Изучение управлением дробления горных пород взрывом скважинных зарядов вв на карьерах

1. 
   Изучение управлением дробления горных пород взрывом скважинных зарядов ВВ на карьерах
   

Большой вклад в повышение эффективности взрывной подготовки горной массы к выемке внесли Баранов Е.Г., Барон Л.И., Баум Ф.А., Власов О.Е., Демидзок Г.П., Друкованый М.Ф., Ефремов Э.И., Жариков И.Ф. Заиров Ш.Ш., Кусов Н.Ф., Кутузов Б.Н., Кучерявый Ф.И., Комир В.И., Марченко Д.Н., Мельников Н.В., Мосинец В.Н., Насиров У.Ф., Норов Ю.Д., Покровский Г.И., Ржевский В.В., Рубцов С.К., Ракишев Б.Р., Родионов В.Н., Суханов А.Ф., Тарасенко В.П., Ткачук К.Н., Трубецкой К.Н., Ханукаев А.Н, Черниговский А.А., Шеметов П.А., Atchison T.C., Ahmed R., Bernard T., Brawner C.O., Donze F.V., Duvall W.I., Maerz N.H., Munjiza A., Pears O.E., Peter B., Potyondy D.O., Rolf S Paine, Rossmanith H.P., Rustan A., Selberg H.L., и др. ученые [1; c. 5-72, 2; c. 4-135, 3; c. 262-285, 4; c. 3-405, 5; c. 105-110, 6; c. 3-200, 7; c. 5-165, 8; c. 3-324, 9; c. 8-199, 10; c. 60-65, 11; c. 5-447, 12; c. 3-235, 13; c. 4-170, 14; c. 3-131, 15; c. 3-505, 16; c. 4-285, 17; с. 4-101, 18; c. 3-26, 19; c. 3-257, 26; c. 101-302, 27; c. 6-218, 28; c. 4-311, 29; c. 5-194, 30; c. 4-191, 31; c. 135-146, 32; c. 3-205, 33; c. 3-179, 34; c. 823-830, 35; c. 153-163, 36; c. 39-43, 37; c. 91-99, 38; c. 145-174, 39; c. 25-30, 40; c. 7-170, 41; c. 3-160, 42; c. 72-92, 43; c. 5-210, 44; c. 303-310, 45; c. 307-314, 46; c. 119-122, 47; c. 105-163, 48; c. 7-61], в трудах которых исследован процесс и установлены основные закономерности разрушения горных пород, а также влияние горно-технологических характеристик на эффективность ведения БВР.
Проблема управления действием энергии взрыва при дроблении горных пород является особенным компонентом в технологии открытой разработки месторождений полезных ископаемых. Эффективность использования взрывных технологий базируется на правильном понимании физического механизма воздействия взрыва на разрушаемый горный массив.
За последние 15-20 лет, благодаря пристальному вниманию ученых, инженеров и практиков взрывного дела, к проблемам изучения физических основ действия промышленных взрывов в горных породах, по улучшению технологии и созданию инженерных методов управления энергией взрыва, успешно решены многие сложные вопросы. Однако, несмотря на незначительные успехи в области теории и практики взрывной подготовки горной массы, удельный расход ВВ как основной показатель эффективности взрывных работ непрерывно возрастает.
Среди разнообразных методов взрывания, с помощью которых современная технология взрывных работ управляет степенью дробления горных пород, можно посмотреть три основных направления, позволяющих существенно влиять на механический эффект дробления массива горных пород.
Первое направление связано с разработкой рациональных конструкций зарядов, предназначенных для эффективного выполнения разрушения горных пород энергией взрыва скважинных зарядов ВВ на открытых разработках. В основе этого направления лежат труды авторов [14; c.7-121].
Второе направление основано на принципе энергетического соответствия между энергией, затрачиваемой на взрывное разрушение горных пород с различными физико-механическими свойствами, и энергией, сконцентрированной в единице заряда ВВ. Это направление, наиболее полно предоставлено в работах [5; c.105-110, 49; с 28-73] и предполагает создание определенного класса ВВ с различной объемной концентрацией энергии и разнообразными детонационными параметрами.
Третье направление включает широкий круг работ, связанных с интегральными эффектами дробления массива горных пород, и базируется на различных технологических приемах взрывания совокупности однородных зарядов ВВ. К этому направлению относятся работы по короткозамедленному взрыванию, в зажатой среде, взрывание высоких уступов, с внутрискважинным замедлением и т.д.
Основной целью проводимых исследований по совершенствованию технологии взрывания на карьерах является повышение качества подготовки взорванной горной массы к экскавации даже при условии повышения удельного расхода ВВ. Однако повышение удельного расхода ВВ для достижения более тщательного дробления горной массы и эффективного использования дорогостоящей техники происходит при сохранении технологических схем и приемов ведения взрывных работ, применяемых ранее. Так в связи с применением скважинных зарядов увеличенного диаметра масса взрываемого заряда в скважине увеличилась с 200-250 до 300-600 кг, а одновременно взрываемого блока с 20-30 до 300-500 т, при этом удельный расход ВВ может увеличиваться на 30-50% [50;c,30-32]. Обычно применяется скважинные заряды большого диаметра, наблюдают улучшение качества дробления пород на близких приведенных расстояниях и на этой основе применяется решение о дальнейшем увеличении диаметра скважин и массы ВВ, игнорируя при этом ухудшение качества дробления по блоку целом. Между тем с увеличением масштаба взрыва, вследствие повышения при этом длины взрывной волны и снижения скорости нагружения, средний размер куска на фронте дробления на одинаковых приведенных расстояниях увеличивается. Это приводит к определенным противоречиям, связанным с тем, что на практике все большее место занимают буровые станки с диаметром бурового инструмента 270-320 мм, а более мелкое дробление при повышении мощности взрывов может быть достигнуто при условии снижения диаметра скважинных зарядов и более рациональном их разрушении в массиве.
Другим важным элементом успешного развития буровзрывных работ на карьерах при повышенной их глубине является изменение параметров системы разработки с увеличением высоты взрываемого уступа до 50-60 м. Технология производства взрывных работ в глубокого зажатой среде включает в себя бурение и взрывание зарядов в массиве горных пород на максимально возможную глубину, исходя из условий достижения качественного дробления, проработки подошвы уступа и обеспечения надежной экскавации взорванной горной массы. Процесс разрушения трещиноватого массива горных пород неразрывно связан с деформацией и перемещением, как отдельных блоков, так и определенных слоев, которые в процессе взаимодействия друг с другом испытывают частичное нерегулируемое дробление [51; с. 88-90 ]. Процесс разрушение отдельностей при их соударении с учетом давления вышележащих пород, т.е. с учетом зажима, рассмотренный в работе [52; с. 88-90 ] показал, что силы зацепление в определенных условиях существенно изменяют механизм разрушения, который может происходить по механизму ударного изгиба даже при небольших перемещениях самих отдельностей. Решению проблемы разрушения высоких уступов во многом способствует использование эффекта объемного разрушения за счет сдвиговых деформацией [53; с. 125-178], при котором осуществляется развитие многочисленных трещин, происходит увеличение пористости и объема пород. Для этих целей разработаны инженерные методы формирования сдвиговых деформаций путем равномерного взрывания зарядов ВВ, использования по колонке заряда ВВ различной мощности создание в нижней части скважины котловой полости большего диаметра и т.д. [54; с. 311-354].
Тенденция на увеличение удельного расхода ВВ объясняется тем, что при высокой стоимости энергии взрыва и меньшим объемах удельных капитальных вложений разумно увеличит затрату энергии взрыва для достижения мелкого и глубокого дробления при взрывной отбойке с тем, чтобы существенно снизит затраты энергии на экскавацию, транспортировку, на все три стадии механического дробления, снизив износ дорогого оборудования и повысив его производительность [55; с. 50-55 ].
В тоже время эксперименты по многократному взрывному нагружению образцов железистых кварцитов [56; с. 219-226 ] показали, что в этом случае увеличивается доля мелких фракций в гранулометрическом составе дробленой руды, что адекватно результатам короткозамедленного взрывания в практике взрывного дела, т.е. улучшить дробление породы можно не только увеличением удельного расхода ВВ, но и путем изменения процесса взрывного нагружения. С учетом этого обстоятельства, важно не увеличение удельного расхода ВВ, а повышение доли энергии взрыва на дробление за счет роста к.п.д. использования энергии взрыва средствами, которые разработаны и освоены советскими взрывниками: увеличение длительности импульса взрыва заряда ВВ, применение прогрессивных схем расстановки коротких замедлений, обеспечивающих многократность и неравномерность взрывных нагружений, управление движением горной массы в процессе взрыва с целью трансформации кинетической энергии движения кусков породы в энергию дополнительного дробления при их столкновении.
Большое место в исследованиях качества дробления горного массива занимает изучение влияния трещиноватости и блочности вскрышных пород на результаты взрывного разрушения [57; c. 24-25, 58; c. 670-710]. Как показали исследования непосредственно на качество дробления горной массы влияет неравномерность распределения энергии взрыва трещиноватом массиве. При этом основным опреляющим параметром является угол встречи падающей волны напряжений с границей раздела блоков. В частности, при угле встречи, равном 30⁰, на расстоянии 15r (где r- радиус взрываемой скважины) величина напряжения в проходящей волне в 1,5-2,0 раза меньше по сравнению с напряжениями в однородной среде.
В результате взрыва зарядов ВВ происходит дробление горной породы, а ее куски приобретают определенную скорость. При использовании короткозамедленного взрывании (КЗВ) и применении различных схем инициирования (клиновых, волновых, встречных и т.д) процесс дробления происходит еще и за счет разрушения разлетающихся кусков при их соударении [59, с 19-54]. Наиболее характерным для процесса соударения летящих в воздухе кусков породы является их взаимодействие в одной точке (или по одной линии для случая плоско – параллельного движения). В зависимости от сочетания начальных скоростей число повторных соударений этих кусков может бить 2,3 и более, т.е. появляется дополнительная возможность разрушения кусков. Поскольку предел прочности пород растяжении в случае многократного нагружения меньше их предела прочности при однократном нагружении.
Удельный расход ВВ, определяющий интегральный запас энергии заряда, является одним из основных факторов, непосредственно влияющих на качество дробления горных пород. Это обстоятельство привело в ряде случаев к переоценке роли удельного расхода ВВ и к мнению о том, что только за счет изменения удельного расхода ВВ возможно добиться любого желаемого качества дробления. Однако, как показывают исследования [60, с 21-92] регулирование степени дробления трещиноватых пород взрывом за счет изменения удельного расхода ВВ имеет хотя и широкие, но все же ограниченные возможности, ибо превышение некоторого значения, зависящего от свойств пород, параметров БВР и других условий, не обеспечивает заметного повышения степени дробления, но приводит к резкому удорожанию буровзрывных работ.
Зависимость качества дробления пород от угла наклона скважин, основанная на экспериментальных данных [61; с. 42-47, 62; с. 81-89], показывает, что наиболее существенно качество дробления возрастает при увеличении угла наклона до 15-20⁰ к вертикали. При этом, несмотря на некоторое увеличение длины скважин, выход горной массы не только не снижается, а даже возрастает в результате увеличения их полезного использования до 0,8-1,0 против 0,7 при использовании вертикальных скважин. Угол наклона скважин неразрывно связан с сеткой скважин и коэффициентом сближения. Отметим, что указанные параметры наиболее легко устанавливаются экспериментальным путем непосредственно на разрезах и, как правило, традиционно редко подвержены изменениям. Несмотря на это, этим вопросам уделяется достаточно большое внимание. Например, в работе [63; c. 95-102] была высказана идея о необходимости выбора величины коэффициента сближения в зависимости от отношения скоростей волн в направлении, перпендикулярном и параллельном линии уступа. Однако, более полные исследования [60; c. 21-92] показали, что оптимальное значение коэффициента сближения должно быть больше единицы, когда максимальная протяженность зоны дробления ориентирована так, что с направлением линии откоса совпадает малая ось зоны дробления, то оптимальным будет значение меньше единицы. И наконец, если оси зоны дробления ориентированы по отношению к линии откоса уступа под углом, близким 45°, оптимальным будет значение близким к единице.
Таким образом, краткий анализ состояния взрывных работ на разрезах показывает, что несмотря на многочисленные усилия исследователей, круг проблем по совершенствованию технологии взрывания ограничивается локальными задачами, что является свидетельством больших трудностей в получении достоверной информации о процессах трансформации энергии взрыва в работу по дроблению горных пород.