Введение к работе
Актуальность проблемы. Наметившаяся в Российской Федерации тенденция роста потребности в облицовочных материалах для строительства общественных зданий, станций метрополитенов, набережных и других сооружений требует применения в больших объемах изделий из природного камня -гранита, мрамора и других крепких горных пород, которые обладают хорошими декоративными качествами и высокой устойчивостью к климатическим условиям. Разработка месторождений блочного камня должна вестись с позиций ресурсосбережения и рационального использования этого ценного минерального сырья с сохранением его естественных прочностных свойств. Разработка таких месторождений в основном ведется буровзрывным способом, т.к. все другие существующие способы добычи блочного камня характеризуются большой себестоимостью. Применяемые технологии взрывной отбойки камнеблоков обеспечивают в настоящее время выход качественного блочного камня лишь в пределах 20-25% от объема добываемой горной массы. При этом, одним из продуктивным методом решения этой проблемы может быть - совершенствование способов управления энергией взрыва для разработки физических основ направленного разрушения горных пород при технологии щадящего взрывания. Это обеспечивает естественную сохранность прочностных свойств добываемого сырья, что является весьма актуальным при отбойке блочного камня.
Большой вклад в исследование процесса разрушения горных пород взрывом внесли М.А.Садовский, Г.И.Поровский, Ф.А.Бауман, Е.И.Шемякин, В.Н.Родионов, В.М.Гоголев, В,В.Адушкин, -В.С.Никифоровский, Э.Н.Ефремов, А.А.Вовк, В.М.Комир, М.Ф.Друкованный, С.С.Григорян, А.Н.Ханукаев, Б.Н.Кутузов, В.Н.Мосинец, Г.П.Демидкж, В.А.Падуков, Г.М.Крюков, В.А.Боровиков, А.Б.Фадеев, А.А.Спивак, В.П.Тарасенко, А.Л.Исаков, М.Г.Менжулин, М.А.Нефедов и многие другие.
При этом существующие способы отбойки блочного камня не позволяют обеспечить наиболее высокие технико-экономические показатели взрывных работ. Проблема повышения эффективности направленного разрушения горных пород должна рассматриваться в непосредственной связи с управлением динамического воздействия взрыва на массив. Применение технологии щадящего взрывания при отбойке блочного камня тормозится из-за отсутствия специальных взрывчатых веществ с широким диапазоном энергетических свойств, которые обеспечивали бы сохранность законтурного массива. При этом принцип щадящего взрывания входит в противоречие с эффективностью разрушения горных пород, что существенно отражается на себестоимости добычи блочного камня. В связи с этим необходима разработка новых взрывных методов направленного разрушения горных пород. Для решения данной задачи целесообразен системный подход, учитывающий весь спектр вопросов эффективного управления энергией взрыва, что является актуальной научной проблемой. Решение этого вопроса позволит выявить существенные резервы для увеличения объемов добычи и уменьшения себестоимости качественных строительных материалов из природного камня.
Цель работы: разработка физических основ направленного разрушения горных пород и совершенствование технологии щадящего взрывания при отбойке блочного камня, для повышения его выхода с естественной максимальной сохранностью.
Идея работы: направленное разрушение горных пород по плоскости расположения шпуров (скважин) обеспечивается в результате формирования асимметричных полей критических напряжений вокруг зарядных полостей, за счет оптимальных амплитудно-временных параметров импульса взрыва, при взаимодействии волн напряжений между смежными удлиненными цилиндрическими зарядами.
Основные задачи исследования.
-
Исследовать основы физических моделей направленного разрушения горных пород при отбойке блочного камня обеспечивающих минимальное нарушение законтурного массива.
-
Исследовать динамическое воздействие взрыва на массив горной породы при различных режимах нагружения от смежных зарядов для формирования асимметричного критического поля напряжений вокруг зарядных полостей с целью обеспечения направленного развития радиальных трещин по плоскости расположения удлиненных зарядов.
-
Изучить газодинамические процессы при взрыве удлиненных цилиндрических зарядов в шпуре (скважине) с целью установления роли волнового и квазистатического действия продуктов взрыва (ПВ) на процесс направленного разрушения горной породы.
-
Исследовать начальную фазу амплитудно-временных параметров импульса взрыва зарядов с воздушным радиальным зазором, для обеспечения щадящего режима нагружения массива горной породы и развития радиальных трещин только по линии расположения зарядов.
-
Разработать конструкцию заряда с комбинированным составом ВВ и технологию его изготовления для эффективного регулирования режима взрывного нагружения массива горной породы, обеспечивающих низкоскоростной режим взрывчатого превращения с целью оптимального использования энергии взрыва.
-
Разработать технологию щадящего взрывания с одновременным отделением камнеблоков от массива в горизонтальной и вертикальной плоскости и параметры БВР при отбойке блочного камня с применением новой конструкции комбинированного заряда взрывчатого вещества (КЗВВ).
Методы исследования.
Анализ и обобщение результатов ранее проведенных исследований при обойки блочного камня различными типами ВВ. Анализ этапов развития взрыва в горной породе: от детонации ВВ и газодинамических процессов взрыва в зарядной полости, формирования и распространения волн напряжений до процесса зарождения и развития макротрещин для осуществления направленного раскола и дезинтеграции горных пород. Численные расчеты напряженно-деформированного состояния массива горных пород при интерференции волн напряжений от взрыва смежных цилиндрических зарядов ВВ с учетом газодинамических процессов в полости зарядной камеры. Метод фотоупругости и способы регистрации быстропротекающих процессов взрыва с использованием скоростной киносъемки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Установлено, что направленное разрушение горных пород по плоскости расположения удлиненных зарядов и сохранность законтурного массива обеспечивается установлением асимметричных полей критических напряжений вокруг зарядных полостей при оптимальных амплитудно-временных параметрах импульса взрыва за счет взаимодействия волн напряжений между смежными зарядами полостями.
-
Установлен низкоскоростной режим взрывчатого превращения ВВ с использованием патронированной аммиачной селитры, инициируемой спиральной нитью ДШ, который формирует процесс щадящего взрывания при отбойке блочного камня, базирующийся на установившемся квазистатическом давлении ПВ в скважине (шпуре).
Практическая ценность и реализация работы:
Разработана новая конструкция заряда взрывчатого вещества (КЗВВ) на основе аммиачной селитры с инициированием ДШ по спирали с наружной поверхности, обеспечивающая щадящий режим взрывного нагружения горных пород за счет перераспределения потенциальной энергии ВВ между волновым и квазистатическим воздействием продуктов взрыва;
Разработана инженерная методика расчета параметров БВР при отбойке блочного камня (гранита, мрамора) с использованием рекомендуемых конструкций зарядов;
Разработана и внедрена технология щадящего взрывания при отбойке блочного камня с применением КЗВВ с низкоскоростным режимом взрывчатого превращения, который обеспечивает направленный раскол и сохранность законтурного массива горной породы.
Полученные результаты используются на карьерах блочного камня Ленинградской области (ЗАО «Пурга», г.Каменногорск и ДО АО «КНИ-458», пос. Кузнечное), в республике Карелия (МКК «Ладога», г. Питкяранта) и ОАО «Байкальский мрамор» (г.Слюдянка, Иркутской области,), а также в учебном процессе в специальных курсах по специальностям "Физические процессы горного и нефтегазового производства" (070600) и "Взрывное дело" (091000).
Основные научные положення, выносимые на защиту:
1. Направленное зарождение радиальных трещин по линии расположения смежных зарядов обеспечивается формированием критических напряжений асимметричных-полей вокруг зарядных полостей, которые образуются за счет взаимодействия волн напряжений при определенных начальных фазах импульса взрыва.
-
Управление газодинамическими процессами в зарядной полости с воздушным радиальным зазором при взрыве удлиненного цилиндрического заряда позволяют регулировать параметры начальной фазы импульса взрыва и длительность квазистатического действия давления продуктов взрыва, которые обеспечивают процесс трещинообразования между смежными зарядами.
-
Направленный раскол блочного камня с минимальным нарушением законтурного массива достигается путем инициирования нитью ДШ патронированной аммиачной селитры, которая обеспечивает иизкоскоростной режим взрывчатого превращения.
Лычный вклад автора.
-
Сбор и анализ данных ранее проведенных исследований.
-
Постановка задач исследований и методика их решения; формулировка цели и идеи работы.
-
Руководство и непосредственное участие в теоретических и экспериментальных исследованиях.
-
Обобщение и анализ полученных результатов.
-
Разработке инженерной методики расчета параметров БВР для практического использования результатов исследований.
-
Внедрение результатов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: хорошей сходимостью численных расчетов математического моделирования направленного разрушения горных пород с положительными результатами модельных экспериментов и практическим использованием в производственных условиях, а также сравнение с результатами других исследователей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы докладывались на Международной конференции по малому
горному бизнесу на Северо-Западе России, 19-23 сентября 1995 г.,
. (г.Петрозаводск, Карелия); Международном симпозиуме
"Энергосберегающие технологии добычи, транспортировки и
переработки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых" 27-31 мая 1996 г. (г.Санкт-Петербург); 5-ом Польско-Российском научном семинаре "Теоретические основы строительства", 2-5 июля 1996 г. (г.Варшава, Польша); 6-ом Российско-Польском научном семинаре "Теоретические основы строительства", 1-4 июня 1997г. (г.Улан-Удэ); 2-ой Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада России", 26-28 июня 1997г. (г.Санкт-Петербург); 5-ом Международном горно-геологическом форуме "Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ" 7-Ю октября 1997 г. (г.Санкт-Петербург); Международной конференции, "Взрыв дело-99", (г.Москва).
Работа доложена в Московском государственном горном университете на кафедре "Разрушение пород взрывом"( 1999г.) и на межкафедральном научном семинаре Санкт-Петербургского государственного горного института (1999г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 19 печатных работах, в том числе в одной монографии и в одном учебном пособии.
Структура и объем диссертационной работы.