Схематично процесс самообрушения блока в предлагаемой технологии можно объяснить следующим образом. В массиве технологического блока накапливается энергия упругих деформаций за счет действия исходного поля напряжений (рисунки 1, 3). Затем в течение малого промежутка времени с помощью, например, взрывного способа (создавая условие, когда скорость деформации ниже скорости перераспределения напряжений) в массиве обрушаемого блока формируют (подсекают) дополнительные свободные поверхности (ослабляющие полости) ортогонально к действию максимальных сжимающих напряжений, которые инициируют потерю устойчивости системы. Последнее вызывает распространение волны разгрузки в оставшемся массиве блока определенной конфигурации, причем амплитуда волны определяется величиной предварительно запасенной энергии. Разгрузка приводит к взрывоподобному движению и, как следствие, к разрушению среды. Взрывоподобное движение среды при освобождении предварительно запасенной энергии и сопутствующее ему разрушение наблюдаются в природе горных ударов. Наблюдаемые процессы аналогичны происходящим при выходе взрывной волны сжатия на свободную поверхность, ее отражения и образования откольных разрушений, за счет распространения обратной волны разгрузки (волна Х.А. Рахматулина [14]).
На этом принципе основана лабораторная методика исследования динамики процессов разрушения и разлета разрушенной среды в контролируемых условиях нагружения с помощью электромагнитных способов измерения массовых скоростей среды в материалах с ярко выраженной способностью к взрывоподобному разрушению при скачкообразном изменении напряженного состояния (канифоль, прессованный тиосульфат натрия ? плотность около 1600 кг/м3, скорость звука 3500 м/с) [15].
На основании опыта совершенствования системы разработки этажного принудительного обрушения возникает необходимость создания и определения рациональных технологических параметров ее варианта: системы разработки этажного принудительного обрушения с элементами управляемого самообрушения для использования в энергонасыщенных массивах горных пород на больших глубинах.
Отличие предлагаемого варианта системы разработки от системы этажного самообрушения (система с самообрушением применяется при разработке мощных месторождений, сложенных слабыми или трещиноватыми полезными ископаемыми, способными при обнажении на достаточной площади под действием собственного веса и давления налегающей толщи обрушаться кусками, размеры которых позволяют осуществлять последующие операции очистной выемки [16]) заключается в техническом компромиссе обоих аналогов и появлении нового качества: самообрушение происходит взрывоподобно, аналогично процессам при массовой взрывной отбойке руд, а не растянуто во времени, что повышает промышленную безопасность предлагаемой технологии. Взрывные работы в данном случае используют как средство для создания в технологическом блоке ослабляющих полостей (врубов) в определенной комбинации для максимального разрушающего воздействия на рудный массив природных и техногенных полей напряжений различной природы. Предлагаемое геомеханическое воздействие обуславливает создание максимального предразрушения [10] в объеме отбиваемой горной породы, т.е. максимального снижения ее прочностных свойств за счет формирования в этом объеме полей напряжения, способствующих дезинтеграции минеральных зерен на микроуровне, с переходом в процесс управляемого самообрушения. Очевидно, что эффективность предлагаемого варианта системы разработки будет возрастать при увеличении объемов самообрушающейся руды по сравнению с объемами технологического блока, отбиваемого принудительно, при помощи зарядов ВВ.
Основная идея преобразования энергии упругих деформаций для повышения дробящего эффекта взрыва состоит в циклической инициации техногенных динамических явлений (микроударов) в горном массиве, в синтезе энергии этих явлений с энергией взрыва зарядов ВВ, природной гравитационной и тектонической энергией, высвобождением суммы этих энергий по принципу эмерджентности (появления нового качества процесса с новыми количественными параметрами) и преобразованием интегральной энергии деформаций горных пород в энергию ее разрушения. При этом начало взрывного воздействия инициирует процесс управляемого самообрушения за счет создания взрывным способом неустойчивой формы разрушаемого массива и формирования в нем разрушающих напряжений. Оптимизация (для разрушения) геометрических параметров неустойчивой формы целика, формируемой взрывом зарядов ВВ, а также режима взрывного воздействия на этот целик позволит снизить необходимую долю взрывной энергии в общем балансе энергии разрушения целика. Это приведет к снижению затрат на буровзрывные работы с обеспечением повышения эффективности предлагаемой системы разработки за счет ресурсосбережения и повышения промышленной и экологической безопасности.
Дальнейшее совершенствование системы разработки этажного принудительного обрушения с учетом разработанных научных положений должно быть направлено на использование для разрушения полезного ископаемого энергии природных гравитационно-тектонических напряжений, возникающих в разрушаемом массиве на больших глубинах. Используя аналогию, необходимо научиться управлять «нажатием на спусковой крючок» при массовом обрушении технологического блока для искусственного провоцирования динамических явлений в разрушаемом массовым взрывом массиве.
При конструировании новой системы разработки необходимо обосновать такие параметры системы, при которых больший объем горного массива технологического блока самообрушался за счет управления его НДС. Взрывные работы используют для создания в технологическом блоке ослабляющих полостей (врубов) в определенной комбинации для максимального разрушающего воздействия на основной объем горной породы природных и техногенных полей напряжений различной природы. Расчеты и эксперименты показывают, что суммарная энергия этих полей обеспечивает процесс саморазрушения технологического блока. Взрывным работам отводится вспомогательная роль (инициирование самообрушения, разрушение потолочин и др.). Данный вариант системы разработки этажного управляемого самообрушения как система разработки позволит существенно снизить себестоимость продукции по сравнению с аналогами за счет энергоресурсосбережения, снижения трудовых затрат, повышения технологической и экологической безопасности. На рисунке 4 изображена схема предлагаемого варианта системы разработки этажного принудительного самообрушения.
Разработка новых способов по этому направлению будет основываться на подборе эффективных комбинаций уже разработанных рациональных приемов, позволяющих направлять НДС массива в выгодное (с точки зрения повышения эффективности дробления) состояние [6, 10 - 12]. Дальнейшие исследования необходимо направить на поиск эффективных для разрушения комбинаций расположения ослабляющих полостей внутри синусоидального массива, за счет использования горных выработок и скважин, с целью усиления разрушающего эффекта. Причем каждое последующее техническое решение позволит более квалифицированно управлять НДС массива в процессе КЗВ и повышать промышленную безопасность, эффективность системы разработки.
Поэлементная апробация схемы КЗВ «синусоида» в производственных условиях шахты «Шерегешская», анализ и оценка технико-экономических результатов отбойки опытных блоков показали, что за счет внедрения разработанной энергоресурсосберегающей технологии взрывной отбойки напряженных рудных блоков с использованием энергии исходного поля напряжений можно снизить удельный расход ВВ на первичную отбойку на 10-15 % без ухудшения качества дробления. Экономическая эффективность разработанной технологии на шахте «Шерегешская» составила 1,0 руб. на 1 т отбиваемой руды (в ценах 2000 г.) [17].
Вопрос повышения промышленной безопасности в связи со снижением объемов использования буровзрывных работ исследован в работе [18], где показано, что производственный травматизм от обрушений снижается пропорционально снижению применяемых объемов БВР.
а б
в
Рисунок 4 - Схема предлагаемого варианта системы разработки этажного принудительного обрушения руды а - продольный разрез технологического блока вкрест простирания рудного тела; б - поперечный разрез по простиранию рудного тела; в - панель технологического блока в плане; 1 - панель технологического блока; 2 - нисходящие скважины; 3 - восходящие скважины; 4, 5 - соответственно верхний и нижний буровые горизонты; 6 - выработки выпуска и доставки; 7,8 - ослабляющие полости системы соответственно верхнего и нижнего уровней; 9 - компенсационная камера; 10 - массив зажимающей среды; max - максимальные сжимающие напряжения; гН - гравитационные напряжения
Внедрение предлагаемых рекомендаций можно осуществить следующим способом. На первом этапе испытаний предлагаемой системы разработки осуществляют внедрение схемы КЗВ «синусоида» [6] в специальный проект на массовый взрыв с расчетом масс зарядов ВВ без снижения удельного расхода на первичную отбойку. После получения удовлетворительных результатов рекомендуется поэтапное снижение массы зарядов в областях действия растягивающих напряжений на 5-10% и более при промышленных экспериментах. При этом необходимо оптимизировать и параметры элементов системы разработки. Результаты экспериментов можно оценить по качеству дробления, определяемому по значению удельного расхода ВВ на вторичное дробление в процессе выпуска блока. В итоге каждый рудник получит свои качественные и количественные параметры БВР и осуществит быстрое освоение нового безопасного варианта энергоресурсосберегающей системы разработки полезных ископаемых.
Библиографический список
1. Кушнеров, П.И. Безопасность взрывных работ при электровзрывании на угольных и сланцевых шахтах / П.И. Кушнеров. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2005. - 611 с.
2. Матвеев, И.Ф. Управление удароопасностью горного массива изменением параметров взрывной отбойки при разработке железорудных месторождений Сибири: дис. … д-ра техн. наук / И.Ф. Матвеев. - Новокузнецк: СибГИУ, 2004. - 324 с.
3. Гзовский, М.В. Основы тектонофизики / М.В. Гзовский. - М.: Наука, 1975. - 536 с.
4. Адушкин, В.В. Актуальные проблемы геомеханики земной коры [Электронный ресурс]: Электронный научно-информационный журнал «Вестник ОГГГГН РАН». -2001. - № 1(16)?. http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h_dgggms/1-2001/adushkin.htm#begin
5. Квапил, Р. Новые взгляда в теории горного давления и горных ударов / Р. Квапил. - М.: Недра, 1959.
6. Волченко, Г.Н. Энергоресурсосберегающие технологии взрывной отбойки напряженных пород на рудниках / Г.Н. Волченко. - Новокузнецк: СибГИУ, 2010. - 238 с.
7. Влох, Н.П. Управление горным давлением на железорудных рудниках / Н.П. Влох, А.Д. Сашурин. - М.: Недра, 1974. - 184 с.
8. Капленко, Ю.П. Управление напряженным состоянием пород и параметрами отбойки при очистной выемке на глубоких горизонтах подземных рудников: автореф. дис. … д-ра техн. наук/ Ю.П. Капленко. - М., 1987. - 32 с.
9. Зорин, А.Н. Механика разрушения горного массива и использование его энергии при добыче полезных ископаемых / А.Н. Зорин, Ю.М. Халимендик, В.Г. Колесников. - М.: Недра, 2001. - 385 с.
10. Волченко, Г.Н. Исследование влияния предразрушения горных пород на снижение энергоемкости взрывного дробления / Г.Н. Волченко, В.Н. Фрянов, В.М. Серяков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2011. - №1. - С. 19-31.
11. Пат. 2213222 Россия, МКИ3 Е 21 С 41/22. Способ разрушения целиков / Волченко Г.Н., Фефелов С.В., Щетинин И.В., Замятин С.Г. и др.; ВостНИГРИ. - № 2001107380; заявл. 19.03.01; опубл. 27.09.03, Бюл. №27. - 8 с.: 3 ил.
12. Пат. 2360117 Россия, МПК7 Е 21 С 41/22.Способ разрушения целиков / Волченко Г.Н., Волченко Н.Г., Серяков В.М., Фрянов В.Н., Волченко П.Г. и др.; СибГИУ. - № 2008104454; заявл. 05.02.08, опубл. 27.06.09, Бюл. №18. ? 8 с.: 4 ил.
13. А.с. № 1653416 СССР. МКИ1 Е 21 С 37/00. Способ дробления целиков / Волченко Г.Н., Волченко Н.Г., Лукин К.Д., Кожевников Е.М.; ВостНИГРИ. - № 4751604; заявл. 25.09.83; опубл. 03.05.84, Бюл. №28. - 4 с.: 2 ил.
14. Рахматулин, Х.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках / А.Х. Рахматулин, Ю.А. Демьянов. - М.: Физматгиз, 1961. - 399 с.
15. Адушкин, В.В. Подземные взрывы / В.В. Адушкин, А.А. Спивак. - М.: Наука, 2007. - 579 с.
16. Шевяков, Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых / Л.Д. Шевяков. - 4 изд. - М.: Недра, 1963. - 325 с.
17. Волченко, Г.Н. Разработка способов взрывной отбойки рудных блоков с учетом напряженно-деформированного состояния массива: дис. … канд. техн. наук / Г.Н. Волченко. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2003. - 135 с.
18. Манин, В.П. О состоянии промышленной безопасности на железорудных шахтах Кузбасса / В.П. Манин // Информационный бюллетень Управления Ростехнадзора по Кемеровской области. - Кемерово: Кузбассвузиздат. - 2006. - №5 (20). - С.3-7.