СПОСОБ ПРОХОДКИ ВОССТАЮЩИХ С ОТБОЙКОЙ ПОРОДЫ СКВАЖИННЫМИ ЗАРЯДАМИ ВВ Российский патент 2006 года по МПК F42D3/04 F42D1/55 E21D9/00 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам проходки восстающих горных выработок, и может быть использовано при проходке горизонтальных горных выработок.

Известен способ проходки восстающих с отбойкой породы скважинными зарядами на компенсационные скважины. Суть способа заключается в бурении компенсационных и взрывных скважин, заряжании взрывных скважин секциями и их взрываний (см. Справочник взрывника. /Под ред. Б.Н.Кутузова. - М., Недра, 1988, стр.377-381).

Однако в данном способе не указывается мгновенно, короткозамедленно или замедленно взрывают скважины, какие интервалы замедления необходимо применять между взрывом скважин. Поэтому высота отбиваемой секции, как правило, не превышает 4 м (см. табл. 12.15) и отбойка породы производится в основном на забой восстающего. Малая высота секции, как указано в справочнике, приводит к многократному повторению операций заряжания, взрывания и проветривания, пережимам и деформациям скважин, запрессовке породы, разрушению устья восстающего.

Наиболее близким техническим решением является способ проходки восстающих отбойкой породы скважинными зарядами ВВ на компенсационные скважины, включающий бурение компенсационных и взрывных скважин, заряжание взрывных скважин секциями и взрывание скважин с интервалом замедления 0,5-1,0 с (см. Мосинец В.Н., Пашков АД, Латышев В.А. Разрушение горных пород. - М., Недра, 1975, с.158-160): Высота секции в этом случае достигает 3-5 м, а иногда 20-25 м, что частично устраняет недостатки, приведенные выше.

Однако в способе интервал замедления для зарядов врубовых скважин, равный 0,5-1,0 с, выбран опытно при проходке восстающих на рудниках Лениногорского комбината, т.е. для определенных по своим физико-техническим свойствам пород. Кроме того, интервал замедления не зависит от объема компенсационной полости, детонационных характеристик ВВ, диаметра заряда ВВ, высоты отбиваемой секции.

Предложен способ проходки восстающих с отбойкой горной породы скважинными зарядами ВВ, включающий бурение компенсационных и взрывных скважин, заряжание взрывных скважин и их короткозамедленное взрывание на компенсационные скважины или образуемые полости, отличающийся тем, что интервал замедления между последовательно взрываемыми скважинами определяют с учетом необходимости предотвращения эффекта запрессовки горной массы в контуре восстающего из выражения

где τ_о - время, необходимое для отбойки горной породы от массива, с;

τ_В - время, необходимое для выброса горной массы из компенсационной полости, с.

где W - ЛНС или расстояние между зарядом ВВ и стенкой компенсационной полости, м;

D - скорость детонации ВВ, м/с;

ρ_в - плотность заряжания, кг/м³;

d_з - диаметр заряда ВВ, м;

μ- коэффициент трения между отдельностями в массиве;

ν - коэффициент Пуассона отдельности;

ρ- объемная масса горной породы, кг/м³;

Ф - показатель трещиноватости массива;

Р - величина горного давления в месте взрывания, Па;

с - скорость продольной волны в отдельности, м/с;

Н_п - высота компенсационной полости, на которую производят отбойку, м;

d_п - диаметр компенсационной полости, м;

ρ_н - объемная масса раздробленной горной породы в контуре компенсационной полости в момент ее выброса, кг/м³;

π=3,14.

Предлагаемый способ позволяет обеспечивать проходку восстающих глубокими скважинами с увеличенной высотой секции за счет определения интервалов замедления между последовательными взрывами скважин, обеспечивающих отбойку горной породы от массива и полный выброс горной массы из вновь образованной компенсационной полости.

Сущность способа поясняется чертежом и заключается в следующем. Одной из причин проходки восстающих взрыванием скважин малыми секциями (до 3-4 м) или частой запрессовки восстающих секциями длиной до 10-20 м взорванной горной массой является неправильно выбранный интервал замедления между последовательно взрываемыми скважинами. Интервал замедления должен быть таким, чтобы этого времени хватило на отбойку горной породы в компенсационную полость, а затем под действием газообразных продуктов детонации на полный выброс раздробленной горной массы из полости. При меньшей величине интервала замедления порода, выброшенная предыдущим скважинным зарядом, уплотняется породой последующего заряда ВВ, затем очередного заряда и т.д. В результате после взрыва всего комплекта скважин коэффициент разрыхления такой горной массы будет менее 2 и высыпания ее из восстающего не происходит.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. Вначале бурят комплект компенсационных и взрывных скважин на всю высоту восстающего. Причем расстояние между скважинами выбирают таким образом, чтобы объем компенсационного пространства (скважины или полости) был равен не менее объема выбрасываемой породы. Интервал замедления между последовательным взрыванием скважинных зарядов ВВ определяют по формулам (1)-(3). Для расчета интервала замедления детонационные характеристики ВВ (D, ρ_з) и диаметр заряда ВВ (d_з) определяют, используя справочную литературу. Физико-механические свойства (с, ρ, ν) обычно определяют на стадии геологоразведочных работ по известным методикам. Значения величин Ф, μ зависят от естественной трещиноватости массива и определяют по среднему размеру отдельности d_е из табл.1.

Таблица 1d_е, м<0,050,05-0,150,15-0,400,40-1,0>1,0Ф>1212-1010-88-6<6μ<0,20,2-0,30,3-0,450,45-0,6>0,6

Величину горного давления в районе проектируемого восстающего определяют либо геофизическими методами, либо по известной формуле Р=ρgH (где g - ускорение свободного падения, Н - глубина от поверхности земли). Величину W - ЛНС для каждой взрывной скважины определяют из геометрических построений (см. чертеж).

Высота полости Н_п равна высоте восстающего или высоте отбиваемой секции, диаметр полости d_п для каждой взрывной скважины определяют из геометрических построений. Подставляя численные значения параметров в формулы (2), (3), а затем в (1), получают искомый интервал замедления между каждой из последовательно взрываемых скважин.

Далее производят заряжание скважин ВВ с размещением в них боевиков с электродетонаторами или системой инициирования СИНВ с заданными интервалами замедления и производят короткозамедленное взрывание.

Пример. В блоке подземного выщелачивания 4д-701 необходимо пройти отрезной восстающий общей длиной 25 м. Вначале сверху вниз пробурили нисходящую компенсационную направляющую скважину 1 диаметром 105 мм и расширили ее расширителем PC-220 до диаметра 220 мм (см. чертеж). Затем снизу вверх вдоль скважины шпуровым методом прошли восстающий длиной 10 м и сечением 6 м². После этого сверху вниз пробурили еще две компенсационные скважины 2 диаметром 220 мм и 6 взрывных скважин 3 диаметром 105 мм и длиной 15 м.

Далее определили по формулам (3), (2) и (1) интервалы замедления, достаточные для выброса горной массы из вновь образуемых полостей.

Физико-технические свойства массива определены ранее по известным методикам и в соответствии с табл.1. Породы в районе восстающего представлены трахидацитами, с=4,35·10³ м/с, ρ=2,5·10³ кг/м³, ν=0,29, средний размер отдельностей d_е=0,15 м, Ф=10, μ=0,3. Взрывание производят граммонитом М-21 с D=3,6·10³ м/с, ρ_B=0,85·10³ кг/м³, d₃=0,11 м. Величина горного давления определена по ранее приведенной формуле и равна на глубине H=400 м, где производили взрывание 9,8·10⁶ Па. Величина W и средний диаметр образуемой полости d_п для каждой взрывной скважины определяли согласно чертежу, выполненному в масштабе 1:20, где 4 - границы зоны отбойки от каждой скважины. Результаты замеров W и d_п приведены в табл. 2. Высота компенсационной полости Н_п равна высоте восстающего - 15 м, объемная масса раздробленной горной породы с учетом коэффициента компенсации 2 равна ρ_п=0,5·ρ=1,25·10³ кг/м³. Результаты расчетов интервалов замедления приведены в табл.2.

Таблица 2№скважин1'2'3'4'5'6'W, м0,350,60,80,80,90,9d_п, м0,60,91,21,41,61,8τ_о, 10^-3,^с71625253030τ_в,_{10^-3, c}110165220257294330τ, 10^-3, c117181245282324360

Интервал замедления в электродетонаторах ЭД-8Ж, ЭД-3-Н и подбор ступеней замедления проводили на основе величины τ из табл. 2. Для зарядов ВВ 1', 2', 3', 4', 5', 6' интервалы замедления соответственно равны 0 мс, 120 мс, 300 мс, 500 мс, 800 мс, 1000 мс.

После этого скважины заряжали с установкой боевиков, снаряженных электродетонаторами ЭД-8Ж, ЭД-3-Н со ступенями замедления 0, 6, 14, 18, 21, 23 и производили короткозамедленное взрывание скважин 1'-6'.

После отгрузки взорванной горной массы из нижней части восстающего установлено, что восстающий длиной 15 м пройден на всю высоту без запрессовки горной массы в его контуре.

Таким образом установлено, что использование заданных интервалов замедления между последовательным взрыванием скважин обеспечивает отбойку горной породы от массива, выброс горной массы из вновь образуемой полости и предотвращает эффект запрессовки восстающего взорванной горной массой. Это позволяет увеличить высоту секции или вообще использовать бессекционное взрывание при проходке восстающих высотой до 30 м, что существенно повышает технико-экономические показатели проходки восстающих и наклонных горных выработок.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Аналитический расчет интервала замедления, необходимого для выброса горной массы из компенсационной полости при проходке восстающей горной выработки

Процесс выброса горной массы из компенсационной полости состоит из двух временных этапов. На первом этапе после взрыва заряда ВВ в сторону открытой поверхности под действием продуктов детонации (ПД) со скоростью 10-100 м/с распространяется волна трещинных деформаций, которая производит дробление отдельностей массива горных пород и его отбойку в компенсационную полость. На втором этапе газообразные продукты детонации (ПД) воздействуют на раздробленную горную массу, обеспечивая ее выброс из образованной полости. Этот процесс можно записать в виде

где τ_о - время, необходимое для отбойки горной породы от массива;

τ_в - время, необходимое для выброса горной массы из компенсационной полости.

Величина τ_о определяется по формуле

где - средняя скорость распространения волны деформаций на участке расстояния w от заряда ВВ до открытой поверхности. Согласно работе [1] средняя скорость распространения волны деформаций равна

Тогда

Время выброса горной массы из образованной полости определено исходя из закона сохранения энергии, согласно которому энергия, оставшаяся в ПД после выброса породы в полость (Е_пд), расходуется на кинетическую энергию выброса горной массы (Е_к) из полости, т.е.

Следует сразу отметить, что энергия, затрачиваемая на преодоление сил гравитации и трения в горной массе, не учитывается, т.к. в первом случае численные расчеты показывают, что энергия на преодоление сил гравитации на 2 порядка ниже Е_пд. Энергия, затрачиваемая на преодоление трения в горной массе при ее перемещении, не учитывается, т.к. в данном случае в полости происходит эффект "псевдоожижения", т.е. благодаря высокой плотности ПД-(0,5-1,0)·10³ кг/м горная масса определенное время как бы плавает в ПД.

Очевидно, что

где - среднее удаление газообразных ПД в полости после взрыва очередного заряда ВВ;

- средний объем газообразных ПД в полости после взрыва.

Средние величины параметров и определены как среднеарифметическое в начальной стадии (сразу после отбойки Р_п1, V_п1 и на момент, когда вся масса выброшена из полости Р_п2, V_п2).

Величина Р_п1 согласно [2] для удлиненных зарядов ВВ определена из формулы

где P_c - среднее давление ПД в скважине;

S_c, S_п1 - соответственно площадь поперечного сечения скважины и полости.

Используя данные исследований [2] из (10), получаем

В конечной стадии выброса смеси горной массы и ПД (ГМ-ПД) величину Р_п2 можно принять равной 0.

Тогда среднее давление ПД в полости за все время выброса горной массы из нее равно

Средний объем полости, занятый смесью горная масса-ПД (ГМ-ПД) за время полного выброса смеси из полости, очевидно равен

Кинетическая энергия движущейся породной смеси ГМ-ПД равна

Подставляя (13), (12) в (9), а вычисленное и (14) в (8), получим среднюю скорость движения смеси ГМ-ПД в полости

Очевидно, что время, необходимое для полного выброса смеси ПД-ГМ из полости, равно

Источники информации

1. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород. - Дисс. на соиск. уч. степ. д-ра техн. наук. - Москва, - ВНИПИпромтехнологии. 2002, с.105.

2. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. - М.: Физматгиз 1959. 793 с.

Использование: горная промышленность, проходка восстающих горных выработок, изобретение может быть использовано при проходке горизонтальных горных выработок. Сущность изобретения: в горном массиве бурят компенсационные и взрывные скважины на всю длину восстающего. Взрывные скважины заряжают частично или полностью и производят их короткозамедленное взрывание на компенсационные скважины и затем образуемые компенсационные полости. Интервал замедления между последовательно взрываемыми скважинами, зависящий от детонационных характеристик ВВ, диаметра заряда, физико-технических свойств массива, высоты и диаметра вновь образуемых компенсационных полостей, должен обеспечивать отбойку породы от массива и полный выброс горной массы из полости, т.е. предотвращать эффект запрессовки горной массы в контуре восстающего. Технический результат: определение интервала замедления между последовательно взрываемыми скважинами с предотвращением эффекта запрессовки горной массы в контуре восстающего позволяет увеличивать высоту взрываемой секции и технико-экономические показатели проходки восстающих. 1 ил., 2 табл.

Способ проходки восстающих с отбойкой горной породы скважинными зарядами ВВ, включающий бурение компенсационных и взрывных скважин, заряжание взрывных скважин и их короткозамедленное взрывание на компенсационные скважины или образуемые полости, отличающийся тем, что интервал замедления между последовательно взрываемыми скважинами определяют с учетом необходимости предотвращения эффекта запрессовки горной массы в контуре восстающего из выражения

где τ_о - время, необходимое для отбойки горной породы от массива, с;

τ_в - время, необходимое для выброса горной массы из компенсационной полости, с.

где W - ЛНС или расстояние между зарядом ВВ и ближайшей стенкой компенсационной полости, м;

D - скорость детонации ВВ, м/с;

ρ_в - плотность заряжания, кг/м³;

d_з - диаметр заряда ВВ, м;

μ - коэффициент трения между отдельностями в массиве;

ν - коэффициент Пуассона отдельности;

ρ - объемная масса горной породы, кг/м³;

Ф - показатель трещиноватостн массива;

Р - величина горного давления в месте взрывания, Па;

с - скорость продольной волны в отдельности, м/с;

Н_п - высота компенсационной полости, на которую производят отбойку, м;

d_п - диаметр компенсационной полости, м;

ρ_н - объемная масса раздробленной горной породы в контуре компенсационной полости в момент ее выброса, кг/м³;

π=3,14.