Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение народнохозяйственных проблем
"рационального использования -природных богатств;- -элективное -:,
освоение минерально-сырьевых ресурсов, разработка ресурсосберегающих технологий неразрывно связаны с дальнейшим совершенствованием горных технологий при открытом способе разработки месторождений полезных ископаемых, который обеспечивает более 7 производства минерального сырья. Значительный вклад в развитие горных работ должно внести новое прогрессивное направление совершенствования горных и горностроительных технологий, основанное на применении направленного разрушения горных пород при создании в массиве протяженных плоскостей разрыва, контурном и пв- дяшем взрывании. Важнейший статьями народнохозяйственного эффекта при применении направленного разрушения являются сокращение трудовых, материальных, стоимостных и временных затрат на единицу конечной продукции в результате уменьшения прирезки пустых пород при отбойке полезного ископаемого и обгемов вскры- „ ши, повышения качества добываемых специальных ископаемых - драгоценных металлов, слюды, строительного и поделочного камня, увеличения полноты извлечения из недр полезного ископаемого 3 счет снижения разубоживания, повышения углов откоса бортов карьеров.
Однако крупномасштабное применение методов направленного разрушения сдерживается отсутствием специальных буровых станкое, взрывчатых вещеетЕ и зарядов из них с широким диапазоном энергетических, технологических и физико-механических своііств, потенциальную энергию которых можно было бы реализовать в нухш'А Формах работы в зависимости от конкретных условий' взрывания. Наиболее полно отражает весь комплекс проблем, связанных с чти специальным ВИДОМ ВЗРЫВНЫХ работ, теХНОЛО^ИЯ ДОбЫЧИ КйКНСбЛГКОГІ из
крепких горных пород на карьерах стройматериалов: ручное бурение шлурез, использование дымного пороха, детонирующего шнуре 'или макетных зарядов местного изготовления не яозволяет обеспечить
СОВремеННЫР ТреСОБаНИИ. КОТОрне ПреДЪЯВЛЯЮТСЯ К KAVc-CTV'.y К.'іМКЛ II
к безопасности ведения вярнвнь» работ. Поэтому разработка новых
- 4 -эффективных технологий направленного разрушения горных пород на основе современных научных достижений и технических средств является важной научно-технической проблемой.
Основу диссертации составляют результаты научно-исследовательских работ, выполненных в рамках меяютраслевых программ НВС-586.86Б, НВО-ббЗ. 87; программ министерства машиностроения СССР, министерства промьпаленных строительных материалов РСФСР, комитета по геологии и использованию недр при правительстве Российской Федерации.
Цель работы состоит в научно-техническом решении проблемы по созданию принципиально новых и технически более совершенных технологий ведения взрывных работ на карьерах стройматериалов, основанных на использовании специальных конструкций зарядов, реализующих эффект продольной кумуляции я низкоскоростного режима взрывчатого превращения.
Идея работы заключается в создании условий для направленного разрушения горных пород с помощью системы осесимметринных зарядов с ограниченной линейной массой, функционирующих в низкоскоростном режиме взрывчатого превращения, Дозволяющих регулировать амплитудно-временные параметры нагрудения горних пород в диапазоне допредельных значений разрушения и управлять процессом трещинообразования в массиве за счет изменения расстояний между шпурами (скважинами), а также устройств на основе кумулятивных удлиненных зарядов, задающих преимущественное направление раскола, начиная с границы взрывной полости.
Задачи исследований :
на основе исследования процесса образования и развития магистральных трещин в плоскости отрыва блока разработать научно-обоснованные требования к созданию новых составов ВВ и конструкций зарядов.для добычи камяеблоков из крепких горных пород;
изучить стадии функционирования и разработать комплексную физико-математическую модель раскола горных пород удлиненными кумулятивными зарядами;
разработать составы взрывчатых вещзств, конструкции осесимметричных зарядов и устройства направленного разрупюния на основе УКЗ, обеспечивающие отделение блоков от от массив.: по ли'--
-5--ний шпуров (скважин) и их перемещение на требуемое расстояние без ущерба для природных качеств камня;
- исследовать действие взрыва зарядов ВВ разработанных
конструкций на изменение физико-механических свойств природного
камня;
разработать эффективные технологии взрывного разрушения горных пород, основанные на применении зарядов ЗЗТ "Гранилен", ЗША-14, ЗША-25, удлиненных кумулятивных зарядов, провести их натурную проверку и внедрить на карьерах стройматериалов;
разработать инженерный мрток расчета параметров БВР для добычи блоков природного камня осесимметричными зарядами докри-тического диаметра и удлиненными кумулятивными зарядами с учетом физико-механических свойств массива
Методы исследований. Для решения поставленных задач исполь
зовался комплексный метод, включающий в себя теоретическое обоб
щение, аналитические исследования с помощью ЭВМ, моделирование и
экспериментальные исследования в производственных условиях. При
нятые в работе теоретические предпосылки и полученные решения
базируются на фундаментальных положениях механики горных пород,
теории упругости, теории прочности, термохимии высокознергети-
ческих процессов. '
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Технология и технические средства добычи камнеблоков крепких горных пород взрывным способом должны базироваться на составах ВВ и конструкциях осесимметричных зарядов с ограниченной линейной массой, реализующих низкоскоростноґ. режим взывчато-го превращения, а такле на использовании удлиненных кумулятивных зарядов, задающих, начиная с границы взрывной полости, преимущественное направление раскола горных пород с минимальным побочным трещинообраэованием. Необходимым условием формировании зф-фективных технологических решений является выбор области применения шпурового и ек^акинного методов взрывных работ и технологических схем добычи камнеблоков, в зависимости от особенностей залегания массива.
. Развитие магистральной трешины при групповом взрывании сближенных осесимметричных зарядов в асимметричном нестнционар-
' - 6 -
ном поле напряжений зависит от условий нагружения массива и расстояний между шпурами (скважинами), обеспечивающих уровень
' концентрации микро- и макротрещин в плоскости отрыва. Управление параметрами нестационарного состояния массива горных пород в целях реализации оптимальных условий отделения блоков и монолитов производится путем выбора схем и геометрических параметров расположения шпуров (скважин) на уступе и конструктивных элементов зарядов ВВ (типа и характеристик БВ, режима взрывчатого
* превращения, линейной массы заряда, удельного расхода ВВ).
3. В физико-математитаской модели раскола горных пород уд
линенными кумулятивными зарядами 'определяющими являются три ста
дии функционирования УКЗ:
а) детонация заряда ВВ, обжатие облицовки кумулятивней вы-
'емки и формирование кумулятивного ножа (КН);
б) движение кумулятивного ножа, оболочки заряда, разрыв ку
мулятивного ножа на фрагменты;
в) внедрение кумулятивного ножа в горную породу, образова
ние "первичной" трещины и ее дальнейший роет под действием про
дуктов вьрыва.-
4. Разработка новых составов ВВ и конструкций зарядов долж
на быть основана ке на общей выделяемо* энергии взрыва, а на
создании заданных амплитудно-временных параметров на стенке шпу
ра (сквашш) и пространственном распределении энергии.
6. Методология проектирования при взрывном способе отделения камнеблоков от массива базируется на ограничении максимальны:; давлений продуктов взрывчатого превращения в зарядной по-їлости на уровне 10-90 лШа (в зависимости от крепости горных пород), увеличении длительности действия продуктов взрыва до времени формирования магистрат-ней треа^ны, выборе конструкций зарядов, -обеепечи?ающих-равномерность приложения нагрузки по всей длине jinvpa (скважины). "Зги положения являются основой для расчетов параметров буроззрывных работ, способствует сохранению природну;: качеств, ценности и повышению выхода камнеблоков.
ОСюснопачнооть и достоверность .научных полоцкий,__выводов и НЬ'ч "JM'JW1.': в основу диссертации положи фактический ь<чтериал, сабі.:-..:ий автором да 1973-1093 гг. при проведении научно-иссле-
.-7-довательсках работ по решению проблемы создания новых технологий направленного разрушения горных пород на основе способов взрывания, формирующих заданное напряженно-деформированное состояние массива- и обеспечивающих возможность управления процессам*,? тре-щкнообрааования. Достоверность научных результатов баз фуется на комплексном решении проблемы, сопоставимости и взамьюпроверле-мости результатов исследований, статистическом анализе результатов измерений силовых и кинематических параметров взрывного наг-румэниг горных пород, проводившихся с использованием уникальных измерительных средств по методикам, позволяющим получить информацию в ближней зоне взрыва от двух относительных радиусов заряда включительно, Физическо? обоснование технических решений ПрГТ разработке новых технологий направленного. разрушения горних пород на карьерах осуществлялось по результатам обработки материалов испытаний устройств направленного разрувения с ксггользовани*-ем зарядов .ДУЗ, ТСК, ЗКЛ на карьерах Ладожского КУ и СУБРа более 200 технологических взрывов зарядов ЗЭТ, ЗША-14, ЗША-25, проводившихся на карьерах "Кейноеет", "Уккомяки", "Муставара", "Перк ой Лзши", "Ладожский". При этом взорвано 2700 шпуровых и 1100 еквайошных зарядов с общей массой ВВ около 12000 кг. Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций исследований подтверждена в актах государственных межведомственных предварительных приемочных испытаний зарядов ЗЭТ "Гранилен", ЗША-14, ЗША-25 в производственных условиях.
Научная новизна работы. .
1. Разработана концепция развития технологий производства взрывных работ яри добыче блочного камня, обеспечивающая максимальное сохранен»* природных качеств полезных ископаемых и умгяьдание -одчетв буропж работ га счет получения раскола и рйзру5>?яияг. ср5»я?кр???уж по яикгги-зятуров и скважин, путем регу-лирогаккл кнтенойькостк к направления потока продуктов взрыва при иежжйЫгмьакии ипчштънт конструкций зарядов, реализующих э-Щвкг сгро.польной ирг/лиши и режим ш,зкоскорсстного юрывчзтого прв-арааэвйа.
Z. Тстаноййгка ь.'гЬи.-'їмх-? й ра/л-р^де-лення концентрации мик-ро-гр^зи» и у;л~вия '<' ежпЧі'.?. н прадауровой зоне массива при
- 8 - .
взрьгое системы зарядов. Численные оценки параметров импульса взрыва позволили установить предельно допустимые значения растягивающих напряжений, для крепішх горных пород. Так для " гранитов они составляют: } - 80 МПа, при г - 10:*с и ^ - 90 МПа при 2^ - 10"^ с. Растягивающие напряжения, при которых уровень концентрации микротрещин имеет повышенное значение, составляет для гранитов б^ - 12 - 20 МПа при /г - 10"^ с и Ю'^с соответственно. Радиус поверхности массива, на котором достигается эта величина, ограничивает.зону повышенной микротрещиноватости.
3. Разработана и экспериментально подтверждена комплексная
физико-математическая модель раскола горных пород удлиненными ку
мулятивными зарядами, развивающая современные теоретические пре
дставления о направленном разрушении горных пород. Установлены:
- функциональная зависимость, определяющая эффективность
УКЗ, учитывающая влияние параметров заряда и разрушаемых сред;
- основные закономерности механизма внедрения кумулятивного ножа в горные породы, новиьна которых заключается в учете пара-"їтров кумулятивного ножа и прочностных свойств горных пород;
- .зависимость длины магистральной трещины" от глубины внед
рения кумулятивного ножа, плотности заряжания и условий располо
жения УКЗ в шпурах. На этой основе решена задача оптимизации па
раметров зарядов, разработаны и приняты к промышленному изготов
лению конструкции УКЗ, предназначенные для направленного раскола
горных пород.
4. Разработаны научно-обоснованные требования к взрывчатым
материалам и осесимметричнкм зарядам, предназначенным для отбой- '
ки блоков из крепких горных пород. Определены предельные возмож
ности уменьшений бризантного действия зарядов БВ, традиционно"
использующихся для направленного разрушения горных пород. Режим
нагружения массива близкий к квазистатическому может быть
достигнут за счет применения зарядов комбинированных конструкций
докригичеекого диаметра, обеспечивающих низкоскоростной режим
взрывчатого превращения ВВ. Созданы принципиально новые компози
ции составов ВВ и разработаны на их основе трубчатые заряды
ЗЗТ-М, ЗЭТ-15, ЗЭТ-17 (ТУ -080-194-04-91), шланговые заряды
ЗІЙ-14, 32Й-25 (ТУ 75-11903-561-91), реализующие при взрмл низ-
коскоростной режим нагружения массива и обеспечивающие высокую степень безопасности ведения взрывных работ.
5. Составы ВВ "Гранилен", заряды ЗЗТ и ЗША, устройства нап
равленного, разрушения на основе удлиненныхкумулятивных зарядов
-промышленного"-изготовления"типа ДУЗ, ТСИ, ЭКЛ, ШКЗ являются
основой технического обеспечения эффективных ресурсосберегающих
технологий добычи камнеблоков из крепких горных пород, а така
могут быть использованы при создании протяженных плоскостей раз
рыва в массиве, экранирующих щелей, формировании профильных вые
мок и котлованов, разрушении негабаритов. Разработаны методики
расчета параметров БВР при добыче блочного камня, -учитывающие
характеристики и конструктивные особенности зарядов ЗЭТ, ЗША,
УКЗ, физи;»-мехинические. свойства пород ь 'массиве, условия отде
ления камнеблоков. Различными методами испытаний установлено,
что вона снижения природных свойств камня, отделенного от масси
ва с помощью этих зарядов, ограничивается 2-3 радиусами заряда
при шпуровом методе и 1-2 радиусами заряда лри скважинном методе
отбойки. .
Практическая значимость работы. ,
-
Разработаны методы расчета амплитудно- временных -характеристик взрывного" нагружения зарядной пол^с'и при использовании осесиммэтричных зарядов и кумулятивных различных конструкций.
-
Составлены алгоритмы и разработан комплекс программ для проектирования новых конструкций шпуровых зарядов, обеспечиваю- щий раоиет параметров ударной волны, распространяющейся чер<=з систему промежуточных сред; расчет ударных адиабат сжатия смесовых ВВ, определение условий, передачи взрывного импульса между патронами.
... 3. Разработаны составы ВВ и конструкции зарядов, предназначенные для использования в горных технологиях при направленном разрушении горных пород.
.4. Раьработ&ны инженерные методы расчета параметров при до- ' быче камнеблоков :із крепких горных пород с использованием зарядов ЗГЛ, ЗША. устройств направленного разрушения на основе УКЗ.
?. Разработаны ресурсосберегающие технологии добычи камнеблоков на Кіітімчрах стройматериалов, оонованныэ на использовании
- 10 -специально разработанных и выпускаемых серийно зарядов ЗШЛ-14. ЗША-25, ЗЭТ "Гранилен", кумулятивных удлиненных зарядов, отличающихся технологической и экономической эффективностью, обеспечивающих сохранение природных качеств камня, повышающих уровень безопасности ведения взрывных работ.
Реализация работы в промышленности осуществлялась поэтапно по мере завершения научных разработок, как в виде использования в НИР других институтов (НПО "Краснознаменец", НПО "Кристалл", Гипронеруд, Гипроникель), так и внедрения в пр лкты и в производстве. Разработка физических и. математических моделей функцио-
. нирования удлиненных кумулятивных зарядов, оптимизация конструкций УКЗ позволили получить при вводе в эксплуатацию САПР УКЗ в 1938 г. фактический экономический э
Испытания различных конструкций шпуровых и скважинных шланговых зарядов на основе составов аммонит-AT 1,2,3 на блочных карьерах гранитов ПОГК "Кузнечное"и Каменогорского КУ в течение 1987-1991 гг. позволили выявить технологические и экономические преимущества новых технологий отделения камнеблоков от массива. Это поелулмло" основным аргументом, подтверждающим необходимость разработки промышленных.технических средств обеспечения технологий наарав ленного разрушения горных пород. Разработки составов ВВ и специальных конструкций зарядов воплощены в натуре . разработаны составы ВВ "Гранилен" и нз их основе эластичные трубчатые заряды ЗЗТ; на основе аммонитов -AT разработаны заряды ЗІІІ;-14 и ЗША-25.
. Заряды выпускаются серийно в НПО "Кристалл", СКТБ"Технолог".
"и преднаьна-,-ны для направленного разрушения массивов в го%ных технологиях. Промышленное производство зарядов позволило переработать типовые проекты и перевести горные работы на принципиапь-' но легую, современную технологию добычи камнеблоков на карьерах Ладожского КУ. КНИ-458. Погранского КУ,' Каменогорского КУ, Цели-
ноградскэгр горно-химического комбината, ПО " Севзапгеология". В результате внедрения новой технологии только на карьерах Ладожского КУ за счет увеличения выхода' товарных блоков, снижения . объема буровых работ, уменьшения затрат на взрывные работы в 1G89-1D92 гг. получен г.зрасчеткый экономический эффект более 40
- И -млн. руб.
Апробация работы. Материалы проведенных исследований докладывались к обсуждались на Всесоюзных научных ивяфереиияая ьуьой СССР (Шскв*, 1977, 1985 гг.), Взесоявиш eosegaffffK "йзйояізова--""яие'"зяергия"взри0а-в-народіго!іс-х'огййег»?''-(г. frntmn,-'!!-г,),-:--.— -----Всесоюзных конференциях "Теория я практика иетголйзозакия знёртт ззрша в народном хозяйстве" (г, -Ш», 1Э7&,1ЙШ /г.), й» йиеад-ной сессии Научного Совета АН СССР по народнохозяйственно^ использованию взрыва (г. Апатиты, 19вг г,), на Вёееожзяыж й$6-лемных семинаоах "Разрушение ftrpma №$влГ (ЛеяшРрбй, ШШ т,, Бэвосибирск, 1990 г., Киев, ЮТ г,, Москва, Ш2г',Ь Беееокй-ных семинарах "Проблемы разработки ямюзнмх яештаешх в уежода-' язе высокогорья**, (г.. фунте.-. 1987, їФйФ'.тт.'). ffs гехк*чеся%яг совещаниях и семинарах ГО "'йреястротйтеряалы"', ТОГО *йр.ЭД(оргра-нит", ЫЮ "І'фаснознаменец**, в- СШШ, CflBWf и др.
Публикации. По теме дазсарчгадга» бяуШиксжай 38 работ, из них 1- 'монография и 30' публикаций бтретсают беновяое езддааяив' . работа. Новые технические решетки, созданные» провесе работы над диссертацией, защищены; 3 авторскими1 езидетеяьстзэми я 1 гта-теитом.
Диссертация состоит беедетж, б глав, загаяеянвг, рйяйм~ ікіх на 371 странице машиюшгшго' ие:«ста, содержат 77 рисунков и 4Б таблиц, списка литература и* 297 наименований и приложений, содержащих материалы по аяе-дрени» результатов- диссертационной' работы в промышленности
Автор выражает благодарность проф. \1 Р. Менжулину, д. т. н. Истомину А. А., проф. Крюкову Р'„ Ш. ?& консультации и методическую-помощь в проведении исследований, |-проф. МиснйкуПйIt], чх -корр. РАН Проскурякову R № , проф. ХолодниковуТГа! за "содействий-' а работе, а также руководителям Ладозького- КУ (гжинж Рогалвсшг В,А.), ГТП "Севзапгеология**' (тж vmx. Уряез В. Я У if кандидатам-технических наук Ковалевскому ЕЯ., Здитовелкому А. Е , Куликову , В. С, Хореву R А. - за помощь в. организации и. проведении промиш-ленных испытаний и внедрении разработок автора в производственную практику.