СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАДАННОЙ СТЕПЕНИ ДРОБЛЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТОГО ГОРНОГО МАССИВА И ТРЕБУЕМОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШПУРА ВЗРЫВОМ Российский патент 2012 года по МПК F42D3/04 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к слоевой системе разработки месторождений полезных ископаемых с использованием буровзрывных работ.

Известен способ улучшения качества дробления горного массива взрывом на карьерах, согласно которому у устья скважины размещается ВВ с наименьшей удельной энергией, а в нижней части скважины ВВ с высокой удельной энергией или путем разбуривания в нижней части скважины котловых расширений [1].

Однако автором не указано, каков диаметр котла в зоне расширения или какова масса ВВ (длина заряда ВВ) с высокой энергией, которые необходимо выбирать в зависимости от физико-технических свойств массива горных пород, детонационных и геометрических параметров ВВ.

Наиболее близким техническим решением является способ заряжания шпуров с обеспечением различной концентрации энергии взрыва в донной и колонковой части шпура [2]. Причем длина донной части шпура составляет 1/3 глубины шпура, а плотность заряжания 0,85 г/см³ для аммонитов, что создается уплотнением ВВ с помощью забойника. Концентрация ВВ в колонковой части составляет 0,5 кг/м, что достигается оставлением воздушного промежутка и части шпура для забойки.

Однако отбойные шпуровые заряды ВВ, применяемые при подземной добыче руды, как правило, заряжают на 2/3 от длины шпура. То есть половина заряда ВВ будет иметь плотность 0,85 г/см³ (высокая концентрация энергии), а другая половина 0,45-0,55 г/см³ (низкая концентрация энергии) за счет наличия воздушного промежутка.

Кроме того, при расчете массы заряда в донной части не учитывается линия наименьшего сопротивления (ЛНС), диаметр заряда ВВ, параметры трещиноватости и физико-технические свойства массива горных пород, детонационные характеристики ВВ и величина горного давления.

Предложен способ получения заданной степени дробления трещиноватого горного массива и требуемого коэффициента использования шпура (КИШ) взрывом, включающий бурение шпуров или скважин, их заряжание ВВ с таким расчетом, чтобы в донной части шпура плотность ВВ или концентрация энергии были больше, чем в приустьевой части шпура, отличающийся тем, что массу заряда уплотняемого или высокобризантного ВВ в донной части шпура определяют с учетом величины ЛНС, диаметра заряда, параметров трещиноватости и физико-технических свойств массива горных пород, величины горного давления и скорости детонации ВВ из выражения

где π=3,14,

W - линия наименьшего сопротивления или расстояние от шпура до контура врубовой полости, м;

d_e - средний размер отдельности массива, м;

Ф - показатель трещиноватости массива;

d₃ - диаметр заряда ВВ, м;

µ - коэффициент трения между отдельностями массива;

Р - величина горного давления между отбойными шпурами и врубовой полостью, Па;

D - скорость детонации ВВ, м/с;

ν -коэффициент Пуассона горной породы.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить высокий КИШ за счет уплотнения ВВ и определения массы донной части заряда ВВ, необходимой для преодоления ЛНС. Кроме того, не уплотнение ВВ в приустьевой части позволяет уменьшить выход мелких фракций во взорванной горной массе, что приводит к повышению эффективности обогащения, например, урановых руд. Массу ВВ с высокой концентрацией энергии (за счет уплотнения или применения более мощного ВВ) в донной части определяют с учетом величины ЛНС, диаметра заряда, параметров трещиноватости и физико-технических свойств горного массива, величины горного давления и скорости детонации ВВ. Это позволяет повысить уровень безопасности, эффективность буровзрывных работ и обогащения руды.

Сущность способа заключается в следующем. Заниженной массы заряда ВВ в донной части недостаточно для отбойки горной массы от массива при слоевой выемке руд. Поэтому во вновь образованном забое появляются «стаканы», что снижает эффективность взрывных работ. Завышенная масса заряда ВВ в донной части приводит к переизмельчению рудной массы и снижению эффективности рентгено-радиометрического обогащения, например, урановых руд.

Массу заряда ВВ в донной части, необходимую для отбойки массива с максимальным КИШ, можно определить исходя их первого закона Ньютона в напряжениях. Сжимающее напряжение, возникающее в горном массиве в момент взрыва заряда ВВ на расстоянии от заряда, равном ЛНС, должно быть равно сумме сил трения, создаваемых горным давлением и боковым распором горной породы. Математический вывод см. в приложении 1.

Выход переизмельченных фракций в приустьевой части шпура с размером менее 40 мм (V_M) существенно зависит от плотности заряжания (ρ_в) и скорости детонации ВВ D. То есть V_M прямо пропорционален и D².

Увеличение плотности заряжания ВВ с 600 до 850 кг/м³ приведет к увеличению выхода мелких фракций в 2 раза в приустьевой части шпура. Применение вместо аммонита 6ЖВ с величиной D=4,2·10³ м/с, детонита с D=5,1·10³ м/с приведет к увеличению выхода мелких фракций в 1,47 раза в приустьевой части шпура. Математический вывод V_M приведен в приложении 2.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. Коэффициент Пуассона горных пород определяют на стадии геологоразведочных работ по известным методикам. Скорость детонации D и диаметр заряда ВВ d₃ определяют, используя справочную литературу. Величину горного давления в районе проведения слоевой заходки определяют либо геофизическими методами, либо по известной формуле P=ρgH, где ρ - объемная масса горного массива, кг/м^3., g - ускорение свободного падения, м/с², Н - глубина от поверхности земли, м, величину К коэффициент концентрации горного давления в районе взрываемого шпура, обычно он равен К=2-3. Значение величин Ф, µ определяют в зависимости от d_e по таблице

d_e, 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

Величину ЛНС W определяют по паспорту БВР. Для врубовых шпуров W равна расстоянию между ними, для отбойных - минимальному расстоянию от шпура до поверхности врубовой полости. Для оконтуривающих - минимальному расстоянию от шпура до обнаженной поверхности образованной полости.

Величину d_e определяют непосредственно по забою выработки. Подставляя

численные значения параметров в формулу (1), получим величину Q. Далее в слоевой заходке бурят врубовые, отбойные и оконтуривающие шпуры. Все шпуры заряжают. При применении однотипного ВВ патроны в донной части максимально уплотняют забойником. Патроны ВВ в приустьевой части вводят в шпуры без уплотнения. При применении разнотипного ВВ в донную часть вводят более работоспособное ВВ (например, детонит М, аммонал 200), в приустьевую - менее работоспособное - аммонит 6ЖВ.

Далее производят монтаж сети и взрывают в соответствии с паспортом БВР.

Пример. На руднике «Глубокий» ОАО ППГХО в массиве трудновзрываемых гранитов с размером отдельностей 0,3-0,5 м производят добычу руды системой нисходящая слоевая выемка с твердеющей закладкой. Бурят шпуры и взрывают по обычной технологии, заряжая шпуры аммонитом 6ЖВ и подпрессовывая все патроны. Замеры результатов проводились путем определения КИШ (по длине «стаканов») и выхода мелких фракций (-40 мм) фотопланиметрическим методом. Результаты после пяти циклов взрывания: КИШ составил 0,7-0,85, выход фракции - 40 мм составил 37-45%.

Далее решено было использовать новый способ. Численные значения параметров в формуле (1): W=0,7 м; d_e=0,4 м; Ф=8 (см. таблицу); d₃=0,04 м; величина горного давления при H=500 м, ρ=2,5·10³ кг/м³, g=9,8 м/с², К=2 равна Р=2,46·10⁷ Па; D=4,2·10³ м/с; ν=0,25. Подставляя численные значения в формулу (1), получим Q=0,24 кг.

Расчеты по формуле (1) показали, что масса донной уплотняемой части заряда ВВ должна быть равной 0,24 кг - это примерно один патрон аммонита 6ЖВ. Последующие опытные работы в трудновзрываемых гранитах с массой донной части заряда, равной 0,2-0,25 кг (1 патрон), и плотности заряжания приустьевой части заряда (3-4 патрона массой 0,6-1,0 кг, диаметром 32 мм), равной 0,64·10³ кг/м³, показали: КИШ составил 0,8-0,9, выход фракции - 40 мм 28-35%.

Таким образом, применение нового способа позволило увеличить КИШ и уменьшить выход мелких фракций, что обеспечило повышение эффективности и безопасности буровзрывных работ, а также эффективность рентгено-радиометрического обогащения.

Источники информации

1. Ефремов Э.М. Подготовка горной массы на карьерах. - М.: Недра. - 1980. - С.203 (рис.60е,м), с.206.

2. Техника и технология взрывных работ на рудниках // Авт. Г.П.Демидюк, Л.В.Дубнов, В.В.Стоянов и др. - М.: Недра. - 1978. - С.186-187.

Приложение 1. Теоретический расчет массы заряда ВВ в донной части шпура для повышения КИШ

Повышение коэффициента использования шпура при нисходящей слоевой выемке руд повышает эффективность горных работ и уровень безопасности. Для повышения КИШ рекомендуется уплотнять ВВ в донной части шпура или применять там более работоспособное ВВ. Однако необходимо определить массу ВВ, достаточную для надежной отбойки горного массива во врубовую полость. Занижение массы ВВ не приведет к получению заданного КИШ, завышение - к переизмельчению рудной массы, что отрицательно сказывается на обогащении, например, урановых руд.

Массу заряда ВВ в донной части, достаточную для надежной отбойки горного массива, можно определить исходя из первого закона Ньютона в напряжениях. Сжимающее напряжение σ_в(r), возникающее в горном массиве на расстоянии r (r=W, где W - ЛНС), должно быть равно или превышать сумму сил трения, создаваемых горным давлением (σ_г) и боковым распором горной породы (σ_бр) на контуре врубовой полости

Согласно [1] для сферического заряда ВВ

где ρ_в, D, d₃ - соответственно, плотность заряжания, скорость детонации ВВ, диаметр заряда ВВ; W - ЛНС; d_e, Ф - соответственно, средний размер куска отдельности в горном массиве, показатель деформируемости трещиноватого горного массива, π=3,14.

Согласно [2]

где µ, ν - соответственно, коэффициент трения между кусками горной массы во врубе, коэффициент Пуассона горной породы, Р - величина горного давления между отбойными шпурами и врубовой полостью.

Подставляя (2) и (3) в (1), получим

Умножив правую и левую часть (4) на , получим формулу для определения массы заряда ВВ, необходимой для выброса горной массы из врубовой полости

Энергия цилиндрического заряда ВВ от донной части распространяется как от сферического при рассмотрении процессов на больших расстояниях (15-30 диаметров заряда ВВ) [1]. В этом случае l₃=4d₃ [3]. Тогда (5) можно переписать в

виде

Приложение 2. Расчет выхода переизмельченных фракций (-40 мм) при изменении детонационных характеристик ВВ.

Выход переизмельченных фракций с размером менее 40 мм можно определить из геометрических соображений по формуле

где

R_M - радиус зоны переизмельченных фракций вблизи заряда ВВ, определен в [2], м;

N - число шпуров в забое слоевой заходки;

S - площадь сечения слоевой заходки, м²;

ρ_в - плотность заряжания, кг/м³;

с - скорость продольной волны в образце породы, м/с;

d_M - максимальный размер куска в переизмельченной горной массе, d_M=0,04 м;

σ_p - предел прочности образца породы на разрыв, Па.

Анализ формулы (7) после подстановки в нее (8) показывает, что выход мелких фракций V_M прямо пропорционален D² и ρ².

Библиографический список

1. Тюпин В.Н. Геометризация зоны дробления трещиноватого массива параллельно оси взрывного заряда. // Известия ВУЗов. Горный журнал. - 1985, №1, - С.41-45.

2. Тюпин В.Н. Повышение эффективности геотехнологии с использованием энергии взрыва при деформировании трещиноватых напряженных массивов горных пород. // Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. - Москва: ВНИПИ промтехнологии. - 2002. - С.102, 104.

3. Покровский Г.И. Зависимость формы зоны действия взрыва от формы и расположения зарядов. - В кн. Взрывное дело. - М.: Недра. - 1964. - №54/11. - С.237.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к системе разработки месторождений полезных ископаемых нисходящими горизонтальными слоями с использованием буровзрывных работ. Способ включает бурение шпуров или скважин, их заряжание ВВ с таким расчетом, чтобы в донной части шпура плотность ВВ или концентрация энергии были больше, чем в приустьевой части шпура. Массу заряда ВВ в донной части шпура определяют математически в зависимости от величины линии наименьшего сопротивления, диаметра заряда ВВ, параметров трещиноватости и физико-технических свойств горных пород, величины горного давления и скорости детонации ВВ. Повышается эффективность и безопасность буровзрывных работ и эффективность обогащения руды.

Способ получения заданной степени дробления трещиноватого горного массива и требуемого коэффициента использования шпура (КИШ) взрывом, включающий бурение шпуров или скважин их заряжание ВВ с таким расчетом, чтобы в донной части шпура плотность ВВ или концентрация энергии была больше, чем в приустьевой части шпура, отличающийся тем, что массу заряда уплотняемого или высокобризантного ВВ в донной части шпура определяют с учетом величины ЛНС, диаметра заряда, параметров трещиноватости и физико-технических свойств массива горных пород, величины горного давления и скорости детонации ВВ из выражения
,
где π=3,14;
W - линия наименьшего сопротивления или расстояние от шпура до контура врубовой полости, м;
d_e - средний размер отдельности массива, м;
Ф - показатель трещиноватости массива;
d₃ - диаметр заряда ВВ, м;
µ - коэффициент трения между отдельностями массива;
Р - величина горного давления между отбойными шпурами и врубовой полостью, Па;
D - скорость детонации ВВ, м/с;
ν - коэффициент Пуассона горной породы.