Обоснование параметров контурного взрывания с учетом напряженно-деформированного состояния массива горных пород при подземной добыче высокоценных руд

Эффективное освоение минерально-сырьевых ресурсов, разработка ресурсосберегающих технологий при подземной добыче руд неразрывно связаы с дальнейшим совершенствованием технологии очистных работ.

Внедрение контурного взрывания может внести значительный вклад в повышение эффективности подземной добычи высокоценных руд и кристаллосырья.

Анализ мирового опыта внедрения контурного взрывания в подземных условиях показывает, что этот метод направленного раскола горных пород получил, в основном, распространение при проведении выработок различного назначения в гидротехническом строительстве, сооружении транспортных туннелей, горнорудной и угольной промышленностях.

При очистных работах в подземных условиях, в горнорудной промышленности известны лишь единичные примеры применения контурного, в основном, предварительного взрывания.

Анализ опыта контурного взрывания при очистной выемке указыает на большие перспективы его использования для снижения потерь и разубоживания руды.

Предварительное контурное взрывание позволяет создавать на границах очистного пространства экранирующие поверхности, препятствующие проникновению взрывных волн в законтурный массив горных пород. Наличие дополнительных свободных поверхностей, снижая нарушенность законтурного массива, в тоже время способствует интенсификации откольных явлений в рудном массиве при взрыве отбойных шпуров и, следовательно, лучшему дроблению руды.

Широкое применение контурного взрывания на очистных работах при подземной добыче руд сдерживается отсутствием эффективных и, в тоже время, простых в конструктивном отношении контурных зарядовнедостаточной изученностью процесса направленного трещинообразования в специфических подземных условиях. Так, например, в расчетах параметров контурного взрывания не учитывается естественное напряженно-деформированное состояние раскалываемого массива горных пород.

Поэтому разработка новых технологий контурного взрывания, учитывающих специфические особенности направленного трещинообразования при подземной добыче руд, является актуальной задачей.

Идея работы¦ Регулирование направленного раскола горных пород, начиная с границ взрывной полости, обеспечивается за счет учета ориентации вектора максимальной сжимающей составляющей гравитационного поля напряжений оси взрывной полости и применения специальных конструкций контурных зарядов ВВ, обеспечивающих преимущественное направление раскола в заданном направлении .

Научные положения, разработанные лично соискателем и защищаемые в работе:

1. При ориентации оси шпура перпендикулярно максимальному вектору сжимающей нагрузки природного поля напряжений тангенциальные напряжения растяжения, способствующие созданию направленного раскола горных пород, имеют свои максимальные значения в плоскости контура шпуров:

— круглого сечения в точке пересечения соориентированной оси параллельно вектору сжимающей нагрузки с контуром;

— эллиптического сечения в точке пересечения большой оси эллипса параллельно вектору сжимающей нагрузки с контуром.

Величина напряжений растяжения в указанных точках для обоих сечений равняется величине максимальной сжимающей нагрузки.

2. Заметный рост магистральной трещины на контуре шпура при взрыве в нем контурного заряда начинается с сжимающей нагрузки в 20 МПа для шпуров круглого сечения, что соответствует глубинам при разработке месторождений в равнинной местности более 500 м, а для шпуров эллиптического сечения, начиная с 15 МПа, что соответствует глубинам более 400 м.

3. Расстояние между смежными контурными шпурами круглого сечения при совместном действии квазистатических составляющих динамических полей напряжений, в качестве которых выступают статические давления продуктов взрыва на стенки шпуров при мгновенном инициировании в них контурных зарядов, и статического гравитационного поля напряжений при разработке месторождений в равнинной местности изменяется с глубиной расположения шпуров по гиперболическому закону-в степени 0,5 и зависит от статического давления продуктов взрыва, предела прочности горных пород в массиве на одноосное растяжение и коэффициента бокового распора. С увеличением коэффициента бокового распора, что характерно дя горных пород, обладающих пластическими свойствами, расстояние между контурными шпурами уменьшается. А расстояние между смежными шпурами эллиптического сечения, образуемого взрывом комбинированного линейного контактного заряда (КЛКЗ), с учетом совместного действия квазистатического давления продуктов взрыва и статического поля напряжений увеличивается в 1,5−2 раза для тех же условий по сравнению с расстоянием между шпурами круглого сечения.

4. Глубина выемок (концентратов напряжений) в стенках шпура круглого сечения для образования контура шпура эллиптического сечения при взрыве линейных контактных зарядов типа ДШ зависит прямопропорционально от детонационного давления продуктов взрыва ДШ, коэффициентов изоэнтроны и преломления ударной волны в породу и обратно пропорционально динамической прочности пород на одноосное сжатие и коэффициента политроны, а также от степени затухания ударной волны в породе.

5. Статическое давление продуктов взрыва контурного заряда (КЛКЗ) зависит прямопропорционально от детонационного давления продуктов взрыва центрального заряда, отношения плотностей и скоростей ДШ и низкобризантного ВВ центрального заряда, а также от величины зазора между диаметрами заряда и шпура, а также от коэффициентов изоэнтроны и политроны.

Методы исследования включаютсбор, обобщение и анализ практического применения контурного взрывания на очистных и подготовительных работаханалитические исследования на базе теории упругостилабораторные и экспериментальные в производственных условиях исследования предварительного контурного взрываниястатический анализнатурные наблюдения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана модель создания плоскости раскола между контурными шпурами круглого и эллиптического сечения, ориентированной параллельно максимальному вектору сжимающей нагрузки природного поля напряжений.

2. Разработана конструкция комбинированного линейного контактного заряда (КЛКЗ) для создания контура шпура эллиптической Формы, состоящая из линейных контактных зарядов высокобризант-ного ВВ типа ДШ, расположенных на противоположных концах у стенок шпура круглого сечения, и центрального заряда низкобризантного ВВ, имеющего радиальный зазор со стенкой шпура. ДШ и центральный отделены друг от друга демпферной прокладкой и разновременно взрываются с интервалом не менее 25 мс.

3. Разработан инженерный метод расчета параметров контурного взрывания различных конструкций зарядов, в том числе и предлагаемого КЛКЗ, учитывающий особенности напряженно-деформированного состояния околокамерного массива горных пород.

4. Установлены зависимости расстояния между смежными контурными шпурами при мгновенном инициировании в них контурных зарядов с глубиной разработки по гиперболическому закону с учетом совместного влияния гравитационного и квазистатической составляющей динамического силовых полей для шпуров круглого и эллиптического сечений.

5. Установлены зависимости по определению статических давлений продуктов взрыва для различных конструкций контурных зарядов (типа «гирлянда» и сплошного шлангового) и предлагаемого КЛКЗ, которые зависят от энергетических параметров применяемых ВВ, зазора между зарядом и стенкой шпура, коэффициентов изоэн-троны и политроны. г.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов подтверждается:

— сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований технологии предварительного контурного взрывания;

— применением комплексного метода исследований, включающего анализ отечественной и зарубежной практики Ь теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях Г техцико-экономический анализ предлагав.

Научное значение работы заключается в обосновании параметров предварительного контурного взрывания, учитывающих напряженно-деформированное состояние массива горных пород, при очистной выемке высокоценных руд.

Практическая ценность работы состоит в:

— получении решения ряда задач по определению параметров предварительного контурного взрывания с учетом геомеханических особенностей массива горных пород, для которых отсутствуют аналитические зависимостипредложены функциональные зависимости параметров контурного взрывания для очисткой выемки высокоценных руд- .

— разработаны технологические схемы буровзрывных работ при очистной выемке высокоценных руд и кристаллосырья, основанные на использовании специальных зарядов для контурного взрывания.

Реализация работы. Предлагаемые в диссертационной работе технологические схемы ведения БВР: при системе горизонтальные слои с закладкой для медно-цинковых залежей мощностью более 10 м месторожения «Абыз» Карагайлинского ГОКа переданы в технический проект Фирме «Мидас», проектирующей это местороже-ние и нисходящей слоевой выемке кристаллоносных зон на Малышев-ском руднике переданы руководству рудника для проекта отработки горизонта +30 м.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов в Московской государственной геологоразведочной академии (1992, 1993, 1994 гг.) — Международном симпозиуме по математическим методам в геологии, геолого-разведке и горном деле (Москва, 1993 г.) — технических совещаниях на Малышевском руднике.

Публикации, Основные положения диссертационной рабо ты опубликованы в 3 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных на страницах ма.

5.5. Выводы.

1. При отработке колчеданно-полиметаллического месторож дения Абыз системами горизонтальных слоев с восходящей выемкой, предварительное контурное взрывание рекомендуется применять для повышения сохранности междукамерных целиков и устойчивости пород висячего бока.

2. Установлено, что с учетом НДС массива горных пород на глубине 100−200 м, расстояние между центрами контурных зарядов предложенной конструкции следует принимать в колчеданно-мед-но-цинковых рудах равным 55 см, а в прожилково-вкрапленных — 50 см.

3. Для условий разработки Малышевского месторождения кристаллосырья слоевой системой с нисходящей выемкой, предложена технологическая схема БВР с применением предварительного контурного взрывания по боковым плоскостям заходки.

Для осуществления «щадящей» технологии добычи кристаллосырья предложена схема БВР, обеспечивающая минимальное воздействие взрыва зарядов ВВ на разрушение кристаллов.

4. Внедрение разработанных технологий БВР на месторождении Абыз позволит снизить ущерб от вторичного разубоживания в 1,5−2 раза и повысить безопасность разработки руд склонных к самовозгоранию .

На Малышевском руднике внедрение предложенной технологии БВР, при выемке заходок, повысило выход неповрежденных кристаллов на 20%.

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации изложены результаты исследований, посвященных решению актуальной задачи — обоснованно параметров контурного взрывания с учетом напряженно-деформированного состояния массива горных породу приподземной добыче высокоценных руд и кристаллосырья.

Работа базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях, результатах опытно-промышленной проверки предложенных технологий.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлено, что регулирование направленного раскола горных пород, начиная от границы взрывной полости, обеспечивается за счет учета статического поля естественного напряженно-деформированного состояния законтурного массива и применения предложенных специальных конструкций контурных зарядов ВВ.

2. Установлено, что в условиях близких к одноостному вертикальному сжатию, характерных для околокамерного массива, максимальное прорастание магистральной трещины между смежными контурными шпурами происходит при параллельном расположении плоскости оконтуривания сжимающей нагрузки, превышающей 20 МПа.

3. Выявлено, что приконтурная область вокруг очистного забоя находится в состоянии неравномерного объемного сжатия, из-за чего каждый контурный заряд ВВ работает в различных геомеханических условиях. Это является причиной неполного раскрытия участков магистральной трещины и снижает эффективность буровзрывных работ при контурном взрывании.

4. Разработан инженерный методрасчета параметров предварительного контурного взрывания, учитывающий особенности напряженно-деформированного состояния призабойного массива горных пород.

5. Разработаны технологические схемы буровзрывных работ при очистной выемке высокоценных руд и кристаллосырья, основанные на использовании специальных зарядов для контурного взрывания.

6. Применение комбинированного линейного контактного контурного заряда ВВ (КЛКЗ) в колчеданно-медио-цинковых рудах снижает сейсмическое действие взрыва на 25%, а в прожилко-во-вкрапленных — на 15,5%.

7. Внедрение предварительного контурного взрывания с зарядами КЛКЗ позволяет осуществить «щадящую» технологию при выемке участков с повышенной минерализацией на Малышевском руднике .

8. Результаты исследований, представленные в диссертации, могут быть рекомендованы для других горнодобывающих предприятий со сходными горно-геологическими и геомеханическими условиями .