Способ контурного разрушения трещиноватых горных пород

Изобретение относится к горной промышленности и железнодорожному строительству, в частности к буровзрывной проходке горных выработок и железнодорожных тоннелей. Способ включает бурение врубовых, отбойных, а также оконтуривающих шпуров, размещение в них зарядов и взрывание. Расстояние между оконтуривающими шпурами определяют математически в зависимости от параметров трещиноватости горного массива, эффекта трения между отдельностями массива, горного давления, физико-механических свойств горного массива, скорости детонации и плотности заряжания ВВ. Повышается эффективность и уровень безопасности горных пород. 1 табл.

 

Изобретение относится к горной промышленности и железнодорожному строительству, в частности при буровзрывной проходке горных выработок и железнодорожных тоннелей.

Известен способ контурного разрушения горных пород с последующим оконтуриванием горного массива при проходке выработок, включающий последовательное взрывание врубовых, отбойных, а затем оконтуривающих шпуровых зарядов ВВ.

Расстояние между оконтуривающими шпурами а_к выбирают в

зависимости от линии наименьшего сопротивления (ЛНС) зарядов в оконтуривающих шпурах [1] по формуле

где W - ЛНС, м.

При этом ЛНС зависит от монолитности пород и равна W=0,5-0,6 м для монолитных пород и W=0,7-0,8 м для сильнотрещиноватых пород.

Однако в формуле не учитывается горное давление и эффект трения, которые уменьшают радиус зоны трещинообразования. Кроме этого не учитываются базовые физико-механические параметры горного массива и детонационные характеристики ВВ.

Наиболее близким техническим решением является способ контурного разрушения горных пород с последующим оконтуриванием (см. [2], формулы 198-199), в котором расстояние между оконтуривающими шпурами определяется в зависимости от детонационных характеристик ВВ, геометрических параметров заряда и шпура, физико-механических свойств горных пород, ЛНС оконтуривающих зарядов ВВ.

Однако в формулах не учитываются параметры трещиноватости горного массива, существенно влияющие на радиус зоны радиального трещинообразования, а значит и на оптимальное расстояние между оконтуривающими шпурами. Кроме того, не учитывается эффект трения между отдельностями массива, а горное давление учитывается в неявном виде, в виде коэффициента (см. [2], стр.179), численное значение которого не приводится.

Помимо этого, в формулах (см. [2], формулы 198-199) ρ_BB обозначена как плотность ВВ (см. стр.35), однако решающим фактором в характере и параметрах разрушения массива является плотность заряжания, которая в зависимости от расположения и степени уплотнения ВВ в шпуре может быть в 1,2-2 раза меньше плотности ВВ.

Предложен способ контурного разрушения трещиноватых горных пород с последующим оконтуриванием, включающий бурение врубовых, отбойных, а затем оконтуривающих шпуров на расстоянии друг от друга, в зависимости от детонационных характеристик ВВ, геометрических параметров заряда и шпура, физико-механических свойств горных пород, размещения в них зарядов ВВ с боевиками и взрывание врубовых, отбойных и оконтуривающих шпуров, отличающийся тем, что с учетом параметров трещиноватости горного массива, эффекта трения, горного давления и плотности заряжания расстояние между оконтуривающими шпурами определяют из выражения

где

π=3,14

D - скорость детонации ВВ, м/с;

ρ_В - плотность заряжания, кг/м³;

d₃ - диаметр заряда ВВ, м;

l₃ - общая длина заряда в шпуре, м;

ρ_ВВ - плотность ВВ в патроне, кг/м³;

d_ш - диаметр шпура, м;

l_ш - длина шпура, м;

с - скорость продольной волны в горной породе, м/с;

ν - коэффициент Пуассона горной породы;

µ - коэффициент трения между отдельностями массива;

σ_p - предел прочности на разрыв горной породы, Па;

Р - величина горного давления в районе оконтуривающих шпуров, Па;

Ф - показатель трещиноватости массива;

h - эффективная ширина зоны выброса горного массива, зависящая от числа взаимодействующих зарядов ВВ, h=2W, м;

W - ЛНС зарядов оконтуривающих шпуров, м.

Предлагаемый способ позволит обеспечить качественное оконтуривание выработки за счет определения оптимального расстояния между оконтуривающими шпурами с учетом всего комплекса влияющих факторов: параметров трещиноватости массива, физических свойств массива горных пород, детонационных характеристик ВВ, величины горного давления и с учетом эффекта трения.

Сущность способа заключается в следующем. Известно, что разрушение трещиноватого массива горных пород (в особенности при контурном взрывании) происходит как за счет действующих волн напряжений, так, в основном, под действием квазистатического давления продуктов детонации. То есть за время, равное микросекундам, 1 кг ВВ выделяет около 1 м³ газов. Это сопровождается возникновением в массиве горных пород сжимающих (радиальных) и растягивающих (тангенциальных) напряжений. Растягивающие напряжения создают вокруг заряда радиальные трещины.

При одновременном взрывании двух и более зарядов ВВ расстоянием, достаточным для прорастания между двумя соседними зарядами 2-х встречных трещин, будет расстояние, равное удвоенному радиусу радиальной трещины, умноженному на коэффициент, учитывающий взаимодействие соседних зарядов ВВ. Теоретический расчет по определению расстояния между двумя оконтуривающими шпурами приведен в приложении.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. Физико-механические свойства массива σ_p, c, ν, ρ определяют на стадии геологоразведочных работ по известным методикам. Скорость детонации ВВ (D) и диаметр заряда ВВ во врубовом шпуре (d₃) определяют используя справочную литературу. Плотность заряжания ВВ в оконтуривающих шпурах определяют из выражения (расчет см. в приложении)

d_ш - диаметр шпура, l₃ - общую длину заряда в шпуре, l_ш - длину шпура определяют в соответствии с паспортом буровзрывных работ. ρ_ВВ - плотность ВВ в патроне определяют используя справочную литературу.

Горное давление в районе проведения выработки определяют либо геофизическими методами, либо по известной формуле P=ρgHK (где ρ - объемная масса горного массива, кг/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; Н - глубина от поверхности земли, м; K - коэффициент концентрации горного давления в районе взрываемых шпуров).

Значения величин Ф, µ определяют в зависимости от размера отдельности d_e в массиве по таблице

de, м	<0,05	0,05-0,15	0,15-0,40	0,40-1,0	>1,0
Ф	>12	12-10	10-8	8-6	<6
µ	<0,2	0,2-0,3	0,3-0,45	0,45-0,6	≥0,6

Далее бурят врубовые, отбойные и оконтуривающие шпуры, шпуры заряжают и производят взрывание.

Пример. Проходка горно-капитальных выработок на 7 горизонте рудника «Центральный» ОАО ППГХО в массивах трахидацитов приводила к переборам породы за счет интенсивного нарушения массива взрывом, в основном оконтуривающих шпуров. Расстояние между ними составило 0,65-0,75 м, при длине заряда ВВ, равной 2/3 от длины шпура и плотности заряжания 0,8-0,9 г/см³ (патроны уплотнялись забойником). После проведения взрывания и замеров установлено, что переборы пород составляют от 0,24 до 0,32 м по бортам и кровле выработки, количество заколов 3-5 на 1 м выработки. Это снижает уровень безопасности горных работ за счет образования заколов. Кроме того, дополнительная транспортировка пустой породы (сечение выработки увеличивается в среднем на 25%) снижает экономические показатели работы рудника.

Для снижения затрат на транспортировку породы и повышения безопасности горных работ было определено рациональное расстояние между шпурами. Массив представлен трахидацитами с d_e=0,15-0,65 м (0,4 м в среднем). Физико-механические свойства трахидацитов: c=4,35·10³ м/с, ν=0,29, σ_p=1,39·10⁷ Па, ρ=2,5·10³ кг/м³. Заряжание производят аммоналом - 200 в шпурах диаметром d_ш=0,04 м без уплотнения патронов. Диаметр патрона d₃=0,032 м, D=4,4·10³ м/с, ρ_ВВ=10³ кг/м³, l_ш=1,8 м, l₃=1,2 м, ρ_В=0,42·10³ кг/м³ (определено по (2)). Величина горного давления на глубине Н=400 м, при g=9,8 м/с², K=2, равна P=1,96·10⁷ Па. Численные значения величин µ=0,45, Ф=8 определены по таблице, величина h≈2W. Подставляя численные значения параметров в формулы (2) и (1), получим а_к=0,53 м.

Взрывная отбойка массива с расчетным расстоянием между контурными шпурами (всего проведено 7 циклов взрывания) показала, что прихват пород уменьшился до 0,12-0,15 м, количество заколов сократилось до 2-3 на 1 м выработки. То есть предложенный способ позволяет повысить эффективность и уровень безопасности при проходке горных выработок.

Источники информации

1. Мосинец В.Н., Пашков А.Д., Латышев В.А. Разрушение горных пород. - М.: Недра. - 1975. - С.156.

2. Барон Л.И., Турчанинов И.А., Ключников А.В. Нарушение пород при контурном взрывании. - Л.: Изд. «Наука». - 1975. - С.190-191.

Способ контурного разрушения трещиноватых горных пород с последующим оконтуриванием, включающий бурение врубовых, отбойных, а также оконтуривающих шпуров на расстоянии друг от друга в зависимости от детонационных характеристик ВВ, геометрических параметров заряда и шпура, физико-механических свойств горных пород, размещения в них зарядов ВВ с боевиками и взрывание врубовых, отбойных и оконтуривающих шпуров, отличающийся тем, что с учетом параметров трещиноватости горного массива, эффекта трения, горного давления и плотности заряжания расстояние между оконтуривающими шпурами определяют из выражения

где π=3,14;
D - скорость детонации ВВ, м/с;

ρ_B - плотность заряжания, кг/м³;
d₃ - диаметр заряда ВВ, м;
l₃ - общая длина заряда в шпуре, м;
ρ_BB - плотность ВВ в патроне, кг/м³;
d_ш - диаметр шпура, м;
l_ш - длина шпура, м;
с - скорость продольной волны в горной породе, м/с;
ν - коэффициент Пуассона горной породы;
µ - коэффициент трения между отдельностями массива;
σ_р - предел прочности на разрыв горной породы, Па;
Р - величина горного давления в районе оконтуривающих шпуров, Па;
Ф - показатель трещиноватости массива;
h - эффективная ширина зоны выброса горного массива, зависящая от числа взаимодействующих зарядов ВВ, h=2W, м;
W - ЛНС зарядов оконтуривающих шпуров, м.