Ведущей отраслью горной промышленности на данный момент можно назвать взрывное дело. Постоянный рост потребности в различного рода полезных ископаемых требует увеличения объёмов добычи минерального сырья, что, в свою очередь, предопределяет рост горнопроходческих работ. В связи с этим важное значение приобретает совершенствование технологии проходки как уже на действующих, так и на проектируемых рудниках.
Анализ результатов исследований различных авторов показывает, что подавляющий объём проходческих работ на подземных рудниках осуществляется с применением буровзрывных работ (БВР), и в ближайшей перспективе этот способ остаётся основной технологией проведения горизонтальных и наклонных горных выработок. В последние годы активно ведутся исследования по разработке новых теорий и методик расчёта оптимальных параметров БВР и совершенствованию их конструктивных элементов.
Наиболее ответственным элементом взрывного разрушения пород при проходке горных выработок является формирование врубовой полости. Эффективная работа вруба во многом предопределяет эффективность взрыва в целом.
Так как врубовая полость является наиболее важной составляющей всего паспорта БВР, которая во многом и определяет основные качественные характеристики произведённого взрыва – шаг подвигания забоя за цикл, требуемый развал породы и качественное её дробление, достаточная устойчивость выработки и оконтуривание её в соответствии с проектом, то разработка методики расчёта конструкции взрывного вруба является весьма актуальной.
На сегодняшний день из всех многочисленных типов врубов наиболее прогрессивными являются прямые врубы с компенсационными шпурами или скважинами, пробуренными перпендикулярно к плоскости забоя выработки.
Как показывает практика ведения взрывных работ, такие врубы характеризуются наибольшей работоспособностью в крепких породах, являются простыми в исполнении и позволяют обеспечить высокий коэффициент использования шпура (КИШ). Из всех известных конструкций прямые врубы характеризуются высокой работоспособностью, универсальностью применения, стабильными показателями и простотой ориентации в пространстве [4, 5, 7].
Однако всё многообразие существующих конструкций прямых врубов объединяет один недостаток – отсутствие методики обоснованного выбора их параметров и расчёта [4]. Наиболее часто встречаются методики, базирующиеся на первоочередном определении удельного расхода ВВ.
Недостатком этого подхода является использование в формулах расчёта удельного расхода ВВ коэффициентов, имеющих весьма широкий диапазон изменения, и принимаемые их значения в большей мере зависят от уровня подготовки и интуиции специалиста. В результате параметры БВР устанавливают по усредненным значениям, что отрицательно сказывается на эффективности взрывных работ. Кроме того, упомянутые методики не учитывают необходимость изменения параметров БВР при изменении глубины шпуров.
В этой связи первым шагом в решении поставленной задачи стала разработка алгоритма расчёта параметров прямого вруба с компенсационными скважинами.
Для создания методики расчёта параметров и конструкции прямого призматического вруба были проанализированы труды ведущих учёных, занимающихся исследованиями в области изучения оптимальных параметров БВР [1-9]. В результате этого были установлены зависимости, позволяющие с высокой степенью точности определить оптимальные параметры прямого призматического вруба с компенсационными скважинами.
Одной из особенностей предлагаемой методики расчёта является учёт зависимости зон разрушения породного массива при взрыве удлинённых цилиндрических зарядов, предложенной Б.Н. Кутузовым и А.П. Андриевским [3]. Авторы объясняют процесс разрушения горной породы при взрыве формированием двух основных зон: смятия и трещинообразования.
Предлагаемая методика определения параметров прямого взрывного вруба базируется на последовательном выполнении следующих операций.
1. Поскольку разрушаемый массив до начала момента взрыва имеет лишь одну открытую поверхность, то в первую очередь определяется число компенсационных шпуров (скважин) во врубе, для создания дополнительной свободной поверхности и частичного перемещения энергии взрыва на эту свободную зону. На основании анализа практики работы рудников ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» и ряда промышленных экспериментов, проведённых авторами, установлено, что оптимальное число компенсационных шпуров (скважин) можно определить по формуле:
, шт., (1)
где l0 – длина холостого шпура (скважины), м; d0 – диаметр холостого шпура (скважины), м.
2. При отклонении шпуров от проектного положения возможна некорректная работа взрывного вруба, вследствие чего может наблюдаться недостаточное разрушение и выброс плохо проработанных остатков горной массы и уменьшения КИШ, а в случае значительного сближения шпуров происходит запрессовка соседних шпуров или повреждение зарядов, взрываемых с замедлением [5, 7].
Таким образом, для этого типа взрывного вруба ключевым фактором, определяющим его работоспособность, является выбор оптимального расстояния между заряжаемыми и компенсационными шпурами (скважинами).
По результатам промышленных экспериментов установлено, что расстояние между холостыми шпурами вруба необходимо определять по формуле:
, м, (2)
где d – диаметр заряжаемого шпура, м.
Оптимальное расстояние между холостыми и заряжаемыми шпурами вруба рассчитывается как (2÷3)·d0 [9].
3. Общее число врубовых шпуров, размещённых на плоскости забоя рассчитывается по выражению:
, шт., (3)
где S – площадь поперечного сечения выработки, м2; kv – коэффициент, учитывающий вязкость пород; Rсм – радиус зоны смятия, определяемый по формуле [6].
На рисунке 1 представлена схема построения прямого призматического вруба, по предлагаемым формулам.
а)
б) 
Рис. 1. Схема построения прямого вруба
а) Схема построения взрывного вруба по выведенным формулам; б) Схема расположения взрывного вруба в забое
4. Глубина шпуров определяется исходя из возможностей технологического оборудования.
5. Длина заряда в шпуре рассчитывается по формуле
, м, (4)
где lш – глубина шпура, м; lзаб – длина забойки, м; lб – длина патрона-боевика, м.
6. При необходимости далее проверяется возможность заряжания пневматическим зарядчиком порциями по 0,5 кг, 1,0 кг или 2,0 кг.
Проектная масса заряда в каждом заряжаемом шпуре взрывного вруба, с учетом уже известной длины заряда, равняется:
, кг. (5)
Рис. 2. Схема конструкции заряда
Предлагаемая методика расчёта уже прошла апробацию на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», где показала хорошие результаты, что подтверждается повышением КИШ, снижением общего расхода ВВ, расхода бурения и уменьшением разлёта породы после взрыва.
Из вышеизложенного следует, что при составлении паспортов БВР использование предлагаемой методики расчёта конструкции прямого призматического вруба обеспечит высокую эффективность взрывного способа проходки горизонтальных и наклонных горных выработок, поскольку позволяет учесть все основные горно-геологические и горнотехнические условия проведения взрыва, обеспечить качественное формирование врубовой полости и высокий КИШ.
Рецензенты:
Гилёв А.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Горные машины и комплексы», Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», Институт горного дела, геологии и геотехнологий, г. Красноярск;
Галченко Ю.П., д.т.н., профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук, г. Москва.