Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса и постановка задач исследований 8
1.1. Современный ассортимент промышленных взрывчатых веществ применяемых на карьерах 8
1.2. Существующие методы выбора типа ВВ для производства взрывных работ на карьерах 20
1.3. Определение параметров БВР при переходе от одних ВВ к другим 28
1.4. Постановка задач исследования 29
2. Энергетический метод оценки технологической эффективности применения взрывчатых веществ 32
2.1. Факторы, определяющие эффективность взрывных работ 32
2.2. Показатели эффективности взрывных работ 65
2.3. Оценка затрат энергии на взрывное разрушение 73
Выводы 84
3. Анализ влияния типа применяемого вв на показатели технологической эффективности 86
3.1 Оценка эффективности применения различных типов ВВ в полигонных условиях на карьерах 86
3.2. Оценка эффективности применения различных типов ВВ в промышленных условиях на карьерах 100
3.3. Влияние типа применяемого ВВ на механизм действия взрыва 115
Выводы 127
4. Обоснование рациональной области и условий применения промышленных взрывчатых веществ на карьерах 129
4.1 Классификация взрывчатых веществ по энергетическим и детонационным характеристикам 129
4.2. Факторы, определяющие выбор типа ВВ на карьерах 131
4.3. Методика расчета параметров БВР при применении ВВ различных типов 136
4.4. Анализ влияния типа применяемого ВВ на показатели экономической эффективности 142
Выводы 148
Заключение 149
Список используемых источников 151
- Существующие методы выбора типа ВВ для производства взрывных работ на карьерах
- Показатели эффективности взрывных работ
- Оценка эффективности применения различных типов ВВ в промышленных условиях на карьерах
- Факторы, определяющие выбор типа ВВ на карьерах
Введение к работе
Актуальность работы. Взрывные работы являются доминирующим методом отделения горной породы от массива при разработке месторождений полезных ископаемых, сложенных скальными и полускальными породами. Качество взрывных работ определяет эффективность последующих технологических процессов по добыче и переработке полезного ископаемого и во многом зависит от типа применяемого взрывчатого вещества (ВВ)- источника энергии при взрыве.
В настоящее время Госгортехнадзором России допущены к применению более 100 наименований взрывчатых веществ, отличающихся энергетическими и детонационными характеристиками. Однако тип применяемого ВВ в большинстве случаев принимается без учета свойств взрываемого массива горных пород и требуемой степени дробления. В результате на ряде карьеров удельный расход ВВ возрос до 1,2-г1,5 кг/м^, при этом выход негабарита остается достаточно высоким и составляет 10-г15%.
В последние годы широкое применение находят конверсионные и изготавливаемые на местах применения взрывчатые вещества. Для этих ВВ не установлены области рационального применения и оптимальные параметры буровзрывных работ (БВР) в конкретных горнотехнических условиях, что приводит к неудовлетворительным результатам взрыва и удорожанию БВР.
Повышение качества дробления горных пород взрывом без увеличения удельного расхода ВВ связано с повышением КПД взрывного дробления, который зависит от взрывчатых характеристик применяемого ВВ и условий взрывания.
Поэтому задача обоснования рациональных условий применения промышленных ВВ с учетом их энергетических и детонационных характери-
5 стик, а также свойств взрываемого массива, требуемого качества взрывного дробления и затрат на БВР является актуальной.
Цель работы - повышение эффективности использования энергии взрыва ВВ и достижение требуемого качества взрывного дробления горных пород.
Идея работы заключается в том, что обоснование условий применения промышленных ВВ с различными энергетическими и детонационными характеристиками производится по рациональной объемной концентрации энергии, создаваемой во взрываемом массиве горных пород.
Научные положения, представленные к защите:
Рациональной объемной концентрацией энергии, создаваемой во взрываемом массиве, следует считать величину, при которой КПД взрывного дробления максимален, и принимать ее в качестве основной характеристики при расчете параметров БВР.
Для каждой системы «ВВ - порода» существует своя величина рациональной объемной концентрации энергии, создаваемой в массиве при взрыве, определяемая энергетическими и детонационными харакгери-стиками ВВ и обеспечивающая максимальное использование энергии взрыва на дробление.
Повышение степени взрывного дробления горных пород на карьерах может быть достигнуто за счет применения высокобризантных ВВ при условии создания рациональной объемной концентрацией энергии в массиве горных пород при взрыве.
Методы исследований.
Решения, принятые в диссертационной работе, базируются на использовании методов математической статистики, обобщения и анализа передового опыта, метода аналогий, интерполяции, экстраполяции и прогнозирования, а также испытаний в полигонных и промышленных условиях.
6 Для оптимизации решений применялись методы системного анализа и математического программирования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: экспериментальными исследованиями в полигонных и промышленных условиях; согласованностью теоретических положений с результатами экспериментальных исследований; положительными результатами внедрения научных разработок, достижением заданного качества дробления пород опытно-промышленными взрывами при использовании рациональных ВВ и параметров БВР по предлагаемой методике.
Научная новизна работы:
Предложено использовать энергетический критерий - объемную концентрацию энергии, создаваемую в массиве горных пород при взрыве, для оценки эффективности применения на карьерах взрывчатых веществ с различными детонационными характеристиками.
Разработан и апробирован в полигонных и промышленных условиях энергетический метод оценки технологической эффективности применения ВВ, основанный на оптимизации объемной концентрации энергии, создаваемой в массиве горных пород при взрывных работах.
Установлено, что повышение степени дробления горных пород на карьерах возможно при рациональной энергонасыщенности массива за счет применения высокобризантных взрывчатых веществ.
Практическая значимость:
Установлена область применения промышленных ВВ в зависимости от характеристик взрываемого массива и требуемой степени взрывного дробления.
Предложен метод определения параметров БВР при применении ВВ с различными энергетическими и детонационными характеристиками.
7 3. Обоснованы рациональные условия применения промышленных взрывчатых веществ по критериям технологической и экономической эффективности.
Реализация результатов работы. Результаты положены в основу рекомендаций и технических решений при проектировании параметров БВР на карьерах ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" (Малый Куйбас, Восточный, Агаповский, Лисьегорский), гранитном карьере Гум-бейского щебеночного завода.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены на конференции "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века" (Магнитогорск, 1996 г); на ежегодных научных симпозиумах "Неделя горняка - 1998; 1999; 2000; 2001" (Москва); на юбилейной научно-практической конференции "Экологическая наука на службе производства" (Пермь, 1998 г); на международной научной конференции "Физические проблемы взрывного разрушения массивов горных пород" (Москва, 1998 г); на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Совершенствование технологий поиска и разведки, добычи и переработки полезных ископаемых" (Красноярск 1999 г).
Публикации. Результаты исследований отражены в 12 печатных работах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения объемом 158 страниц, вкпючает 57 таблиц, 37 рисунков и список литературы из 101 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям профессору И.П. Малярову, доценту В.К. Угольникову и коллективу факультета горных технологий и транспорта за помощь, активное обсуждение основных положений работы и ценные рекомендации при написании диссертации.
Существующие методы выбора типа ВВ для производства взрывных работ на карьерах
Внешний вид дибазита - гранулы или таблетки произвольной формы и цвета. Температурный диапазон применения - от -50 до +50 С. Рекомендуемый диаметр обводненных скважин - не менее 105 мм.
Время нахождения дибазита в обводненных скважинах, в местах с проточной водой определяется допустимым временем нахождения в воде средств инициирования. Не допускается применять дибазит для заряжания обводненных скважин с кислым (рН менее 3) и щелочными (рН более 10,5) грунтовыми водами.
Тротил - У - промышленное взрывчатое вещество 1 класса, изготавливаемое из тротила, извлеченного из боеприпасов при расснаряжении, предназначенное для заряжания обводненных и сухих скважин при производстве взрывных работ на земной поверхности во всех климатических районах. Диаметр скважин не менее 150 мм с агрессивностью сред рН=3-8. Тротил - У марки УД (дробленый) - выпускается в виде кусков полидисперсного состава, предназначен для ручного заряжания скважин. Тротил - У марки УГ (гранулированный) - выпускается в виде гранул размером 3-5 мм, предназначен для ручного и механизированного заряжания скважин. Кроме указанных выше типов ВВ институты оборонной лромышленно-сти разработали рецептуры мощных гранулированных ВВ - альгетолов и патронов импульсионного ВВ - эмульсена. Альгетолы содержат 15, 25 и 35 % гексогена, тротила, дисперсного алюминия и 9-10% флегматизатора. Они имеют скорость детонации 7,5-8,0 км/с, плотность гранул 1,65 г/см , насыпную 1,0 г/см , абсолютно водоустойчивы и предназначены для ручного заряжания обводненных скважин и шпуров на земной поверхности. Эмульсены содержат пироксилиновый порох 35-50% и эмульсию. Патроны водоустойчивы, предназначены для заряжания шпуров и скважин. В России наибольшее распространение получили нитросоединения и аммиачно-селитренные ВВ заводского изготовления, а на ряде предприятий нашли применение простейшие и водонаполненные ВВ. В последнее время разработаны и применяются эмульсионные ВВ собственного приготовления на местах производства взрывных работ и конверсионные. В настоящее время из-за возросшей стоимости тротила, железнодорожных тарифов и ужесточения условий транспортирования опасных грузов применение ПВВ заводского изготовления стало экономически неоправданно. Поэтому некоторые горнодобывающие предприятия (в основном с большим объемом взрывных работ) изыскивают возможности для самостоятельного изготовления ПВВ из невзрывчатых компонентов непосредственно на месте применения. Фактические результаты внедрения на ряде горных предприятий ВВ местного изготовления показывают [10], что: стоимость применяемых местных ВВ в 1,5-2,0 и более раз ниже, чем заводских; уменьшается в пять и более раз объем перевозок на склады ВВ горных предприятий взрывоопасных грузов; упрощается и удешевляется обустройство приемных железнодорожных перегрузочных площадок для взрывоопасных грузов; улучшаются условия снабжения горных предприятий взрывча тыми веществами местного изготовления. В этом отношении наиболее перспективными ПВВ являются: простейшие смесевые (минимальная стоимость), эмульсионные (водоустойчивость), водосодержащие (максимальная концентрация энергии в зарядной полости). В то же время технологии изготовления подобных ПВВ в России не достаточно освоены и не многие предприятия способны решиться на перестройку своих структур, требующую значительных капитальных вложений. В результате большинство предприятий вынуждены использовать имеющиеся у них в наличии ВВ, которые зачастую не только дороги, но и по своим взрывчатым характеристикам не соответствуют свойствам взрываемого массива и требуемым результатам взрыва. При этом необходимо отметить, что большинство из перечисленных в перечне ВВ по качеству и своим взрывчатым характеристикам не отвечают современному техническому уровню развития горного производства. Поэтому вопрос выбора типа ВВ и обоснования рациональной области его применения с технологической и экономической точки зрения остается актуальным.
Показатели эффективности взрывных работ
Показатели эффективности можно подразделить на технологические и экономические. Технологическая эффективность взрывных работ оценивается по результатам взрыва, его качеству, и характеризуется формой и содержанием разрушенного массива. При этом основным условием является обеспечение взрывными работами требуемого качества взрыва. Требования к качеству взрыва определяются: целями взрывных работ (дробление, выброс, образование камуф-летных полостей и др.); технологией и параметрами системы разработки; технологическими комплексами оборудования (параметрами погрузочного и транспортного оборудования). Кроме этого, важным условием производства взрывных работ является обеспечение их безопасности и экологичности. При взрывном дроблении массива горных пород основным требованием является обеспечение заданной кусковатости горной массы, при которой затраты на вторичное дробление и измельчение минимальны. Кроме этого, в ряде случаев, главным образом на известковых карьерах, мелочь является отходом производства или материалом существенно снижающую товарную кондицию, что приводит к потерям полезного ископаемого и ухудшению экономических показателей карьера. Таким образом, задачей БВР является изменение взрываемого массива, в соответствии с требованиями производства, всех его последующих технологических процессов. В общем случае качество взрыва необходимо оценивать следующими показателями: - качеством взрывного дробления; - параметрами развала; - интенсивностью распространения сейсмических колебаний и ударно-воздушных волн; - наличием отказов; - качеством проработки подошвы уступа (пороги) и образованием заколов в тыл взрываемого массива. Основным показателем качества взрыва на карьерах является качество взрывного дробления, которое характеризуется: - степенью дробления; - средним размером куска разрушенной породы; - гранулометрическим составом взорванной горной массы; - выходом негабарита; - выходом мелочи. Кроме этого на карьерах пользуются универсальными показателями эффективности взрывных работ, например, таким как удельный расход, являющимся одним из энергетических критериев эффективности взрывного процесса. Однако использование удельного расхода в качестве показателя технологической эффективности имеет существенный недостаток - при применении ВВ с различной удельной теплотой взрыва трудно судить о полных затратах энергии при взрыве. Эту проблему решает другой энергетический критерий - объемная концентрация энергии создаваемая в массиве горных пород при взрыве, равная произведению удельного расхода на удельную теплоту взрыва ВВ. Г.П. Демидюк данный критерий называет удельной энергией заряда ВВ [23].
Данными показателями удобно пользоваться при проектировании взрывных работ на обеспечение требуемого качества взрыва, когда предлагаются несколько вариантов параметров БВР. При этом с точки зрения технологической эффективности следует отдавать предпочтение такому варианту параметров, при котором энергопотребление минимально, а качество взрыва не ухудшается.
Другим наиболее значимым универсальным показателем, оценивающим технологическую эффективность взрывного процесса, является его КПД, равный отношению полезной работы взрыва к полной энергии заряда ВВ.
Согласно распределению (балансу) энергии при взрыве скважинного заряда взрывчатых веществ (рис. 2.10) значительная ее часть тратится на бесполезные - вредные виды работы. Часть энергии теряется и при неправильном расчете зарядов, когда неиспользованное тепло уносится с продуктами взрыва в атмосферу или затрачивается на чрезмерный разброс раздробленной породы, распространение сейсмических и ударно-воздушных волн и т.д. Все это снижает долю полезно используемой потенциальной энергии ВВ.
Оценка эффективности применения различных типов ВВ в промышленных условиях на карьерах
Эффективность взрывных работ в значительной мере зависит от типа применяемого ВВ обусловливающего величину и форму взрывного импульса. В идеале тип применяемого взрывчатого вещества должен опре деляться исходя из условия обеспечения оптимального механизма дейст 101 зия взрыва. Это возможно в результате соответствия энергетических и цетонационных характеристик ВВ условиям, в которых протекает взрывной процесс (параметрам взрываемого массива и параметрам БВР). На большинстве карьеров России тип ВВ определяется структурой рын- а взрывчатых материалов (наличием ВВ, поставщиков), стоимостными показателями ВВ, при этом учитывается лишь обводненность горных массивов. Применение же ВВ отличных от оптимальных, даже более дешевых, не збеспечивает высокой технико-экономической эффективности взрывных забот. В таких условиях для повышения эффективности взрывных работ необ-(одима точная оценка результатов ранее проведенных взрывов и опера-ивное проектирование параметров БВР на основе имеющихся ВВ. Выбор 1рименяемого ВВ должен осуществляться по результатам технико-жономического анализа. Оценка эффективности ПВВ на карьерах проводилась путем исследования промышленных взрывов при штатной технологии ведения взрыв-jbix работ. При этом для каждого из исследуемых массовых взрывов по несколь-;им линиям (от пяти до двадцати), в зависимости от длины взрываемого шока производились замеры: трещиноватости и блочности взрываемого массива горных пород; параметров буровзрывных работ; кусковатости взорванной горной массы. Трещиноватость массива по откосу уступа оценивалась фотолинейным 1етодом. По результатам измерений определялись: распределение раз-lepoB кусков по крупности и средневзвешенный размер естественной от-.ельности для каждой линии.
Контрольными замерами уточнялись параметры БВР - ЛСПП, сетка скважин, глубина скважины, длина заряда и забойки. Гранулометрический состав взорванной горной массы устанавливался линейными замерами по развалу, а также фотолинейным методом по забою.
Технологическая эффективность взрыва оценивалась универсальными показателями энергопотребления, энергоемкости и КПД взрывного процесса.
Предлагаемую методику целесообразно применять для оценки технологической эффективности применения новых ВВ (простейших и эмульсионных составов, а также конверсионных) по сравнению со штатной технологией ведения взрывных работ.
Для этого на карьерах выделяется опытный блок, который делился на две части. Одна из частей блока заряжается штатным промышленным взрывчатым веществом, а другая - предлагаемыми ВВ. Расчет параметров буровзрывных работ производится для всего блока применительно к штатной технологии отбойки горной массы. После проведения массового взрыва оценивается эффективность применения предлагаемых ВВ по сравнению со штатными ВВ. На основании полученных данных (показателей энергопотребления, энергоемкости и КПД) корректируются параметры буровзрывных работ, по которым проектируются следующие взрывы. При определении оптимальных параметров работ с использованием новых ВВ составляется типовой проект ведения взрывных работ. В период 1984-1985 г.г. на карьере Малый Куйбас ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" были проведены исследования промышленных взрывов [62, 63;. Взрывные скважины обуривались станками шарошечного бурения СБШ- 250 МН. На карьере применяется короткозамедленное взрывание с интервалами замедления 20, 35, 50 мс, схема взрывания диагональная. Конструкция заряда сплошная. Перебур скважин в среднем составлял 2,5 м. В качестве ВВ применялся граммонит 79/21 и гранулотол. Проектная высота уступа на карьере Н=10 м, фактически же она изменяется от 7,5 0 11,5 м. Взрываемые породы - порфириты, имеют следующие физико-ехнические характеристики: размер естественной отдельности )е=0,4 0,6 м; крепость f= 12; плотность у= 2850 кг/м ; предел прочности на )астяжение ар=13,7 МПа;- скорость продольных волн Ср= 2550 м/с.
Факторы, определяющие выбор типа ВВ на карьерах
Данную позицию поддерживают Н.В. Мельников и Л.Н. Марченко [88, 89, 90] которые считают, что возникающие при взрыве волны сжатия и растяжения концентрически распространяются по массиву, производя разрушения и сообщая среде поступательное движение в радиальном направлении. Если снизить начальное давление при взрыве и увеличить время его воздействия на среду, то можно уменьшить затраты энергии на пластические деформации и переизмельчение породы вблизи заряда и тем самым создать условия для интерференции взрывных волн, что бу-цет способствовать увеличению полезной работы взрыва, а следовательно, интенсивному и равномерному дроблению горных пород.
Доктор техн. наук Г.П. Демидюк [32, 91] также полагает, что интенсив-чость разрушения среды определяется фугасным действием взрыва и зависит от запаса энергии ВВ, приходящейся на единицу объема разрушае-иой горной породы. Поэтому, применение гранулированных ВВ, резко увеличивая ширину зоны химической реакции в детонационной волне, эбеспечивает менее высокое начальное давление, чем при взрыве тонкодисперсного ВВ, но в течение большего промежутка времени. В результа-"е уменьшается доля энергии взрыва, передаваемая породе ударной юлной и соответственно возрастает использование энергии в форме юршневого действия газообразных продуктов взрыва. Это способствует )олее равномерному дроблению породы в объеме, подверженном дейст-тю взрыва.
Представители второго направления волновой концепции действия 1зрыва, наоборот решающее влияние на разрушение отдают бризантному 1ействию. Так, по мнению А. Ф. Суханова и Б. Н. Кутузова [92], а также 1елого ряда других отечественных и зарубежных исследователей, опре-1еляющую роль в дроблении горных пород взрывом играет максимальное 1авление продуктов взрыва, т.е. скорость детонации ВВ и его плотность.
При этом процесс разрушения обусловлен прохождением по массиву прямой и отраженной волны напряжений, которая благодаря почти мгновенной скорости приложения нагрузки, вызывает огромное ускорение массы породы и чем выше скорость приложения нагрузки, тем больше инерционное сопротивление массива и напряжение в породе, вызванное взрывом, а, следовательно, выше и качество дробления [20, 93].
Первая попытка описать процесс разрушения массива горных пород действием взрыва в случае неоднородности среды встречается у Мачин-ского М.В. [94]. Он объясняет возникновение трещин в слабых местах взрываемого массива, как результат действия волны напряжения, после прохождения которой, трещины продолжают развиваться и в какой-то момент времени смыкаются, в результате чего горная порода оказывается раздробленной. Он считает, что волна проходит бесследно через прочные участки породы; при прохождении же ее через слабые участки проявляются зачатки трещин. Взгляды М.В. Мачинского получили дальнейшее развитие в ряде работ последних лет.
На основании обширного материала А.Н. Ханукаев [20] впервые отметил зависимость механизма разрушения горных пород взрывом равных по величине зарядов от свойств среды и сформулировал свои представления о механизме горных пород взрывом, выделив три группы пород: 1. Разрушающиеся в основном в результате действия отраженных от открытых поверхностей массива волн - крепкие породы с высокой акустической жесткостью. 2. Разрушающиеся как от действия отраженной волны, так и от действия расширяющихся газов - массивы крепких пород, разбитые сетью густых трещин; неоднородные массивы из крепких пород, имеющие среднее значение акустической жесткости. 3. Разрушающиеся только от непосредственного воздействия расширяющихся газов - грунтовые массивы с малой акустической жесткостью. Разрушения в породах первой группы происходят в тот момент, когда у свободной поверхности возникают растягивающие напряжения, превы-иающие предел прочности породы. Величина и характер разрушений в юродах первой группы зависят от формы и длины взрывной волны. Для юрод этой группы, на поверхности среды зачатки разрушений, в виде радиальных трещин, наблюдаются в момент соприкосновения фронта волны с открытой поверхностью. Возникающие трещины развиваются вглубь массива по мере движения отраженной волны к центру взрыва. На по-}ерхности среды образуется откольная воронка. При этом волна небольшой амплитуды и продолжительности образует у поверхности среды не-Зольшую откольную воронку; при большой амплитуде волн может образо-$аться несколько последовательных отколов. На характер разрушения, )тмечает А.Н. Ханукаев, влияет количество энергии, переносимое волной $ единицу времени, которое тем больше, чем больше амплитуда волны. В породах второй группы разрушение происходит как от центра заряда, ак и от свободных плоскостей. Породы третьей группы разрушаются непосредственно у заряда, вокруг [оторого образуется полость в виде правильного шара. Когда начинает жазываться влияние свободной поверхности, полость вытягивается в торону линии наименьшего сопротивления принимая форму эллипсоида. 3 дальнейшем, в то время как объем нижней части достигает максимума, )бъем верхней части продолжает увеличиваться возникают и развиваются новые разновидности форм полости, что приводит к разрыву оболочки ю многих местах и раскрытию полости. В работе Ю.В. Гаека и М.Ф. Друкованного [95] выдвинуто предположе-1ие об определяющем значении формы и величины взрывного импульса \а характер разрушения. Физико-технические свойства горных пород иг-)ают подчиненную роль, и в принципе можно изменять механизм разрушения для пород с одинаковыми физико-механическими свойствами.
