задних слоев породы, особенно заметных при малых интервалах. Их совокупное действие определяет существование наборов интервалов замедления, обеспечивающих максимальное смещение взорванной породы.

Научная новизна. Проведенные исследования позволили разработать новые подходы к расчету характеристик взорванной горной массы, основанные на предложенных в диссертационной работе моделях процесса взрывного дробления горного массива и структуры разрушенных и сыпучих пород. Научная новизна полученных результатов прежде всего состоит в следующем:

установлены причины примерного постоянства и разработаны методы расчета параметров формы распределения размеров осколков, а также принципы и пределы возможностей регулирования этих параметров;

на основе представления о дроблении как о вязком диссипативном процессе предложен новьш параметр поля напряжений, характеризующий локальное дробящее действие динамической нагрузки в неоднородной среде;

предложена новая характеристика разрушенных и сыпучих пород, показатель однородности дробления, определяющая их плотность в свободном состоянии и в емкостях различных форм и размеров;

исследованы механизмы деформации разрушенных пород при вибрации и сжатии;

показано, что основным механизмом разуплотнения взорванных пород является дилатансия, рассчитаны кривые дилатансионного разуплотнения разрушенных пород различного гранулометрического состава;

показано, скорость сдвижения взорванной пород имеет случайную составляющую, определяемую случайным характером распределения кусков при дроблении;

~ 5 —

установлен характер влияния интервалов замедления между группами зарядов ВВ на форму развала разрушенной породы;

разработана методика прогнозирования формы развала при многорядном взрывании.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований был разработан ряд расчетных методик, предназначенных для использования при проектирования взрывных работ в горном деле и строительстве, в том числе сравнения дробящего действия зарядов ВВ различных конструкций, выбора схем взрывания и коэффициента сближения скважин Методика выбора схем взрывания была внедрена с положительным экономическим эффектом на разрезах ПО " Экибастузуголь". Для регулирования дробления предложены и испытаны в полигонно-производственных условиях несколько новых составов суспензионных ВВВ местного приготовления плотностью от 0.2 до 1.5 г/см³; разработаны новые конструкции зарядов ВВ для открытых горных работ и шахт, опасных по взрыву газа и пыли, на которые получены патенты. Разработана методика расчета плотности сыпучих и разрушенных материалов в емкостях любых форм и размеров, учитывающая гранулометрический состав, форму частиц и качество смешения фракций. Предложен метод управления формой развала взорванной породы с помощью интервалов замедления между рядами скважин; применение данного метода на разрезе "Октябрьский" ПО "Эстонсланец" позволило без повышения расхода ВВ увеличить в 1.5 раза объем сброса взорванной породы в выработанное пространство.

Достоверность результатов. Достоверность полученных зависимостей, выводов и рекомендаций определяется соответствием результатов расчетов по предлагаемым методикам натурным данным в широком диапазоне изменения условий опытов; использованием стандартных методов вычислительной математики и математической статистики; проверкой полученных аналитических зависимостей с помощью численного моделирования.

Апробация работы и публикации. Основное содержание работы докладывалось на семинарах РАН по геомеханике (Москва, 1993, 1997), Института динамики геосфер (1994, 1996), кафедры волновой и газовой динамики математико-механического факультета МГУ (1997), Института горного дела им. А.А.Скочин-ского (1994,1997), Московского горного университета (1995), Санкт-Петербургского горного института (1993). Отдельные результаты работы были представлены на семи всесоюзных (всероссийских) и четырех международных конференциях, изложены в 27 опубликованных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 363 страницы машинописного текста, в т.ч. 14 таблиц, 72 иллюстрации и список литературы из 459 наименований.