Методы снижения интенсивности сейсмических и ударных воздушных волн при проведении взрывных работ на горных предприятиях Норильска

Актуальность работы. На предприятиях ЗФ ОАО «Горнд-металлургическая компания «Норильский никель» одновременно ведется выемка полезного ископаемого открытым и подземным способами. Близость расположения горно-обогатительных предприятий, а также населенных пунктов приводит к попаданию в опасную зону взрывных работ на карьерах важнейших промышленных и гражданских объектов.

Например, вблизи места производства взрывных работ на северозападном участке борта карьера «Медвежий ручей» на расстояниях 200 и 260 м от борта расположены комплекс ствола 9-бис подземного р-ка «Заполярный» и здание горнотранспортного предприятия (ГТП). На карьерах рудника «Кайерканский» взрывные работы ведутся на расстояниях 1.5 3.5 км от жилых зданий г. Кайеркан. Сложная проблема обеспечения сохранности промышленных и гражданских объектов еще более осложняется суровыми климатическими условиями Крайнего Севера, усиливающими действие ударных воздушных волн (УВВ). В настоящее время методик расчета и общих решений проблемы не существует, хотя аналогичные трудности возникают и на других крупных месторождениях северной части страны.

Сходные по физическому смыслу задачи снижения воздействия взрывных сейсмических и воздушных волн возникают при высокой концентрации подземных горных работ. Например, в горных выработках подземного рудника «Октябрьский» при проведении взрывных работ были зафиксированы случаи трещинообразования, разрушения и частичного обрушения кровли очистных камер, состоящей из многослойной бетонной закладки, что приводило к аварийным ситуациям и временной остановке добычи руды.

В условиях Крайнего Севера снижение концентрации горных работ ведет к существенному удорожанию добычи. Поэтому весьма актуальны задачи совершенствования методов и средств контроля параметров сейсмовзрывных и воздушных ударных волн при взрывной отбойке горных пород и руды, исследования процессов воздействия взрывных работ на горный массив и промышленные объекты, разработка технологических приемов и рекомендаций, обеспечивающих снижение вредного воздействия взрыва горные выработки, гражданские и промышленные объекты.

Цель диссертационной работы — разработка технических решений, минимизирующих вредные последствия взрывных работ, а также рекомендаций по выбору параметров БВР в зависимости от расстояния до охраняемых объектов с учетом свойств горных массивов и метеоусловий Крайнего Севера.

Идея диссертационной работы — существенное снижение вредных воздействий взрывных работ на охраняемые объекты и горные выработки может быть достигнуто без уменьшения концентрации и интенсивности ведения горных работ за счет создания защитных экранов и выбора параметров БВР с учетом особенностей распространения сейсмовзрывных и ударных воздушных волн в условиях Крайнего Севера.

Задачи исследований:

1. Выявить особенности распространения сейсмических и воздушных ударных волн при проведении массовых взрывов на карьерах Норильского промышленного района и разработать способы снижения воздействия сейсмических волн на промышленные и гражданские объекты.

2. Изучить закономерности изменения предельно допустимой массы зарядов ВВ в зависимости от расстояния до охраняемых объектов, оценить влияние климатических условий Норильского района на параметры УВВ при взрывных работах и разработать параметры БВР, обеспечивающие сохранность жилых зданий г. Кайеркан.

3. Исследовать динамические нагрузки в рудном теле и бетонной закладке, обусловленные совместным действием на них сейсмических волн и УВВ при различных параметрах взрывных работразработать на основе проведенных измерений рекомендации по снижению воздействия взрыва на горные выработки.

Научная новизна работы:

— экспериментально получены закономерности затухания и параметры сейсмических волн в условиях вечной мерзлоты Норильского районапоказано, что горизонтальная составляющая скорости смещения горных пород, фундаментов и несущих элементов объектов существенно (в 1,7−2*5 раза) превосходит вертикальные скорости смещения горных массивов и сооружений.

— определены зависимости предельной массы зарядов ВВ на ступень замедления (типа граммонитов и гранулитов) от расстояния до охраняемого объекта, и на этой основе разработан регламент отбойки пород буровзрывным способом вблизи охраняемых объектов на карьерах Норильского промышленного района.

Основные защищаемые положения.

1. Для снижения интенсивности сейсмических волн при ведении БВР 'в условиях вечной мерзлоты необходимо вести отбойку ближайших к охраняемому объекту блоков таким образом, чтобы они примыкали к экрану, образуя тем самым траншею переменной ширины, увеличивающейся по мере ведения взрывных работ.

2. При проведении взрывных работ на карьерах Норильского промышленного района в условиях низких температур и сильных ветровых потоков необходимо учитывать 4−5 кратное увеличение интенсивности УВВ, вызванное фокусировками ударных волн, действующих на охраняемые сооружения.

3. Для повышения безопасности отбойки руды в очистных выработках подземных рудников Талнаха необходимо применять порядно-продольную схему взрывания шпуров, которая обеспечивает снижение интенсивности сейсмических волн в 2−2,5 раза и снижает переход энергии в ударную воздушную волну в 1,5−2 раза по сравнению с порядно-поперечной схемой.

Методика исследований включала натурные измерения параметров сейсмовзрывных и ударных воздушных волн при проведении буровзрывных работ на карьерах и рудниках, статистическую обработку экспериментальных данных, контроль влияния взрывных работ на охраняемые объекты и расчеты допустимых величин зарядов ВВ в различных условиях.

Достоверность научных результатов подтверждается хорошей у сходимостью результатов расчетов по разработанному автором и базовому (известному) методу оценки динамических нагрузок для эталонных (тарировочных) условий, данными контрольных измерений и длительным авторским надзором за состоянием охраняемых объектов,.

Практическое значение работы:

— создана методика оценки предельно допустимой массы зарядов в зависимости от расстояний с учетом характеристики защищаемых зданий и промышленных сооружений и условий работы, находящихся внутри них машинных агрегатов и установокЛ.

— разработана новая конструкция защитных экранов от сейсмического действия взрыва, обеспечивающая увеличение ширины экрана по мере ведения взрывных работ;

— разработаны рекомендации по ведению взрывных работ на подземном руднике «Октябрьский», обеспечивающих снижение действия взрыва на горные выработки.

Реализация работы. Разработанные методики и рекомендации используются техническими службами БВР рудниках «Медвежий ручей», «Кайерканский» и «Октябрьский» при проектировании и разработке паспортов взрывных работ. Применение предложенных методов защиты ствола 9-бис рудника «Заполярный» от влияния взрывов карьера «Медвежий ручей» позволило вовлечь в добычу дополнительно 20 млн. т. руды на северо-западном участке карьера.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной конференции «Научно-технические проблемы космонавтики и ракетостроения» (г.Калининград, 1996 г.), Республиканской конференции «Современные проблемы механики жидкостей, многофазных сред и распространения волн в сплошных средах» (Ташкент, 1999 г.), научных чтениях «Современное состояние расчетных и экспериментальных методов оценки прочности и напряженно деформационного состояния зданий и сооружений» (Московский государственный строительный институт, Москва, 2004 г.), на секции Ученого совета по геомеханике ВНИМИ (Санкт-Петербург, 2007 г.), на научно-техническом совете Научного центра по геомеханике и проблемам горного производства (Санкт-Петербург, 2008 г.).

Личный вклад автора заключается в инженерной постановке задач, адаптации известных методов натурных определений параметров волн к условия НПР, организации и проведении экспериментальных работ на рудниках «Медвежий ручей», «Кайерканский» и «Октябрьский», анализе результатов исследований с установлением закономерностей распространения сейсмовзрывных волн в горных массивах, закладочных (бетонных) и рудных Sструктурах, вмещающих выработки, в получении и обобщении основных результатов исследований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 83 наименований. Она изложена на 170 страницах, содержит 83 рисунка, 44 таблицы и 2 приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Решены задачи определения предельно-допустимых зарядов ВВв зависимости от расстояний — применительно к взрывным работам на карьерах «Медвежий ручей» и «Кайерканский» и разработаны рекомендации, позволившие обеспечить безопасную эксплуатацию ствола рудника «Заполярный» и жилых зданий г. Кайеркан.

2. Реализованы способы снижения сейсмического действия взрывов с помощью искусственно создаваемых траншей переменной ширины. Применение предложенных методов защиты ствола 9-бис р-ка «Заполярный» от влияния взрывов карьера «Медвежий ручей» позволило вовлечь в добычу дополнительно более 20 млн. т. руды на северо-западном участке карьера.

3. Показано, что в условиях Крайнего Севера при проведении массовых взрывов на карьерах давление ударной воздушной волны может увеличиваться в несколько раз. Для типичных условий суровых зим Норильска рост интенсивности УВВ достигает 4−5 раз.

4. Установлено, что при ведении взрывной отбойки в кровле выработок сейсмические волны состоят из двух участков — первого участка с относительно невысокими частотами (20−60 Гц) и второго более высокочастотного, причем в большей части случаев амплитуды второго участка оказывались выше, чем первого. Показано, что первый участок вызван взрывной волной, а второй участок — ударами кусков породы о почву выработай.

5. В результате проведенных исследований определено, что порядно-продольная схема отбойки руды в очистных выработках рудника «Октябрьский» является более безопасной. При использовании порядно-продольной схемы отбойки рудный массив и массив твердеющей закладки получают меньшую скорость и, следовательно, испытывают меньшую сейсмонагрузку, а потери энергии ВВ на энергию УВВ в 1,5−2 раза ниже, чем при порядно-поперечной схеме взрывания.

Л.