Энергетические основы оценки взрываемости горных пород

Недостатки установления взрываемости пород массива по прочности или по акустическим свойствам состоят в основном в следующем.
1. Низкая оперативность и необходимость использования методов и средств, не вписывающихся в технологические схемы разработки массива.
2. Необходимость систематического районирования (выделения площадей в карьерном поле) по взрываемости, т.е. установления для выделенных участков фиксированной сетки скважин и, следовательно, удельного расхода ВВ. Для месторождений в высокой перемежаемостью пород сложно добиться эффективного районирования.
3. Необходимость постоянной корректировки удельного расхода BB в зависимости от наличия вещественных полей (воды, растворов, газов, полостей) в массивах пород в пределах карьерного поля, которые оказывают существенное влияние на величину скорости продольной волны и возможность передачи волн напряжений.
Главной идеей, побудившей исследовать энергетические связи между различными способами разрушения, явилось замечание М.М. Протодьяконова о том, что если одна порода крепче другой в отношении, например, бурения, то и при взрывании она также крепче в таком же отношении. Л.И. Барон, имея в виду это высказывание М.М. Протодьяконова, также указывал на наличие корреляционной связи между коэффициентом крепости и технологическими показателями, такими как бурение (буримость), удельный расход BB (взрываемость) и т.п. Эта концепция в преломлении к буримости и взрываемости означает, что если для какой-либо породы будут высоки затраты энергии на бурение, для нее же будут адекватны энергозатраты и на взрывание.
Таким образом, необходимо установить корреляционные связи между энергоемкостью бурения и скоростью звука в массиве с одной стороны, и между удельным расходом BB и удельной энергоемкостью бурения - с другой.
Такие комплексные исследования по измерению энергоемкости бурения и скорости звука в промежутках между пробуренными скважинами, а в итоге и назначении соответствующего удельного расхода BB, были выполнены по Кальмакырскому, Коунрадскому, Саякскому, Кутессайскому, Сорскому, Инкурскому карьерам и на известковом карьере «Южная гряда» Кантского цементно-шиферно-го комбината.
Установление корреляционной связи между величинами скорости звука в массиве и удельной энергоемкостью бурения условие необходимое, но не достаточное для использования удельной энергоемкости в качестве критерия взрываемости пород. Таким достаточным условием, на наш взгляд, является доказательство связи между удельной энергоемкостью бурения и удельной энергоемкостью взрывного разрушения.
Сравнение удельных энергоемкостей бурения и взрывного разрушения на ряде месторождений в различных по крепости породах приведено в табл. 3.5, заимствованной из книги И.А. Тангаева, в которую внесены наши добавления.

Эффект взрывного разрушения в свою очередь оценивается по качеству дробления (средний размер куска, выход негабарита, а также по удельным затратам времени на погрузку 1 м3 горной массы экскаваторами).
Используя данные табл. 3.5 и результаты наших исследований на Коунрадском и Саякском карьерах, связь между удельной энергоемкостью взрывания и бурения была определена в виде:

где е - удельная энергоемкость бурения, кВтч/м.
Применительно к системе СИ, то же соотношение преобразуется к виду:

где e1 - удельная энергоемкость взрывного разрушения, МДж/м3.
Эта формула не учитывает степень дробления, т.е. соотношение среднего размера отдельности в массиве и среднего кондиционного куска:

Заметим, что нами установлена связь между энергоемкостью бурения и индексом трещиноватости:

Здесь “е” - основание натурального логарифма.
Вполне очевидно, что степень дробления связана в удельным расходом BB эмпирическим выражением:

где q - удельный расход, кг/м3.
Кроме того, известно, что инерционность массива, т.е. сопротивление его смещению пропорционально объемной массе у, тогда удельный расход взрывной энергии с учетом этих поправок выразится как:

где 2,6 - средняя объемная масса горных пород.
В формулу входит средний размер раздробленного взрывом куска, т.е. он характеризует среднюю вновь образованную поверхность, которую В.К. Березин и В.Ф. Ведтин рекомендуют определять по соотношению:

где l3 - длина заряда; R - расстояние от центра заряда.
Как известно, площадь вновь образованной поверхности пропорциональна энергии заряда, величина которой отражается на среднем размере куска согласно расчетам О.Е. Власова и А.А. Смирнова:

где [σ] - прочность породы; R - расстояние между центрами скважин; γ - плотность породы; dз - диаметр заряда; E - энергия заряда.
Совместное решение двух соотношений относительно R2 дает зависимость прочности породы и энергии взрыва:

Если обратиться к соотношениям (3.47), (3.48), (3.50) для установления взрываемости по величине удельного расхода BB, то например, при энергоемкости бурения в 1 кВт*ч/м или 3,6 МДж/м объемная энергия разрушения составит 77,7 МДж/м3, в то время как удельный расход BB должен быть равен 0,39 кг/м3 или приблизительно 1,65 МДж/м3. Поэтому прямое сопоставление затрат энергии на бурение и на взрывание не дает ответа на вопрос о зависимости энергозатрат по способам разрушения. Вероятно, это связано с необходимостью учета вновь образованной поверхности, полученной при выбуривании 1 м3 буровой мелочи и суммарной поверхностью, образующейся в 1 м3 взорванного массива.
Определим удельные затраты энергии на единицу образованной поверхности при условии, что диаметр скважин 250 мм, средний диаметр куска взорванной породы 0,25 м.
Воспользуемся формулой для расчета вновь образованной поверхности:

или

где p1, d1 - плотность и средний диаметр частиц при бурении и взрывании; P1 - масса частиц соответствующего класса крупности.
Взорванный объем в 1 м3 имеет массу 2 т при плотности 2,5 т/м3 расчетная поверхность составит 17,6 м2. Выбуренная мелочь при среднем диаметре частиц 5 мм имеет массу 1,85 т, тогда вновь образованная поверхность составит 855 м2.
Соотношение затрат энергии на бурение и взрывание должно быть равно соответствующим вновь образованным поверхностям, т.е.:

Удельные затраты энергии на единицу поверхности при разрушении 1 м3 породы независимо от способа разрушения соответствуют:

Как видно, они практически равны, что, собственно и подтверждает выводы Ю.М. Мисника и К.А. Долгова о следующем: «...Удельная поверхностная энергоемкость является физической константой горной породы, не зависящей от способа разрушения».
Производительность выемочного оборудования (экскаватора, фронтального погрузчика и др.) зависит не только от размеров среднего куска, но также и от коэффициента разрыхления взорванного развала, который в свою очередь определяется удельным расходом BB:

Наконец, чистое время погрузки 1 м3 горной массы также зависит от коэффициента разрыхления и размера среднего куска и изменяется согласно рис. 3.27.

---