Спосіб моделювання вибухового руйнування гірських порід

Реферат: Винахід належить до гірничої промисловості, а саме до моделювання процесів, які протікають в масиві гірських порід під впливом вибухових навантажень при руйнуванні напружених середовищ. В сталевій циліндричній формі формують модель із еквівалентних матеріалів, яка знаходиться в стиснутому стані, моделюючи напружений масив гірських порід із забоєм виробки та розташовують в центрі моделі елементи врубу, встановлюючи циліндричні вставки починаючи з компенсаційної порожнини, а навкруги компенсаційної порожнини в вершинах вписаного квадрата - вибухові свердловини з розміщенням в них вибухової речовини, та ініціюють заряди вибухової речовини. Винахід дозволяє оцінити якісну картину руйнування моделі та обґрунтувати ефективність роботи зарядів вибухових речовин різної конструкції при формуванні врубової порожнини. Запропонований спосіб та методика проведення досліджень може бути використана для обґрунтування раціональних параметрів зарядів в шпурах та розташування їх в забої при проведенні підготовчої виробки, і тим самим знизити енергетичні витрати під час відбивання гірських порід на глибоких шахтах і рудниках. UA 104707 C2 (12) UA 104707 C2 UA 104707 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до гірничої промисловості, а саме до моделювання процесів, які протікають в масиві гірських порід під впливом вибухових навантажень при руйнуванні напружених середовищ. Відомі способи моделювання на еквівалентних матеріалах вибухового руйнування напруженого середовища формуванням в моделі вибухових порожнин, імітуючи шпурові чи свердловинні заряди, заряджання їх і підривання на вільний простір [1-5]. Найбільш близьким за своєю суттю і досяжним результатом в порівнянні із запропонованим технічним рішенням, вибраним за прототип, є спосіб моделювання вибухового руйнування гірських порід згідно з [6]. Спосіб містить в собі формування моделі гірничого масиву із еквівалентних матеріалів піщано-цементної суміші, розміщення в ній вибухових порожнин, заряджання їх, комутацію вибухової мережі і підривання. Результати вибуху оцінюють по розподілу гранулометричного складу зруйнованої моделі. Однак приведений спосіб має недоліки. При моделюванні вибухового руйнування масиву гірських порід не забезпечується висока достовірність, обґрунтованість і наочність досліджень, а також умов в яких може проводиться виробка, що не дозволяє всебічного вивчення характеру руйнування зразків порід, і як наслідок веде до підвищення хибності і зниження достовірності отриманих результатів руйнування моделі гірського масиву. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу моделювання вибухового руйнування гірських порід в масиві, в якому за рахунок формування в сталевій циліндричній формі моделі із еквівалентних матеріалів, яка знаходиться в стиснутому стані, моделюючи напружений масив гірських порід з забоєм виробки та розташуванням в центрі моделі елементів врубу, встановленням циліндричних вставок починаючи з компенсаційної порожнини, а навкруги компенсаційної порожнини в вершинах вписаного квадрата - вибухових свердловин з розміщенням в них вибухової речовини та ініціювання зарядів ВР, що дозволяє оцінити якісну картину руйнування моделі та обґрунтувати ефективність роботи зарядів ВР різної конструкції при формуванні врубової порожнини, і як наслідок отримати числові значення розподілу гранулометричного складу і знов утвореної поверхні зруйнованої частки моделі, підвищенню точності, обґрунтованості і достовірності отриманих даних при виконанні експериментальних досліджень. Поставлена задача вирішується тим, що в способі моделювання вибухового руйнування гірських порід, який включає, створення піщано-цементної моделі, формуванню в ній вибухових порожнин, заряджанню їх, комутацію вибухової мережі і підриванню, згідно з винаходом, в сталеву циліндричну форму з стискаючою обоймою та однією вільною поверхнею, яка імітує напружений стан гірського масиву, заливають піщано-цементне тісто, далі в центрі моделі формують елементи врубу, розміщуючи циліндричні вставки починаючи з компенсаційної порожнини, а навкруги компенсаційної порожнини по колу радіусом R  (0,3  0,35)dмод в вершинах вписаного квадрата - вибухові свердловини, причому після набору 30 % міцності моделі з неї виймають циліндричні вставки і витримують до максимальної міцності, далі в підготовлені порожнини розміщують вибухову речовину, встановлюють бойовики, гирло порожнини герметизують набійкою, комутують вибухову мережу і підривають з уповільненням на компенсаційну порожнину, при цьому якість дроблення зруйнованої вибухом частки моделі, що імітує напружений гірський масив, оцінюють по діаметру середнього шматка згідно з залежністю: n 45 dсер   w idi i 1 100 , де w i - зміст і-го шматка чи i-ї фракції, %; di - середній розмір і-го шматка чи і -ї фракції, см, а параметр, що характеризує роботоздатність зарядів при формуванні знов утвореної поверхні визначають із співвідношення:   50 n Sн  6 d1c ep i 1  2    C1  d2c ep 2    C2 ...  ... dic ep 2   Ci   , см2,  d 2 де S н - площа знов утвореної поверхні, см ; iсер - середній розмір і-ї фракції, см; Ci  mi / mзаг - частка і-ї фракції в загальній масі зруйнованої вибухом частки моделі; m i - маса і-ї 1 UA 104707 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фракції, г; m заг - загальна маса відбитої вибухом частки моделі, г; R - радіус кола; dмод діаметр моделі. В запропонованому способі моделювання вибухового руйнування гірських порід, ефективність і технічний результат досягається за рахунок підвищення достовірності і обґрунтованості при оцінці результатів руйнування моделі напруженого масиву гірських порід шляхом формування в центрі моделі елементів врубу встановленням циліндричних вставок починаючи з компенсаційної порожнини, а навкруги компенсаційної порожнини в вершинах вписаного квадрата - вибухових свердловин з розміщенням в них вибухової речовини з наступним ініціюванням зарядів ВР, що дозволяє отримати якісну картину руйнування моделі та обґрунтувати ефективність роботи зарядів ВР різної конструкції при формуванні врубової порожнини і числові значення розподілу гранулометричного складу та знов утвореної поверхні зруйнованої частки моделі при виконанні експериментальних досліджень. Суть винаходу пояснюється кресленнями та схемами: Фіг. 1, Фіг. 2 - загальна схема формування моделі в камері; Фіг. 3 - конструкції зарядів для моделювання руйнування твердих середовищ вибухом; Фіг. 4, Фіг. 5 - вид моделі в вибуховій камері до і після вибуху; Фіг. 6 типова залежність складу фракцій дроблення n від їх розміру d при розподілу гранулометричного складу зруйнованої вибухом моделі зарядами ВР різних конструкцій на компенсаційну порожнину, наприклад, діаметром dк.п.=100 мм; Фіг. 7 - типова гістограма розподілу фракційного складу продуктів руйнування n від їх розміру d відбитої вибухом частки моделі зарядами ВР різних конструкцій на компенсаційну порожнину, наприклад, діаметром dк.п.=100 мм. Спосіб моделювання вибухового руйнування гірських порід реалізується у такій послідовності. У лабораторії готують майданчик, де розміщують все обладнання для проведення експериментів. Для формування моделі напружено-деформованого стану гірського масиву готують піщано-цементне тісто в пропорції 1:1 і 0,5 % води. Просіяний пісок змішують з цементом в сухому стані і якісно перемішують з додаванням води. Структурно однорідне піщано-цементне тісто заливають в сталеву форму у вигляді циліндра (1) діаметром 270 мм і висотою 200 мм (Фіг. 1, Фіг. 2). Далі в центрі моделі (2) формують елементи врубу. Спочатку розміщують циліндричну вставку, формуючи компенсаційну порожнину (3) різного діаметра, наприклад, 50, 60 і 100 мм відповідно глибиною 180 мм, а навкруги компенсаційної порожнини по колу радіусом R  (0,3  0,35)dмод (4) (Фіг. 2) в вершинах вписаного квадрата (5) - вибухові порожнини (свердловини, шпури 6) на глибину 170 мм. Після набору 30 % міцності моделі з неї виймають циліндричні вставки і витримують її до максимальної міцності. Після витримки моделі до максимальної міцності згідно з діючими Держстандартами її в сталевій формі (1) з однією вільною поверхнею обтискають стискаючою обоймою (7) і разом встановлюють в вибухову камеру (8). В підготовлених порожнинах (свердловинах, шпурах 6) формують заряди різних конструкцій: 9 - заряд постійного перерізу; 10 - заряд з котловим розширенням в торці; 11 заряд зі сферичною пустотілою вставкою в торці свердловини (шпуру); 12 - заряд ВР в якому по колонці розміщені сферичні пустотілі вставки, що чергуються між собою (Фіг.2, Фіг. 3), розміщуючи в них вибухову речовину (13) з бойовиком (14), а гирло порожнини герметизують набійкою (15, Фіг.2, Фіг. 3). Підготовлені заряди комутують в вибухову мережу (16), з'єднують з вибуховим приладом (17) і підривають з уповільненням на компенсаційну порожнину (3). Для обґрунтування ефективності і вибору найбільш приємної конструкції заряду ВР проводять порівняльну оцінку результатів руйнування моделей зарядами ВР різних конструкцій (Фіг. 3). На Фіг. 4, Фіг. 5 показана модель в вибуховій камері до вибуху і після вибуху. Зруйновану частку моделі (2) відділяють від основної, струшуючи в ємність, і на далі проводять її гранулометричний аналіз по відомих методиках [7]. Для цього використовують набори лабораторних сит з отворами розміром 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 7,0; 10,0; 12,0; 16,0; 20,0; 26,0; 30,0; 40,0; 50,0; 60,0; 70,0; 80,0 мм. Сита встановлюють зверху вниз від великих розмірів до дрібних. Зруйнований матеріал моделі (2) поміщають на верхнє сито і увесь набір струшують впродовж 10 хвилин. Залишок на кожному ситі зважують на технічних вагах з точністю до 0,1 %. Отримані результати заносять в таблиці і обробляють їх, по яких виводять залежності розподілу гранулометричного складу зруйнованої частки моделі (2) від її діаметра для різних конструкцій заряду ВР з використанням додатків до Microsoft Excel. По отриманих даних результатів руйнування частки моделі (2) комплектами врубових зарядів обчислюють діаметр середнього шматка згідно з залежністю: 2 UA 104707 C2 i  w i di i 1 100 , де w i - зміст i/-ї фракції чи і-го шматка, %; di - середній розмір і-го шматка чи і -ї фракції, см. 5 Параметр, що характеризує роботоздатність зарядів при формуванні знов утвореної поверхні, визначають із співвідношення:   n Sн  6 d1c ep i 1  2    C1  d2c ep 2    C2 ...  ... dic ep 2   Ci   , см2,  d 2 де S н - площа знов утвореної поверхні, см ; iсер - середній розмір і -ї фракції, см; Ci  mi / mзаг - частка і - ї фракції в загальній масі зруйнованої вибухом частки моделі; m i - маса і 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -ї фракції, г; m заг - загальна маса відбитої вибухом частки моделі, г. По отриманих результатах були виведені залежності розподілу гранулометричного складу зруйнованої частки моделі різними конструкціями зарядів ВР (Фіг. 6), а також гістограми фракційного складу продуктів руйнування n від їх розміру d відбитої вибухом частки моделі зарядами ВР на компенсаційну порожнину (Фіг. 7). Технологія способу моделювання вибухового руйнування гірських порід в моделі з забоєм виробки виконується таким чином (Фіг. 1,Фіг. 2, Фіг. 3, Фіг. 4, Фіг. 5, Фіг. 6, Фіг. 7). Перед проведенням експериментальних досліджень готують все обладнання і матеріали. Потім підготовлену модель (2) в сталевій формі (1) з стискаючою обоймою (7) та однією вільною поверхнею, яка імітує напружений стан гірського масиву, встановлюють в вибухову камеру (8). В підготовлених вибухових порожнинах (6) формують заряди ВР різних конструкцій, розміщенням в патронах вибухової речовини (13) з бойовиком (14), а гирло порожнини герметизують набійкою (15) із кварцового піску діаметром фракції 0,25 мм. Заряди комутують попарно, підключають до мережі (16) з вибуховим приладом (17) і підривають з уповільненням на компенсаційну порожнину (3). Зруйновану частку моделі (2) відділяють від основної і проводять її гранулометричний аналіз. Для цього використовують набори лабораторних сит з отворами розміром 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 7,0; 10,0; 12,0; 16,0; 20,0; 26,0; 30,0; 40,0; 50,0; 60,0; 70,0; 80,0 мм. Сита встановлюють зверху вниз від великих розмірів до дрібних. Зруйнований матеріал моделі (2) поміщають на верхнє сито і увесь набір струшують впродовж 10 хвилин. Залишок на кожному ситі зважують на технічних вагах з точністю до 0,1 %. Отримані результати заносять в таблиці і обробляють їх, по яких виводять залежності розподілу гранулометричного складу зруйнованої частки моделі (2) від її діаметра для різних конструкцій заряду ВР (Фіг. 3) з використанням додатків до Microsoft Excel. Використання розробленого способу моделювання вибухового руйнування гірських порід дозволить одержати достовірні і обґрунтовані дані при руйнуванні моделі напруженого масиву гірських порід комплектом врубових зарядів ВР різної конструкції на компенсаційну порожнину. Запропонований спосіб та методика проведення досліджень можуть бути використані для обґрунтування раціональних параметрів зарядів в шпурах та розташування їх в забої при проведенні підготовчої виробки, і тим самим знизити енергетичні витрати під час відбивання гірських порід на глибоких шахтах і рудниках. Джерела інформації: 1. Друкованый М.Ф. Методы управления взрывом на карьерах / М.Ф. Друкованый.- М.: Недра, 1973. - С.310-315 2. Моделирование разрушающего действия взрыва в горных породах / В.М. Комир, Л.М. Гейман, B.C. Кравцов, Н.И. Мячина. - М.: Наука, 1972. - 214 с. 3. Ванягин И.Ф. Физическое моделирование действия взрыва и процесса разрушения горных пород взрывом / И.Ф. Ванягин, В.А. Боровиков. - Л.: Изд. ЛГИ, 1984.-108 с. 4. Лабораторные и практические работы по разрушению горных пород взрывом. Учеб. пособие для вузов / Б.Н. Кутузов, В.И. Комащенко, В.Ф. Носков и др. - М.: Недра, 1981.-255 с. 5. А.С. СССР № 1491106, МКИ F42D 3/00; Заявл. 04.05.87. 6. А.С. СССР № 1549269, МКИ F42D 3/04. Способ моделирования взрывного разрушения горной породы /В.Я. Чертков, С.Н. Азовцев, Ю.А. Мыздриков и др. - Заявл. № 4309317/23-03 от 05.08.87. - ДСП. 7. Барон Л.И. Кусковатость и методы ее измерения / Л.И. Барон. - М.: Изд-во АН СССР, 1960.-124 с. 3 UA 104707 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Спосіб моделювання вибухового руйнування гірських порід, який включає створення піщаноцементної моделі, формування в ній вибухових порожнин, заряджання їх, комутацію вибухової мережі і підривання, який відрізняється тим, що в сталеву циліндричну форму з стискаючою обоймою та однією вільною поверхнею, яка імітує напружений стан гірського масиву, заливають піщано-цементне тісто, далі в центрі моделі формують елементи врубу, розміщуючи циліндричні вставки починаючи з компенсаційної порожнини, а навкруги компенсаційної порожнини по колу радіусом: R  (0,3  0,35)dмод , де dмод - діаметр моделі, в вершинах вписаного квадрата - вибухові свердловини, причому після набору 30 % міцності моделі з неї виймають циліндричні вставки і витримують до максимальної міцності, далі в підготовлені порожнини розміщують вибухову речовину, встановлюють бойовики, гирло порожнини герметизують набійкою, комутують вибухову мережу і підривають з уповільненням на компенсаційну порожнину, при цьому якість дроблення зруйнованої вибухом частки моделі, що імітує напружений гірський масив, оцінюють по діаметру середнього шматка згідно з залежністю: n d сер  20 w d i i 1 100 i ; де w i - зміст i -ї фракції чи i -го шматка, %; di - середній розмір i -ї фракції чи i -го шматка, см; а параметр, що характеризує роботоздатність зарядів при формуванні знов утвореної поверхні, визначають із співвідношення:       n  2 2 2 S н  6 d1cep  C1  d 2cep  C2 ...  ... d icep  Ci  , см2,  i 1  2 де Sн - площа знов утвореної поверхні, cм ; d iсер - середній розмір i -ї фракції, см; 25 Ci  mi / mзаг - частка i -ї фракції в загальній масі зруйнованої вибухом частки моделі; m i - маса i -ї фракції, г; mзаг загальна маса відбитої 4 вибухом частки моделі, г. UA 104707 C2 5 UA 104707 C2 6 UA 104707 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7