Лекция 4. Ресурсосберегающие способы отбойки горных пород

Рациональная организация буровзрывного комплекса в процессе добычи полезного ископаемого с соблюдением оптимальных значений количественных и качественных показателей является главной задачей для бесперебойного и рационального процесса функционирования добычи руды из недр. Однако в процессе добычи исходное качество руды практически всегда ухудшается из-за разубоживания породой или бедными рудами и попадания в потери относительно более богатых участков рудных тел. Имеет место снижение качества добываемой рудной массы также по причине исчерпания богатых запасов и широкого применения сравнительно дешевых (массовых) технологий добычи и переработки.

Практика добычи руды подземным способом показало, что с увеличением глубины разработки происходит постоянное усложнение горно-геологических условий месторождений или отдельных залежей. Основными причинами, влияющих на рациональную выемку запасов полезного ископаемого, являются: сложность строения жил, неравномерное распределение и снижение качественных показателей в руде, возрастание доли породных прослоев в контурах балансовых запасов, которые требуют изменения традиционного способа отбойки руды.

1. С применением секционного вруба. Известно, что необходимым условием высокой эффективности горнопроходческих работ является правильно выбранный тип вруба, который обеспечивает эффективную работу всего комплекта шпуров. В процессе формирования врубовой полости весьма важным является обеспечение полного выброса из нее, разрушенной горной массы. При неполном выбросе она остается в полости и запрессовывается взрывами последующих зарядов ВВ, что приводит к снижению эффективности взрыва.

Это отрицательное явление может быть устранено образованием компенсационного объема (холостого шпура или скважины). При этом расположение врубовых шпуров по отношению к центральному должно быть таким, чтобы заряд ВВ в них не только разрушил перемычку между взрываемым шпуром и холостым, но и разрыхлил эту массу, выбросив ее из образовавшейся полости без запрессовки.

Кроме компенсационной полости на эффективность взрыва существенное влияния оказывает забойка шпуров. Забойка шпуров способствует повышению длительности воздействия давления продуктов взрыва на стенки зарядной камеры, а следовательно, и передачи энергии ВВ в среду, т.е. улучшает качество взрыва, создавая запирающую роль газам взрыва, устремляющимся к устью шпура, энергия взрыва передается по трещинам, образовавшимся в результате детонационной волны ВВ в направлении свободной поверхности. Несмотря на очевидность применения забойки при ведении взрывных работ, как правило, на рудниках забойка шпуров применяется очень редко.

Несмотря на многочисленные работы, отсутствуют исследования по установлению рациональных конструкции и параметров заложения секционных шпуров в проходческом забое. Отсутствие оптимального соотношения между центральным компенсационным шпуром и шпурами первой и второй секции оказывает существенное влияние на эффективность вруба рассматриваемой конструкции. Завышение расстояний между центральным компенсационным шпуром и врубовыми шпурами сопровождается недостатком энергии взрыва на разрушение межшпуровых целиков в донной части шпуров, тем самым снижается КИШ. Занижение расстояний между центральным компенсационным шпуром и врубовыми шпурами, а также отсутствие рационального соотношения между глубиной шпуров первой и второй секции приводит к тому, что значительная часть энергии взрыва растрачивается на переуплотнение раздробленной горной массы, что способствует запрессовке донной части шпуров мелочью разрушившихся межшпуровых целиков, а это тоже снижает КИШ.

Для повышения коэффициента полезного использования энергии взрыва разработан новый тип вруба, при котором перпендикулярно плоскости забоя бурится компенсационный шпур, а вокруг него шпуры первой и второй секции симметрично (рисунки). Шпуры второй секции бурят на всю глубину, а глубины шпуров первой секции должны определяться расчетным путем по полученным формулам. Взрывают вначале шпуры первой секции, а затем второй.

Физическая сущность предлагаемого способа образования врубовой полости заключается в том, что первоначально взрываются короткие шпуры первой секции на созданные компенсационные полости за счет незаряженной части длинных шпуров. В результате этого и образуется дополнительная компенсационную полость, которая улучшает работу длинных шпуров второй секции. Кроме этого при взрывании коротких шпуров в их торцевой части образуются зоны интенсивного переизмельчения и растрескивания и, таким образом, происходит запрессовка (забойка) незаряженной части смежных (ближних к ним) длинных шпуров крупнокусковой породой.

Врубовые шпуры второй (забойной) секции заряжают на величину, определяемую выражением

Установлено, что глубина врубовых шпуров первой секции зависят от крепости рудного массива и длины заходки (глубина шпуров второй сек-

ции).

Формулы для определения рациональной глубины заложения врубовых шпуров первой секции от длины заходки для различных крепостей горного массива:

для f=8-10

;

для f=11-14

;

для f=15-18

где - глубина шпуров 1-й секции;

- длина заходки (глубина шпуров II секции).

Для разработанного типа вруба можно определить рациональную площадь сечения врубовой полости:

Полученные зависимости позволяют определить необходимый объем опережающей полости во врубе, которая позволяет снизить объем отбиваемого массива для шпуров второй секции. Последующее их взрывание инициирует максимальные волны разгрузки, способствующие рациональному использованию потенциальной энергии сжатия горного массива для его разрушения.

В связи с тем, что отличительной особенностью разработанного типа вруба является секционность, а именно, врубовые шпуры первой и второй секции имеют различную глубину заложения, то для обеспечения эффективности вруба необходимо также установить оптимальные расстояния между центральным компенсационным шпуром и шпурами первой и второй секции.

Рисунок - Секционный способ образования врубовой полости

Зависимости для определения величины пробивного расстояния между компенсационным и врубовыми шпурами второй секции для различных крепостей горного массива:

;

Оптимальным вариантом по коэффициенту использования шпура, будет вариант, при котором устья шпуров первой секции располагаются на вершинах прямоугольника, на расстояниях от центрального компенсационного шпура, определяемых по формулам:

, ;

2. C применением удлиненных зарядов. Взрывные работы на рудниках в значительной мере определяют эффективность проведения подготовительно-нарезных выработок и процессов очистной выемки при системах подземной разработки. Буровзрывные работы при проведении подготовительно-нарезных работ блока занимают от 60 до 70 % продолжительности цикла. Продолжительность и трудоемкость их, в основном, зависят от физико-механических свойств пород, площади поперечного сечения выработок, параметров шпуровой отбойки, а также конструкции применяемого заряда, схемы расположения и взрывания врубовых шпуров. В настоящее время широкое внедрение на подземных рудниках высокопроизводительного бурового самоходного оборудования, позволившего увеличить глубину шпуровых зарядов до 5-6 м, привело к резкому снижению КИШ.

Глубина заходки (глубина шпуров) оказывает наиболее высокое влияние на основные показатели проходки, во многом определяет все другие параметры отбойки. Поэтому длина находится в прямой зависимости от качества образования врубовой полости и ее параметров.

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал о закономерностях развития взрыва при проведении исследований, как в лабораторных, так и в производственных условиях.

В работе на основе проведенных экспериментальных работ и полученных зависимостей разработаны секционно-призматические способы образования врубовых полостей за основу которых принят вариант секционного (ярусного) прямого вруба, разработанный и внедренный на некоторых шахтах Кривбасса работниками КГРИ и НИГРИ.

Экспериментально установлено, что рациональной глубиной заходки для секционно-призматического способа образования врубовой полости является от 1,8-2,8 до 2,8-3,2 м. Глубина бурения шпуров первой секции является величиной переменной и в основном она зависит от длины заходки и крепости горного массива.

При проведении экспериментальных исследований в различных горно-геологических условиях ряда рудных месторождений автором установлено, что обуривание в забое секционно-призматических врубов скоростной самоходной установкой вызывает некоторое неудобство. Рабочему, находящемуся на значительном расстоянии от груди проходческого забоя, с самоходной буровой установки затруднительно контролировать глубину заложения врубовых шпуров первой секции и осуществлять их бурение на одинаковую глубину по той причине, что они короче основных и врубовых шпуров второй секции. Поэтому для контроля глубины заложения врубовых шпуров первой секции, в процессе бурения, часто приходится останавливать буровую установку, Это отнимает время на непроизводительные операции, что, в конечном итоге, удлиняет время цикла отбойки. Кроме этого с увеличением длины заходки эффективность применения этих способов образования врубовых полостей для проведения подготовительно-нарезных выработок, особенно в самых крепких и трудновзрываемых породах, несколько снижается.

Для устранения вышеуказанных недостатков автором разработаны и испытаны секционные способы образования врубовых полостей с разупрочнением межшпуровых целиков, предусматривающие бурение шпуров первой и второй секции на одинаковую глубину.

С целью повышения эффективности проходки предлагается отбойка с применением удлиненных шпуровых зарядов. Этот способ не только дает возможность увеличить длину ухода забоя за один цикл, но и способствует повышению коэффициента полезного использования энергии взрыва за счет использования инертного материала, увеличивает КПД погрузочно-доставочных машин.

Предложен способ отбойки горного массива удлиненными секционными зарядами, сущность которого заключается в том, что шпуры разбивают на устьевую и забойную секций. В начале заряжают шпуры забойной секции, устанавливают устройство для инициирования и огнепроводный шнур. После зарядки забойной секции в шпуры помещают полиэтиленовые ампулы с инертным материалом. Затем осуществляют зарядку устьевой секции, в которую помещают аналогичные устройства для инициирования с огнепроводным шнуром. Данный способ отбойки способствует повышению коэффициента полезного использования энергии взрыва и увеличению коэффициента использования шпура. Длина рассредоточения должна быть больше величины передачи детонации между зарядами устьевой и забойной секций. Затем осуществляют зарядку устьевой секции, в которую помещают аналогичные устройство для инициирования с огнепроводным шнуром. Время замедления инициирования определяют:

, с

где: l – длина огнепроводного шнура забойной секций;

l – длина огнепроводного шнура устьевой секций;

V – скорость горения огнепроводного шнура.

Длина огнепроводного шнура забойной секции должна быть длиннее длины огнепроводного шнура устьевой секций, но с учетом того, чтобы шнур успевал прогорать до того как взорвется заряд устьевой секции.

3. Конструкция заряды (воздушными промежутками, малого диаметра и др). Анализ характеристики основных типов конструкций зарядов показал, что по конструкции скважинные заряды, применяемые в настоящее время на карьерах, в зависимости от факторов, определяющих временные и энергетические показатели взрывного импульса, разделены на три группы.

К первой группе относят цилиндрические скважинные заряды, в которых изменение временных характеристик взрывного импульса осуществляет за счет пространственного расположения скважин и рассредоточением в них зарядов, это сплошные заряды, размещаемые в вертикальных и наклонных скважинах.

Заряды, рассредоточенные инертными материалами или воздушными промежутками, способствуют повышению коэффициента полезного использования энергии взрыва. Если заряд рассредоточен инертной забойкой, то работу его отдельных частей нужно рассматривать как работу самостоятельных зарядов. Рассредоточение скважинных зарядов воздушными промежутками улучшает дробление породы и изменяет характер действия взрыва в породе. При взрыве сплошного заряда без воздушных промежутков происходит переизмельчение породы в ближней зоне за счет высокого давления газообразных продуктов в зарядной камере. В дальнюю зону передается относительно меньшее количество энергии, из-за чего порода в ней дробится на более крупные куски. Создавая в заряде воздушные промежутки, можно уменьшить плотность заряда в скважине и значительно снизить пиковое давление взрыва на границе заряд-порода, тем самым сократить переизмельчение породы около заряда и увеличить время активного воздействия взрыва на среду.

Во второй группе, энергетические и силовые параметры импульса изменяются путем подбора типа ВВ, рационального положения детонатора и применения сближенных скважин, сюда относится сплошной комбинированный заряд, состоящий из различных типов ВВ. Принцип формирования заряда данной конструкции заключается в том, что в верхней части скважины помещается ВВ с малой, в нижней части – с высокой удельной энергией. Это способствует равномерному дроблению массива, а также хорошей проработке подошвы забоя. Для повышения коэффициента использования энергии взрыва при применении сплошного или рассредоточенного заряда используют многоточечное инициирование, что обеспечивает равномерное разрушение массива. Парносближенные скважины имеют второстепенное значение и применяются в трудновзрываемых породах в первом ряду скважин при многорядном взрывании.

К третьей группе относятся скважинные заряды, сочетающие различные формы зарядной полости. Форма заряда имеет принципиальное значение с точки зрения воздействия заряда на среду. Различают три формы заряда: удлиненную (цилиндрическую), сосредоточенную (сферическую) и плоскую.

Несмотря на преимущества, конструкции зарядов третьей группы не находят широкого применения при производстве буровзрывных работ открытым способом, особенно на карьерах стройматериалов, так как образование скважинных полостей сложной формы требует наличия специального бурового оборудования и увеличивает стоимость работ. Наиболее широко применяются конструкции зарядов: сплошной, комбинированный и рассредоточенный промежутками из различных материалов.

Рисунок 2.1 – 1-врубовые шпуры; 2-вспомагательные шпуры; 3-контурные шпуры; 4-заряд забойной секции; 5-заряд устьевой секции; 6-патрон-боевик; 7-инертный промежуток; 8-огнепроводные шнуры.