книги из ГПНТБ / Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие
.pdf
Э. О. МИНДЕЛИ
РАЗРУШЕНИЕ
ГОРНЫХ
ПОРОД
ДОПУЩ ЕНО МИНИСТЕРСТВОМ ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО
СПЕЦИАЛЬНОГО О БРА ЗО В А Н И Я СССР
ВКАЧЕСТВЕ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ
ДЛ Я СТУДЕНТОВ ГОРН Ы Х СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ ВУЗОВ
МОСКВА - « Н Е Д Р А » - 1974
УДК [622.236.4 : 622.235 : 622.233] (075.8)
|
|
Мпнделп Э. О. Разрушение горных пород. М., «Недра», 1975. |
|||
|
|
600 |
с. |
|
рассмотрен весь комплекс вопросов, связанных |
|
|
В |
книге |
||
|
|
с производством буровзрывпых работ па горнодобывающих |
|||
|
|
предприятиях. Приведены фпзпко-механическпе свойства |
|||
|
|
горных пород и их классификация; изложена физическая |
|||
|
|
сущность процесса разрушения горных пород; описаны спо |
|||
|
|
собы бурения и буровое оборудование. Даны основы теории |
|||
|
|
взрывчатых веществ, описаны новейшие ВВ и средства взры |
|||
|
|
вания, приведены правила обращения, хранения и перевозки |
|||
|
|
взрывчатых |
материалов. Изложена теория ударных волн |
||
|
|
п волн напряжения в различных средах, методика исследова |
|||
|
|
ний процесса взрывного разрушения с помощью новейшей |
|||
|
|
электронной и оптической аппаратуры. |
|||
|
|
Рассмотрены вопросы технологии и организации, механиза |
|||
|
|
ции п автоматизации буровзрывного цикла, а также безопас |
|||
|
|
ности и эффективности буровзрывных работ, включая условия |
|||
|
|
шахт, опасных по газу пли пыли. Приведены примеры скоро |
|||
|
|
стных проходок горных выработок с применением взрывных |
|||
|
|
работ. |
|
|
|
|
|
Книга предназначена в качестве учебного пособия для |
|||
|
|
студентов горных вузов и факультетов и может быть полезна |
|||
|
|
пнженерно-технпческпм работникам производства, проект |
|||
|
|
ных п научно-исследовательских институтов горнодобыва |
|||
|
|
ющей промышленности. |
|||
|
|
Табл. 99, |
ил. 299, список лит. — 96 назв. |
||
|
Д!1 |
|
~ |
Гсс. публичная |
|
|
|
. |
i |
k f i V 4 4 0 - ' * S X H H 4 t f C 4 a ^ |
|
\ |
j d ’ |
Ъ 1 |
1 \ бибшю.ока СССР |
||
Ч |
|
|
|
ЭКЗЕМПЛЯР |
|
|
|
|
| |
М ^ Т кЛ Ь И О ГО |
|
м |
30705—554 |
278—74 |
|
043(01)—75 |
© Издательство «Недра», 1974 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
В Советском Союзе ежегодный прирост продукции горнодобы вающей промышленности составляет более 8%, и через 8—10 лет объем добычи удваивается. Темпы развития горного производства полностью соответствуют требованиям быстро развивающегося на родного хозяйства и отдельных отраслей промышленности страны. Минерально-сырьевая база СССР позволяет развивать добычу та кими темпами по всем видам полезных ископаемых.
Основными технологическими процессами горного производства являются выемка (отбойка) горных пород и полезных ископаемых, погрузка и их транспортирование. Для осуществления отбойки широко применяются буровзрывные работы, и они будут играть значительную роль в горнодобывающей промышленности на ближай шие десятилетия.
По мере дальнейшего насыщения горных предприятий высоко производительной погрузочно-транспортной техникой, применения поточной и циклично-поточной технологии, разработки АСУ горных предприятий требования к качеству дробления горных пород будут возрастать, так как эффективность погрузки и транспортирования определяется степенью и равномерностью дробления взорванной породы.
В зависимости от степени оптимизации параметров буровзрыв ных работ могут существенно изменяться и технико-экономические показатели последующих операций. Например, производительность выпуска руды при подземной добыче, производительность экскава торов на карьере или погрузочной машины в шахте в зависимости от качества дробления может изменяться в 2—3 раза.
Расчеты показывают, что коэффициент использования энергии взрыва на разрушение составляет 10—15%. Поэтому управление действием взрыва с целью получения заданной степени дробления среды и повышения коэффициента использования выделяемой энер-
3
тип представляет важнейшую народнохозяйственную проблему. 'Следует отметить, что на протяжении многих лет ученые и инженеры неоднократно пытались решить эту проблему.
Современные достижения в области эффективного и безопасного' использования ВБ в горной промышленности неразрывно связаны
•с трудами выдающихся русских ученых.
Проф. М. М. Протодьяконов еще в 1911 г. доказал, что любое ■сопротивление среды, в том числе и сопротивление горной породы взрыву, пропорционально ее сопротивлению сжатию, что позволило ■ему предложить свою знаменитую классификацию горных пород по относительной крепости, которая до пастоящего времени не потеряла ■своего значения и используется во многих инженерных расчетах.
Работы акад. А. А. Скочинского и его учеников позволили научно подойти к проблеме безопасности применения ВВ в шахтах опасных по газу или пыли.
Большие заслуги в развитии взрывного дела принадлежат акад. А. М. Терппгореву, который в последние годы жизни воз главлял Междуведомственную комиссию по взрывному делу.
Значительный вклад в развитие буровзрывных работ внес акад. II. В. Мельников. Под его научным руководством и непосред ственном участии были разработаны новые прогрессивные методы ведения взрывных работ и конструкции зарядов с воздушными промежутками, предложен комбинированный инструмент для бурения крепких пород на открытых разработках, созданы и вне дрены в горнодобывающую промышленность простейшие ВВ — пгдапиты, пфзаниты, позволившие не только механизировать, но п удешевить производство взрывных работ. При непосредственном участии Н. В. Мельникова в 1967 г. был спроектирован и осуществлен гигантский направленный массовый взрыв, создавший противоселевую плотину на р. Алмаатинке.
Развитие теории действия взрыва и ударных волн в твердой среде связано с именами акад. М. А. Лаврентьева, М. А. Садовского, Я. Б. Зельдовича, Л. И. Седова, проф. Г. И. Покровского, Ф. А. Ба ума, О. Е. Власова, А. Ф. Беляева, В. А. Ассоиова и др.
В настоящее время на основе глубокого изучения физической сущности процессов детонации зарядов и разрушения пород взрывом предложены различные методы управления действием взрыва при подземной и открытой разработке месторождений, которые при умелом их применении существенно повышают эффективность взрыв ных работ.
4
Промышленные эксперименты подтверждают возможность при менения ядерных взрывов для дробления и выброса. Достижения лазерной техники позволяют надеяться на возможность создания установок для разрушения пород и бурения. Для применения электрофизических способов разрушения пород (например, высоко частотного) в промышленных масштабах потребуется еще длитель ное время. Поэтому дальнейшее усовершенствование техники и тех нологии буровзрывных работ и средств механизации их является неотложной задачей науки и техники на ближайшую перспективу.
В связи с ростом и усложнением экономики, развитием научнотехнической революции, совершенствованием общественных отно шений и подъемом культуры подготовка образованных, высококва лифицированных специалистов, обладающих широким теоретиче ским и политическим кругозором, является одной из важнейших задач Коммунистической партии, Советского государства.
В настоящем учебном пособии, написанном для студентов горных вузов и факультетов, освещен весь комплекс вопросов, связанных с ведением буровзрывных работ при выемке полезных ископаемых и проведении горных выработок. Изучение приведенного в учебном пособии материала позволит понять сущность физических процессов разрушения скальных пород при бурении и взрывании, овладеть техникой и технологией выполнения буровзрывных работ, ознако миться со спецификой буровзрывных работ в лавах и подготовитель ных выработках угольных шахт, рудников и карьеров, приобрести необходимые знания с тем, чтобы при огромном разнообразии раз рабатываемых горных пород, различных средств бурения и способов взрывания можно было бы выбрать для каждого конкретного случая наиболее оптимальные параметры буровзрывного комплекса.
Автор выражает глубокую признательность коллективу Отде ления физико-технических методов разрушения горных пород ИГД им. А. А. Скочинского за помощь, оказанную при подготовке руко писи докторам технических наук В. Л. Шухману, Б. Д. Росси,
Н. Ф. Кусову, кандидатам технических наук С. П. |
Левчику, Н. С. Ро |
||
дионову, Б. Н. Кукибу, |
3. А. Однопозову, |
Д. |
И. Адамидзе, |
Ш. Г. Гамсахурдия, С. |
В. Островидову, О. |
А. |
Эделыптейну, |
В. И. Пшеничному, Ю. А. Авакяну, Г. И. Марцинкевичу, Е. С. Ва толину, А. А. Корнееву, А. А. Кузнецову и рецензентам докторам технических наук Б. Н. Кутузову и А. Н. Ханукаеву.
Все замечания и пожелания, направленные на улучшение содер жания книги, автор примет с благодарностью.
О С Н О В Н Ы Е П О Н Я Т И Я И Т Е Р М И Н Ы
Б у р е н и е — процесс образования в массиве или блоке горной породы искусственных углублений с помощью бурового инструмента.
Ш п у р — цилиндрическое углубление, пробуренное в горной породе, диаметром до 75 мм, глубиной до 6 м.
С к в а ж и н а — цилиндрическое углубление, пробуренное в гор ной породе, диаметром более 75 мм, глубиной более 6 м.
К а м е р а — п о л о с т ь (зарядная камера), образованная в горной породе для размещения заряда ВВ значительной массы.
К о т е л — п о л о с т ь , образованная в горной породе путем взрыванпя небольших зарядов на забое шпура или скважины. Слу жит для размещения сосредоточенного (котлового) заряда ВВ.
В р у б — система шпуров или скважин, включая и незаряжен ные, предназначенная для образования дополнительной обнаженной поверхности.
В з р ы в ч а т ы е в е щ е с т в а (ВВ) — химические соедине ния (или смеси), обладающие способностью к быстрому (взрывча тому) превращению под воздействием начального импульса с выде лением энергии и образованием значительных объемов газов, име ющих высокое начальное давление и температуру.
З а р я д ВВ — определенное количество ВВ, снабженное ини циатором, подготовленное к взрыву.
И н и ц и а т о р — любое средство взрывания, дающее началь ный импульс заряду ВВ, вызывающий его детонацию.
Д е т о н а ц и я — процесс взрывчатого разложения ВВ при прохождении по нему детонационной волны.
В з р ы в а н и е — процесс детонирования заряда ВВ или группы зарядов.
6
П а т р о н - б о е в и к |
( п р о м е ж у т о ч н ы й д е т о н а |
|
т о р ) — патрон ВВ, снаряженный инициатором, |
предназначенный |
|
для инициирования основного заряда ВВ. |
|
|
В з р ы в — химический, |
физический или |
ядерный процесс, |
в результате которого в течение малого промежутка времени выде ляется большая энергия.
Н а ч а л ь н ы й и м п у л ь с — минимальное внешнее воз действие (механическое, электрическое), необходимое для возник новения самораспространяющейся реакции взрывчатого превраще ния в объеме ВВ.
К и с л о р о д н ы й б а л а н с — число, показывающее избы то к (-|-) или недостаток (—) кислорода для окисления горючих ве ществ, входящих в состав ВВ, выраженное в процентах.
У д а р н а я в о л н а — волна сжатия, проходящая по среде со сверхзвуковой скоростью. Прохождение ударной волны по среде сопровождается скачкообразным изменением плотности, давления и температуры.
Ф р о н т у д а р н о й в о л н ы — граница раздела между возмущенной и невозмущенной областями среды при прохождении
по ней |
ударной волны. |
|
Д е т о н а ц и о н н а я |
в о л н а — ударная волна, прохо |
|
дящая |
через ВВ с определенной постоянной сверхзвуковой ско |
|
ростью |
и вызывающая его |
взрывчатое разложение (детонацию). |
В о л н а о т р а ж е н и я — волна, возникающая при отраже нии волны сжатия от преграды пли границы сред с различной плотностью.
В о л н а н а п р я ж е н и я — возмущение среды, при котором изменяются параметры ее состояния (напряжение, плотность, темпе ратура).
В о л н а |
р а с т я ж е н и я (разгрузки) — волна, которая про |
ходит по среде, вызывая в ней падение напряжений. |
|
В о л н ы |
п о в е р х н о с т н ы е ( Ре л е я ) — упругие волны, |
распространяющиеся по поверхности среды от источника, помещен ного внутри ее.
П р о д о л ь н а я в о л н а — волна напряжения, распростра няющаяся по среде в направлении ее движения.
7
П о п е р е ч н а я ( с д в и г о в а я ) в о л н а — волна, рас пространяющаяся по среде, смещение частиц в которой перпенди кулярно направлению распространения продольных волн.
В о л н а |
п р е л о м л е н н а я |
— волна, перешедшая через |
границу раздела сред с различными |
характеристиками. |
|
З а б о й к а — пробка (или оболочка) из инертного материала (мелкозернистого, пластичного или жидкости), помещаемая в шпур или скважину вслед за зарядом и предназначенная для повышения эффекта взрыва и для обеспечения безопасности при взрывании.
К о р о т к о з а м е д л е н н о е |
( м и л л и с е к у н д н о е ) |
в з р ы в а н и е — способ взрывания |
зарядов с весьма малыми |
(измеряемыми тысячными долями секунды) интервалами замедления,
И н т е р в а л з а м е д л е н и я — промежуток времени между взрывами предыдущего и последующего зарядов ВВ.
К р и т и ч е с к и й д и а м е т р — минимальный диаметр за ряда, при котором происходит детонация ВВ.
К у с к о в а т о с т ь |
( г р а н у л о м е т р и ч е с к и й с о |
с т а в ) — характеристика |
дробления отбитой горной породы. |
Л и н и я н а и м е н ь ш е г о с о п р о т и в л е н и я (л. н. с.) — кратчайшее расстояние от центра заряда до свободной поверхности.
Н е г а б а р и т — крупные куски горной породы, требующие вторичного дробления.
РАЗДЕЛ I
БУРОВЫЕ РАБОТЫ И МАШИНЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ШПУРОВ И СКВАЖИН
Г л а в а I
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД И СПОСОБЫ ИХ РАЗРУШЕНИЯ
§ 1. Общие сведения о свойствах горных пород
Физико-механические свойства горных пород оказывают большое влияние на эффективность их разрушения. В зависимости от свойств горных пород выбираются способы разрушения (бурения, взрыва ния), тип и конструкция бурового инструмента и бурильных машин, тип ВВ, величина заряда, число и схема расположения шпуров и скважин. Без знания физико-механических свойств горных пород нельзя правильно использовать существующие и создавать новые методы и средства разрушения горных пород.
Физические свойства горных пород. Горные породы имеют, как правило, кристаллическое, строение. В зависимости от числа минералов, входящих в их состав, породы делятся на моно- и иолиминеральные. Свойства пород обусловлены их составом, строением (структурными п текстурными особенностями), условиями деформи рования и др.
По характеру и размерам кристаллов, из которых образуются горные породы, различают следующие кристаллические структуры: равномернозернистую, разнозернистую, порфировую (в мелкозерни стой породе вкраплены кристаллы больших размеров), сферолитовые и оолитовые (встречаются только в осадочных породах).
Для минеральных цементов распространены следующие основные структуры: монокристаллическая, регенерационная, механического заполнения и контактная.
Некоторые особенности строения горных пород заключаются
впреимущественной ориентировке зерен, слоистости, сланцеватости, пористости, трещиноватости и т. д. В этом случае следует говорить о текстуре горных пород. Если кристаллы ориентированы одинаково
вкаком-нибудь одном направлении, то текстура будет полной; при двух и более направлениях ориентировки зерен текстура счи тается ограниченной. Для большинства горных пород свойственно рассеивание текстуры, т. е. нарушение определенной ориентировки, что обусловливает неоднородность пород по физико-механическим свойствам. Основным текстурным признаком осадочных пород явля
9