способ взрывания разнопрочных массивов горных пород

Формула изобретения

Способ взрывания разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающий определение наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений, бурение вертикальных скважин, заряжание скважин зарядами промышленного взрывчатого вещества (ПВВ), диаметр которых равен диаметру скважин, и взрывание зарядов ПВВ, отличающийся тем, что предварительно определяют пределы прочности при растяжении, коэффициенты Пуассона, модули Юнга, пористость и коэффициент всестороннего сжатия вмещающих пород и твердых включений, а выбор ПВВ, размещаемого в твердых включениях, осуществляют исходя из скорости детонации D_вкл , определяемой из соотношения:



где и - соответственно пределы прочности твердых включений и вмещающих пород при растяжении, Па;

- параметр адиабаты;

- показатель адиабаты продуктов детонации в момент завершения детонации;

- плотность заряжания ПВВ;

P₀ - начальное давление продуктов детонации взрывных газов в точке Жуге, Па;

₂ - показатель изоэнтропы продуктов детонации ПВВ;

К_вкл и К_вм - соответственно коэффициенты всестороннего сжатия твердых включений и вмещающих пород;

П_вкл и П_вм - соответственно пористости твердых включений и вмещающих пород;

М _вм - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости во вмещающих породах, определяемый по формуле:



М_вкл - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости в твердых включениях, определяемый по формуле:



^вкл и ^вм - соответственно коэффициенты Пуассона твердых включений и вмещающих пород;

Е^вкл и Е ^вм - соответственно модули Юнга твердых включений и вмещающих пород, Па.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, а именно к способам взрывания разнопрочных массивов горных пород на открытых горных работах. Такие массивы могут иметь включения, представленные пропластками, слоями (прослойками) крепких пород во вмещающих менее крепких породах, различными линзами и другими образованиями, имеющими различные положение и мощность по высоте взрываемого блока.

Известен способ взрывания горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающий бурение вертикальных основных скважин, определение в процессе их бурения наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений по глубине основных скважин, бурение вертикальных дополнительных скважин внутри контура включений, заряжание основных и дополнительных скважин зарядами промышленного взрывчатого вещества (ПВВ) с размещением зарядов ПВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание этих зарядов. Причем выбор ПВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине скорости детонации ПВВ, определяемой из соотношения [1]:

где D - скорость детонации ВВ для заряжания дополнительных скважин, м/с;

D₀ - скорость детонации ВВ для заряжания основных скважин, м/с;

- предел прочности пород твердого включения на растяжение, Па;

- предел прочности вмещающих пород на растяжение, Па.

Вышеуказанный способ требует затрат на бурение дополнительных скважин, размещение в них зарядов ВВ, а также усложняет схему взрывной сети. При выборе ПВВ для заряжания дополнительных скважин по формуле (1) не учитываются основные свойства горных пород и ПВВ, в частности пористость, коэффициент всестороннего сжатия и характеристики адиабаты расширения взрывных газов.

Ближайшим техническим решением к заявленному является способ взрывания разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающий бурение вертикальных скважин, их заряжание комбинированными зарядами ПВВ, забойку скважин и взрывание зарядов ПВВ. При этом более мощное ПВВ размещают в той части зарядов, которая пересекает твердое включение [2].

Указанный способ не гарантирует получение требуемого качества дробления разнопрочных массивов, так как не учитывает совокупности основных свойств вмещающих пород, включений и применяемого ПВВ. Вследствие этого не обеспечивается равенство диаметров зон регулируемого дробления (ЗРД) во вмещающих менее крепких породах и более крепких включениях, что снижает эффективность и равномерность дробления разнопрочных массивов.

Задачей изобретения является повышение качества дробления разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями, имеющими различное положение и мощность по высоте взрываемого блока.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности и равномерности дробления разнопрочных массивов за счет обеспечения равенства диаметров зон регулируемого дробления во вмещающих породах и твердых включениях путем учета совокупности основных свойств вмещающих пород, включений и применяемого ПВВ.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе взрывания разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающем определение наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений, бурение вертикальных скважин, заряжание скважин зарядами промышленного взрывчатого вещества (ПВВ), диаметр которых равен диаметру скважин, и взрывание зарядов ПВВ, согласно изобретению предварительно определяют пределы прочности при растяжении, коэффициенты Пуассона, модули Юнга, пористость и коэффициент всестороннего сжатия вмещающих пород и твердых включений, а выбор ПВВ, размещаемого в твердых включениях, осуществляют исходя из скорости детонации D_вкл , определяемой из соотношения:

где и - соответственно пределы прочности твердых включений и вмещающих пород при растяжении, Па;

- параметр адиабаты;

- показатель адиабаты продуктов детонации в момент завершения детонации;

- плотность заряжания, кг/м³;

P₀ - начальное давление продуктов детонации (взрывных газов) в точке Жуге, Па;

₂ - показатель изоэнтропы продуктов детонации ПВВ;

К_вкл и К_вм - соответственно коэффициенты всестороннего сжатия твердых включений и вмещающих пород;

П_вкл и П_вм - соответственно пористости твердых включений и вмещающих пород;

М_вм - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости во вмещающих породах, определяемый по формуле [3, 4]:

М_вкл - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости в твердых включениях, определяемый по формуле [3, 4]:

^вкл и ^вм - соответственно коэффициенты Пуассона твердых включений и вмещающих пород;

E^вкл и Е^вм - соответственно модули Юнга твердых включений и вмещающих пород, Па.

В указанную в формуле изобретения совокупность признаков включены все признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для получения технического результата.

Расстояние между взрывными скважинами выбирают обычно из условия соприкосновения ЗРД при взрывании зарядов ПВВ в этих скважинах. Однако при взрывании разнопрочных массивов горных пород диаметры ЗРД скважинных зарядов, пересекающих твердые включения, в пределах включений существенно меньше, чем во вмещающих менее крепких породах. Поэтому в твердых включениях между скважинами образуются центральные неразрушенные взрывом зоны. Для дробления этих неразрушенных зон предложенный способ и предусматривает размещение более мощных ПВВ на участках скважин в зоне пересечения ими твердых включений. Это позволяет увеличить диаметр ЗРД в пределах включений и уменьшить объем указанных центральных неразрушенных взрывом зон.

Определение наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений позволяет установить параметры залегания включений внутри разрушаемого массива, в том числе их мощность по глубине конкретных скважин, скорректировать конструкцию и параметры скважинных зарядов ПВВ.

Скважины бурят вертикально, так как такие скважины более устойчивы, чем наклонные в породах малой крепости, которыми в большинстве случаев являются вмещающие породы массива.

Заряжание скважин зарядами ПВВ, диаметр которых равен диаметру скважин, позволяет упростить процесс заряжания, максимально использовать объем скважин и увеличить выход горной массы с одного погонного метра скважины.

Формула (2) получена из условия обеспечения равенства диаметров ЗРД во вмещающих породах и включениях и основана на соотношении, определяющем радиус зоны регулируемого дробления при учете основных свойств пород и ПВВ [3, 4]. Данное соотношение для радиуса r ЗРД в пористых породах можно переписать в виде

где r₀ - радиус скважины.

Начальное давление продуктов детонации (взрывных газов) определяется известной формулой

Условие равенства радиусов (диаметров) ЗРД во вмещающих породах r^вм и во включениях r ^вкл запишется в виде

r^вм=r ^вкл.

Из этого условия и формул (3) и (4) непосредственно вытекает формула (2).

Известно, что растягивающие напряжения являются определяющими при разрушении горных пород, так как предел прочности при растяжении в среднем в 2,5 раза меньше, чем при сдвиге, и в 10 раз меньше, чем при сжатии. Предварительное определение пределов прочности при растяжении _рас, коэффициентов Пуассона , модулей Юнга Е и пористостей П вмещающих пород и твердых включений, входящих в формулу (2), является обязательным условием осуществления способа, так как от значений этих параметров зависит выбор ПВВ по скорости детонации и, следовательно, диаметр ЗРД участков скважин в твердых включениях. Давление P₀ продуктов детонации в точке Жуге, параметр адиабаты и показатель изоэнтропы ₂ являются постоянными и известными величинами для каждого конкретного ПВВ при его определенной начальной плотности в момент инициирования заряда, то есть плотности заряжания, и их значения при прочих равных условиях полностью определяют диаметр ЗРД.

Таким образом, выражение (2) позволяет установить необходимую скорость детонации D_вкл для выбора ПВВ на участках твердых включений из условия обеспечения равенства диаметров ЗРД во всем взрываемом массиве путем учета совокупности основных свойств вмещающих пород, включений и применяемого ПВВ, что повышает эффективность и равномерность дробления разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах.

С учетом вышесказанного совокупность всех признаков, указанных в формуле изобретения, действительно позволяет решить задачу изобретения (повышение качества дробления и исключения выхода негабаритов) и обеспечивает достижение указанного технического результата.

Способ осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций.

По данным геологической службы предприятия (результатам предварительной инженерно-геологической разведки) определяют наличие в подготавливаемом к взрыванию блоке твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контур в плане и отметки кровли и почвы этих включений, их мощность, а также пределы прочности при растяжении и , коэффициенты Пуассона ^вкл и ^вм, модули Юнга Е^вкл и Е^вм ,а также коэффициенты всестороннего сжатия К_вкл, К_вм и пористости П_вкл, П_вм твердых включений и вмещающих пород соответственно.

С учетом конкретных условий определяют по общеизвестным методикам или результатам предыдущих взрывов в аналогичных условиях параметры вертикальных скважинных зарядов ПВВ, включая их диаметр (диаметр скважины ), без учета наличия включений.

Для принятого по скорости детонации ПВВ находят по табличным данным или общеизвестным зависимостям показатель изоэнтропы продуктов детонации ₂, параметр адиабаты и давление продуктов детонации в точке Жуге P₀ .

В соответствии с найденными значениями сопротивления по подошве уступа и длины (глубины) скважин бурят взрывные скважины диаметром по принятой на данном предприятии сетке скважин.

В процессе бурения скважин по изменению скорости бурения, цвета и состояния выдаваемых на поверхность продуктов разрушения уточняют, если это необходимо, наличие, контур в плане, отметки кровли и почвы и мощность твердых включений по глубине каждой скважины, а также пределы прочности при растяжении и , коэффициенты Пуассона ^вкл и ^вм, модули Юнга Е^вкл и Е^вм и пористости П_вкл и П_вм твердых включений и вмещающих пород соответственно.

Далее, используя найденные значения параметров и , ^вкл и ^вм, E^вкл и E^вм, П _вкл и П_вм, ₂, P₀ и принятый диаметр бурения скважин , определяют скорость детонации D_вкл ПВВ, выбираемого для участков скважин в местах пересечения ими твердых включений и обеспечивающего равенство диаметров ЗРД во вмещающих породах и твердых включениях.

После выбора ПВВ для участков скважин в местах пересечения ими твердых включений производят заряжание скважин зарядами разных типов ПВВ. В процессе заряжания скважин выполняют монтаж внутрискважинных взрывных сетей, а по окончании заряжания - забойку верхней незаряженной части скважин.

После окончания забойки скважин осуществляют монтаж поверхностной взрывной сети, ее соединение с внутрискважинными взрывными сетями и взрывание скважинных зарядов ПВВ одним из принятых на открытых горных работах способов взрывания.

Пример осуществления способа

Производили взрывание вскрышных пород на карьере, разрабатывающем фосфоритное месторождение на карьере Ташкура Джарой-Сардаринского сложноструктурного пластового месторождения Кызылкумского горнорудного района Узбекистана. Вмещающие породы месторождения сложены супесями и суглинками, галечником и конгломератом, бентонитовыми глинами и глинистым мергелем с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодъяконова f=1,5 2, средними пределом прочности при растяжении Па, коэффициентом Пуассона ^вм=0,2 и модулем Юнга E^вм=1,5·10 ¹⁰ Па, требующими взрывного рыхления. Внутри этих вмещающих пород залегают твердые включения гравелитов, имеющих большую сопротивляемость взрыванию, с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодъяконова f=4 5, средними пределом прочности при растяжении коэффициентом Пуассона ^вкл=0,3 и модулем Юнга E^вкл=4·10 ¹⁰ Па. Физико-механические свойства пород представлены в таблице 1.

Исходя из свойств вмещающих пород в качестве ПВВ использовали граммонит М, который при плотности заряжания 1·10³ кг/м³ имеет показатель изоэнтропы продуктов детонации ₂=1,26, давление продуктов детонации в точке Жуге Р₀=4,21·10⁹ Па и скорость детонации D_вм=4·10³ м/с. Высота уступа равнялась 12 м.

Таблица 1
Породы	Предел прочности на растяжение рас, Па	Модуль упру-гости Е, Па	Коэффициент Пуассона	Коэффициент крепости породы по Протодъяконову f	Коэффициент всестороннего сжатия К, Па	Пористость П, %
вмещающие породы (глины загипсован-ные)	1,5·106	1,5·1010	0,2	1,5	33·109	13
крепкие породы (граве-литы)	4,5·106	4,0·1010	0,3	4,5	8,3·109	11

Для конкретных условий и из опыта работы данного предприятия без учета наличия твердых включений диаметр скважин , равный диаметру заряда, составлял 250 мм (станок шарошечного бурения СБШ-250 МН с коронкой диаметром 244 мм). Направление скважин - вертикальное.

При использовании в качестве ПВВ граммонита М и диаметре скважин 250 мм радиус регулируемого дробления во вмещающих породах и твердых включениях (гравелитах) составил соответственно r^вм=3,27 м и r^вкл =2,28 м. Таким образом, радиус ЗРД во вмещающих породах существенно больше, чем радиус ЗРД в твердых включениях.

Для увеличения радиуса ЗРД в твердых включениях от 2,28 м до значения 3,27 м по соотношению (2) определена необходимая скорость детонации для ПВВ, размещаемого в твердых включениях, которая равна:

где

Данную скорость детонации при плотности заряжания =1,1·10³ кг/м³ имеет гексоген. Радиус регулируемого дробления в твердых включениях при применении гексогена составляет r^вкл=3,36 м, что находится в достаточно близком соответствии с r^вм. Это гарантирует качественное дробление и полное отсутствие негабаритных кусков породы.

Предварительно для подготавливаемого к взрыву блока геологическая служба предприятия установила, что во вмещающих породах (загипсованные глины) по всей площади блока залегает горизонтальный пропласток гравелитов мощностью 4 м с отметками кровли по высоте уступа 6 м и почвы 10 м с указанными выше значениями ^вкл и E^вкл.

В процессе бурения скважин по изменению скорости бурения, цвета и состояния выдаваемых на поверхность продуктов разрушения были подтверждены наличие, контур в плане, отметки кровли и почвы, мощность и свойства пропластка гравелитов, а также свойства вмещающих загипсованных глин.

Таким образом, из (2) следует, что на участках пересечения пропластка твердых включений скважины должны быть применены заряды ПВВ со скоростью детонации D_вкл=6,24·10 ³ м/с, что позволяет увеличить радиус ЗРД в твердых включениях до величины r^вм. Это гарантирует качественное дробление и полное отсутствие негабаритных кусков породы.

Источники информации

1. Патент РФ № 2400702 C1 с приоритетом от 28.05.2009.

2. Бибик И.П., Рахманов Р.А., Ивановский Д.С. Повышение эффективности взрывного рыхления разнопрочных массивов при разработке Джерой-Сардаринского месторождения фосфоритов // Горный журнал. Цветные металлы. Специальный выпуск. - 2008. - № 8. - С.49-51, рис.4, III, б (прототип).

3. Дугарцыренов А.В. Физическая природа и механизм разрушения горной породы при камуфлетном взрыве. Взрывное дело. Выпуск № 106/63. - М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГН», 2011. - С.112-126.

4. Дугарцыренов А.В. Механизм разрушения пластичных горных пород при камуфлетном взрыве. Взрывное дело. Выпуск № 108/65. - М.: ЗАО «МВК по взрывному делу при АГН», 2012. - С.134-139.