СПОСОБ ВЗРЫВАНИЯ РАЗНОПРОЧНЫХ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2014 года по МПК F42D3/04 

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, а именно к способам взрывания разнопрочных массивов горных пород на открытых горных работах. Такие массивы могут иметь включения, представленные пропластками, слоями (прослойками) крепких пород во вмещающих менее крепких породах, различными линзами и другими образованиями, имеющими различные положение и мощность по высоте взрываемого блока.

Известен способ взрывания горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающий бурение вертикальных основных скважин, определение в процессе их бурения наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений по глубине основных скважин, бурение вертикальных дополнительных скважин внутри контура включений, заряжание основных и дополнительных скважин зарядами промышленного взрывчатого вещества (ПВВ) с размещением зарядов ПВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание этих зарядов. Причем выбор ПВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине скорости детонации ПВВ, определяемой из соотношения [1]:

где D_∂ - скорость детонации ВВ для заряжания дополнительных скважин, м/с;

D₀ - скорость детонации ВВ для заряжания основных скважин, м/с;

$${\sigma }_{рас}^{вкл}$$ - предел прочности пород твердого включения на растяжение, Па;

$${\sigma }_{рас}^{вм}$$ - предел прочности вмещающих пород на растяжение, Па.

Вышеуказанный способ требует затрат на бурение дополнительных скважин, размещение в них зарядов ВВ, а также усложняет схему взрывной сети. При выборе ПВВ для заряжания дополнительных скважин по формуле (1) не учитываются основные свойства горных пород и ПВВ, в частности пористость, коэффициент всестороннего сжатия и характеристики адиабаты расширения взрывных газов.

Ближайшим техническим решением к заявленному является способ взрывания разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающий бурение вертикальных скважин, их заряжание комбинированными зарядами ПВВ, забойку скважин и взрывание зарядов ПВВ. При этом более мощное ПВВ размещают в той части зарядов, которая пересекает твердое включение [2].

Указанный способ не гарантирует получение требуемого качества дробления разнопрочных массивов, так как не учитывает совокупности основных свойств вмещающих пород, включений и применяемого ПВВ. Вследствие этого не обеспечивается равенство диаметров зон регулируемого дробления (ЗРД) во вмещающих менее крепких породах и более крепких включениях, что снижает эффективность и равномерность дробления разнопрочных массивов.

Задачей изобретения является повышение качества дробления разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями, имеющими различное положение и мощность по высоте взрываемого блока.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности и равномерности дробления разнопрочных массивов за счет обеспечения равенства диаметров зон регулируемого дробления во вмещающих породах и твердых включениях путем учета совокупности основных свойств вмещающих пород, включений и применяемого ПВВ.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе взрывания разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающем определение наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений, бурение вертикальных скважин, заряжание скважин зарядами промышленного взрывчатого вещества (ПВВ), диаметр которых равен диаметру скважин, и взрывание зарядов ПВВ, согласно изобретению предварительно определяют пределы прочности при растяжении, коэффициенты Пуассона, модули Юнга, пористость и коэффициент всестороннего сжатия вмещающих пород и твердых включений, а выбор ПВВ, размещаемого в твердых включениях, осуществляют исходя из скорости детонации D_вкл, определяемой из соотношения:

где $${\sigma }_{рас}^{вкл}$$ и $${\sigma }_{рас}^{вм}$$ - соответственно пределы прочности твердых включений и вмещающих пород при растяжении, Па;

ζ - параметр адиабаты;

γ - показатель адиабаты продуктов детонации в момент завершения детонации;

Δ - плотность заряжания, кг/м³;

P₀ - начальное давление продуктов детонации (взрывных газов) в точке Жуге, Па;

γ₂ - показатель изоэнтропы продуктов детонации ПВВ;

К_вкл и К_вм - соответственно коэффициенты всестороннего сжатия твердых включений и вмещающих пород;

П_вкл и П_вм - соответственно пористости твердых включений и вмещающих пород;

М_вм - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости во вмещающих породах, определяемый по формуле [3, 4]:

М_вкл - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости в твердых включениях, определяемый по формуле [3, 4]:

ν^вкл и ν^вм - соответственно коэффициенты Пуассона твердых включений и вмещающих пород;

E^вкл и Е^вм - соответственно модули Юнга твердых включений и вмещающих пород, Па.

В указанную в формуле изобретения совокупность признаков включены все признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для получения технического результата.

Расстояние между взрывными скважинами выбирают обычно из условия соприкосновения ЗРД при взрывании зарядов ПВВ в этих скважинах. Однако при взрывании разнопрочных массивов горных пород диаметры ЗРД скважинных зарядов, пересекающих твердые включения, в пределах включений существенно меньше, чем во вмещающих менее крепких породах. Поэтому в твердых включениях между скважинами образуются центральные неразрушенные взрывом зоны. Для дробления этих неразрушенных зон предложенный способ и предусматривает размещение более мощных ПВВ на участках скважин в зоне пересечения ими твердых включений. Это позволяет увеличить диаметр ЗРД в пределах включений и уменьшить объем указанных центральных неразрушенных взрывом зон.

Определение наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений позволяет установить параметры залегания включений внутри разрушаемого массива, в том числе их мощность по глубине конкретных скважин, скорректировать конструкцию и параметры скважинных зарядов ПВВ.

Скважины бурят вертикально, так как такие скважины более устойчивы, чем наклонные в породах малой крепости, которыми в большинстве случаев являются вмещающие породы массива.

Заряжание скважин зарядами ПВВ, диаметр которых равен диаметру скважин, позволяет упростить процесс заряжания, максимально использовать объем скважин и увеличить выход горной массы с одного погонного метра скважины.

Формула (2) получена из условия обеспечения равенства диаметров ЗРД во вмещающих породах и включениях и основана на соотношении, определяющем радиус зоны регулируемого дробления при учете основных свойств пород и ПВВ [3, 4]. Данное соотношение для радиуса r ЗРД в пористых породах можно переписать в виде

где r₀ - радиус скважины.

Начальное давление продуктов детонации (взрывных газов) определяется известной формулой

Условие равенства радиусов (диаметров) ЗРД во вмещающих породах r^вм и во включениях r^вкл запишется в виде

r^вм=r^вкл.

Из этого условия и формул (3) и (4) непосредственно вытекает формула (2).

Известно, что растягивающие напряжения являются определяющими при разрушении горных пород, так как предел прочности при растяжении в среднем в 2,5 раза меньше, чем при сдвиге, и в 10 раз меньше, чем при сжатии. Предварительное определение пределов прочности при растяжении σ_рас, коэффициентов Пуассона ν, модулей Юнга Е и пористостей П вмещающих пород и твердых включений, входящих в формулу (2), является обязательным условием осуществления способа, так как от значений этих параметров зависит выбор ПВВ по скорости детонации и, следовательно, диаметр ЗРД участков скважин в твердых включениях. Давление P₀ продуктов детонации в точке Жуге, параметр ζ адиабаты и показатель изоэнтропы γ₂ являются постоянными и известными величинами для каждого конкретного ПВВ при его определенной начальной плотности в момент инициирования заряда, то есть плотности заряжания, и их значения при прочих равных условиях полностью определяют диаметр ЗРД.

Таким образом, выражение (2) позволяет установить необходимую скорость детонации D_вкл для выбора ПВВ на участках твердых включений из условия обеспечения равенства диаметров ЗРД во всем взрываемом массиве путем учета совокупности основных свойств вмещающих пород, включений и применяемого ПВВ, что повышает эффективность и равномерность дробления разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах.

С учетом вышесказанного совокупность всех признаков, указанных в формуле изобретения, действительно позволяет решить задачу изобретения (повышение качества дробления и исключения выхода негабаритов) и обеспечивает достижение указанного технического результата.

Способ осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций.

По данным геологической службы предприятия (результатам предварительной инженерно-геологической разведки) определяют наличие в подготавливаемом к взрыванию блоке твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контур в плане и отметки кровли и почвы этих включений, их мощность, а также пределы прочности при растяжении $${\sigma }_{рас}^{вкл}$$ и $${\sigma }_{рас}^{вм}$$ , коэффициенты Пуассона ν^вкл и ν^вм, модули Юнга Е^вкл и Е^вм ,а также коэффициенты всестороннего сжатия К_вкл, К_вм и пористости П_вкл, П_вм твердых включений и вмещающих пород соответственно.

С учетом конкретных условий определяют по общеизвестным методикам или результатам предыдущих взрывов в аналогичных условиях параметры вертикальных скважинных зарядов ПВВ, включая их диаметр (диаметр скважины $$d_0^{вм}$$ ), без учета наличия включений.

Для принятого по скорости детонации ПВВ находят по табличным данным или общеизвестным зависимостям показатель изоэнтропы продуктов детонации γ₂, параметр адиабаты ζ и давление продуктов детонации в точке Жуге P₀.

В соответствии с найденными значениями сопротивления по подошве уступа и длины (глубины) скважин бурят взрывные скважины диаметром $$d_0^{вм}$$ по принятой на данном предприятии сетке скважин.

В процессе бурения скважин по изменению скорости бурения, цвета и состояния выдаваемых на поверхность продуктов разрушения уточняют, если это необходимо, наличие, контур в плане, отметки кровли и почвы и мощность твердых включений по глубине каждой скважины, а также пределы прочности при растяжении $${\sigma }_{рас}^{вкл}$$ и $${\sigma }_{рас}^{ви}$$ , коэффициенты Пуассона ν^вкл и ν^вм, модули Юнга Е^вкл и Е^вм и пористости П_вкл и П_вм твердых включений и вмещающих пород соответственно.

Далее, используя найденные значения параметров $${\sigma }_{рас}^{вкл}$$ и $${\sigma }_{рас}^{вм}$$ , ν^вкл и ν^вм, E^вкл и E^вм, П_вкл и П_вм, γ₂, P₀ и принятый диаметр бурения скважин $$d_0^{вм}$$ , определяют скорость детонации D_вкл ПВВ, выбираемого для участков скважин в местах пересечения ими твердых включений и обеспечивающего равенство диаметров ЗРД во вмещающих породах и твердых включениях.

После выбора ПВВ для участков скважин в местах пересечения ими твердых включений производят заряжание скважин зарядами разных типов ПВВ. В процессе заряжания скважин выполняют монтаж внутрискважинных взрывных сетей, а по окончании заряжания - забойку верхней незаряженной части скважин.

После окончания забойки скважин осуществляют монтаж поверхностной взрывной сети, ее соединение с внутрискважинными взрывными сетями и взрывание скважинных зарядов ПВВ одним из принятых на открытых горных работах способов взрывания.

Пример осуществления способа

Производили взрывание вскрышных пород на карьере, разрабатывающем фосфоритное месторождение на карьере Ташкура Джарой-Сардаринского сложноструктурного пластового месторождения Кызылкумского горнорудного района Узбекистана. Вмещающие породы месторождения сложены супесями и суглинками, галечником и конгломератом, бентонитовыми глинами и глинистым мергелем с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодъяконова f=1,5…2, средними пределом прочности при растяжении $${\sigma }_{рас}^{вм}=\mathrm{1,5}\cdot {10}^6$$ Па, коэффициентом Пуассона ν^вм=0,2 и модулем Юнга E^вм=1,5·10¹⁰ Па, требующими взрывного рыхления. Внутри этих вмещающих пород залегают твердые включения гравелитов, имеющих большую сопротивляемость взрыванию, с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодъяконова f=4…5, средними пределом прочности при растяжении $${\sigma }_{рас}^{вкл}=\mathrm{4,5}\cdot {10}^6Па,$$ коэффициентом Пуассона ν^вкл=0,3 и модулем Юнга E^вкл=4·10¹⁰ Па. Физико-механические свойства пород представлены в таблице 1.

Исходя из свойств вмещающих пород в качестве ПВВ использовали граммонит М, который при плотности заряжания 1·10³ кг/м³ имеет показатель изоэнтропы продуктов детонации γ₂=1,26, давление продуктов детонации в точке Жуге Р₀=4,21·10⁹ Па и скорость детонации D_вм=4·10³ м/с. Высота уступа равнялась 12 м.

Таблица 1 Породы Предел прочности на растяжение σ_рас, Па Модуль упру-гости Е, Па Коэффициент Пуассона ν Коэффициент крепости породы по Протодъяконову f Коэффициент всестороннего сжатия К, Па Пористость П, % вмещающие породы (глины загипсован-ные) 1,5·10⁶ 1,5·10¹⁰ 0,2 1,5 33·10⁹ 13 крепкие породы (граве-литы) 4,5·10⁶ 4,0·10¹⁰ 0,3 4,5 8,3·10⁹ 11

Для конкретных условий и из опыта работы данного предприятия без учета наличия твердых включений диаметр скважин $$d_0^{вм}$$ , равный диаметру заряда, составлял 250 мм (станок шарошечного бурения СБШ-250 МН с коронкой диаметром 244 мм). Направление скважин - вертикальное.

При использовании в качестве ПВВ граммонита М и диаметре скважин 250 мм радиус регулируемого дробления во вмещающих породах и твердых включениях (гравелитах) составил соответственно r^вм=3,27 м и r^вкл=2,28 м. Таким образом, радиус ЗРД во вмещающих породах существенно больше, чем радиус ЗРД в твердых включениях.

Для увеличения радиуса ЗРД в твердых включениях от 2,28 м до значения 3,27 м по соотношению (2) определена необходимая скорость детонации для ПВВ, размещаемого в твердых включениях, которая равна:

где

Данную скорость детонации при плотности заряжания Δ=1,1·10³ кг/м³ имеет гексоген. Радиус регулируемого дробления в твердых включениях при применении гексогена составляет r^вкл=3,36 м, что находится в достаточно близком соответствии с r^вм. Это гарантирует качественное дробление и полное отсутствие негабаритных кусков породы.

Предварительно для подготавливаемого к взрыву блока геологическая служба предприятия установила, что во вмещающих породах (загипсованные глины) по всей площади блока залегает горизонтальный пропласток гравелитов мощностью 4 м с отметками кровли по высоте уступа 6 м и почвы 10 м с указанными выше значениями $${\sigma }_{рас}^{вкл},$$ ν^вкл и E^вкл.

В процессе бурения скважин по изменению скорости бурения, цвета и состояния выдаваемых на поверхность продуктов разрушения были подтверждены наличие, контур в плане, отметки кровли и почвы, мощность и свойства пропластка гравелитов, а также свойства вмещающих загипсованных глин.

Таким образом, из (2) следует, что на участках пересечения пропластка твердых включений скважины должны быть применены заряды ПВВ со скоростью детонации D_вкл=6,24·10³ м/с, что позволяет увеличить радиус ЗРД в твердых включениях до величины r^вм. Это гарантирует качественное дробление и полное отсутствие негабаритных кусков породы.

Источники информации

1. Патент РФ №2400702 C1 с приоритетом от 28.05.2009.

2. Бибик И.П., Рахманов Р.А., Ивановский Д.С. Повышение эффективности взрывного рыхления разнопрочных массивов при разработке Джерой-Сардаринского месторождения фосфоритов // Горный журнал. Цветные металлы. Специальный выпуск. - 2008. - №8. - С.49-51, рис.4, III, б (прототип).

3. Дугарцыренов А.В. Физическая природа и механизм разрушения горной породы при камуфлетном взрыве. Взрывное дело. Выпуск №106/63. - М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГН», 2011. - С.112-126.

4. Дугарцыренов А.В. Механизм разрушения пластичных горных пород при камуфлетном взрыве. Взрывное дело. Выпуск №108/65. - М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГН», 2012. - С.134-139.

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, а именно к способам взрывания разнопрочных массивов горных пород на открытых горных работах. Способ включает бурение вертикальных скважин одного диаметра в массиве из вмещающих пород и твердых включений. Выбор основного типа промышленного взрывчатого вещества (ПВВ) осуществляют исходя из свойств вмещающих пород, а выбор ПВВ для твердых включений - из условия равенства диаметров зон регулируемого дробления во вмещающих породах и твердых включениях. При этом выбор ПВВ для твердых включений производят по скорости детонации D_вкл из соотношения с учетом пределов прочности при растяжении $${\sigma }_{рас}^{вкл}$$ и $${\sigma }_{рас}^{вм}$$ , М_вкл и М_вм - коэффициентов, определяющих упругое расширение границы камуфлетной полости, коэффициентов Пуассона ν^вкл и ν^вм, модулей Юнга E^вкл и E^вм, пористостей П_вкл и П_вм, твердых включений и вмещающих пород соответственно, γ - показателя адиабаты продуктов детонации в момент завершения детонации, γ₂ - показателя изоэнтропы продуктов детонации, параметра адиабаты ζ и давления P₀ продуктов детонации в точке Жуге применяемого основного типа ПВВ. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности и равномерности дробления разнопрочных массивов за счет обеспечения равенства диаметров зон регулируемого дробления во вмещающих породах и твердых включениях путем учета совокупности основных свойств вмещающих пород, включений и применяемого ПВВ. 1 табл.

Способ взрывания разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающий определение наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений, бурение вертикальных скважин, заряжание скважин зарядами промышленного взрывчатого вещества (ПВВ), диаметр которых равен диаметру скважин, и взрывание зарядов ПВВ, отличающийся тем, что предварительно определяют пределы прочности при растяжении, коэффициенты Пуассона, модули Юнга, пористость и коэффициент всестороннего сжатия вмещающих пород и твердых включений, а выбор ПВВ, размещаемого в твердых включениях, осуществляют исходя из скорости детонации D_вкл, определяемой из соотношения:
$$D_{вкл}=\sqrt{\frac{{\sigma }_{рас}^{вкл}}{\zeta }\cdot \frac{\gamma +1}{\Delta }}\cdot {\left(\left({\left(\frac{\zeta \cdot P_0}{{\sigma }_{рас}^{вм}}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_2}}-1+\frac{{\sigma }_{рас}^{вм}}{K_{вм}}\right)\cdot \frac{\frac{{\sigma }_{рас}^{вкл}}{K_{вкл}}+{М}_{вкл}+{П}_{вкл}}{\frac{{\sigma }_{рас}^{вм}}{K_{вм}}+{М}_{вм}+{П}_{вм}}+1-\frac{{\sigma }_{рас}^{вкл}}{K_{вкл}}\right)}^{\frac{{\gamma }_2}{2}}$$
где σ $${}_{рас}^{вкл}$$ и σ $${}_{рас}^{вм}$$ - соответственно пределы прочности твердых включений и вмещающих пород при растяжении, Па;
ζ - параметр адиабаты;
γ - показатель адиабаты продуктов детонации в момент завершения детонации;
Δ - плотность заряжания ПВВ;
P₀ - начальное давление продуктов детонации взрывных газов в точке Жуге, Па;
γ₂ - показатель изоэнтропы продуктов детонации ПВВ;
К_вкл и К_вм - соответственно коэффициенты всестороннего сжатия твердых включений и вмещающих пород;
П_вкл и П_вм - соответственно пористости твердых включений и вмещающих пород;
М_вм - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости во вмещающих породах, определяемый по формуле:
$$M_{вм}=2\left[\frac{{\sigma }_{рас}^{вм}(1+{\nu }^{вм})}{E^{вм}}\right]+{\left[\frac{{\sigma }_{рас}^{вм}(1+{\nu }^{вм})}{E^{вм}}\right]}^2$$
М_вкл - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости в твердых включениях, определяемый по формуле:
$$M_{ыкл}=2\left[\frac{{\sigma }_{рас}^{вкл}(1+{\nu }^{вкл})}{E^{вкл}}\right]+{\left[\frac{{\sigma }_{рас}^{вкл}(1+{\nu }^{вкл})}{E^{вкл}}\right]}^2$$
ν^вкл и ν^вм - соответственно коэффициенты Пуассона твердых включений и вмещающих пород;
Е^вкл и Е^вм - соответственно модули Юнга твердых включений и вмещающих пород, Па.