Обґрунтування конструкції та параметрів прямого циліндричного врубу для спорудження гірничих виробок

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНБАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.235.11:112

ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКЦІЇ ТА ПАРАМЕТРІВ ПРЯМОГО ЦИЛІНДРИЧНОГО ВРУБУ ДЛЯ СПОРУДЖЕННЯ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК

спеціальність 05.15.04 - «Шахтне та підземне будівництво»

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

ШУЛЬГІН ПАВЛО МИКОЛАЙОВИЧ

Алчевськ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ).

Науковий керівник -

доктор технічних наук, професор

Литвинський Гаррі Григорович,

завідувач кафедри «Будівельна геотехнологія та гірничі споруди» Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Шевцов Микола Романович,

завідувач кафедри «Будівництво шахт і підземних споруд» Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк);

кандидат технічних наук

Налисько Микола Миколайович,

доцент кафедри «Технологія гірничого виробництва» Української інженерно-педагогічної академії Міністерства освіти і науки України (м. Стаханов).

Захист відбудеться «11» червня 2009 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 12.076.01 при Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 94204, Луганська область, м. Алчевськ, пр. Леніна, 16.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 94204, Луганська область, м. Алчевськ, пр. Леніна, 16.

Автореферат розісланий «8» травня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н. Є.С. Смекалін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стратегічне завдання енергозабезпечення України полягає в збільшенні обсягів видобутку головного енергоносія в країні - вугілля, що спричинює необхідність будівництва нових горизонтів і прискореної реконструкції діючих гірничих підприємств. Це зумовлює необхідність швидкісного спорудження значної кількості капітальних і підготовчих гірничих виробок, при цьому понад 20-30% їх загальної протяжності припадає на польові виробки. Зазвичай, спорудження польових гірничих виробок на шахтах здійснюється із застосуванням буропідривної технології. Так, останніми роками на буропідривні роботи припадає 50 - 70% загального обсягу спорудження гірничих виробок у вугільній промисловості (у 2007 році це становило 270 км.) і майже 90% на рудниках.

Під час спорудження виробок буропідривним способом щорічно витрачається значна кількість вибухових матеріалів, а техніко-економічні показники спорудження виробок у міцних породах потребують істотного поліпшення. Про це свідчать низькі темпи спорудження виробок (так, 2006 року вони становили 25 м/міс., що значно нижче за нормативну швидкість - 70 м/міс), перехід на багатоприйомне підривання, низькі показники коефіцієнта використання шпурів. Однією з причин цього є недостатня вивченість процесів руйнування масиву гірських порід при взаємодії вибухових речовин у врубових зарядах, недостатня обґрунтованість методик розрахунку параметрів врубів, які забезпечують утворення другої відкритої поверхні, що полегшує роботу відбійних і оконтурювальних зарядів. Тому наукове завдання обґрунтування конструкції та параметрів прямих врубів при спорудженні польових гірничих виробок у міцних породах є вельми актуальним.

Одним із перспективних напрямків підвищення техніко-економічної ефективності буропідривної технології спорудження польових гірничих виробок слід вважати створення нових паспортів буропідривних робіт (БПР), які базуються на використанні ефективних конструкцій врубу і обґрунтуванні їх параметрів з урахуванням конкретних гірничогеологічних і технічних умов.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в межах держбюджетної теми № 140-ДБ «Розробка теорії взаємодії зарядів вибухівки з масивом гірських порід» (№ державної реєстрації 0105U000931), де дисертант проводив дослідження як виконавець.

Мета досліджень - обґрунтування конструкції та параметрів прямого циліндричного врубу для підвищення ефективності спорудження польових гірничих виробок.

Для досягнення мети в дисертаційній роботі поставлені і розв'язані наступні завдання:

1. Провести огляд і критичний аналіз робіт з буропідривної технології спорудження гірничих виробок;

2. Експериментально дослідити закономірності механічної дії підземного вибуху методом фізичного моделювання на еквівалентних матеріалах;

3. Дослідити закономірності розподілу енергії вибухової хвилі для динамічної фази та для газоподібних продуктів вибуху за взаємодії подовжених зарядів;

4. Сформулювати вимоги, розробити й обґрунтувати конструкцію і параметри прямого циліндричного врубу для буропідривного способу спорудження польових гірничих виробок;

5. Розробити методику розрахунку паспортів БПР при спорудженні виробок із застосуванням прямого циліндричного врубу, скласти програму для розрахунків на ЕОМ;

6. Розробити способи і технічні засоби для підвищення точності і спрощення процесу розмічання шпурів в вибої гірничої виробки;

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей механічної дії вибуху зарядів в вибої гірничої виробки для обґрунтування конструкції та параметрів прямого циліндричного врубу.

Об'єкт дослідження - процеси вибухового руйнування порід у вибої гірничої виробки.

Предмет дослідження - конструкція і параметри прямого циліндричного врубу для спорудження польових гірничих виробок.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі використано сучасні методи досліджень: критичний аналіз і узагальнення літературних і патентних джерел; теоретичні дослідження із залученням теорії вірогідностей, математичної статистики, теорії подібності і розмірностей, механіки суцільного середовища; фізичне моделювання на еквівалентних матеріалах; лабораторне моделювання методом електрогідродинамічних аналогій; комп'ютерне моделювання розподілу енергії за взаємодії зарядів вибухових речовин (ВР).

Наукові положення, що виносяться на захист:

Кут розкриття вирви викиду, що створюється зарядом вибухівки, лінійно зменшується від 900 до 00 при зростанні нормованого значення лінії найменшого опору, а максимальний її об'єм досягається за заглиблення заряду від вибою на половину мінімальної глибини камуфлетного заряду, що дозволяє обґрунтовано вибирати глибину розташування врубових зарядів ВР.

Енергія вибухових хвиль на відкритій поверхні за одночасного підривання зарядів ВР збільшується обернено пропорційно до показника її кривизни, а суперпозиція хвиль відбувається на рівновіддалених від зарядів напрямах або, якщо зарядів більше двох, в окремих точках, тоді як енергія від газоподібних продуктів вибуху підсумовується для усіх підірваних зарядів вибухівки, що дозволяє обґрунтувати раціональну форму врубу для польових виробок.

Максимальна концентрація енергії вибуху усередині врубу досягається, якщо шпури з ВР розміщені по циліндричній поверхні навколо центрального шпуру, причому кількість шпурів у врубі повинна дорівнювати шести, а його радіус має бути прямо пропорційний радіусу заряду і обернено пропорційний квадратному кореню глибини врубу, що дозволяє забезпечити ефективне руйнування масиву порід.

Наукова новизна отриманих результатів

Вперше за допомогою моделювання на еквівалентних матеріалах встановлено, що за збільшення глибини розташування зарядів ВР об'єм вирви викиду змінюється за параболічною залежністю, причому його максимум досягається тоді, коли нормований показник глибини розташування заряду дорівнює Wr = 0,5, а за подальшого заглиблення він поступово зменшується, і за Wr = 1,0 переходить у камуфлет, причому кут розкриття вирви викиду лінійно зменшується і дорівнює нулеві за камуфлетного вибуху. Це дозволяє обґрунтовувати глибину врубу.

Вперше лабораторними експериментами методом електрогідродинамічних аналогій встановлено, що за одночасного підривання зарядів вибухівки суперпозиція енергії вибухових хвиль відбувається лише на рівновіддалених від зарядів напрямках, або, якщо зарядів більше двох, у точках симетрії, що значно зменшує механічну дію динамічної фази підземного вибуху. Тому найбільша взаємодія вибухових хвиль буде в центрі кола за розташування зарядів по колу, що покладено в основу обґрунтування параметрів прямого врубу.

Вперше встановлено закономірність, що потенційна енергія газоподібних продуктів вибуху за віддалення від центру заряду швидко зменшується (як поліном у степені мінус чотири), проте, на відміну від динамічної фази вибуху, статична фаза діє довше, що забезпечує суперпозицію енергії декількох зарядів. Виходячи з цього доведено, що максимальну енергонасиченість врубової зони забезпечують шість зарядів вибухової речовини, розташованих по колу з радіусом, який дорівнює відстані між ними, що забезпечує найбільш ефективне вибухове руйнування порід у врубовій зоні.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей механічної дії вибуху зарядів ВР у вибої гірничої виробки, а саме:

концентрація енергії динамічної фази вибуху зарядів ВР відбувається на криволінійній вільній поверхні обернено пропорційно показникові її кривизни;

максимально енергія статичної фази вибуху концентрується за розміщення шести врубових зарядів по циліндричній поверхні з радіусом, що дорівнює відстані між ними.

Практичні результати.

Розроблено конструкцію прямого циліндричного врубу і методику розрахунку його параметрів, що дозволить підвищити ефективність буропідривного способу спорудження польових виробок у міцних породах.

Запропоновано методику моделювання механічної дії вибуху на еквівалентних матеріалах, розроблено конструкцію лабораторного стенду і технічні засоби вимірювання й оброблення показників вибуху.

Обґрунтовано технологічні операції та запропоновано пристрої для розмічання і спрямованого буріння вибухових шпурів у вибої виробки, що гарантує дотримання параметрів паспорту БПР і безпеку праці під час буріння.

Розроблено комп'ютерний алгоритм і пакет прикладних програм для розрахунку параметрів паспорту БПР з використанням прямого циліндричного врубу, що дозволяє проводити багатоваріантне автоматизоване проектування буропідривного комплексу. Методику розрахунку впроваджено в ДВАТ «Луганськдіпрошахт». Вона використовується при проектуванні параметрів буропідривних робіт.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, одержаних результатів, висновків та рекомендацій підтверджується використанням апробованих методів і методик теоретичних і експериментальних досліджень, достатнім обсягом експериментів (понад 100 вибухів на еквівалентних матеріалах і близько 60 моделей під час моделювання методом ЕГДА) за коефіцієнтів варіації 0,1…0,15, максимальною розбіжністю відносно теорії в межах 15…20%, адекватністю розробленої математичної моделі розрахунку параметрів прямого циліндричного врубу, позитивними результатами використання методики розрахунку паспорта БПР.

Апробація роботи. Основні положення роботи й окремі її етапи обговорювалися та були схвалені на наукових семінарах кафедри «Будівельна геотехнологія та гірничі споруди» ДонДТУ (2005 - 2009 рр.), міжнародних студентських науково-технічних конференціях «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2005-2008 рр.), міжнародному науково-практичному симпозіумі «Современные проблемы шахтного и подземного строительства» (Донецьк, 2005 р.), міжнародній технічній конференції «International Mining Forum 2005» (Szkoіa Eksploatacji Podziemnej 2005, Poland, Krakуw, Akademia Gуrniczo-Hutnicza, 2005), міжнародній конференції “Форум гірників - 2006”. (Дніпропетровськ НГУ, 2006), міжнародному форумі молодих вчених «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербурзький державний гірничий інститут (технічний університет), Санкт-Петербург, 2007, 2008 рр.), міжнародній конференції «Неделя горняка» (Москва, Московський державний гірничий університет, 2006), міжнародній конференції «Технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства» (Новочеркаськ, Шахтинський ін-т (філія) ЮРГТУ (НПІ)), міжнародній науково-технічній конференції «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2005» (Кривий Ріг, Криворізький технічний університет, 2005 р.)

Особистий внесок автора полягає в визначенні завдань досліджень, розробці методик і проведенні лабораторних експериментів, моделюванні механічної дії вибуху на еквівалентних матеріалах, встановленні закономірностей взаємодії зарядів ВР, математико-статистичному обробленні результатів досліджень з використанням ЕОМ; розробці та обґрунтуванні рекомендацій щодо вибору конструкції і параметрів прямого циліндрового врубу; комп'ютерному моделюванні взаємодії зарядів, розробці пакету прикладних програм для оптимізації й автоматизації розрахунку паспортів БПР.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи в повному обсязі викладено у 5 роботах, надрукованих у спеціалізованих фахових журналах і збірниках, відображено у 6 патентах на корисну модель та у 7 публікаціях доповідей у матеріалах міжнародних конференцій.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота викладена на 148 сторінках і включає вступ, 5 розділів і висновки; містить 78 рисунків, 14 таблиць, список літературних джерел із 151 найменування і 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

виробка гірничий вибух підземний

У першому розділі «Огляд стану буропідривної технології спорудження польових гірничих виробок» проаналізовано сучасний стан спорудження гірничих виробок у міцних породах, з'ясовано, що більшість (майже 65% від загального обсягу) гірничих виробок у міцних породах проводиться із застосуванням БПР. На процеси вибухового руйнування порід припадає 40...50% загальної трудомісткості прохідницького циклу. Тому особливого значення набуває правильність вибору параметрів буропідривних робіт (тип врубу, його параметри, місце розташування у вибої, глибина і кількість шпурів тощо)

Значний внесок до вивчення руйнування гірських порід внаслідок вибуху зарядів ВР зробили: Ф.А. Баум, В.О. Боровиков, О.Е. Власов, С.С. Григорян, Н.М. Докучаєв, В.Н. Жуйборода, Е.І. Єфремов, С.А. Калякін, М.Ф. Кучерявий, М.А. Лаврентьєв, Г.М. Ляхов, Н.В. Мірошников, Е.О. Мінделі, В.Н. Мосинець, Г.І. Покровський, В.Н. Родіонов, М.А. Садовський, А.Н. Ханукаєв, Ю.А. Шевляков, М.Р. Шевцов, Е.І. Шемякин. Ними встановлено основні закономірності механічної дії вибуху, досліджено особливості статичної і динамічної фази вибуху, запропоновано різноманітні конструкції зарядів ВР і врубів для спорудження гірничих виробок.

Під час спорудження гірничих виробок використовують переважно буропідривний метод ведення робіт. Просування вибою за цикл залежить, головним чином, від ефективної роботи врубових шпурів, що забезпечує отримання необхідної глибини і радіусу початкової вирви вибуху, яка дає додаткову вільну поверхню для роботи відбійних і оконтурювальних шпурів.

Проведений аналіз свідчить, що нині існує дві концепції пояснення механічного руйнування порід вибухом. Згідно з першою основний внесок при вибуховому руйнуванні порід вносить динамічна хвиля напруги, а друга концепція ґрунтується на тому, що головну роль у руйнуванні відіграє статичний тиск газоподібних продуктів вибуху. Проте до цього часу так і не склалося єдиної думки про значимість динамічної і статичної фази вибуху на руйнування масиву гірських порід.

Згідно з технологією спорудження виробок в однорідних міцних породах на цей час у більшості теоретичних досліджень і практичних робіт з ведення БПР віддається перевага застосуванню різних схем прямих врубів. Так, високі показники спорудження гірничих виробок на шахтах ДП «Луганськвугілля» були зафіксовані при використанні концентричного врубу з випереджувальним шпуром.

З огляду на це можна зробити висновок, що ті схеми і конструкції врубів, які нині використовуються при спорудженні польових гірничих виробок мають ряд недоліків, основним з яких є відсутність обґрунтованої методики розрахунку їх параметрів.

Другий розділ «Моделювання механічної дії вибуху на еквівалентних матеріалах» мав на меті встановлення закономірності переходу від камуфлетного вибуху до вибуху на викид, вивчення впливу глибини закладання і потужності заряду на характер руйнування масиву гірських порід, для чого використовувався метод моделювання на еквівалентних матеріалах.

Для визначення властивостей еквівалентних матеріалів разом із стандартними методиками (випробування тіосульфату натрію на розтягування і стискання) використовувався новий спосіб і пристрій для визначення міцності піску на одноосьове розтягання. Випробування показали, що міцність піску на одноосьове розтягнення залежно від вологості змінюється за параболічним законом, причому за вологості 6 … 7% міцність максимальна.

Для моделювання розроблено стенд (рис. 1), досить простий за конструкцією, що дозволяє з достатньою вірогідністю дослідити дію камуфлетного вибуху або вибуху на викид. Він складається з розбірного корпусу 1, заповненого еквівалентним матеріалом 2 і оснащеного імітатором заряду 3.

Експерименти проводили для різних значень лінії найменшого опору W у діапазоні від 40 до 200 мм (крок зміни W прийнято 20 мм), причому вибухи вели з покроковим збільшенням W до переходу в стадію камуфлету. За камуфлет брався вибух, який безпосередньо не впливав на відкриту поверхню, а супроводжувався утворенням камуфлетної порожнини, що перевіряли розбиранням і розрізанням моделі за площиною симетрії.

Як еквівалентні матеріали для граничних випадків стану масиву гірських порід (сипкі та зв'язні) обрано відповідно пісок вологістю щ = 2, 4, 6, 8 і 10 % та тіосульфат натрію, близький за своїми фізико-механічними властивостями до гірської породи. Для імітації заряду Q використовували індустріальні патрони потужністю - 930, 1035 і 1175 Дж у вигляді компактної гільзи, зарядженої бездимним порохом і капсулем-запальником.

Загальний вигляд моделі після вибуху в тіосульфаті натрію (розріз) наведено на рис. 2. Результати моделювання камуфлетного вибуху у вологому піску подано на рис. 3. З графіків рис. 3 бачимо, що об'єм камуфлетної порожнини V має мінімум за вологості піску щ = 6-7%, і відповідає максимуму його міцності.

Для порівняння і узагальнення результатів моделювання було введено безрозмірні нормовані змінні:

(0 ? Wr ? 1); (0 ? Vr ? 1); (0 ? бr ? 1), (1)

де Wr, Vr, бr - відповідно нормовані лінія найменшого опору (глибина закладання заряду), об'єм і кут розкриття вирви викиду;

Wi, Vi, бi - поточні значення лінії найменшого опору, об'єму і кута розкриття вирви викиду;

WК -глибина, за якої заряд ВР стає камуфлетом;

VМАХ, бМАХ - відповідно максимальні значення об'єму і кута розкриття вирви викиду.

Відповідність отриманих результатів лабораторних досліджень теоретичним кривим діаграми-квадрата вибуху за теорією геомеханіки вибуху проф. Литвинського Г.Г. проілюстровано на рис. 4. По вісі абсцис відкладено нормовану глибину закладання заряду Wr, по вісі ординат - нормований об'єм Vr та кут розкриття вирви викиду бr, який змінюється в межах від повного камуфлету (бr = 0) до випадку вибуху заряду на відкритій поверхні (бr = 1). З рис. 4 видно, що експериментальні точки для зарядів на різній глибині і в різних середовищах з достатньою точністю відповідають теоретичним кривим (коефіцієнт кореляції 0,98, коефіцієнт варіації - 0,02).

Отже, у результаті моделювання доведено, що механічна дія вибухів зарядів ВР, якщо їх подати в нормованих координатах, не залежить від властивостей порід (середовища) і властивостей вибухової речовини, тобто вибухи є подібними.

Встановлено, що за збільшення глибині закладання заряду ВР об'єм вирви викиду Vr змінюється за параболічною залежністю з максимумом за Wr = 0,5, а потім, за глибини Wr = 1 наближається до нуля. При цьому кут розкриття вирви викиду бr зменшується за лінійною залежністю і дорівнює нулеві за камуфлетного вибуху (Wr = 1).

У третьому розділі «Лабораторні дослідження взаємодії зарядів методом електрогідродинамічних аналогій» вивчалася дія динамічної фази вибуху на масив гірських порід на моделі, що імітує вибух подовженого заряду поблизу відкритих поверхонь прямолінійної і криволінійної (кругової) форми. Щоб звести задачу до плоскої, дослідження проводили в площині, що проходить через центр заряду перпендикулярно його вісі (рис. 5). Заряди розташовували на глибині W (лінія найменшого опору) від відкритої поверхні і на відстані а один від одного.

Геометрія моделі задана коефіцієнтом зближення зарядів (КЗЗ) m і зведеною кривизною w:

; (); ; (). (2)

Дослідження виконувалися на установці з моделювання методом електрогідродинамічних аналогій (ЕГДА), що розроблена в ДонДТУ. Модель виготовляли з електропровідного паперу з дотриманням геометричної подібності. Як електроподавальні шини застосовували струмопровідний лак, для цього доведено, що він має малий опір і може повністю замінити нетехнологічні мідні шини, які використовували раніше.

Досліджені моделі з коефіцієнтом зближення зарядів m у межах від 2,0 до 0,4 (з кроком 0,2) зі значеннями зведеної кривизни w = 0; 0,5; 0,67; 1,0; 2,0; ?. (при цьому R змінювали від ? - лінійна поверхня до 0).

Графіки залежності нормованої енергії вибухової хвилі E* (яка є відношенням енергії навколо заряду Е до енергії заряду ЕЗ) за зміни коефіцієнта зближення зарядів m для різних значень зведеної кривизни w подано на рис. 6, де y - відстань від заряду.

Зміну нормованої енергії вибухової хвилі E* на відкритій поверхні залежно від її кривизни w і коефіцієнта зближення зарядів m шляхом статистичного оброблення результатів описано формулою (коефіцієнт кореляції - 0,88; стандартна помилка оцінки 0,4; середньоквадратичне відхилення 0,17; коефіцієнт варіації 0,1):

. (3)

Експерименти дозволили встановити, що нормована енергія E* і швидкість вибухової хвилі V за наближення до криволінійного увігнутого контуру зростають, а для прямолінійного контуру - знижуються (рис. 6). Із зменшенням коефіцієнта зближення зарядів m відбувається збільшення (концентрація) енергії E* поблизу увігнутого контуру, що важливо для керування ефективністю вибухового руйнування порід.

З метою встановлення закономірностей взаємодії вибухових хвиль від різної кількості зарядів ВР проведено числове моделювання, у результаті якого встановлено, що за одночасного підривання зарядів ВР накладення (суперпозиція) енергії вибухових хвиль відбувається лише на рівновіддалених від зарядів напрямах або точках, що помітно знижує механічну дію динамічної фази підземного вибуху. Отже, за кругового розташування зарядів енергія вибухових хвиль динамічної фази вибуху максимально концентрується в центрі врубу.

У четвертому розділі «Обґрунтування параметрів прямого циліндричного врубу за буропідривної технології спорудження гірничих виробок» з метою вивчення статичної фази вибуху проведено аналітичні дослідження дії газоподібних продуктів вибуху на масив гірських порід і запропоновано рекомендації щодо вибору розрахункових параметрів і конструкції прямого циліндричного врубу.

У процесі аналітичних досліджень і комп'ютерного моделювання взаємодії газоподібних продуктів вибуху в масиві гірських порід з модулем пружності E та коефіцієнтом Пуассона н, було встановлено, що потенційну енергію En, яка виникає в довільній точці з координатами (x; у) під впливом тиску газоподібних продуктів вибуху Р, використовуючи принцип суперпозиції, можна описати формулою:

, (4)

де rП - первинний радіус вибухової порожнини, м;

ri - відстань до i-го заряду:

. (5)

Відповідно до залежності (4) енергія En в будь-якій точці (x; у) залежить від відстані ri до зарядів вибухової речовини, у центрі яких діє тиск P газоподібних продуктів вибуху. Енергія En з віддаленням від центру заряду швидко зменшується (як ri-4), проте, на відміну від динамічної фази вибуху, статична фаза діє довше і, отже, встигає відбутися накладання тиску від декількох зарядів.

Проведені лабораторні й аналітичні дослідження дозволили обґрунтувати параметри і принцип дії врубу: за кругового розташування зарядів у центрі кола енергія від вибухових хвиль сумується, що руйнує породу не тільки по контуру врубової порожнини, але і в її центрі.

Внаслідок диференціювання питомої площі aq, яка доводиться на один заряд, знайдемо ту кількість зарядів, яка гарантує екстремум площі:

. (6)

Після перетворень остаточно отримуємо, що оптимальна кількість шпурів у врубі n дорівнює .

Отже, максимальна концентрація енергії за мінімально можливої кількості зарядів досягається за шести зарядів. Саме при такому розташуванні можна розмістити заряди по колу з радіусом, який дорівнює відстані між ними.

Запропоноване для прямого врубу розташування шпурів (рис. 7) створює гранично високу і рівномірну концентрацію енергії вибуху. Особливо важливо це для випадку, коли необхідно провести руйнування міцних порід, оскільки циліндричний вруб дозволяє досягти максимального подрібнення породи і високого коефіцієнта використання шпурів за одночасного дотримання вимог правил безпеки щодо обмеження мінімально допустимої відстані між шпурами.

Прямий циліндричний вруб працює наступним чином. Першими підривають заряди 1 у врубових шпурах 2. Циліндричні ударні хвилі, завдяки круговому розташуванню шпурів, сходяться одночасно до центрального шпура 3, взаємодіють і відбиваються від його стінок, що спричиняє руйнування масиву у межах врубової порожнини і її донної частини. За межами кола розташування шпурів створюється зона радіальних і тангенціальних тріщин. Газоподібні продукти вибуху зарядів роздавлюють врубову зону і викидають з врубової порожнини зруйновану породу, що утворює врубову порожнину на глибину, близьку до довжини заходки LЗ. Породи донної частини врубової порожнини запресовуються навколо центрального випереджувального шпура 3, що підвищує щільність забивки, а заряд викиду 4 знаходиться поза зоною дії зарядів 1. За підривання заряду 4 в центральному шпурі 3 газоподібні продукти вибуху виконують решту механічної роботи з відкидання породи, яка залишилася в донній частині врубової порожнини, що остаточно формує врубову порожнину, гранична глибина якої дорівнює довжині заходки LЗ. Запропонована конструкція врубу забезпечує ефективну роботу всіх інших шпурів у вибої виробки з високим коефіцієнтом їх використання.

Важливим параметром прямого циліндричного врубу є радіус кола розташування врубових шпурів r0. Виходячи з об'ємної теорії руйнування порід вибухом і питомої витрати ВР, отримано формулу:

, (8)

де r3 - радіус заряду, м;

Д - щільність патронування, кг/м3;

lz - мінімальна довжина забивання, м;

Р - працездатність ВР, см3;

A - площа виробки, м2;

f - коефіцієнт міцності порід;

s1 - коефіцієнт текстури порід;

Залежність (8) свідчить, що для підвищення ефективності роботи врубу в міцних породах слід використовувати якомога більш працездатні ВР, а якщо цей показник досягає межі, приймати його значення відповідно до вимог єдиних правил безпеки і скорочувати довжину заходки LЗ.

У п'ятому розділі «Методика проектування і розрахунку паспортів БПР» наведено рекомендації щодо проектування паспортів БПР з урахуванням усіх запропонованих рекомендацій, а також розраховано можливий економічний ефект від їх впровадження.

Під час розробки паспортів БПР для розрахунку параметрів відбійних шпурів слід визначати величину їх заряду з урахуванням двох вільних поверхонь (врубової порожнини і площини вибою). Відбійні шпури треба розташовувати по колу навколо врубової порожнини. Відстань до неї і між шпурами слід обирати так, щоб за підривання відбійних зарядів формувалися тріщини відриву, тобто дотримуватися умови W ? а. Це призведе до руйнування порідного кільця шляхом роздавлювання його тиском газоподібних продуктів вибуху.

Щоб забезпечити ефективну роботу нового паспорта БПР, необхідно підвищити точність розмічання і спрямованого буріння шпурів у вибої, для чого розроблено та запатентовано відповідні пристрої. Один пристрій слід використовувати при бурінні шпурів буровими машинами, коли кут нахилу шпура можна контролювати маніпулятором бурильної установки (патент № 6542). Другий пристрій призначений для розмічання і для визначення напряму шпурів при застосуванні ручних свердел і перфораторів (патент № 20391). Обидва пристрої дають змогу підвищити точність розмічання, зменшити трудомісткість праці, підвищити безпеку робіт.

З метою автоматизації розрахунку параметрів розроблено програму для ЕОМ, яка спрощує проектування паспортів БПР для польових виробок із застосуванням прямого циліндричного врубу; прискорює заповнення підсумкових таблиць показників БПР; дозволяє розмістити шпури у вибої виробки з урахуванням особливостей їх роботи (врубові, відбійні, оконтурювальні).

Обґрунтовані технологічні параметри прямого циліндричного врубу і формули для їх визначення наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Технологічні параметри врубу ВПЦ

Найменування параметра	Міцність порід, f
	f < 5	5 < f < 7	7 < f < 10
Радіус кола врубових шпурів (8), м для ВР II класу для ВР III - IV класів для ВР V класу	- 0,45…0,7 0,3…0,6	0,5…0,7 0,45…0,65 0,3…0,5	0,4…0,6 0,3…0,5 -
Величина заходки, м	2,5…3,0	2,0…2,5	1,5…2,0
Довжина перебуру центрального шпура, м	0,3…0,6	0,35…0,6	0,4…0,5
Маса заряду в центральному шпурі, кг	0,25…0,5	0,5	0,5…0,75

Економічний ефект внаслідок прискорення спорудження гірничої виробки можна визначити за формулою:

(9)

де ВУ.П.В. - вартість умовнопостійних витрат, що становлять 40 - 50 % від загальної вартості спорудження гірничої виробки, грн;

vб, vн - відповідно швидкості спорудження за базової і нової технології, м/міс.

Загальний очікуваний економічний ефект для умов східного польового відкотного штрека пласта h4 горизонту 670 м шахти Міусинська за прямими вибійними витратами становитиме близько 60 грн/м. Розроблену конструкцію і методику розрахунку параметрів нового прямого циліндричного врубу передано до ДВАТ «Луганськдіпрошахт», а також впроваджено в навчальний процес в університетах ДонДТУ та TUKE (Словаччина).

ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій отримано нове рішення актуального наукового завдання, що полягає, на підставі встановлених закономірностей механічної дії вибуху у масиві гірських порід, у розробці конструкції й обґрунтуванні параметрів прямого циліндричного врубу для буропідривного способу спорудження польових виробок.

Основні результати роботи:

Експериментальними дослідженнями методом еквівалентних матеріалів встановлені залежності об'єму та кута розкриття вирви викиду від глибини розташування заряду, показано, що для оброблення експериментальних даних слід використовувати нормовані показники лінії найменшого опору, об'єму та кута розкриття вирви викиду.

Лабораторними дослідженнями визначено, що енергія та швидкість вибухової хвилі за наближення до криволінійного увігнутого контура зростають, а для прямолінійного контуру - зменшуються. Із зменшенням коефіцієнта зближення зарядів поблизу увігнутого криволінійного контура відбувається збільшення (концентрація) енергії і швидкості вибухової хвилі, що важливо для керування ефективністю вибухового руйнування порід.

Аналітичними дослідженнями розподілу енергії від газоподібних продуктів вибуху навколо подовжених зарядів доведено, що потенційна енергія газоподібних продуктів вибуху з віддаленням від центру заряду швидко зменшується, проте, на відміну від динамічної фази вибуху, статична фаза діє довше, тому відбувається суперпозиція енергії від декількох зарядів. З огляду на це доведено, що оптимальна кількість зарядів у врубі - шість, цим досягається максимум концентрації енергії вибуху.

Сформульовано вимоги, розроблено й обґрунтовано конструкцію та параметри прямого циліндричного врубу для буропідривного способу спорудження польових гірничих виробок. Розроблено паспорти БПР із застосуванням прямого циліндричного врубу, у яких враховано особливості розрахунку відбійних і оконтурювальних шпурів. Наведено рекомендації щодо вибору основних параметрів розташування шпурів у площині вибою, що дозволяє підвищити коефіцієнта використання шпурів, зменшити витрати ВР, підвищити темпи і зменшити вартість спорудження гірничих виробок.

Розроблено пристрої для підвищення точності і спрощення процесу розмічання шпурів для машинного і ручного буріння. Їх застосування дозволить проводити розмічання і буріння всього комплексу шпурів з одного положення пристрою, що спрощує і прискорює роботи з буріння, знижує матеріалоємність і трудомісткість праці.

Розроблено пакет прикладних програм для ЕОМ і методику щодо вибору параметрів паспортів БПР, які даюсь змогу проводити розрахунки для різних гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов спорудження польових гірничих виробок. Методику розрахунку параметрів впроваджено в проектному інституті ДВАТ «Луганськдіпрошахт», вона використовується в навчальному процесі технічних університетів ДонДТУ, TUKE (Словаччина). Очікуваний економічний ефект у наслідок підвищення швидкості спорудження виробки, зниження обсягу буріння, витрат матеріалів, може становити 3 - 6% від вартості спорудження гірничої виробки.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

Литвинский Г.Г. Расчет основных параметров прямого цилиндрического вруба для сооружения полевых горных выработок / Г.Г. Литвинский, П.Н. Шульгин // Разработка рудных месторождений: сб. науч. тр. - Кривой Рог: КТУ. - 2005. - С. 104 - 108.

Шульгин П.Н. Анализ расчетных методов определения удельного расхода ВВ / П.Н. Шульгин // Сб. науч. тр. - Алчевск: ДонГТУ. - 2005. - Вып. 20. - С. 73 - 81.

Литвинський Г.Г. Стенд для моделирования механического действия взрыва / Г.Г. Литвинський, В.А. Касьянов, П.Н. Шульгин // Геотехнології та управління виробництвом ХХІ сторіччя. / Під загал. ред. Булгакова Ю.Ф., Гребьонкіна С.С. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - Т. 1. - С. 184 - 190.

Литвинский Г.Г. Обоснование конструкции и параметров прямого цилиндрического вруба / Г.Г. Литвинский, П.Н. Шульгин // Матеріали міжнародної конференції “Форум гірників - 2006”. - Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2006. - С. 168 - 173.

Шульгин П.Н. Автоматизация расчетов паспортов буровзрывных работ / П.Н Шульгин // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський технічний журнал гірничого профілю. / Гол. ред. Є.О. Башков. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. - С. 191 - 195.

Пат. 6624 Україна, МПК Е21D 9/00, F42D 3/04. Прямий циліндричний вруб / Г.Г. Литвинський, В.А. Яковенко, П.М. Шульгін; заявник та патентовласник ДонДТУ; заявл. 19.10.2004; опубл. 16.05.2005, Бюл. №5.

Пат. 14427 Україна, МПК (2006) F42D 1/00. Пристрій для моделювання механічної дії вибуху ПМВ-1 / Г.Г. Литвинський, П.М. Шульгін, В.О. Касьянов; заявник та патентовласник ДонДТУ; заявл. 21.11.2005; опубл. 15.05.2006, Бюл. №5.

Пат. 14583 Україна, МПК (2006) G01P 3/64. Датчик для виміру швидкості деформації середовища SMSR-1 (sensor for Measuring of Strain Rate) / Г.Г. Литвинський, В.О. Касьянов, П.М. Шульгін; заявник та патентовласник ДонДТУ; заявл. 06.12.2005; опубл. 15.05.2006, Бюл. №5.

Пат. 14427 Україна, МПК (2006) G01N 3/28, G01N 3/08. Пристрій для випробування сипучого матеріалу на одновісне розтягнення «ІПОР» / Г.Г. Литвинський, П.М. Шульгін, В.О. Касьянов; заявник та патентовласник ДонДТУ; заявл. 14.10.2005; опубл. 17.04.2006, Бюл. №4.

Пат. 6542 Україна, МПК G01C 15/02, Е21D 9/00, F42D 3/04. Пристрій для розмітки шпурів / Г.Г. Литвинський, П.М. Шульгін; заявник та патентовласник ДонДТУ; заявл. 27.09.2004; опубл. 16.05.2005, Бюл. №5.

Пат. 20391 Україна, МПК (2006) Е21D 9/00, F42D 3/04. Пристрій для розмітки розташування, напрямку і забурювання шпурів УРБ / Г.Г. Литвинський, П.М. Шульгін; заявник та патентовласник ДонДТУ; заявл. 07.08.2006; опубл. 15.01.2007, Бюл. №1.

Шульгин П.Н. Исследование взаимодействия зарядов методом электрогидродинамических аналогий / П.Н. Шульгин // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. Серия: науки о земле. - Тула: Гриф и К, 2008. - Вып. 3. - С. 165 - 168.

Litvinsky G. G. Substantiation the design and parameters of straight cylinder burn cut in development working / Garry G. Litvinsky, Pavel Shulgin. // «Underground mining: New technologies, Safety and Sustainable Development International Mining Forum 2005». - A.A. Balkema publishers Leiden London/New York/Philadelphia/Singapore, 2005.

Литвинский Г.Г. Моделирование взаимодействия зарядов ВВ методом ЭГДА / Г.Г. Литвинский, П.Н. Шульгин // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. науч. тр. - Донецк: Норд-Пресс, 2005. - Вып.11. - С. 87 - 89.

Шульгин П.Н. Разработка программы для автоматизации расчетов паспортов буровзрывных работ / П.Н. Шульгин // Вестник. Прогрессивные технологии строительства, реконструкции, реструктуризации и безопасности в капитальном строительстве предприятий угольной промышленности, Донецк: Норд-Пресс, 2008. - Вып.9. - С. 245 - 248.

Шульгин П.Н. Моделирование механического действия взрыва / П.Н. Шульгин // Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства: сб. науч. тр. Шахтинского ин-та (филиала) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2006. - С. 217 - 221.

Шульгин П.Н. Устройство для разметки шпуров / П.Н. Шульгин // Совершенствование технологии стр.-ва шахт и подземных сооружений: сб. науч. тр. - Донецк: Норд-Пресс, 2007. - Вып. 13 - С. 69 - 71.

Шульгин П.Н. Измерение скорости деформации среды при моделировании действия взрыва / П.Н. Шульгин, В.А. Касьянов // Совершенствование технологии стр.-ва шахт и подземных сооружений: сб. науч. тр. - Донецк: Норд-Пресс, 2008. - Вып. 14 - С. 28 - 30.

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві: [1, 4, 5, 13] розроблення й обґрунтування конструкції та параметрів прямого циліндричного врубу; [14] розроблення моделі та методики моделювання, проведення досліджень, встановлення закономірностей дії динамічної фази вибуху; [3, 7] участь у розробленні стенду і проведенні моделювання механічної дії вибуху; [9] розроблення конструкції, методики експериментів і проведенні досліджень; [8, 18] участь у розробленні та проведенні експериментів; [10, 11] розроблення конструкції пристроїв для розмічання шпурів у вибої виробки і методики їх використання.

АНОТАЦІЯ

Шульгін П.М. Обґрунтування конструкції та параметрів прямого циліндричного врубу для спорудження гірничих виробок. - Рукопис

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04 - Шахтне та підземне будівництво. - Донбаський державний технічний університет, Алчевск, 2009.

У дисертації обґрунтовано параметри прямого циліндричного врубу для буропідривного способу спорудження польових гірничих виробок. Проведено аналіз стану питань з буропідривної технології спорудження гірничих виробок. Досліджено закономірності механічної дії підземного вибуху методами еквівалентних матеріалів і електрогідродинамічних аналогій. Встановлено залежності розподілу енергії вибухових хвиль поблизу відкритої поверхні різної кривизни. Аналітичними та експериментальними дослідженнями обґрунтовано параметри прямого циліндричного врубу з випереджальним шпуром.

Розроблено рекомендації щодо розрахунку паспортів буровибухових робіт з використанням прямого циліндричного врубу, щодо вибору основних параметрів розташування шпурів. Нову методику розрахунку паспортів передано для використання в ДВАТ «Луганськдіпрошахт» і впроваджено в навчальний процес.

Основний зміст роботи викладено у 12 статтях і доповідях на міжнародних науково-технічних конференціях і в шести патентах.

Ключові слова: буропідривні роботи, прямий циліндричний вруб, випереджальний шпур, вибухова речовина, енергія вибуху, паспорт буропідривних робіт.

АННОТАЦИЯ

Шульгин П.Н. Обоснование конструкции и параметров прямого цилиндрического вруба для сооружения горных выработок. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04 - «Шахтное и подземное строительство». - Донбасский государственный технический университет, Алчевск, 2009.

Диссертация посвящена повышению эффективности сооружения полевых горных выработок путем разработки и обоснования параметров прямого цилиндрического вруба.

Основная идея работы заключается в использовании закономерностей механического действия взрыва зарядов в забое горной выработки для обоснования конструкции и параметров прямого цилиндрического вруба.

Проведен анализ современного состояния проведения горных выработок по крепким породам. Исследованы закономерности механического действия подземного взрыва методами физического моделирования с применением эквивалентных материалов и электрогидродинамических аналогий.

Доказано, что максимальное взаимодействие взрывных волн динамической фазы взрыва будет в центре окружности при круговом расположении зарядов, что положено в основу обоснования параметров прямого вруба. Установлено, что при одновременном взрывании зарядов ВВ суперпозиция энергии образуемых ими взрывных волн происходит лишь на равноудаленных от зарядов направлениях или, если зарядов более двух, в точках симметрии.

Установлено, что потенциальная энергия газообразных продуктов взрыва по мере удаления от центра заряда быстро уменьшается, однако, в отличие от динамической фазы взрыва, статическая фаза действует дольше и успевает происходить суперпозиция энергии от нескольких зарядов. Исходя из этого доказано, что максимальное энергонасыщение врубовой зоны обеспечивают шесть зарядов ВВ, размещенных по окружности с радиусом, равным расстоянию между ними.

Разработана конструкция прямого цилиндрического вруба для полевых горных выработок и методика расчета его параметров, которая позволяет повысить эффективность буровзрывного способа проведения полевых горных выработок в крепких породах. Обоснованы технологические средства и предложены конструкции устройств для обеспечения точной разметки и соблюдения направления бурения взрывных шпуров в забое выработки.

Разработаны рекомендации по расчету паспортов буровзрывных работ с применением прямого цилиндрического вруба, по выбору основных параметров размещения шпуров. Новая методика расчета паспортов передана для использования в ГОАО «Луганскгипрошахт» и внедрена в учебный процесс.

Основное содержание работы отображено в 12 статьях и докладах на международных научно-технических конференциях, а также в шести патентах.

Ключевые слова: буровзрывные работы, прямой цилиндрический вруб, опережающий шпур, взрывчатое вещество, энергия взрыва, паспорт буровзрывных работ.

ANNOTATION

Shulgin P.N. Substantiation the design and parameters of straight cylinder burn cut for the mine working drifting. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree on a speciality 05.15.04. - “Mine and Underground construction”. The Donbass State Technical University, Alchevsk, 2009.

The dissertation is devoted to substantiation of technological parameters of straight cylinder burn cut for the drill-and-blasting method building of the mine working. The analysis condition of the question of drill and blasting technology of building of mine working are made. The regularity of mechanical action of subsurface explosion with the help of the methods of equivalent materials and electro-hydrodynamic analogies are studied. The dependence of distribution of energy of explosive waves near the open surface of different curvature is established. With the help of analytical and experimental researches the construction and parameters of straight cylinder cut with outrunning borehole are justified.

The recommendations are made on calculation of drill-and-blasting passports in which direct cylinder cut is used. The recommendations of the choice of basic parameters of placing boreholes is used. The new technique of calculation of passports is passed on to SPJSC «Luganskgiproshakht» for using, and it is included in educational process.

Basic content of the work is represented in 12 articles, 6 patents and reports on international scientific and technical conferences.

Keywords: drill-and-blasting works, straight cylinder cut, outrunning borehole, explosive, energy of explosion, passport of drilling- and-blasting works.

Размещено на Allbest.ru