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, пределов прочности вмещающих пород и твердых включений при растяжении, бурение вертикальных основных и дополнительных скважин внутри контура в плане твердых включений в центрах квадратов, образованных соседними основными скважинами, заряжание основных и дополнительных скважин зарядами промышленного взрывчатого вещества (ПВВ), диаметр которых равен диаметру скважин, и взрывание зарядов ПВВ, отличающийся тем, что выбор диаметров дополнительных скважин осуществляют по отношению прочностных свойств твердых включений и вмещающих пород из соотношения

,

где и - диаметры дополнительных и основных скважин соответственно, мм;

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

а для заряжания скважин применяют одно и то же ПВВ.

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, в том числе многолетней (вечной) мерзлоты внутри талых скальных и полускальных пород, верхним сезонномерзлым слоем и другими образованиями, имеющими различные положение и мощность по высоте взрываемого блока.

Известен способ взрывания разнопрочных массивов горных пород на открытых горных работах, включающий бурение вертикальных основных и дополнительных скважин, их заряжание зарядами промышленного взрывчатого вещества (ПВВ), забойку скважин и взрывание зарядов ПВВ [1].

При этом применяют основные скважины нормальной глубины в сочетании с дополнительными промежуточными скважинами уменьшенной глубины такого же или меньшего диаметра. Способ используют при некачественном дроблении верхней части уступа, особенно при взрывании пород с верхним сезонномерзлым слоем.

Однако этот способ не может быть использован при взрывании разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями внутри разрушаемого массива из-за того, что такие включения имеют различные положение и мощность по площади и высоте уступа.

Ближайшим техническим решением к заявленному является способ взрывания разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающей определение наличия твердых включений во вмещающих менее крепких породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений, пределов прочности вмещающих пород и твердых включений при растяжении, бурение вертикальных основных и дополнительных скважин внутри контура в плане твердых включений в центрах квадратов, образованных соседними основными скважинами, заряжание основных и дополнительных скважин зарядами ПВВ, диаметр которых равен диаметру скважин, и взрывание зарядов ПВВ [2].

Основные и дополнительные скважины имеют одинаковый диаметр, а для повышения эффективности дробления твердых включений скважины заряжают зарядами различных ПВВ. Выбор ПВВ для заряжания дополнительных скважин осуществляют по величине скорости детонации в зависимости от соотношения пределов прочности при растяжении твердых включений и вмещающих менее крепких пород.

Указанный способ имеет следующие недостатки.

Известно, что скорость детонации ПВВ в значительной мере зависит от условий взрывания и для одного и того же ПВВ может изменяться в довольно широких пределах. Поэтому не всегда будет обеспечено соприкосновение зон регулируемого дробления в пределах твердых включений при взрывании зарядов ПВВ в основных и дополнительных скважинах, что снижает эффективность дробления твердых включений, а следовательно, и равномерность дробления всего разнопрочного массива.

Кроме того, использование способа ограничено возможностью наличия на предприятии нескольких типов ПВВ с существенно различной скоростью детонации. Это может вызвать значительные трудности, особенно при малом объеме потребления ПВВ, требуемых для заряжания дополнительных скважин, что ограничивает область применения способа.

Задачей изобретения является повышение эффективности 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 соприкосновения зон регулируемого дробления в пределах твердых включений при взрывании зарядов ПВВ в основных и дополнительных скважинах и расширении области применения.

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, пределов прочности вмещающих пород и твердых включений при растяжении, бурение вертикальных основных и дополнительных скважин внутри контура в плане твердых включений в центрах квадратов, образованных соседними основными скважинами, заряжание основных и дополнительных скважин зарядами промышленного взрывчатого вещества (ПВВ), диаметр которых равен диаметру скважин, и взрывание зарядов ПВВ, согласно изобретению выбор диаметров скважин осуществляют по отношению прочностных свойств твердых включений и вмещающих пород из соотношения

где и - диаметры дополнительных и основных скважин соответственно, мм; и - пределы прочности твердых включений и вмещающих пород при растяжении соответственно, Па,

а для заряжания скважин применяют одно и то же ПВВ.

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

Взрывные скважины бурят обычно из условия соприкосновения зон регулируемого дробления при взрывании зарядов ПВВ в этих скважинах. Однако при взрывании разнопрочных массивов горных пород радиусы зон регулируемого дробления 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 и применяют заряды ПВВ в дополнительных скважинах.

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, а также скорректировать конструкцию и параметры зарядов ПВВ в основных и дополнительных скважинах.

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

Бурение дополнительных скважин внутри контура в плане твердых включений в центрах квадратов, образованных соседними основными скважинами, с учетом уже найденных параметров залегания включений, обеспечивает размещение зарядов ПВВ в дополнительных скважинах внутри включений по всей их площади в пределах взрываемого блока. Это же позволяет при указанных ниже условиях обеспечить соприкосновение зон регулируемого дробления этих зарядов с зонами регулируемого дробления зарядов во всех четырех соседних основных скважинах, так как расстояния от дополнительных скважин до соседних основных будут равными.

Заряжание основных и дополнительных 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.

Известно, что выбор ПВВ для заряжания скважин в первую очередь зависит от свойств взрываемых пород, а свойства пород твердых включений существенно отличаются от свойств вмещающих пород. Также известно, что радиус зоны регулируемого дробления, пропорционален радиусу заряда (скважины), скорости детонации ПВВ и обратно пропорционален корню квадратному предела прочности взрываемых пород при растяжении. Эти параметры являются основными при определении радиуса зоны регулируемого дробления при взрывании, а растягивающие напряжения - наиболее эффективными 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, при заданных пределах прочности вмещающих пород и твердых включений при растяжении, использовании для заряжания скважин одного и того же ПВВ и выполнении вышеуказанных операций, выбор диаметров основных и дополнительных скважин по отношению прочностных свойств твердых включений и вмещающих пород в соответствии с соотношением (1) позволяет повысить эффективность и равномерность дробления разнопрочных массивов за счет обеспечения соприкосновения зон регулируемого дробления в пределах твердых включений.

Кроме того, заряжание основных и дополнительных скважин одним и тем же ПВВ расширяет область применения способа при отсутствии на предприятии нескольких типов ПВВ с существенно разной скоростью детонации. В то же время это предприятие может иметь станки для бурения скважин разного диаметра или буровые станки одного типа с возможностью изменения диаметра скважин только путем замены инструмента.

С учетом вышесказанного совокупность всех признаков, указанных в формуле изобретения, действительно позволяет повысить эффективность и равномерность дробления разнопрочных массивов за счет обеспечения соприкосновения зон регулируемого дробления в пределах твердых включений при взрывании зарядов ПВВ в основных и дополнительных скважинах и расширить область применения способа, что решает задачу изобретения и обеспечивает достижение технического результата.

Способ осуществляется 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 вмещающих пород и твердых включений при растяжении и соответственно.

С учетом конкретных условий определяют по общеизвестным методикам или результатам предыдущих взрывов в аналогичных условиях параметры основных вертикальных скважинных зарядов ПВВ без учета наличия включений.

В соответствии с найденными значениями сопротивления по подошве уступа и длины (глубины) скважин бурят по квадратной или шахматной сетке основные скважины.

В процессе бурения основных 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.

Внутри контура в плане твердых включений бурят дополнительные вертикальные скважины, которые располагают в центрах квадратов, образованных соседними основными скважинами. При этом имеет место равенство расстояний от дополнительных скважин до четырех соседних основных скважин и, следовательно, возможность соприкосновения при определенных условиях их зон регулируемого дробления в пределах твердых включений. Эти условия реализуют путем выбора диаметров дополнительных скважин по отношению прочностных свойств твердых включений и вмещающих пород из соотношения (1)

где и - диаметры дополнительных и основных скважин соответственно, мм; и - пределы прочности твердых включений и вмещающих пород при растяжении соответственно, Па,

и использования для заряжания основных и дополнительных скважин одного и того же ПВВ.

Результаты расчетов по соотношению (1) для различных значений отношения пределов прочности твердых включений и вмещающих пород при растяжении / приведены в таблице.

Отношения диаметров дополнительных и основных скважин в зависимости от отношения пределов прочности твердых включений и вмещающих пород при растяжении
	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4
	0,41	0,73	1,00	1,24	1,45	1,65	1,83

Из данных, представленных в таблице, следует, что при / при взрывании зарядов ПВВ в основных и дополнительных скважинах соприкосновение их зон регулируемого дробления в пределах твердых включений происходит при меньшем диаметре дополнительных скважин, чем диаметр основных скважин. Вместе с тем бурение дополнительных скважин меньшего диаметра создает значительные организационные осложнения и, как правило, себя не оправдывает. Поэтому для эффективного и равномерного дробления разнопрочных массивов с любым отношением / целесообразно бурить дополнительные скважины диаметром не менее диаметра основных скважин. Однако это не исключает возможности бурения дополнительных скважин меньшего диаметра.

При / и = будет не только соприкосновение, но и частичное перекрытие зон регулируемого дробления, а при 2 - только соприкосновение этих зон. Так как значения / практически не превышают 3,5, а бурение дополнительных скважин диаметром более 1,65 диаметра основных скважин весьма затруднительно, рациональной областью применения предложенного способа следует считать разнопрочные массивы с / 3,5.

Глубину бурения дополнительных скважин, конструкцию и схему размещения зарядов ПВВ в этих скважинах определяют в зависимости от формы включении, их числа и расположения во вмещающих породах (в верхней, средней или нижней частях взрываемого блока уступа), отметок кровли и почвы включений, их мощности и свойств вмещающих пород и включений из условия исключения направленности действия взрыва в сторону вмещающих пород, имеющих меньшую сопротивляемость взрыванию, с помощью известных средств и методов.

Дополнительные скважины можно бурить с недобуром до почвы включений, а заряды ПВВ размещать полностью внутри включений с оставлением незаполненной ПВВ части скважин между верхним торцом заряда и кровлей включения (см. пример осуществления). Они могут и пересекать твердые включения. В этом случае заряды в дополнительных скважинах возможно располагать на всю мощность (высоту пересечения) включений, а для исключения направленного действия взрыва в сторону менее крепких вмещающих пород - применять, например, встречное инициирование зарядов. Возможны другие варианты размещения зарядов, например, с забойкой донной части этих скважин выше почвы включения и размещением верхнего торца зарядов ниже кровли включения или с применением зарядов ПВВ, нижний торец которых расположен ниже почвы включения, а верхний - выше кровли включения.

Далее производят заряжание основных и дополнительных скважин зарядами одного и того же ПВВ, диаметр которых равен диаметру скважин. В процессе заряжания скважин производят монтаж внутрискважинных взрывных сетей, а по окончании заряжания - забойку верхней незаряженной части скважин.

После окончания забойки основных и дополнительных скважин производят 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. Породы представлены в основном загипсованными глинами, требующими взрывного рыхления, со средним приделом прочности при растяжении 1,8-10⁶ Па. Внутри этих вмещающих пород залегают твердые включения (пропластки, линзы и др. образования) гравелитов, имеющих большую сопротивляемость взрыванию и средний предел прочности при растяжении 4,5·10⁶ Па. Высота уступа равнялась 12 м.

Для конкретных условий и из опыта работы данного предприятия без учета наличия твердых включений диаметр основных скважин d_скв, равный диаметру заряда, составлял 170 мм (станок вращательного бурения резцовыми коронками СБР-160Б-32 с коронкой диаметром 160 мм и учетом разбуривания). Направление скважин - вертикальное. Удельный расход ВВ (гранулит М) для вмещающих пород - 0,76 кг/м³. Вместимость 1-го погонного метра скважины при плотности заряжания 900 кг/м - 20,4 кг/м. Для основных скважин приняты следующие параметры: форма сетки скважин - квадратная (4,5×4,5 м); глубина скважин l_скв - 13,5 м; длина забойки l_заб - 4,5 м; длина перебура l_пер - 1,5 м; длина заряда l_зар - 9 м; масса заряда в скважине - 184 кг.

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 5 м и почвы 9 м с указанными выше значениями , .

В процессе бурения основных 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 прочностные свойства пропластка гравелитов, что указывало на необходимость бурения вертикальных дополнительных скважин по всей площади блока.

В соответствии с выражением (1) диаметр дополнительных скважин

Станок СБР-160Б-32 предназначен для бурения скважин резцовыми коронками как диаметром 160 мм, так и диаметром 200 мм. С учетом коэффициента разбуривания, равного для резцовых коронок 1,05 1,07, диаметр дополнительных скважин, буримых этим станком, будет равен именно 210 мм. При этом использование одного и того же станка для бурения скважин разного диаметра наиболее рационально с точки зрения экономики и организации буровзрывных работ на карьере (уступе).

Дополнительные скважины бурили в центрах квадратов, образованных соседними основными скважинами. Учитывая равномерность залегания твердого включения (пропластка гравелитов) и их относительно низкие прочностные свойства (коэффициент крепости по шкале М.М.Протодиаконова f=4 5), дополнительные скважины недобуривали до почвы пропластка на величину 0,7 м (3,3 диаметра скважин), т.е. их глубина составляла 9-0,7=8,3 м.

Далее производили заряжание основных и дополнительных скважин зарядами одного и того же ПВВ (гранулит М). Диаметр зарядов был равен диаметру скважин. Длину зарядов дополнительных скважин принимали равной 2,6 м (верхней торец зарядов не доходил до кровли пропластка гравелитов так же на 0,7 м). Это исключало направленное действие взрыва зарядов дополнительных скважин в сторону менее крепких вмещающих пород. При вместимости 1-го погонного метра дополнительных скважин 31,2 кг/м масса их зарядов составляла 81 кг.

В процессе заряжания скважин производили монтаж внутрискважинных взрывных сетей, а после заряжания скважин - их забойку.

После окончания забойки основных и дополнительных скважин производили монтаж поверхностной взрывной сети, ее соединение с внутрискважинными взрывными сетями и взрывание скважинных зарядов ПВВ принятым на данном предприятии способом.

Указанные в данном примере осуществления способа параметры буровзрывных работ обеспечивают соприкосновение зон регулируемого дробления в пределах пропластка гравелитов (твердого включения) при взрывании зарядов ПВВ в основных и дополнительных скважинах и, следовательно, повышают эффективность и равномерность дробления взрываемого разнопрочного массива. Одновременно расширяется область применения способа.

Источники информации

1. Кутузов Б.Н. Методы ведения взрывных работ. Ч.1. Разрушение горных пород взрывом: Учебник для вузов. - М: Изд-во «Горная книга», - 2007. С.436-437.

2. Патент РФ № 2400702 C1 с приоритетом от 28.05.2009, МПК F42D 3/04 (2006. 01), E21C 41/26 (2006.01) (прототип).