Распределение горных пород и массивов по крепости

Взрывная подготовка горной массы к выемке является неизбежным процессом при разработке массивов крепких горных пород с коэффициентом крепости f более 4-5. Эффективность взрывного дробления определяется физико-механическими свойствами пород массива, параметрами расположения скважин на уступе и потенциальной энергией применяемого ВВ. Необходимость согласованного сочетания типа BB и свойств взрываемого массива более чем очевидна, для чего разрабатываются параметрические ряды BB в соответствии со свойствами пород.
Вызывает интерес современное представление пород по крепости, встречающихся на карьерах (рис. 3.1). Здесь отражены данные Л.И. Барона по испытаниям образцов и по объемам, добываемым на карьерах. В обоих случаях наблюдается левосторонняя асимметрия с максимумом в районе 1000 кг/см2 или коэффициентом крепости f=10. Аналогично рис. 3.1, на рис. 3.2 добываемых на карьерах (1) и по представлены статистические испытаниям образцов (2). данные по удельному расходу BB на карьерах цветной металлургии и за рубежом. На карьерах используются различные виды BB с разной потенциальной энергией, в среднем значение которой для 1 кг принимается равным около 4,2 МДж в сочетании с заданием соответствующих параметров БВР, что предопределяет разные оценки количества дробления. Для удельного расхода BB также имеется левосторонняя асимметрия с модой в районе 0,5 кг/м3, она же свидетельствует, что на большинстве месторождений отрабатываются породы легко- и средневзрываемые, а на долю трудновзрываемых приходится 12-15% всех объемов.

На рис. 3.2, заимствованном из работы В.М. Мосинца, представлено распределение по коэффициенту крепости, изменяющемуся за 10 лет для открытых и подземных работ. За указанный промежуток времени с 1965 по 1975 г. увеличилась доля пород крепких (f=15—20) с уменьшением доли слабых (f=5—10), а вот доля средних (f=10—12) осталась без изменений. В период с 1960 по 1980 г. взрывом отрабатывалось слабых пород (f=5) 30%, с f=5—10 — 38%, f= 10—15 — 23% и только 8% с f более 15.

Учитывая тенденцию увеличения прочности, следует ожидать, что до 65% объема будет приходиться на породы с крепостью f=8—15. Анализ данного распределения показывает, что скорость роста крепости пород составляет по f одна категория или 100 кг/см2 на 10 лет. Если иметь в виду, что средние темпы понижения горных работ на карьерах равны 10-15 м в год, то одна категория повышается через 100-150 м по глубине карьеров.
Адекватно себя ведет и показатель сопротивляемости пород взрыву. Во многих работах приводятся сведения, из которых следует, что при анализе по 45 карьерам и по 100 подземным рудникам за период с 1965 по 1982 г. удельный расход BB вырос на проходческих работах на 22%, на очистных подземных - на 18%, на открытых - на 45%. Например, в 1958 г. на подземных работах с удельным расходом q более 2 кг/м3 вели отработку 24 предприятия, то в 1979 г. уже 52. Если в 1958 г. на карьерах с q более 0,5 кг/м3 работало 9 предприятий, то в 1979 г. уже 24 карьера.
За период с 1975 по 1982 г. была интенсифицирована работа в исследовательских организациях и промышленных предприятиях по разработке более мощных BB, их потенциальная энергия выросла в среднем на 15%, но и удельный расход BB тоже вырос, например, по тресту Союзвзрывпром на 20-30%, на железорудных карьерах в 1,5-2 раза и составил 0,7-0,85 кг/м3, на карьерах цветной металлургии - 0,6-0,8 кг/м3 и до 1 кг/м3 на карьерах горно-химического сырья. На зарубежных карьерах удельный расход достиг 1,2-1,5 кг/м3, при этом в подавляющем большинстве случаев в качестве BB применялись простейшие BB типа игданита.
В соответствии со свойствами пород и оценкой их сопротивления взрывному разрушению находятся параметры расположения скважин на уступе в сочетании в выбором их диаметра, который находится с высотой уступа в прямой зависимости и может быть представлен в виде:

В настоящее время для определения массы одиночного заряда используется объемная формула, соответственно для первого и последующих рядов скважин:

где q - удельный расход BB; a, b, W - соответственно расстояния между скважинами в ряду, между рядами и сопротивление по подошве уступа высотой Н.
В работе И.А. Тангаева отмечается, что для определения важнейших параметров буровзрывных работ, входящих в формулу (3.2) предложено 58 формул, причем распределение этих формул по расчетным показателям приводится в заимствованной таблице (табл. 3.1).

Экспертная оценка значимости каждого из параметров проявляется, если принять, что для одного карьера, как правило, высота уступа является величиной постоянной, то наиболее значимыми окажутся параметры W, а и q, а наиболее влиятельными следует признать свойства среды (как и более трудноопределимыми). Самыми устойчивыми, по всей вероятности, можно считать параметры заряда. Удельный расход BB также отражает прочностные свойства массива, то на производстве может варьироваться в довольно широких пределах в зависимости от требуемого качества дробления или для решения каких-либо других специфических задач, связанных с управлением шириной развала, его геомеханическим состоянием. При этом само качество дробления зависит от мощности выемочной техники, размеров приемного отверстия дробилок и т.п.
Среди параметров заряда, кроме его потенциальной энергии, имеется и его геометрическая составляющая в виде диаметра заряда (скважины). В пределах разных диаметров будет различная концентрация энергии даже при одном и том же типе ВВ. Поэтому в заключение приведем параметры расположения зарядов на уступе в относительных единицах, выраженных в диаметрах заряда (d3):
- преодолеваемое сопротивление по подошве W=(25-47)d3;
- расстояние между скважинами в ряду и между рядами а, b=(25-45)d3;
- длина столба забойки 1заб = ( 15-18)d3;
- длина перебура скважины 1пер = (10-15)d3
Равенство относительных расстояний а и W, обусловлено другим параметром m=a/W, который обычно находится в пределах 0,8-1,4. Нетрудно обнаружить, что нижние пределы соответствуют более крепким породам, а верхние - слабым, легко взрываемым.
Известно, что действие взрыва в среде зависит от потенциальной энергии BB:

где Qv - теплота взрыва; Cv,Tv - теплоемкость и температура продуктов взрыва.
Действие взрыва определяется его импульсом:

где P - давление развиваемое продуктами взрыва, которое в свою очередь определяется основными параметрами самого BB, т.е. плотностью ρвв и скоростью детонации Dвв.
Плотность потока энергии можно определить как:

где к - коэффициент, связанный с акустическим импедансом среды ρпСр.
Тогда E - мера работы, совершенной на определенной поверхности среды с размерностью МДж/м2, значит, если известна площадь, через которую проходит ударная волна, можно установить общую энергию ударной волны.

где n - показатель политропы, изменяющийся от 3 до 4.
Давление изменяется от начального Рн, равного

В свою очередь импульс взрыва является функцией теплоты взрыва:

Известно, что мощность BB зависит от удельной теплоты взрыва q и от скорости детонации Dвв:

где к - механический эквивалент тепла - 427 кгм/ккал; L - длина заряда.
Таким образом, основными характеристиками BB являются удельная потенциальная энергия, его плотность и скорость детонации и их необходимо согласовывать с параметрами среды. М.А. Кук рекомендует подбирать BB для соответствующих пород так, чтобы были равны акустические жесткости, т.е.:

Американская школа взрывников обосновываю данную формулу с соответствующими импедансами на основании того, что она определяет радиус разрушения от импульса взрыва BB, равный:

Для современных промышленных типов BB и большинства взрываемых пород соотношение плотностей находится в пределах:

Тогда для обеспечения равенства импедансов необходимо, чтобы выполнялось равенство:

Имея ввиду, что Cp для массивов пород различной взрываемости колеблется от 1,2 до 5,0 км/с, получим пределы скорости детонации при средней плотности заряда около 1:

На самом деле, промышленные BB со скоростями детонации свыше 6,5 км/с не используются в горной промышленности, более того, вследствие высоких цен на BB, предпочтение сейчас отдают BB со скоростями детонации до 3,5 км/м при плотности заряда не более 1-1,2 г/см3. Соотношение импедансов составляет 0,45-0,47. Следовательно, выстраивание параметрического ряда BB по импедансу не отвечает их энергетическим показателям.
Г.П. Демидюк предлагает выбирать энергетические параметры заряда в соответствии с энергоемкостью разрушения породы, а Я.Б. Зельдович и А.С. Компанеец считают, что теплота взрыва -достаточный параметр для практических расчетов при оценке взрывчатых свойств ВВ. А.Ф. Беляев и М.А. Садовский отмечают, что работа взрыва расходуемая на дробление, разрушение среды и ее перемещение не зависит напрямую от скорости детонации. Л.И. Барон, Б.Д. Росси и Г.П. Левчик предполагают, что оценка BB при отбойке породы по энергетическому показателю недостаточна, об этом же говорит и Л.В. Дубнов.
Справедливым бы было положение, если бы синтезированный критерий эффективности взрыва BB включал в себя как детонационные, так и энергетические характеристики:

Очевидно, что показатель может быть выражен как:

где евв - удельная потенциальная энергия взрывного разрушения; ераз - удельная энергия разрушения породы.
Имея ввиду, что не вся энергия взрывчатого разложения преобразуется в полезную работу разрушения, евв должна быть больше ераз.
Приведенный материал позволяет сформулировать следующие выводы.
1. Отмечается рост крепости горных пород с градиентом около 100 кг/см2 за 10 лет, что в основном связано с понижением горных работ, при этом неадекватно растет удельный расход ВВ. Разное поведение взаимосвязанных параметров обусловлено тем, что имеется твердая тенденция применения простейших BB и ужесточение требований у качеству подготовки горной массы к выемке.
2. Отсутствие определенной теории разрушения горных пород взрывом обусловливает нечеткое представление о механизме разрушения, что предопределяет различную трактовку ответственности и выделения главных агентов разрушения. Достаточно определенное мнение существует об энергетических параметрах BB в сочетании с акустическим импедансом.
3. Соотношение энергетических и детонационных показателей простейших BB типа игданит и промышленных тротилсодержащих BB и их стоимостных показателей, свидетельствует о том, что применение последних при современном распределении пород по крепости не компенсирует более высокое качество дробления, поскольку стоимость дробления 1 м3 горной массы тротилсодержащими BB в 1,5-2 раза всегда выше, чем при использовании простейших. Отсюда следует, что интенсификация разупрочнения пород путем управления энергетическими параметрами BB не перспективна.

---