Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського

УДК 622.235.53

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів контурного підривання з випереджувальним тріщиноутворенням для підвищення ефективності вибухового руйнування гірських порід

Спеціальність 05.15.09 - Геотехнічна і гірнича механіка

Проценко Вікторія Євгенівна

Кременчук - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Кременчуцькому національному університеті імені Михайла Остроградського. свердловинний підривання контурний

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Воробйов Віктор Васильович, Кременчуцький національній університет імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, декан факультету механіки та матеріалознавства (м. Кременчук).

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Жуков Сергій Олександрович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри будівельних конструкцій (м. Кривий Ріг);

Кандидат технічних наук, доцент Фролов Олександр Олександрович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, доцент кафедри геобудівництва та гірничих технологій (м. Київ).

Захист відбудеться 10.03.2011 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 45.052.02 у Кременчуцькому національному університеті імені Михайла Остроградського за адресою: вул. Першотравнева, 20, м. Кременчук, 39600. Факс (05366) 36000.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського за адресою: вул. Першотравнева, 20, м. Кременчук, 39600.

Автореферат розісланий 08.02. 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічний наук, доцент В.М. Чебенко.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Поширеним явищем у гірничовидобувній промисловості, зокрема під час розробки родовищ із застосуванням буропідривних робіт (БПР), є втручання в геологічне середовище. Воно супроводжується появою виробок, у бортах яких порушується усталений стан рівноваги порід у результаті перерозподілу напружень. З часом борти таких кар'єрів стають більш пологими, що зумовлює втрату корисних копалин.

Для зниження несприятливого впливу вибуху на масив у деяких випадках застосовується контурне підривання. Проте звичайні контурні заряди не завжди здатні забезпечити відсутність наведеної вибухом тріщинуватості. Створення механічним способом насічок на стінках свердловини в напрямку відбійки підвищує якість контурного підривання, однак вимагає додаткових капітальних витрат. Тому розробка раціональної конструкції контурного свердловинного заряду, застосування якого дозволить знизити наведену тріщинуватість у масиві, що охороняється, та отримати економію коштів за рахунок зменшення маси вибухової речовини ВР контурного заряду, є актуальною науково-технічною задачею, успішне розв'язання якої підвищить ефективність усього комплексу БПР.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до плану наукових досліджень, які проводилися на кафедрі технічної механіки Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського, і є складовою частиною госпдоговірної НДР: "Дослідження ефективності руйнування гірських порід вибухом свердловинних зарядів сумішевих вибухових речовин з активними рідкими домішками" (114 / 07-ТехМех/Техновибух № ДР 0107U011335), у якій автор брала участь як виконавець.

Ідея роботи полягає у використанні ефекту зниження енергоємності руйнування за наявності концентраторів напружень, які створюються вибуховим шляхом.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи - підвищення ефективності дії контурних зарядів за рахунок випереджувального тріщиноутворення стінок свердловини і створення кумулятивних порожнин у заряді вибухових речовин, які досягаються вибухом малопотужного детонуючого шнура (ДШ), розташованого біля стінок свердловини вздовж лінії передбачуваного відколу

Для досягнення поставленої мети визначено наступні задачі досліджень:

- на підставі аналізу існуючих технологій контурного підривання обґрунтувати необхідність удосконалення конструкцій контурних свердловинних зарядів;

- дослідити вплив властивостей матеріалу в радіальному зазорі на зміну динамічних навантажень і характер тріщиноутворення;

- установити вплив імпульсного навантаження на умови утворення магістральної тріщини під час вибуху;

- підтвердити можливість формування початкової тріщини на стінках свердловини вибухом циліндричного подовженого заряду;

- розробити раціональну конструкцію контурного заряду з випереджувальним тріщиноутворенням;

- обґрунтувати раціональні параметри свердловинного заряду для запобігання можливості появи тріщин у площині, перпендикулярній до напрямку відбійки;

- дослідити вплив конструкції контурного заряду з випереджувальним тріщиноутворенням на ефективність процесу спрямованого руйнування гірських порід.

Об'єкт досліджень - процеси вибухового спрямованого руйнування гірських порід і формування контурних свердловинних зарядів з випереджувальним тріщиноутворенням.

Предмет досліджень - конструкція контурного свердловинного заряду; початкові тріщини в стінках свердловини, спрямоване тріщиноутворення.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених завдань у роботі використовувалися сучасні методи наукових досліджень: аналіз та узагальнення сучасних уявлень про вибухове скероване руйнування гірських порід, гідродинаміку і механіку суцільних середовищ; математичне і фізичне моделювання з використанням сучасної апаратури; статистична обробка результатів експериментальних і промислових досліджень, техніко-економічний аналіз розроблених рекомендацій.

Основні наукові положення, які виносяться на захист:

1. Для запобігання появи на стінках свердловини тріщин, спрямованих перпендикулярно до площини відколу, маса контурного заряду ВР повинна забезпечувати відношення величини усередненого тиску продуктів детонації в свердловині до межі міцності породи на розтягнення у діапазоні 4,1...6,0.

2. Розташування вздовж твірної свердловини малопотужного детонуючого шнура і його подальше випереджувальне підривання призводить до утворення початкових тріщин у напрямі заданого відколу та формування поздовжньої кумулятивної порожнини у вибуховій речовині, що дозволяє на 17…22 % зменшити масу контурного заряду ВР.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

1. Для накладного заряду експериментально доведено, що глибина тріщини збільшується прямо пропорційно акустичній жорсткості середовища, яке заповнює зазор між ВР і поверхнею гірської породи, і зменшується обернено пропорційно квадрату відстані від заряду до поверхні.

2. Уперше експериментально встановлено критичну величину відношення усередненого тиску продуктів детонації (ПД) у свердловині до межі міцності породи на розтягнення, за якої не утворюється тріщина в напрямку, перпендикулярному до площини відколу.

3. Уперше отримано, що між критичною величиною відношення усередненого тиску ПД у свердловині до межі міцності породи на розтягнення існує лінійна залежність К = 0,4028 у_р + 0,2924.

4. Удосконалено методику визначення величини критичного імпульсу руйнування гірських порід, яка відрізняється від відомих тим, що в її основі закладені результати випробувань зразків на ударну в'язкість.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням апробованих методів досліджень, стандартних методик і апаратури, задовільною збіжністю результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними, підвищенням ефективності спрямованого відколу гірського масиву і техніко-економічною ефективністю впровадження висновків і рекомендацій.

Наукове значення отриманих результатів полягає в установленні взаємозв'язку властивостей середовища, що оточує заряд, із параметрами тріщиноутворення, а також взаємозв'язку параметрів продуктів детонації контурного заряду з властивостями гірської породи, які запобігають утворенню тріщин у площині, перпендикулярній до напряму відбійки.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Уперше експериментально доведено, що створення попередньої тріщини в стінці свердловини є можливим у тих випадках, коли діаметр ДШ не перевищує 0,02…0,04 діаметра свердловини.

2. Виконані експерименти дозволили вперше встановити, що ефективна робота розробленої конструкції контурного заряду досягається при використанні ДШ з масою ВР, не більшою 6 г/п.м. У свердловинах діаметром менше 180 мм необхідно створювати початкове руйнування середовища в напрямку відколу до формування основного заряду.

3. Обґрунтовано раціональні параметри контурного свердловинного заряду з випереджувальним тріщиноутворенням, які дозволяють без погіршення якості відбійки на 17…22 % зменшити витрати ВР.

4. Установлено, що при використанні розробленої конструкції заряду економія коштів забезпечується при підриванні свердловин діаметром більше 150 мм.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначено ідею роботи, її мету і завдання досліджень, основні наукові положення, висновки і рекомендації, а також шляхи розв'язання поставлених задач. Конкретний особистий внесок автора в роботи, опубліковані в співавторстві, полягає в наступному: виконання теоретичного розрахунку зміни тиску в шпурі [1], теоретичне визначення впливу швидкості детонації на розвиток початкових мікротріщин [3], обробка та науковий аналіз результатів [4]. Брала участь у розробці конструкцій контурних зарядів [7…9].

Апробація результатів досліджень. Основні положення та окремі результати роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: «Застосування промислових і конверсійних вибухових речовин при руйнуванні гірських порід вибухом і екологічна безпека» (смт. Свалява, 2008 р.; м. Моршин, 2010 р.), «Сучасні технології ведення буропідривних робіт, їх економічна ефективність і техногенна безпека» (сел. Курортне, 2009 р., 2010 р.), Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених і спеціалістів «Актуальні проблеми життєдіяльності суспільства» (м. Кременчук, 2008 р., 2010 р.), а також на об'єднаному семінарі кафедри технічної механіки Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено в дев'яти наукових працях, у тому числі в чотирьох статтях, опублікованих у спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, у двох матеріалах конференцій і трьох патентах України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів і висновку, викладених на 173 сторінках машинописного тексту, у тому числі містить 72 рисунка, 10 таблиць, список використаних джерел зі 127 найменувань на 14 сторінках і 13 сторінок додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи та показано її зв'язок із науковими програмами, сформульовано мету та основні наукові й практичні завдання досліджень, викладено наукові положення, показано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також рівень апробації результатів роботи.

У першому розділі розглянуто та узагальнено результати досліджень, а також досвід застосування різних конструкцій контурних зарядів ВР у вітчизняній і зарубіжній практиці ведення вибухових робіт, використання яких дає можливість зменшити появу наведеної тріщинуватості та збільшити довжину відкольної магістральної тріщини, виконано критичний аналіз їх ефективності.

Теоретичному оцінюванню впливу імпульсного навантаження на параметри утворення магістральної тріщини, а також математичним моделям її розвитку присвячені наукові праці таких учених, як Баранов Є.Г., Воробйов В.В., Воробйов В.Д., Єфремов Е.І., Жуков С.О., Комір В.М., Кравець В.Г., Кузнєцов В.М., Курінний В.П., Кутузов Б.М., Мартинюк П.А., Мец Ю.С., Мінделі Е.О., Миронов П.С., Петров М.Г., Рябченко В.Д., Федоренко П.Й., Фролов О.О., Шер Є.М. та ін.

У розробку конструкцій контурних зарядів значний внесок внесли такі вчені, як Бичков Г.В., Давидов С.А., Ісаков А.Л., Кондратюк В.І., Мірошников А.В., Міхельсон Р.В., Прокопенко В.С., Ракішев Б.Р., Салганик В.А., Цуцієв Б.Б., Шерстюк Б.Ф., Яшкін О.З. та ін.

Проте, не дивлячись на значні успіхи у сфері розробки раціональних конструкцій контурних зарядів ВР, на кар'єрах у теперішній час у контурному ряду найчастіше використовуються традиційні заряди зменшеного діаметра або маси. А для отримання більш довгої тріщини відколу і збільшення відстані між свердловинами на стінках останніх механічним шляхом створюють поздовжні надрізи, з використанням при цьому спеціальних верстати, застосування яких ускладнює і здорожчує виробництво. Виходячи з цього, глибоке вивчення даних проблем і розроблення на основі отриманих результатів нових конструкцій контурних зарядів, які дозволять отримати рівну поверхню відколу без появи наведеної вибухом тріщинуватості, являють собою надзвичайно важливі завдання, успішне розв'язання яких дозволяє підвищити ефективність усього комплексу БПР.

Другий розділ дисертації присвячено теоретичним дослідженням розвитку тріщин, а також оцінюванню впливу імпульсного навантаження на параметри утворення магістральної тріщини з урахуванням впливу властивостей гірської породи і матеріалу, що оточує заряд.

Виконані теоретичні дослідження впливу параметрів заряду на мінімальні розміри мікротріщин, які будуть розвиватися під час вибуху, показали, що на величину мікротріщини, яка розвивається, найсильніший вплив справляє швидкість детонації ВР. Отже, для формування початкової тріщинуватості в напрямі заданого відколу доцільно використовувати ВР з високою швидкістю детонації, наприклад, одну або дві нитки ДШ.

Як відомо, для заряджання свердловин можуть використовуватися сухі або водонаповнені ВР. Тому теоретичне оцінювання впливу імпульсного навантаження (підривання нитки ДШ) на параметри утворення магістральної тріщини в деяких гірських породах проводили з урахуванням впливу повітряного, рідкого та сипучого середовища.

Відомо, що передача енергії та тиску від вибуху ДШ до породи залежить від хвильових опорів продуктів детонації ДШ і середовища, у якому здійснюється вибух. Відповідно до акустичного наближення, тиск, що передається від продуктів детонації до межі руйнування породи, визначається співвідношенням

,(1)

де сс - акустична жорсткість породи з урахуванням впливу навколишнього середовища, кг/м²с;

с_ВHD - акустична жорсткість ДШ, кг/м²с;

Р_Н - початковий тиск у свердловині, МПа.

Внаслідок різкого підвищення тиску гази, що утворилися при детонації нитки ДШ, здійснюють удар по стінках свердловини. У результаті в породі виникають високі напруження, які поширюються в усі боки від місця вибуху у вигляді ударної хвилі. На фронті ударної хвилі в безпосередній близькості від ДШ напруження часто перевищують межу міцності порід. З віддаленням від ДШ енергія ударної хвилі швидко зменшується, вона переходить у хвилю напружень, і напруження стискання вже не викликають руйнуючої дії. Однак напруження розтягнення на відстані ще декількох радіусів заряду продовжують перевищувати межу міцності порід на розтягнення. Внаслідок цього відбувається порушення суцільності породи і від ДШ у радіальному напрямку поширюється тріщина.

Для знаходження довжини тріщини, що утвориться, застосовано рівняння, яке характеризує падіння напружень в масиві з плином часу

,(2)

де - значення величини падіння напруження на відстані від вибуху, що дорівнює r', Па;

в - безрозмірний коефіцієнт, що дорівнює 0,3;

- коефіцієнт загасання імпульсу напружень;

- співвідношення імпедансів ВР в ДШ і гірської породи;

(м - коефіцієнт Пуассона);

q - питома вагова потенційна енергія ВР, кДж/кг;

г_ВР - об'ємна вага ВР, Н/м³.

Розрахунок зміни тиску в різних гірських породах представлений на рис. 1.

Для встановлення кінцевої довжини тріщини, скористаємося умовою її розвитку, згідно з якою для досягнення тріщиною довжини l* у цій точці необхідно поєднання двох критеріїв: руйнівного напруження у_р та існування його протягом певного часу t*. Іншими словами, необхідно в даній точці створювати вибуховий імпульс

.(3)

де , с;

с_т - швидкість розвитку тріщини, м/с.

Використання співвідношень (2) та (3) дозволило отримати взаємозв'язок зміни довжини магістральної тріщини залежно від властивостей гірської породи і матеріалу, що оточує заряд (рис. 2).

Як видно з рис. 2, тріщини найменшої довжини будуть утворюватися в кварциті при підриванні на ньому нитки ДШ у повітрі, а найбільшої - у вапняку при підриванні на ньому ДШ у піску.

На підставі виконаного теоретичного оцінювання впливу властивостей гірського масиву і матеріалу, що оточує заряд, на параметри початкової тріщини, яка утворюється під час вибуху, можна зробити наступні висновки:

- збільшення швидкості детонації ВР в два рази призводить до того, що подальшого розвитку набувають мікротріщини, початкова довжина яких є у 10 разів меншою, а при збільшенні щільності заряджання ВР у два рази l_min зменшується всього лише в 4 рази (при незмінній швидкості детонації);

- підтверджено, що створення початкової тріщини в гірських породах можливо здійснювати за допомогою підривання ниток ДШ-6;

- чисельно встановлено розміри тріщин, які будуть розвиватися при вибуховому руйнуванні вапняку, граніту і кварциту в повітрі, воді та піску. Показано, що найбільші тріщини виникають у вапняковій моделі при підриванні її в оточенні піску (12,1 мм), найменші тріщини з'являються в кварциті при підриванні його в повітрі (10,2 мм).

У третьому розділі пред-ставлено результати лабораторних досліджень ефективності розроб-лених конструкцій контурних зарядів ВР, зокрема, зарядів з випереджувальним тріщиноут-воренням.

Для лабораторного підтвердження утворення на поверхні зразка початкової тріщини від вибуху нитки ДШ, а також для визначення впливу властивостей проміжного середовища на зміну мікротріщинуватості гірської породи під час вибуху, було проведено серію експериментів із підривання накладних зарядів на зразках із лабрадориту (об'ємна маса - 2815 кг/м³, міцність на стискання - 180 МПа) розміром 40Ч40Ч80 мм. Вибухи проводили у воді (імітація водонаповненої свердловини), піску (імітація сухої свердловини, заповненої насипною ВР) і без проміжного середовища (у повітрі). Як накладний заряд використовували циліндричний заряд тену масою m=70 мг, довжиною l=45 мм, радіусом r_з=1,5 мм. При цьому один край заряду лежав на зразку, а другий спирався на підставку заввишки 3 мм, тобто величина зазору змінювалася в межах від 0 до 2,0 радіусів заряду.

Після вибухів проводився візуальний контроль поверхні моделей, а за допомогою растрового електронного мікроскопа РЕМ-106В - фіксація зміни тріщинуватості залежно від глибини.

Проведені експерименти дозволили встановити межі поширення мікротріщинуватості та глибину тріщин, що утворилися, залежно від властивостей середовища, розташованого між ВР і моделлю. У всіх трьох дослідах найбільше руйнування спостерігалося в місці контакту заряду зі зразком. При віддаленні заряду від поверхні ступінь порушення знижується і при зазорі більше 2r_з спадає до нуля.

Аналогічні експерименти були проведені також із зарядами радіусом 2 мм. Обробка результатів експериментів дозволила одержати емпіричні залежності зміни відносної глибини тріщини, що утворилася (), від відносної величини зазору () між поверхнями заряду і моделі, а також речовини, що заповнює зазор:

- під час вибуху в повітрі

(коефіцієнт кореляції - 0,98);

- під час вибуху у воді

(коефіцієнт кореляції - 0,96);

- під час вибуху у піску

(коефіцієнт кореляції - 0,97).

Також результати даних експериментів дозволили одержати емпіричні залежності зміни відносної глибини тріщини від акустичної жорсткості середовища, що заповнює зазор:

- для точки 1 - ; (коефіцієнт кореляції - 0,98);

- для точки 2 - (коефіцієнт кореляції - 0,99);

- для точки 3 - (коефіцієнт кореляції - 0,97).

Основне призначення свердловин контурного ряду - забезпечення руйнування гірської породи вздовж лінії розташування свердловин і зниження при цьому шкідливої законтурної дії вибуху. На сьогодні це найчастіше досягається за рахунок використання розосереджених зарядів чи зарядів з радіальним зазором. Особливості тріщиноутворення за наявності насічок на стінках шпуру є маловивченими і вимагають додаткового дослідження.

З цією метою були проведені експерименти щодо спрямованого вибухового розколу моделей з використанням шпурів з насічками і без них. Обробка отриманих результатів показала, що для розколу моделі з лабрадориту з одним шпуром з насічками необхідно використовувати заряд тену з масою ВР на 21 % меншою, ніж для моделі зі шпуром без насічок. Крім того, дані дослідження дозволили встановити параметри підривання, що дозволяють уникнути появи на стінках свердловини тріщин, спрямованих перпендикулярно до площини відколу - маса контурного заряду ВР повинна забезпечувати відношення величини усередненого тиску ПД у свердловині до межі міцності породи на розтягнення у діапазоні 4,1...6,0.

У наступній серії експериментів досліджували вплив насічок на стінках шпуру при взаємодії двох суміжних зарядів. Оскільки наявність насічок на стінці шпуру підвищує ефективність спрямованого розколу, можливими є два шляхи оцінювання економічної доцільності застосування даного методу:

- при незмінній міжшпуровій відстані визначити мінімальну масу заряду, за якою формується суцільна тріщина відколу;

- без зміни маси визначити максимально можливу міжосьову відстань між зарядами, за якою здійснюється спрямоване відколювання.

Виконані експерименти показали, що для одержання спрямованої тріщини між шпурами без насічок необхідно використовувати на 27 % більше ВР, ніж для шпурів з насічками. Також установлено, що при незмінній масі заряду насічки круглого перерізу (радіус надрізу 0,4 мм) дозволяють збільшити міжшпурову відстань на 40 %, а насічки трикутного перерізу - на 60 % (порівняно з використанням шпурів без насічок).

Як відомо, під час вибуху гірської породи тріщина, що розколює, з'являється внаслідок дії напружень розтягнення. Для того, щоб з насічки проросла тріщина, а на стінках свердловини, перпендикулярних до напряму відколу не виникала наведена вибухом тріщинуватість, потрібно розрахувати параметри заряду, необхідні для появи шуканого імпульсу. Необхідні імпульси (критичні імпульси руйнування) можна знайти за результатами випробувань зразків на ударну в'язкість.

При аналізі отриманих результатів було виявлено, що створення на зразку початкової тріщини дозволяє зменшувати величину критичного імпульсу руйнування для граніту на 21…22 %, лабрадориту - на 18…19 %, мармуру - на 17…18 %.

Як можна помітити з проведених експериментів, наявність на стінках свердловини насічок позитивно впливає на утворення магістральної тріщини. Наступні експерименти були спрямовані на дослідження можливості одержання початкових тріщин на стінках свердловин вибуховим способом, що, як було зазначено вище, є більш раціональним.

Перевірку можливості формування початкової тріщини вибухом нитки ДШ у свердловинах діаметром D = 150, 180, 200 і 250 мм і з'ясування особливостей тріщиноутворення при використанні сухої та водонаповненої основної ВР проводили на зразках із сургучу та оргскла, підбираючи їхні розміри відповідно до геометричної подібності. Проведені експерименти показали, що створення попередньої тріщини в стінках свердловини є можливим в тих випадках, коли діаметр ДШ не перевищує 0,02…0,04 діаметра свердловини.

Дослідженнями Б.Б. Цуцієва встановлено можливість утворення під час вибуху подовженого заряду ВР у середовищі, яке підривається, подовжньої циліндричної порожнини, розміри якої залежать від властивостей матеріалу середовища і параметрів ВР. Тому можна припустити, що підривання розміщених по твірній свердловини, заповненої ВР, ниток ДШ призведе до формування в основному заряді циліндричних порожнин, які будуть відігравати роль кумулятивних виїмок.

Для підтвердження даного припущення були проведені лабораторні дослідження на піщано-цементних моделях з отвором посередині, біля стінок якого були діаметрально розташовані два заряди. Після вибуху фіксували розміри і форму порожнин, що утворилися (рис. 3).

Як видно з табл. 1, підривання ДШ біля стінок свердловини приводить до стиснення основної ВР, тобто відбувається зменшення її діаметра (D_ВР). Тому для її надійної детонації необхідно, щоб даний параметр пере-вищував критичний діаметр ВР. Аналіз отриманих результатів показав, що для свердловин діаметром 180...250 мм необ-хідно використовувати ДШ із масою, не більшою 6 г/п.м.

Проаналізувавши все вищезазначене, можна зробити висновок: як найбільш раціональну конструкції заряду для контурного підривання доцільно використовувати заряд, утворений з основної ВР, розташованої по центру свердловини в оболонці з вирізами, і відрізків ДШ, прокладених по твірній свердловини.

Таблиця 1 Зміна розмірів кумулятивних порожнин

Діаметр свердловини DС, мм	Тип ДШ
	ДШ-6	ДШ-9
	RКП, мм	DВР, мм	RКП, мм	DВР, мм
180	25	130	32	116
200	29	142	38	124
250	55	140	64	122

Після детонації ДШ на стінках свердловини утворюються початкові тріщини, а в основній ВР формується порожнина, яка буде відігравати роль подовжньої кумулятивної виїмки. Далі відбувається вибух основного заряду, енергія вибуху кумулюється в районі початкових тріщин і утворюється магістральна відкольна тріщина.

Перевірку ефективності розробленої конструкції контурного заряду спочатку проводили в лабораторних умовах. Для цього порівнювали довжини тріщин, отриманих від вибуху розробленого заряду, і двох інших зарядів, у яких початкова тріщина створюється попередньо механічним шляхом, а саме:

а) механічне формування на стінках свердловини подовжніх насічок і використання оболонки з прорізами;

б) та ж конструкція, але заряд має подовжні кумулятивні виїмки;

в) основний заряд, розташований усередині оболонки, у розрізах якої поміщені два додаткових подовжених заряди (імітація ДШ).

Експерименти були проведені на зразках з оргскла і сургучу, їхні розміри (230Ч130Ч40 мм) підбирали таким чином, щоб можна було визначити довжину найбільшої тріщини і виключити вплив відбитих хвиль.

Встановлено, що найбільша тріщина утворюється під час вибуху заряду, сформованого за схемою (б). Її довжина перевищує довжину тріщини, створену за схемою (а), у 1,6…1,7 раза, а створену з випереджувальним тріщиноутворенням - на 10…12 %. Ці результати ще раз підтверджують припущення, що ефективність пропонованої конструкції заряду пояснюється не тільки попереднім створенням початкової тріщини, але і використанням кумулятивного ефекту.

Створення магістральної тріщини за допомогою розробленої конструкції заряду дозволяє уникнути використання кумулятивних зарядів і підвищення вартості за рахунок механічного формування насічок. При цьому від вибуху додаткових подовжених зарядів за рахунок випереджувального тріщиноутворення на стінках шпуру і появи порожнин, які відіграють роль кумулятивної виїмки в основному заряді, відбувається збільшення довжини магістральної тріщини порівняно зі створеною за схемою (а) у 1,5 раза.

Схожі експерименти з підривання зарядів аналогічних конструкцій, але з різною масою ВР, за якої відбувається пробій моделі наскрізною тріщиною, показали, що для утворення суцільної тріщини з використанням розробленої конструкції заряду необхідно на 17…22 % менше ВР, ніж при застосуванні двох суцільних зарядів.

У четвертому розділі наведено результати полігонних і промислових досліджень ефективності розробленої конструкції контурного заряду.

В умовах ВАТ "Рижівський гранітний кар'єр" були проведені полігонні експерименти зі встановлення глибини тріщини, утвореної на поверхні гранітних моделей (розміром 150Ч150Ч50 мм) вибухом нитки ДШЕ-6. Отримані результати показали, як глибина тріщин залежить від властивостей середовища, що оточує заряд. Порівняння глибини реальних тріщин (l_тр) з розрахунковою дало високу збіжність результатів при підриванні у гранвідсіві (l_тр?10 мм) і трохи менші величини у випадку підривання у воді (l_тр?8 мм) і в повітрі (l_тр?4 мм).

Для підтвердження можливості формування в основному заряді подовжніх порожнин від вибуху ниток ДШ, розташованих по твірній свердловини, розраховували час, необхідний для формування даних порожнин, і час, який витрачається на проходження детонації по довжині заряду. Встановлено, що на уступі заввишки 10 м при одночасному ініціюванні ВР зі швидкістю детонації, наприклад, D=3000 м/с і ДШ, у якого D=6200 м/с, уже через 815 мкс детонація ДШ випередить детонацію ос-новної ВР і встигне утворити в ній кумулятивну по-рожнину. Це відбудеться приблизно на відстані 470 мм від верхнього торця основ-ного заряду. Отже, ефективна робота розроб-леної конструкції контурного заряду є можливою при одночасному ініціюванні додаткових ниток ДШ і основного заряду.

Промислові дослідження розробки проводилися про-тягом 2010 р. у кар'єрах ВАТ "Полтавський ГЗК", ВАТ "Рижівський гранітний кар'єр", ВАТ "Шархинський кар'єр" (АР Крим).

Дані експерименти під-твердили ефективність роз-робленої конструкції кон-турних свердловинних зарядів з випереджувальним тріщи-ноутворенням при вико-ристанні їх на кар'єрах для підривання останнього кон-турного ряду свердловин. Запропоновані заряди доз-воляють на 17…22 % зменшити необхідну масу ВР без погіршення якості відбійки.

Виконані експеримен-тальні та промислові дослід-ження дозволяють рекомен-дувати наступні раціональні конструкції зарядів для контурного підривання:

- при підриванні в свердловинах, діаметром до 180 мм, необхідно попередньо (перед розміщенням у свердловині основного заряду) створювати початкові тріщини на стінках свердловини вибухом ниток ДШ, прокладених по її твірній;

- для підривання в сухих свердловинах - застосовувати заряд з розміщеними по твірній свердловини нитками ДШ;

- у водонаповнених свердловинах при використанні неводостійких ВР конструкцію вищевказаного заряду необхідно доповнити оболонкою, що притискає ДШ до стінок свердловини і захищає основну ВР від води.

Використання запропонованої конструкції заряду в контурних свердловинах у ВАТ "Полтавський ГЗК" дозволило на 22 % зменшити витрати ВР, що при підриванні 1 тис. свердловин дозволить одержати близько 30 тис. грн економії (у цінах 2010 р.).

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій на підставі досліджень особливостей формування і розвитку початкових тріщин на стінках свердловини вибуховим способом, розробки й упровадження раціональних конструкцій контурних зарядів з випереджувальним тріщиноутворенням, отримано нове рішення актуальної наукової задачі підвищення ефективності процесу спрямованого руйнування гірських порід, що має велике значення для гірничовидобувної галузі.

Основні підсумкові наукові результати і практичні рекомендації, отримані в дисертації, зводяться до наступного:

1. Аналіз наукових і практичних результатів використання контурних зарядів для підривання останнього контурного ряду свердловин підтвердив необхідність дослідження і розробки нових методів підвищення ефективності дії зазначених зарядів.

2. Уперше з'ясовано, що на розвиток мікротріщин у гірській породі, що розвиваються під час вибуху, найбільший вплив має швидкість детонації ВР, що дозволяє рекомендувати підривання ниток ДШ на стінках свердловини для створення початкових тріщин.

3. Уперше для накладного заряду встановлено взаємозв'язок глибини тріщини з величиною зазору між ВР і стінкою свердловини, а також властивостями середовища, що заповнює цей зазор. Установлено, що глибина тріщини збільшується прямо пропорційно акустичній жорсткості матаріалу середовища і зменшується обернено пропорційно квадрату відстані до поверхні.

4. Вперше експериментально доведено, що для запобігання можливості утворення тріщин у площині, перпендикулярній до напрямку відколу, відношення величини усередненого тиску продуктів детонації до межі міцності породи на розтягнення повинне знаходитися в діапазоні 4,1...6,0 і може бути використане при розрахунку маси контурного заряду.

5. Уперше встановлено, що між гранично припустимою величиною відносного тиску ПД у порожнині та міцністю породи на розтягнення існує лінійна залежність К=0,4028у_Р+0,2924 (де К=Р_СР / у_Р).

6. Вимір швидкості розвитку тріщини при випробуванні зразків на ударну в'язкість дозволив удосконалити методику визначення величини імпульсу руйнування. Експериментально доведено, що його величину можна зменшити за рахунок створення на зразкові початкової тріщини: для граніту - на 21, лабрадориту - 19, мармуру - 18 % (порівняно зі зразками без початкової тріщини).

7. Запропоновано удосконалену конструкцію контурного подовженого заряду, у якому додатково вздовж лінії заданої відбійки розташовані нитки ДШ. Уперше встановлено, що утворення попередньої тріщини в стінці свердловини є можливим в тих випадках, коли діаметр ДШ не перевищує 0,02…0,04 діаметра свердловини.

8. Виконані експерименти дозволили вперше встановити: у свердловинах діаметром 180...250 мм для ефективної роботи конструкції заряду, що рекомендується, необхідно використовувати нитки ДШ із масою тену не більше 6 г/п. м. У свердловинах діаметром до 180 мм рекомендується підривати ДШ біля стінок свердловини попередньо, перед формуванням основного заряду. При цьому за рахунок зниження енергоємності руйнування маса основного заряду може бути зменшена на 17...22 %.

9. Розрахунки показали, що економічно ефективно використовувати розроблену конструкцію заряду в свердловинах діаметром понад 150 мм (у цінах 2010 р.).

10. Розроблена конструкція заряду пройшла дослідну перевірку в умовах ВАТ "Полтавський ГЗК". Її використання дозволило без погіршення якості вибухової відбійки зменшити витрати ВР на 22 %, що дасть можливість при підриванні 1 тис. свердловин одержати економічний ефект у сумі 30 тис. грн (у цінах 2010 р.).

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Воробьева Л.Д. Влияние величины радиального зазора и материала-заполнителя на динамическое нагружение среды при взрыве / Л.Д. Воробьева, В.Е. Проценко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2008. - Вип. 6/2008 (53). Частина 1. - С. 111 - 113.

2. Проценко В.Е. О влиянии свойств среды в радиальном зазоре на характер трещинообразования моделей при импульсном нагружении / В.Е. Проценко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2009. - Вип. 4/2009 (57). Частина 2. - С. 99 - 101.

3. Воробьев В.В. Влияние параметров заряда на развитие начальных микротрещин при взрыве / В.В. Воробьев, М.В. Помазан, В.Е. Проценко // Сучасні ресурсоенергозберігаючі технології гірничого виробництва. - Кременчук: КДУ імені Михайла Остроградського, 2009. - Вип. 2/2009 (4). - С. 7 - 11.

4. Воробйов В.В. Оцінка похибки виміру ударної в'язкості за методом Шарпі / В.В. Воробйов, Я.М. Стірманов, В.Є. Проценко / Вісник Кременчуцького державного університету імені Михайла Остроградського. - Кременчук: КДУ імені Михайла Остроградського, 2010. - Вип. 1/2010 (60) Частина 1. - С. 165 - 168.

5. Проценко В.Е. Современные методы добычи блочного камня // Актуальні проблеми життєдіяльності суспільства: Всеукр. наук.-техн. конф. - Кременчук, 17 - 18 квітня 2008 р. - Кременчук, 2008. - С. 109.

6. Проценко В.Е. Определение импульса тангенциальных растягивающих напряжений невзрывным способом // Актуальні проблеми життєдіяльності суспільства: Всеукр. наук.-техн. конф. Кременчук, 21-22 квітня 2010 р. - Кременчук, 2010. - С. 126.

7. Пат. 42015 Україна, МПК⁷ F 42 D 1/08, F 42 D 3/04. Заряд для контурного підриву / В.В. Воробйов, В.Є. Проценко, М.М. Кіпін, А.В. Воробйов, Л.Д. Воробйова; заявник і патентовласник Кременчуцький держ. політехн. ун-т імені Михайла Остроградського. - № u200813613; заявл. 25.11.2008; опубл. 25.06.2009, Бюл. № 12.

8. Пат. 44832 Україна, МПК⁷ F 42 D 1/08, F 42 D 3/04. Заряд для контурного підриву / В.В. Воробйов, В.Є. Проценко, А.В. Воробйов, Л.Д. Воробйова; заявник і патентовласник Кременчуцький держ. політехн. ун-т імені Михайла Остроградського. - № u200906158; заявл. 15.06.2009; опубл. 12.10.2009, Бюл. № 19.

9. Пат. 54179 Україна, МПК⁷ F 42 D 1/00, F 42 D 3/00. Заряд для формування борту кар'єру / В.В. Воробйов, В.Є. Проценко, А.В. Воробйов, Л.Д. Воробйова; заявник і патентовласник Кременчуцький держ. ун-т імені Михайла Остроградського. - № u201006117; заявл. 20.05.2010; опубл. 25.10.2010, Бюл. № 20.

Анотація

Проценко В.Є. Обґрунтування параметрів контурного підривання з випереджувальним тріщиноутворенням для підвищення ефективності вибухового руйнування гірських порід. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.09 - Геотехнічна і гірнича механіка - Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського. - Кременчук, 2011.

Дисертацію присвячено підвищенню ефективності спрямованого вибухового руйнування гірських порід контурними свердловинними зарядами за рахунок вибухового створення концентраторів напружень у місцях появи початкових тріщин і формування в основному зарядові поздовжніх кумулятивних порожнин, утворених вибухом малопотужного ДШ, розташованого біля стінок свердловини по лінії заданого відколу.

Уперше експериментально доведено, що для усунення можливості утворення тріщин у площині, перпендикулярній напрямку відколу, відношення величини усередненого тиску продуктів детонації до межі міцності породи на розтяг повинне знаходитися в діапазоні 4,1...6,0.

Встановлено, що розроблений контурний заряд з випереджувальним тріщиноутворенням дозволяє на 17…22 % зменшити масу ВР, необхідну для утворення магістральної тріщини.

Ключові слова: вибух, вибухова речовина, гірська порода, кумулятивні порожнини, початкова тріщина, руйнування, контурний заряд, свердловина.

Аннотация

Проценко В.Е. Обоснование параметров контурного взрывания с опережающим трещинообразованием для повышения эффективности взрывного разрушения горных пород. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - Геотехническая и горная механика - Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского. - Кременчуг, 2011.

Диссертация посвящена повышению эффективности направленного взрывного разрушения горных пород контурными скважинными зарядами за счет взрывного создания концентраторов напряжений в местах появления начальных трещин и формирования в основном заряде продольных кумулятивных полостей, образованных взрывом маломощного ДШ, расположенного у стенок скважины по линии предполагаемого откола.

В работе теоретически и экспериментально подтверждена возможность взрывного создания на стенках скважины в заданном направлении начальных трещин, глубина которых меняется в зависимости от свойств среды, наполняющей скважину и окружающей нить ДШ, расположенную по ее образующей.

Впервые экспериментально доказано, что для устранения возможности образования трещин в плоскости, перпендикулярной направлению откола, отношение величины усредненного давления продуктов детонации к пределу прочности породы на растяжение должно находиться в диапазоне 4,1...6,0. При этом была усовершенствована методика определения величины критического импульса разрушения горных пород, которая отличается тем, что в ее основе лежат результаты испытания образцов на ударную вязкость.

Впервые экспериментально установлено, что создание предварительной трещины в стенке скважины возможно в тех случаях, когда диаметр ДШ не превышает 0,02 - 0,04 диаметра скважины.

На основании выполненных экспериментов впервые получено, что эффективная работа разработанной конструкции контурного удлиненного заряда достигается при использовании ДШ с массой ВВ не менее 6 г/п.м. А на стенках скважин, диаметр которых меньше 180 мм, нарушенность среды в направлении откола необходимо создавать перед формированием основного заряда.

Экспериментально доказано, что разработанный контурный заряд с опережающим трещинообразованием позволяет на 17…22 % уменьшить массу ВВ, необходимую для образования магистральной трещины.

Выполненные расчеты показали, что экономически эффективно использовать разработанные заряды в скважинах более 150 мм (в ценах
2010 г.).

Опытная проверка разработанной конструкции контурного скважинного заряда проводилась в условиях ОАО «Полтавский ГОК». Установлено, что экономический эффект от внедрения данной конструкции заряда может достигать 30 тыс. грн при взрывании 1 тыс. скважин (в ценах на взрывчатые материалы 2010 г.)

Ключевые слова: взрыв, взрывчатое вещество, горная порода, кумулятивные полости, начальная трещина, разрушение, контурный заряд, скважина.

Abstract

Protsenko V.Y. Justification of the options of contouring explosion with proactive fracturing to increase the efficiency of explosive destruction of rocks. - Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences on a specialty 05.15.09 - Geotechnical and Mining Mechanics - Kremenchuk Mykhaylo Ostrogradskiy State University - Kremenchuk, 2011.

Dissertation is devoted the increase of efficiency of the directed explosive destruction of rocks with contour downhole charges due to explosive creation of concentrators of tension in the places of appearance of initial cracks and forming in the basic charge of longitudinal cumulative cavities, formed the explosion of low-powered detonating cord, located near the walls of mining hole for the lines of predictable split.

For the first time experimentally proven that to eliminate the possibility of beginning cracks in the plane perpendicular to the direction of split, the ratio of average pressure of detonation products to the limit of tensile strength of rocks should be within 4.1...6.0.

Established that a developed contour charge is with proactive fracturing allows on 17…22 % to decrease mass of explosive, necessary for formation of main crack.

Keywords: explosion, explosive, rocks, cumulative cavities, initial crack, destruction, contour charge, mining hole.

Размещено на Allbest.ru