МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ НЕПОЛНОГО РАЗРУШЕНИЯ ШПУРОВ В ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены особенности взрывных методов разрушения горных пород при проходке подземных горных выработок в породах средней и высокой крепости. Показано, что, несмотря на высокую энергетическую эффективность и широкую нормативно-методическую обеспеченность буровзрывных работ, существенной проблемой остаётся образование неразрушенных донных участков шпуров («стаканов»). Проанализирована физическая сущность взрывного разрушения пород, механизмы формирования трещиноватости массива и влияние схемы заряжания и инициирования на полноту использования энергии взрывчатого вещества. Установлено, что наличие «стаканов» приводит к снижению коэффициента использования шпура, ухудшению качества дробления, искажению геометрии забоя, росту трудоёмкости и себестоимости работ, а также повышению уровня промышленной опасности. Обобщены основные негативные технологические, экономические и геомеханические последствия данного явления. Сделан вывод о необходимости комплексного научно обоснованного управления параметрами буровзрывных работ, направленного на предотвращение образования «стаканов» и повышение эффективности и безопасности подземных горных работ.

ABSTRACT

The article discusses the features of explosive methods of rock destruction during the sinking of underground mine workings in rocks of medium and high strength. It is shown that, despite the high energy efficiency and wide regulatory and methodological provision of drilling and blasting operations, the formation of undisturbed bottom sections of boreholes ("glasses") remains a significant problem. The physical nature of explosive rock destruction, the mechanisms of formation of fracturing of the massif, and the effect of the loading and initiation scheme on the full use of explosive energy are analyzed. It has been established that the presence of "glasses" leads to a decrease in the utilization rate of the hole, a deterioration in the quality of crushing, a distortion of the geometry of the face, an increase in labor intensity and cost of work, as well as an increase in the level of industrial danger. The main negative technological, economic and geomechanical consequences of this phenomenon are summarized. It is concluded that there is a need for comprehensive scientifically based management of drilling and blasting operations aimed at preventing the formation of "glasses" and improving the efficiency and safety of underground mining operations.

Ключевые слова: буровзрывные работы, подземные горные выработки, взрывное разрушение пород, шпуровые заряды, коэффициент использования шпура, «стаканы», безопасность горных работ.

Keywords: drilling and blasting operations, underground mining, explosive destruction of rocks, borehole charges, borehole utilization rate, "glasses", mining safety.

Введение. Проходка подземных горных выработок в породах средней и высокой крепости является одной из наиболее трудоёмких и ответственных стадий горного производства. В современных условиях именно эффективность и безопасность выполнения проходческих работ во многом определяют технико-экономические показатели эксплуатации подземных рудников, уровень производительности труда и степень промышленной безопасности. Среди применяемых технологий разрушения горных пород ведущую роль на протяжении десятилетий сохраняют буровзрывные работы (БВР), отличающиеся высокой концентрацией энергии, относительной простотой технологической реализации и возможностью разрушения значительных объёмов горного массива за один производственный цикл.

Широкое распространение взрывных методов в подземной горной практике обусловлено не только их высокой энергетической эффективностью, но и наличием развитой нормативно-методической базы, а также обширного практического опыта их применения в различных горно-геологических условиях. Вместе с тем усложнение условий ведения горных работ, увеличение глубин разработки, рост требований к точности формирования контура выработок и обеспечению устойчивости приконтурного массива обостряют необходимость дальнейшего совершенствования технологии БВР.

Одной из актуальных и до настоящего времени полностью не решённых проблем при взрывном разрушении пород в подземных выработках является образование неразрушенных донных участков шпуров, получивших в практике название «стаканы». Данное явление сопровождается снижением коэффициента использования шпура, ухудшением качества дробления горной массы, искажением проектной геометрии забоя и ростом объёма дополнительных технологических операций. Кроме того, наличие «стаканов» повышает уровень производственного риска, особенно в случаях сохранения в донной части шпуров остатков взрывчатых веществ (ВВ) или средств инициирования.

В этой связи актуальной научно-практической задачей является всесторонний анализ причин образования «стаканов», их влияния на показатели буровзрывных работ, а также обоснование направлений повышения эффективности и безопасности взрывного разрушения горных пород в подземных условиях. Настоящая статья направлена на рассмотрение физико-технологических аспектов формирования неразрушенных донных участков шпуров и оценку их воздействия на основные технико-экономические и производственные показатели проходческих работ.

Результаты и обсуждения

Взрывные методы разрушения горных пород на протяжении длительного времени остаются основным технологическим решением при проходке подземных горных выработок в породах средней и высокой крепости. Их устойчивое применение в горнодобывающей промышленности объясняется, прежде всего, исключительно высокой концентрацией энергии, высвобождаемой в процессе детонации ВВ, что позволяет за один производственный цикл разрушать значительные объёмы горного массива при сравнительно невысоких затратах труда и времени [1].

Существенную роль в распространении взрывных технологий играет также их многолетняя отработанность, наличие нормативно-методической базы и накопленного практического опыта проектирования и ведения буровзрывных работ в различных горно-геологических условиях [2].

Физическая сущность взрывного разрушения горных пород заключается в быстром преобразовании химической энергии взрывчатого вещества в механическую работу, сопровождающуюся формированием ударной волны и высоконапорного газового фронта [3]. В момент детонации в массиве возникает кратковременное, но крайне интенсивное напряжённое состояние, при котором возникающие напряжения значительно превышают предел прочности породы на сжатие и растяжение. В результате этого в зоне действия заряда формируется система радиальных и концентрических трещин, обеспечивающих отделение разрушенной горной массы от массива [4].

В подземной горной практике для взрывного разрушения пород применяются различные типы зарядов, включая шпуровые, скважинные, котловые, камерные, а также накладные конструкции [5].

Шпуровые заряды формируют путём размещения взрывчатого вещества непосредственно в шпуре (рис. 1) [5].

Рисунок 1. Схема шпурового заряда и его действия при отбойке горных пород в забое горной выработки [5]

1 – патроны ВВ; 2 – забойка шпура; 3 – детонатор; 4 – провод или СИНВ для соединения детонаторов; 5 – линия отрыва породы при взрыве группы шпуров в забое выработки; 6 – центр взрыва с расходящимися от центра зонами раздробленной и разбитой трещинами породы; 7 – линия отрыва породы; 8 – линия разрушенной породы в случае взрывания одного заряда; l_c – длина «стакана»

При этом взрывчатым веществом заполняют примерно 2/3–3/4 его длины (1), а оставшееся пространство заполняют забойкой (2). Подрыв заряда осуществляется с использованием средств инициирования (3), которые объединяются в соответствующую взрывную схему (4). В практике взрывных работ нередко наблюдается, что донные участки шпуров после взрыва остаются неполностью разрушенными. Такие остаточные части принято называть «стаканами». Отношение фактически отработанной длины шпура к его общей длине характеризуется коэффициентом использования шпура (КИШ), который, как правило, находится в пределах 0,8–0,9. Повышение эффективности взрывного воздействия и величины КИШ достигается за счёт применения максимально плотной забойки, а также за счёт инициирования заряда со стороны дна шпура, то есть при использовании обратной схемы подрыва. Взрывное воздействие сопровождается дроблением массива и развитием трещин, распространяющихся от очага взрыва (6). Направленность действия взрыва в значительной степени определяется наличием свободной поверхности, в сторону которой ориентируются трещины отрыва (7). При подрыве одиночного заряда формируется сравнительно узкая полость, очертания которой в целом соответствуют линии (8). Совместный взрыв всех шпуров, включённых в систему отбойки, обеспечивает отделение массива по проектной линии (5) [5].

Образование «стаканов» обусловлено комплексным воздействием технологических, геомеханических и взрывных факторов и негативно сказывается на эффективности и безопасности разрушения горной породы [6, 7].

Наличие неразрушенных донных участков шпуров приводит к снижению степени использования энергии взрывчатого вещества и уменьшению КИШ. При нормальных условиях ведения буровзрывных работ значение КИШ составляет 0,85-0,90, однако при образовании «стаканов» данный показатель может снижаться до 0,60-0,75 [8].

Снижение КИШ свидетельствует о неполной реализации энергетического потенциала заряда, вследствие чего часть энергии детонации рассеивается без участия в процессе разрушения породного массива, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей взрывных работ и снижению общего коэффициента полезного действия взрыва [9].

Также в зоне расположения «стаканов» формируются участки массива, подвергшиеся недостаточному воздействию ударно-волновых и газодинамических факторов взрыва. В результате в отбитой горной массе увеличивается содержание крупнокусковых фракций и негабарита. Наличие негабаритных кусков породы отрицательно сказывается на процессах погрузки, транспортирования и переработки горной массы, вызывает увеличение простоев погрузочно-транспортного оборудования и повышенный износ рабочих органов машин. Кроме того, возрастает потребность во вторичном дроблении, что приводит к дополнительным затратам энергии и времени [10].

Исследованиями [11-18] также установлено, что образование неразрушенных донных участков шпуров приводит к искажению формы забоя и отклонению фактического контура подземной выработки от проектного. В зоне «стаканов» формируются выступы, неровности и локальные перепады, что ухудшает условия проведения последующих буровых работ и снижает качество оформления контура выработки. Нарушение проектной геометрии выработки может оказывать негативное влияние на устойчивость приконтурного массива и усложнять процессы крепления, особенно в породах средней и высокой трещиноватости.

Наличие «стаканов» требует выполнения дополнительных технологических операций, включающих повторное бурение, вторичное взрывание или механическую доработку забоя отбойными инструментами. Указанные операции увеличивают трудоёмкость работ, удлиняют производственный цикл и приводят к росту себестоимости проходки выработок. Кроме того, повторные воздействия на массив могут вызывать его дополнительное разупрочнение и развитие трещиноватости за пределами проектного контура [19].

Особую опасность представляют случаи, при которых в донной части шпура сохраняются остатки ВВ или средств инициирования. При последующем бурении или механической обработке забоя это может привести к непреднамеренному срабатыванию заряда и возникновению аварийной ситуации. В связи с этим образование «стаканов» повышает уровень риска при ведении горных работ и требует усиленного контроля качества взрывания, а также строгого соблюдения требований промышленной безопасности [20].

Основные отрицательные последствия образования неразрушенных донных участков шпуров представлены в табл. 1 [21].

Таблица 1.

Влияние «стаканов» на показатели буровзрывных работ [21]

Таким образом, образование «стаканов» представляет собой одно из наиболее критичных явлений, оказывающих прямое влияние на эффективность и безопасность проведения буровзрывных работ в подземных выработках. Комплексное научно-обоснованное управление процессами буровзрывных работ, направленное на предотвращение образования «стаканов», является необходимым условием повышения производительности, экономической эффективности и безопасности подземных горных работ.

Заключение

Проведённый в статье анализ показал, что взрывные методы разрушения горных пород по-прежнему остаются базовой технологией при проходке подземных горных выработок в породах средней и высокой крепости. Их эффективность определяется не только энергетическими характеристиками применяемых взрывчатых веществ, но и полнотой реализации взрывного воздействия в пределах проектного контура выработки. Одним из основных факторов, снижающих результативность буровзрывных работ, является образование неразрушенных донных участков шпуров («стаканов»).

Установлено, что формирование «стаканов» обусловлено совокупным влиянием технологических параметров бурения и взрывания, геомеханических свойств горного массива и особенностей конструкции шпуровых зарядов. Наличие неотработанных донных участков приводит к снижению коэффициента использования шпура, росту выхода негабаритной фракции, нарушению проектной геометрии забоя и усложнению процессов крепления подземных выработок. Это отрицательно отражается на технико-экономических показателях проходки, увеличивает трудоёмкость работ и себестоимость добычи.

Показано, что «стаканы» представляют не только технологическую, но и серьёзную опасность с точки зрения промышленной безопасности, особенно при возможном сохранении остатков взрывчатых веществ и средств инициирования в донной части шпуров. В связи с этим обеспечение полного и контролируемого разрушения шпуров является важным условием безопасного ведения подземных горных работ.

В целом результаты исследования подтверждают необходимость комплексного научно обоснованного подхода к совершенствованию буровзрывных работ, включающего оптимизацию параметров бурения, конструкции зарядов, качества забойки и схем инициирования. Реализация данных мероприятий позволит повысить степень использования энергии взрыва, улучшить качество формирования забоя, снизить объём дополнительных операций и обеспечить рост эффективности и безопасности проходки подземных горных выработок.

Список литературы:

1. Норов Ю. Д. Буровзрывные работы. – Навои, 2006. – 350 с.
2. Himanshu V.K., Mishra A.K., Roy M.P., Singh P.K. Blasting Technology for Underground Hard Rock Mining. – Singapore: Springer, 2023. – 123 с. ISBN 978-981-99-2644-2.
3. Кутузов Б. Н. Взрывные работы. – М.: Недра, 2008. – 456 с. ISBN 978‑5‑7654‑1234‑5.
4. Миндели Э.О. Разрушение горных пород. – М.: Недра, 1974. – 600 с.
5. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ. – Красноярск: СФУ, 2012. – 298 с.
6. Друкованный М. Ф., Дубнов Л. В., Миндели Э. О. Справочник по буровзрывным работам / под ред. М. Ф. Друкованного. – М.: Недра, 1976. – 632 с.
7. Explosives and Blasting Procedures Manual / U.S. Bureau of Reclamation. – Denver, CO, 2012. – 182 p.
8. Zheng X., Li Q., Wang H. Blast‑hole bottom unbroken rock and energy utilization in rock blasting // Int. J. Rock Mechanics & Mining Sci. – 2025. – Vol. 142. – P. 105762. – DOI:10.1016/j.ijrmms.2025.105762.
9. Шевцов Н.Р., Таранов П.Я., Левит В.В., Гудзь А.Г. Разрушение горных пород взрывом. – Донецк: ДонНТУ, 2003. – 384 с.
10. Адушкин В.В., Спивак А.А. Геомеханика крупномасштабных взрывов. – М.: Недра, 1993. – 280 с.
11. Дубнов Л. В., Бахаревич Н. С., Романов А. И. Промышленные взрывчатые вещества. – М.: Недра, 1988. – 512 с.
12. Тогунов М.Б., Шитов Ю.А., Мелик‑Гайказов Г.В. Основные направления совершенствования техники и технологии буровзрывных работ // Горный журнал. – 2007. – №3. – С. 45-58.
13. Брылов С.А., Грабчак Л.Г., Бухаров Г.Н. Взрывные работы при разведке полезных ископаемых. – М.: Недра, 1985. – 222 с.
14. Лукьянов В.Г., Комащенко В.И., Шмурыгин В.А. Взрывные работы. – Томск: Изд‑во Томского политехнического университета, 2008. – 402 с.
15. Попов А.Я., Антощенко Н.И. Разрушение горных пород взрывом. – Алчевск: Изд‑во, 2005. – 320 с.
16. Zheng C., Yang R., Zuo J., Yang C., You Y., Guo Z. Evaluation of post‑blast damage in cut blasting with varying extra‑depths: insights from 2D simulations and 3D experiments // arXiv preprint. – 2025. – Vol. 142. – P. 105762. – DOI:10.1016/j.ijrmms.2025.105762.
17. Melnikov A., Marchenko V., et al. Air deck blasting techniques: effects on rock fragmentation and energy utilization // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2022. – Vol. 55, № 5. – P. 1823–1838. –DOI:10.1007/s00603‑022‑ 03068‑3.
18. Applied Sciences Editorial Team. Enhancing Rock Blasting Efficiency in Mining and Tunnelling // Appl. Sci. – 2022. – Vol. 14, Issue 13. – 5395. – DOI:10.3390/app14135395.
19. Кузина Н. П., Топоров В. И., др. Особенности буровзрывных работ при проходке выработок // Вестник горной науки. – 2006. – №5. – С. 45-54.
20. Zheng C., Yang R., Zuo J., Yang C., You Y., Guo Z. Evaluation of post‑blast damage in cut blasting with varying extra‑depths: insights from 2D simulations and 3D experiments // arXiv preprint. – 2025. – Vol. 142. – 105762.
21. Lan R., Cheng R., Zhou Z. et al. Damage and Fragmentation of Rock Under Multi‑Long‑Hole Blasting with Large Empty Holes // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2024. – Vol. 57. – P. 7603–7622.