УДК 622.235.62.

ГОРНОЕ ДЕЛО

К.т.н. Романов В.И., Романов Е.В., Романов С.В.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан.

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ

НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА В

ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЕ.

Многолетняя практика применения взрывной отбойки горных пород на карьерах Республики Казахстан показывает, что для достижения достаточно высокой эффективности дробления массива в приконтурной зоне и обеспечения устойчивости стационарных откосов возможно лишь при правильном выборе параметров буровзрывных работ. При этом значительную роль играет расстояние между скважинами.

Пусть в изотропном массиве уступа взрывается ряд вертикальных отбойных скважин диаметром 0,250 м на расстоянии друг от друга 5, 6, 7, 8 м и на удалении от поверхности откоса 3, 5, 7, 9 м. Рассмотрим плоско - напряженное

состояние массива при взаимодействии двух соседних цилиндрических зарядов [1]. В момент взрыва зарядов поле напряжений в общем случае определяется суперпозицией напряженных состояний, обусловленных нагружением круговых отверстий в массиве (скважин) и набором сосредоточенных сил N и T, имитирующих близко расположенную свободную поверхность (поверхность откоса)

В районе между двумя соседними зарядами горный массив подвергается действию сжимающий и растягивающих напряжений. Естественно, основным разрушающим фактором являются растягивающие напряжения, величина которых определяется в однородном массиве по формуле [2,3]

σ_{р =} σ₁ - μ σ_{2 ,} (1)

где μ - коэффициент Пуассона;

σ_р – приведенное растягивающее напряжение от действия взрыва;

σ₁ и σ₂ - главные нормальные напряжения.

На рис.1 приведена картина распределения растягивающих напряжений в изолиниях (1) и взрывных трещин в изостатах (2) в массиве уступа по сечению, перпендикулярному осям цилиндрических зарядов при расстоянии между зарядами а = 7 м. Значения σ_р оценивают напряженное состояние массива и определяют границы зоны возможного разрушения, используя условия разрушения массива

σ_р ≥ σ_пр , (2)

где σ_пр – приведенная прочность на растяжение для различных пород.

Рисунок 1 Распределение приведенных растягивающих напряже

ний в изолиниях (1) и взрывных трещин в изостатах (2) при одно

временном взрывании двух отбойных зарядов (а = 7 м)

Как видно из рис.1, наибольшие растягивающие напряжения возникают вблизи зарядов, образуя зону пластических деформаций. Приближаясь к поверхности откоса, напряжения уменьшаются, образуя плоскую волну пониженных напряжений. Так как сопротивляемость пород сжатию больше, чем растяжению, то под действием растягивающих напряжений происходит нарушение сплошности массива с образованием сети трещин. Взрывные трещины, изображенные в изостатах на рис.1, неравномерно распределены в области между линией зарядов и линией откоса.

Интерференция волн напряжений во взрываемом горном массиве приводит к образованию неоднородного поля напряжений, что отрицательно сказывается на равномерности дробления пород, то есть на качестве взрыва. Выход негабарита обусловлен появлением областей пониженных напряжений вблизи откоса уступа и неравномерного распределение трещин, образуемых при взрыве. Наилучшее дробление массива наблюдается при ориентировке приведенных растягивающих напряжений в сторону поверхности обнажения и перпендикулярно взрывным трещинам. В этом случае препятствий для деформации нет, в массиве интенсивно начинают образовываться новые трещины и раскрываться естественные. На участках, где изостаты направлены перпендикулярно поверхности откоса, а напряжения растяжения параллельны, наблюдается наибольший выход негабарита, поскольку здесь деформации в массиве могут происходить только за счет упругих свойств пород. Увеличение или уменьшение площадей с наименьшим выходом негабарита непосредственно связано с расстоянием между зарядами и прочностью пород. Для пород карьера, представленных липоритовыми порфиритами, алевролитами известняковыми, алевролитами кремнистыми, туфами со средней прочностью на растяжение равной соответственно 5,8; 7,8; 12,1; 16,0 МПа, размер зоны пониженных напряжений (выход негабарита) в процентах (П) от прочности пород и расстояний между скважинами (а) подчинен зависимости (рис2).

Процент зоны пониженных напряжений (выход негабарита) определяется по формуле

(3)

где S_П - площадь пониженных напряжений (выход негабарита заштрихованный участок на рис.1);

S₀ – общая площадь отбиваемого массива.

Рисунок 2 Изменение зоны выхода негабарита (П) при взрыве зарядов

от расстояния между скважинами (а) для 1 - липоритовых порфиритов;

2 - алевролитов известняковых; 3- алевролитов кремнистых; 4 - туфов.

График показывает (рис.2), что с изменением расстояния между скважинами (а) от 5 до 8 м выход негабарита возрастает с увеличением прочности пород на растяжение и изменяется по синусоиде. Естественно, при 0< а <5 выход негабарита будет уменьшаться и стремиться к нулю для пород любой крепости. С уменьшением объёма буровзрывных работ минимальный выход негабарита происходит при расстоянии между зарядами а = 7м.Именно это расстояние между зарядами является оптимальным при бурении скважин диаметром 0,250 м.

При рассмотрении напряженного состояния массива за линией скважин на удалении (ℓ) от 0 до 6 метров при 5< а <8 метров, по картинкам напряжений подобным на рис.1 проследим изменение напряжений растяжения в глубь массива (рис.3). Зависимость σ_р = f (ℓ) показывает, что напряжения растяжения уменьшаются с увеличением (ℓ) по гиперболическому закону.

Напряжения, распределяющиеся на расстоянии 1 – 2 м, характеризуют зону интенсивного дробления, а на расстоянии 3 – 4 м за линией скважин - показывают линию чистого отрыва массива. Дальнейшее распределение напряжений в глубь массива приводит к образованию заколов и трещин. При увеличении расстояния между скважинами от 5 до 8 м напряжения за линией отрыва уменьшаются. При а = 7 и а = 8м кривые после перегиба практически равнозначны, то есть в равной мере деформируют массив за линией отрыва.

Рисунок 3. Изменение приведенных растягивающих напря-

жений за линией скважин при расстоянии между ними:

1 – 5, 2 – 6, 3 – 7, 4 – 8 м.

Следовательно, при расстоянии между скважинами а = 7 м происходит более качественное дробление массива в районе отбойных зарядов и меньшая деформация массива за линией отрыва. Это важно при взрывании отбойных скважин в непосредственной близости от проектного контура.

Изучение напряженного состояния массива при взрывных работах позволяет прогнозировать качество отбойки горных пород, снижать затраты на вторичное дробление и повышать производительность погрузочно - транспортного оборудования, обеспечивая устойчивость стационарных уступов.

Литература:

1. Мусхелешвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М, Наука, 1966.

2. Тимлшенко С.П. Дж. Гудьер. Теория упругости. М, Наука, 1979.

3. Филиппов В.К., Алиев Д.Х. Разрушение крепких пород при различных способах взрывания. Алма-Ата, Наука, 1975.