Статья: Улучшение производительности карьера блочного камня за счет использования новой конструкции шпурового заряда

Улучшение производительности карьера блочного камня за счет использования новой конструкции шпурового заряда

Султыгов А.С.^1, *, Ишейский В.А.², Ковалевский В.Н.³

^{1, 2, 3} Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

карьер блочный камень добыча заряд

В статье рассматриваются вопросы повышения производительности карьера блочного камня и увеличения выхода блоков за счет использования новой конструкции шпурового заряда, применяемого для отделения монолита от массива и его последующей разделки на товарные блоки на примере карьера месторождения «Возрождение» Выборгского района Ленинградской области. Приведен расчет параметров буровзрывных работ для предлагаемой конструкции заряда, определен радиус зоны наведенной трещиноватости, представлен сравнительный анализ влияния взрыва применяемой и предлагаемой конструкций шпуровых зарядов на нарушенность добываемых блоков.

Ключевые слова: взрывные работы, шпуровой заряд, блочный камень, зона нарушенности, выход блоков.

Abstract

INCREASING THE EFFICIENCY OF DIMENSION STONE QUARRY THROUGH THE USAGE OF A NEW BLASTHOLE CHARGE DESIGN

Sultygov A.S.^{1, *}, Isheiskii V.A.², Kovalevskii V.N.³

^{1, 2, 3} Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia

The article considers the issues of increasing the efficiency of the dimension stone quarry and increasing the stone yield through the usage of a new blasthole charge design used to separate the rough block from the solid monolith and its subsequent cutting into finished blocks, based on the example of the “Vozrozhdenie” quarry of the Vyborgsky district in Leningrad Oblast. The article presents the calculation of blasting work parameters for the proposed charge design, determines the guided fissuring zone, presents a comparative analysis between the used and proposed blasthole charge designs explosion effects on the fracturing of the mined stones.

Keywords: blasting work, blasthole charge, dimension stone, disturbance area, stone yield.

Введение

В настоящее время разработка месторождений блочного камня частично или полностью ведется с применением технологии буровзрывных работ. Применяемые технологии взрывной отбойки камнеблоков, как правило, обеспечивают выход блоков в пределах 20-25% от объема добываемой горной массы при благоприятных геологических условиях. По оценке, за последние 15 лет на Другорецком месторождении республики Карелия было добыто 296 тыс. м³ блоков и 4034 тыс. м³ горной массы, выход составил около 7,4% [1]. На месторождении «Райвимяки» Республики Карелии фактический выход блоков при сложных геологических условиях составляет около 10% [2]. При этом, одним из продуктивных методов решения проблемы низкого выхода блоков может стать оптимизация конструкции заряда за счет применения специальных взрывчатых веществ, снижающих зону нарушенности отделяемых блоков и массива, а также усовершенствования метода расчета шпуровых зарядов с учетом свойств применяемых взрывчатых веществ (ВВ) и физико-механических свойств горных пород.

Литературный обзор

В работах [3],[4],[5],[7] рассмотрены способы подготовки к выемке высокопрочного камня и проведен сравнительный анализ оборудования, используемого при его добыче. Анализ данных работ показал, что отделение блоков от массива является наиболее трудоемким процессом при разработке месторождений природного камня. В себестоимости блоков доля затрат на операции по отделению массива от монолита может достигать 80%. В этой связи, наибольшее внимание уделено именно этой стадии разработки блочного камня.

Буровзрывной способ подготовки камня к выемке является одним из самых распространенных. Преимуществом данного способа является высокая производительность. На практике при шпуровом методе отделения блоков часто наблюдается отклонение плоскости отрыва от намеченной контурной плоскости, что увеличивает технологические потери блочной продукции. При этом зона нарушения монолитности природного камня распространяется на 5 - 15 см.

Исследованиями наведенной трещиноватости природного облицовочного камня после воздействия взрывных работ занимались такие ученые и исследователи, как: Ю.Г. Карасев, Н.Т. Бакка [3], [4], [5], Г.П. Парамонов, В.Н. Ковалевский [8], [9], [10], Ж.Г. Дамбаев [11] и др.

Методика расчета параметров БВР при добыче блоков зарядами низкобризантных ВВ

При добыче блоков природного камня при направленном разрушении горных пород, блок необходимо не только отделить от массива, но и переместить на некоторое расстояние от массива (до 0,3-0,5 метра), сохранив при этом блок и массив. Исследования показывают, что в отрыве блока от массива принимают участие как газообразные продукты взрыва ВВ, так и прямые волны напряжения, образующиеся при взрыве контурных зарядов ВВ.

Установлено, что наилучший прослойкой между зарядами ВВ и стенкой шпура, которая обеспечивает снижение напряжения на фронте взрывной волны, примерно, на 1-2 порядка, является воздух. Воздушный зазор, кроме того, снимает бризантное действие заряда, которое проявляется непосредственно на контакте «ВВ-порода».

Поскольку на практике применяются воздушные зазоры не более 15R_зар, продукты взрыва (ПВ) достигают стенки шпура одновременно с ударно-воздушной волной (УВВ). Развиваемое ими давление вызывает действие наибольших растягивающих напряжений вдоль оси ряда контурных шпуров.

По причине кратковременности действия напряжений, развивающихся на фронте волны, они не успевают привести к окончательному разрушению материала, так как скорость распространения волны значительно превышает максимальную скорость роста трещин.

Из-за воздействия волны напряжений на породу ограничивается образование первичных радиальных трещин на стенках шпуров и развитие разбросанных в массиве микродефектов в макродефекты, что приводит к снижению прочности породы. Окончательное развитие магистральных трещин, приводящее к отделению монолита от массива и его перемещение, происходит под действием сокращающегося давления ПВ.

Сравнение показало, что при увеличении радиального зазора в пределах 2-4R_зар отношение квазистатического давления к динамическому возрастает практически в два раза, от 0,45 до 0,82 МПа, т. е. роль динамического давления падает, а квазистатического - возрастает. Поэтому при воздушном радиальном зазоре, превышающем 3-4 радиуса заряда, решающее значение принадлежит напряжениям, формируемым в результате воздействия ПВ.

Поскольку, отрыв проектного объема осуществляется взрывом большого числа близко расположенных зарядов при одновременном их инициировании, порода в плоскости расположения контурных зарядов оказывается в состоянии, близком к одноосному растяжению.

Учитывая вышеизложенное, для того, что бы отделить блок от массива и переместить его на некоторое расстояние, необходимо преодолеть силы сцепления в контурном ряде по всей плоскости отрыва, силы трения по подошве, при наличии естественной трещины, а также учесть случай откола блока при разных углах наклона, то есть необходимо выполнить условие:

где F - сила, вызывающая отрыв и перемещение блока

где P_пд - давление газообразных ПВ в шпуре, Па

где m - масса заряда ВВ в шпуре, кг;

Q - теплота взрыва ВВ Дж/кг

n - показатель изоэнтропы продуктов детонации ВВ.

N - число шпуров в контурном ряду, шт.

d_шп - диаметр шпура, м

L_шп - длина шпура, м

F₁ - сила, которую надо приложить, чтобы оторвать блок от массива по площади , м²

B - длина блока, м

H_уст - высота блока, м

где - предел прочности на растяжение, Па

где k₀ - коэффициент структурного ослабления массива,

- скорость продольной волны в массиве и образце горной породы, м/с

F₂ - сила, которую надо приложить для преодоления трения блока по подошве при его перемещении.

где - коэффициент трения

G - вес блока, Н

p_гп - плотность горной массы, кг/м³

W - линия наименьшего сопротивления, м

F₃ - скатывающая сила, учитывающая угол падения блока

Расчет откола монолита при наличии постельной трещины и вертикальном расположении шпуров

Решим данное уравнение относительно согласно методике М.А. Нефедова [12].

откуда определяем число шпуров, которые необходимо пробурить и взорвать, чтобы создать силу, обеспечивающую отрыв и перемещение блока:

Как правило, шпуры бурятся с недобуром 0,1 м до подошвы уступа, поэтому с некоторым приближением можно принять и тогда имеем:

Как показывает практика, при количестве шпуров равном более 10, длина откола достаточно точно определяется как:

где б - среднее расстояние между шпурами, м

или

При угле падения пласта

Требования к камнеотбойке

Анализ полученных формул позволяет сделать вывод, что расстояние между шпурами зависит от величины давления в шпуре и диаметра шпура. При этом величина создаваемого в шпуре давления должна удовлетворять условию:

где - обеспечивающее трещинообразование радиусом

- динамическое прочность породы на отрыв

где - коэффициент динамичности

где S_п - площадь отрыва, - скорость продольной волны в массиве

где - критический коэффициент интенсивности напряжений.

Тогда приравнивая можно примерно оценить ожидаемый радиус трещинообразования от взрыва конкретного заряда (формула Д. Пирса):

Предлагаемая конструкция шпурового заряда

На карьере месторождения «Возрождение» в Выборгском районе Ленинградской области буровзрывные работы по отделению монолита от массива и его разделки на блоки проводятся с использованием шпуровых зарядов дымного черного пороха марки ДВП, инициируемого от детонирующего шнура (ДШ). Конструкция заряда представлена на рисунке 1. Данный заряд обладает рядом существенных недостатков, таких как опасность в обращении, неводостойкость. После взрыва таких зарядов образуется высокая наведенная трещиноватость, наблюдаются пожоги камня, что существенно влияет на его эстетические и физико-механические свойства.

Параметры буровзрывных работ на карьере месторождения «Возрождение» представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры БВР для отделения монолита зарядами ДВП

На замену существующей конструкции шпурового заряда предлагается использовать конструкцию шпурового заряда из элемента универсального газогенерирующего (ЭУГ) и ДШ. ЭУГ разработанные ООО «НПК Контех» состоят из патрона ЭУГ (см. рис.2а), состоящего из полимерного цилиндрического пенала с полиэтиленовыми заглушками, содержащего пропитанную дизельным топливом (ДТ) окислительную композицию на основе хлората натрия. Вдоль патрона пропускается отрезок ДШ типа ДШЭ-6, ДШЭ-12. ЭУГ применяются в качестве шпуровых и скважинных зарядов для производства работ по отделению, разделке и пассировке блоков природного камня при добыче крепких горных пород, планировке скального массива, дроблению фундаментов и железобетонных конструкций.

Заряды ЭУГ могут эффективно применяться для разрушения пород, имеющих крепость по шкале М.М. Протодьяконова от 4 и выше, в шпурах и скважинах диаметром 32-100 мм, при температуре окружающей среды от минус 35 до плюс 50 ⁰С, в обводненных и необводненных условиях.

Технические характеристики патрона ЭУГ-150-20 (масса состава 150 гр. диаметр 20 мм) представлены в таблице 2.

Рис. 2 - Конструкция патрона ЭУГ (а) и общий вид патрона (б)

1 - полимерный корпус пенала; 2 - полиэтиленовые заглушки; 3 - газогенерирующая композиция; 4 - отрезок ДШ

Таблица 2 - Характеристики зарядов ЭУГ-150-20

По изложенной выше методике был произведен перерасчет параметров БВР для условий карьера месторождения «Возрождение» с учетом характеристик предлагаемой конструкции заряда. Результаты расчета параметров БВР сведены в таблицу 3.

Таблица 3 - Параметры БВР при отделении монолита зарядами ЭУГ

Конструкция рассредоточенного шпурового заряда с применением ЭУГ и схема коммутации взрывной сети представлены на рисунке 3. Длина одного патрона составляет 0,4 м. Заряд из 3 патронов ЭУГ рассредоточивается по длине шпура при помощи замков для прикрепления к ДШ. При этом первый патрон опускается на дно шпура (с предварительной присыпкой 0,1 метра забоечного материала на дно шпура). Расстояние между зарядами в шпуре принимается 1,5 м. Таким образом под забойку остается 1,5 м шпура.

Также произведен расчет ожидаемого радиуса трещинообразования для взрыва заряда с использованием ДВП и заряда с использованием ЭУГ по формуле Д.Пирса.

По результатам расчет ожидаемый радиус трещинообразования для зарядов ДВП составил: