ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ДРОБЛЕНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА

АННОТАЦИЯ

В работе разработан способ дробления массива горных пород взрывом с использованием конструкции турбулизатора, позволяющий обеспечить равномерное и качественное дробление массива горных пород взрывом, а также повышение фактического коэффициента использования потенциальной энергии зарядов BB путем изменения механизма ее передачи и увеличения времени на процесс разрушения. Также разработан способ инициирования скважинных зарядов ВВ во взрывном блоке, позволяющий управлять длительностью и кратностью приложения взрывных нагрузок, их направленностью, а также повысить использование энергии взрыва на дробление горных пород.

ABSTRACT

The paper develops a method for crushing an array of rocks by explosion using a turbulator design, which allows for uniform and high-quality crushing of an array of rocks by explosion, as well as increasing the actual utilization factor of the potential energy of BB charges by changing the mechanism of its transmission and increasing the time for the destruction process. A method has also been developed for initiating downhole explosive charges in an explosive block, which allows controlling the duration and frequency of application of explosive loads, their direction, as well as increasing the use of explosion energy for crushing rocks.

Ключевые слова: открытые горные работы, буровзрывные работы, дробление массива горных пород взрывом, конструкция турбулизатора, обеспечение равномерного и качественного дробление массива горных пород взрывом, потенциальная энергия зарядов взрывчатых веществ, изменение механизма передачи энергии взрыва,  увеличение времени на процесс разрушения, способ инициирования скважинных зарядов взрывчатых веществ.

Keywords: open-pit mining, drilling and blasting, crushing of an array of rocks by explosion, turbulator design, ensuring uniform and high-quality crushing of an array of rocks by explosion, potential energy of explosive charges, changing the mechanism of transmission of explosion energy, increasing the time for the destruction process, the method of initiating borehole charges of explosives.

Важнейшими проблемами для большинства горнодобывающих предприятий остаются повышение эффективности производства, конкурентоспособности выпускаемой продукции и уменьшение вредного воздействия на окружающую среду. Даже применением прогрессивных способов ведения буровзрывных работ (БВР) не удается полностью исключить выход крупной фракции (негабаритов), о чём свидетельствует опыт разрушения крепких и особо крепких горных пород при ведении горных работ. Исследованиями установлено, что увеличение выхода негабарита с 2,5 до 5% вызывает снижение производительности экскаватора на 20-30%, а при 20% выхода негабарита его производительность снижается в 2,0-2,5 раза [1-2]. В связи с этим необходимо уделять особое внимание решению вопросов повышения качества дробления массива горных пород и обеспечению снижения выхода негабаритов. Традиционная технология ведения БВР на глубоких горизонтах карьеров исчерпала свои возможности, поэтому необходимо внедрение более прогрессивных способов, предусматривающих обеспечение в полной мере заданное качество дробления горной массы. При реализации известных разработанных способов взрывного разрушения массива горных пород [3-6] не обеспечивается равномерное их дробление, что ведет к ухудшению качества подготовки горной массы и повышенным затратам на экскавацию. При изучении процессов взрывного разрушения массива горных пород с применением скважинных зарядов ВВ необходимо особое внимание уделять выявлению физических особенностей их разрушения в зависимости от конкретных структурных и прочностных свойств взрываемого массива горных пород. Наиболее перспективным направлением при создании способов разрушения пород с асимметрией распределения энергии взрыва в пространстве и максимальной ее концентрации в направлении вглубь разрушаемого массива является использование явления турбовзрывания [7].

Одним из важнейших компонентов при открытой разработке месторождений полезных ископаемых является проблема управления действием взрыва, требующая правильного понимания физического механизма его воздействия на разрушаемый горный массив.

Для повышения эффективности взрывного воздействия на горную породу и снижения выхода негабаритов на карьерах рекомендуется увеличение давления и времени воздействия взрыва на массив путем использования турбулизатора [7]. Турбулизатор предназначен для повышения фактического коэффициента использования потенциальной энергии колонковых зарядов промышленных типов BB за счет повышения скорости вторичных химических реакций догорания BB в скважине после прохождения детонационной волны до момента прорыва продуктов детонации на свободную поверхность.

Установлено изменение механического напряжения на стенки взрывной скважины при использовании конструкции турбулизатора в заряде ВВ в зависимости от радиуса кручения турбулизатора, частоты вращения детонационной волны после прохождении по конструкции турбулизатора, площади поперечного сечения скважины и скорости детонации исходного ВВ:

                                               (2)

где Р1 ‒ давление газов внутри скважины после прохождении через конструкцию турбулизатора, МПа; S – площадь поперечного сечения скважины, м²; U ‒ скорость детонации после прохождения через конструкцию турбулизатора, м/с; t – время вращения, с; М – масса турбулизатора, кг; ɷ – частота вращения, Гц; R – радиус кручения турбулизатора, м; l – длина турбулизаотра, м; D – скорость детонации исходного ВВ, м/с.

Исследованиями установлено, что при использовании турбулизатора в скважинном заряде ВВ зона раздавливания не превышает 3-15 радиусов заряда ВВ. В связи с чем радиус зоны радиальных трещин также будет зависеть от радиуса заряда ВВ, скорости распространения продольных волн в массиве и напряжения.  

Радиус радиальных трещин при использовании конструкции турбулизатора в скважинном заряде ВВ рекомендуется определять по формуле:

  , м,                                               (3)

где D – скорость детонации промышленного ВВ, м/с;  ‒ радиус заряда ВВ, м;  – плотность породы, кг/м³;  – предел прочности пород сжатие, H/м²; α – угол вращения турбулизатора, град.

Радиус дробления горных пород при использовании конструкции турбулизатора в скважинном заряде ВВ в зависимости от условий взрывания и требуемого качества рекомендуется определять по формуле [8-9]:

  , м,                                               (4)

где  р ‒ вместимость 1 п.м. скважины, м; l_зар  ‒ длина заряда ВВ в скважине, м; m ‒ коэффициент сближения скважинных зарядов ВВ; H_у ‒ высота уступа, м; k_эн.ВВ ‒ коэффициент, учитывающий использование энергии ВВ на дробление горных пород при конкретных схемах взрывания; d₀ ‒ средний диаметр отдельностей массива по степени блочности (трещиноватости), мм;  d_i  ‒ средний диаметр взорванного куска горных пород, мм.

Разработан способ дробления массива горных пород взрывом с использованием конструкции турбулизатора, позволяющий обеспечить равномерное и качественное дробление массива горных пород взрывом, а также повышение фактического коэффициента использования потенциальной энергии зарядов BB путем изменения механизма ее передачи и увеличения времени на процесс разрушения [10-12].

Согласно данному способу изготавливают пластину из алюминиевого листа размерами 2х20х180 мм, скрученную винтообразно вокруг продольной оси на 360⁰ на один оборот. В поливинилхлоридную трубу длиной 180 мм и диаметром 100 мм устанавливают в вертикальном положении изготовленную пластину по центру и трубу запаивают с двух сторон. Таким образом, получается конструкция, именуемая турбулизатором, в воздушной полости (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция турбулизатора в воздушной полости из поливинилхлоридной трубы

Рис. 2. Конструкция скважинного заряда ВВ с турбулизатором для дробления массива горных пород

1 – взрывная скважина; 2 – промежуточный детонатор; 3 – система инициирования неэлектрического взрывания; 4 – промышленное ВВ; 5 – конструкция турбулизатора в воздушной полости; 6 ‒ забойка

Далее во взрываемом массиве горных пород бурятся взрывные скважины по паспорту буровзрывных работ. На дно скважин устанавливают промежуточный детонатор и засыпают небольшое количество промышленного ВВ так, чтобы промежуточный детонатор был полностью покрыт (рис. 2). Поверху опускают изготовленную конструкцию турбулизатора и скважины засыпают оставшимся количеством ВВ, производят забойку и взрывание.

Применение предлагаемого способа дробления массива горных пород взрывом с использованием конструкции турбулизатора обеспечивает равномерное и качественное дробление массива горных пород взрывом, а также повышение фактического коэффициента использования потенциальной энергии зарядов BB путем изменения механизма ее передачи и увеличения времени на процесс разрушения.

Разработан способ инициирования скважинных зарядов ВВ во взрывном блоке, позволяющего управлять длительностью и кратностью приложения взрывных нагрузок, их направленностью, а также повысить использование энергии взрыва на дробление горных пород.

Согласно данному способу во взрывном блоке бурятся ряды скважин по паспорту буровзрывных работ. Скважины заполняются промышленным ВВ, в качестве средств инициирования скважинных зарядов ВВ используется неэлектрическая система инициирования СИНВ. Взрывной блок разделяется на две равные части, а они, в свою очередь, на три серии короткозамедленного взрывания скважин. Инициирование скважинных зарядов ВВ производится одновременно в двух частях блока в виде трапециевидной схемы взрывания на встречу друг к другу одновременно так, чтобы произошло встречное движение взрывных волн и соударение породных кусков при взрыве. С двух концов взрывного блока в первой серии производится мгновенное взрывание скважин в виде трапеции, далее во второй серии через 42 мс взрываются последующие скважины также в виде трапеции, еще через 42 мс по периметру взрывного блока в третьей серии взрываются оставшиеся скважины.  Применение данного способа взрывания позволяет обеспечить эффективное использование энергии взрыва и возможность соударения кусков породы в процессе их движения, что способствует повышению использования энергии взрыва на дробление горных пород, получению заданной степени дробления и обеспечению качества подготовки горной массы для различных технологических схем разработки с минимальными материальными и энергетическими затратами. В соответствии с «Программой проведения исследования перераспределения энергии ВВ по длине скважинного заряда при использовании эффекта турбовзрывания» на месторождении Кальмакыр АО «Алмалыкский горно-металлургический комбинат» проведены опытно-промышленные испытания новой конструкции скважинных зарядов ВВ с использованием эффекта турбозрывания и способа инициирования скважинных зарядов ВВ во взрывном блоке.

Основными факторами, которые определяли результаты взрыва, являлись грансостав взорванной горной массы и выход негабаритных кусков горной массы. Анализ гранулометрического состава показал, что в разработанном способе по сравнению с базовым средний размер куска уменьшился на 43%, а количество негабаритных кусков – на 44%. Проведенные опытно-промышленные испытания показали, что по разработанному способу достигается равномерное дробление горных пород. Учитывая, что на карьере «Ёшлик - 1» годовая производительность по горной массе составляет 45 млн. т в год (в среднем 17,3 млн. м³) и из них выход негабаритов ‒ 20%, то экономический эффект от внедрения разработанного способа повышения качества дробления массива горных пород с одной скважины составит 3 315 000 сум/скв. или  ~ 73 млрд. сум/год.

Таким образом, выполненные теоретические и экспериментальные исследования по научному обоснованию повышения качества дробления массива горных пород путем управления параметрами энергии взрыва, практическая реализация их результатов на открытых горных работах АО «Алмалыкский горно-металлургический комбинат» позволили внести существенный вклад в решение актуальной научной задачи – эффективного использования энергии взрыва при проведении промышленных взрывов.

Список литературы:

1. Бибик И.П., Рубцов С.К., Сытенков Д.В. Управление взрывной подготовкой пород в технологических потоках карьеров. – Ташкент: Фан, 2008. – 424 с.
2. Шеметов П.А., Очилов Ш.А. Совершенствование и развитие взрывных работ в Узбекистане // Горный вестник Узбекистана. – Навои, 2013. – №4. – С. 14-18.
3. Норов Ю.Д., Очилов Ш.А. Проблема управления дроблением горных пород под действием энергии взрыва скважинных зарядов взрывчатых веществ на открытых горных работах // Горный вестник Узбекистана. – Навои, 2016. – №4. – С. 17-23.
4. Ochilov Sh.A., Nasirov U.F., Toshniyozov L.G. The teoretical study of the fracture mechanism of less fissured rocks // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – Austria, 2017. – №1-2. – Р. 98-101.
5. Петросов Ю.Э., Махмудов Д.Р., Уринов Ш.Р. Физическая сущность дробления горных пород взрывом скважинных зарядов ВВ // Горный вестник Узбекистана. – Навои, 2016. – №4. – С. 98-100.
6. Матренин В.А., Мучник С.В., Гришин А.Н. Современные способы формирования и взрывания рассредоточенных скважинных зарядов // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. ‒ Кемерово, 2008. ‒ №2. ‒ С. 117-123.
7. Мучник С.В. Разработка и научное обоснование технических и технологических решений по управлению фугасным действием взрыва в горнодобывающей промышленности // Дисс. ... докт. техн. наук. ‒ Новосибирск, 2000. ‒ 308 с.
8. Ракишев Б.Р. Энергоемкость механического разрушения горных пород. ‒ Алматы: Баспагер, 1998. ‒ 210 с.
9. Лукьянов А.Н. Разработка научных основ, исследование и внедрение методов и средств интенсификации технологических процессов при открытой разработке скальных сложноструктурных месторождений отрасли // Дисс. … докт. техн. наук. ‒ Москва, 1983. – 452 с.
10. Заиров Ш.Ш., Шарипов З.С., Арзиева С. Использование эффекта «турбозрывания» при дроблении горных пород скважинными зарядами взрывчатых веществ  // Горный вестник Узбекистана. ‒ Навои, 2021. ‒ №4. – С. 21-25.
11. Заиров Ш.Ш., Тлеумуратов С.Ж., Арзиева С.И. Конструирование скважинных зарядов взрывчатых веществ с использованием эффекта турбозрывания // Материалы Республиканской научно-практической онлайн-конференции на тему «Проблемы использования природных ресурсов и их инновационные решения на основе интеграции науки и образования». ‒ Ташкент, 12 ноября 2021 г. ‒ С. 102-106.
12. Заиров Ш.Ш., Тлеумуратов С.Ж., Мехмонов М.Р., Арзиева С.И., Хамраева М.О. Конструирование скважинных зарядов взрывчатых веществ с использованием эффекта турбозрывания // Сборник докладов I Евразийского горного конгресса. ‒ Навои, 11-12 ноября 2021 г. ‒ С. 160-163.