Для эффективного разрушения массива горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых во всём мире уже давно применяют технологию буровзрывных работ (БВР). По мнению ведущих учёных в области горного дела, взрывное разрушение пород в обозримом будущем станет безальтернативной основой большинства горных технологий [2-4,7].
Современные тенденции при проходке горных выработок обуславливают применение технологии буровзрывных работ на высоком уровне. С помощью взрывных работ происходит не только отбойка породы с фронтальной части забоя, видимая невооружённым глазом, но и законтурное действие взрыва, которое в свою очередь может производить нежелательные повреждения, что зачастую приводит к увеличению затрат при проходке и проблем с безопасностью работы персонала.
В настоящее время существует большое количество методик, основанных на определении параметров зон разрушения породного массива при взрыве.
При построении такой методики очень важно определить закономерность воздействия ключевых показателей взрывного процесса. В результате изучения взаимодействия различных процессов в момент взрыва удлинённого заряда взрывчатого вещества (ВВ) в последние десятилетия учёными были достигнуты значительные успехи в изучении процесса взрыва. Так, при взрыве удлинённого заряда ВВ в горном массиве разные учёные выделяют от 2 до 3 основных проявляемых зон разрушения [1,2,7,9,13,15,17,21]:
1. Зона смятия (раздавливания, сжатия, ударная зона, зона мелкого дробления);
2. Зона трещинообразования (зона радиальных трещин);
3. Зона упругих деформаций (сейсмическая зона).
Эти зоны различаются по своим размерам и обозначают характерные этапы разрушения породы вокруг взрываемого шпура (рис.1).
Рис.1. Схема формирования основных зон разрушения вокруг взрываемого шпура
По мнению ряда отечественных и зарубежных учёных, размеры зоны смятия не превышают 2–15 радиусов заряда [6,10,11,17]. По данным [6,11], радиус зоны трещинообразования находится в пределах 20–30 радиусов заряда.
Проведенный анализ современного состояния изученности БВР показывает, что за последние десятилетия проделан значительный объём исследований по совершенствованию и разработке новых методик расчёта параметров БВР [1-21]. Однако до настоящего момента не разработано единой методики расчёта, которая охватывала бы все факторы и объясняла механизм образования трещин вокруг взрываемого заряда и сам процесс разрушения горной породы.
Существуют различные модели для оценки степени измельчения породного массива вокруг удлинённого цилиндрического заряда [1,7,9,12-16,20]. Эти подходы зачастую демонстрируют взрывное воздействие в идеальной детонационной среде, и оценка достоверности воздействия, рассчитанных по предлагаемым методикам зон разрушения на породный массив, представляется довольно сложной задачей. Краткое описание некоторых из существующих методик определения параметров буровзрывных работ на основании расчётных зон разрушения представлены ниже.
Рядом отечественных учёных были выведены различного вида зависимости по определению размеров зон разрушения. Так, в работе [15,19] Мосинец В.Н. и Горбачева Н.П. предложили формулы для определения трех зон разрушения. Радиус зоны смятия они предложили определять по следующей зависимости:
, м (1)
Радиус зоны трещинообразования:
, м (2)
Радиус зоны упругих деформаций:
, м (3)
где СР – скорость распространения продольных волн в массиве, м/с; СS – скорость распространения поперечных волн в массиве, м/с; q – вес заряда в тротиловом эквиваленте, кг.
Другие отечественные учёные под руководством М.Ф. Друкованного [13] вывели свои зависимости для определения размеров зон смятия и трещинообразования.
Радиус зоны смятия определяется по формуле:
, мм (4)
(5)
где r0 – радиус шпура, мм; Pb – давление в шпуре, Па; γ – адиабатическое расширение взрывчатого вещества; k – сцепление, Па; f – коэффициент внутреннего трения; σc – предел прочности пород на сжатие, Па; T – предел прочности пород на растяжение, Па; E – модуль Юнга, Па; υ – коэффициент Пуассона, Па.
Радиус зоны трещинообразования:
, мм (6)
В своих работах Б.Р. Ракишев [9,10] предлагает следующий расчёт параметров зон разрушения:
Радиус зоны смятия в монолитных породах в камуфлетной стадии вычисляется из уравнения:
, м, (7)
где rпр – предельный радиус взрывной полости, определяемый из выражения:
, (8)
где Рн и Рс – начальное давление продуктов детонации и прочностная характеристика среды в условия взрывного разрушения соответственно.
(9)
(10)
где ρ0 – плотность породы; с – скорость звука в породе; ν – коэффициент Пуассона; σсж – предел прочности пород на сжатие; σр – предел прочности пород на растяжение; ρвв – плотность заряда ВВ; D – скорость детонации ВВ.
Радиус зоны трещинообразования определяется по зависимости:
, м. (11)
Б.Н. Кутузов и А.П. Андриевский предложили метод определения размеров зон разрушения [7], представленный ниже:
Радиус зоны смятия определяется по формуле:
, м (12)
где d – диаметр шпура, м; ρ – плотность ВВ, кг/м3; D – скорость детонации, м/с; σсж – предел прочности пород на сжатие, Па.
Радиус зоны трещинообразования, формирующейся вокруг шпура в монолитном скальном массиве при его взрывном нагружении удлинёнными зарядами, определяется по формуле [7]:
, м (13)
где τср – предел прочности разрушаемого массива на срез (для большинства пород τср не превышает 20 МПа. Приблизительно τср можно определить как (0,1-0,02)·σсж [8]), Па; d – диаметр шпура, м; D – скорость детонации, м/с; ρ – плотность ВВ, кг/м3; σсж – предел прочности пород на сжатие, Па.
Радиус зоны трещинообразования, формирующийся вокруг шпура в трещиноватом массиве при его взрывном нагружении удлиненными зарядами, рассчитывается:
, м (14)
где Кс – коэффициент структурного ослабления породы взрываемого трещиноватого массива, рассчитываемый по формуле [7]:
, (15)
где lт – среднее расстояние между трещинами, м.
Среди зарубежных учёных вопросом определения параметров зон разрушения породного массива занимались:
В работе [20] Г. Сцуладзинский предложил рассчитывать радиус зоны смятия по следующей формуле:
, мм (16)
где r0 – радиус шпура, мм; p0 – плотность взрывчатого вещества, кг/мм3; QEF – эффективная энергия взрывчатого вещества (предположительно 2/3 полной реакции); F’C – предел прочности пород на сжатие, Па.
Н. Джорджевич [12] рекомендует рассчитывать радиус зоны смятия по формуле:
, мм (17)
где r0 – радиус шпура, мм; T – предел прочности пород на разрыв, Па; Pb – давление в шпуре, определяемое по формуле [18]:
, Па (18)
где PCJ – скорость детонации, м/с;
(19)
С. Эсен и И. Онедерра в своих работах [14,16] предложили пользоваться следующими формулами для определения зон разрушения:
Радиус зоны смятия определяется по формуле:
, мм (20)
где rb – радиус шпура, мм; CZI – индекс зоны разрушения, является безразмерным показателем, определяемым по формуле:
(21)
где Pb – давление в шпуре, Па; σc – предел прочности пород на сжатие, Па; K – жесткость горной массы;
(22)
где E – модуль Юнга, Па; υd – коэффициент Пуассона, Па.
Проведенный анализ показал, что во всех методиках расчёта параметров зон разрушения породного массива не учитывается вязкость горных пород. При этом практические данные показывают, что вязкость оказывает существенное влияние на эффективность взрывных работ. Вязкими принято называть наиболее трудно разрушаемые породы, имеющие высокую прочность и большую зону пластических деформаций.
С увеличением вязкости пород возрастает поглощение упругих волн, уменьшаются ползучесть и пучение пород, возрастает энергоёмкость процессов дробления и измельчения пород при переработке полезных ископаемых и взрывных работах [5]. На настоящий момент не существует общепризнанного метода определения вязкости горных пород. Применительно к расчётам определения рациональных параметров буровзрывных работ это является большим минусом, так как этот фактор может существенно снизить эффективность взрывной отбойки.
Работа по изучению влияния вязкости на эффективность взрывных работ проводятся коллективом кафедры «Шахтное и подземное строительство» в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых учёных – кандидатов наук – МК-5475.2015.8.
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.
Косолапов А.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Открытые горные работы», Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», Институт горного дела, геологии и геотехнологий, г. Красноярск.