СПОСОБ ВЗРЫВНОЙ РАЗГРУЗКИ УДАРООПАСНЫХ УЧАСТКОВ ГОРНОГО МАССИВА Российский патент 2003 года по МПК E21F5/00 F42D3/04 

Изобретение относится к области горной промышленности и может быть использовано для региональной разгрузки удароопасных участков горного массива вблизи активных тектонических нарушений (разломов, швов и т.д.), а также для разгрузки удароопасных целиков.

Известен способ разгрузки удароопасных участков горного массива вблизи тектонического разлома, включающей бурение рядов скважин параллельно разлому, их заряжание и взрывание (см. "Инструкцию по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам". - М. - НТЦ по безопасности в пром. Госгортехнадзора РФ, 2000 г.).

Недостатком способа является то, что в нем все параметры буровзрывных работ определяют экспериментально, что требует больших затрат времени и средств. Кроме того, в решении не указано, какой необходимо использовать способ взрывания - мгновенное или короткозамедленное. При мгновенном взрываний соседних зарядов взрывчатых веществ (ВВ), находящихся на достаточно большом расстоянии, смятие жестких контактов, а следовательно, разгрузка массива вблизи разлома не происходит, так как сдвижение массива от соседних зарядов навстречу друг другу приводит к взаимной компенсации напряжений. Помимо этого, уменьшение расстояния между скважинами приводит к увеличению материальных затрат и времени на буровзрывные работы.

Наиболее близким, принятым за прототип, решением является способ взрывной подготовки массива к подземному выщелачиванию в зажатой среде, который может быть использован для разгрузки удароопасных участков горного массива, вкючающий бурение скважин в массиве, их заряжание и последовательное взрывание с интервалом замедления, определяемым из соотношения в зависимости от диаметра скважин, детонационных характеристик ВВ, физико-технических свойств массива, горного давления (см. патент РФ 2039248).

У известного способа не указывается расположение скважин относительно тектонически активного разлома, что не дает возможности сдвинуть массив в нужном направлении и обеспечить разгрузку удароопасного массива, кроме того, в прототипе отсутствует формула по определению расстояния между последовательно взрываемыми скважинами и при превышении необходимого расстояния подвижка массива и его разгрузка за счет снятия жестких контактов на берегах разлома, как показал опыт, не происходит.

При уменьшении необходимого расстояния увеличиваются затраты на буровзрывные работы.

Предложен способ взрывной разгрузки удароопасных участков горного массива, который включает бурение скважин, их заряжание и последовательное взрывание в массиве с интервалом замедления, определяемом в зависимости от их диаметра, детонационных характеристик ВВ, физико-технических свойств массива и горного давления, отличающийся тем, что скважины бурят с одной стороны относительно разлома, а расстояние между соседними зарядами с учетом их взаимодействия определяют из соотношения

где D - скорость детонации ВВ, м/с;
ρ_B - плотность заряжания, кг/м³;
d₃ - диаметр заряда ВВ, м;
с - скорость продольной волны в отдельности, м/с;
n - число скважин в одновременно взрываемой группе;
Ф - показатель трещиноватости массива;
Р - величина горного давления в направлении, перпендикулярном разлому, Па;
μ - коэффициент трения между отдельностями;
ν - коэффициент Пуассона;
Ni - порядковый номер скважины,
π=3,14.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить разгрузку удароопасного массива за счет расположения скважин с одной стороны относительно разлома и определения расстояния между последовательно взрываемыми зарядами ВВ с учетом их взаимодействия.

Сущность способа заключается в следующем. При взрыве заряда 1 в трещиноватом горном массиве в радиальном направлении от заряда, помимо волны напряжения (скорость распространения 5000-7000 м/с), распространяется волна деформаций, представляющая собой последовательное перемещение отдельностей массива вдоль разлома. Волна деформаций распространяется со скоростью 10-100 м/с и через определенный интервал времени достигает заряда 2. Если заряд 2 взорвать в момент, когда его достигла волна деформаций от заряда 1, то напряжение на фронте волны, исходящей от заряда 2, суммируется с напряжением от взрыва заряда 1. Следовательно, расстояние между скважинами 2 и 3 должно быть больше, чем между скважинами 1 и 2. При взрыве заряда ВВ 3 напряжения на фронте волн деформации от взрыва зарядов 1, 2 и 3 также суммируются и расстояние между зарядами 3 и 4 будет больше, чем между зарядами 2 и 3 и 1 и 2. Изменяется и необходимый интервал замедления между двумя соседними зарядами ВВ, который при прочих равных условиях зависит от расстояния между соседними зарядами и напряжением на фронте волны деформаций. Исходя из изложенных принципов, т.е. с учетом эффекта взаимодействия зарядов ВВ, проведены аналитические исследования и получены зависимости для определения расстояния между соседними скважинами и интервалы замедления между их взрыванием.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. На основе геологических или геофизических данных устанавливают расположение активного тектонического разлома. Из подводящих выработок или после проведения выработки специального назначения бурят, например, 1 ряд скважин параллельно разлому. Расстояние между соседними скважинами a_i принимают после расчета в соответствии с приведенной формулой. Для расчета расстояния детонационные характеристики ВВ (D, ρ_З) и диаметр скважин (d₃) определяют, используя справочную литературу. Физико-механические свойства c, ρ, ν обычно определяют на стадии геологоразведочных работ по известным методикам. Значения величин Ф, μ зависят от естественной трещиноватости и определяют по среднему размеру отдельности d_e из табл.1.

Величину горного давления в районе разлома определяют либо геофизическими методами, либо по известной формуле Р=ρgH (где g - ускорение свободного падения, Н - глубина от поверхности земли). Расстояние между 1 и 2 скважинами (зарядами ВВ) определяют при N=1, между 2 и 3 скважинами - при N=2 и т.д. Затем определяют интервал замедления между зарядами ВВ на основе формулы прототипа (патент РФ 2039248) с учетом эффекта взаимодействия последовательно взрываемых зарядов, при N=1 между 1 и 2 зарядом, N=2 между 2 и 3 зарядом и т.д.

Выбирают последовательность взрывания зарядов ВВ вдоль разлома, начиная с периферийных в ряду скважин. В случае если вблизи разгрузочных зарядов ВВ имеется выработанное пространство (камера, выработка, специально разрушенный камуфлетным взрывом участок пород и т.д.) или участок массива, состоящий из податливых пород (пески, глины и т.д.), то скважинные заряды взрывают последовательно, в направлении к выработанному пространству или податливому участку массива.

Пример. При нисходящей слоевой выемке руды в блоке 6а-912 вдоль тектонического рудного разлома 160 по техническим причинам образован удароопасный целик длиной 20 м и высотой 14 м. Комиссией по горным ударам принято решение о его разгрузке.

Физико-технические свойства массива определены ранее по известным методикам и в соответствии с вышеприведенной табл. 1. Породы в районе разлома представлены гранитами с размером отдельности 0,05-0,25 м (0,15 м в среднем), с= 4,0•10³ м/с, μ=0,3, ν=0,23, Ф=10, ρ=2,5•10³ кг/м³. Взрывание производят граммонитом 79/21 в скважинах диаметром d₃=0,065 м, D=4•10³ м/с, ρ_B= 10³ кг/м³, n=1 (1 ряд скважин). Величина горного давления определена методом параллельных скважин и составляет Р=43,4•10⁶ Па. В этих условиях результаты расчетов приведены в табл.2.

В соответствии с табл. 2 бурили скважины в 1 ряд, параллельно разлому 160 на расстоянии от его центра 1-1,5 м. Скважины заряжали, монтировали электрическую сеть с использованием электродетонаторов ЭДМД и ЭД-3-Т со ступенями замедления 6, 13, 16, 19, 21, 23, 24, 25. До и после разгрузочного взрывания методом дискования керна, прибором электромагнитной эмиссии "Ангел" и при ведении горных работ в целике установлен факт перевода удароопасного целика в категорию "Неопасно" по всей его длине и высоте.

Таким образом, расположение скважин с одной стороны относительно разлома на определенном расстоянии друг от друга и взрываемых с определенным интервалом замедления обеспечивает подвижку массива вдоль разлома и его разгрузку.

При последующем ведении горных работ в районе разгруженного участка целика достигается безопасность работ, а в плоскости разрушения массива разгрузочными зарядами снижаются затраты на буровзрывные работы при последующей шпуровой отбойке руды в тектоническом разломе.

Аналитический расчет расстояния между скважинами и интервала замедления с учетом влияния эффекта взаимодействия последовательно взрываемых зарядов.

Расчет проведен для случая последовательно взрываемой группы зарядов ВВ в напряженном трещиноватом горном массиве с учетом влияния эффекта взаимодействия последовательно взрываемых зарядов ВВ.

При взрыве заряда 1 (см. чертеж) в радиальном направлении от заряда ВВ распространяется волна деформаций (скорость 10-100 м/с), представляющая собой последовательное перемещение отдельностей массива вдоль разлома. Через определенный промежуток времени волна достигает заряда 2. Если заряд 2 взорвать в момент, когда его достигла волна деформаций от заряда 1, то напряжения от зарядов 1 и 2 суммируют. Сжимающее радиальное напряжение от взрыва заряда 1 равно

где a_i - расстояние между скважинами;
А - условное обозначение параметров в формуле 1.

Условием сдвижения массива в районе скважины 2 и скважины 3 при последовательном взрыве скважин 1 и 2 будет равенство напряжений в районе скважины 2 (при взрыве скважины 1) σ_1-2 (r) и в районе скважины 3 (при взрыве скважин 1 и 2) σ_1-3 (r), т.е.

σ_1-2(r) = σ_1-3(r), (2)
или

Решение (3) дает a₂=1,62a₁. (4)
Аналогичные рассуждения при взрывании трех, четырех зарядов ВВ и т.д. дают численное решение полученных уравнений в виде
a₃=1,93a₁; a₄=2,08a₁; a₅=2,16a₁; a₆=2,2a₁ и т.д. (5)
Суммарное напряжение в произвольной точке А при последовательном взрывании скважин равно

где σ₁(r), σ₂(r) и т.д. - величина сжимающего напряжения в точке А от взрыва зарядов 1, 2... N.

Причем, например, при взрывании четырех зарядов ВВ




Подставляя (4) и (5) в (7) и полученное выражение в (6) имеем

Численный ряд в (8) с учетом коэффициента запаса надежности подвижки массива, равного 1,2, после анализа имеет вид

где - коэффициент усиления действия от последовательного взрывания N скважин.

Разгрузка массива происходит за счет его сдвижения вдоль тектонического разлома 5 при условии: суммарное сжимающее напряжение от последовательного взрывання зарядов ВВ должно превышать силы трения в горном массиве, создаваемые горным давлением по берегам разлома, т.е.

Подставляя в (9) (10) и решая уравнение, получим

Аналогичные рассуждения при определении интервала замедления между скважинами с учетом того, что τ_i обратно пропорционален суммарному напряжению, получаем

Численные расчеты показывают, что при отсутствии учета эффекта взаимодействия зарядов ВВ a=1,6 и τ=120 мс между любыми соседними скважинами, с учетом взаимодействия зарядов ВВ расстояние между скважинами увеличивается с a_1-2= 1,6 м до a_8-9=3,07 м, а интервал замедления с τ_1-2=120 мс до τ_8-9=195 мс.

Использование: горная промышленность, региональная разгрузка удароопасных участков горного массива вблизи тектонических разрушений (разломов, швов и т. д. ) и разгрузка удароопасных целиков. Сущность изобретения: в горном массиве, вблизи тектонического разлома, параллельно ему с одной стороны от разлома бурят и заряжают скважины. Скважины располагают на различном расстоянии друг от друга в зависимости от их диаметра, детонационных характеристик ВВ, физико-технических свойств массива, горного давления и порядкового номера (по очередности взрывания) скважин и взрывают последовательно вдоль разлома с интервалом замедления, определяемым в зависимости от перечисленных параметров. Технический результат: расположение скважин с одной стороны относительно тектонического разлома и определение необходимого расстояния между последовательно взрываемыми скважинами обеспечивает эффективную разгрузку удароопасного массива. 2 табл., 1 ил.

Способ взрывной разгрузки удароопасных участков горного массива, включающий бурение скважин в массиве, их заряжание и последовательное взрывание с интервалом замедления, определяемым из соотношения в зависимости от диаметра скважин, детонационных характеристик ВВ, физико-технических свойств массива, горного давления, отличающийся тем, что скважины бурят с одной стороны относительно разлома, а расстояние между соседними зарядами с учетом эффекта их взаимодействия определяют из соотношения

где D - скорость детонации ВВ, м/с;
ρ_в - плотность заряжания, кг/м³;
d₃ - диаметр заряда ВВ, м;
с - скорость продольной волны в отдельности, м/с;
n - число скважин в одновременно взрываемой группе;
Ф - показатель трещиноватости массива;
Р - величина горного давления в направлении, перпендикулярном разлому, Па;
μ - коэффициент трения между отдельностями;
ν - коэффициент Пуассона;
N_i - порядковый номер скважины;
π= 3,14.