Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние вопроса, цель и задачи исследований
1.1 Структурные особенности массива железистых кварцитов Михайловского месторождения и их влияние на разрушение 8
1.2 Изменение механизма разрушения горных пород в зависимости от структуры массива 25
1.3 Анализ существующих методов учета структурных особенностей массива при проектировании БВР 33
1.4 Выводы по главе 1 и постановка задач исследований 47
ГЛАВА 2 Методика расчета размеров зоны трещинообразования 48
2.1 Разрушение под действием волны напряжений 48
2.2 Разрушение за счет квазистатического действия взрыва 57
2.3 Аналитическая оценка прочности массива 64
2.4 Выводы по главе 2 71
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования разрушения железистых кварцитов 72
3.1 Влияние структурных особенностей железистых кварцитов на их физико-механические свойства 72
3.2 Физическое моделирование натурных условий взрывного нагружения на модельных блоках из железистых кварцитов 85
3.3 Экспериментальное изучение параметров волн напряжений и зон взрывного разрушения железистых кварцитов на физических моделях 90
3.4 Выводы по главе 3 103
ГЛАВА 4 Разработка рекомендаций по выбору параметров сетки взрывных скважин для отработки железистых кварцитов в условиях михайловского гока 104
4.1 Краткая характеристика месторождения и технологии отработки, применяемой на предприятии 104
4.2 Рекомендации по определению сетки скважин при взрывном разрушении железистых кварцитов 113
4.4 Выводы по главе 4 121
Заключение 122
Список литературы 123
- Изменение механизма разрушения горных пород в зависимости от структуры массива
- Разрушение за счет квазистатического действия взрыва
- Экспериментальное изучение параметров волн напряжений и зон взрывного разрушения железистых кварцитов на физических моделях
- Рекомендации по определению сетки скважин при взрывном разрушении железистых кварцитов
Введение к работе
Актуальность работы. Буровзрывные работы являются важнейшей составной частью технологического процесса добычи полезных ископаемых. Повышение эффективности взрывоподготов-ки горной массы во многом зависит от совершенства технологий взрывных работ и максимально возможного использования энергии взрыва. Качество взрывной подготовки горной массы влияет на производительность погрузочно - транспортировочных средств и дробильно - сортировочного оборудования.
Каждое разрабатываемое и разведанное месторождение полезных ископаемых имеет свои структурные особенности. Практика ведения горных работ показывает, что при составлении проектов массовых взрывов индивидуальные особенности структурного строения взрываемого блока, как правило, не учитываются. В связи с этим расчетные параметры БВР не соответствуют требованиям повышения эффективности использования энергии взрыва. Так, на карьерах Михайловского ГОКа несмотря на высокие удельные расходы ВВ наблюдается значительных выход негабаритной фракции.
К настоящему времени проведено значительное количество исследований посвященных действию взрыва в горных породах различной структуры. В данном направлении работали известные ученые: В. В. Адушкин, В. А. Белин, В. А. Боровиков, С. Д. Викторов, С. А. Гончаров, Э. И. Ефремов, В. М. Закалинсий, Н. Н. Казаков, В. М. Комир, В. А. Кузнецов, Б. Н. Кутузов, Ф. И. Кучерявый, В. Н. Мосинец, А. Н. Ханукаев и др., внесшие значительный вклад в теорию и практику взрывных работ при разработке месторождений полезных ископаемых.
Несмотря на значительные успехи в области совершенствования технологии взрывных работ при разрушении сложнострук-турных горных пород, они не в полной мере отвечают возросшим требованиям горного производства.
Учет структурных особенностей (трещиноватости, блочно-сти, слоистости, обводненности) массива при расчете параметров взрывного рыхления может повысить эффективность взрывных работ (качество дробления горной массы) а решение этой проблемы
представляет важную в научном и практическом плане задачу для горнорудных предприятий.
Цель диссертационной работы. Обоснование размеров сетки взрывных скважин обеспечивающих повышение эффективности дробления железистых кварцитов при взрывном разрушении.
Идея работы. Размеры сетки скважинных зарядов при взрывном разрушении железистых кварцитов следует определять с учетом направления простирания и угла наклона слоистости.
Основные задачи работы:
-
Анализ исследований разрушения горных пород различной структуры;
-
Аналитическая оценка размеров зоны трещинообразова-ния при взрывном разрушении железистых кварцитов;
-
Определение влияния угла наклона слоистости на прочностные характеристики железистых кварцитов на примере Михайловского ГОКа;
-
Исследование влияния угла наклона слоистости на степень затухания волны напряжений;
-
Определение сетки скважин для слоистых массивов железистых кварцитов Михайловского месторождения.
Научная новизна работы:
-
Установлены зависимости изменения пределов прочности на сжатие и растяжение неокисленных железистых кварцитов Михайловского месторождения от ориентации слоистости относительно направления прилагаемой нагрузки;
-
Установлены зависимости изменения величины максимальных скоростей смещения частиц за фронтом волны напряжений на различных расстояниях от заряда в неокисленных железистых кварцитах Михайловского месторождения с учетом ориентации слоистости.
Основные защищаемые положения:
1. Минимальная нагрузка, необходимая для разрушения железистых кварцитов Михайловского месторождения, достигается при ее действии под углом 30-40 к плоскости слоев в случае сжимающих нагрузок и под углом 90 в случае растягивающих нагрузок;
-
При расчете параметров волн напряжений на различных расстояниях от взрываемого заряда в неокисленных железистых кварцитах необходимо учитывать, что затухание волны напряжений в направлении перпендикулярном слоистости происходит с коэффициентом затухания равным 1,7, а вдоль слоистости – 1,58;
-
Повышение качества взрывного дробления железистых кварцитов достигается за счет формирования сетки расположения взрывных скважин на основе совмещения зон трещинообразования, размеры которых определяются углом наклона и направлением простирания слоистости.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего обобщение теоретических и экспериментальных исследований по определению размеров сетки скважин в породах, имеющих сложные горногеологические условия, анализа применяемого на Михайловском ГОКе метода расчета параметров БВР, экспериментальные исследования физико-технических свойств неокисленных железистых кварцитов Михайловского месторождения, физическое моделирование в слоистых средах распространения волн напряжений при взрыве зарядов ВВ, сравнительный анализ результатов лабораторных исследований с результатами теоретических расчетов, сопоставление рассчитанных размеров сетки скважин с применяемыми на предприятии.
Практическая значимость работы:
-
Предложен расчет размера зон трещинообразования в железистых кварцитах с учетом ориентации слоистости;
-
Определены коэффициенты сближения скважин в соответствии с углом падения слоистости неокисленных железистых кварцитов.
Реализация результатов работы. Разработаны рекомендации по определению сетки скважин при взрывном разрушении неокисленных железистых кварцитов.
Научные и практические результаты диссертации
используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам: «Технология и безопасность взрывных работ», «Проектирование и организация взрывных работ».
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается необходимым объемом проанализированных исследований формирования волн напряжений и механизмов взрывного разрушения горных пород с различными структурными особенностями, удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами лабораторных экспериментов.
Личный вклад автора заключается в анализе ранее полученных результатов отечественных и зарубежных исследователей, постановке цели и задач исследования, проведении теоретических и экспериментальных исследований, численных расчетов на ЭВМ, обобщении и анализе полученных результатов, сравнении полученных данных с экспериментальными данными, разработке практических рекомендаций.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на IV Всероссийской конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2011 г.), научной конференции в Краковской горно-металлургической академии (Польша, Краков, 2011 г.), международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2013 г.), симпозиуме «Неделя горняка-2014» (МГГУ, Москва), на заседаниях кафедры взрывного дела и научно-техническом совете Горного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы (все в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 136 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунков, 18 таблицы, список литературы из 89 наименований, 2 приложения.
Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель, идея, задачи, излагаются защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.
В первой главе диссертации представлен анализ влияния структурных особенностей массива на размеры сетки скважин и механизм его разрушения взрывом. Проведен обзор методов учета структурных особенностей при расчете сетки скважин. Сформулированы основные задачи исследований.
Во второй главе проведена аналитическая оценка размеров зон трещинообразования при разрушении волной напряжений и за счет соударения отдельностей. Произведена аналитическая оценка прочности массива с учетом коэффициента динамичности и масштабного фактора.
В третьей главе определено влияние угла наклона слоистости неокисленных железистых кварцитов относительно направления приложения нагрузки на пределы прочности при растяжении и сжатии. Получены показатели степени затухания амплитуды волн напряжений распространяющихся в направлении параллельном простиранию слоистости и в направлении перпендикулярном.
В четвертой главе рассмотрены существующие условия ведения буровзрывных работ на карьерах Михайловского ГОКа. Рассчитаны коэффициенты сближения скважин для различных углов падения слоистости неокисленных железистых кварцитов. Произведен расчет сетки скважин для конкретных взрываемых блоков, проведено сопоставление полученной сетки скважин с применяемой.
В заключении приводятся основные выводы и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:
1. Минимальная нагрузка, необходимая для разрушения железистых кварцитов Михайловского месторождения, достигается при ее действии под углом 30-40 к плоскости слоев в случае сжимающих нагрузок и под углом 90 в случае растягивающих нагрузок.
Разрушение горных пород всегда начинается с имеющихся дефектов, а слоистость может выступать в роли плоскостей ослабления, поэтому ориентация слоистости относительно прилагаемой нагрузки играет существенную роль в процессе разрушения.
Для определения влияния слоистости на прочностные свойства неокисленных железистых кварцитов были проведены исследования. Для этого, в соответствии с ГОСТ 21153.2-84 и ГОСТ 24941-81, были изготовлены образцы кубической формы со средним размером ребра 35мм и подготовлены керны диаметром 42мм, которые представлены на рисунке 1. Образцы имели различные углы наклона слоистости.
Рисунок 1 – Образцы железистых кварцитов, подготовленные для определения прочности
Исследования прочностных свойств проводились согласно ГОСТ 21153.2-84 и методикам разработанным Научным центром геомеханики и проблем горного производства Горного университета. В результате проведенных экспериментов установлена зависимость влияния угла наклона слоистости железистых кварцитов, на их предел прочности при сжатии, которая представлена на рисунке 2. Откуда следует, что минимальная прочность железистых кварцитов соответствует диапазону углов наклона слоистости 30 – 40.
С 250 -
p.
Угол наклона слоев относительно направления приложенной нагрузки,
град
Рисунок 2 - Зависимость предела прочности на сжатие от угла наклона слоистости
Полученный результат можно объяснить следующим образом, при одноосном сжатии максимальные касательные напряжения достигаются в сечениях образца, ориентированных под углом 45 к направлению действия сжимающих нагрузок. В силу того, что предел прочности на сдвиг в 3–4 раза меньше такового на сжатие, то обеспечив совпадение максимальных касательных напряжений с плоскостью ослабления, потребуется воздействие минимально возможной нагрузки для разрушения образца.
Экспериментальные исследования по определению предела прочности на растяжение показали, что она уменьшается с увеличением угла наклона слоистости относительно направления растягивающих нагрузок и достигает минимальных значений при угле в 90 (рисунок 3). При растяжении вдоль слоев прочные слои воспринимают на себя часть нагрузки и увеличивают общую сопротивляемость породы.
с
Угол наклона слоев отностггелъно направления разрушающей нагрузки,
град Рисунок 3 - Зависимость предела прочности на растяжение от угла наклона слоистости.
Для перехода от статических пределов прочности к динамическим, характерным для взрывных нагрузок, используем коэффициенты динамичности, предложенные В. А. Боровиковым:
кдсж = 4,81 - 0,97-10"1 VпСp2 (для сжатия), (1)
кд = 4,81- 0,97 -10й о С2 (для растяжения), (2)
рас ' п р
где рп - плотность породы, кг/м3; сг - скорость распространения
продольной волны в породе, м/с.
Таким образом, для наиболее эффективного использования энергии взрыва при разрушении железистых кварцитов необходимо, что бы прилагаемая нагрузка была направлена под требуемым углом к слоистости.
2. При расчете параметров волн напряжений на различных расстояниях от взрываемого заряда в неокисленных железистых кварцитах необходимо учитывать, что затухание волны напряжений в направлении перпендикулярном слоистости происходит с коэффициентом затухания равным 1,7, а вдоль слоистости – 1,58.
Максимальные составляющие волны напряжений могут быть рассчитаны в следующем порядке.
Изменение максимальной радиальной составляющей волны напряжений в массиве с расстоянием от заряда ВВ до заданной точки, как известно, определяется согласно уравнению:
^=^д (з)
где Рд - давление на фронте ударной волны в горной породе, Па; г -
относительное расстояние от оси заряда до заданной точки; п - коэффициент затухания волны напряжений.
Коэффициент затухания п для разрушаемой горной породы определяется как:
и = 2-^ , (4)
где //-коэффициент Пуассона.
Динамический коэффициент Пуассона можно определить на основе скорости распространения продольной и поперечной волны:
С2 -? -С2
м = р , ; , (5)
2-(С2р-С2) где Ср - скорость распространения продольной волны в горной породе, м/с; Cs - скорость распространения поперечной волны в горной породе, м/с.
Связь между максимальной радиальной и тангенциальной составляющими волны напряжений для цилиндрического заряда может быть определена из уравнения:
^шах= "rmax- (6)
/л
1-JU
Для подтверждения достоверности расчета изменения максимальной тангенциальной составляющей волны напряжений от относительного расстояния были проведены экспериментальные исследования. Для количественной оценки параметров волн напряжений применялось физическое моделирование, использовался закон расширенного геометрического подобия.
При выполнении исследования были изготовлены модели кубической формы из железистых кварцитов со средним размером ребра 150мм. На рисунке 4 представлена типичная модель для проведения эксперимента. В качестве ВВ для заряда использовался ТЭН (тетранитропентаэритрит) плотностью 0,97 г/см3. Замеры ускорений смещения частиц производились с помощью пьезоакселерометров и цифрового осциллографа TDS3034B.
Рисунок 4 – Экспериментальная модель
В результате опытных взрывов получены акселерограммы на различных расстояниях от заряда, которые путем интегрирования по времени преобразованы в велосиграммы (рисунок 5).
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
-0.1
2 Время, с
x 10
Рисунок 5 – Велосиграмма модельного блока №7 на расстоянии 119мм
Результаты этих замеров позволили получить зависимости изменения скорости смещения частиц (рисунок 6).
Д = 0,97
!;
Относительное расстояние
о Вдоль слоистости Перпендикулярно слоистости
Рисунок 6 - Зависимость величины максимальных скоростей смещения частиц от расстояния в железистых кварцитах при взрыве заряда ТЭНа.
Кривые, представленные на рисунке 6, аппроксимируются следующими зависимостями:
vr max = T5s для \5rЗ
напряжений вдоль слоистости и v = для \5r
г перпендикулярно слоистости.
Таким образом, на основе полученных результатов установлены значения коэффициентов затухания волны напряжений: в направлении перпендикулярном слоистости - 1,7, вдоль слоистости - 1,58.
Чтобы использовать зависимости, полученные в результате моделирования, для промышленных ВВ введем понятие о радиусе заряда эквивалентном по энергии взрыва:
^М-'"оз'"ВВМ М' (7)
где {Rоз)M - фактический радиус модельного заряда, мм; QМ - теплота взрывчатого превращения модельного ВВ, МДж; QH - теплота взрывчатого превращения промышленного ВВ, МДж; (рВВ)М -плотность модельного ВВ, г/см3; (рВВ)Н - плотность промышленно-го ВВ, г/см3.
Из теории упругости известно, что максимальную радиальную составляющую волны напряжений можно определить на основе экспериментальных данных из соотношения:
^rmax =Pп-
где рп - плотность породы, кг/м3; с - скорость распространения
продольной в породе, м/с; v - максимальная радиальная состав-
ляющая скорости смещения частиц за фронтом волны, которая была определена в серии экспериментов описанных выше, м/с.
На основе полученных экспериментальных значений максимальных скоростей смещения частиц, плотности и скорости распространения продольной волны определены изменения максимальных тангенциальных напряжений в неокисленных железистых кварцитах на различных расстояниях от заряда вдоль направления простирания слоев и в направлении перпендикулярном им (рисунок 7).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что экспериментально полученные кривые изменения максимальных тангенциальных напряжений совпадают с кривыми, рассчитанными по выше описанному алгоритму (рисунок 7).
Относительное расстояние
Рисунок 7 - Зависимость величины максимальных тангенциальных напряжений от расстояния в железистых кварцитах
Так как расчетные значения максимальной тангенциальной составляющей волны напряжений при придельных углах наклона слоев (0 и 90 градусов) подтверждены экспериментальными результатами, значит описанный выше порядок расчета может быть использован и при расчете максимальных параметров волны напряжений для промежуточных углов от 0 до 90.
3. Повышение качества взрывного дробления железистых кварцитов достигается за счет формирования сетки расположения взрывных скважин на основе совмещения зон трещи-нообразования, размеры которых определяются углом наклона и направлением простирания слоистости.
Качество дробления и удельный расход ВВ при заданном диаметре скважин главным образом определяются размерами сетки скважин, которые должны рассчитываться исходя из размеров зон трещинообразования.
Размеры зон трещинообразования в свою очередь могут быть определены, в соответствии с ориентацией слоистости, из условия равенства максимальной амплитуды тангенциальной составляющей волны напряжений динамическому пределу прочности массива на растяжение по уравнению:
wo =р инмассив ТР=З.^A.pдj, (9)
где Рд - начальное давление на стенке скважины, Па; гЗ - радиус заряда, м; ju - коэффициент Пуассона; п - коэффициент затухания волны напряжений; [стдр иа нс массив] - динамический предел прочности породы на растяжение, Па;
Для условий блока №20к Михайловского ГОКа, имеющего угол падения слоев 86, рассчитаны размеры зон трещинообразования с учетом ориентации слоистости гТР± « 4м (размер радиуса зоны трещинообразования в направлении простирания слоистости), гТРП * 2м (размер радиуса зоны трещинообразования в направлении
перпендикулярном простиранию слоистости).
На основе полученных размеров зон трещинообразования сформируем сетку скважин а = 2гТР±=8м (расстояние между скважинами в ряду), ъ = 2гТР ш = \м (расстояние между рядами скважин).
В данном случае получаем коэффициент сближения
скважин щ = — = 2-Ъ
В настоящий момент времени на Михайловском ГОКе применяются другие размеры сетки расположения скважин. Расстояние между скважинами в ряду равно 5м, а между рядами - 7м. В результате образуется наложение зон разрушения и перерасход ВВ, либо зоны разрушения не имеют контакта и возможен выход негабарита (рисунок 8А). Сетка скважин сформированная по предлагаемому
подходу исключает это, обеспечивая контакт зон разрушения (рисунок 8Б).
Рисунок 8 – Расположение зон разрушения при формировании сетки на блоке №20 по предлагаемому подходу А, и по подходу используемому на предприятии Б
Аналогично для условий блока №32к, имеющего угол падения слоев 46, получены размеры зон трещинообразования в направлении простирания слоистости и перпендикулярно направлению простирания гТР ± = 6м , rТР п =%м .
В данном случае ряды скважин ориентированы под углом в 46 к направлению простирания слоистости, поэтому размеры сетки скважин будут определяться радиусами эллиптической зоны трещи-
нообразования a = 1. r ТР II r ТР ± = м (да . угол
между направлением простирания слоистости и направлением рядов
скважин, град.), Ь = 2- ТРп = 6,5м, (а - угол
J4i ^os2 а + 4я -sin2 а
между направлением простирания слоистости и направлением перпендикулярным рядам скважин, град.).
В данном случае получаем квадратную сетку, коэффициент
сближения скважин m = - = 1.
На предприятии применяются другие размеры сетки расположения скважин. Расстояние между скважинами в ряду равно 5м, а между рядами - 6м. В результате образуется наложение зон разрушения и перерасход ВВ (рисунок 9А). Предлагаемая сетка скважин исключает это, обеспечивая контакт зон разрушения (рисунок 9Б).
Рисунок 9 – Расположение зон разрушения при формировании сетки на блоке №32 по предлагаемому подходу А, и по подходу используемому на предприятии Б
Анализ полученных расчетов показывает, что данный подход позволит исключить не прорабатываемые зоны, из которых возможно появление негабарита и исключить наложение зон трещинообра-зования, за счет которого увеличивается расход ВВ.
Настоящая диссертационная работа является законченной научно-квалификационной работой, в которой представлено решение актуальной для горнодобывающих предприятий задачи по обоснованию сетки взрывных скважин при взрывном разрушении железистых кварцитов на основе учета угла падения и направления простирания слоистости.
Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:
-
Установлена зависимость изменения скорости распространения продольной волны в железистых кварцитах от угла наклона слоистости;
-
Получены зависимости пределов прочности на сжатие и растяжение для неокисленных железистых кварцитов от угла наклона слоистости;
-
Установлены зависимости степени затухания амплитуды волны напряжений в зависимости от ориентации слоистости неокисленных железистых кварцитов;
-
Определены коэффициенты сближения скважинных зарядов при взрывном разрушении железистых кварцитов Михайловского ГОКа в зависимости от угла падения и направления простирания слоистости;
-
Предложен способ расчета коэффициента затухания волны напряжений в железистых кварцитах в зависимости от ориентации слоистости, на основе скоростей распространения звука в породе;
-
Разработана методика расчета размеров зон трещинообра-зования учитывающая изменение механизма разрушения в зависимости от структуры массива.
По теме диссертации опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки России, следующие работы:
-
Менжулин М. Г. Расчет параметров БВР на основе сопряжения зон разрушения для пористых и трещиноватых пород / М.Г. Менжу-лин, А.В. Федосеев, М.В Захарян, П.И. Афанасьев, А.А. Бульбашев // Взрывное дело. № 105/62. М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГК», 2011. С.62-67.
-
Менжулин М. Г. Определение размеров зон взрывного разрушения для трещиноватых горных пород с различными заполнителями трещин на примере Михайловского ГОКа / М.Г. Менжулин, А.В. Федосеев // Записки Горного института, 2012. Т.195. С. 120-123.
-
Парамонов Г. П. Оценка влияния трещиноватости массива на его разрушение при производстве взрывных работ / Г.П. Парамонов, А.В. Федосеев, Ю.С. Гапонов // Записки Горного института, 2013. Т.204. С. 294-296.
Изменение механизма разрушения горных пород в зависимости от структуры массива
Известно, что при разрушении горных пород взрывом выделяют три основных фактора определяющих дробление горной массы: поле волны напряжений, квазистатическое действие газообразных продуктов детонации и соударение отдельностей. Роль каждого из приведенных факторов в процессе разрушения взрываемого блока определяется структурными особенностями строения массива и породы, слагающей его. Наличие в твердой среде трещин с различными заполняющими их материалами изменяет условия действия на нее основных разрушающих факторов [43,45,49]. Результат взрывного воздействия на блочные твердые среды зависит от сжимаемости заполняющего трещины материала, поскольку сжимаемость определяет прохождение волны напряжений через трещину и сопротивление уплотнению материала заполняющего трещины под действием газообразных продуктов детонации.
В совокупности процессов, из которых складывается механизм взрывного разрушения блочных сред, одним из главных является процесс распространения волн напряжений, вызванных взрывом заряда ВВ.
Важность роли волн напряжений объясняется тем, что скорость их распространения в среде больше скорости распространения разрушения и начальной скорости сдвижения блоков, т. е. они при распространении производят предразрушение среды [31].
Несмотря на значимость роли волн напряжений в разрушении взрывом твердых сред, нельзя забывать о действии газообразных продуктов детонации и факторе соударения отдельных кусков при взрыве.
В случае, когда заполнителем трещин является воздух, обладающий высокой сжимаемостью, материал разрушенного волной блока смещается беспрепятственно и соударяется с соседним блоком. Решающая роль в разрушении в данном случае принадлежит продуктам детонации.
Экспериментальными исследованиями А. Н. Ханукаева [49,84,85] доказано, что трещина шириной 2 мм, заполненная воздухом, снижает интенсивность напряжений в 25 раз по сравнению с монолитной средой.
В работе Э. И. Ефремова [31] рассматривается разрушение блочных гипсовых и песчано-цементных моделей. В проведенных экспериментах заполнителем трещин является воздух. На типичных осциллограммах напряжений представленных на рисунке 1.10, записанных пьезоэлектрическими датчиками, расположенными за трещиной, импульсы начинают нарастать через 60-80 мкс, что по времени соответствует соударению блоков. Напряжения от прямой волны сжатия при этом не наблюдается. Независимо от материала среды на осциллограммах, полученных с помощью пьезоэлектрических датчиков, расположенных перед трещиной, наблюдается два максимума. Первый максимум обусловлен волной напряжений и начинает нарастать через 5-10 мкс после взрыва, а второй – через 60-80 мкс и соответствует соударению отдельностей.
На рисунке 1.11 показаны графики затухания максимальных значений напряжений, соответствующие описанному выше эксперименту, в прямой волне сжатия с увеличением относительного расстояния, которое определяется как:
Как следует из рисунка 1.11, имеющиеся в среде трещины являются экраном для волн напряжений, распространяющихся от взрыва заряда ВВ. При переходе через трещину, расположенную на относительном расстоянии г 0,49, амплитуда прямой волны сжатия значительно уменьшается и при определенном соотношении между массой заряда, шириной трещины и расстоянием до границы блока практически равна нулю.
Передача энергии взрыва в среде, разбитой трещинами на блоки, осуществляется при выходе волны сжатия на свободную поверхность и последующем ударе раздробленным материалом блока, в котором размещался заряд ВВ, по первоначально неподвижному соседнему блоку [31]. Газообразные продукты взрыва, прорываясь за границы разрушаемого блока, увлекают за собой образующиеся куски, сообщая им дополнительную скорость и увеличивая эффект соударения. [31].
Подобные эксперименты были проведены в обводненных условиях [56]. Влияние воды сказывается на величине напряжений, возникающих в блоках за трещинами. Как показано на рисунке 1.12 в блоках за трещинами в обводненных условиях значения максимальных напряжений, вызванных прямой волной сжатия, приблизительно в 2-4 раза выше, чем при разрушении такой же модели в воздухе. Это объясняется менее интенсивным затуханием волн напряжений в воде по сравнению с затуханием в воздухе.
Таким образом, в обводненных блочных средах следует ожидать их более интенсивного дробления. Вместе с тем, экспериментальные исследования [56] показывают, что дробление моделей в обводненных условиях ухудшается, величина вновь образованной поверхности ниже, чем при разрушении моделей такими же зарядами в воздухе рисунок 1.13. И это несмотря на то, что напряжения в волне сжатия от взрыва заряда ВВ в обводненных средах выше, чем в сухих.
В проведенных экспериментах [56] определена работа дробления за счет действия каждого разрушающего фактора, и получено, что доля действия поля напряжений составляет в обводненных условиях 18,9 а в воздухе – 5%; доля квазистатического действия газообразных продуктов в общей работе дробления в обводненный условиях – 81,1 в воздухе 95%. Данный факт наблюдается при отсутствии значимых дефектов в блоках модели. Аналогичные результаты получены в работах В. М. Комира и Э. И. Ефремова [26,35].
Полученные результаты авторы объясняют тем, что в этом случае снижается участие газообразных продуктов детонации в дроблении обводненных блочных сред, прорывающихся за границы блоков, содержащих заряды. Условия работы газов ухудшаются, так как часть энергии продуктов взрыва расходуется на преодоление сопротивления воды - ее нагрев. Значительно снижается роль ударного взаимодействия как за счет ослабления действия газообразных продуктов взрыва, так и вследствие смягчения удара водяной прослойкой. В итоге интенсивность дробления моделей в воде уменьшилась [26,35].
Разрушение за счет квазистатического действия взрыва
На основании проведенного анализа можно сформулировать следующие выводы: Слоистость горных пород оказывает значительно влияние на их прочностные характеристики. Пределы прочности на сжатие и растяжение могут значительно изменяться в зависимости от угла приложения нагрузки относительно ориентации слоистости.
Ориентация слоистости определяет степень затухание амплитуды волны напряжений и как следствие влияет на размеры зон разрушения.
Из анализа большого количества исследований проведенных различными учеными видно, что в зависимости от структуры массива значительно изменяется роль волны напряжений распространяющейся от заряда, газообразных продуктов взрыва и соударения кусков породы в процессе разрушения массива.
Существует достаточно большое количество методик расчета параметров БВР, которые основаны на различных подходах и учитывают различные особенности массива. Однако приведенные методики не учитывают влияние слоистости на размеры зон разрушения. Таким образом, можно сформулировать следующие задачи исследований: 1. Аналитическая оценка размеров зоны трещинообразования при взрывном разрушении железистых кварцитов. 2. Определение влияния угла наклона слоистости на прочностные характеристики железистых кварцитов на примере Михайловского ГОКа. 3. Исследование влияния угла наклона слоистости на степень затухания волны напряжений. 4. Определение сетки скважин для слоистых массивов железистых кварцитов Михайловского месторождения.
Как было отмечено в первой главе, сетка расположения взрывных скважин является одни из наиболее важных параметров БВР при заданном диаметре заряда. В соответствии с анализом, проведенным в работе [39], в условиях многорядного короткозамедленного взрывания на уступах высотой 5 - 30 м наибольший объем взорванной массы 35-60%, в зависимости от трещиноватости и крепости массива, а так же от удельного расхода ВВ, приходится на зону трещинообразования. Это позволяет формировать сетку взрывных скважин на основе размеров этой зоны разрушения.
Рекомендуем определять данный параметр на основе метода совмещения зон разрушения [13,43,48].
Предлагаемый подход учитывает физику процесса и механизм взрывного разрушения горной породы в зависимости от структурных особенностей массива. Расстояние между скважинами следует определять зависимостью [13,43,48]: а = Ь = 2гТР, (2.1) где гТР - радиус зоны трещинообразования, м;
Обычно размеры зоны трещинообразования гТР определяются из условия равенства максимальной амплитуды тангенциальной составляющей волны напряжений динамическому пределу прочности породы на отрыв [13,39,66]: fТР) kод тн рJ, (2.2) где 0-рmax- максимальная амплитуда тангенциальной составляющей волны напряжений, [аотр\ - динамический предел прочности породы на отрыв. Следовательно, для определения требуемого расположения скважин на взрывном блоке, необходимо рассчитать максимальную амплитуду тангенциальной составляющей волны напряжений и определить предел прочности на растяжение с учетом структурных особенностей характерных для рассматриваемого блока.
Зона трещинообразования характеризуется образованием в естественном массиве под воздействием растягивающих напряжений единичных протяженных трещин преимущественно радиального направления. Размеры зоны трещинообразование изменяются в пределах от 15 до 35 радиусов заряда [15,39,47,64].
Учитывая естественную трещиноватость массивов скальных горных пород и их блочную структуру, можно сделать вывод, что разрушение в зоне трещинообразования происходит необратимым раскрытием и прорастанием естественных трещин и сдвигом естественных отдельностей.
Когда трещины заполнены водой или материалом по упругости близкой к упругости породы, массив ведет себя подобно монолитному, и разрушения происходит в большей степени под действием волны напряжений распространяющейся от заряда [60,43,49].
Если заполнителем трещины между блоками является воздух, то механизм разрушения определяется величиной их раскрытия [44,49].
В случае, когда ширина трещины между смежными блоками меньше или равна критической ширине А А , энергия волн напряжений может передаваться за счет деформирования блоков и смыкания трещин. Если ширина трещины между смежными блоками превышает критическую ширину А Акр, то передача энергии осуществляется за счет соударения кусков [49].
Экспериментальное изучение параметров волн напряжений и зон взрывного разрушения железистых кварцитов на физических моделях
Для изучения влияния структурных особенностей массива (слоистости) на размеры зон измельчения, дробления и трещинообразования при взрыве колонковых зарядов ВВ был выполнен комплекс экспериментов на физических моделях из блоков железистых кварцитов Михайловского месторождения.
Широко применяемые в настоящее время на карьерах и горно-строительных объектах диагональные схемы взрывания с большими относительными расстояниями между одновременно взрываемыми зарядами (при динамическом коэффициенте сближения скважин m=2-6) нейтрализуют взаимодействие между смежными зарядами, что позволяет ограничиться экспериментальным изучением зон взрывного разрушения от одиночных колонковых зарядов [39].
Зоны разрушения определяются параметрами волны напряжений и прочностными характеристиками породы. Для количественной оценки параметров волн напряжений применялось физическое моделирование. Для полного подобия процессов, возникающих при взрыве в горной породе, необходимо в первую очередь геометрическое подобие всех линейных размеров с масштабом, равным отношению радиусов заряда натуры и модели, эквивалентных по энергии взрыва. Выполнение кинематического и динамического подобия или равенство чисел гомохронности и Эйлера, а так же равенство чисел Фруда и Коши, характеризующих соответственно вес и упругость. Наконец, требуется соблюдение равенства коэффициентов Пуассона, предельных относительных деформаций, отношений прочностных характеристик к модулю упругости и среднего числа трещин.
Соблюдение всех приведенных выше критериев подобия одновременно практически невозможно, так как имеются определенные трудности при их реализации на моделях. В связи с этим целесообразно при исследовании различных явлений взрыва в горных породах общую задачу разделять на ряд частных задач, изучать отдельные явления, абстрагируясь от остальных.
При изучении закономерностей распространения волн напряжений и их воздействия на среду, следует отвлечься от явлений местного действия взрыва, что существенно сокращается число определяющих параметров. В результате останутся критерии подобия, характеризующие геометрическое и кинематическое подобия, равенство прочностных и упругих свойств сред и критерий Коши. Наиболее трудным при этом являются выполнение подобия естественной и наведенной трещиноватости сред.
В число параметров определяющих взрыв ВВ в горной породе, включают величины, характеризующие заряд, зарядную камеру, условия взрывания, окружающую заряд горную породу, а также координаты пространства, время, ускорение свободного падения. К величинам, характеризующим заряд, относятся плотность ВВ рВВ, эквивалентный по энергии взрыва радиус заряда Rэквоз. К величинам, характеризующим зарядную камеру, следует отнести ее размеры: радиус Rскв и длину 1скв скважины (шпура). К условиям взрыва - расстояние между зарядами а, длину 1заб забойки и материал забойки, способ инициирования заряда, его конструкция. В данном случае принимается, что взрыв заряда ВВ производится без забойки с прямым инициированием.
К величинам, характеризующим окружающую заряд среду, относятся плотность среды р0, скорость распространения продольных СР и поперечных Сs волн, модуль упругости E, коэффициент Пуассона ц, критические напряжения на сжатие сгсж, и растяжения арас, величины, определяющие трещиноватость породы (среднее число трещин n, средняя длина 1тр, ширина Ътр и глубина hтр).
Параметры волны напряжений, будут определяться амплитудами напряжения а, массовой скорости и, смещение частиц среды и, временными параметрами (временем нарастания амплитуд до максимума тн, продолжительностью положительной г+ и отрицательной г фаз, периодом колебаний Т), а также некоторыми другими параметрами, определяющими форму эпюры волн напряжений. К размерам зон разрушений отнести радиус котловой полости R0 (при камуфлетном взрыве) или радиус RВ и глубина воронки НВ (при выбросе), а также радиусы зоны сжатия Ксж, дробления Rдр и зоны трещинообразования Rтр.
Из всех вышеназванных параметров, исключив пренебрегаемые, можно составить функциональную зависимость, преобразовав которую согласно П-теореме и взяв за основные величины радиус заряда Rоз и модуль упругости Е получим следующую критериальную зависимость
Здесь первые 4 симплекса являются критериями, вытекающими из условия геометрического подобия с характерным линейным размером, равным радиусу заряда, эквивалентного по энергии взрыва.
Остановимся на определении геометрического масштаба. Так как в лабораторных условиях применяется ВВ, отличное от ВВ, применяемого в промышленных условиях, то имеет место расширенный критерий геометрического подобия, основанный на энергетическом принципе, который формулируется так: параметры среды (давление, плотность и скорость частиц) при движении, вызванном взрывом ВВ, не изменяются, если масштабы длины и времени, которыми эти параметры измеряются, изменяются в то же число раз, что и радиусы зарядов, эквивалентных по энергии взрыва.
При проведении лабораторных исследований использование промышленных ВВ применяемых на предприятии (Гранэмит И-50, Гранэмит И-30) невозможно, так как их критический диаметр (80-90мм, 50мм) превышает размер модельного заряда (4,4мм), что приведет к невозможности его стабильной и надежной детонации. Ввиду этого, в лабораторных испытаниях будем использовать заряд из порошкообразного тэна с критическим диаметром 1,5 мм, что в данных условиях позволит обеспечить стабильную детонацию. Подберем при известных параметрах Гранэмита И-50 (плотности 1,4 г/см3, скорости детонации 5000 м/с) плотность модельного ВВ, в данном случае тэна. Для этого воспользуемся критерием подобия Эйлера [12,14]:
Рекомендации по определению сетки скважин при взрывном разрушении железистых кварцитов
Наиболее активно горные работы ведутся в центральном карьере, на котором добывается значительная часть неокисленных руд. Меньшая часть руды добывается в южном карьере.
Система разработки на Михайловском месторождении углубочная с внешним отвалообразованием. Разработка ведется продольным однобортовым перемещением фронта вскрышных и добычных работ.
В настоящее время объем добычи комбината составляет около 47.2 млн. тонн бедной руды и 2.7 млн. тонн богатой руды в год.
Вскрышные породы в основном представляют собой рыхлую массу и отрабатываются уступами высотой 15 м. Погрузка вскрышных пород осуществляется экскаваторами – драглайнами ЭШ-10/50, а для их транспортирования используется железнодорожный транспорт. В качестве подвижного состава используются тяговые агрегаты ОПЭ-1А, ОПЭ-1Б, ОПЭ-2, ОПЭ-1АМ, НП-1. В состав входят думпкары грузоподъемностью 105т. При наличии во вскрышных породах твердых включений используются буровзрывные работы.
Скальные породы отрабатываются буровзрывным способом уступами высотой от 5 до 18 метров. Для их погрузки используются экскаваторы ЭКГ-4,6; ЭКГ-8И; ЭКГ-10;
Нижележащие горизонты отрабатываются с применением автомобильного транспорта. После погрузки в автосамосвалы рудная масса транспортируется на экскаваторные перегрузочные пункты, где перегружается в железнодорожный транспорт.
В качестве автомобильного транспорта используются автомобили типа «БелАЗ» грузоподъемностью 40, 120, 136 т, «Komatsu» грузоподъемностью 120т, «Euclid» грузоподъемностью 136т, «Caterpillar» грузоподъемностью 136т.
Буровые работы проводятся с использованием станков СБШ-250МНA и СБШ-250МНA-32КП. Применяются скважины диаметром 250 мм, 295 мм, 310 мм. Стандартная сетка бурения меняется в соответствии с локальными условиями, колеблясь от 5 5 до 8 10м.
Взрывание рудоскальной горной массы осуществляется при помощи штатных взрывчатых веществ и гранэмитов, получаемых на фабрике в структуре компании (95% всего используемого ВВ таблица 4.1). Зарядка гранэмитов в скважины осуществляется зарядными машинами МЗ-3.
В числителе - содержание АС+ДТ, в знаменателе - содержание эмульсии. На предприятии наблюдается довольно высокий удельный расход ВВ иногда достигающий 2 кг/м3 и несмотря на это на некоторых блоках процент выхода негабарита превышает 10% [34], а затраты на его разрушение достигают 25 млн. рублей в год. Широкое применение нашло короктозамедленое взрывание с использованием детонирующего шнура и пиротехнических замедлителей, а также неэлектрические средств инициирования. Применяются неэлектрические системы инициирования, такие как ИСКРА и СИНВ.
В основном для монтажа поверхностной сети применятся детонирующий шнур, а поверхностное замедление осуществляется с помощью пиротехнических реле РП-Д, с повышенной стойкостью к механическим воздействиям.
Внутрискважинное инициирование и замедление осуществляется с помощью неэлектрических систем ИСКРА и СИНВ.
При наличии поблизости охраняемых объектов поверхностная сеть, как и внутрискважинная, монтируется неэлектрическими системами инициирования. Схемы коммутации и более подробные условия их применения приведены на рисунке 4.1 и в таблице 4.2.
