Спосіб розташування свердловинних зарядів вибухової речовини при відбійці тріщинуватих порід

1. Спосіб розташування свердловинних зарядів вибухової речовини при відбійці тріщинуватих порід, що включає виділення систем тріщин і визначення орієнтування їхніх слідів на площадці оббурювання, установлення напрямку розташування основних і додаткових або без них рядів свердловинних зарядів і положення зарядів у рядах, який відрізняється тим, що виділяють основну і додаткову системи тріщин, а ряди свердловинних зарядів орієнтують відносно основної системи тріщин під кутом jo , що задовольняє умовам: æ dд ö æ do ö ± ÷ jод - arcsin ç ± ç a ÷ ³ jo ³ arcsin ç ± 2a ÷ , è ø ø è 2 (19) 1 3 Винахід стосується гірничої промисловості, а саме способів вибухової відбійки тріщинуватих і шарувато-тріщинуватих скельних гірських порід, наприклад гранітів, вапняків, залізистих кварцитів і піщаників. Відомий спосіб розташування свердловинних зарядів вибухової речовини (ВР) на поверхні блока, що підривається, який складається з анізотропних тріщинуватих або шарувато-тріщинуватих порід [1]. У цьому способі зона руйнування навколо заряду теоретично моделюється у вигляді еліпса, орієнтованого великою віссю в напрямку простягання шарів або в напрямку найбільш густої системи тріщин, які здебільшого збігаються. При цьому сітка розташування свердловин установлюється з урахуванням орієнтування еліптичних зон руйнування щодо брівки уступу. Такий підхід неоднозначно і не повною мірою враховує перерозподіл енергії вибуху тріщинуватістю масиву порід, оскільки при різному орієнтуванні брівки уступу для тих самих порід буде використовуватися різна геометрія сітки свердловин. Найбільш близьким до винаходу технічним рішенням є спосіб вибухової відбійки гірських порід із шаруватою текстурою на кар'єрах [2]. Вплив шаруватості аналогічний впливу системи паралельних тріщин. При цьому шаруваті масиви скельних гірських порід закономірно мають розвинену системну тріщинуватість. У цьому технічному рішенні сітка свердловин орієнтується відносно шарів порід, а отже, й відносно пов'язаної з ними системи тріщин, під кутом до неї, обумовленим швидкістю розвитку вибуху свердловинних зарядів, розташованих у ряді, і швидкістю поширення поздовжніх хвиль у масиві порід. При цьому не враховується перерозподіл енергії вибуху в масиві гірських порід, обумовлений шаруватістю і тріщинуватістю порід. Характерною особливістю цього перерозподілу є те, що енергія вибуху заряду ВР концентрується максимально в напрямках простягання систем тріщин (їхніх слідів на площадці буріння) і різко знижується під кутом до них. При наявності двох виражених систем низхідних тріщин розподіл енергії і зона руйнування в перерізах блока, що підривається, паралельних верхній площадці, має за розмірами виражені максимуми в напрямках слідів цих систем на площадці буріння та мінімумів між цими напрямками. Внаслідок цього при розміщенні зарядів згідно з наведеним технічним рішенням суміжні (сусідні) свердловинні заряди в ряді і прилеглі заряди в сусідніх рядах можуть опинитися в напрямках максимальної дії заряду. У цьому випадку ступінь руйнування між зазначеними зарядами буде вищим, а усередині фігури, обмеженої цими зарядами, - нижчим. Таким чином, ступінь руйнування усередині фігури, обмеженої зарядами, буде низьким, а по лініях розташування зарядів - високим. Забезпечення необхідного ступеня дроблення в цьому випадку пов'язане зі звуженням сітки свердловин і, як наслідок, приводить до збільшення витрати ВР і об'єму буріння. Задачею винаходу є зменшення витрати ВР і об'єму буріння при вибуховій відбійці тріщинуватих 87643 4 порід внаслідок підвищення рівномірності розподілу енергії вибуху рядів свердловинних зарядів ВР шляхом їх орієнтації відносно тріщин у масиві скельних гірських порід. Задача розв'язується тим, що в способі розташування свердловинних зарядів ВР при відбійці тріщинуватих порід, який включає виділення систем тріщин і визначення орієнтування їхніх слідів на площадці оббурювання, установлення напрямку розташування основних і додаткових або без них рядів свердловинних зарядів і положення зарядів у рядах, виділяють основну і додаткову системи тріщин, а ряди свердловинних зарядів орієнтують відносно основної системи тріщин під кутом jo , що задовольняє умовам æ dд ö æ do ö ± ÷ jод - arcsin ç ± ç а ÷ ³ jo ³ arcsin ç ± 2a ÷ è ø ø è ± де jод - кути між слідами основної та додаткової систем тріщин в позитивному та негативному напрямках відліку, град; dо , dд - відстань між слідами тріщин відповід но в основній і додатковій системах тріщин, м; а - відстань між свердловинними зарядами в рядах. При цьому основний ряд свердловинних зарядів орієнтують у секторах з тупим кутом, утвореним слідами основної та додаткової систем тріщин або в довільних секторах при ортогональному розташуванні систем тріщин, а кут між основним рядом зарядів і основною системою тріщин становить близько ö æd 1 ç д ± ÷ jo = arс ctgç - сtg jод ÷ , ± ÷ ç do sin jод ø è при цьому свердловинні заряди розташовують на перетині основного ряду і додаткового ряду, який перетинає суміжний з тупим кут, причому гострий кут між слідами основної системи тріщин і цим рядом дорівнює близько ö æd 1 ç д ± ÷ j д = - arс ctgç + сtg jод ÷ . ± ÷ ç do sin jод ø è При цьому як основну виділяють систему з найменшою відстанню між слідами тріщин. При цьому як основну вибирають систему тріщин, що збігається по напрямку із шарами порід. При цьому як основну вибирають систему тріщин з найменшим коефіцієнтом передачі енергії вибуху через тріщини. При цьому як додаткову виділяють систему тріщин, яка по орієнтуванню слідів є близькою до ортогональної до основної системи тріщин. Зважаючи на те, що система тріщин є своєрідним хвилеводом при поширенні енергії вибуху в масиві порід, необхідною умовою підвищення рівномірності розподілу енергії вибуху зарядів ВР є зміщення суміжних свердловинних зарядів на середньостатистичну відстань між тріщинами в системі відносно слідів тріщин на площадці блока, що 5 оббурюється. Тому мінімальна величина кута між рядами свердловинних зарядів і напрямком слідів тріщин основної системи тріщин дорівнює d j+ = arcsin o . о min 2a При цьому напрямок рядів не повинен збігатися з напрямком іншого максимуму провідності енергії в напрямку орієнтування додаткової системи тріщин. Тому максимальна величина кута між рядами свердловинних зарядів і напрямком слідів тріщин основної системи тріщин дорівнює dд + + jо mаа = jод - arcsin . 2a У негативному напрямку орієнтування рядів свердловинних зарядів на площадці буріння відносно слідів системи тріщин мінімальна величина кута дорівнює dд jо min = jод + arcsin , град, 2a а максимальна величина кута – d jо mаа = - arcsin о , град. 2a У зазначених секторах орієнтування рядів свердловинні заряди можуть розташовуватися системно і довільно в рядах, паралельних один одному. Однак більш висока ефективність досягається, коли заряди одного ряду не знаходяться у напрямку максимальної дії зарядів другого, суміжного з ним, ряду. Ця умова виконується, наприклад, якщо кут між цими рядами зарядів та слідами основної системи тріщин не перевищує æ dд ö ± ÷ jo = jод - arcsin ç ± ç 2a д ÷ ø è або, навпаки, є більшим від æ dд ö ± ÷, jo = jод + arcsin ç ± ç aд ÷ ø è де a д - відстань між найближчими зарядами в суміжних рядах, м. При системному розташуванні свердловинних зарядів у рядах, тобто на відстанях між зарядами, що постійно або системно змінюються, крім основних рядів, можуть бути виділені додаткові ряди свердловинних зарядів, які перетинають основні ряди в місцях розташування свердловинних зарядів. За зазначених умов розташування свердловинних зарядів напрямки максимальної дії суміжних зарядів не направлені назустріч один одному. У цьому випадку енергія вибуху розподіляється більш рівномірно в об'ємі масиву порід, що підвищує ступінь дроблення і дозволяє розширити сітку свердловин, знизити витрату ВР і зменшити об'єм буріння. Зазначені умови забезпечують формування необмеженої кількості варіантів розташування зарядів. Однак умови оптимальності варіанта можуть істотно обмежувати цю кількість. Важливо, щоб потоки енергії двох суміжних зарядів, які по інтенсивності здатні самостійно, без додаткової 87643 6 енергії іншого потоку, роздрібнити породу, не перетинались, тобто зони руйнування суміжних зарядів не повинні перетинатися. Бажано, щоб не збігалися напрямки максимальної дії не тільки найближчих суміжних між собою зарядів, але й більш віддалених, наприклад розташованих по діагоналі елемента сітки свердловин. Виділимо елемент дроблення породи одним зарядом у вигляді паралелограма з вершинами, розташованими в напрямках максимальних потоків енергії від вибуху заряду, що збігаються з орієнтуванням слідів основної та додаткової систем тріщин. Співвідношення розмірів зони дроблення в різних напрямках визначається густотою тріщин у цих напрямках, властивостями тріщин і кутом падіння хвильової енергії вибуху на площину цих тріщин. При нормальному падінні хвиль на поверхню тріщин у напрямку максимумів поширення енергії вибуху зміну щільності потоку енергії з відстанню від заряду за рахунок відбиття від тріщин можна записати у вигляді r e(r ) = e0L , d де e (r ) - щільність потоку енергії в початковій точці відстані; L - коефіцієнт передачі енергії вибуху через одну тріщину; r - відстань; d - відстань між тріщинами. Тоді, враховуючи рівність щільності потоків енергії на межі зони дроблення порід і, як наслідок, умовно, на контурі виділеного елемента дроблення, одержимо співвідношення напівдіагоналей елемента дроблення у вигляді ro dд = , rд do де rо , rд - напівдіагоналі елемента руйнування одним зарядом відповідно в напрямках основної та додаткової систем тріщин. У цьому випадку сторони паралелограма елемента дроблення порід - будуть зорієнтовані під кутом до слідів основної системи тріщин: одна сторона - під кутом, близьким до æ ö 1 çd ± ÷ j± = arcctg ç о - ctg jод ÷ , 1 ± ç dд sin jод ÷ è ø друга - під кутом, близьким до æd ö 1 ç д ± ÷ j± = -arcctg ç - ctg jод ÷ . 2 ± ç dо sin jод ÷ è ø Розрахунки за наведеними формулами показують, що при переважаючих реальних параметd рах тріщинуватості, коли о змінюється від 2,0 до dд 1,0 і кут між слідами систем тріщин змінюється відповідно від 70° до 90°, кут j1 змінюється в діапазоні приблизно від 30° до 45°, а кут j2 - від -22° до -45°. Варіантів стикування елементів зони руйнування на площадці, що оббурюється, може бути 7 багато. Але природна, найбільш проста - коли сторони однієї зони є продовженням суміжної сторони. У цьому випадку спрощуємо розрахунки та розмітку положення свердловинних зарядів. При цьому кут між основним рядом і слідами основної системи тріщин jo = j1 , а кут між додатковим рядом і слідами основної системи тріщин j д = j2 . Найбільш ефективний розподіл енергії в породному масиві здійснюється у випадку, коли суміжні елементи дроблення зміщаються уздовж однієї сторони на половину довжини цієї сторони. У цьому випадку максимальне значення щільності потоку енергії вибуху заряду одного елемента дроблення суміщаються з мінімальними значеннями щільності потоку енергії вибуху в суміжному елементі дроблення, що приводить до підвищення рівномірності навантаження масиву порід. При зміщенні елемента дроблення уздовж напрямку j2 утворюються два напрямки основних рядів свердловинних зарядів: перший під кутом jo1 до слідів основної системи тріщин при позитивному напрямку відліку в напрямку тупого кута jод , що дорівнює ö æ 4dд jо1 = arcctgç - ctg j2 ÷ , ÷ ç с 2 sin j2 ø è де c 2 = d2 + d2 - 2dдdo cos jод , д o а другий - під кутом ö æ 4dв j02 = arcctgç - ctg j2 ÷ . ÷ ç 3с 2 sin j2 ø è При цьому додаткові ряди розташовуються під кутом j2 . При зміщенні елементів дроблення уздовж напрямку j1 утворюються два раціональних додаткових ряди: перший при позитивному напрямку відліку орієнтований в напрямку тупого кута jод під кутом до слідів основної системи тріщин ö æ 4d0 j д1 = -arcctgç - ctg j1 ÷ , ÷ ç с 3 sin j2 ø è а другий - орієнтований під кутом ö æ 4d0 j д2 = -arcctgç - ctg j1 ÷ . ÷ ç 3с1 sin j2 ø è При цьому основний ряд зарядів орієнтований під кутом j1 . 87643 8 При розташуванні зарядів по зазначених напрямках можливе розширення сітки розташування зарядів відносно квадратної, не орієнтованої по тріщинуватості в середньому на 10-30%. Всі наведені параметри тріщинуватості слід розглядати як статистичні, з відповідними відхиленнями від середніх величин, які можуть досягати 20% і більше. На схемі (Фіг.1) наведені положення граничних кутів відносно напрямків основної й додаткової систем тріщин. Цифрами 1 і 2 позначені свердловинні заряди. Всі наведені кути розташування слід оцінювати як цільові із допустимим відхиленням, величина якого визначається варіацією параметрів тріщин у реальному масиві порід. На Фіг.2 наведено схему розміщення зарядів відносно слідів тріщин на площадці, що оббурюється. На Фіг.3 зображено схему елемента дроблення. На Фіг.4 наведено схему стикування елементів дроблення при зміщенні їх уздовж сторони елемента дроблення, орієнтованої під кутом відносно слідів основної системи тріщин. У натурних умовах по слідах тріщин на відшаруваннях або іншим способом встановлюють елементи залягання основної і додаткової систем тріщин і, відповідно, їхні сліди на площадці оббурювання. На основі параметрів систем тріщин розраховують кути орієнтування основних і додаткових рядів тріщин. Відстані між зарядами встановлюються виходячи з параметрів зарядів, фізикомеханічних властивостей порід і необхідної якості дроблення порід. Орієнтовно вони можуть бути встановлені шляхом перерахування площі елемента дроблення порід по прийнятій на кар'єрі сітці, не орієнтованій відносно тріщин, її збільшення на 10-30 % з подальшим експериментальним уточненням. Отримана сітка розташування свердловинних зарядів по способу, що заявляється, може незадовільно узгоджуватися з контурними лініями блока, що оббурюється. За потреби по контуру бурять додаткові свердловини. Джерела інформації: 1. Репин Н. Я. Подготовка к экскавации вскрышных пород угольных разрезов. - М.: Недра, 1978. - 256с. 2. Пат. №2055303 РФ, МПК 6F42D, 3/04. Способ взрывной отбойки горных пород со слоистой текстурой на карьерах. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 87643 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601