Спосіб відбивання гірських порід при проходці верт икальних стволів

Изобретение относится в области горного дела и может быть использовано для взрывной отбойки горных пород при проходке новых и углубке дейставующи х стволов в ша хтном и подземном строительстве. Известен способ отбойки горных пород при проходке вертикальных стволов, включающий бурение вертикальных скважин по концентрическим окружностям, заряжание их взрывчатым веществом (ВВ) и взрывание [Зинченко П.Г., Баронский И.В., Соколов Е.С. Углубка ствола со скоростью 106,5 м/мес. Шахтное строительство, 1978, Г* 7. -С.21-24]. В известном способе отбойку породы производят скваженными зарядами на восстающий, который играет роль компенсационной камеры. Восстающий проходят по оси ствола с нижележащего горизонта, который предварительно вскрывают одной или несколькими горнокапитальными выработками. На нижележащем горизонте производят также выпуск отбитой породы из выработанного пространства и погрузку ее в транспортные средства. Бурение и заряжание скважин производят из кольцевых буровых камер, пройденных из восстающего на некотором расстоянии друг от друга. Недостатками известного способа являются: необходимость в предварительном вскрытии нижележащего горизонта и проходки восстающего; низкое качество оконтуривания ствола, что приводит к большим затратам на доработку сечения до проектных значений и возведение крепи; высокая себестоимость проходки им ствола. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ отбойки горных пород при проходке вертикальных стволов, включающий бурение вертикальных скважин по концентрическим окружностям, заполнение их инертным сыпучим материалом с последующим удалением его из скважин секциями, заряжание секций ВВ и взрывание [Детистов Й.Е. Исследование способа ярусного взрывания скважин при проходке стволов шахт. Трубы УкрНИИОМШСа, вып. X, 1959, - С.71-84]. В известном способе отбойку породы производят посекционно в направлении сверху вниз, отпадает необходимость в предварительном вскрытии нижележащего горизонта и проходки с него в пределах сечения ствола восстающего, отбитую породу гр узят в бадьи и выдают на земную поверхность или вышележащий горизонт. Отбойка породы с помощью секционного взрывания скважин имеет ряд преимуществ перед мелкошпуровой, которая находит наиболее широкое применение при проходке вертикальных стволов: уменьшаются удельный вес подготовительно-заключительных операций и затраты на зачистку забоя ствола; увеличивается энерговооруженность и производительность труда рабочих при бурении зарядных полостей; улучшаются санитарно-гигиенические условия труда; повышается коэффициент использования зарядных полостей - при мелкошпуровой отбойке породы коэффициент использования шпуров составляет порядка 0,85, в то время как при секционной скважинной отбойке коэффициент использования скважин (по всей глубине скважин) близок к единице. Недостатками известного способа являются: низкое качество оконтуривания ствола - наличие переборов и недоборов сечения, нарушаемость законтурного массива трещинами, что приводит к большим затратам на доведение сечения ствола до проектных размеров, приведение призабойного участка ствола в безопасное состояние (оборку заколов и пр.) и возведение крепи; низкий выход горной массы с 1 м скважин; высокая себестоимость проходки 1 м ствола. Основными причинами низкого качества оконтуривания ствола в известном способе является: увеличенный диаметр зарядных полостей (скважин), с помощью которых производится оконтуривание ствола, положение их (проектное) относительно контура ствола (внутри сечения ствола на расстоянии порядка 4-5 диаметров скважин от его контура), относительно высокая объемная концентрация энергии взрыва в скважинах. В основу изобретения поставлена задача создания способа отбойки горных пород при проходке вертикальных стволов, позволяющего уменьшить переборы сечения ствола за счет обеспечения возможности переноса границ зон разрушения секционных скважинных зарядов во вн утрь проектного сечения ствола, оконтуривания последнего с помощью шпуровых зарядов, а также повысить выход горной массы с 1 м скважин путем расширения сетки скважин за счет предварительного ослабления массива и перераспределения энергии взрыва по длине секций. Поставленная задача решается тем, что в известном способе отбойки горных пород при проходке вертикальных стволов, включающем бурение вертикальных скважин по концентрическим окружностям, заполнение их инертным сыпучим материалом с последующим удалением его из скважин секциями, заряжание секций ВВ и взрывание, периферийные скважины выбуривают на расстоянии 6-12 их диаметров от контура ствола и 12-16 диаметров между собой. Кроме того, перед заложением каждой скважины инертным сыпучим материалом с помощью вспомогательного рассредоточенного заряда, помещаемого в скважину, производят наводку трещин в массиве на участках горизонтальных плоскостей отрыва породы секционными зарядами ВВ. Причем вспомогательные заряды периферийных скважин взрывают одновременно, а в период посекционной отбойки породы по контуру ствола выбуривают оконтуривающие шп уры, которые заряжают ВВ и взрывают в один прием с секциями скважин. На фиг.1 представлен вертикальный разрез по призабойной части ствола и зарядным полостям при взрывании 1-й заходки; на фиг.2 - схема расположения зарядных полостей в забое ствола, фронтальная проекция, Работы при реализации предлагаемого способа выполняют в два этапа. На первом этапе: на проектную глубин у выбуривают скважины 1; наводят трещины 2 в массиве на участках горизонтальных плоскостей 3 отрыва породы с помощью вспомогательных рассредоточенных зарядов, помещаемых в скважины 1; заполняют скважины 1 инертным сыпучим материалом 4. На втором этапе производят отбойку породы заходками с помощью секционных и шпуровых зарядов. При этом в каждой заходке: из скважин 1 на высоту секций 5 удаляют инертный сыпучий материал 4; выбуривают оконтуривающие шп уры 6; заряжают секции 5 скважин 1 и шпуры 6 взрывчатым веществом 7; производят забойку секций скважин и шпуров, монтаж взрывной сети и взрывание зарядов ВВ. После проветривания ствола, уборки отбитой породы и возведения крепи приступают к производству работ в следующей заходке. В предлагаемом способе диаметр и глубину скважин принимают соответственно в пределах 50-110 мм и 10-30 м - в зависимости от типа буровых машин и точности бурения. Для бурения скважин используют буровые установки, созданные на базе станков пневмоударного бурения, тяжелых колонковых перфораторов, други х буровых машин. В качестве В В для формирования вспомогательных и основных зарядов применяют спецпатроны ВВ соответствующего диаметра (для скважин диаметром 70-75 мм - спецпатроны диаметром 60 мм, для скважин диаметром 100-105 мм - 90 мм). Вместо патронов ВВ увеличенного диаметра могут быть использованы связки патронов порошкообразных или прессованных В В диаметром 32-36 мм. Кроме того, для формирования секционных зарядов могут использоваться и непатронированные ВВ. Высоту секций скважин и глубину оконтуривающих шпуров принимают в пределах 0,3-0,5 диаметра ствола в проходке. В случая х, когда в качестве постоянной крепи используется монолитная бетонная крепь, возводимая с помощью призабойной подвесной опалубки, высоту секций и глубину шпуров принимают 6 учетом высоты опалубки. Длину частей вспомогательных рассредоточенных зарядов принимают в пределах 5-10 диаметров скважин. При размещении вспомогательного заряда в скважине нижние торцы его частей располагают на уровне горизонтальных плоскостей 3 отрыва породы секционными зарядами, а части вспомогательного заряда соединяют детонирующим шп уром (ДШ). Улучшение качества оконтуривания ствола в предлагаемом способе обеспечивается в первую очередь за счет увеличения расстояния периферийных скважин от проектного контура ствола до величин, при которых исключается образование переборов сечения ствола и интенсивное трещинообразование в законтурном массиве под действием взрыва секционных зарядов, и оконтуривания ствола с помощью шпуровых зарядов. Кроме того, для уменьшения нарушенности законтурного массива трещинами периферийные скважины располагают на уменьшенном расстоянии друг от друга и производят взрывание вспомогательных зарядов, помещаемых в ни х, одновременно, что обеспечивает зарождение трещин по линии расположения периферийных скважин. В дальнейшем, при взрывании секционных зарядов, происходит усиленное развитие трещин по линии периферийных скважин и значительно уменьшается их распространение в законтурный массив. Взрывание вспомогательных зарядов в скважинах внутренних окружностей предусматривается таким образом, чтобы исключить взаимодействие вспомогательных зарядов. Поэтому в случае одновременного взрывания вспомогательных зарядов расстояние между скважинами, в которых производится одновременное взрывание этих зарядов, должно быть не менее 25-30 диаметров скважин. В этих условиях зоны разрушения имеют осевую симметрию, радиальные трещины равномерно распределяются по окружности скважины на участке, непосредственно прилегающем к линии открыва породы секционными зарядами. Предварительное наведение трещин в массиве является одним из эффективных методов управления энергией взрыва, обеспечивающим повышение КПД взрыва, улучшения качества дробления, расширения сетки зарядных полостей, повышения коэффициента их использования. Источником взрывной волны при взрыве заряда в зарядной полости, окружной ранее образовавшейся зоной радиальных трещин, является совокупность зарядной полости и указанной зоны разрушения. Так как радиус зоны радиальных трещин больше радиуса зарядной полости, окружающий массив оказывается подверженным более интенсивному квазистатическому воздействию взрыва. Поэтому при взрыве секционных зарядов в предлагаемом способе обеспечивается усиление действия взрыва на участке, прилегающем к плоскости отрыва, где обычно имеют место наиболее неблагоприятные условия работы заряда. Дополнительно к этому, на участке наведенных трещин происходит более интенсивное расширение зарядной полости, в результанте чего по длине последней возникает градиент давления продуктов взрыва, что обеспечивает перераспределение энергии взрыва по длине секции скважины, дополнительном усилении действия взрыва в месте наведения трещин. Все это создает условия для расширения сетки скважин, увеличения выхода горной массы с 1 м скважин, уменьшения удельного расхода ВВ, снижения себестоимости проходки 1 м ствола. Пример реализации предлагаемого технического решения в конкретных условиях. Вертикальный ствол круглой формы сечения диаметром в проходке 8,1 м (площадь поперечного сечения в проходке 51,5 м) проходят по породам с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова f = 11-12, Породы средней трещиноватости, слабо обводненные. Крепь ствола - монолитный бетон толщиной 300 мм. Крепь возводится с помощью призабойной подвесной опалубки высотой 3 м. Для приведенных выше усло вий предлагаемый способ реализуется следующим образом. Для секционной отбойки породы принимаем скважины диаметром 105 мм, выбуриваемые буровыми установками УБС, созданными на базе бурового станка НКР -100М для бурения цементационных скважин из забоя ствола. Для оконтуривания ствола предусматриваем использование шпуров диаметром 42 мм, выбуриваемых стволовой буровой установкой СМБУ - 4. В качестве ВВ для формирования вспомогательных и основных зарядов в скважинах принимаем аммонал скальный № 3 в патронах диаметром 90 мм (масса патрона ВВ 3 кг, коэффициент работоспособности ВВ0,8, средняя плотность ВВ 1-1,05 г/см 3). Для заряжания оконтуривающих шп уров применяем аммонал скальный № 3 в патронах диаметром 36 мм (масса патрона В В 0,25 кг). Учитывая, что возведение постоянной крепи при проходке ствола производится с помощью призабойной подвесной опалубки высотой 3 м, величину подвигания забоая за один взрыв принимаем также равной 3 м, Глубину зарядных полостей - секций скважин и оконтуривающи х шпуров - определяем по формуле Ісек = l yx/h , М, (1) где I ух - величина подвигания забоя ствола за один взрыв, м; η - коэффициент использования зарядных полостей (секций скважин и шпуров), при проходке стволов величина которого обычно составляет η = 0,85-0,9. Принимая η = 0,87, по формуле (1), получим Ісек =3,5 м. Количество скважин, параметры их расположения в забое ствола и массу зарядов в предлагаемом способе определяем на основе этих параметролв для известного способа секционной отбойки пород, а также мелкошпурового способа отбойки, для которых эти параметры рассчитываем по удельному расходу ВВ. Причем исходим из того, что общий удельный расход ВВ в предлагаемом способе (с учетом наведения трещин в массиве) такой же, как и в известных способах. Одинаковыми принимаем и значения коэффициента использования зарядных полостей. В известном способе отбойки породы секционными зарядами ориентировочно общую массу зарядов на заходку определяем по формуле Qобщ = qSnplceK η , кг, (2) где q - удельныйй рахсод ВВ, кг/м ; Snp - площадь сечения ствола в проходке, м . Удельный расход ВВ принимаем по литературным источникам. Для площади сечения ствола более 40 м 2 и пород с f = 10-14 удельный расход ВВ с коэффициентом работоспособности е = 0,8 составляет 1,95 кг/м 3 [Справочник взрывника/ Кутузов Б.Н. и др. - М., Недра, 1988. - С.372]. Подставляя значения qt Snp, Ісек , η в формулу (2), получим Qобщ = 306 кг. Окончательно общую массу принимаем при распределении зарядов ВВ по окружности. Количество скважин определяем по формуле Q общ N= Q1ср (3) где Q1с р - средняя масса одного секционного заряда, кг; Q1cр = Іс ек k3Р, (4) k3 - средний коэффициент заряжания секций; Ρ - линейная масса секционных зарядов ВВ, кг/м. p d3 P= D BB 4 d3 - диаметр заряда, м; ΔBB - плотность В В в заряде, кг/м . При средней плотности В В ΔBB = 1025 кг/м 3 и диаметре зарядов оз = 0,09 м линейная масса заряда В В Ρ = 6,5 кг/м. Для диаметра ствола в проходке 8,1 м, диаметра заряда 0,09 м и f = 10-14 коэффициент заряжания принимаем k3 = 0,4. В этом случае по формуле (4) получим Q1cp = 9,1 кг. По формуле (3) имеем N = 34. Скважины расппределяем по трем концентрическим окружностям. Параметры расположения и масса секционных зарядов для известного способа секционной отбойки пород приведены в табл.1. В предлагаемом способе ориентировочно общая масса заряда В В, которая расходуется на одну, заходку, остается на том же уровне, что и в известном способе. При этом часть ВВ идет на формирование вспомогательных зарядов для наведения трещин в массиве, другая - для формирования секционных зарядов, третья - для заряжания оконтуривающи х шпуров. В предлагаемом способе диаметр окружности периферийных скважин принимаем 6,6 м. Для наведения трещин в каждой секции скважины используем один патрон В В диаметром 90 мм. Диаметр окружности расположения устьев оконтуривающих шп уров принимаем 7,5 м. Количество оконтуривающи х шп уров 36, масса одного шпурового заряда 2,5 кг. Суммарная масса ВВ, расходуемого для наведения трещин в массиве и формирования секционных зарядов (в пределах одной заходки) составит Qсум = Q. общ - NшпQ 1шп = 306,0 -36-2,5 = 216 кг. (Здесь Nшп - количество оконтуривающи х шпуров, Q 1шп - масса заряда оконтуриваю-щего шп ура, кг). Принимая среднюю массу одного секционного заряда такой же, как и в известном способе Q1cp = 9,1 кг и массу ВВ одной части вспомогательного заряда для наведения трещин Q1тр = 3,0 кг, рассчитаем количество скважин Q су м 216,0 N= = @ 18. Q1тр + Q 1ср 3,0 + 9,1 Диаметр врубовой окружности принимаем 2,2м, количество врубовых скважин -3, количество окружностей, на которых расположены скважины - 3. Принимаем диаметр второй окружности расположения скважин 4,3 м и распределяем оставшиеся 15 скважин по двум окружностям пропорционально их диаметрам, что соответственно дает 6 и 9 скважин. Однако в этом случае расстояние между скважинами периферийной окружности оказывается больше, чем рекомендуется в предлагаемом способе, поэтому увеличиваем количество периферийных скважин до 12 при соответствующем уменьшении массы одного заряда ВВ этой группы. Параметры расположения и масса зарядов В В приведены в табл.2. С учетом глубины заходок, величины подвигания забоя ствола за один взрыв, отклонения скважин и возможностей принятой буровой установки принимаем глубину скважин 24,5 м. При этом участок ствола длиной 24 м будет проходиться за 8 взрывов. Фронтальная проекция схемы расположения скважин и шпуров и разрез по зарядным полостям на период, непосредственно предшествующий взрыванию зарядов в первой заходке. при проходке ствола с использованием предлагаемого способа отбойки породы в рассматриваемых условиях приведена на фиг.1 и 2. В скважинах третьей (периферийной окружности для обеспечения направленного зарождения трещин при взрыве вспомогательных зарядов, взрывание последних предусматривается производить одновременно группами по 3-4 заряда, располагаемых в соседних скважинах, В скважинах первой (врубовой) и второй окружностей одновременно взрываем вспомогательные заряды, располагаемые на расстоянии друг от друга не менее 25-30 диаметров скважин. Для заполнения скважин после наведения трещин в массиве принимаем среднезернистый песок без значительных примесей глинистых частиц. Удаление песка из скважин перед заряжанием секций скважин предусматриваем с помощью сжатого воздуха. Взрывание секционных и шпуровы х зарядов ВВ для отбойки породы производим с помощью электродетонаторов. Очередность взрывания зарядов - от центра забоя к периферии. Предлагаемый способ обеспечивает і высокое качество оконтуривания ствола. При его использовании отпадает необходимость доведения сечения ствола до проектных размеров перед возведением крепи, уменьшается расход бетонной смеси, атак-I же трудозатрат на возведение крепи и оборку заколов. Это позволяет значительно снизить удельные затраты на проходку ствола. Кроме того, за счет наведения трещин а массиве представляется возможность уменьшить количество скважин, что обеспечивает увеличение выхода горной массы с 1 м скважин и снижение удельных затрат на проходку ствола. Так, например, при секционной отбойке породы без наведения трещин в массиве (но при оконтуривании ствола с помощью шпуровых зарядов) общее количество скважин в рассматриваемых условиях достигает 24, в то время как в предлагаемом способе их количество составляет 21. (Причем в предлагаемом способе для улучшения качества оконтуривания ствола было добавлено 3 скважины). Расстояние периферийных скважин от проектного контура ствола определены из расчета, что зоны разрушения, образующиеся в тыльной части массива при взрыве секционных зарядов, сформированных в этих скважинах, не должны выходить за пределы контура ствола. Развитие воронки взрыва секционного заряда в нижнюю часть массива происходит на весьма незначительную глубину (не более 2-3 диаметров зарядной полости). На значительно большую глубину в направлении контура ствола развивается зона трещинообразования. Поэтому рассматриваемый параметр выбираем с учетом только радиуса этой зоны разрушения Интенсивность развития трещин в законтурном массиве при производстве взрывных работ предопределяет удельные затраты на отбойку заколов в призабойном участке ствола, а также уровень травматизма горнорабочих при выполнении операций проходческого цикла. Кроме того, от степени нарушенности законтурного массива трещинами зависит величина переборов сечения: за счет ближнесейсмического действия взрыва происходит дальнейший рост трещин в массиве, образование и отделение от массива заколов, значительный обьем заколов также принудительно обрушают при приведении забоя ствола в безопасное состояние. Можно с достаточным основанием утверждать, что эти факторы оказывают влияние на величину перебора сечения значительно больше, чем нарушаемость законтурного массива воронками взрыва. Известно, что радиус зоны трещинообразования зависит от диаметра зарядной полости, физикомеханических характеристик пород, характеристик ВВ, плотности заряжания и некоторых други х факторов. При прочих одинаковых факторах глубина развития трещин в тыльную часть массива при взрыве заряда зависит от величины линии наименьшего сопротивления (ЛНС): с увеличением ЛНС она возрастает, наибольшее развитие трещин в направлении контура ствола имеет место на участке секции скважины, расположенном глубже линии отрыва породы (в так называемом "перебуре"). На этом участке отсутствует влияние свободной поверхности, зоны разрушения имеют осевую симметрию и радиальные трещины развиваются в различных направлениях практически на одинаковые расстояния (в однородных породах). Поэтому для определения расстояния периферийных скважин можно воспользоваться данными литературных источников по действию в массиве камуфлетных зарядов. Согласно данным проф. Ханукаева А.И. [Ханукаев А.И. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом. - М.: Недра, 1974. - С.33], в крепких породах (f = 9-14) радиус зоны интенсивного трещинообразования составляет 7,5-10 диаметров заряда. С уменьшением крепости пород радиус зоны разрушения увеличивается, а в весьма крепких породах (f = 14-20) он составляет всего 4-5 диаметров заряда. В соответствии с этим для диаметра заряда 60 мм (диаметр скважин 75 мм) в крепких и весьма крепких породах радиусы зон трещинообра-зования составляют соответственно порядка 0,45-0,6 м и 0,25-0,3 м; а для диаметра зарядов 90 мм (диаметр скважин 105 мм) - порядка 0,7-0,9 м и 0,35-0,45 м. С другой стороны, рассматриваемый параметр способа должен обеспечивать рациональное использование оконтуривающи х шпуров. При использовании шпуров диаметром 42-43 мм (который получил наиболее широкое применение при проходке вертикальных стволов, а также других выработок) величина ЛНС оконтуривающих шпуров в крепких и весьма крепких породах обычно составляет 0,6-0,9 м. (При использовании шпуров диаметром 52-53 мм величину ЛНС оконтуривающих можно увеличить в рассматриваемых условиях до 0,8-1,2 м). Поэтому для защиты законтурного массива от трещин, распространяющихся в массиве при взрыве секционных зарядов ВВ и рационального использования оконтуривающи х шпуров, расстояние периферийных скважин до проектного контура ствола должно быть порядка 0,6-0,9 м, что при диаметре скважин dc = 75 мм составляет (8-12)dc и при dc = 105 мм - (6-8,5)dc. Таким образом, расстояние периферийных скважин от контура ствола в предлагаемом способе должно быть порядка 6-12 диаметров скважин. Следует отметить, что указанная выше величина развития трещин в законтурный массив имеет место на весьма ограниченном по высоте участка ствола - в "перебуре" секций скважин. Выше "перебура" глубина нарушаемое массива за счет влияния свободной поверхности значительно уменьшится, на участке, где производилось наведение трещин в массиве и по линии периферийных скважин произошло зарождение магистральной трещины, нарушения законтурного массива будут минимальными. Для определения расстояния между периферийными скважинами можно воспользоваться опытом применения контурного взрывания [Лангефорс У., Кильстрен Б. Современная техника взрывной отбойки горных пород. - М.: Недра, 1968. - С.149-252, табл,45]. При применении контурного взрывания с предарительным щелеобразованием расстояния между зарядными полостями, с помощью которых производится оконту-ривание выработки, рекомендуется принимать в пределах от 8 до 12 диаметров зарядной полости. Учитывая, что применительно к предлагаемому способу нет необходимости создания между скважинами сплошной щели, что связано со значительными затратами прежде всего на буровые работы, расстояние между периферийными скважинами должно быть несколько больше, чем рекомендуется для предварительного щелеобразования, и составлять порядка 12-16 диаметров скважин. Высота секций скважин является важным параметром способа. С увеличением этого параметра уменьшается удельный вес подготовительно-заключительных операций горнопроходческих работ, а также объема работ по зачистке забоя ствола. Однако с увеличением высоты секций на определенном этапе резко снижается эффективность отбойки породы. Для выбора высоты секций скважин проанализируем условия отбойки породы в забое ствола. При применении предлагаемого способа врубовая полость, которая образуется в результате взрыва секционных зарядов врубовой (первой) окружности скважин, формируется за счет отрыва породы в сторону плоскости забоя ствола. Следовательно, в предлагаемом способе используется вруб, который относится к группе отрывающих, эффективность которых зависит от отношения глубины зарядных полостей к поперечным размерам выработки. Анализ опыта применения отрывающих вр убов показывает, что для обеспечения эффективной отбойки горной породы I/Dnp не должно превышать 1/2. Поэтому в предлагаемом способе рекомендуется принимать высоту секций скважин с учетом высоты опалубки и в пределах 0,3-0,5 диаметра ствола в проходке. В предлагаемом способе предварительная наводка трещин в массиве предусматривается только на ограниченных участках скважин, расположенных непосредственно у плоскости отрыва породы секционными зарядами. Это обусловлено стремлением обеспечить рациональное, используемое ВВ для формирования вспомогательных зарядов, а также уменьшение ударовоздушного и сейсмического действия взрыва при наведении трещин. Предлагаемый способ предусматривается применять прежде всего при проходке (углубке) стволов сверху вниз сплошным забоем, однако он может быть также использован и при проходке (углубке) стволов с расширением восстающего с перепуском отбитой породы на нижележащий горизонт.