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, расширение скважин на участках пересечения ими твердых включений, 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 диаметр расширяемых участков скважин принимают из соотношения:



где - диаметр нерасширенных участков скважин, мм;

- параметр адиабаты;

Р₀ - давление продуктов детонации в точке Жуге, Па;

₂ - показатель изоэнтропы продуктов детонации ПВВ;

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

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

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

, коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости во вмещающих породах;

, коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости в твердых включениях;

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

E^вкл и E ^вм - соответственно модуль 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 разнопрочных массивов горных пород с твердыми включениями на открытых горных работах, включающий бурение вертикальных скважин, их заряжание комбинированными зарядами промышленных взрывчатых веществ (ПВВ), забойку скважин и взрывание зарядов ПВВ. При этом более мощное ПВВ размещают в той части зарядов, которая пересекает твердое включение [1].

Известный способ не гарантирует требуемое качество дробления разнопрочных массивов, так как не учитывает совокупности основных свойств вмещающих пород, включений и применяемых ПВВ.

Кроме того, возможность использования способа ограничена необходимостью наличия на предприятии нескольких типов ПВВ с существенно различными свойствами. Это может вызвать значительные трудности, особенно при малом объеме потребления более мощных ПВВ, требуемых для дробления твердых включений, что ограничивает область применения способа.

Ближайшем 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 породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих включений, бурение вертикальных скважин, расширение скважин на участках пересечения ими твердых включений, заряжание скважин зарядами ПВВ, диаметр которых равен диаметру скважин, и взрывание зарядов ПВВ [2]. Способ широко использовали при термическом бурении и расширении скважин, пробуренных механическими способами, в термобуримых породах (неокисленные железистые кварциты, крепкие и плотные кварциты, граниты и некоторые другие породы). При этом значения прочностных свойств вмещающих пород и более крепких включений отличались не более чем в 1,5 раза. В настоящее время в мировой практике, в том числе в Российской Федерации, термическое бурение и расширение скважин применяют крайне редко из-за его высокой стоимости и избирательности.

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 разно-прочных 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, расширение скважин на участках пересечения ими твердых включений, 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 коэффициенты всестороннего сжатия вмещающих пород и твердых включений, а диаметр расширяемых участков скважин принимают из соотношения:

где - диаметр нерасширенных участков скважин, м; - параметр адиабаты; P₀ - давление продуктов детонации в точке Жуге, Па; ₂ - показатель изоэнтропы продуктов детонации ПВВ; и - соответственно пределы прочности твердых включении и вмещающих пород при растяжении, Па; K_вкл и К_вм - соответственно коэффициенты всестороннего сжатия твердых включений и вмещающих пород; П_вкл и П_вм - соответственно пористость твердых включений и вмещающих пород; - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости во вмещающих породах; - коэффициент, определяющий упругое расширение границы камуфлетной полости в твердых включениях; ^вкл и ^вм - соответственно коэффициенты Пуассона твердых включений и вмещающих пород; Е^вкл и Е^вм - соответственно модуль 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 взрываний зарядов ПВВ в этих скважинах. Однако при взрываний 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 расширение скважин на участках пересечения ими твердых включений. Это позволяет поместить большее количество ПВВ внутри включений и тем самым 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, необходимые места расширения по глубине скважин.

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 (1) 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]. Данное соотношение для радиуса r ЗРД в пористых породах можно переписать в виде

где r₀ - радиус скважины. Тогда 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 непосредственно вытекает формула (1).

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 77 вмещающих пород и твердых включений, входящих в формулу (1), является обязательным условием осуществления способа, так как от значений этих параметров зависит диаметр ЗРД и, следовательно, диаметр расширяемых участков скважин. 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 (1) позволяет установить необходимый диаметр расширения скважин на участках пересечения ими 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 равнопрочных 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 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 K_вкл, K _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 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, Е^вкл и Е^вм, П _вкл и П_вм, ₂, P₀ и принятый диаметр бурения скважин , определяют диаметр расширяемых участков скважин в местах пересечения ими твердых включений, обеспечивающий равенство диаметров ЗРД во вмещающих породах и твердых включениях.

После этого на участках пересечения скважинами твердых включений производят расширение скважин до найденного диаметра . Расширение скважин осуществляют одним из известных способов, подходящим для условий конкретного предприятия, параметров залегания твердых включений, свойств вмещающих пород и твердых включений, например с использованием механических расширителей или простреливания небольшими зарядами ПВВ. Расширение скважин может производиться только на полную мощность включений, несколько выше кровли включений и их почвы, от кровли включений и ниже их почвы, ниже кровли включений и до или ниже их почвы. Схема расположения и длина расширяемых участков скважин также будут определяться конкретными условиями взрывания.

Затем производят заряжание скважин зарядами одного и того же ПВВ, диаметр которых равен диаметру скважин. 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. Породы месторождения сложены супесями и суглинками, галечником и конгломератом, бентонитовыми глинами и глинистым мергелем, требующими взрывного рыхления, с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодъяконова =1,5 2, средними пределом прочности при растяжении , коэффициентом Пуассона ^вм=0,2 и модулем Юнга E^вм=1,5·10 ¹⁰ Па. Внутри этих вмещающих пород залегают твердые включения гравелитов, имеющих большую сопротивляемость взрыванию, с коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодъяконова =4 5, средними пределом прочности при растяжении , коэффициентом Пуассона ^вкл=0,3 и модулем Юнга Е^вкл=4·10 ³ Па. В качестве ПВВ использовали граммонит М, который при плотности заряжания 1·10³ кг/м имеет показатель изоэнтропы продуктов детонации ₂=1,26 и давление продуктов детонации в точке Жуге P₀=4,21·10⁹ Па. Высота уступа равнялась 12 м.

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 МП с коронкой диаметром 244 мм). Направление скважин - вертикальное. Удельный расход ПВВ - 0,83 кг/м³ . Вместимость 1 погонного метра скважины - 31,2 кг/м, форма сетки скважин - квадратная (6×6 м); глубина скважин l_скв - 13,0 м; длина забойки l_заб - 5,0 м; длина перебура l_пер -1 м; длина заряда l_зар - 8 м; масса заряда в скважине - 392 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 6 м и почвы 10 м с указанными выше значениями , ^вкл и Е^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, что указывало на необходимость расширения скважин по всей площади блока.

Особое затруднение при разработке месторождения вызывает участки с крепкими включениями конгломератов, гравелитов в известковистом цементе в мягких породах. Физико-механические свойства пород представлены таблице 1.

Таблица 1
Породы:	Предел прочности на растяжение рас, Па	Модуль упругости Е, Па	Коэффициент Пуассона	Коэффициент крепости породы по Протодъяконову f	Коэффициент всестороннего сжатия К, Па	Пористость П, %
Вмещающие породы (глины загипсованные):	1,5·106	1,5·1010	0,2	1,5	0,833·1010	13
Крепкие включения (гравелиты)	4,5·106	4,0·1010	0,3	4,5	3,333·1010	11

При расчете радиусов регулируемых дроблений для вмещающих пород и твердых включений с использованием граммонита-М (скорость детонации D=4·10³ м/с, =1·10³ кг/м³), были получены следующие значения:

r₁=3,27 м, r ₂=2,28 м.

Для увеличения r₂ до значения r₁ по соотношению (1) определен необходимый диаметр для расширяемых участков скважин, в твердых креплениях :

,

,

Таким образом, из (1) следует, что на участках пересечения пропластка твердых включений скважины должны быть расширены до диаметра 350 мм, что позволяет увеличить ЗРД до величины r₁. Это гарантирует полное отсутствие негабаритных кусков породы.

Источники информации

1. 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.

2. Друкованый М.Ф., Дубнов Л.В., Кутузов Б.Н., Ефремов Э.И. Справочник по буровзрывным работам на карьерах. - Киев: Наукова думка. - 1973. - С.371, рис.166, в.

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.