Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

обоснование и разработка технологии взрывных работ, обеспечивающей устойчивость горных выработок при комбинированной отработке рудных месторождений

Специальность - 25.00.20 -«Геомеханика, разрушение горных

пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Исмаилов Тахир Турсунович

Москва, 2010



Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор Белин Владимир Арнольдович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Казаков Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор, Барон Всеволод Лазаревич

доктор технических наук, профессор, Ломоносов Геральд Георгиевич

Ведущая организация - ФГУП «Гипроцветмет» (г.Москва)

Защита состоится 24 февраля 2010 г. в 13 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: г.Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь совета,

докт. техн. наук Мельник Владимир Васильевич



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С увеличением глубины разработки рудных месторождений открытым способом до предельно экономически целесообразной величины и необходимостью конверсии технологии добычи на подземный способ усложняются горно-геологические и горнотехнические условия работ, повышается обводненность и трещиноватость геоматериалов, увеличиваются объемы добычи разубоживающих горных пород, уменьшается ширина рабочих площадок уступов карьера, растет влияние глубины карьера на сопротивляемость руд взрывному разрушению и т.п.

В этих условиях значительно возрастают требования к технологии буро-взрывных работ, применяемым взрывчатым веществам, сохранности рудо-вмещающих массивов и земной поверхности над ними, горных выработок карьера и подземного рудника при сейсмическом воздействии одновременно взрываемого большого количества взрывчатых веществ в карьере и на руднике.

Регламенты проектирования и производства взрывных работ на карьерах и подземных рудниках недостаточно полно учитывают совместное влияние глубины разработки и физико-механических характеристик массива горных пород на параметры отбойки, что снижает показатели взрывного разрушения и понижает устойчивость рудовмещающего массива, расположенных в нем технологических объектов и земной поверхности.

Поэтому обоснование технологии и параметров взрывной отбойки с учетом их воздействия на окружающую среду при комбинированной отработке рудных месторождений является весьма актуальной научной проблемой.

Цель работы: обоснование и разработка технологии взрывных работ, обеспечивающей устойчивость горных выработок, на основе учета закономерностей изменения взрываемости рудовмещающего массива в условиях сложного напряженного состояния горных пород, создаваемого комбинированной отработкой рудного месторождения.

Основная идея работы заключается в использовании выявленных закономерностей изменения физико-технических свойств рудовмещающего массива пород с увеличением глубины разработки месторождения для обоснования параметров взрывных работ.

Основные защищаемые научные положения:

1. Напряженно-деформированное состояние рудовмещающих пород на глубоких горизонтах карьера приводит к образованию трех зон, отличающихся величиной радиальных компонент напряженного состояния пород и необходимым удельным расходом взрывчатых веществ (ВВ) для обеспечения заданного качества дробления горных пород.

2. В зоне предельной глубины карьера относительный удельный расход ВВ зависит от глубины разработки, относительной вязкости и трещиноватости пород и изменяется от этих факторов по степенному закону, возрастая с увеличением глубины разработки.

3. При совмещении открытых и подземных работ отбойку руды в карьере и на подземном руднике следует производить раздельно с удельным расходом ВВ, не превышающим 1,2 кг/м³, а интервалы замедления между зарядами на открытых и подземных работах не должны превышать 25-35 мс.

4. При массовой подземной отбойке руд интенсивность величины динамических напряжений, возникающих при взрыве, прямо пропорциональна предельно допустимой скорости смещения массива горных пород, коэффициенту ослабления массива и плотности пород в степенной зависимости.

5. Рациональные параметры взрывных работ в зоне перехода горных работ с открытого способа на подземный определяются по деформационному критерию устойчивости массива горных пород обеспечивают минимизацию негативного воздействия горных работ на окружающую среду и улучшают показатели эксплуатации рудных месторождений.

Методы исследований: анализ литературных источников и результатов ранее выполненных исследований, данных практики и патентной информации; научное классифицирование; теоретические обоснования; аналитические расчеты с использованием информационных технологий; экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях; графоаналитические построения и технико-экономический анализ.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечиваются проведением необходимого объема теоретических и экспериментальных исследований; соответствием результатов расчетов данным лабораторных и промышленных экспериментов и практики; выполнением необходимых технологических проработок; апробацией полученных результатов и использованием основных положений работы на производстве.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1. Выявлена закономерность распределения радиальных напряжений в рудовмещающем массиве с образованием зон, различающихся величиной напряжений и удельным расходом ВВ на взрывную отбойку и позволяющих прогнозировать устойчивость массива.

2. Установлен механизм выведения элементарных породных блоков из зацепления радиальными напряжениями в массиве, зависящими от изменения величины горного давления с глубиной горных работ.

3. определена закономерность изменения относительной вязкости взрываемых пород, влияющей на сопротивляемость их действию взрыва с ростом горного давления с глубиной горных работ.

4. Выявлен механизм возникновения в массиве остаточных деформаций, ослабляющих массив вплоть до потери устойчивости целиков и искусственных массивов.

5. Экспериментально обоснована гипотеза о возникновении на контуре искусственных целиков сжимающих и растягивающих напряжений, превышающих величину напряжения на фронте взрывной ударной волны и достаточных для разрушения их приконтурной части массива.

6. Уточнено теоретическое положение о разрушении массива с экранированием взрывной волны, что позволяет резко снизить интенсивность сейсмического воздействия взрыва, или при той же интенсивности изменять вес взрываемого заряда ВВ в замедлении.

Научное значение состоит в оптимизации технологии взрывной отбойки руд при комбинированной отработке месторождений полезных ископаемых на основе рационального использования энергетических затрат в переходной зоне с учетом изменения свойств взрываемости рудовмещающего массива, позволяющих повысить эффективность добычи горной массы и улучшить экологическую обстановку в районе горных работ.

Практическое значение диссертации заключается в разработке:

- методов расчета удельного расхода ВВ с учетом изменения глубины горных работ и свойств рудовмещающего массива, обеспечивающих требуемую интенсивность и качество дробления скальных пород и минимизацию сейсмического влияния взрывной отбойки на устойчивость земной поверхности и горных объектов.

- методики расчета оптимальной длины заряда и недозаряда скважин, позволяющей равномерно распределить энергию заряда ВВ в разрушаемом массиве подэтажа. взрывчатый отбойка напряжение

- рекомендаций по ведению взрывных работ при совмещенной схеме отработки рудных месторождений, обеспечивающие устойчивость подземных горных выработок.

Реализация результатов работы. «Рекомендации по научному обеспечению взрывной отбойки с учетом свойств рудовмещающего массива и глубиной разработки» приняты ФГУП «Гипроцветмет» в качестве основы для проектирования технологии разработки месторождений. Основные положения диссертации используются в учебном процессе в МГГУ, РГГРУ, СКГМИ и МГОУ.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались на научных конференциях «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже XX - XXI веков» и Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (МГГРУ, 2002-2006 гг.), на научных симпозиумах «Неделя горняка» (МГГУ, 2000-2006 гг.), Всероссийской научной конференции (с международным участием) «Проблемы геологии и разведки месторождений полезных ископаемых», Томск, 2005, Уральской горнопромышленной декаде (Екатеринбург, 4-14 апреля 2005 г.), V Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Москва - Кызыл-Кия, 18-22 сентября, 2006 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 51 научных работ, в т.ч. 1 монография и 30 научных статей, изданных в журналах и изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 225 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 24 таблицы, библиографический список из 189 наименований источников информации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При конверсии способа разработки месторождения полезных ископаемых, например на комбинированный способ, возникает проблема поиска ре-зервов для сохранения производственной мощности горного предприятия. Для ее решения существующие технологии добычи исследуют на применимость при альтернативном способе разработки.

Современное состояние открытых горных работ характеризуется усложнением горно-геологических условий разработки, обусловленных прежде всего увеличением глубины карьеров и вовлечением в добычу бедных руд. Особенно четко эта тенденция выражена при разработке рудных месторождений. Руды, являющиеся сырьем для подавляющего числа отраслей промышленности, относятся к категории невоспроизводимых ресурсов. Поэтому проблема оптимизации технологии буровзрывных работ (БВР) с учетом влияния усложняющихся факторов разработки на эффективность выемки руд с помощью энергии взрыва и охраны массивов и сооружений в них от сейсмического действия взрывов на карьере и подземном руднике становится более актуальной.

Вопросам совершенствования технологии взрывной отбойки на карьерах в отечественной и зарубежной практике посвящено значительное число исследований. Наибольший вклад в решение задач качества и безопасности взрывной отбойки внесен работами акад. Мельникова Н.В., Ржевского В.В., Адушкина В.В., Трубецкого К.Н., чл.-корр. Каплунова Д.Р., проф. Ломоносова Г.Г., Демидюка Г.П., Викторова С.Д., Кутузова Б.Н., Барона В.Л., Белина В.А., Казакова Н.Н., Тарасенко В.П., Крюкова Г.М., Гончарова С.А., Мангуша С.К. и других ученых.

Для месторождений, отрабатываемых открытым способом, существенным резервом расширения сырьевой базы являются руды, залегающие за проектными контурами карьеров: вблизи бортов, под дном и в относительно небольших изолированных рудных телах. Опыт извлечения запасов руд за контурами карьеров указывает на перспективность их доработки подземным способом.

Деятельность горнодобывающих предприятий, вызывающая нарушение природного равновесия, генерирует проблемы охраны окружающей среды. При подземной разработке рудных месторождений основным требованием становится сохранность земной поверхности. Радикальное решение вопросов рационального использования минеральных ресурсов и охраны окружающей среды при подземной добыче руд обеспечивают технологии с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Такие технологии дают возможность: вскрытия приконтурных запасов руд с бортов и дна карьера, использования вскрышных пород для приготовления закладки и использования карьерных коммуникаций для транспортирования руды.

Реализация указанных преимуществ возможна только при рациональном ведении буровзрывных работ на научной основе. При разработке научных основ конверсионных технологий к основным задачам исследований относятся:

1.Анализ опыта БВР при комбинированной разработке месторождений.

2.Исследование эффективности взрывной отбойки в зоне конверсии.

3.исследование сейсмического воздействия взрыва на устойчивость рудовмещающих массивов и технологических сооружений в нем.

В последние два десятилетия на основании комплексных исследований разработаны технологии, обеспечившие уменьшение выхода негабарита и управляемое воздействие взрывных работ на окружающую среду, разработаны новые схемы взрывания с использованием средств замедления взрывания, уменьшено число отказов и другие положительные эффекты. В последние 5-7 лет разработаны научные основы оптимизации расхода основных и вспомогательных материалов. Актуальность таких новаций возрастает с уменьшением объемов добычи при достижении открытыми горными работами предельных параметров.

Несмотря на разработку методик оптимизации параметров отбойки, они не обеспечивают в полной мере надежности расчетов и существенного улучшения результатов взрывных работ. В частности, недостаточно адекватно оценивается влияние удельного расхода ВВ, типа зарядов и их расположения на результаты взрывов и безопасность работ. Не регламентируются допустимые отклонения от проектных параметров и влияние отклонений на показатели отбойки. Указанные недостатки объясняются недостаточностью рекомендаций по выбору рациональной конструкции и массы сплошных и рассредоточенных зарядов, нагрузок на заряды и коэффициентов их сближения в различных горно-геологических и горнотехнических условиях. Нормативная величина удельного расхода ВВ не всегда учитывает ожидаемый выход негабарита, размер кондиционного куска и возможности применяемого оборудования. Не обеспечивается возможность регулирования размеров кусков отбитой горной массы изменением параметров отбойки.

Так, в «Технических правилах» при выборе коэффициентов сближения зарядов для пород различной трещиноватости дается единый диапазон значений этого показателя (от 0,8 до 1,2), рекомендации по его изменению в различных условиях не приводятся, хотя на практике величина этого коэффициента изменяется в более широком диапазоне - от 0,6 до 1,4.

Природоохранная технология взрывной отбойки при открытой разработке рудных месторождений должна учитывать природные технологические и техногенные факторы (рис. 1). Жирной линией выделены прямоугольники с основными технологическими процессами и основными характеристиками взрываемого массива. Пунктирной линией выделен блок экологических последствий массовых взрывов на карьерах, выражающихся в сохранении устойчивости прикарьерного массива и горных выработок, используемых при комбинированном способе разработки.

Несмотря на разработку принципиально новых положений о сейсмическом действии взрывов, посвященных экспериментальному и теоретическому обоснованию критериев устойчивости для промышленных зданий и сооружений и для бортов карьеров, сейсмика ближней зоны изучена недостаточно полно, что имеет особо важное значение при массовых взрывах при совместной открытой и подземной разработке месторождений. Поэтому основным направлением исследований по сейсмическому воздействию массовых взрывов является установление критически допустимых деформаций и скоростей смещений для поверхностных сооружений, подземных горных выработок и искусственных целиков.



Рис. 1. Схема организации БВР при открытой разработке месторождений



При подземной разработке месторождений влияние природных, технологических и техногенных факторов усиливается (рис. 2).

Рис. 2. Схема организации БВР при подземной разработке месторождений



Для решения намеченных задач устанавливали характер изменения физико-механических характеристик массива с ростом глубины карьера и определяли закономерности изменения величины удельного расхода ВВ в зависимости от напряженно-деформированного состояния и свойств массива.

Для изучения степени разрушения от НДС выбран метод моделирования на эквивалентных материалах. Для проведения экспериментальных исследований изготовлена взрывная камера, внутренние стены которой выложены резиной. Габаритные размеры взрывной камеры: длина 1,0 м, ширина 1,0 м и высота 1,5 м.

Для предотвращения разлета осколков взорванного цементно-песчаного блока взрывная камера снабжена запирающейся крышкой. В соответствии с принятыми условиями моделирования заряд взрывчатых веществ был представлен электродетонатором ЭД-8-Э, который размещался в типовом структурном элементе размером 0,05x0,05x0,05м³ , вставленном в центре основного блока. Взрывание проводили электрическим способом с помощью взрывной машинки BMA-100/300.

Во взрывную камеру помещали песчано-цементный блок, во вспомогательном блоке располагали электродетонатор ЭД-8-Э мгновенного действия, не подключенный к магистральному электропроводу. Горное давление моделировали изменением толщины слоя сухого песка, засыпанного в камеру (h = 0 ч 1,2м).

После этого взрывная камера запиралась, провода от детонатора присоединяли к магистральному проводу, а магистральный провод - к взрывной машинке. Ситовой анализ проводился с помощью набора сит различных номеров: № 0, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50.

Статическая нагрузка имитировала влияние горного давления на прочность трещиноватого массива.

Значения энергоемкости разрушения для различных видов поверхностей ослабления и при различных внешних нагрузках (Р) приведены в табл. 1 (q_В - энергоемкость разрушения при взрыве; S_Н - площадь вновь образованной поверхности).

Таблица 1. Моделирование энергоемкости разрушения массива

Р, КПа Вид модели	Показатели	Р0	Р1	Р2
I	SН, м2 qВ, Дж/м2	0,424 10,57·103	0,975 4,59·103	0,431 10,41·103

IIРазмещено на http://www.allbest.ru/

SН, м2 qВ, Дж/м2	0,403 11,1·103	0,908 4,93·103	0,668 6,7·103

IIIРазмещено на http://www.allbest.ru/

SН, м2 qВ, Дж/м2	1,126 3,97·103	1,076 4,18·103	0,769 5,82·103

IVРазмещено на http://www.allbest.ru/

SН, м2 qВ, Дж/м2	0,853 5,25·103	1,034 4,33·103	1,084 4,13·103

Моделированием установлено:

- максимальное изменение давления в диапазоне от 12 до 24 КПа соответствует наиболее распространенным условиям отбойки , глубина разработки (высота уступа) - от 15 до 30 м;

- по мере роста давления от 0 до 24 КПа, соответствующего увеличению высоты уступа до 30 м, энергоемкость возрастает в 1,2-2,1 раза, а вновь образованная поверхность разрушения уменьшается в 1,3-2,0 раза, что свидетельствует об ухудшении дробления, вызванного ростом сопротивления пород с глубиной;

-при давлении 12 КПа, соответствующем в среднем высоте уступа в натуре 15 м и рассматриваемой ориентировке поверхностей ослабления, энергоемкость разрушения минимальна;

- с увеличением площади поверхностей ослабления степень сопротивления отдельностей уменьшается в 1,2-1,4 раза.

Для оценки влияния горного давления на разрушаемость горных пород предложена математическая модель действия одиночного заряда. В основу разработанной модели положено положение о том, что трещиноватый массив породы в зоне регулируемого дробления под действием значительного горного давления (при глубине Н? 200-300м) можно рассматривать как монолитный.

Для определения влияния горного давления на развивающиеся при взрыве напряжения в массиве пород предположим, что горное давление на глубине Н в первом приближении является гидростатическим и равным гН (г - удельный вес массива пород, МН/м³). Сущность предложенной математической модели сводится к отысканию полей напряжений и деформаций в среде со сферической полостью размером R , внутри которой действует давление Р₁, обусловленное продуктами взрыва (соответствует давлению, при котором начинается развитие трещин и вывод структурных блоков и отдельностей из зацепления), давление снаружи полости равно Р₂ ?гН горному давлению на глубине Н. Решая общее дифференциальное уравнение равновесия сплошной среды, подверженной внутреннему давлению от взрыва одиночного заряда ВВ, определяем коэффициент, характеризующий влияние горного давления на степень разрушения пород (К_Н):

(1)

где q_н, q₀ - удельный расход ВВ при глубине Н с учетом и без учета горного давления соответственно;

Р₁ - давление на контуре скважины (2000-3000 МПа в зависимости от применяемого типа ВВ).

горное давление увеличивает остаточную прочность пород с ростом нормального напряжения, причем максимальное увеличение прочности наблюдается у хрупких пород, поэтому при рассмотрении вопросов, связанных с оценкой взрываемости таких пород, необходимо учитывать их пластические свойства, в частности вязкость. Для оценки вязкости пород с глубиной разработки (повышения горного давления пород) на величину удельного расхода ВВ с учетом гидростатического поля напряжений предложено эмпирическое выражение:

(2)

где К_В - коэффициент, учитывающий изменение удельного расхода ВВ за счет изменения относительной вязкости пород;

ш - отношение предела прочности пород на сдвиг ф₀ к пределу прочности на одноосное сжатие у_с, значение ш постоянно и не зависит от глубины;

о - отношение предела прочности пород на сдвиг ф₀ к прочности горной породы на сдвиг на рассматриваемой глубине ф_i, значение о<1, так как с глубиной ф₀< ф_i:

. (3)

Коэффициент относительного изменения удельного расхода ВВ характеризует необходимое увеличение расхода ВВ за счет влияния горного давления на относительную вязкость пород и изменяется с глубиной разработки по степенному закону.

При подходе отработки месторождений карьером к предельной глубине происходит разгрузка массива, представляющего собой практически монолитную среду с залеченными трещинами, имеющими минимальное раскрытие (1-2 мм). Разгрузка массива сопровождается «наведенными» трещинами преимущественно в виде вертикальных секущих трещин.

При отработке глубоких горизонтов карьеров отмечается неравномерное дробление горной массы по ширине взрываемого блока. Нами установлено, что неравномерность связана с различной степенью нарушенности взрываемого блока по ширине, возникающей в результате разгрузки пород под действием горизонтальных напряжений в массиве.

Рис. 3. Изолинии напряжений в массиве

Для определения степени нарушенности пород на уступах разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния массива в приближении плоской деформации для центрального сечения карьера. Для упрощения расчета верхние уступы заменим участком борта карьера. В первом приближении примем, что массив упругий, изотропный и однородный с модулем Юнга Е = 6•10⁴ МПа и коэффициентом Пуассона н = 0,2.

Учитывая неравномерный характер распределения напряжений, определяли параметры БВР для каждой части блока пo его ширине дифференцированно.

Задача решалась методом конечных элементов при помощи модернизированной программы «FEMINA». Область разбивалась на 320 элементов, точность вычисления напряжений 10%. На рис. 3 показаны изолинии напряжений у_х.

Анализ распределения напряжений, а следовательно, и интенсивности разгрузки массива с глубиной позволяет выделить характерные зоны:

- зона А - часть блока, прилегающая к откосу вышележащего уступа и равная примерно 0,2 ширины взрываемого блока, характеризуется повышенными значениями напряжений;

- зона Б - центральная часть блока, равная примерно 0,5 ширины взрываемого блока, характеризуется равномерным распределением значений по ширине блока и неоднородностью распределения напряжений по глубине;

- зона В - часть блока, прилегающая к откосу взрываемого уступа и равная примерно 0,3 ширины взрываемого блока, характеризуется повышенной концентрацией напряжений в зоне подошвы уступа.

В зоне А расчет параметров БВР и удельного расхода ВВ должен проводиться по формулам (1)-(3).

В зоне Б расчет параметров производится по обычной методике.

В зоне В при расчете параметров БВР необходимо увеличивать массу зарядов в нижней части блока (котловые решения, сдвоенные скважины и т.д.).

Установлено, что напряженно-деформированное состояние рудовмещающих пород на глубоких горизонтах карьера приводит к образованию трех зон, отличающихся величиной радиальных компонент напряженного состояния породы и необходимым удельным расходом взрывчатых веществ (ВВ) для обеспечения заданного качества дробления горных пород.

Экспериментально определено, что увеличение горного давления способствует повышению сопротивляемости пород и относительному перемещению отдельностей и элементарных блоков породы при взрыве и ухудшает качество дробления горной массы.

Закономерность изменения удельного расхода ВВ () с глубиной

описывается выражением:

, (4)

где - удельный расход ВВ для нормальных условий;

К_Н - коэффициент, учитывающий влияние горного давления на степень разрушения пород;

К_В - коэффициент, учитывающий влияние относительной вязкости пород;

К_Т - коэффициент, учитывающий влияние трещиноватости.

Значение коэффициента К_Т, входящего в выражение (4):

, (5)

где А_Ф - акустический показатель трещиноватости на глубине более 150 м;

А_т - акустический показатель трещиноватости на глубине 150 м;

f_Ф - коэффициент крепости на глубине Н, м;

f_т - коэффициент крепости на глубине 150 м.

Изменение характера и интенсивности трещиноватости с глубиной оценивается акустическим показателем трещиноватости А_Ф.

Для определения величины удельного расхода ВВ для предельной глубины с учетом напряженно-деформированного состояния пород (формула 1), изменения прочностных (формула 3), пластических свойств (формула 2) и трещиноватости пород (формула 5) с глубиной разработки предложена модель:

.

С использованием модели (6) построены графики (рис. 4) изменения удельного расхода для различного типа ВВ с давлением во фронте ударных волн Р₁ = 2000 МПа и Р₁ = 3000 МПа с глубиной разработки для условий Горевского месторождения: А_Ф/ А_т= 1,5; г = 0,356 МН/м³; m = 1,5; Н_опт=150 м; М_н= = 8 м; ш = 0,17;

.

Анализ формулы (6) свидетельствует, что в зоне предельной глубины карьера относительный удельный расход ВВ зависит от глубины разработки, относительной вязкости и трещиноватости пород и изменяется от этих факторов по степенному закону.



Рис. 4. Графики изменения относительного удельного расхода ВВ (q_п/q₀) от глубины (Н) разработки (карьера) при различных типах ВВ с давлением во фронте ударных волн: 1 - Р₁ = 2000 МПа и 2 - Р₁ = 3000 МПа

В табл. 2-4 приведены рекомендуемые значения поправочных коэффициентов.

Таблица 2. Значения поправочного коэффициента К_Н

Глубина разработки, м	100-200	200-300	300-400
Значение коэффициента, КН	1,05	1,10	1,15

Таблица 3. Значения поправочного коэффициента КВ

Глубина разработки, м	100-200	200-300	300-400
	Группа месторождений
	А	Б	В	А	Б	В	А	Б	В
Значение КВ	1,02	1,03	1,05	1,06	1,1	1,12	1,15	1,18	1,2

Таблица 4. Значения поправочного коэффициента КТ

Глубина разработки, м	100-200	200-300	300-400
Значение коэффициента, КТ	1,1	1,15	1,20



Опыт Горевского карьера показывает, что на предельной глубине 300 м увеличение удельного расхода ВВ даже до 1,4 кг/м³ вместо рекомендуемого нормами технологического проектирования 1,2 кг/м³ не улучшает качества дробления. Анализом зависимости величины линии наименьшего сопротивления для пород различной крепости от диаметра скважин, обеспечивающей одинаковую степень дробления руды на рудниках «Алпыс» АП Майкаинзолото и 57-й шахты Жезказганского ГМК, установлена закономерность (табл.5).

Таблица 5. Зависимость линии наименьшего сопротивления от диаметра скважин

Коэффициент крепости руды	Л.Н.С. при диаметре скважин, мм
	50	70	100	150
6-8	2,4	2,9	3,3	4,1
12-14	2,0	2,4	3,0	3,5
18-20	1,7	2,0	2,5	3,1

в табл. 6 приведен удельный расход ВВ на скважинную отбойку руды при постоянном качестве дробления на рудниках «Алпыс» АП Майкаинзолото и 57-й шахты Жезказганского ГМК.

Таблица 6. Удельный расход ВВ при постоянном дроблении

Коэффициент крепости руды, f	Диаметр скважины, м 10-3	Удельный расход ВВ на отбойку, кг/м3	Л.Н.С.
6-8	50 70 100 150	0,30-0,35 0,40-0,45 0,60-0,65 0,95	2,4-2,5 2,9-3,0 3,3-3,5 4,1-4,3
12-16	50 70 100 150	0,40-0,45 0,55-0,60 0,85-0,90 1,25-1,3	2,0-2,1 2,4-2,6 3,0-3,1 3,5-3,7
18-20	50 70 100 150	0,6-0,65 0,75-0,80 1,1-1,2 1,8-1,9	1,7-1,8 2,0-2,1 2,5-2,6 3,1-3,2

На этих рудниках применяли порядную схему взрывания. Отбойка велась 1-2 веерами с замедлениями между веерами в 15 мс. Расход ВВ составлял 2,1 кг/м³ при Л.Н.С. - 2,0м. При порядной схеме взрывания наблюдается повышенный выход негабарита, поэтому используют схемы отбойки: с разделением веера на два полувеера и шахматным расположением скважин, врубовую схему с замедлением внутри веера и порядно-уступную.

При короткозамедленной схеме взрывание последующих зарядов следует сразу же после зарождения и прорастания в среде трещин от действия ранее взорванных зарядов. Оптимален такой интервал замедлений, который равен времени образования трещин. Если интервал замедлений меньше этого времени, требуются непроизводительные затраты энергии на раскрытие трещин. Если интервал замедлений превышает время образования трещин, трещины смыкаются и возникнет необходимость затрат энергии на восстановление ранее достигнутого состояния равновесия, т.е. интервал оптимального замедления является функцией свойств породы и расстояния:

, мс, (7)

где ф - интервал замедления, мс;

W - длина наименьшего сопротивления;

А_n - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства породы.

Скорость роста трещины не может превышать скорости продольной волны в реальной среде с учетом предела прочности пород на одноосное сжатие, поэтому А_n:



, (8)

где с - плотность горных пород, кг/м³;

м - коэффициент Пуассона;

- предел прочности пород на одноосное сжатие, МПа.

Так, оптимальный интервал замедлений между веерами для условий Горевского месторождения составляет 25-30 мс, т.е. каждый последующий веер следует взрывать с замедлением 30 мс, а не через 15 мс по техническим условиям.

Степень дробления зависит от диаметра скважин:

, (9)

где N_g - степень дробления;

d_с - средний размер куска породы определяется по предложенной степенной зависимости:

, см.

Средний линейный размер куска изменяется в определенных пределах. Например, для Горевского подземного рудника он составляет 150-300 мм. Тогда степень дробления составит 85-110 (табл. 7).

Таблица 7. Удельный расход ВВ

Коэффициент крепости пород	Удельный расход аммонита №6 ЖВ в зависимости от среднего линейного размера куска, м·10-3
	Проходческие работы	Подземные работы	Открытые работы
	50	100	150	200	300	400
1-3	0,71	0,57	0,48	0,43	0,36	0,29
3-5	0,91	0,73	0,52	0,50	0,46	0,37
5-7	1,0	0,8	0,68	0,61	0,51	0,41
7-9	1,08	0,87	0,73	0,66	0,56	0,44
9-11	1,18	0,95	0,81	0,73	0,61	0,49
11-14	1,27	1,02	0,86	0,77	0,65	0,53
14-20	1,38	1,1	0,94	0,84	0,71	0,57

В случае применения других ВВ данные удельного расхода умножаются на переводной коэффициент для расчета эквивалентных зарядов по идеальной работе взрыва, который равен например для детонита - 0,82, для гранулита АС-8 - 0,89.

Для улучшения качества дробления целесообразно групповое взрывание, при котором выход негабарита снижается, подчиняясь зависимости:

, %, (10)

где n₁ - выход негабарита при однорядном взрывании;

N - выход негабарита по блоку, %;

Р - число последовательно взрываемых зарядов.

При взрывании четырех-пяти вееров выход негабарита может быть снижен в 2-4 раза.

При совмещении открытых и подземных работ отбойку руды в карьере и на подземном руднике следует производить в разное время с удельным расходом ВВ, не превышающим 1,2 кг/м³, а интервалы замедления между зарядами не должны превышать 25-35 мс.

Для оценки характера разрушения горных пород и для определения степени устойчивости горных выработок и искусственных целиков проведено исследование физико-механических и упруго-пластических свойств горных пород и закладочного материала Майкаинского рудника. В блоках № 2,3,4 гор.220 м отобраны керновые пробы руд, вмещающих пород и закладочного материала. Для отобранных проб с помощью ультразвуковых приборов УКБ-I и УЗИС-ЛЭТИ определялась скорость продольных и поперечных волн. Объемный вес определялся методом гидростатического взвешивания. После проведения этих исследований образцы испытаны на одноосное сжатие и растяжение. По результатам лабораторных исследований определены упруго-пластические свойства, характеризующиеся акустической жесткостью пород, модулями Юнга сдвига и объемного сжатия, константой Ляма и коэффициентом Пуассона.

По данным испытаний кернов горных пород и закладочного материала построены зависимости распространения скорости продольных и поперечных волн от прочности образцов :

(11)

где - скорости продольных и поперечных волн, м/с;

- коэффициенты, определенные для конкретных горных пород и закладочного материала.

Для выведенных зависимостей подсчитаны коэффициенты корреляции, которые изменяются в пределах 0,7-0,9, что свидетельствует о наличии достаточно тесной связи между исследуемыми признаками.

Кусковатость взорванной горной массы зависит, в частности, от схемы отбойки. Исследования рациональных схем отбойки велись в условиях Майкаинского подземного рудника. В течение трех-четырех месяцев испытаны четыре схемы отбойки: порядная, шахматная, врубовая и порядно-уступная. Наряду с изучением изменения удельного расхода ВВ на отбойку исследовали качество дробления руд. Для оценки кусковатости взорванной горной массы использовали методы: фотопланиметрический; обмера негабаритных кусков и косвенный - по расходу ВВ на вторичное дробление.

Косвенный метод дал наиболее достоверные данные, поскольку с его использованием был проведен анализ расхода взрывчатых веществ на дробление негабаритных фракций по сменам в течение года по всем испытываемым камерам. Наиболее приемлемые результаты дробления достигнуты при шахматной и порядно-уступной схемах отбойки с выходом негабарита соответственно 13,6 и 10,8% при расходе ВВ 1,2 и 1,1 кг/м³.

С целью равномерного размещения заряда в отбиваемом слое разработан метод определения величины заряда скважины в зависимости от ее длины и наклона. Рациональная длина заряда:

, (12)

где - длина заряда;

- длина скважины;

- эмпирический коэффициент заряжания скважины, зависящий от угла её наклона (б) и определяемый для полувеера с 7 скважинами:

б < 400	Z1 = 0,85	Z2 = 0,93
400 < б <700	Z3 = 0,75	Z4 = 0,87
700 < б <900	Z5 = 0,67	Z6 = 0,96
б = 900	Z7 = 0,81	-

Статистической обработкой 110 паспортов БВР установлено, что применение метода снижает выход негабаритных фракций на 17-20%.

Увеличение удельного расхода ВВ на веер до 1,1 кг/м³ уменьшало выход негабарита до 6-8%. Дальнейшее насыщение разрушаемого объема взрывчатыми веществами увеличило выход негабарита. Для рассмотренных условий минимальным является выход негабарита 6-8%. Этот предел обусловлен структурными особенностями горного массива. Для данного класса пород рациональная величина расхода ВВ равна 1,1-1,15 кг/м³, а линия наименьшего сопротивления - 2,5-3,0 м.

Наиболее перспективна порядно-уступная схема с расположением скважин в соседних веерах в шахматном порядке. С интервалом замедления б₁ или без замедления на отрезную щель взрывают половину ближайшего веера. Далее с интервалом замедления б₂ взрывают вторую половину первого и первую половину второго вееров скважин и т.д. Для выравнивания линии забоя в последнюю очередь взрывают оставшиеся скважины последнего веера с интервалом замедления б₅ . Образуется дополнительная открытая поверхность, длина которой равна линии наименьшего сопротивления. Для данной схемы определена рациональная величина интервалов замедлений, составляющая 25-35 мс. Средний расход ВВ составил 1,15-1,2 кг/м³; выход негабарита - 10-12%; объем буровых работ снизился в 1,5 pаза, a выход руды с 1 м скважины увеличился на 20 - 30%.

Рекомендованы сейсмически безопасные технологии, решающие следующие задачи:

1. Управление смещением элементов массива в зависимости от расстояния, массы взрываемого заряда, пространственной сосредоточенности и углов ориентации зарядов, прочностных характеристик пород, режимов короткозамедленного взрывания и расстояния подземных выработок от земной поверхности.

2. Непревышение допустимых для охраняемых объектов скорости колебаний и прогноз уровня сотрясений в заданных пределах.

Разработаны мероприятия, позволяющие уменьшить степень воздействия сейсмических взрывных волн на массив горных пород (рис. 5).

При моделировании воздействия массовых взрывов на устойчивость горных выработок и искусственных массивов применялась аппаратура:

в качестве регистрирующих приборов - магнитоэлектрические осциллографы H-700 и H-04I с набором гальванометров типа M001-3 и M001-4;

в качестве приемников колебаний - датчики типа CB-30, CB-1-30, СМВ-30.

Рис. 5. Схема мероприятий по охране объектов от действия взрывов в переходной зоне

Выбранная аппаратура была проверена при помощи звукогенератора и виброплатформы с получением частотных характеристик и тарировочных графиков для каналов.

Сейсмоколебания, возникающие при массовых взрывах, измерены в 120 точках на различных расстояниях от центра взрыва. После обработки полученных данных методами математической статистики установлены величины этих коэффициентов для конкретных горно-геологических условий Майкаинского и Горевского подземных рудников. Для первого рудника (рис. 6):

, м/с. (13)

Зависимость величины скорости сейсмоколебаний от приведенного веса заряда:

, (14)

где V - скорость сейсмоколебаний, м/с;

- приведенный вес заряда;

Q - масса одновременно взрываемого ВВ, кг;

r - расстояние до центра взрыва, м;

K - коэффициент, зависящий от акустической жесткости среды, свойств пород и горно-геологических условий;

n - показатель, зависящий от характера преобладающих сейсмических волн, свойств пород и расстояния до центра взрыва.

Коэффициент К определяется из соотношения акустических жесткостей породы и энергетических характеристик ВВ и коэффициента структурного ослабления К_Т:



, м²/с·кг³, (15)

где с_n и с_ВВ - плотность породы и заряжания ВВ, кг/м³;

С_р и С_ВВ - скорость распространения продольных волн в породе и заряде, м/с.

Показатель степени затухания n зависит от упругих свойств породы, одной из которых является коэффициент Пуассона:

. (16)

После приведения:

. (17)

Для условий Горевского месторождения и при физико-механических свойствах руды и применяемого ВВ аммонита 6 ЖВ: µ = 0,21, с_n= 2,8кг/м³, С_р = 3000м/с, с_ВВ = 1,1кг/м³ и С_ВВ = 30000м/с - величина К_т = 0,3.

На рис. 6 приведены графики зависимости скорости колебаний от веса заряда для условий комбинированной разработки Горевского месторождения, построенные по экспериментальной формуле (13) и аналитической формуле (17), которые хорошо согласуются - погрешность 5,8%. При массовой подземной отбойке руд интенсивность величины динамических напряжений, возникающих при взрыве, прямо пропорциональна предельно допустимой скорости смещения, коэффициенту ослабления массива и плотности пород в степенной зависимости.



Рис.6. Зависимость скорости сейсмических колебаний от веса заряда для условий: 1 - Майкаинского рудника, полученная экспериментально; 2 - Горевского рудника, полученная расчетом по формуле (16)

Анализ полученных зависимостей показал, что:

1. При значительном удалении от центра взрыва (r> 60-65 м) скорость сейсмической волны уменьшается незначительно, колебания незначительной интенсивности проникают на значительные расстояния в глубину массива, а породы подвержены упругим деформациям.

2. При незначительных расстояниях (r < 10м) скорость колебаний практически не зависит от расстояния и бесконечно возрастает, а породы подвержены упруго-пластическим и пластическим деформациям.

Допустимая относительная деформация горных пород в пределах упругости устанавливается в соответствии с классификацией защищаемых сооружений по их ответственности и сроку эксплуатации (таблица 8).



Таблица 8. Допустимая деформация для горных объектов

Класс	Характеристика сооружений и срок эксплуатации	Срок службы, лет	Допустимая деформация, е0	Уровень надежности, ш	Коэффициент, Кн
I	Особо ответственные сооружения длительного срока эксплуатации: стволы шахт, капитальные штольни, камеры водоотлива, ЦПП, руддворы	?20	0,0001	0,99	1,52
II	Ответственные сооружения со сроком эксплуатации более 5-10 лет: камерные целики, капитальные квершлаги, борта и уступы карьеров	10ч12	0,0002	0,94	1,44
III	Кратковременно эксплуатируемые сооружения (от 1 до 5 лет): камеры, уступы, штреки	5ч7	0,0003	0,89	1,36
IV	Неответственные сооружения со сроком эксплуатации до 1 года: рабочие уступы, очистные блоки и др.	1ч3	0,0005	0,84	1,3

Интенсивность величины динамических напряжений, возникающих при отбойке руды массовыми зарядами, определяется с учетом законов отражения и преломления. Направление на фронте волны, преломленной в целике, для условий Майкаинского рудника:

(18)

где м - коэффициент Пуассона; К_ос - коэффициент структурного ослабления пород; - предельная скорость колебаний; - допустимая скорость колебаний для горных выработок различных классов (табл. 9).



Таблица 9. Допустимая скорость сейсмических колебаний, м/c 10^-2

Характеристика	Предел прочно- сти, МПа	Коэфф. ослаб- ления	Скорость про дольной волны, м/c 10-3	I класс	II класс	III класс	IV класс
				U0	Uпр	U0	Uпр	U0	Uпр	U0	Uпр
Трещиноватые	50-90	0,3-0,4	4-5	11,4	22,8	22,8	45,6	34,2	68,4	56	112
Средней трещиноватости	90-140	0,5-0,6	5-6	13,9	27,8	27,8	55,6	41,6	83,2	69,5	139
Слабой трещиноватости	140-200	0,7-0,9	6-7	16,3	32,6	32,6	65,2	49	98	82	164

Класс горных сооружений и выработок и допустимая относительная упругая деформация (е₀) связаны со сроком службы выработок эмпирической зависимостью:

, (19)

где а, в - коэффициенты, зависящие от изменения наследственных деформационных характеристик пород со временем (а = 0,00247; в = 3,2 года).

При охране различных горных выработок и сохранении геоэкологической обстановки района ведения горных работ допускается различная степень надежности расчетов. Например, при однократных взрывах коэффициент надежности К_н = 1, а при часто повторяющихся взрывах необходимо повысить надежность прогноза безопасности в соответствии с зависимостью:

. (20)



Уровень надежности в долях единицы в зависимости от допустимой относительной упругости деформации:

, (21)

где С - коэффициент, характеризующий уровень надежности изменения относительной упругой деформации в пределе класса выработки (С =0,0022).

Разработан метод прогнозирования величины динамических напряжений в зависимости от количества одновременно взрываемого ВВ и расстояния от центра взрыва до массива.

Метод позволяет реализовать способ охраны искусственных целиков от сейсмического воздействия массовых взрывов с помощью экранирования, основанный на изменении граничных условий на контуре разрушения путем разделения зарядов. При этом в первую очередь взрывают торцевые заряды, примыкающие к искусственному целику, а затем с некоторым замедлением - основную часть скважин. Экраном поглощается до 60% энергии взрыва.

Для охраны горных выработок от сейсмического воздействия предложен метод расчета параметров взрывных работ:

1. Скорость колебаний в зависимости от приведенного веса заряда:

. (22)

2. Допустимая скорость по скорости продольных и поперечных волн:



,м/c. , (23)

где м - коэффициент Пуассона;

е₀ - допустимая деформация горных пород (табл.8);

К_со - коэффициент структурного ослабления (для условий Горевского месторождения: С_р = 2?10³ м/c; С_s - 1,2?10³ м/c; е₀ = 0,005; м = 0,22; U₀ = 0,29 м/c; К_со = 0,35).

3.Предельный вес ВВ, взрываемого за один прием:

, (24)

где U_np - предельно допустимая скорость колебаний: (табл. 9);

(м - коэффициент Пуассона);

, (25)

где С_р и С_s - продольные и поперечные сейсмические волны, м/с;

Е - модуль упругости, МПа.

4.Величина интервалов замедлений и количество замедлений:



(26)

где N - количество замедлений;

Дt - интервал замедлений, с;

L - длина взрываемого блока, м.

Рассчитанные по предложенной методике параметры обеспечивают устойчивость подземных горных выработок с вероятностью, равной 0,8.

Оптимальные параметры взрывных работ в зоне перехода горных работ с открытого способа на подземный по критерию устойчивости массива горных пород и минимизации негативного воздействия горных работ на окружающую среду комплексно улучшают показатели эксплуатации рудных месторождений.



заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технологические решения по комбинированной отработке рудных месторождений на основе установленных закономерностей изменения динамических напряжений при взрыве на глубоких горизонтах карьера и при совмещении открытых и подземных горных работ, что повышает эффективность ведения взрывных работ, снижает сейсмическое влияние взрывной отбойки на устойчивость массива и подземных горных выработок и имеет важное значение для горно-рудной промышленности.

Основные научные выводы и практические результаты, полученные лично автором, сводятся к следующему:

1. Выявлена закономерность распределения радиальных напряжений в рудовмещающем массиве с образованием зон, различающихся величиной напряжений и удельным расходом ВВ на взрывную отбойку и позволяющих прогнозировать устойчивость массива.

2. Установлено, что расход взрывчатых веществ в зависимости от условий горных работ изменяется по степенному закону и с увеличением давления во фронте ударной волны в 1,5 раза повышается на 2-9%.

3. Экспериментально обосновано, что в зоне совмещения открытых и подземных работ отбойку руды следует производить раздельно, оптимизируя энергетические параметры взрыва по критерию удельного расхода ВВ.

4. Теоретически и экспериментально обоснована гипотеза о возникновении на контуре искусственных целиков сжимающих и растягивающих напряжений, достаточных для разрушения массива, в том числе механизма выведения породных блоков из зацепления радиальными напряжениями в массиве при изменении относительной вязкости пород и механизм возникновения и развития до критической величины остаточных деформаций массива.

5. Уточнено известное теоретическое положение о разрушении массива с экранированием взрывной волны.

6. Научно обоснованы методы расчета удельного расхода взрывчатых веществ с учетом изменения глубины горных работ и свойств рудовмещающего массива, обеспечивающие требуемую интенсивность и качество дробления скальных пород и минимизацию сейсмического влияния взрывной отбойки на устойчивость земной поверхности и горных объектов.

7. Теоретически обоснована методика расчета параметров взрывания с рациональным распределением энергии заряда ВВ в разрушаемом массиве и схемы ее реализации с высокой эффективностью отбойки.

8. Научно-методические основы оптимизации расчета безопасных параметров взрывных работ в зоне конверсии горных работ с открытого способа на подземный способ по критерию минимизации негативного воздействия горных работ на окружающую среду существенно улучшают показатели эксплуатации рудных месторождений.

9. Рекомендации по научному обеспечению взрывной отбойки с учетом свойств рудовмещающего массива и глубины разработки приняты к использованию при модернизации технологии горных предприятий и в учебном процессе в вузах.



ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В ЖУРНАЛАХ И ИЗДАНИЯХ ПО ПЕРЕЧНЮ ВАК МИНОБРНАУКИ РОССИИ

1. Исмаилов Т.Т., Комащенко В.И. Основные проблемы организации процессов взрывных работ с увеличением глубины карьеров //Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: - 2005.- №12.- С.149-151.

2. Голик В.И., Исмаилов Т.Т., Дольников Е.Н. Физико-химические превращения руд в процессе выщелачивания //Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: - 2005.- №12.- С.257-258.

3. Исмаилов Т.Т., Голик В.И., Герасименко В.Г. Геодинамические факторы строительства горных объектов //Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: - 2005. - № 10. - С. 9-10.

4. Исмаилов Т.Т., Голик В.И., Комащенко В.И. Экологические аспекты хранения хвостов обогащения //Горный информационно-аналитический бюллетень. М.:-2005.- №10.-С.5-8.

5. Боровков Ю.А., Исмаилов Т.Т., Ганжаргал С. Разработка конструкции концентраторов напряжений при направленном расколе гипсовых пород с помощью невзрывных разрушающих смесей //Записки горного института: Экология и рациональное природопользование. - Санкт-Петербург. - 2005.- Т. 166.- С. 143-145.

6. Исмаилов Т.Т., Голик В.И., Дольников Е.Н. Условия конверсии технологий разработки Садонских месторождений //Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: - 2006.- №1.- С.343-345

7. Исмаилов Т.Т. Оценка изменения физико-механических свойств пород при подходе карьера к проектной глубине //Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: - 2006.- №7.- С.33-38.

8. Исмаилов Т.Т. Оценка изменения удельного расхода ВВ с учетом горного давления при переходе на комбинированный способ разработки месторождений //Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: - 2006.- №7.- С.39-42.

9. Исмаилов Т.Т., Эздеков М.В. Интегральная модель охраны окружающей среды региона интенсивной горной добычи //Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: - 2006.- №8.- С.19-22.

10. Исмаилов Т.Т., Эздеков М.В., Ковалев И.А. Концепция комбинирования геотехнологий //Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: - 2006.- №8.- С.23-27.