Разработка и научное обоснование технических и технологических решений по управлению фугасным действием взрыва в горнодобывающей промышленности Мучник, Сергей Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Взрывные работы являются основным юсобом разрушения и перемещения горных пород. Это связано с удоб-вом использования взрывчатых веществ как ёмкого и автономного ис-ічника химической энергии, ударного импульса, передаваемого горному зесиву, а также взрывных газов, осуществляющих механическую работу ) рыхлению и сбросу горной массы. Для эффективной работы горнодо-лваюпшх предприятий качество взрывной подготовки горной массы tteer первостепенное значение.

В настоящее, время на открытых горных работах широкое распро-ранение получили простейшие (по составу) и эмульсионные ВВ. Наряду ) стоимостными преимуществами, они имеют сравнительно невысокую !плоту взрыва, что на практике приводит к увеличению удельного расхо-ї ВВ. Это снижает выход горной массы иа погонный метр взрывной сважины и не всегда обеспечивает должное качество дробления пород.

В этой связи разработка и научное обоснование технических и ;хнологических решений но управлению фугасным действием взрыва редставляет актуальную проблему, имеющую важное научное и прак-гческое значение.

В диссертационной работе обобщены результаты многолетних ис-пгедоваиий, выполненных автором в качестве наз^чного руководителя и гветственного исполнителя ряда плановых тем в региональной програм-е СО РАН «Уголь Кузбасса» и в комплексной программе СО РАН № 12 Комплексное исследование региональных и глобальных геологических роцессов и создание научных основ наращивания минерально-сырьевого отенциала и разработки полезных ископаемых» (1985-2000 гг.).

Цель работы — получение нового научного знания, позволяю-хего осуществлять управление фугасным действием взрыва в горнодо-ыватощих отраслях промышленности.

Идея работы заключается в разработке технических и технологиче-сих решений по управлению взрывом, базирующихся на эксперимен-шьно установленном физическом эффекте повышения его энергии и им-ульса при вынужденной конвекции и турбонадцуве продуктов детонации шпуре или скважипе.

Задачи исследований:

1. Найти рациональное техническое решение для осуществления ин-

тенсивного вихреобразования (вынужденной конвекции) и нагаетаї (турбонаддува) продуктов детонации в оигуре или скважине непосред венно после прохождения детонационной волны.

1. Провести комплекс экспериментальных исследований по изу нию фугасного действия взрыва при вынужденной конвекции продук' детонации и их турбонаддуве в широком диапазоне горно-геологичесі условий угольных, рудных и нерудных месторождений.

2. Разработать и научно обосновать технологические решения управлению фугасным действием взрыва, включающие использоваї турбулизаторов продуктов детонации, а также ультразвуковое воздейсп на зону смятой породы в стенках скважины.

3. Установить факторы, обусловливающие повышение фугасні действия при турбовзрывании.

4. Разработать методику расчёта зависимости параметров детонаи (плотности вещества, давления, скоростей детонации и потока пещест от плотности заряда ВВ на ударном фронте детонационной волны и плоскости Чепмеца-Жуге (Ч.-Ж.).

5. Разработать метод раздельного вычисления тепловых эффекп детонации и дефлаграции в зависимости от плотности заряда ВВ.

6. Разработать и обосновать критерий эффективности осуществ: ния турбовзрывания зарядов различных типов ВВ.

8. Разработать метод определения параметров сетки скважин удельного расхода В В при турбовзрывании на карьерах, применяют транспортные системы разработки.

9. Установить оптимальные параметры конструкции заряда для " фективного использования турбовзрьша при бестранспортной систе разработки; определить характершые особешюсти изменения коэффицш та сброса горной массы во внутренний отвал при турбовзрывании.

10. Осуществить оценку экономических и экологических послед*
вий применения технологии турбовзрывания на открытых работах.

Методы исследований:

анализ и обобщение результатов экспериментальных и теорёти¹ ских исследований процессов, происходящих при взрыве колонкового : ряда конденсированного ВВ;

промышленные испытания разработанных технических и техиол гических решений по управлению фугасным действием взрыва в разли ных горно-геологических условиях с анализом данных маркшейдерски

ьёмки развалов взорванной горной массы и подошвы уступов, сравни-їльной фото- и видеосъёмкой стадий развитая взрыва, инструменталь-ыми замерами геометрических характеристик породной кусковатости на ірьерах и состояния забоев подготовительных выработок на подземных удниках, экспертной оценкой горнотехнических и экологических посдед-гвий турбовзрывания.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Помещенная в заряд ВВ винтообразная металлическая пластина гурбулизатор) обладает свойством воспринимать от проходящей детона-ионной волны импульс вращателъно-постуттательного движения, инду-ирующего вынужденную конвекцию продуктов детонации вихревыми отоками и их турбонаддув в направлении своего движения.

2. При вынужденной конвекции и турбонаддуве продуктов детона-,ии в глухую часть шпура или скважины возникает физический эффект овышення фугасного действия взрыва. Турбонаддув в обратном направ-ении (в сторону устья) вызывает понижение фугасного действия взрыва. Гри размещении турбулизатора в не разрушаемой при обычном взрыве асти шпура или скважины эффект не проявляется.

Турбовзрыв представляет собой взрыв зарядов ВВ с вынужденной онвекцией и турбонаддувом продуктов детонации.

3. Создание ультразвукового поля и изменение направления двнже-іия фронта детонационной волны в труднор&зрушаемой части скважины онровождается повышением фугасного действия взрыва. В сочетании с ірнмснспием турбулизатора (турбоакустическое и турбонаправленное срывание,'соответственно) проявление этого эффекта возрастает.

4. Повышение фугасного действия турбовзрмва по сравнению с ібмчньїм взрывом обусловлено совместным действием следующих фак-орок: а) выделением дополнительной теплоты взрыва и приращением >бъёма газообразного энергоносителя за счёт увеличения полноты егора-іия ВВ при вынужденной конвекции продуктов детонации, б) увеличени-м взрывного импульса, передаваемого горному массиву, за счёт частин-юго запирания продутегов детонации в глухой части шнура или скважины, ;) облегчением условий массопереноса газообразного энергоносителя в истему радиальных трещин за счёт выноса вихревым потоком слоя смя-ой породы, образуемого в стенках скважины бризантным действием де-онационной волны.

5. Для индивидуальных ВВ типа тротила теоретические значения

плотности вещества на ударном фронте детонационной волны и на плі кости Ч.-Ж. прямо пропорциональны плотности заряда с коэффициента 1,787 и 1,341, соответственно; относительное сжатие вещества на удари фронте достигает 0,440, а на плоскости Ч.-Ж. — 0,254; скорость детонап и давление в головной части детонационной волны имеют степенную висимость от плотности заряда (при её значениях от насыпной и выше показателями 0,635 и 2,270; соотношение давлений на ударном фронт* на плоскости Ч.-Ж. составляет л/з; показатель адиабаты Гюгоньо расп ряющихся продуктов детонации в точке Жуге — 2,93.

6. Тепловые эффекты процессов детонации и дефяаграции (бьісоі скоростных вторичных химических реакций, протекающих в скважш подлежат раздельному определению и имеют квадратичную зависимо* от скорости детонации.

7. Критерий эффективности перехода на турбовзрывание заря; различных типов ВВ представляет собой соотношение теплоты дефлаг] ции к теплоте взрыва, имеет квадратичную зависимость от скорости де нации и обратную — от теплоты взрына Наибольшая эффективность т бовзрыва достигается у простейших по составу и алтомосодержащих BE наименьшая -г- у эмульсионных и горячельющихся ВВ.

Достоверность научных положений обеспечена:

положительными результатами широкомасштабных тгоомьішлі ных испытаний и внедрения новой технологии ведения взрывных рабо подземных рудниках и на карьерах;

сравнительным анализом эффективности турбовзрывания при р личных конструкциях заряда и способах его инициирования, а также г использовании ВВ с различными значениями критерия эффективности;

согласованностью расчетных значений параметров детонациі опытными данными.

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Экспериментальным путём установлены:

эффект повышения фугасного действия взрыва при вынуждеш конвекции и турбонаддуве продуктов детонации в глухую часть шп; или скважины;

свойство винтообразной металлической пластины при помеще> в заряд ВВ воспринимать от проходящей детонационной волны' импу. вращательно-поступательного движения;

эффект формирования поперечной трещины при создании ульт

вукового поля в глухой части скважины в момент выхода детонационной олны к торцу колонкового заряда ВВ;

свойство взаимного усиления эффектов повышения фугасного действия взрыва при использовании в колонковом заряде ВВ турбулизато-щ в сочетании с ультразвуковым излучателем или с направляющим элементом (линейным отрезком ВВ с повышенной скоростью детонации);

улучшение условий проникновения взрывных газов в трещинова-гую структуру массива при турбовзрывании.

2. Разработана методика расчёта параметров процесса детонации на ударном фронте детонационной волны и на плоскости Ч.-Ж. Усгановлегш аналитические зависимости этих параметров от плотности заряда ВВ.

3. Сформулирована задача раздельного определения теплоты детонации и теплоты дефлаграции (вторичных химических реакций), дано её аналитическое решение для ряда индивидуальных ВВ.

4. Разработан и обоснован критерий оценки эффективности перехода на турбовзрыватте зарядов различных типов ВВ, представляющий собой соотношение теплоты дефлаграции к теплоте взрыва; дано его аналитическое представление в зависимости от основных параметров детонации; составлена таблица значений этого критерия для отечественных и зарубежных ВВ.

5. Разработана методика расчета параметров сетки скважин и определения удельного расхода ВВ для транспортных систем разработки при переходе с обычной технологии ведення взрывных работ на турбовзрыватте, учитывающая тип применяемого ВВ с позиций критерия его эффективности при турбовзрывании.

Личный вклад автора состоит:

1. В разработке методической базы, проведении опытно-промышленных испытаний в проходческих забоях подготовительных выработок, при отбойке руды в камерах подземных рудников и при проведении массовых взрывов на оттфытых горных работах, анализе и обобщении полученных данных, в результате чего были установлены:

свойство винтообразной металлической пластины взаимодействовать с детонационной волной;

эффект изменения фугасного действия взрыва при вынужденной конвекции продуктов детонации в зависимости от направлешія их турбо-наддува в шпуре или скважине;

. - эффект формирования поперечной трещины при создании ультра-

звукового доля в глухой части скважины в момент выхода детонациош: волны к торцу колонкового заряда ВВ;

- свойство взаимного усиления эффектов повышения фугасш
действия взрыва при использовании турбулизатора в сочетании с ульт]
звуковым излучателем или направляющим элементом;

- улучшение условий проникновения взрывных газов в трещино)
тую структуру массива при турбовзрывании.

2. В теоретических исследованиях, результатом которых явились:

- методика расчёта параметров процесса детонации на ударна
фронте детонационной волны и на плоскости Ч.-Ж., установление анал
тических зависимостей этих параметров от плотности заряда ВВ;

формулирование задачи раздельного определения теплоты дстог ции и теплоты дефлаграция, её аналитическое решение для ряда индив дуальных ВВ;

критерий оценки эффективности гурбовзрывания зарядов разли пых типов ВВ, его аналитическое представление в зависимости от скор сти детонации и теплоты взрыва;

таблица значений этого критерия для отечественных и зарубежш ВВ.

3. В разработке технических и технологических решений по упра
лению фугасным действием взрыва на горнодобывающих предприятиях,
именно:

конструкции турбулизатора продуктов детонации, способов е; установки и крепления в шпуре и скважине;

принципов конструирования шпуровых и скважинных зарядов В! предназначенных для турбовзрывания;

метода расчёта изменения параметров сетки скважин и удельно) расхода ВВ при переходе на турбовзрывание с учётом применяемого В при транспортных системах разработки;

установлении параметров турбовзрыва при бестранспортной с» теме разработки. .

Практическая ценность. Предложены новые технические и техш логические решения по управлению фугасным действием взрыва в горш добывающей промышленности, а именно:

1. Разработаны конструкции турбулизаторов, ультразвуковых изл] чателеи и направляющих элементов, определены их оптимальные размер для шпуров и скважин диаметром до 320 мм, даны рекомендации по уст;

товке и креплению этих вставок в шпурах при применении патронирован-гого ВВ, в восходящих скважинах при их пневматическом заряжании гранулированными ВВ на подземных рудниках, в скважинах большого диаметра на открытых горных работах при ручном и механизированном заряжании гранулированными, эмульсионными и горячельющимися ВВ.

6. Разработаны основные принципы конструирования зарядов ВВ для турбовзрывания, в т. ч. в сочетании с ультразвуковым излучателем и направляющим элементом на подземных и открытых горных работах; даны рекомендации по условиям турбовзрывания пород различной трещи-новатости.

7. Для транспортных систем разработки предложен метод расчёта изменения параметров сетки скважин и удельного расхода ВВ при переходе на турбовзрывание с учётам применяемого ВВ, который позволяет избежать негативного проявления повышенного фугасного действия взрыва и достичь оптимального ресурсосберегающего эффекта при проведении массовых взрывов.

8. При бестранспортной системе разработки установлена эффективность применения турбоакустического взрывания по границам блока и первому ряду скважин с турбовзрыванием остальной части блока; определено, что при этом происходит увеличение коэффициента сброса вмещающих пород во внутренний отвал в 1,4 раза, а с использованием алю-мосодержащих ВВ — до 1,8 раз.

9. Установлены благоприятные экологические последствия массовых взрывов с использованием турбулизатороп.

Реализация работы. Технология турбовзрывания и различные её модификации прошли этапы опытно-промышленных испытаний, освоения и внедрения на разрезах «Сибпргинский» (г. Мыски), «Томусвдский» (г. Междуреченск), «Листвянский» (г. Новокузнецк) концерна "Кузбас-сразрезуголь" (все наименования предприятий даны па период внедрения новой техники), при реконструкции карьера «Мир» Мирнинского ГОКа (г. Мирный), на карьере ППО «Бор» (г. Дальнегорск), на рудниках «3-й Советский» и «Николаевский» ПО «Дальподиметалл» (г. Дальнегорск). Опытно-промышленные испытаний проведены также на разрезах «Им. Вахрушева», «Киселевский», «Им. 50-летия СССР» концерна «Кузбас-сразрезуголь», в Краснокаменском, Ирбинском, Антоновском и Шерегеш-ском рудоуправлениях НПО "Сибруда", на Курманском КЩК ОАО «Уралнеруд», в ОАО «Стойленский ГОК» и ОАО «Ураласбест».

Апробация работы. Основные положения диссертации доклады) лись и обсуждались на IV Международной конференции по буровзрь ным работам, г, Москва, май 1999 г.; Международной научно-праю ческой конференции «Экологические проблемы угледобывающей отрас в регионе при переходе к устойчивому развитию, г. Кемерово, 1999 г.; I учно-практичсской конференции «Геотехнологии на рубеже XXI век: г. Новосибирск, май 1999 г.; XVI Межреспубликанской конференн «Численные методы решения задач теории упругости и пластичності Новосибирск, 6-8 июля 1999 г.; Международной конференции по откр тым и подземным горным работам, г. Москва, май 1998 г.; VI Всеросо ском совещании «Взрыв-97», г. Междуреченск, март 1997 г.; III Меж; народной конференции по буровзрывным работам, г. Москва, май 1997 Международной научно-технической конференции «Перспективы разі тия горнодобывающей промышленности», г. Новокузнецк, февра 1994 г.; Всесоюзной проблемном семинаре «Разрушение горных поро; г. Киев, Ирпень, 16-18 октября 1990 г.

Публїікацяд. Список научных трудов автора содержит 64 няимєї вания. Основное содержание диссертации опубликовано в 25 работ; включая 9 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Структура її объем диссертации. Работа состоит из введения, глав, заключения, изложена на 308 страницах машинописного текста, « держит 38 таблиц и 113 иллюстраций, библиография включает 199 наид новаций, приложение содержит 64 документа.

Автор благодарен академику М. В. Курлене за определение обще
направления работы, научному консультанту члену-корреспонденту Р^
В. Н. Опарину за оказанную поддержку и внимание к проводимым hccj
дованиям, В. Д. Барышникову и А. В. Прасолову за инициативную і
мощь, Л. В. Городилову, проф. |Н. Г.~Дубынину[ В. К. Иорри и В. А. Юд
ну за участие в экспериментальных исследованиях, Е. И. Васильеву
О. Б. Коргелеву за ценные советы и замечания, Ю. Д. Чугунову за пло;
творное сотрудничество. _ч