Разработка физико-технических способов повышения эффективности и безопасности взрывного разрушения пород при проведении подземных выработок Мангуш, Сергей Кириллович

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Взрывные работы являются одним из основных способов разрушения горных пород при разработке полезных ископаемых, проведении горных выработок, строительстве и реконструкции шахт и рудников, подземных сооружений, железнодорожных, автотранспортных п метрополитеновских тоннелей, размещении атомных электростанции и экологически неблагоприятных производств, а также при освоении подземного пространства крупных городов. На шахтах и рудниках России более 98% всех капитальных и подготовительно-нарезных выработок в крепких породах проводится с использованием энергии взрыва. Буровзрывные работы занимают до 60% времени от продолжительности проходческого цикла и составляют 35—40% стоимости одного метра проведения гор-поп выработки.

Опыт подземной разработки полезных ископаемых показал, что в среднем за 10 лет горные работы углубляются примерно на 150—160 м.

С увеличением глубины разработки полезных ископаемых возросли папряженпо-деформироваппос состояние, температура горного массива, участились газодинамические явления, проявляющиеся в форме внезапных выбросов угля, породы и газа, повысилась газообнльность выработанных пространств.

По состоянию па 1995 г. из 280 эксплуатируемых шахт компании «Росутоль» 70 — сверхкатегорные, 31 шахта — опасна по внезапным выбросам, 48 — по горным ударам.

Увеличение общего количества опасных п сверхкатегорных проходческих забоев сдерживает темпы проведения горных выработок, повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций.

Проблемы, связанные с проведением горных выработок в обычных и опасных проходческих забоях, зависят от эффективности разрушения горных пород и обеспечения безопасности взрывных п горнопроходческих работ.

Как показал анализ эффективности взрывного разрушения горных пород при взрывных работах в 190 проходческих за-

боях на шахтах Донбасса н России, КИШ в крепких и весьма крепких породах не превышает в среднем 0,75—0,8.

Значительны переборы пород и нарушенность законтурного пространства (от 20 до 40% общего объема взрываемого массива), вследствие чего ухудшается устойчивость подзем-пых выработок. Применяемые ВВ при проведении горных выработок в крепких и весьма крепких породах не отличаются должной работоспособностью, их детонационные характеристики не соответствуют физико-техническим свойствам взрываемых пород. Аналогично положение при проведении подземных выработок по породам средней крепости и крепким, склонным к газодинамическим проявлениям, где применяются предохранительные ВВ III, IV и V классов.

Применение более мощных ВВ (скальный аммонит № 1, прессованный) в этих условиях противоречит действующим нормативным документам и ЕПБ при ВР.

Свойства взрываемого массива изменить практически невозможно. Поэтому можно регулировать только детонационные характеристики таким образом, чтобы обеспечить необходимую эффективность взрывного разрушения горных пород как в донной части шпуров, так и между комплектами зарядов. С увеличением глубины ведения горных работ интенсифицируются проявления горного давления, возрастает опасность внезапных выбросов пород, угля и газа и естественно со снижением устойчивости выработок возрастают затраты на их поддержание.

Размещение горных выработок па глубоких горизонтах шахт в крепких породах (песчаниках) является обоснованным технологическим решением. Это в свою очередь выдвигает целый ряд требований к технологии взрывного разрушения горных пород как с точки зрения эффективности работы взрыва, так и по критерию безопасности ведения горных работ, особенно па месторождениях, опасных по внезапным выбросам породы, угля и газа

В соответствии с изложенным научная проблема разработки способов управлення действием взрыва в горном массиве при проведении подземных выработок в различных горно-геологических условиях на базе обоснования параметров удлиненных зарядов ВВ со специальными устройствами, повышающими эффективность и безопасность взрывного разрушения пород, является весьма актуальной.

Цель работы — установление закономерностей действия взрыва в горном массиве, обоснование параметров взрывного разрушения пород удлиненными кумулятивно-канальными зарядами с ЦКП и без них, обеспечивающих эффективное и бе-зочаспое ведение взрывных работ, рост интенсивности проведения горных выработок н снижение затрат на их поддержание.

Идея работы состоит в управлении параметрами удлиненных кумулятивно-канальных зарядов ВВ для эффективного регулирования детонационных, энергетических и технологических характеристик, соответствующих свойствам взрываемых массивов.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются угольные шахты России и Донбасса, предприятия АООТ «Трансвзрывпром». В работе применен комплекс методов исследований, включающий научный анализ и обобщение опыта. Теоретические и лабораторные исследования выполнялись с применением современных ЭВМ и программного обеспечения, теории действия взрыва в горной породе, физики взрыва, гидродинамики, теории выброса породы, угля и газа, воспламенения пылегазовых смесей. Шахтные экспериментальные взрывные работы выполнялись с использованием апробированных и разработанных методик, результаты исследований обрабатывались методами математической статистики, теории вероятностей и корреляционного анализа.

Научные положения, представленные к защите.

1. Показатели эффективности взрывного разрушения горных пород при проведении подземных выработок зависят от соотношения скорости детонации D -применяемого ВВ н скорости распространения продольных волн в массиве С,, и принимают наибольшее значение при D/C_P>1,2 с обеспечением рационального разрушения горных пород удлиненными зарядами.

2. Установлена параболическая закономерность изменения скорости детонации удлиненного заряда со стеклянным цилиндрическим каналом от соотношения диаметров внутреннего канала и заряда ВВ, с максимальным значением скорости детонации D_aK — 1,3...1,35/),_ар при с/ = ^_;шкД/з = 0,1...0,16, плотности стекла р_ст =2,22 г/см³.

3. Установлен пульсирующий характер детонации в удлиненных зарядах с цилиндрическими каналами с преградами (ЦКП), при этом максимальное значение скорости детонации соответствует расстоянию -между преградами /_пр = (10...15)^.., _к и толщине преграды 1...2 мм.

4. Особенности механизма действия взрыва удлиненных кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП па горные породы проявляются в увеличении скорости детонации в 1,5—1,75 раза и мощности применяемых ВВ за счет уменьшения времени взрывчатого разложения и создания неравномерного -поля напряжений в разрушаемом массиве.

5. Теоретически обоснованные -параметры кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП при глубинном взрывании позволяют значительно увеличить трещиповатость массива по направлению проводимой выработки, в результате чего повышаются

дебит и скорость газовыделення, снижается вероятность выброса породы и газа.

6. Установлены оптимальные концентрации Гюдистых соединений и карбамида в жидкостной забойке, ее расход и параметры размещения на основе решения теоретической задачи истечения ПД, при взрыве шпурового заряда, исключающие'воспламенение пылегазовых смесей (стехиометричсская смесь СН₄ = 9,5%).

Научная новизна.

6. Установлен параболический характер изменения скорости детонации удлиненного заряда со стеклянным осевым цилиндрическим каналом в зависимости от соотношения диаметров внутреннего канала и заряда.

7. Впервые предложено использовать внутренние преграды в зарядах с ЦК, позволяющие достигнуть приращения скорости детонации и создать неравномерное поле напряжений, повысить тем самым эффективность разрушения горных пород взрывом.

3. Впервые созданы кумулятивно-канальные заряды с ЦК.П, обеспечивающие рациональное использование их энергии для разрушения горных пород взрывом врубовых, вспомогательных и отбойных зарядов.

4. Применение кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП для глубинного взрывания по направлению проводимой выработки позволяет повышать эффективность дегазации выбро-соопасных пород и угольных пластов (при вскрытии), снижая вероятность выбросов породы, угля и газа.

5. Разработана жидкостная забойка на основе йодистых соединений карбамида, применение которой предотвращает взрыв пылегазовых смесей при ВР в проходческих забоях.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

удовлетворительной сходимостью (погрешность не превышает 10%) результатов теоретических исследований разрушения горных пород взрывом, выполненных с использованием теории упругости, с результатами, полученными при взрывных работах в шахтных условиях;

достаточным объемом промышленных н лабораторно-поли-гонных экспериментальных взрывных работ;

теоретическим обобщением выявленных закономерностей, результаты которых подтверждены шахтными экспериментальными взрывными работами;

коэффициентом корреляции между результатами теоретических исследований, лабораторных, полигонных (в опытном штреке МакНИИ) и шахтных экспериментов, который составляет не менее 0,9;

положительными результатами шахтных экспериментальных взрывных работ, разработанных способов и рекоменда-

ций по взрывному разрушению горных пород при проведении горных выработок па строящихся, реконструируемых и действующих шахтах Ростовской области и Донбасса.

* Научное значение работы состоит в установлении закономерностей управления эффективностью п безопасностью взрывного разрушения горных пород в зависимости от детонационных характеристик, применяемых удлиненных кумулятивно-канальных зарядов н физнко-мехапических свойств взрываемых пород. Установленные закономерности могут быть использованы при исследованиях, связанных с действием взрыва в твердых средах, в условиях высокой степени вы-бросоопасности горных пород и полезных ископаемых, оценке эффективности применения новых типов ВВ.

Практическое значение диссертации заключается в разработке способов, рекомендаций, методик, используемых при проектировании взрывных работ, составлении паспортов БВР с применением кумулятивно-канальных зарядов, подготовке и проведении мероприятий, связанных со снижением вероятности выбросов породы, угля н газа, воспламенением пылега-зовых смесей в опасных проходческих забоях при взрывных работах, позволяющих управлять эффективностью п безопасностью взрывного разрушения горных пород при проведении горных выработок.

Реализация результатов работы.

Разработанные способы и методики по управленню эффективностью разрушения горных пород взрывом удлиненных кумулятивно-канальных зарядов нашли широкое применение при проведении гопных выработок па шахтах АО «Гуков-уголь»: ш/у «Алмазная», па шахтах Донбасса: ПО «Артем-уголь» -- шахты им. Изотова, «Комсомолец»; ПО «Торезан-транит» — шахты «Прогресс», им. Лутупша, «Красная Звезда», «Ударник», а также па предприятиях АООТ «Транс-взрывпром» — «Пссковскип КСМ», «Афанасьевский карьер» (Воскресенский р-п Московский области). Методики глубинного взрывания кумулятивно-канальных зарядов с ЦКП для борьбы с выбросами породы, угля и газа широко применяются па шахтах Донбасса: шахты «Кочегарка», им. Изотова, «Комсомолец» ПО «Артемуголь»; шахта им. Артема ПО «Дзер-жипскуголь»; шахта им. А. А. Скочинского ПО «Допецк-уголь», проектными институтами «Оргшахтострой» п «Доп-гнпроша.хт» (г. Донецк)—при проектировании, строительстве, реконструкции действующих шахт, а также шахтострои-тельными и шахтопроходческнмп организациями при проведении стволов и горных выработок, на шахтах и рудниках, а также в других отраслях промышленности.

Результаты работы используются в учебном процессе по следующим курсам: «Технология и безопасность взрывных работ»; «Техника и технология бурения и взрывные работы

па горных предприятиях»; «Проектирование и безопасность взрывных работ».

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались на заседаниях Межведомственной комиссии по взрывному делу в 1978, 1979, 1980, 1981 гг.; на Всесоюзных конференциях по физике горных пород и процессов в 1974, 1981, 1991 гг.; на технических советах угольных объединений Донбасса: ПО «Лртсмуголь», «Торезаптрацит», «Дзержинскуголь» в 1970, 1980, 1981, 1986, 1987, 1990 гг.; АО «Гуковуголь» —в 1995— 1995 г.; на Международных симпозиумах, посвященных дню горняков, в 1996, 1997 гг. (г. Москва, МГГУ).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 41 работе, в том числе в трех учебных пособиях, в двух авторских свидетельствах. Новые технические решения, созданные в процессе работы над диссертацией, представлены автором к защите двумя патентами.

Диссертационная работа является итогом целенаправленных исследований, выполненных автором в рамках научно-исследовательских хоздоговорных тем и целевой государственной программы «Уголь России».

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка использованных литературных источников из 175 наименований. Диссертация изложена на 37s~ страницах машинописного текста, содержит l/f рисунков, /у таблиц, приложений на /f стр.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, проф., докт. техн. наук Г. М. Крюкову; заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, проф., докт. техн. наук Б. Н. Кутузову; коллективу кафедры «Разрушение горных пород взрывом»; проф., докт. техн. наук 10. 1-І. Кузнецову за научно-методические консультации; вице-президенту ОАО «Росуголь» А. П. Фисуну; техническому директору АООТ «Трансзрывпром» Е. С . Быстрову; инж. В. В. Галкину, а также работникам АО «Гуковуголь», ПО «Артемуголь», «Торезаптрацит» за помощь, оказанную при проведении экспериментальных работ.