СПОСОБ ВЗРЫВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД С ТВЕРДЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ Российский патент 2014 года по МПК F42D3/04 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способам взрывания горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах. Такие включения могут быть представлены пропластками (прослойками) крепких пород во вмещающих менее крепких породах, различными линзообразными образованиями, в том числе многолетней (вечной) мерзлоты внутри талых скальных и полускальных пород, и другими образованиями.

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 взрывчатого вещества (ВВ) с размещением зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание зарядов ВВ, причем выбор параметров заряда ВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине скорости детонации ВВ, определяемой из соотношения:

$$D_{\partial }=D_0\sqrt{2\frac{{\sigma }_{р}^{вкл}}{{\sigma }_{р}^{вм}}-2\sqrt{\frac{{\sigma }_{р}^{вкл}}{{\sigma }_{р}^{вм}}}+1}$$

где D_∂ - скорость детонации ВВ для заряжания дополнительных скважин, м/с; D₀ - скорость детонации ВВ для заряжания основных скважин, м/с; $${\sigma }_{р}^{вкл}$$ - предел прочности пород твердого включения на растяжение, Па; $${\sigma }_{р}^{вм}$$ - предел прочности вмещающих пород на растяжение, Па [1].

Указанный способ учитывает свойства вмещающих пород и включений, но параметры зарядов ВВ в дополнительных скважинах выражаются только через скорость его детонации. В то же время не принимается во внимание такой важнейший параметр заряда ВВ, как его диаметр, что существенно ограничивает выбор параметров заряда ВВ. Можно, в частности, использовать в основных и дополнительных скважинах один и тот же тип ВВ с одинаковыми скоростями детонации, но при этом изменить соответствующим образом диаметр дополнительных скважин.

Ближайшим техническим решением к заявленному является 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 взрывчатого вещества (ВВ) с размещением зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание зарядов ВВ, согласно изобретению выбор параметров заряда ВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине произведения скорости детонации ВВ и диаметра заряда ВВ, определяемого из соотношения [2]:

d_∂D_∂=d₀D₀M,

где $$M=\sqrt{\frac{2{\sigma }_{р}^{вкл}}{{\sigma }_{р}^{вм}}}-1$$

d_∂ - диаметр дополнительных скважин, м; d₀ - диаметр основных скважин, м; D_∂ - скорость детонации ВВ для заряжания дополнительных скважин, м/с; D₀ - скорость детонации ВВ для заряжания основных скважин, м/с; $${\sigma }_{р}^{вкл}$$ - предел прочности пород твердого включения на растяжение, Па; $${\sigma }_{р}^{вм}$$ - предел прочности вмещающих пород на растяжение, Па.

Данный способ позволяет осуществить выбор параметров заряда ВВ для заряжания дополнительных скважин по величине произведения скорости детонации ВВ и диаметра заряда ВВ, но при этом основное соотношение, связывающее произведения указанных величин для основных и дополнительных скважин, получено на основании статической теории Ламе.

В этой теории радиус регулируемого дробления горной породы определяется исходя из пределов прочности на растяжение. При этом не производится учет основных свойств пород, таких как пористость, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент всестороннего сжатия, а также не учитываются свойства ВВ, определяющее расширение продуктов детонации.

Задачей изобретения является повышение эффективности взрывания горных пород с различными твердыми включениями, размещенными во вмещающих менее крепких породах.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности дробления различных твердых включений за счет учета основных свойств вмещающих пород, включений и применяемых ВВ, а также диаметров зарядов ВВ в основных и дополнительных скважинах.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе взрывания горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающем бурение вертикальных основных скважин, определение в процессе их бурения наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане, отметок кровли и почвы этих включений по глубине основных скважин, бурение вертикальных дополнительных скважин внутри контура включений, заряжание основных и дополнительных скважин зарядами взрывчатого вещества (ВВ) с размещением зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание зарядов ВВ, согласно изобретению выбор параметров заряда ВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине скорости детонации ВВ D₀₁ и диаметра заряда ВВ d₀₂, определяемых из соотношения:

$$\frac{d_{01}}{d_{02}}=\frac{B}{\sqrt{{\left(\frac{\zeta \cdot \Delta \cdot D_{01}^2}{{\sigma }_{p1}\cdot \left(\gamma +1\right)}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_2}}-1+\frac{{\sigma }_{p1}}{K_1}}}\left(1\right)$$

где

$$B=\sqrt{2}\cdot \sqrt{\left[{\left(\frac{\zeta \cdot \Delta \cdot D_{02}^2}{{\sigma }_{p2}\cdot \left(\gamma +1\right)}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_2}}-1+\frac{{\sigma }_{p2}}{K_2}\right]\cdot \frac{\frac{{\sigma }_{p1}}{K_1}+{П}_1+{М}_1}{\frac{{\sigma }_{p2}}{K_2}+{П}_2+{М}_2}}-\sqrt{{\left(\frac{\zeta \cdot \Delta \cdot D_{02}^2}{{\sigma }_{p1}\cdot \left(\gamma +1\right)}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_2}}-1+\frac{{\sigma }_{p1}}{K_1}}$$

d₀₁ - диаметр дополнительных скважин, м; d₀₂ - диаметр основных скважин, акоэффициенты М₁ и М₂ находятся из выражений:

$${М}_1=2\left(\frac{{\sigma }_{p1}\left(1+{\nu }_1\right)}{E_1}\right)+{\left[\frac{{\sigma }_{p1}\left(1+{\nu }_1\right)}{E_1}\right]}^2$$

$${М}_2=2\left(\frac{{\sigma }_{p2}\left(1+{\nu }_2\right)}{E_2}\right)+{\left[\frac{{\sigma }_{p2}\left(1+{\nu }_2\right)}{E_2}\right]}^2$$

ζ - параметр адиабаты; Δ - плотность заряжания BB, D - скорость детонации ВВ, γ₂ - показатель изоэнтропы; γ - показатель адиабаты; σ_р - предел прочности породы на растяжение, К - коэффициент всестороннего сжатия; П - пористость породы; Е - модуль упругости; v - коэффициент Пуассона. Индекс «1» относится к твердым включениям, а индекс «2» к вмещающим породам.

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

Определение в процессе бурения основных скважин наличия твердых включений, их контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений по глубине скважин позволяет установить параметры залегания включений внутри разрушаемого массива, в том числе их мощность по глубине конкретных скважин, а также скорректировать конструкцию и параметры зарядов ВВ в основных скважинах. Расположение дополнительных скважин внутри контура в плане твердых включений, с учетом уже найденных параметров их залегания, гарантирует размещение зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений по всей их площади в пределах взрываемого блока.

Известно, что выбор ВВ для заряжания скважин в первую очередь зависит от свойств взрываемых пород, а свойства пород твердых включений существенно отличаются от свойств вмещающих пород. Поэтому повышения эффективности дробления твердых включений можно достичь либо за счет использования для заряжания основных и дополнительных скважин ВВ с различными основными характеристиками, соответствующими свойствам вмещающих пород и пород включений, либо за счет бурения дополнительных скважин другого диаметра. Также известно, что диаметр (радиус) зоны регулируемого дробления, а следовательно, и эффективность дробления, определяется согласно трансцендентному уравнению [3]:

$$r=r_0\sqrt{\frac{{\left(\frac{\zeta \cdot P_0}{{\sigma }_p}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_2}}-1+\frac{{\sigma }_p}{K}}{\frac{{\sigma }_p}{K}+M+П}}$$

где $$М=2\left(\frac{{\sigma }_p\left(1+\nu \right)}{E}\right)+{\left[\frac{{\sigma }_p\left(1+\nu \right)}{E}\right]}^2$$

r₀ - радиус скважины, ζ - параметр адиабаты; P₀ - начальное давление газа; γ₂ - показатель адиабаты; σ_р - предел прочности породы на растяжение, К - коэффициент всестороннего сжатия; П - пористость породы; Е - модуль упругости; v - коэффициент Пуассона.

Эти параметры являются наиболее значимыми при определении радиуса зоны регулируемого дробления и применении наиболее распространенных промышленных конденсированных ВВ с близкими значениями плотности. При этом растягивающие напряжения являются определяющими при разрушении горных пород, так как предел прочности при растяжении в несколько раз меньше, чем при сдвиге, и в среднем на порядок меньше, чем при сжатии. Таким образом, выбор параметров заряда ВВ в дополнительных скважинах по величине диаметра (радиуса) скважины и скорости детонации ВВ, определяемых из указанного в формуле изобретения соотношения (1), позволяет учесть основные свойства вмещающих пород, включений и параметров заряда ВВ.

С учетом вышесказанного совокупность всех признаков, указанных в формуле изобретения, действительно позволяет повысить эффективность дробления различных твердых включений за счет учета основных свойств вмещающих пород, включений и параметров заряда ВВ, что решает задачу изобретения и обеспечивает достижение технического результата.

Фиг.1 показывает взрываемый блок уступа карьера в плане.

Способ осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций.

С учетом конкретных условий определяют по общеизвестным методикам или результатам предыдущих взрывов в аналогичных условиях параметры вертикальных скважинных зарядов ВВ без учета наличия включений. Исходя из известных значений диаметров скважин во вмещающих породах, параметров заряда ВВ в них, по соотношению (1) определяют взаимосвязь между диаметром заряда ВВ в дополнительных скважинах и скоростью детонации этого заряда.

В соответствии с найденными значениями сопротивления по подошве уступа, расстояния между скважинами в ряду, расстояния между рядами скважин, длины (глубины) скважины и формой сетки скважин бурят основные скважины.

В процессе бурения основных скважин по изменениям скорости бурения, цвета и состояния, выдаваемых на поверхность продуктов разрушения определяют наличие, контур в плане, отметки кровли.и почвы и мощность твердых включений по глубине каждой скважины.

Внутри контура в плане твердых включений бурят дополнительные скважины, которые располагают в центре четырехугольников, образованных соседними основными скважинами.

Далее производят заряжание и забойку основных и дополнительных скважин. Заряжание основных скважин производят теми же ВВ, которые приняты на данном предприятии для взрывания аналогичных пород без наличия твердых включений. Заряжание дополнительных скважин осуществляют ВВ с другими свойствами и для выбора этих ВВ используют соотношение (1) при известных свойствах вмещающих пород и твердого включения, а также параметров ВВ в основных скважинах.

В процессе заряжания основных скважин производят монтаж внутрискважинных взрывных сетей, который осуществляют методом, принятым на данном предприятии.

После заряжания основных скважин производят их забойку.

Дополнительные скважины заряжают зарядами ВВ, которые размещают внутри пересекаемых ими твердых включений на всю высоту включения. Так же, как и при заряжании основных скважин, в процессе заряжания дополнительных скважин производят монтаж внутрискважинных взрывных сетей, а по окончании заряжания - забойку верхней незаряженной части дополнительных скважин.

Возможна любая подходящая для конкретных условий последовательность выполнения операций по заряжанию основных и дополнительных скважин: вслед за бурением; вначале основных, а затем дополнительных скважин; по отдельным рядам скважин и др. Забойка верхних незаряженных частей скважин также может осуществляться в различной последовательности: сразу же после окончания заряжания каждой отдельной скважины зарядом ВВ, после окончания заряжания всех основных и дополнительных скважин или совмещаться по времени с заряжанием отдельных групп скважин.

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

Пример осуществления способа.

Производили взрывание вскрышных пород на карьере, разрабатывающем фосфоритное месторождение. Породы месторождения сложены супесями и суглинками, галечником и конгломератом, бентонитовыми глинами и глинистым мергелем, требующими взрывного рыхления, со средними пределами прочности при растяжении $${\sigma }_{рас}^{вм}=\mathrm{1,5}\cdot {10}^6$$ Па, коэффициентом Пуассона v_вм=0,2 и модулем Юнга E_вм=1,5·10¹⁰ Па. Внутри этих вмещающих пород залегают твердые включения гравелитов, имеющих большую сопротивляемость взрыванию, со средними пределами прочности при растяжении $${\sigma }_{рас}^{вкл}=\mathrm{4,5}\cdot {10}^6$$ Па, коэффициентом Пуассона v_вкл=0,3 и модулем Юнга E_вкл=4·10¹⁰ Па.

Физико-механические свойства пород представлены таблице 1.

Таблица Породы: Предел прочности на растяжение σ_рас, Па Модуль упругости Е, Па Коэффициент Пуассона, v Коэффициент всесторонней о сжатия К, Па Пористость П, % Вмещающие породы (глины загипсованные) 1,5·10⁶ 1,5·10¹⁰ 0,2 0,833·10¹⁰ 13 Крепкие включения (гравелиты) 4,5·10⁶ 4,0·10¹⁰ 0,3 8,333·10¹⁰ 11

В качестве ВВ для основных скважин использовали граммонит М, который при плотности заряжания 1·10 кг/м³ имеет показатель изоэнтропы продуктов детонации γ₂=1,26. Граммонит-М имеет скорость детонации D=4·10³ м/c.

Диаметр скважин, равный диаметру заряда, составлял 220 мм (буровой станок 3СБШ-200Н). Направление скважин - вертикальное. Для основных скважин приняты следующие параметры: расстояние между скважинами в ряду a - 6 м; расстояние между рядами скважин b - 6 м; форма сетки скважин - квадратная.

На взрываемом блоке бурили по сетке 6×6 м. Основные скважины 1-20 (фиг.1). В процессе их бурения установлено, что скважины 7-20 пересекают твердое включение известковистого мергеля, контур которого в плане на фиг.1 показан пунктирной линией.

Исходя из вышеуказанных значений при помощи соотношения (1), была получена трансцендентная зависимость (Фиг.2), позволяющая определить диаметр дополнительной скважины, а так же произвести выбор применяемого в ней ВВ, для эффективного дробления данного массива:

$$d_{01}=\frac{\mathrm{0,11}\cdot B}{\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{0,1037}\cdot 1000\cdot D_{01}^2}{\mathrm{4,5}\cdot {10}^3\cdot \left(\mathrm{2,8}+1\right)}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{1,26}}}-1+\frac{\mathrm{4,5}\cdot {10}^3}{\mathrm{8,33}\cdot {10}^{10}}}}$$

где

$$B=\sqrt{2}\cdot \sqrt{\left[{\left(\frac{\mathrm{0,1037}\cdot 1000\cdot {\left(4\cdot {10}^3\right)}^2}{\mathrm{1,5}\cdot {10}^3\cdot \left(\mathrm{2,8}+1\right)}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{1,26}}}-1+\frac{\mathrm{1,5}\cdot {10}^3}{0.083\cdot {10}^{10}}\right]\cdot \frac{\frac{\mathrm{4,5}\cdot {10}^3}{\mathrm{8,33}\cdot {10}^{10}}+\mathrm{0,11}+\mathrm{0,00029}}{\frac{\mathrm{1,5}\cdot {10}^3}{0.083\cdot {10}^{10}}+\mathrm{0,13}+\mathrm{0,00024}}}-\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{0,1037}\cdot 1000\cdot {\left(4\cdot {10}^3\right)}^2}{\mathrm{4,5}\cdot {10}^3\cdot \left(\mathrm{2,8}+1\right)}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{1,26}}}-1+\frac{\mathrm{4,5}\cdot {10}^3}{\mathrm{8,33}\cdot {10}^{10}}}=\mathrm{6,1531}$$ С учетом численного значения B получим:

$$d_{01}=\frac{\mathrm{0,67}}{\sqrt{-\mathrm{0,9}+\mathrm{0,000072}\cdot {\left(D_{01}^2\right)}^{\mathrm{0,79}}}}$$

(график данной зависимости представлен на фиг.2)

Так как данный метод позволяет манипулировать величиной зоны регулируемого дробления в зависимости от выбора ВВ, диаметр дополнительных скважин был принят равным диаметру основных скважин (220 мм); это исключило необходимость в замене применяемого бурового станка - 3СБШ-200Н.

Затем производился выбор ВВ для заряжания дополнительных скважин в соответствии с выражением (2). Поскольку для эффективного дробления данного твердого включения, заряду ВВ в дополнительных скважинах диаметром 220 мм, согласно фиг.2, необходимо иметь скорость детонации порядка 4000 м/с, что, в свою очередь, совпадает со скоростью детонации ВВ, применяемого в основных скважинах. Следовательно, возможно применение одинакового ВВ, как для основных, так и для дополнительных скважин, что значительно упрощает технологию проведения БВР в данном массиве. Таким образом, по данным примера возможно применение основных и дополнительных скважин одного диаметра с зарядом одного и того же ВВ (Граммонита-М).

Далее внутри контура в плане включения бурили дополнительные скважины 21-28. После бурения дополнительных скважин проводили заряжание всех основных скважин 1-20 зарядами Граммонита-М с одновременным монтажом внутрискважинных взрывных сетей и забойку верхних незаряженных частей скважин твердым сыпучим забоечным материалом (отсев обогатительной фабрики или другой подходящий материал).

Дополнительные скважины 21-28 также заряжали зарядами Граммонита-М, и одновременно осуществляли монтаж внутрискважинных взрывных сетей. Затем производили забойку верхних незаряженных частей дополнительных скважин тем же забоечным материалом.

После окончания забойки всех скважин монтировали поверхностную взрывную сеть, соединяли ее с внутрискважинными взрывными сетями и осуществляли взрывание скважинных зарядов ВВ принятым на данном карьере способом.

Источники информации

1. Патент РФ №2400702 по классу F42D 3/04, 2009.

2. Патент РФ №2455613 по классу F42D 3/04 (прототип), 2010.

3. Дугарцыренов А.В. «Механизм разрушения пластичных пород при камуфлетном взрыве». Сборник «Взрывное дело» №108/65, (стр.134), 2012.

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, а именно к способам взрывания разнопрочных массивов горных пород на открытых горных работах. Способ включает бурение основных и дополнительных скважин в массиве из вмещающих пород и твердых включений. Выбор параметров для зарядов в основных скважинах осуществляют исходя из свойств вмещающих пород, а выбор параметров для твердых включений - из условия равенства диаметров ЗРД во вмещающих породах и твердых включениях. При этом выбор параметров для заряда в дополнительных скважинах производят по скорости детонации D₀₁ и диаметра d₀₁ из соотношения с учетом пределов прочности при растяжении $${\sigma }_{рас}^{вкл}$$ и $${\sigma }_{рас}^{вм}$$ , коэффициентов Пуассона v^вкл и v^вм, модулей Юнга Е^вкл и Е^вм, пористостей П_вк и П_вм, твердых включений и вмещающих пород соответственно, показателя изоэнтропы продуктов детонации γ₂, параметра адиабаты ζ и давления продуктов детонации в точке Жуге Р₀ 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, диаметра заряда и применяемого ПВВ. 2 ил.

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 взрывчатого вещества (ВВ) с размещением зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание зарядов ВВ, причем выбор параметров заряда ВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине скорости детонации ВВ, определяемой из соотношения:
$$\frac{d_{01}}{d_{02}}=\frac{B}{\sqrt{{\left(\frac{\zeta \cdot \Delta \cdot D_{01}^2}{{\sigma }_{p1}\cdot \left(\gamma +1\right)}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_2}}-1+\frac{{\sigma }_{p1}}{K_1}}}\left(1\right)$$
где
$$B=\sqrt{2}\cdot \sqrt{\left[{\left(\frac{\zeta \cdot \Delta \cdot D_{02}^2}{{\sigma }_{p2}\cdot \left(\gamma +1\right)}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_2}}-1+\frac{{\sigma }_{p2}}{K_2}\right]\cdot \frac{\frac{{\sigma }_{p1}}{K_1}+{П}_1+{М}_1}{\frac{{\sigma }_{p2}}{K_2}+{П}_2+{М}_2}}-\sqrt{{\left(\frac{\zeta \cdot \Delta \cdot D_{02}^2}{{\sigma }_{p1}\cdot \left(\gamma +1\right)}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_2}}-1+\frac{{\sigma }_{p1}}{K_1}}$$
d₀₁ - диаметр дополнительных скважин, м;
d₀₂ - диаметр основных скважин, а коэффициенты М₁ и М₂ находятся из выражений:
$${М}_1=2\left(\frac{{\sigma }_{p1}\left(1+{\nu }_1\right)}{E_1}\right)+{\left[\frac{{\sigma }_{p1}\left(1+{\nu }_1\right)}{E_1}\right]}^2$$
$${М}_2=2\left(\frac{{\sigma }_{p2}\left(1+{\nu }_2\right)}{E_2}\right)+{\left[\frac{{\sigma }_{p2}\left(1+{\nu }_2\right)}{E_2}\right]}^2$$
ζ - параметр адиабаты;
Δ - плотность заряжания BB,
D - скорость детонации ВВ,
γ₂ - показатель изоэнтропы;
γ - показатель адиабаты;
σ_р - предел прочности породы на растяжение,
К - коэффициент всестороннего сжатия;
П - пористость породы;
Е - модуль упругости;
v - коэффициент Пуассона,
индекс «1» относится к твердым включениям, а индекс «2» к вмещающим породам.