Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

УДК [622. 236.4: (622. 235.63 :622. 235.36 )](043. 3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА СПОСОБУ УПРАВЛІННЯ ВИБУХОВИМ РУЙНУВАННЯМ ГІРСЬКИХ ПОРІД З ВИКОРИСТАННЯМ ЗАБІЙКИ, ЩО РОЗШИРЮЄТЬСЯ

ІЩЕНКО КОСТЯНТИН СТЕПАНОВИЧ

05.15.11. - “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки Національної академії наук України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України,

Заслужений діяч науки і техніки України,

ЄФРЕМОВ Ернест Іванович

Інститут геотехнічної механіки НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

Петренко Володимир Дмитрович,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту Міністерства транспорту України, завідувач кафедри

кандидат технічних наук,

РИМАРЧУК Борис Іванович,

Державний інститут по проектуванню підприємств гірничорудної промисловості “Кривбаспроект” Міністерства промислової політики України, головний інженер

Провідна установа:

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельних геотехнологій та конструкцій (м.Дніпропетровськ)

Захист відбудеться “13” _червня 2003 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс (0562) 46-24-26

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а

Автореферат розісланий “12” травня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук ПЕРЕПЕЛИЦЯ В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відомо, що зі збільшенням глибини гірничих робіт зростають витрати на проведення підготовчих виробок. Це зумовлено ускладненням гірничотехнічних умов розробки і трудомісткістю їхнього проведення в статично напруженому масиві гірських порід. Основним способом проведення підготовчих виробок на глибоких горизонтах шахт Донбасу все ще залишається буровибуховий. Тому особливого значення набувають вибір та розробка нових способів, а також параметрів буровибухових робіт (БВР) в умовах підвищеного гірського тиску. Крім цього, як показав аналіз ефективності способів і параметрів буровибухових робіт у цих умовах, рекомендації, розроблені вітчизняними вченими і практиками, не можуть повною мірою забезпечити високі показники вибухових робіт, що визначають ефективність буровибухового комплексу в цілому. У цьому зв'язку, дослідження і розробка раціональних складів багатокомпонентної забійки із матеріалів, що розширюються та сприяють збільшенню часу замикаючої дії продуктів детонації в зарядній порожнині і зниженню їхніх викидів у атмосферу, і розробка на її основі способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід при проведенні підготовчих виробок у статично напруженому гірському масиві, є актуальним науково-технічним завданням, що має важливе народно-господарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Матеріали дисертації пов'язані з планами науково-дослідних робіт ІГТМ НАН України з проблеми “Видобуток твердих корисних копалин” при виконанні тем “Розробка високоефективних буровибухових способів проведення гірничих виробок на глибоких горизонтах шахт, заснованих на використанні енергетичних і часових параметрів шпурових зарядів вибухових речовин (ВВ) і закономірностей прояву напруженого стану гірського масиву” (№ держреєстрації 0195U0006665) і “Керування параметрами вибухового навантаження з урахуванням особливостей масиву гірських порід, технологічної та екологічної безпеки вибухових робіт” (№ держреєстрації 0100U001476), затверджених Постановами Бюро відділення механіки НАН України, протокол № 9 від 17.11.1994 р. і протокол № 1,§2, п. 2 від 26.01.2000 р., відповідно.

Ідея роботи полягає у використанні замикаючої дії забійки із матеріалів, що розширюються при твердінні, для підвищення ефективності вибухового руйнування гірських порід шпуровими зарядами ВР при проведенні підготовчих виробок у статично напруженому гірському масиві.

Мета дисертаційної роботи полягає в розробці способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід на основі створення і використання нової забійки із суміші, що розширюється при твердінні (РТС-1) та забезпечує підвищення ефективності і безпеки вибухових робіт при проведенні виробок на глибоких горизонтах шахт.

Для досягнення поставленої мети сформульовані та розв'язані такі задачі:

1. Розробити раціональний склад багатокомпонентної забійки, що розширюється при твердінні, і визначити її фізико-механічні характеристики.

2.Виконати аналітичні та експериментальні дослідження впливу конструкцій зарядів ВР на процеси руйнування твердих середовищ вибухом.

3.Провести промислові випробування ефективності руйнування гірських порід шпуровими зарядами із забійкою РТС-1 і виконати оцінку їхнього впливу на основні параметри буровибухових робіт.

4.Розробити, провести промислову перевірку і виконати оцінку ефективності технологічних паспортів БВР із використанням забійки із суміші РТС-1 при проведенні підготовчих виробок на глибоких шахтах.

Об'єкт досліджень - процес управління вибуховим руйнуванням статично напружених гірських порід.

Предмет досліджень - спосіб управління вибуховим руйнуванням гірських порід з використанням особливостей замикаючої дії забійки із матеріалів, що розширюється при твердінні.

Методи досліджень включають аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень вітчизняної та закордонної практики вибухових робіт в умовах статично напруженого гірського масиву, використання апробованих методів фізичного моделювання процесів руйнування і роздрібнення гірських порід, визначення їхніх фізико-механічних властивостей згідно з чинними Держстандартами, апробовані методи реєстрації швидкоплинних процесів, методи теорії планування експерименту і математичної статистики, промислові випробування об'єктів досліджень.

На захист виносяться наступні наукові положення:

1. Забійка з матеріалів, що розширюються, забезпечує на 30-40% збільшення часу дії продуктів детонації ВР за рахунок додадкового тиску і відповідно збільшення тертя забійки із породою в шпурі, що сприяє підвищенню інтенсивності вибухового руйнування гірських порід.

2. швидкість руху забійки із суміші РТС-1 у шпурі та час початку її зрушення лінійно залежать від тиску, що чиниться на стінки шпура матеріалом, який твердіє.

3. Використання в шпурових зарядах забійки із суміші РТС-1 довжиною (0,6ч0,8)lВР забезпечує зниження на 40-45% обсягу пилогазових викидів у рудничну атмосферу, збільшення на 15% коефіцієнта використання шпура (КВШ) і зменшення на 30-35% діаметра середнього куска відбитої породи.

Наукова новизна отриманих результатів:

вперше обгрунтовано і визначено раціональне співвідношення компонентів забійки із РТС-1, що забезпечує максимальний замикаючий ефект продуктів детонації (патент України № 11798 та патенти РФ №2018694, №2047777);

визначені характер розподілу і тривалість дії на гірський масив радіальних напружень, спричинених вибухом шпурового заряду ВР, в залежності від властивостей матеріалу забійки РТС-1;

отримані аналітичні залежності для розрахунків швидкості і часу вильоту зі шпура забійки РТС-1, які визначають умови раціонального навантаження масиву гірських порід;

вперше встановлені залежності коефіцієнта використання шпура від довжини забійки РТС-1 для різних типів ВР, які дозволяють оцінювати ефективність відбійки гірських порід шпуровими зарядами різноманітних конструкцій.

Наукове значення отриманих результатів полягає в науковому обгрунтуванні раціонального складу матеріалу забійки РТС-1 та встановленні закономірностей її замикаючої дії для поліпшення якості подрібнення порід при проведенні виробок і зменшення викидів пилу в атмосферу.

Практичне значення отриманих результатів:

розроблені, у належному порядку узгоджені і затверджені “Технічні умови на склад суміші РТС-1 для забійки шпурових і свердловинних зарядів”

розроблена, узгоджена, затверджена на галузевому рівні і передана виробництву “Технологічна інструкція з приготування суміші РТС-1, буріння, заряджання і підривання шпурових зарядів у забої підготовчої виробки”;

розроблено новий спосіб відбійки напружених гірських порід із використанням забійки РТС-1 (А.с. 1331167);

розроблені номограма і нові схеми технологічних паспортів БВР, що дозволяють збільшити КВШ на 15% і, відповідно, зменшити на 10% кількість циклів при проведенні виробок;

розроблені рекомендації забезпечують зниження на 20% питомих витрат на проведення 1п.м підготовчої виробки і питомої витрати ВР до 20%.

Результати досліджень з обгрунтування раціональних параметрів способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід із використанням забійки РТС-1 дозволили розробити нові технологічні схеми паспортів БВР, що пройшли промислові випробування і впроваджені при проведенні підготовчих виробок на шахтах ім. А.Стаханова, Центральна, ім. Г. Димитрова ПО “Чер-воноармійськвугілля”, ДВАТ вугільна компанія “Шахта Червоноармійська-Західна №1”, Новогродівська №2 ДХК “Селідоввугілля”. Розроблені склади суміші РТС-1 пройшли випробування в НДІГС і рекомендовані до застосування в умовах підготовчих забоїв шахт, небезпечних і безпечних по газу і вугільному пилу.

Пріоритет у розробці нових рішень захищений патентами України, Російської Федерації та авторським свідотцтвом. Економічний ефект від впровадження розробленого способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід з використанням забійки РТС-1 склав 88,0 тис.грн.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень висновків і рекомендацій, сформульованих у дисертації, підтверджується застосуванням апробованих методів досліджень, достатньою збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень (похибка не перевищує 10%), обгрунтованим обсягом експериментальних досліджень у полігонних і промислових умовах, що забезпечує похибку не більше 20%

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначені мета роботи, її ідея, задачі досліджень, проведені лабораторні і промислові експерименти та узагальнені їхні результати; установлені теоретичні залежності швидкості і часу вильоту зі шпура забійки із різноманітними фізико-механічними властивостями; сформульовані наукові положення, висновки і рекомендації. Текст дисертації викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації і результати її окремих розділів доповідались на XVI конференції молодих учених “Теорія і практика комплексної розробки родовищ і збагачення корисних копалин” (м. Москва, 1989 р.), Всесоюзній науково-технічній конференції “Інтенсивна і безвідхідна технологія розробки вугільних і сланцевих родовищ” (м. Москва, 1989 р.), IX Всесоюзній конференції з механіки гірських порід (м. Бішкек, 1989 р.), Республіканській конференції молодих учених “Проблеми удосконалення безпеки гірничих робіт на вугільних шахтах” (м. Донецьк, 1991 р.), Міжнародній конференції “Проблеми аерології гірничовидобувних підприємств” (м. Дніпропетровськ, 1999 р.), III - му Міждержавному науковому семінарі “Високоенергетична обробка матеріалів” (м.Дніпропетровськ, 1999 р.), ХI Науковій школі “Деформування і руйнування матеріалів із дефектами і динамічні явища в гірських породах і виробках” (Україна, м.Алушта, 2001 р.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 25 наукових праць, з яких 8 - в наукових фахових виданнях, 4 - матеріалах конференцій. Розробки захищені 3 Патентами України та Російської Федерації і 1 авторським свідоцтвом СРСР.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків і додатків, викладена на 226 сторінках машинописного тексту, у тому числі містить 45 малюнків, 17 таблиць, список використаних джерел із 100 найменувань та додатки на 54 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Сучасний стан буровибухових робіт при проведенні гірничих виробок характеризується значним прогресом, досягнутим у результаті застосування комплексних заходів, які включають надійні та ефективні методи керування дією вибуху і наукові основи розрахунку їхніх основних параметрів. Значний внесок у розвиток останніх внесли провідні вітчизняні та закордонні фахівці гірничої справи в таких наукових центрах, як: Національний гірничий університет, Інститут гідромеханіки НАН України, Криворізький технічний університет, Державний науково-дослідний гірничо-рудний інститут (ДНДГРІ), Кременчуцький державний політехнічний університет, МакНДІ, Донецький державний технічний університет, Український державний науково-дослідний інститут безпеки праці в гірничорудній промисловості (УДНДІБПГ), Національний НДІ охорони праці, ДонВУГІ, Донбаський гірничо-металургійний інститут, ІГТМ НАН України, Московський державний гірничий університет, ІГС ім. А.А. Скочинського, ІПКВН РАН.

Проте, розроблені ними рекомендації не можуть повною мірою забезпечити ефективність і безпеку вибухових робіт на глибоких горизонтах шахт Донбасу через велике розходження гірничо-геологічних (міцність, обводненість, викидонебезпечність порід і т.ін.) і гірничо-технічних умов розробки (переріз виробки, тип ВР, забійки, довжини і конструкції шпурових зарядів, і т.ін.).

З урахуванням конкретних умов необхідна розробка нових способів, що запезпечують підвищення ефективності та безпеки вибухових робіт на глибоких горизонтах шахт. До таких методів відноситься створення нових матеріалів забійки, що збільшують час вибухової дії на масив газоподібних продуктів детонації та зменшують забруднення атмосфери виробок. Аналіз результатів практичного використання існуючих матеріалів забійки у гірничовидобувній промисловості свідчить про те, що на данному етапі ще не вичерпані резерви підвищення ефективності вибуху.

Таким чином, реалізація поставлених у дисертаційній роботі задач може бути досягнута за рахунок розробки способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід із використанням забійки із суміші, що розширюється при твердінні (РТС-1), конструкції шпурових зарядів і їхнього розміщення в призабійній зоні з урахуванням її напружено-деформованого стану.

Експериментальні дослідження з обгрунтування нових складів багатокомпонентних сумішей забійки і визначення їхніх фізико-механічних характеристик проводилися із використанням методів планування експериментів. Добір проб, підготування зразків та проведення випробуваннь виконані згідно з апробованими методиками та чинними Держстандартами.

Згідно з розробленою методикою, для обгрунтування оптимальних співвідношень компонентів у суміші РТС-1 дослідження проводилися варіюванням чинників за трьома рівнями. Випробуванням підлягали трьохфракційні суміші із природним ангідритом (CaSO4) - основним компонентом. Фракційний склад суміші природного ангідриту представлений трьома фракціями: перша 0-0,2 мм - 25%, друга 0,2-0,4 - 30%, третя 0,4-1,0 мм - 45%. Доведено, що при збільшенні розмірів другої фракції від 0,2 до 1,0 мм щільність упаковування зерен у міжфракційному просторі знижувалася, а також, знижувалася і щільність сумішей з 2130 до 1120 кг/м3 .

Для скорочення часу приготування сумішей запропоновано вважати за доцільне дослідити двохфракційні склади природного ангідриту при співвідношенні першої (0-0,2 мм) і другої (0,4-1,0мм) фракцій, відповідно 40 і 60 масових %. Аналіз результатів випробувань показав, що при застосуванні двохфракційного складу природного ангидриту, щільність упаковування зерен у суміші збільшилася від 1120 до 2108 кг/м3. Причому параметри фізико-механічних характеристик порівнюваних складів істотно не змінилися, проте час, витрачений на їхнє приготування, скоротився на 15-20%. Тому надалі досліджувалися тільки двохфракційні склади сумішей.

Для надання сумішам здатності розширюватися запропоновано ввести лігносульфонати- солі лігносульфонових кислот, а для твердіння - каталізатори: алюмокалійові квасці, сульфат натрію і сульфат заліза.

За результатами проведених досліджень розроблена суміш, що розширюється при твердінні (РТС-1), і обгрунтовані раціональні співвідношення компонентів, що входять до її складу, у масових %, відповідно: лігносульфонати 4,5-10,5, вода 6,0-23,0, алюмокалійові квасці 2,0-5,6, сульфат заліза і сульфат натрію 0,3-0,8, природний ангідрит фракції 0-0,2 мм - 23,7-34,8 і фракції 0,4-1,0 мм - 35,0-51,1 (патент України № 11798). Це дозволило одержати фізико-механічні характеристики матеріалу забійки, що позитивно впливають на показники вибуху. Компоненти цього складу (природний ангідрит і ліносульфонати) узяті з відходів гірничого виробництва та деревообробної промисловості.

Зменшення часу на проведення технологічних операцій з приготування сумішей із поліпшеними фізико-механічними характеристиками та скорочення часу твердіння досягалися також за рахунок введення в їхні склади доломітового пилу і алюмінієвої пудри, у масових %, відповідно в співвідношенні 25,7-27,5 і 0,08-0,16 (Патенти РФ №2018694, №2047777).

Проведені випробування фізико-механічних властивостей сумішей забійки дозволили встановити емпірічні залежності тангеціальних напружень ф від величини навантаження Р, а також залежності від часу щільності сумішей с(t), напружень у(t) на стінках порожнин, у яких знаходилися досліджувані матеріали. Це послужило основою для визначення коефіцієнта внутрішнього тертя Квн. і зчеплення С часток матеріалів сумішей. Для визначення їхньої міцності на стиск були проведені експерименти і побудовані залежності деформації матеріалу суміші від величини напружень стиску. Встановлено, що тиск на стінки зарядної порожнини, який виникає при затвердінні матеріалу суміші, складає 2-3 МПа, а міцність матеріалу на стиск -2,75 МПа. Межі зміни коефіцієнта внутрішнього тертя складають 0,42-0,66, а зчеплення часток - 0,024-0,058 МПа.

Середні значення основних фізико-механічних характеристик розробленої суміші РТС-1 у порівнянні із існуючими матеріалами забійок наведені в таблиці 1.

У НДІГС проведені випробування суміші РТС-1 на вміст токсичних компонентів у газоподібних продуктах термічної деструкції і горіння, що не перевищили їхню гранично допустиму концентрацію.Отримано висновок про допуск її до застосування в умовах підготовчих забоїв шахт, небезпечних і безпечних по газу та пилу.

Для оцінки замикаючої дії забійки із суміші РТС-1 у порівнянні з забійками з інших матеріалів (глина, пісок, піщано-глиниста суміш) та її впливу на руйнування вибухом твердих середовищ були проведені експерименти у вибуховій камері ДНДГРІ на моделях із плексигласу. Моделі мали кубічну форму з ребром 0,15м. Реєстрація процесу здійснювалася із застосуванням установки СФР-2М.

Таблиця 1

Основні фізико-механічні характеристики сумішей забійок

Тип забійки	Щільність, , кг/м3	Коефіцієнт Пуассона,	Модуль Юнга, Е ·103, МПа	Коефіцієнт внутріш- нього тертя, Квн.	Зчеп-лення, С, МПа
РТС-1	2108,0		0,24	3,84	0,66	0,058
Глина	1900,0	0,49	0,20	0,31	0,041
Пісок	1550,0	0,47	0,16	0,46	0,045
Піщано-глиниста суміш	1710,0	0,49	0,40	0,53	0,032

Установлено, що тривалість замикаючої дії забійки РТС-1 у порівнянні із сипучими і пластичними матеріалами збільшилася на 30-40%. Причому, руйнування моделей подовженими зарядами з укороченою забійкою РТС-1, довжиною 2,7lВР відбувається більш інтенсивно. У торці заряду тріщини орієнтовані углиб моделей під кутом 45-500.

На моделях із плексигласу визначалась також швидкість розвитку тріщин під час вибуху взаємодіючих зарядів із різноманітними забійками. Аналіз досліджень показав, що застосування укороченої забійки із матеріалу РТС-1 забезпечує на 35-40% більшу швидкість розвитку тріщин, ніж при удвічі більших за довжиною забійках із сипучих та пластичних матеріалів.

Дослідження впливу типу забійки на характер розподілу напружень і роздрібнення були проведені на піщано-цементних моделях. Моделі являли собою структурно-однорідні зразки з межею міцності на стиск 13,0 МПа, щільність яких складала 1910 кг/м3, швидкість поздовжньої хвилі -3080 105 м/с. Радіальні напруження вимірювались датчиками з чутливими елементами із кераміки ЦТС-19, що встановлювалися в моделі при їхньому виготовленні і закріплювалися на відстанях 8, 15 і 20 відносних радіусів від центру зарядної порожнини. Моделі руйнувалися зарядами тэну масою m = 1 г, діаметром 6 мм і довжиною 13 мм із забійками з РТС-1, глини, піску та піщано-глинистої суміші.

Осцилограми виміру радіальних напружень у моделях при зміні довжини і матеріалу забійок свідчать про те, що в досліджуваному діапазоні відстаней від центру заряду r= (8-20)r0 радіальні напруження в середовищі при застосуванні забійки РТС-1 у 1,3-2,0 рази вищі, а тривалість імпульсу в 1,7-1,9 разів більша, ніж при застосуванні забійок із сипучих та пластичних матеріалів. При цьому встановлено, що з усіх досліджуваних типів забійок мінімальний діаметр середнього куска зруйнованих вибухом моделей, що характеризує ступінь їхнього роздрібнення, досягається при застосуванні забійки з РТС-1.

Застосування забійки в шпурах важливо не тільки з погляду поліпшення якості роздрібнення породи, але і зменшення викидів дрібнодисперсного пилу, шкідливого для здоров'я працюючого персоналу. Тому були проведені дослідження впливу матеріалу забійки на запиленість повітря після вибуху.

З цією метою на шахті ім. Г. Димитрова були відібрані зразки вугілля з коефицієнтом міцності f = 1,5-2,0 за шкалою проф. М.М.Протод'яконова, а в лабораторних умовах підготовлені структурно-однорідні піщано-цементні моделі міцністю на стиск 11,5 МПа. Моделі руйнувалися в спеціальному напівгерметичному боксі з добором проб запиленого повітря за допомогою аспіраційного приладу через фільтри в аллонжах (патронах), встановлюваних у верхній частині боксу над моделлю, що підривається.

Встановлено закономірності зміни концентрації пилу при руйнуванні моделей циліндричними зарядами ВР із різноманітними типами і параметрами забійки. Так, для зарядів із забійкою з глини, піску і РТС-1, довжиною 4,0lВР, концентрація пилу при руйнуванні піщано-цементних моделей склала, відповідно, 43, 35 і 23 мг/м3, а вугільних зразків - 45, 38 і 19 мг/м3. Рівень концентрації дрібнодисперсного пилу при руйнуваннні моделей зарядами ВР з забійкою РТС-1 для всіх конструкцій подовжених циліндричних зарядів ВР знизився на 40-45%.

Для того, щоб порівняти розрахункові швидкості переміщення усередині шпура забійки із сипучого та пластичного матеріалу (пісок, глина, їхньої суміші і т.ін.) і забійки, матеріал якої розширюється при затвердінні, при складанні рівнянь руху був урахований той факт, що до початку руху забійки вона ущільнюється ударною хвилею. Стиснута ударною хвилею забійка довжиною lз і щільністю з чинить тиск на стінки шпура, і це спричиняє виникнення сил, що перешкоджають її руху. У випадку застосування забійки, що розширюється при затвердінні, виникає додаткова сила, що перешкоджає її руху.

Рух забійки відбувається усередині шпура довжиною L і діаметром d, у якому знаходиться “стовп” ВР довжиною lвр під дією тиску газоподібних продуктів детонації (ПД). Стиснута ударною хвилею забійка чинить тиск на стінки зарядної порожнини. Тому виникає сила тертя Fтр., що перешкоджає руху забійки, яка визначається з виразу:

, (1)

де Р - тиск на торець забійки;

Kб і Ктр, - коефіцієнти бічного розпору і тертя матеріалу

забійки об стінки шпура.

Під час руху забійки в шпурі змінними є тиск на торець забійки і поверхня її зіткнення зі стінками шпура, а отже і сила тертя. Тому в роботі визначалися середній тиск на торець забійки і середня сила тертя . Ці величини входять у рівняння руху забійки під дією прикладених сил:

, (2)

де v - швидкість руху забійки в шпурі.

Середній тиск на торець забійки визначався з урахуванням того, що під час руху забійки в шпурі тиск ПД на його стінки змінюється за законом PV3 = const

(3)

де - початковий тиск ПД на стінки шпура.

Середня сила тертя, що діє на забійку під час її руху в шпурі складає:

(4)

де .

Інтегрування рівняння (2) для центру мас забійки, координати якого змінюються від до дозволило визначити швидкість руху забійки із сипучих матеріалів:

(5)

Для матеріалу забійки, що розширюється в процессі затвердіння і чинить тиск на стінки шпура, середня сила тертя дорівнює:

забійка вибуховий руйнування гірський

 (6)

Знак “штрих” характеризує величини, що відносяться до забійки із суміші РТС-1. Величина швидкості такої забійки складає:

(7)

Результати розрахунку швидкості руху забійки на початковій стадії у середині шпура для сипучих та пластичних матеріалів наведені в табл.2, а на рис.1 подані графічні залежності швидкості вильоту (Vз) забійки із РТС-1 від її довжини і тиску, що чиниться нею на стінки шпура .

Таблиця 2

Розрахункові значення швидкості і часу початку вильоту із шпура забійок різних типів

Тип забійки	Довжина забійки, lз, м	Тип ВР	Швидкість вильоту забійки, vз, м/с	Час початку вильо-ту забійки, t, мс
		Щільність ВР, вр, кг/м3	Швидкість детонации, D, м/с
Пісок	1,0 0,95 0,85	1100	3900	203,0 266,6 396,5	0,98 1,12 1,26
Глина	1,0 0,95 0,85			193,0 252,5 373,7	1,03 1,18 1,33
Піщано-глиниста суміш	1,0 0,95 0,85			169,0 217,0 328,1	1,18 1,38 1,52
РТС-1	1,0 0,95 0,85			121,1 161,2 248,5	1,65 1,85 2,02

Результати виконаних експериментальних і теоретичних досліджень дозволили обгрунтувати раціональні параметри нового способу вибухового руйнування гірських порід із використанням забійки із РТС-1 і розробити нові технологічні паспорти БВР, що успішно пройшли дослідно-промислові випробування при проведенні підготовчих виробок у глибоких шахтах Донбасу.

Проведені випробування дозволили отримати залежності КВШ від типу забійки, її довжини і типу ВР. Аналіз результатів вибухів показав, що при довжині забійки РТС-1, яка складає (0,6ч0,8) від довжини заряду ВР, КВШ склав 0,95-0,97, а для зарядів із забійкою тієї ж довжини із глини, піску і піщано-глинистої суміші КВШ склав відповідно - 0,68-0,80; 0,72-0,85; 0,70-0,82.

Виконаний комплекс досліджень дозволив розробити раціональні параметри конструкцій шпурових зарядів ВР із забійкою РТС-1 при реалізації способу відбійки напружених гірських порід, захищеного авторським свідоцтвом на винахід (А.с. 1331167 СРСР), суть якого наведена на рис.2, де подані поперечний переріз гірської виробки, проведеної з утворенням розвантажувальної щілини, схема розташування шпурів і графік розподілу напружень у центрі забою (а), а також показаний поздовжній розріз призабійної ділянки із графіком розподілу напружень по контуру забою (б) і конструкція шпурового заряду ВР (в).

Сутність способу полягає в тому, що в забої виробки (1) при параметрі кривизни забою = (0,1ч0,2)h, проведеної по напружених породах, для утворення розвантажувальної щілини (2) у центральній частині забою вибурюють шпури (3) на відстані d =0,3h по лінії (5) переходу напружень розтягування у напруження стиску. Потім вибурюють врубові (6), відбійні (7) та оконтурюючі шпури (8).

У підготовленому забої першими заряджають шпури (3) для утворення розвантажувальної щілини (2), формуючи заряди патронованою ВР типу амоніт скельний №1 або Т-19, що чергуються з незарядженими шпурами (4), а потім - врубові (6), відбійні (7) і оконтурюючі (8). При цьому устя шпурів для утворення розвантажувальної щілини і врубової порожнини герметизують забійкою РТС-1, а відбійні і оконтурюючі - піщано-глинистою. Конструкція шпурового заряду ВР наведена на рис.2 (в).

Після заряджання шпурів і комутації вибухової мережі здійснюють відбійку породи. Першими підривають шпурові заряди (3) для утворення розвантажувальної щілини (2), а потім з уповільненням - врубові (6), відбійні (7) та оконтурюючі (8). Після детонації заряду ВР газоподібні продукти вибуху діють на стінки шпура і торець забійки, створюючи щілину по контуру в зоні перерозподілу напружень і розвантаження масиву гірських порід, що дозволяє збільшити радіус зони тріщиноутворення в області розташування врубових і відбійних зарядів.

Розроблений спосіб відповідає всім нормативним вимогам технологічної та екологічної безпеки.

З метою скорочення терміну підготовки та проектування раціональних параметрів способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід з використанням забійки РТС-1, реалізованого в нових схемах технологічних паспортів БВР, розроблена номограма. Використання її дозволяє прогнозувати очікуваний КВШ в залежності від типу ВР, забійки і конструкції заряду при проведенні підготовчих виробок із різноманітними гірничо-геологічними умовами.

Вихідною величиною для побудови номограми є швидкість руху забійки у середині шпура при зміні тиску, що чиниться на його стінки з урахуванням основних характеристик матеріалу забійки.

Дослідно-промислова перевірка та оцінка економічної ефективності розробленого способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід із використанням забійки РТС-1 проведені на експериментальному полігоні в умовах кар'єру Єленівського комбінату будівельних матеріалів (м. Єнакієво) і в промислових умовах шахт ім. А. Стаханова, Центральна, ім. Г. Димитрова ВО “Червоноармійськвугілля”, ДВАТ вугільна компанія “Шахта Червоноармійська-Західна №1”, Новогродівська №2 ДХК “Селідоввугілля”. Отримані результати дозволили розробити:

“Технічні умови на склад забійки РТС-1 для шпурових і свердловинних зарядів”, які узгоджені на галузевому рівні;

“Технологічну інструкцію з приготування суміші РТС-1, буріння, заряджання і підривання шпурових зарядів у забої підготовчої виробки”, яка узгоджена, затверджена на галузевому рівні і передана виробництву.

Результати розробок включені в нові схеми технологічних паспортів БВР при проведенні підготовчих виробок і впроваджені на шахтах ім. А.Г. Стаханова, ім. Г. Димитрова, Центральна ВО “Червоноармійськвугілля”, ДВАТ вугільна компанія “Шахта Червоноармійська-Західна №1”, Новогродівська №2 ДХК “Селідоввугілля”.

Впровадження розробленого способу свідчить про те, що застосування конструкцій зарядів ВР із забійкою РТС-1 дозволило знизити на 20% питомі витрати на проведення 1п.м підготовчої виробки та питомі витрати ВР до 20%. З використанням нового способу проведено 700 м підготовчих виробок. Економічний ефект при цьому склав 88,0 тис. грн.

ВИСНОВОК

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна науково-технічна задача розробки нового способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід із використанням особливостей замикаючої дії забійки РТС-1, що дозволяє підвищити ефективність і безпеку проведення підготовчих виробок в напружених породах глибоких шахт Донбасу.

Отримані в дисертиції наукові висновки і практичні рекомендації зводяться до наступного:

1. Установлено, що застосування конструкції шпурового заряду ВР із забійки РТС-1 забезпечує збільшення на 30-40% тривалості вибухового навантаження і підвищення інтенсивності руйнування порід при проведенні гірничих виробок.

2. Вперше визначене раціональне співвідношення компонентів забійки РТС-1, що дозволяє реалізувати максимальне замикання газоподібних продуктів вибуху у шпурах (патент 11798, Україна, патенти 2018694 і 2047777, Російська Федерація).

3. Отримано аналітичні залежності швидкості і часу вильоту зі шпура забійки із суміші РТС-1 від фізико-механічних властивостей її матеріалу.

4. Експериментально доведено, що в досліджуваному діапазоні відстаней від заряду r=(8ч20)rо радіальні напруження в середовищі при застосуванні забійки із суміші РТС-1 у 1,3-2,0 рази вищі, а тривалість імпульсу вибуху в 1,7-1,9 разів більше, ніж при застосуванні забійок із сипучих та пластичних матеріалів.

5. Вперше встановлені залежності коефиціента використання шпура від довжини і складу забійки РТС-1, а також типів ВР, які дозволяють оцінити ефективність відбійки гірських порід шпуровими зарядами різних конструкцій та скоригувати параметри буровибухових робіт.

6. Вперше визначені раціональна довжина забійки РТС-1 від довжини заряду ВР, які забезпечують умови максимального навантаження масиву гірських порід з позиції інтенсивності їхнього подрібнення при проведенні гірничих виробок.

7. Розроблено спосіб вибухового руйнування гірських порід з використанням у конструкції шпурових зарядів забійки із РТС-1, який забезпечує рівномірне подрібнення, зниження на 40-45% пилогазових викидів у рудничну атмосферу та збільшення КВШ на 15%, що відповідає всім нормативним вимогам технологічної та екологічної безпеки (А.с. 1331167).

8. Розроблено номограму для визначення раціональних параметрів запропонованого способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід в залежності від характеристик ВР, фізико-механічних властивостей матеріалу забійки та швидкості її руху при зміні тиску, що чиниться на стінки шпура при затвердінні.

9. Упровадження розроблених раціональних параметрів способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід із використанням забійки РТС-1 здійснено на глибоких шахтах ВО “Червоноармійськвугілля” та ДХК “Селідоввугілля”. Результати впровадження способу підтверджені високими технологічними показниками проведення підготовчих виробок та зниження обсягів пилогазових викидів в рудничну атмосферу, що дозволило отримати економічний ефект в розмірі понад 88,0 тис.грн.

10. Розроблена нова забійна суміш РТС-1 пройшла випробування в НДІГС на вміст токсичних речовин в газоподібних продуктах термічної деструкції і горіння, які не перевищили гранично допустиму концентрацію, і допущена до застосування в умовах підготовчих забоїв шахт небезпечних і безпечних по газу та пилу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ЩО ВІДОБРАЖАЮТЬ ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ефремов Э.И., Ищенко К.С. Повышение эффективности способов ведения взрывных работ в глубоких шахтах.// Уголь Украины.- 2000.- №2-3. - С.26-28.

2. Ефремов Э. И., Ищенко К.С., Никифорова В.А.. Исследование движения забойки в шпурах. // Уголь Украины.- 2000.- №6. - С.20-22.

3. Ищенко К.С. Влияние конструкции шпурового заряда с использованием различных забоечных материалов на процесс трещинообразования при взрыве// Повышение эффективности разрушения горных пород. - К.: Наук. думка, 1991. - С.59-61.

4. Ищенко К.С. Исследование конструкций шпуровых зарядов с использованием различных забоечных материалов, влияющих на процесс разрушения среды при взрыве // Техника и технология горного производства.- К.: Наук. думка,1993.- С.23-28.

5. Ищенко К.С. Исследование процессов пылегазовыделения при взрывном способе нагружения твердых сред.// Геотехническая механика: Межвед. сб. научн.тр./НАН Украины ИГТМ.-Днепропетровск, 1998.- №8. - С.54-59.

6. Ищенко К.С. Экспериментальные исследования эффективности способов снижения пылевыделений при проведении подготовительных выработок в угольных шахтах.// Сб. Научн. тр. Нац. горн. Акад. Украины/НГАУ. - Днепропетровск, 1999. - №5.-С.82-87.

7. Ищенко К.С., Ищенко О.К. Пути снижения и локализации пылевыделений при взрывном способе проведения подготовительных выработок на угольных шахтах.// Сб. Научн. тр. Нац. горн. Акад. Украины/НГАУ. - Днепропетровск, 1999. - №8.-С.20-27.

8. А.с. 1331167 CCCР, МКИ5 E 21 C 37/00,E 21 D 9/00 Способ отбойки напряженных горных пород/ Э.И.Ефремов, А.Н. Денисенко, И.А. Семенюк, В.Г. Колесников, В.Н. Харитонов, К.С. Ищенко (СССР).- №3976658/22-03; заявлено 05.11.85. - ДСП.

9. Пат.11798 Україна МПК6 E21D 21/00 Сполука твердiючої сумiшi / Е.I. Єфремов, К.С. Iщенко, В.В. Рiпка, В.Н. Харитонов, І.В. Каліниченко, В.Н. Підставкин (Україна) - №433546323/SU; замовл.30.11.87; надрук. 25.12.96.-Бюл. №4. - С.156.

10.Пат.2018694 РФ МПК6 E21F 15/00, E21D 21/00 Состав твердеющей смеси /К.С. Ищенко, А.Н Денисенко, Н.А. Вострецов, А.В. Головачев, О.К. Ищенко (Россия).-№5056163/23-03; заявл.30.06.92; опубл.30.08.94.-Бюл. №16.- С.185.

11. Пат.2047777 РФ МПК6 E21D 21/00, F42D 1/08 Состав твердеющей смеси/ К.С. Ищенко, А.Г. Стариковский, А.Г. Коваленко, О.К. Ищенко (Россия).- №5062014/03; заявл.10.09.92; опубл.10.11.95. - Бюл. №31.- С.218.

12. Харитонов В.Н., Калиниченко И.В., Ищенко К.С Влияние различных забоечных материалов на формирование поля напряжений и характер взрывного разрушения напряженной среды// Тез. докл. научн. техн. конф. “Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений”.- М.: МГИ, 1989.- С.46.

13. Харитонов В.Н., Калиниченко И.В., Ищенко К.С. Оценка эффективности применения расширяющейся забойки при взрывном разрушении напряженной среды // Матер. 9 Всесоюзн. конф. по механике горн. пород.- Бишкек: Илим, 1990.- С.110-113.

14. Ищенко К.С., Денисенко А.Н., Стариковский А.Г. Повышение эффективности и безопасности взрывной отбойки горных пород при проведении подготовительных выработок // Тезис. докл. республ. научно-техн. конф. молодых ученых “Проблемы совершенствования безопасности горных работ на угольных шахтах. - Донецк: МакНИИ, 1991. - С.39-40.

15. Ефремов Э.И., Черныгина Л.Ф., Ищенко К.С. Исследование и разработка рациональных параметров БВР по разгрузке и отбойке напряженных горных пород при проведении подготовительных выработок // Тез. докл. XI Междунар. научн. школы им. академика С.А. Христиановича. “Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках”. - Симферополь: Таврич.нац.ун-т, 2001 - С.57-59.

АНОТАЦIЯ

Iщенко К.С. Розробка способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід із використанням забійки, що розширюється. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальнiстю 05.15.11 - фiзичнi процеси гiрничого виробництва. - Iнститут геотехнiчноi механiки НАН України, Днiпропетровськ, 2003.

Дисертація присвячена питанням розробки способів підвищення ефективності руйнування напружених гірських порід під час проведення підготовчих виробок на глибоких шахтах.

В роботі застосовано запираючий ефект забійки із матеріалів, що розширюються під час твердіння, і забезпечують певний тиск на стінки шпура. Встановлено залежність часу запирання продуктів вибуху від кількісного складу компонентів забійки, та вплив її матеріалу на амплітуду та тривалість вибухового навантаження середовища

Сформульованi i науково обгрунтованi рацiональнi параметри БВР на основi використання конструкцій шпурових зарядів із забійкою РТС-1. Одержанi результати експериментальних досліджень ефективностi руйнування гiрських порiд в залежності вiд конструктивних параметрiв заряду, типу забiйки, властивостей ВР.

Розроблено, науково обгрунтовано та випробувано в промислових умовах новий спосіб управління вибуховим руйнуванням гірських порід на основі використання забiйки із суміші РТС-1 з урахуванням напруженого стану масиву.

Розроблено номограму для визначення раціональних параметрів запропонованого способу управління вибуховим руйнуванням гірських порід в залежності від характеристик ВР, фізико-механічних властивостей матеріалу забійки та швидкості її руху при зміні тиску, що чиниться на стінки шпура при затвердінні.

З використанням нового способу проведено 700 м підготовчих виробок. Економічний ефект при цьому склав 88,0 тис. грн.

Ключові слова: руйнування гiрських порiд, параметри БВР, забiйка шпурiв, заряд ВР, шпур, свердловина.

АННОТАЦИЯ

Ищенко К.С. Разработка способа управления взрывным разрушением горных пород с использованием расширяющейся забойки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - Физические процессы горного производства. - Институт геотехнической механики НАН Украины, Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена вопросам разработки способов повышения эффективности разрушения напряженных горных пород при проведении подготовительных выработок на глубоких шахтах и управления взрывным разрушением горных пород с использованием расширяющейся забойки.

Основная идея работы заключается в использовании запирающего эффекта забойки из расширяющихся твердеющих материалов в конструкции шпурового заряда ВВ для повышения эффективности разрушения горных пород при проведении подготовительных выработок.

Цель диссертационной работы заключается в разработке способа управления взрывным разрушением горных пород на основе создания и использования новой забойки из расширяющейся твердеющей смеси (РТС-1), обеспечивающего повышение эффективности и безопасности ведения взрывных работ при проведении выработок на глубоких горизонтах шахт.

В работе, на основе природного ангидрита (СаSO4) разработаны расширяющейся при затвердевании составы для забойки шпуров, обеспечивающие давление на стенки шпура 2-3 МПа, определены коэффициент внутреннего трения Квн.= 0,42-0,66 и сцепление частиц забойки С=0,024-0,058 МПа для этих составов. Установлена зависимость времени запирания продуктов взрыва многокомпонентной твердеющей забойкой от процентного содержания катализатора твердения и пластификатора. Установлено влияние материала забойки на амплитуду и длительность взрывного нагружения среды.

Впервые установлено рациональное соотношение между длиной забойки из смеси РТС-1 и длиной заряда ВВ (lз=(0,6-0,8)lвв) обеспечивающей эффективность и безопасность ведения взрывных работ при проходке горных выработок.

Получены теоретические зависимости скорости и времени вылета из шпура забойки от физико-механических свойств ее материала, типа ВВ и взаимодействия со стенками шпура.

По результатам проведенных исследований были обоснованы рациональные параметры способа взрывного разрушения горных пород с использованием забойки из смеси РТС-1, которые позволили разработать новые технологические схемы паспортов БВР, прошедшие опытно-промышленную проверку при проведении выработок на глубоких шахтах, подтверждена их целесообразность и экономическая эффективность.

Разработана номограмма для определения рациональных параметров предложенного способа взрывного разрушения горных пород в зависимости от характеристик ВВ, типа и параметров забойки, а соответственно, скорости ее движения внутри шпура при изменении оказываемого ею давления на стенки его с учетом основных физико-механических свойств материала забойки.

Разработанные составы забойки и способ отбойки напряженных горных пород защищены патентами и авторским свидетельством на изобретения. Приведены данные их проверки и использования в шахтах ПО “Красноармейскуголь” и ГХК “Селидовуголь” при проведении подготовительных выработок по крепким напряженным породам. С использованием нового способа пройдено 700 м подготовительных выработок. Экономический ефект составил 88,0 тыс. грн.

Ключевые слова: разрушение горных пород, параметры БВР, забойка шпуров, заряд ВВ, шпур, скважина.

summary

Ischenko K.S. Development of the operating blasted breaking method using extending stemming .- Manuscript.

The thesis for scientific degree of the candidate of technical science on specialty 05.15.11. Physical processes in mining.- Institute of Geotechnical Mechanics of the National academy of sciences of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2003.

The thesis is devoted to the development of the raising efficiency blasted breaking methods for stressed rocks during building preliminary workings in deep mines.

Blocking effect of the stemming, expanding during hardening and providing the certain pressure on the blasthole's wall was used in the work .

The dependence of the detonation product's blocking time upon quantitative composition stemming's components was established. Rational parameters of drilling and blasting were formulated and scientifically substantiated on the basis using blast hole construction with the stemming РТС-1. Results of the experimental investigation rock's breaking efficiency upon charge's constructive parameters, stemming's type, explosive's properties were obtained.

New method of control blasted breaking of the rocks on the basis using the stemming РТС-1 with accounting the stressed state of the rock massif was developed.

Nomogram for determing rational parameters of the proposed method of the operating the rock's breaking versus explosive's characteristic, stemming material's properties and it's velocity while stresses on the hole's walls is changing during hardening of the stemming, was developed.

Using new method it was built 700m. of the preliminary workings. Economic benefit in addition came to 88 thousand grn.

Key words: methods blast, rock blasting, stemming material, explosive charge, parameters of blasting, blasthole.

Размещено на Allbest.ru