способ взрывания горных пород с твердыми включениями

Формула изобретения

1. 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 взрывчатого вещества (ВВ) с размещением зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание зарядов ВВ, отличающийся тем, что выбор параметров заряда ВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине произведения скорости детонации ВВ и диаметра заряда ВВ, определяемого из соотношения

d D =d₀D₀·М,

где ;

d - диаметр дополнительных скважин, м;

d ₀ - диаметр основных скважин, м;

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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительные скважины бурят глубиной



где - отметка почвы твердого включения по глубине основных скважин, между которыми расположена соответствующая дополнительная скважина, м;

n - число основных скважин, между которыми расположена соответствующая дополнительная скважина;

- плотность заряжания ВВ, кг/м;

- показатель изоэнтропы ВВ в дополнительных скважинах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способам взрывания горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах. Такие включения могут быть представлены пропластками (прослойками) крепких пород во вмещающих менее крепких породах, различными линзообразными образованиями, в том числе многолетней (вечной) мерзлоты внутри талых скальных и полускальных пород, и другими образованиями.

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 взрывчатого вещества (ВВ) с размещением зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание зарядов ВВ [1]. Способ предназначен для взрывания пород с линзообразными включениями вечной мерзлоты, но может быть распространен и на взрывание пород с другими твердыми включениями, например, кремнистых или известковистых прожилковых линз, хаотически расположенных в массиве основной породы.

Данный способ не обеспечивает достаточной эффективности дробления различных твердых включений, так как не предусматривает выбор рационального типа ВВ для заряжания дополнительных скважин и не учитывает совокупность основных свойств вмещающих пород, включений и применяемых ВВ.

Ближайшим техническим решением к заявленному является 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 взрывчатого вещества (ВВ) с размещением зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание зарядов ВВ, причем выбор параметров заряда ВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине скорости детонации ВВ, определяемой из соотношения

,

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 [2].

Указанный способ учитывает свойства вмещающих пород и включений, но параметры зарядов ВВ в дополнительных скважинах выражаются только через скорость его детонации. В то же время не принимается во внимание такой важнейший параметр заряда ВВ, как его диаметр, что существенно ограничивает выбор параметров заряда ВВ. Можно, в частности, использовать в основных и дополнительных скважинах один и тот же тип ВВ с одинаковыми скоростями детонации, но при этом изменить соответствующим образом диаметр дополнительных скважин.

Задачей изобретения является повышение эффективности взрывания горных пород с различными твердыми включениями, размещенными во вмещающих менее крепких породах.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности дробления различных твердых включений за счет учета основных свойств вмещающих пород, включений и применяемых ВВ, а также диаметров зарядов ВВ в основных и дополнительных скважинах.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе взрывания горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающем 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 взрывчатого вещества (ВВ) с размещением зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений и взрывание зарядов ВВ, согласно изобретению выбор параметров заряда ВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине произведения скорости детонации ВВ и диаметра заряда ВВ, определяемого из соотношения

где ; d - диаметр дополнительных скважин, м; d₀ - диаметр основных скважин, m; 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.

Кроме того, дополнительные скважины бурят глубиной

где , м; - отметка почвы твердого включения по глубине основных скважин, между которыми расположена соответствующая дополнительная скважина, м; n - число основных скважин, между которыми расположена соответствующая дополнительная скважина; - плотность заряжания ВВ, кг/м³; - показатель изоэнтропы ВВ в дополнительных скважинах.

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

Определение в процессе бурения основных скважин наличия твердых включений, их контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений по глубине скважин позволяет установить параметры залегания включений внутри разрушаемого массива, в том числе их мощность по глубине конкретных скважин, а также скорректировать конструкцию и параметры зарядов ВВ в основных скважинах. Расположение дополнительных скважин внутри контура в плане твердых включений, с учетом уже найденных параметров их залегания, гарантирует размещение зарядов ВВ в дополнительных скважинах внутри включений по всей их площади в пределах взрываемого блока.

Известно, что выбор ВВ для заряжания скважин в первую очередь зависит от свойств взрываемых пород, а свойства пород твердых включений существенно отличаются от свойств вмещающих пород. Поэтому повышения эффективности дробления твердых включений можно достичь либо за счет использования для заряжания основных и дополнительных скважин ВВ с различными основными характеристиками, соответствующими свойствам вмещающих пород и пород включений, либо за счет бурения дополнительных скважин другого диаметра. Также известно, что диаметр (радиус) зоны регулируемого дробления, а следовательно, и эффективность дробления, пропорционален произведению диаметра (радиуса) скважины и скорости детонации ВВ и обратно пропорционален корню квадратному предела прочности взрываемых пород на растяжение. Эти параметры являются наиболее значимыми при определении радиуса зоны регулируемого дробления и применении наиболее распространенных промышленных конденсированных ВВ с близкими значениями плотности. При этом растягивающие напряжения являются определяющими при разрушении горных пород, так как предел прочности при растяжении в несколько раз меньше, чем при сдвиге, и в среднем на порядок меньше, чем при сжатии. Таким образом, выбор параметров заряда ВВ в дополнительных скважинах по величине произведения диаметра (радиуса) скважины и скорости детонации ВВ, определяемого из указанного в формуле изобретения соотношения (1), позволяет учесть основные свойства вмещающих пород ( ), включений ( ) и параметров заряда ВВ (d₀, D₀, d , D ).

С учетом вышесказанного совокупность всех признаков, указанных в самостоятельном пункте формулы изобретения, действительно позволяет повысить эффективность дробления различных твердых включений за счет учета основных свойств вмещающих пород, включений и параметров заряда ВВ, что решает задачу изобретения и обеспечивает достижение технического результата.

Определение глубины дополнительных скважин в соответствии с соотношением (2) по средним значениям отметок почвы твердого включения по глубине основных скважин, между которыми расположена соответствующая дополнительная скважина, и недобуривание дополнительных скважин до почвы включения на величину , равную радиусу зоны регулируемого дробления в твердом включении, исключает направленность действия взрыва в сторону вмещающих пород, имеющих меньшую сопротивляемость взрыванию. Поэтому, несмотря на уменьшение массы зарядов внутри включений, это также дополнительно повышает эффективность их дробления. То есть нижний торец зарядов ВВ в дополнительных скважинах должен отстоять от почвы включений на расстояние с (фиг.2). В принципе верхний торец этих зарядов должен быть ниже кровли включений на то же расстояние. При меньших расстояниях возможно направленное действие взрыва в сторону вмещающих пород, а при больших - существенное уменьшение массы зарядов внутри включений, что в обоих случаях приведет к снижению эффективности дробления включений. Кроме этого при такой глубине дополнительных скважин также снижается объем буровых работ.

Способ поясняется чертежами. На фиг.1 показан взрываемый блок уступа карьера в плане, на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1.

Способ осуществляют путем последовательного выполнения следующих операций.

С учетом конкретных условий определяют по общеизвестным методикам или результатам предыдущих взрывов в аналогичных условиях параметры вертикальных скважинных зарядов ВВ без учета наличия включений. Исходя из прочностных свойств вмещающих пород и твердых включений, а также параметров скважинных зарядов ВВ в основных скважинах определяют величину М.

В соответствии с найденными значениями сопротивления по подошве уступа, расстояния между скважинами в ряду, расстояния между рядами скважин, длины (глубины) скважины и формой сетки скважин бурят основные скважины.

В процессе бурения основных скважин по изменениям скорости бурения, цвета и состояния выдаваемых на поверхность продуктов разрушения определяют наличие, контур в плане, отметки кровли и почвы и мощность твердых включений по глубине каждой скважины.

Внутри контура в плане твердых включений бурят дополнительные скважины, которые располагают в центре четырехугольников, образованных соседними основными скважинами.

Диаметр дополнительных скважин определяют исходя из величины М. Если М много больше единицы, и при условии равенства диаметров основных и дополнительных скважин не удается подобрать ВВ с соответствующей скоростью детонации, то необходимо увеличить диаметр дополнительных скважин, что соответственно позволяет уменьшить скорость детонации ВВ в дополнительных скважинах. Если М меньше единицы, то целесообразно выбрать диаметр дополнительных скважин равным диаметру основных скважин и варьировать только скоростью детонации ВВ.

Глубину дополнительных скважин определяют по соотношению (2):

, м

где , м; - отметка почвы твердого включения по глубине основных скважин, между которыми расположена соответствующая дополнительная скважина, м; n - число основных скважин, между которыми расположена соответствующая дополнительная скважина; - плотность заряжания ВВ, кг/м³; - показатель изоэнтропы ВВ в дополнительных скважинах.

Это означает, что дополнительные скважины не добуривают до почвы включения на величину . Меньшие значения этих расстояний соответствуют большим диаметрам скважин, меньшей мощности включений и большей их крепости, а большие значения расстояний - меньшим диаметрам скважин, большей мощности включений и меньшей их крепости. При этом также определяют отметки кровли и почвы и мощность включений по глубине дополнительных скважин.

Далее производят заряжание и забойку основных и дополнительных скважин. Заряжание основных скважин производят теми же ВВ, которые приняты на данном предприятии для взрывания аналогичных пород без наличия твердых включений. Заряжание дополнительных скважин осуществляют ВВ с другими свойствами и для выбора этих ВВ предварительно определяют пределы прочности вмещающих пород и пород твердого включения на растяжение. При этом выбор ВВ для дополнительных скважин осуществляют по величине скорости детонации ВВ, определяемой из соотношения (1):

d D =d₀D₀·M,

где ; d - диаметр дополнительных скважин, м; d₀ - диаметр основных скважин, m; 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.

В процессе заряжания основных скважин производят монтаж внутрискважинных взрывных сетей, который осуществляют методом, принятым на данном предприятии.

После заряжания основных скважин производят их забойку.

Дополнительные скважины заряжают зарядами ВВ, которые размещают внутри пересекаемых ими твердых включений. Заряжание производят зарядами ВВ, выбранными по соотношению (1), высота которых на то же расстояние с ниже кровли включений.

Дополнительные скважины могут и пересекать твердые включения (на фиг.1, фиг.2 не показано). В этом случае заряжание дополнительных скважин ВВ может быть осуществлено на всю высоту пересечения включения, а для исключения направленного действия взрыва в сторону менее крепких вмещающих пород - применено, например, встречное инициирование заряда ВВ. Возможны другие варианты выполнения заряжания дополнительных скважин при пересечении ими твердых включений, например, с забойкой донной части этих скважин выше почвы включения и размещением верхнего торца зарядов ниже кровли включения [1] или с применением зарядов ВВ, нижней торец которых расположен ниже почвы включения, а верхний - выше кровли включения.

Так же, как и при заряжании основных скважин, в процессе заряжания дополнительных скважин производят монтаж внутрискважинных взрывных сетей, а по окончании заряжания - забойку верхней незаряженной части дополнительных скважин.

Возможна любая подходящая для конкретных условий последовательность выполнения операций по заряжанию основных и дополнительных скважин: вслед за бурением; вначале основных, а затем дополнительных скважин; по отдельным рядам скважин и др. Забойка верхних незаряженных частей скважин также может осуществляться в различной последовательности: сразу же после окончания заряжания каждой отдельной скважины зарядом ВВ, после окончания заряжания всех основных и дополнительных скважин или совмещаться по времени с заряжанием отдельных групп скважин.

После окончания забойки всех основных и дополнительных скважин производят монтаж поверхностной взрывной сети, ее соединение с внутри-скважинными взрывными сетями и взрывание скважинных зарядов ВВ одним из принятых на открытых горных работах способов взрывания зарядов.

Пример осуществления способа

Производили взрывание вскрышных пород на карьере, разрабатывающем фосфоритное месторождение. Породы представлены в основном глинистыми мергелями со средними приделами прочности на сжатие и растяжение 30 и 1,75 МПа, соответственно. Внутри этих вмещающих пород залегают твердые включения (пропластки, линзы и др. образования) известковистого мергеля, имеющего большую сопротивляемость взрыванию и средние пределы прочности на сжатие и растяжение 55 и 3,2 МПа.

Указанные данные позволяют определить величину М в соотношении (1):

.

Следовательно, диаметр дополнительных скважин принимаем равным диаметру основных скважин и применяем в дополнительных скважинах ВВ с меньшей скоростью детонации, чем у гранулита игданита: D =D₀-0,912=2450·0,912=2334 м/с.

Высота уступа H равнялась 12 м. Диаметр скважин d _скв, равный диаметру заряда d_зар, составлял 220 мм (буровой станок 3СБШ-200Н). Направление скважин - вертикальное. Удельный расход ВВ (гранулит игданит) для вмещающих пород - 0,67 кг/м³. Гранулит игданит имеет скорость детонации 2200-2700 м/с, в среднем 2450 м/с. Вместимость 1 п.м скважины при плотности заряжания 850 кг/м³ - 32,3 кг. Для основных скважин приняты следующие параметры: расстояние между скважинами в ряду а - 6 м; расстояние между рядами скважин b - 6 м; форма сетки скважин - квадратная; глубина скважин l_скв - 13,5 м; длина забойки l_заб - 4,5 м; длина перебура l _пep - 1,5 м; длина заряда l_зар - 9 м; масса заряда в скважине - 290 кг.

На взрываемом блоке бурили по сетке 6х6 м основные скважины 1-20 (фиг.1, 2). В процессе их бурения установлено, что скважины 7-20 пересекают твердое включение 21 известковистого мергеля (фиг.2), контур которого в плане на фиг.1 показан пунктирной линией. При этом по глубине каждой скважины были определены отметки кровли 22 и почвы 23, включения 21 и его мощность.

Далее на основе полученных результатов внутри контура в плане включения 21 бурили дополнительные скважины 24-31.

Глубину каждой дополнительной скважины определяли из выражения (2).

Отметки почвы включения для основных скважин 16, 11, 12 и 17, пересекающих включение 21, составили 7,8, 7,6, 8,4, и 8,6 м, соответственно, при мощности включения от 1,6 до 4,1 м. Поэтому для дополнительной скважины 28, размещенной в центре прямоугольника, образованного указанными соседними основными скважинами, было принято минимальное расчетное значение с, равное 0,86 м. В соответствии с (2) глубина скважины 28 составила

.

Определенная в процессе бурения этой дополнительной скважины 28 отметка кровли включения равна 4,7 м. Следовательно, мощность включения по скважине 28 была 7,24-4,7+0,86=3,4 м. Поскольку верхний торец заряда 34 ВВ в скважине 28 также отстоит от кровли включения на то же расстояние с=0,86 м, то высота h заряда будет 3,4-2с=3,4-2*0,86=1,68 м.

По мере удаление от бровки уступа мощность твердого включения пропорционально возрастает и достигает 6,5 м для основной скважины 15. Поэтому для дополнительных скважин 29, 30 и 31 были приняты значения с, равные 0,87, 0,90, и 1,10 м, соответственно, и аналогичным образом рассчитаны параметры зарядов ВВ в остальных дополнительных скважинах.

Далее выбирают ВВ для заряжания дополнительных скважин в соответствии с выражением (1).

Поскольку М<1 и D =D₀·0,912=2450·0,912=2334 м/с, то в дополнительных скважинах возможно применение относительно дешевого гранулита С-2 со скоростью детонации 2000-2600 м/с.

Поэтому для заряжания дополнительных скважин был принят гранулит С-2, который безопасен, экологичен, допущен к механизированному заряжанию, экономичен и является одним из широко применяемых взрывчатых веществ в промышленности.

После бурения дополнительных скважин проводили заряжание всех основных скважин 1-20 зарядами 32 гранулита игданита (фиг.2) с одновременным монтажом внутрискважинных взрывных сетей (на фиг.1, фиг.2 не показаны) и забойку верхних незаряженных частей 33 скважин твердым сыпучим забоечным материалом (отсев обогатительной фабрики или другой подходящий материал).

Дополнительные скважины 24-31 заряжали зарядами 34 гранулита С-2, имеющими предварительно найденную высоту, и также одновременно осуществляли монтаж внутрискважинных взрывных сетей (на чертежах не показаны). Затем производили забойку верхних незаряженных частей 35 дополнительных скважин тем же забоечным материалом.

После окончания забойки всех скважин монтировали поверхностную взрывную сеть (на фиг.1, фиг.2 не показана), соединяли ее с внутрискважинными взрывными сетями и осуществляли взрывание скважинных зарядов ВВ принятым на данном карьере способом.

Источники информации:

1. Патент РФ № 2263877 по классу F42D 3/04, 2004.

2. Патент РФ № 2400702 по классу F42D 3/04 (прототип), 2009.