МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЗАРЯДОВ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ С АКТИВНОЙ ЗАБОЙКОЙ СКВАЖИН НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ

Министерство угольной промышленности СССР Академия наук СССР Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Институт горного дела им. А. А. Скочинского

Утверждены

начальником Технического управления Ммнуглепрома СССР

В. Ф. КРЫЛОВЫМ

29 марта 1979 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЗАРЯДОВ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ С АКТИВНОЙ ЗАБОЙКОЙ СКВАЖИН НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ

Москва

1979

шеиа до Ъ0% массы заряда в скважине, а в наклонных скважинах -до 30-40£ массы заряда.

Оставшаяся часть заряда ВВ Ц_а(кг) распределяется на равные части пропорционально принятому числу воздушных промежутков:

Q_ =    1.

п

1У. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ЗАРЯДОВ С ВОЗДУШНЫМИ ПРОМЕЕУТКАМИ И АКТИВНОЙ ЗАБОЙКОЙ

1.    Наибольшая эффективность применения зарядов рациональной конструкции с активной забойкой скважин достигается при оптимальных параметрах взрывных работ.

2.    Критерием выбора оптимальных параметров взрывных работ является минимум общих приведенных затрат (бурение, взрывание, экскавация, транспортирование и отвалообразование, а при циклично-поточной технологии и механическое дробление в дробилках).

3.    Оптимальные параметры взрывных работ определяются на базе разработанной экономико-математической модели общих затрат.

Для построения алгоритмов на основе результатов теоретических исследований и опытно-промышленных взрывов были установлены функциональные зависимости гранулометрического состава горной массы от параметров взрывных работ, а также производительности экскаваторов и транспортного оборудования от кусковатости пород.

4.    При анализе производительности экскаваторов гранулометрический состав взорванной горной массы целесообразно подразделять на две части: куски, размеры которых не превышают габариты ковша, и куски, требующие вторичного дробления в забое. Наиболее правильным показателем гранулометрического состава взорванной габаритной массы является коэффициент разрыхления породы.

5.    Величина коэффициента разрыхления определяется процентным содержанием различных по крупности фракций и соотношением между шириной сосуда, в котором размещена горная масса й_с , и средним размером кусков а_к . С увеличением выхода крупных фракций увеличивается коэффициент разрыхления горной массы в ковше экскава-тора и, как следствие, уменьшается его техническая производительность в результате снижения коэффициента экскавации и увеличения продолжительности процесса черпания во время рабочего

10

Sc

цикла. При ^ к 10 имеет место влияние размера сосуда .приводящее к возрастанию коэффициента разрыхления по мере уменьшения зтого отношения, поэтому необходимо подразделять коэффициент разрыхления в развале К_Р)в транспортном сосуде К_р._с и ковше погрузочной

6. В табл. 2 приведены замеренные на угольном разрезе "Между-речеаский" значения коэффициента разрыхления в ковше экскаватора ЭКГ-8 в зависимости от гранулометрического состава габаритной взорванной горной массы (песчаники крепостью f = 6fI0).

Таблица 2

Процентное содержание фракций при крупности кусков, СУ Коэффициент разрыхления в ковше экскаватора Кр.и 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 100-120 120-140 65 17 10 6 2 0 0 1,38 60 18 10 6 6 0 0 I »41 60 14 6 14 I 2 3 1,44 55 14 5 8 8 2 8 1.49 60 5 II 4 4 6 10 1,58 55 5 13 14 3 4 6 1,57 38 15 3 6 16 6 16 1,63 40 10 II 5 19 2 13 1,66 35 II 6 12 9 12 15 I.7I 33 II II 17 15 7 6 1,73 28 13 7 10 12 II 19 1,77 30 9 II 8 12 9 21 1,79 19 II II 6 17 II 25 1,93 14 7 4 15 14 17 29 1,98 13 6 6 II 18 12 34 1,96

7. Коэффициент разрыхления в ковше вместимостью 6-12 м⁸ определяется по формуле [8]

*/>•«= ¹⁰"^{3 (1523} - ⁵*¹⁶ \-го * 2.52 х_и_„ + 12,2х_ычо +

^{+ 5}-⁸⁴‘‘so-so - °-²⁹⁶ Vmo ⁺    +    H.6t    _1го._1ЧО),

гд⁰ т-о-20 • ^хго-ьо> ***» ^х по-то - содержание фракций крупностью

соответственно 0-20, 20-40,..., 120-140 см, %.

II

Для экскаваторов с ковшом вместимостью более 12 и менее 6 м³ необходимо только изменить размеры фракций, приведенных в табл.2 и формуле, по которой определяется значение Кр.к » путем деления их на масштаб М:

К    ¹

Установлено, что = I Дт1»25 (большая величина соответ-

Ар.С

ствует большему выходу крупных фракций).

Более высокие значения коэффициента разрыхления пород в ковше экскаватора объясняются меньшими размерами этой емкости по сравнению с кузовом автосамосвала. Установлена параболическая связь между этими коэффициентами:

Vc I ₊ 0,7 Кр.к

8. Время цикла экскавации (с) определяется кусковатостью взорванной горной массы, выраженной коэффициентом разрыхления породы в ковше:

V/ (^р к) •

9. Техническая производительность экскаватора (м³/ч) определяется по формуле

5600 •£ • К

t^H] ^КР"

где £ - вместимость ковша экскаватора, м³;

£_ц - продолжительность цикла экскавации, о;

N - содержание кусков породы негабаритных размеров, %;

Кз - коэффициент экскавации;

К_н - коэффициент наполнения;

f - время, затрачиваемое на откидку одного куска породы " негабаритных размеров, с;

- средний объем одного куска негабаритных размеров, м³.

Анализ хронометражных наблюдений показал, что продолжительность цикла экскавации у экскаватора ЭКГ-8 равна 22 и 38 о при коэффициенте разрыхления, равном соответственно 1,35 и 1,90; средняя продолжительность цикла экскавации с учетом затрат времени на откидку негабаритных куоков составляет соответственно

22-45 с.

12

10. Результаты расчета технической производительности акока-ватора в зависимости от степени дробления горных пород приведены в табл. 3.

Таблица 3

Выход негабарит- Техническая производительность механических лопат, мз/ч Коэффициент разрыхления в ковше экокаВатора них куо-ков, % при вмеотимоотн ковша экскаватора, м3 к 4,6 8 12,5 20 1.3 0 620 1000 1440 2000 1.4 2 550 900 1270 1800 1.5 4 460 760 1070 1520 1.6 5 360 600 850 1200 1.7 7 280 470 660 940 1.8 9 220 370 520 740 1.9 12 170 290 410 580 2,0 16 130 220 310 440

11.    Эффективность применения на разрезах различных видов транспорта цикличного действия (железнодорожного, автомобильного, скипового и др.) в значительной степени зависит от использования вместимости кузовов, что в свою очередь тесно связано с характером дробления погружаемой в них горной массы. С увеличением коэффициента разрыхления пород фактическая грузоподъемность транспортных средств снижается, время их погрузки возрастает, а следовательно, уменьшается производительность транспортного оборудования.

12.    Коэффициент использования грузоподъемности определяется по формуле

n₌JaJ— .

¹ ЧаКр-с

Техническая производительность автосамосвалов с учетом куско-ватости горной массы Q_a (м?/ч) определяется по выражению

1.^а—Пь ^й-Г

и,к_Р/ *}'

где V_a - объем погруженной горной массы в автосамосвале, м³; у - объемный вес порода в целике, т/м⁸;

Q₃ - техническая производительность экскаватора, м³/ч;

to- затраты времени на движение автосамоовала с грузом и без груза, ч;

X - затраты времени на разгрузку и маневры, ч;

д_а - конструктивная грузоподъемность автосамосвала, т.

В табл. 4 приведены расчетные показатели коэффициента использования грузоподъемности г автосамосвалов и их технической производительности Q_a (м³/ч) в зависимости от гранулометрическо става пород при = 0,135 ч, Т = 0,02 ч, = 2,5 т/м³.

Таблица 4

Коэффициент разрыхления в кузове автосамосвала *р.е Тип автосамоовала БелАЗ-540 БелАЗ-548 БелАЗ-549 ч Qe Ч Аа Ч Qa 1.2 1.2 50 1,15 75 1.0 125 1.3 1,12 45 1,07 65 0,93 НО 1.4 1,05 40 1.0 55 0,87 95 1.5 0,97 32 0,92 50 0,80 80

13. Изменение гранулометрического состава взорванной горной массы от сетки расположения скважин различного диаметра при отбойке крепких песчаников крупноблочной структуры зарядами рациональной конструкции с активной забойкой представлено на рис. 2.

Ъ

Рио. 2. Графики зависимости выхода фракций В_ф от их крупнооти для трудновзрываемых пород при скважине диаметром 150 1а)    ■

214 мм (б):

14.    Вопрос о рациональных параметрах взрывных работ как при существующей, так и при циклично-поточной технологии решается путем определения области минимальных приведенных затрат по основным процессам на I м³ взорванной горной массы.

15.    Реализация разработанных алгоритмов экономико-математической модели общих затрат на ЭВМ позволила определить условия применения эффективных методов взрывных работ, при которых обеспечивается наибольшая производительность экскавационного и транспортного оборудования при наименьших (минимальных) приведенных затратах.

16.    Наиболее эффективный диаметр скважин при дроблении крепких песчаников крупноблочной структуры для нормальной работы экскаваторов ЭКГ-4,6 и ЭКГ-8 составляет 132-150 мм. Установлен®, что минимум общих затрат соответствует сетке расположения скважин 3,5x3,5 или 3x4 м.

17.    При выборе параметров взрывных работ для условий сильнотрещиноватых пород и пород небольшой крепости целесообразно исходить из условия стоимости бурения и максимального выхода горной массы с I м скважины. Диаметр скважин для этой категории пород равен 200-300 мм и более.

18.    Рекомендуемые методы и рациональные параметры взрывных работ при использовании зарядов новой конструкции с активной забойкой приведены в табл.5.

У. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА СОЗДАНИЯ ЗАРЯДОВ С ВОЗДУШНЫМИ ПРОМЕЖУТКАМИ И АКТИВНОЙ ЗАБОЙКОЙ

I. Образование воздушных промежутков осуществляется различными способами;

а)    с помощью полиэтиленового скважинного затвора, предложенного лабораторией новой технологии разработки месторождений открытым способом ИГД им. А.А.Скочинского;

б)    с помощью помещенных в скважины полиэтиленовых надувных цилиндров, предложенных разрезом "Междуреченский" ПО "Квмврово-уголь";

в)    при использовании вспененного гранулированного полисте-рода;

г)    при установке в месте воздушных промежутков простых деревянных приспособлений ("катуиек");

д)    с помощью пустотелых картонных цилиндров, помещенных в скважины;

Мвтодичеокив указания разработаны на основе теоретических и промышленных исследований, проведенных о целью определения эффективных методов дробления горных пород взрывом о учетом влияния овойотв пород на степень их дробления, а также влияния куоковатости взорванной горной маосы на производительность экскаваторов и транспортного оборудования. Рекомендуемые параметры взрывных работ при рациональной конструкции заряда о активной забойкой скважин установлены применительно к вскрышным породам угольных месторождений Кузбасса на оонове реализации экономико-математичеокой модели общих затрат. Предложены различные способы и средства ооздания зарядов о воздушными промежутками и активной забойкой, а также приведены примеры расчета параметров конструкции скважинных зарядов.

Мвтодичеокив указания разработаны под научным руководством акад. Н.В.Мельникова и докт.техн.наук Л.Н.Марченко группой авторов в составе канд.техн.наук Н.П.Сеинова, канд.физ.-мат.наук И. Ф.Барикова, канд.техн.наук Б.С.Валиева, инж. В.С.Кудряшова.

Методические указания предназначены для работников угольных разрезов и проектных организаций. Кроме того, они могут быть использованы на карьерах других отраслей промышленности.

Институт горного дел» им. А. А. Скочииского (ИГД им. А. А. Скочииского). 1979

I. ОБЩИЕ ПОЛОШШЯ

1.    Дальнейшее развитие открытой угледобычи в СССР предусматривает резкое повышение производительности труда на основе высокой концентрации производства, применения мощного и высокопроизводительного горного и транспортного оборудования, внедрения новых технологических схем и других достижений науки и техники.

2.    Производительность экскавационного и транспортного оборудования в значительной мере определяется степенью дробления горных пород взрывом.

На многих угольных разрезах техническая производительность экскаваторов из-за низкого качества подготовки горной массы взрывом в 2-3 раза ниже номинальной. Несмотря на высокий удельный расход ВВ, выход негабаритных кусков при отбойке крепких пород крупноблочной структуры достигает 10-15#.

3.    При применении поточных схем производства открытой разработки месторождений с крепкими вмещающими породами к методам ведения взрывных работ предъявляются более жесткие требования, способствующие достижению высокой степени дробления пород, удобного расположения взорванной горной массы на рабочей площадке уступа и снижению разлета кусков породы.

4.    Важнейшей задачей взрывных работ является увеличение эффективности действия взрыва с целью получения необходимой куско-ватости раздробленной горной массы, при которой достигается наибольшая производительность горного и транспортного оборудования как при существующей - цикличной технологии, так и при цикличнопоточной, а в дальнейшем и поточной технологиях разработки скальных пород.

5.    На основании исследований, выполненных в лаборатории новой технологии разработки месторождений открытым способом ИГД им. А.А.Скочинского, установлено, что одним из путей значитель-

3

ного улучшения качества подготовки горных пород взрывом является повышение коэффициента полезного использования его энергии за счет рационального ее перераспределения во времени и пространстве. Результаты этих исследований использованы при разработке рациональной конструкции заряда - заряда с воздушными промежутками [I] и активной забойкой скважин, а в дальнейшем и многоточечного инициирования зарядов.

П. РАЦИОНАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЗАРДЦА С ВОЗДШШЫМИ ПРОМЕЖУТКАМИ И АКТИВНОЙ ЗАБОЙКОЙ

I. Под зарядом с воздушными промежутками понимается удлиненный скважинный заряд, рассредоточенный по его длине на две или более частей воздушными промежутками при одновременном инициировании отдельных его частей (рис. I).

а    5    5

Рио. I. Рациональная конструкция ааряда с активной забойкой:

I - ожважжкяый заряд ВВ; 2 - воздушные промежуток; 3 - инертный забоечкыВ материал; 4 - заряд в забоечвоы материале; 5 - пыж

Применение воздушных промежутков между зарядом и стенкой скважины (кольцевой зазор) для интенсивного дробления породы не допускается.

2. Активная забойка является дальнейшим развитием эффективной конструкции заряда и предназначена для повышения степени герметизации скважины, что способствует увеличению продолжительности воздействия продуктов детонации на разрушаемую среду.

4

Активная забойка состоит из инертного материала, в середине которого расположены один или несколько небольших зарядов ВВ общей массой около 3% массы скважинного заряда. Взрывание этих зарядов производится одновременно со скважинным зарядом. Для активной забойки применяют ВВ (аммониты), чувствительные к инициирующему импульсу детонирующего шнура (см. рис. I).

3.    В результате экспериментальных исследований установлено, что при взрыве зарядов с воздушными промежутками качественно изменяется механизм передачи энергии взрыва горной породе. Это изменение основано на снижении величины "пикового" давления и значительном увеличении времени полезного воздействия продуктов взрыва на окружающую среду.

Определено, что энергию ВВ при взрыве заряда более рационально передавать в среду не мгновенно одной мощной волной сжатия, а системой последовательных волн с меньшими амплитудами напряжений.

4.    Многократное нагружение горных пород осуществляется путем изменения внутренней газодинамики в скважине, при которой ударные волны и газовые потоки, образованные взрывом отдельных частей заряда, взаимодействуют в области воздушного промежутка. При столкновении ударных волн и торможении газовых потоков в. центре воздушного промежутка возникает область повышенного давления, от которой в обе стороны начинают двигаться ударные волны. Ударные волны, движущиеся вдоль оси скважины, генерируют в окружающей среде волны сжатия. Таким образом, горная порода, находящаяся под действием сжимающих напряжений, испытывает дополнительное воздействие в виде волн сжатия. Многократное нагружение среда приводит к значительной интенсивности роста системы трещин, что обеспечивает более равномерное и качественное дробление всего объема горной порода.

5.    При режиме многократного импульсного воздействия взрыва на среду количество энергии, передаваемой среде в энергетически более выгодной форме, повысится в 1,5 раза [ 2].

6.    Применение активной забойки способствует задержке преждевременного выброса продуктов взрыва из устья скважины, что приводит к снижению потерь энергии взрыва заряда и более полному использованию ее на дробление горных пород. При взрыве зарядов, расположенных в забоечном материале, в нем возникает большое давление, под действием которого за счет бокового распора в месте контакта забоечного материала со стенками скважины возникают

5

значительные по величине силы трения, препятствующие движению забойки вдоль скважины [3].

7.    Результаты опытно-промышленных исследований показали, что при использовании активной забойки примерно в два раза увеличивается продолжительность действия продуктов взрыва на окружающую среду и уменьшаются потери энергии ЗВ за счет снижения скорости и количества выброшенных в атмосферу газов взрыва по сравнению с обычной забойкой,

8.    Метод скважинных зарядов с воздушными промежутками и активной забойкой основан на одновременном инициировании всех частей заряда, а не на передаче детонации от одной его части к другой. Это условие практически достигается путем прокладки детонирующего шнура по всей длине скважины.

9.    Заряды с воздушными промежутками рекомендуется применять в сухих и слабо обводненных скважинах, когда высота столба воды в ней не превышает 15-20# глубины скважины (см. рис„ 1,а).

10.    В сильно обводненных скважинах, когда более-3/4 заряда находится в воде и создание воздушных промежутков невозможно, применяются сплошной скважинный заряд и полная активная забойка.

11.    Опытным путем установлено, что для дробления вскрышных пород угольных месторождений в качестве активной забойки достаточен один заряд малой величины, размещаемый в массе инертного забоечного материала на расстоянии от устья скважины 0,5-0,6 длины незаряженной части скважины.

Масса заряда активной забойки для скважин диаметром 214 и 243 мм равна 5-12 кг и для скважин диаметром 150 мм - 5-7 кг.

12.    При зарядах, рассредоточенных воздушными промежутками между верхней частью заряда и зарядом активной забойки, рекомендуется оставлять воздушный промежуток, длина которого определяется по формуле

1_Bjt (0,4-0,6)*, ,

где £₃ - длина забойки, м.

13.    При использовании зарядов с воздушными промежутками и активной забойкой на 15-20# снижается удельный расход ВВ и повышаются степень и равномерность дробления пород, за счет чего производительность экскаваторов увеличивается на 20-30#.

6

Ш. РАСЧЕТ ЗАРЯДОВ С ВОЗДУШНЫМИ ПРОМЕЖУТКАМИ И АКТИВНОЙ ЗАБОЙКОЙ

1.    Сопротивляемость горных пород разрушению взрывом определяется, главным образом, крепостью пород и структурными особенностями взрывного массива (микро- и макротрещиноватостью),

2.    Методы и параметры взрывных работ, ВВ и способов инициирования должны зыбираться с учетом крепости пород и структурных особенностей взрываемого массива (трещиноватости и слоистости).

3.    Вскрышные породы угольных месторождений классифицируются по взрываемости на три категории (табл. I) [4]. Наиболее трудно-взрываемыш породами являются крепкие песчаники (/ = 8тЮ) крупноблочной структуры.

4.    Масса заряда взрывчатого вещества в скважине определяется по обычно принятым формулам.

5.    В тех случаях,когда размещение заряда при оптимальных соотношениях воздушных промежутков и частей заряда приводит к значительному уменьшению длины забойки (незаряженной части скважины) , а последняя регламентирована требованиями техники безопасности, масса заряда Цф(кг) уменьшается до пределов, позволяющих иметь требуемую длину забойки:

Qtp - Ц_р ~ Р £ \ _п ,

где 5^ ” фактическая масса заряда в скважине, кг;

Q - расчетная масса заряда в скважине, определенная при р минимально допустимой длине забойки, кг;

Р - вместимость скважины, кг/м;

£ Н_й и- суммарная длина воздушных промежутков в скважине (за исключением длины воздушного промежутка между зарядом и забойкой), м.

В этом случае достигается сокращение удельного расхода ВВ при улучшении качества дробления горных пород.

Суммарная длина воздушных промежутков Zh_{B п}М определяется по следующим формулам:

а)    для пород с/ *10

Zh_Bjf= К (0,15 ₊ 0*20)'£_зар;

б)    для пород с / = 8fI0

Zh_6jf К (0,20 + 0,25) • t_3ap •

в)    для пород с / = 6т8

Гй_5>/7 = ^к (°*^{25 +} 0,30)• £зар i

00

Категория пород по взрываемости	Твпжчяые породы
Ле гковзрывав е, f - До 6	Але врал гы в алевролитовые песчаники серого ж текно-серого цвета. Выветренные песчаника желто-серого цвета. Породы свльнотрекЕноватые.
Сре дав взрываете, f - бтб	Песчаяхкж серые, теиыо-се-рые. жрунао-. средне- ■ ыедкоэе роста. Перемежаемость песчаников со СЛОЯМ! адевродатов. Породы средяетрважноватве.
Трудновзрыва-f ^8fl0	Песчаники серые, средне- ж мелкозвонис г-е на гсемнв- сто-шдрослцдвстсы цемвн-те норового тхпа, граве лл-ты. Породы крупноблочно! структуры.

Плотность, т/м3	Предел прочности на схатие, кг/см2	Акустическая жесткость, г/сы3.си/с,105	Средний диаметр куска естественных отдельностей. м	Содержание в массиве
2,40-2,58	300-600	До 3	0,6	ДО 40
2,48-2,52	600-800	3-4	1.5	40-80
2,5-2,6	800-1000	4	2.1	80

г) душ пород с/ = 2т6

гh_e._n= к (о.зо + о,зь)-е_эар.

где К - коэффициент, учитывающий направление скважин (для вертикальных скважин К = I, для наклонных скважин, параллельных откосу уступа,К = I,2*1,3 (для пород с f до 8) и Л = 1,4*1,6 (для пород с f более 8);

£_30гр - длина заряда ВВ, м.

6.    Количество частей заряда принимается в зависимости от горно-геологических условий и высоты уступа.

Опытным путем установлено, что душ достижения значительного улучшения дробления при высоте уступа 10-20 м достаточно рассредоточить заряд на две-три части.

7.    Длина каждого воздушного промежутка К_в,,₇ См) определяется в зависимости от диаметра скважин и категории пород по взрываемости:

душ трудновзрываемых

Ь-в.Р ~ (8*9) (tggp ;

для средневзрываемых

hg.n * (9fI0)d_5Qp ;

для легковзрываемых

hв п ~ (10*12) dgap •

8.    Количество воздушных промежутков в скважине определяется путем деления суммарной высоты воздушных промежутков на длину воздушного промежутка:

£ hg.n _t hff.n

9.    Оптимальная длина воздушного промежутка и их количество для конкретных условий уточняются опытным путем.

10.    При рассредоточении скважинного заряда на две части одним воздушным промежутком масса нижней части заряда Q^(kt) равна

Ц₁ = (0,6*0,7)Q_f ,

масса верхней части заряда Qz равна Ц₂ = (0,4*0,3) Ц<р .

11.    В случае рассредоточения вертикального скважинного заряда на три части и более масса нижней части может быть умень-

9