АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ОТ СЕРИЙНОГО ВЗРЫВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Комплексное освоение месторождений предусматривает выемку запасов рудных залежей, не входящих в предельный контур карьера подземным способом. Для совместного ведения горных работ в карьере и при выемке прибортовых запасов подземным способом характерно изменение напряженно-деформированного состояния как на уступах карьера, так и в прибортовом массиве горных пород.

Ведение подземных работ вблизи бортов карьера дополнительно усложняется из-за нару- шенности его горно-геологических характеристик и горнотехнических свойств за период эксплуатации месторождения. В новых горно-геологических условиях сложившиеся поля напряжений находятся под воздействием внешних нагрузок, образовавшихся в результате развития сети подземных горных выработок, и геодинамических нагрузок, возникающих в первую очередь при ведении буровзрывных и транспортно-погрузочных работ как в карьере, так и в подземных горных выработках.

В этих условиях необходимо создавать новые подходы к технологии ведения горных работ, используя результаты прогнозных расчетов по зависимостям, позволяющим определить нагрузки на горные выработки, расположенные в прибор- товом массиве карьера, и оценивать степень их устойчивости.

В качестве исходных данных для получения этих зависимостей используют данные, полученные в результате экспериментальных исследований степени воздействия многоцикличных взрывных нагрузок на горные выработки в промышленных условиях. Представляет интерес изыскание способов регулирования энергоемкости процесса разрушения породы взрывом за счет изменения ее свойств.

Однако это изыскание не нашло большого применения на карьерах России и стран СНГ с недоучетом того факта, что происходит снижение прочности горного массива от многоцикличных воздействий массовых взрывов на карьере. Следует отметить, что при определении параметров скважинных зарядов в ряду не учитывались зоны снижения прочности горного массива за контуром карьера, которые образуются в результате многоцикличных взрывных нагрузок. Учет эффекта снижения прочности массива необходим для корректировки параметров и паспортов взрывных работ и заслуживает внимания, так как вскрывает неиспользованные резервы повышения эффекта действия взрывной энергии.

С этой целью необходимо изучение изменения прочностных свойств горных пород в условиях циклического нагружения, особенно при дальнейшей выемке прибортовых запасов карьера, обычно разрабатываемых после приведения борта карьера в предельное состояние.

Приведем некоторый анализ исследований по снижению прочности горных пород при воздействии взрывных волн.

Как было установлено в работе [6], при производстве массовых взрывов на карьерах осуществляется не только дробление пород на отдельности, но и изменение их прочностных свойств. Так, лабораторные опыты на образцах горных пород и руд показали, что после однократного взрывного воздействия прочность образцов известняка и магнетитовой руды составляла соответственно 38,6 и 40,8% от первоначальной статической прочности на сжатие [5].

Исследования, проведенные на гранитных карьерах треста «Запорожнерудпром», выявили, что взрывные нагрузки приводят к увеличению их пористости и снижению прочности пород [1].

В работе [1] также рассматривалась возможность использования направленного воздействия энергии взрыва на массив горных пород, и было установлено, что за счет выбора соответствующего направления взрывания и изменения интенсивности взрывного воздействия происходит изменение микроструктуры руды в виде развития трещиноватости, а следовательно, и изменения ее прочностных характеристик, а уровень снижения прочности образцов кварцита составлял 23—57% от первоначальной статической прочности.

В работе [3] исследования проводились в условиях магнетитовых кварцитов Криворожья, также было выявлено, что: предварительное нагружение, повторяемое многократно, даже при небольших затратах энергии по сравнению с энергией дробления способствует прорастанию трещин в массиве, что ведет к улучшению качества взрывного дробления основными зарядами ВВ.

В работах [1, 3, 8] показано, что, в отличие от механического воздействия, разрушение породы при циклическом взрывном нагружении происходит за счет действия напряжений, которые превышают предел статической прочности породы на одноосное сжатие, что влечет за собой снижение прочности породы, которое проявляется непосредственно при первых же циклах нагружения.

Воздействие массового взрыва на горные породы, как уже отмечалось, приводит к снижению прочности пород в глубине массива.

В работе [4] установлено, что аналогичные разрушения четко прослеживаются на поверхности уступа карьера за линией последнего ряда скважин. Протяженность распространения трещин на поверхности уступа достигает 25—30 м, что составляет (170÷200) r (r — приведенное расстояние от заряда), а в глубину — двух третей высоты уступа (рис. 1). Было установлено, что интенсивность разрушения зависит, главным образом, от свойств массива (степени трещиноватости и ориентировки трещин, сил сцепления и коэффициента внутреннего трения между отдельностями), числа и количества одновременно взрываемых скважинных зарядов, расстояния до точки наблюдения, числа ступеней замедления, схемы взрывания, интервалов замедления и конструкции зарядов.

Представляют интерес приведенные данные по взрыву на выброс на Алтын-Топканском месторождении, когда мощность одного заряда составляла 10000 т в тротиловом эквиваленте [4]. Данные электрозондирования воронки взрыва показали, что массив нарушен трещинами в радиусе около 100 м под зарядом. Последующая отработка месторождения показала, что воздействие взрыва отрицательно сказалось на показателях буровзрывных работ. Производительность станков ударно-канатного бурения из-за обрушения стенок скважин сократилась в 2—3 раза, а степень дробления горной массы значительно ухудшилась по сравнению с другими месторождениями, отрабатывающими аналогичные породы. Вместимость нижней части скважин составляла около 70 кг/м (для аммонита № 6ЖВ и диаметра скважины 200 мм), в то время как в нетронутом массиве емкость скважин, пробуренных долотом такого же диаметра, составляет около 40 кг/м, т.е. почти вдвое меньше.

Автор в работе [2] отмечает, что примерно аналогичные по размерам зоны трещинообразования наблюдаются и при подземных ядерных взрывах. Так, при подземном ядерном взрыве заряда «Гном» мощностью 3000 т в тротиловом эквиваленте, проведенном в США в штате Нью-Мексико в пласте каменной соли на глубине 360 м, радиус распространения радиальных трещин составил 70—75 м. Меньшая величина радиуса трещинообразования при этом ядерном взрыве может быть объяснена монолитностью каменной соли и тем, что ядерный взрыв происходил в условиях камуфлетного взрывания.

Исследованиями, проведенными в работе [2], были определены размеры зон нарушения в двух направлениях. Установлено, что радиус распространения нарушений по кровле уступа находится в пределах 100 d (d — диаметр заряда), глубина нарушения под заряд вдоль оси равна (7÷10) d. Другими исследованиями, проведенными на карьерах Норильского комбината, были получены аналогичные размеры зон нарушений (табл. 1).

В работе [2] установлено, что размеры зон нарушения зависят от высоты уступа. На рисунке 2 видно, что на низких уступах зона нарушения распространяется ниже подошвы уступа, а на высоких уступах поверхность забоя будет нарушена на большую глубину.

Таблица 1. Размеры зон нарушений
Table 1. Dimensions of violation zones

По данным различных авторов данные по размерам зон снижения прочности горных пород в глубине массива приведены на рисунке 3 и в таблице 2.

При квазистатическом моделировании одиночного взрыва, приведенного в работе [2, 7, 9] и приводящего к разрушению горных пород, был выявлен характер прорастания радиальных трещин в горной породе от давления ударной волны, продуктов детонации и концентрации напряжений в окрестностях вершин трещин. Причем прорастание трещин в граните от действия взрыва происходит в течение 15 мс, а в известняке — 20—25 мс в зависимости от физико-механических свойств горных пород, степени их трещиноватости и применения специального типа забойки.

Запирающее устройство забойки представляет собой полиэтиленовую трубку с инертным наполнителем и расположенной внутри трубки воронкой, верхняя часть которой заполняется инертным материалом из мелкодисперсной фракции (песок, буровая мелочь), а остальная верхняя часть скважины заполняется традиционным забоечным материалом (породной мелочью) до поверхности.

Принцип действия запирающей забойки основан на отражении ударных волн от внутреннего воронкообразного профиля, вследствие чего происходит частичное торможение продуктов детонации. Коническая часть служит для снижения давления от продуктов детонации на верхнюю часть забойки из породной мелочи. Удержание забойки в скважине осуществляется за счет ее распирания продуктами детонации.

Таблица 2. Размеры зон снижения прочности горных пород
Table 2. The size of the zones of reduction of rock strength

При качественном запирании газообразных продуктов взрыва в скважине возможно увеличение сетки скважин на величину среднего размера естественного блока в массиве относительно сетки скважин, рассчитанной с учетом только волновой стадии.

Таким образом, применение запирающей забойки специальной конструкции позволит увеличить время истечения продуктов детонации из скважины по сравнению с традиционной песчаной забойкой и сетку скважин на величину среднего размера естественного блока в массиве относительно сетки скважин, рассчитанной с учетом действия только волн напряжений в массиве, а также снизить фактический расход ВВ и объем бурения.

Главным недостатком предложенной конструкции с запирающим устройством являются дополнительные трудозатраты на изготовление запирающего устройства из полиэтиленовых труб, что вызывает значительные трудности при проведении массового взрыва.

Следовательно, из анализа проводимых исследований по снижению прочности горных пород взрыванием серий скважинных зарядов взрывчатых веществ можно сделать вывод, что при этом образуются зоны пониженной прочности в окружающем массиве в зависимости от высоты уступа карьера и применяемых энергетических характеристик взрывчатых веществ, а разрушения просматриваются на поверхности уступа карьера за линией последнего ряда скважин.

Протяженность распространения трещин на поверхности уступа может достигать более 25—30 м, что составляет примерно (170÷200) r (r — приведенное расстояние от заряда), а по глубине — двух третей высоты уступа. Анализируя проведенные исследования в лабораторных условиях, нужно отметить также, что после однократного взрывного нагружения прочность образцов, например известняков и магнетитовой руды, снижается, соответственно, на 38,6 и 40,8% от первоначальной статической прочности на сжатие, а после многократного воздействия еще в среднем на 5—10%.