Спосіб дробіння гірничих порід вибухом

29862 Винахід відноситься до гірничої промисловості і може використовуватись для відбою і дробіння гірничих порід вибухом на кар'єрах. Найбільш близьким технічним рішенням, обраним як прототип, є спосіб дробіння гірничих порід вибухом, який включає розділення уступу на ділянки, буріння рядів свердловин, розміщення в них зарядів дробіння і зарядів рихлення по периметру блока, висаджування зарядів рихлення до вибуху зарядів дробіння. Відстань зарядів рихлення в останньому ряді від бокової вільної поверхні уступу залежить від числа рядів свердловин і паспортного значення відстаней між рядами для даної породи, прийнятої на даному руднику. Ця відстань не є оптимальною, внаслідок чого "екран" створюється тільки спряженням зон утворення тріщин зарядів рихлення останнього ряду свердловин, у яких розвиваються переважно радіальні тріщини, частина яких має напрямок, перпендикулярний до площини "екрана", і не може відбивати хвилю напруження стиснення від зарядів дробіння, внаслідок чого його загальна відбивна здатність зменшується. Відстань між свердловинами зарядів рихлення визначається за паспортними даними, прийнятими на руднику для конкретної породи (Є.Г. Баранов, В.І. Мосинець. Метод вибуху з попереднім окунтурюванням зруйнуванням масиву // Гірничий журнал: Надра. – 1964. - № 7. - С. 30). Недоліками відомого способу є недостатня якість дробіння гірничої породи всередині блока зі значними витратами на буро-підривні роботи у зв'язку з тим, що відстань зарядів рихлення в останньому ряду від бокової вільної поверхні уступу залежить від числа рядів свердловини і паспортного значення відстаней між рядами для даної породи, прийнятої на даному руднику. Таке розміщення зарядів рихлення призводить до малої відбивної здатності "екрана" (на більше як 20%) енергії хвилі, створеної зарядами рихлення останнього ряду свердловин, пробурених на неоптимальній відстані від вільної бокової поверхні уступу. А також відстань між свердловинами зарядів рихлення, розміщених по периметру блока, визначена за паспортними даними, прийнятими на руднику для конкретної породи, призводить до появи шару розрихленої породи з меншою, ніж у масиві, акус- тичною жорсткістю ("екран"), від якого частково відбиваються хвилі напруження зарядів дробіння останніх рядів свердловин, які, в свою чергу, допомагають дробінню породи всередині блока, але він є недостатнім для заданої якості дробіння породи всередині блока з невеликими витратами на буро-підривні роботи. Причинами, які перешкоджають одержанню прототипом технічного результату запропонованого винаходу, є: - залежність розміщення зарядів рихлення в останньому ряді від бокової вільної поверхні уступу від числа рядів свердловин і паспортного значення відстаней між рядами для даної породи, у зв'язку з цим таке розміщення призводить до малої відбивної спроможності "екрана" (не більше, як 20%) енергії хвилі, створеної зарядами рихлення останнього ряду свердловин, пробурених на неоптимальній відстані від вільної бокової поверхні уступу, що сприяє зниженню якості дробіння гірничої породи всередині блока, а також збільшенню витрат на буро-підривні роботи; - залежність розміщення свердловин зарядів рихлення по периметру блока від паспортних даних, прийнятих на руднику для конкретної породи, викликає недостатню взаємодію хвиль напруження, створених зарядами рихлення, розміщених по периметру блока, що не забезпечує необхідну відбивну спроможність "екрана", знижуючи при цьому якість дробіння всередині блока, а це змушує збільшувати витрати на буро-підривні роботи для досягнення необхідної якості дробіння. Задачею винаходу є розробка способу дробіння гірничих порід вибухом, у якому шляхом збільшення відбивної спроможності "екрана", утворюваної по периметру підривного блоку за рахунок здібності утворення додаткової системи тріщин в екрануючому шарі, орієнтованих паралельно поверхні "екрана", використовуючи суперпозицію прямої і відбивної хвилі розтягування в екрануючому шарі, досягають збільшення якості дробіння гірничої породи всередині блока із зменшенням витрат на буро-підривні роботи. Поставлене завдання досягається тим, що у способі дробіння гірничих порід вибухом, який включає розділення уступу на ділянки, буріння ря- дів свердловин, розміщення в них зарядів дробін- ня і зарядів рихлення по периметру блока, вибух зарядів рихлення до вибуху зарядів дробіння, згід- но з винаходом, свердловини останнього ряду за- рядів рихлення бурять на оптимальній відстані від бокової вільної поверхні уступу, яка дорівнює по- ловині довжини фази стиску хвилі напруження, знайденої за формулою: Wопт.р = 1 2 Сп × L p K rвв × L p × g вв , r з × l p + r вв × L p де W опт.р - оптимальна відстань свердловин останнього ряду зарядів рихлення від бокової вільної поверхні уступу, м; Сп - швидкість подовжньої звукової хвилі у породі, м/с; Lp - довжина заряду рихлення, м; К - коефіцієнт, який змінюється у межах 0,4¸0,5 м і збільшується з ростом міцності порід; rвв - насипна густина вибухової речовини, кг/дм3; gвв - питома потенціальна енергія вибухової речовини, дж/кг; rз - насипна густина матеріалу забою, кг/дм3; lp - довжина забою у свердловинах зарядів рихлення, м, 29862 при цьому відстань між свердловинами зарядів рихлення, розміщених по периметру блока, визначають за формулою: a p = 0, 5 × 2 p × r вв × L p × dp qp × Hуст. , де ар - відстань між свердловинами зарядів рихлення, м; dp - діаметр свердловини зарядів рихлення, м; rвв - насипна густина вибухової речовини, кг/дм3; Lp - довжина заряду рихлення, м; qp - питомі витрати рихлення, які дорівнюють 1/3 табличних питомих витрат нормального викиду для даної породи, кг/м3; Hуст. - висота уступу, м. Відомо, що хвиля напруження стиску, яка генерується вибухом заряду, при відбиванні від вільної поверхні трансформується у хвилю розтягування. Якщо розмістити заряд на відстані, що дорівнює половині позитивної фази хвилі напруження, то відбивна і пряма фази розтягування хвилі напруження збіжаться у районі заряду, амплітуда хвилі розтягування виросте, і утворення тріщин у породі у цьому місці підсилиться, причому переважно за рахунок тріщин, паралельних фронту розтягування, що дозволить підвищити відбивну здатність "екрана" і збільшити долю відбивної енергії від вибуху зарядів дробіння. А це підвищить якість дробіння при знижені витрат на буро-під- ривні роботи. Суттєвими ознаками даного винаходу є: - розділення уступу на ділянки; - буріння рядів свердловин; - розміщення в свердловинах зарядів рихлення по периметру блока; - вибух зарядів рихлення до вибуху зарядів дробіння; - буріння свердловин останнього ряду зарядів рихлення на оптимальній відстані від бокової вільної поверхні уступу, яка дорівнює половині довжини фази стиску хвилі напруження, зробленої вибухом зарядів рихлення; - знайдення оптимальної відстані свердловин останнього ряду зарядів рихлення від бокової ві- льної поверхні уступу за формулою; - знайдення відстані між свердловинами зарядів рихлення, розміщених по периметру блока за формулою. Новими суттєвими ознаками необхідними і достатніми у всіх випадках здійснення способу, є: - буріння свердловин останнього ряду зарядів рихлення на оптимальній відстані від бокової вільної поверхні уступу, яка дорівнює половині довжини фази стиску хвилі напруження, зробленої вибухом зарядів рихлення; - знайдення оптимальної відстані свердловин останнього ряду зарядів рихлення від бокової вільної поверхні уступу за формулою; - знайдення відстані між свердловинами зарядів рихлення, розміщених по периметру блока за формулою. Внаслідок того, що свердловини останнього ряду зарядів рихлення бурять на оптимальній відстані від бокової вільної поверхні уступу, яка дорівнює половині довжини фази стиску хвилі напруження, зробленої вибухом зарядів рихлення, знайденим за формулою: Wопт.р = 1 2 Сп × L p K rвв × L p × g вв , r з × l p + r вв × L p де W опт.р - оптимальна відстань свердловин останнього ряду зарядів рихлення від бокової вільної поверхні уступу, м; Сп - швидкість подовжньої звукової хвилі у породі, м/с; Lp - довжина заряду рихлення, м; К - коефіцієнт, який змінюється у межах 0,4¸0,5 м і збільшується з ростом міцності породи; rвв - насипна густина вибухової речовини, кг/дм3; gвв - питома потенціальна енергія вибухової речовини, дж/кг; rз - насипна густина матеріалу забою, кг/дм3; lp - довжина забою у свердловинах зарядів рихлення, м, здійснюється у районі останнього ряду збіг фаз розтягування прямої та відбивної хвилі напруження, внаслідок чого сумарне напруження розтягування створює у породі додаткову систему тріщин, збільшуючи відбивну здатність "екрана" по периметру блока, яка сприяє підвищенню заданої якості дробіння гірничої породи всередині блока при зменшених витратах на буро-підривні роботи. 29862 Внаслідок того, що відстань між свердловинами зарядів рихлення, розміщених по периметру блока, знаходять за формулою: a p = 0, 5 × 2 p × r вв × L p × dp qp × Hуст. , де ар - відстань між свердловинами зарядів рихлення, м; dp - діаметр свердловини зарядів рихлення, м; rвв - насипна густина вибухової речовини, кг/дм3; Lp - довжина заряду рихлення, м; qp - питомі затрати рихлення, які дорівнюють 1/3 табличних питомих витрат нормального викиду для даної породи, кг/м3; Hуст. - висота уступу, м, забезпечується взаємодія хвиль напруження, необхідна для створення сумарного фронту напруження достатньої інтенсивності, що забезпечує створення додаткових систем тріщин, які підвищують відбивну здатність "екрана", що підвищує якість дробіння гірничої породи всередині блока при зменшенні витрат на буро-підривні роботи. Сукупність вказаних суттєвих ознак дозволяє одержати при здійсненні способу новий технічний результат. Спосіб здійснюється таким чином. Для руйнування ділянки (блока) уступу 1 бурять одним із відомих способів ряд свердловин зарядів рихлення 2 на оптимальній відстані W опт.р від бокової вільної поверхні 3 уступу 1, знайденої за формулою (1), і ряди свердловин зарядів дробіння. 4, відстані між рядами яких знаходять відомими способами (фіг. 1). Відстань між свердловинами зарядів рихлення 2 знаходять за формулою (2). Після буріння свердловин у них розміщують заряди дробіння 4 і рихлення 2, здійснюють забій свердловин. Заряди рихлення 2 в останньому ряду підривають з упередженням, не меншим 70 мс в порівнянні з вибухом рядів зарядів дробіння 4. Фізична суть процесів полягає в отакому. Після одночасного вибуху зарядів рихлення 2 (фіг. З) кругом заряду в породі утворюється циліндрична ударна хвиля, яка переходить у хвилю напруження стискання, фронт 5 якої показаний на фіг. 3. Під дією тангенціальних напружень розтягування створюється система радіальних тріщин 6, частина з яких спрямована перпендикулярно до лінії контуру - "екрана" 7. На невеликій відстані від зарядів фронту 5 їх хвилі стискання взаємодіють і створюють квазіплоский фронт прямої хвилі стискання 8, поширення і відбивання якого діє за законами акустики (фіг. 3, 4, 5). Після підходу прямої хвилі стискання 8 до бокової вільної поверхні 3 уступу 1 вона трансформується у відбивну хвилю розтягування 9, фронт якої рухається в сторону джерела - зарядів рихлення 2. Після вилітання забою і частини вибухових газів із свердловини зарядів рихлення 2 тиснення в зарядній камері падає настільки, що стиснута кругом зарядів рихлення 2 порода починає рухатися в напрямку до центру заряду. В цьому випадку під дією нормальних напружень розтягування в породі створюється система колових тріщин 10. Системи тріщин 6 і 10 розрихлюють породу і утворюють відбивний і поглинальний шар ("екран") по лінії контуру - "екрана" 7. Фронти розтягування зарядів рихлення 2, аналогічно фронтам стискання, створюють при взаємодії квазіплоский фронт прямої хвилі розтягування 11, який рухається у напрямку бокової вільної поверхні 2 уступу 1. Того що заряди рихлення 2 розміщені на відстані, яка дорівнює половині довжини фази стискання хвилі напруження, то через час, що дорівнює половині періоду фази стискання (фіг. 4), фронт відбивної від бокової вільної поверхні 3 уступу 1 хвилі розтягування 9 підійде до заряду 2 у момент виникнення прямої хвилі розтягування 11, а у момент часу, що дорівнює періоду фази стискання, максимум амплітуди відбивної хвилі розтягування 9 збіжиться з максимумом амплітуди фази прямої хвилі розтягування 11 (фіг. 5). При цьому амплітуди їх складаються і створюють хвилю напруження 12 з підвищеним сумарним напруженням розтягування в околиці заряду 2, що створює систему тріщин 1З, спрямовану паралельно лінії контуру "екрана" 7 у його околицях, що збільшує відбивну здатність "екрана". З метою експериментального підтвердження ефекту збільшення екрануючої здатності шару породи, утвореного вибухом останнього ряду зарядів рихлення 2, розміщеного на відстані W опт.р була проведена серія дослідів за методикою, описаною у прототипі, але відстань від лінії контуру - "екрана" 7 до бокової вільної поверхні 3 уступу 1 обира- лася: WW опт.р. Результати експериментів наведені у таблиці. Таблиця Порода f Сп м/с № Окварцьовані сланці 10-14 3500 1 2 3 l свер м 2 2 2 , Lp, м 0,6 0,6 0,6 lр , м 1,4 1,4 1,4 gвв, дж/кг rвв, кг/дм3 rз, кг/дм3 4×106 0,8 1,6 E відб , Е заг % 19 38 23 29862 Як видно з результатів дослідів, процент відбитої енергії Евідб від загальної енергії хвилі напруження Eзаг, створеної вибухом заряду вагою 1 кг, найбільший при значеннях W =W опт.р, розрахованого за формулою (6). Напівемпірична формула (6) отримана таким чином. Довжина фази стискання хвилі напруження дорівнює Wсж.р=Сп×tсж, де (1) Сп - швидкість звукової подовжньої хвилі, м/с; tсж - період фази стискання, с. Період фази стискання відповідає відрізку часу між початком вибуху заряду рихлення і моментом зниження тиску в зарядній порожнині до Р= =sрозт, де sрозт - межа міцності порід на розтягування. Розрахунковим і експериментальним шляхами встановлено, що для промислових вибухових речовин (ВР) і порід з коефіцієнтом прострілу в межах 3¸5 зниження тиску до значення Р=sрозт діє в момент, коли у початковому об'ємі зарядної порожнини залишиться половина маси вибухових газів, бо коли вибухові гази заповнять об'єм в 2 рази більший у порівнянні з початковим та коли вибухові гази пройдуть шлях, що дорівнює довжині заряду, тоді: Сп × L p (2) t сж = , u де Lр - довжина заряду рихлення, м; u - швидкість (середня) руху газів на шляху Lр, м/с. Швидкість руху газів визначили із рівняння m u2 , 2 (3) 2h × Eп , m (4) h Eп = звідкіля u= де h - к. к. д. роботи газів по витисненню маси вибухових газів і маси забою із свердловини; Еп - потенціальна енергія заряду, дж/кг. Відповідно до законів акустики і теорії детонації вибухових речовин установлено, що величина h для порід з міцністю f=10¸16 дорівнює 0,4, а для порід з міцністю 16¸20 дорівнює 0,6. Величина Еп - пропорційна довжині заряду, насипній густині ВР і питомій енергії ВР, а маса заряду і забою пропорційна їх насипним густинам і довжинам. Тоді u =K де r вв × Lp × g вв r з × l p + r вв × L p , (5) rвв - насипна густина вибухової речовини (ВР), кг/дм3; Lp - довжина заряду рихлення, м; rз - насипна густина матеріалу забою, кг/дм3; l з - довжина забою, м; gвв - питома енергія вибухової речовини, дж/кг. Підставивши значення u у формулу (4) і поділивши на 2, отримаємо формулу для визначення W опт.р Сп × L p 1 Wопт.р = , 2 (6) rвв × L p × g вв K r з × l p + r вв × L p Формула рахунку відстані між зарядами рихлення 2 в останньому ряду отримана з відомого відношення Q зар Q зар (7) = qp = , Vp S × Н уст де Нуст - висота уступу, м; S - квадрат сітки свердловин, м2; Qзap - вагa заряду, кг; V - об'єм рихлення породи зарядом, м3. 29862 Припустивши, що зарядом руйнується прямокутник породи об'ємом V, висотою Н і площею січення S = a2 , p отримаємо a= Q зар qp × Нуст (8) , так, як формулу (2). Приклад На Первомайському кар'єрі Південного гірничо-збагачувального комбінату необхідно підірвати на 15-му уступі, складеного із магнетитових кварцитів міцністю f=14¸16, ділянки уступу шириною 30 м. Відповідно до паспорту кар'єру, сітка свердловин 6´6 м з питомими витратами ВР 0,9 кг/м3, насипна густина якого 0,9 кг/дм3, глибина свердловини 18 м, густина забою 1,8 кг/дм3, діаметр свердловини 0,25 м. Припускається підірвати ділянку уступу таким чином, щоб зменшити витрати на буро-підривні роботи на 30% з поліпшенням якості дробіння всередині блока за рахунок використання "екрана", створеного на оптимальній відстані від бокової вільної поверхні уступу. l Визначаємо W опт.р за формулою (6), ураховуючи, що відповідно до паспорту кар'єра Lp=10 м, p =8 м, швидкість поширення звуку у цих породах Сп=3100 м/с, тоді Wопт.р = 3100 × 10 1 × 2 0 , 9 × 10 × 4 × 106 0,4 1, 8 × 8 + 0, 9 × 10 » 31 м. При л. с. п. п.=9 м. Ширина блоку по верхній бровці уступу при цьому буде дорівнювати (див. фіг. 1) l n л. с. п. п. W = Wопт.р = ln = 31 = 9 / 2 » 27 м , 2 що значно менше проектної. Збільшити W опт.р можна, зменшивши довжину заряду рихлення Lp і збільшивши l довжину забою p . l Приймемо Lp=9 м, p =9 м, тоді Wопт.р = 1 × 2 3100 × 9 0 , 9 × 9 × 4 × 106 0, 4 1, 8 × 9 + 0, 9 × 9 » 34 м . Тоді W=34-9/2»30 м, бо проектна ширина блока дорівнює тепер W опт.р. Для цих порід табличне значення питомих витрат ВР нормального викиду (Довідник по буропідривним роботам на кар'єрах. - Київ: Наукова думка, 1973. - С.13-15), наприклад, дорівнює 2,1 кг/м3. Тоді питомі витрати рихлення qp=2,1/3=0,7 кг/м3, a р = 0,5 × 900 × 9 × 0 , 25 2 × 3 ,14 » 6 , 0 м. 0 , 7 × 16 За паспортом кар'єру сітка свердловин дробіння 6´6 м2=36 м2. Якщо збільшити квадрат сітки свердловин на 30%, то тоді квадрат сітки свердловин буде дорівнювати 36 м2×1,3»47 м2, а відстань між рядами при квадратній сітці свердловин буде b= S = 47 » 6,5 м. З закругленням у меншу сторону відстань між 1 рядом свердловин дробіння і останнім рядом рихлення буде дорівнювати W - l б , де l б - відстань від верхньої брівки уступу до 1 ряду свердловин. Найменша l б =3 м з мірку- вань безпеки буріння. Тоді, W=30-3=27 м. Кількість рядів свердловин буде п=27/6,5+1»4+ +1=5 рядів, а відстань між свердловинами у ряду буде aqp=47/6,5»7 м (з закругленням). Таким чином, остаточні параметри блока, який підривають, будуть: відстань між рядами свердловин 6,5 м, відстань між свердловинами зарядів рихлення 6 м, відстань між свердловинами зарядів дробіння у ряду 7 м, заряди свердловин дробіння - паспортні, довжина заряду рихлення 9 м, довжина забою у свердловинах рихлення 9 м. 29862 Експериментальні вибухи на кар'єрах Південного ГЗК показали, що при ощадності буро-підри- вних робіт на 30% якість дробіння порід вища, ніж на контрольних ділянках, підірваних за звичайною технологією, і на 5-10% ощадність буро-підривних робіт більша, чим за технологією способу, узятого за прототип. Використання винаходу дозволить збільшити якість дробіння гірничої породи всередині блока зі зменшенням витрат на буро-підривні роботи, за рахунок здатності створення додаткової системи тріщин у екрануючому шарі, орієнтованих паралельно площі "екрана", використовуючи супер-пози- цію прямої і відбивної хвилі розтягування у екрануючому шарі шляхом збільшення відбивної здатності "екрана", створюваної по периметру підривного блоку, у зв'язку з тим, що буріння свердловин останнього ряду зарядів рихлення виконують на оптимальній відстані від бокової вільної поверхні уступу, що дорівнює половині довжини фази стискання хвилі напруження, найденої за формулою. Даний винахід при використанні дозволить знизити собівартість гірничих порід з використанням звичайної технології буріння, штатних вибухових речовин і засобів підривання. 29862 Фіг. 1 Фіг. 2 29862 Фіг. 3 Фіг. 4 29862 Фіг. 5