2527
.pdfтакже вследствие понижения степени устойчивости выработки из-за сейсмического действия взрыва на массив и крепь выработки. Хотя в последнее время в скальных породах стали использовать шпуры глубиной до 5 6 м (практика проходки тоннелей в Швеции, Норвегии, США, Японии).
3.6. РАСПОЛОЖЕНИЕ ШПУРОВ В ЗАБОЕ
Расположение шпуров в плоскости забоя имеет весьма большое значение. Правильное расположение шпуров должно обеспечить максимальное использование глубины шпуров, т.е. величину заходки, создание близкого к проектному контура выработки, с наименьшим объемом переборов и недоборов, ровную поверхность подошвы и забоя тоннеля, небольшой разброс раздробленной породы, что особенно важно для производительной работы погрузочных машин. Кроме того, при выборе схемы расположения шпуров необходимо учитывать возможность наиболее простого и удобного забуривания шпуров. Шпуры располагают равномерно по всей площади забоя (рис. 3.13), но сущность работы шпуров по разрушению породы неодинакова, и поэтому все шпуры комплекта по условиям их работы делятся на несколько групп: врубовые, отбойные, контурные и почвенные (или подошвенные).
Рис. 3.13. Схема к расчету параметров БВР при разработке тоннеля сплошным забоем: wo, wk – линии наименьшего сопротивления соответственно отбойных и контурных шпуров; ao, ak, aП
– расстояния соответственно между отбойными, контурными и подошвенными шпурами; рk, рП – периметры по оси расположения соответственно контурных и подошвенных шпуров; So, SП, Sвр – площади сечения забоя, взрываемые соответственно
228отбойными, подошвенными и врубовыми шпурами
Врубовые заряды производят первоначальное разрушение в наиболее трудных условиях при наличии одной обнаженной поверхности. Их размещают обычно в центре сечения выработки. Отбойные заряды дробят основную массу породы в забое, контурные – придают выработке ее проектную форму по периметру, а почвенные – оформляют подошву выработки.
Расстояние между шпурами в первую очередь определяется крепостью породы и мощностью ВВ, необходимой для разрушения определенного объема породы. Наиболее эффективно разрушение породы происходит при действии взрыва от центра заряда в кратчайшем направлении до поверхности обнажения (рис. 3.14). Это направление называется линией наименьшего сопротивления (л.н.с.). По величине л.н.с. назначают расстояния между шпурами, распределяют равномерно по всему сечению забоя места расположения шпуров и затем определяют их необходимое число (см. рис. 3.13).
Рис. 3.14.
Линия наименьшего сопротивления: 1 – заряд ВВ;
2 – л.н.с.
2 |
2 |
1 |
1 |
229 |
|
Число шпуров в забое, необходимых для разрушения породы, определяется в зависимости от прочности, плотности и вязкости породы, формы и размеров сечения выработки, свойств ВВ и величины заряда.
3.7. ВРУБЫ
Главная задача при выборе расположения шпуров в забое сводится к размещению врубовых зарядов ВВ. Особенность подземных взрывных работ при разработке пород состоит в том, что взрываемая порода со всех сторон, кроме плоскости забоя, зажата. В этих условиях для более эффективного использования энергии взрыва, уменьшения расхода ВВ и снижения сейсмического воздействия на окружающий породный массив при дальнейшем разрушении породы в забое необходимо образовать дополнительные свободные плоскости, так называемые плоскости обнажения. Образование таких плоскостей достигается путем первоочередного взрывания врубовых шпуров, которые обычно на 10 длиннее всех остальных шпуров и имеют заряд повышенной мощности. Эти шпуры, расположенные по определенной схеме, образуют в массиве полость – вруб, который и служит дополнительной поверхностью обнажения, обеспечивая более благоприятные условия работы для остальных шпуров, в которых размещены заряды меньшей мощности, но вполне достаточные для разрушения породы.
Существуют различные схемы расположения врубовых шпуров, которые зависят от крепости, трещиноватости и слоистости породы, размеров выработки и применяемого бурового оборудования.
По принципу расположения врубовые шпуры можно разделить на две группы: шпуры, расположенные в зависимости от направления трещин и слоев в породах, пересекаемых выработкой, и шпуры, расположенные независимо от направления трещин и слоев в породах.
230
Врубовые шпуры первой группы действуют по принципу отрыва от массива по трещинам напластования, их называют отрывающими врубами или клиновыми. В зависимости от расположения трещин и характера залегания пересекаемых пород применяют следующие основные виды отрывающих врубов: вертикальный клиновой (в породах с вертикальным расположением трещин и слоев); горизонтальный клиновой (в породах с горизонтальным расположением трещин и слоев); нижний односторонний (в слоистых породах с падением трещин и слоев на забой); верхний односторонний (в слоистых породах с падением трещин и слоев от забоя); боковой (в трещиноватых породах и крутом их падении, когда выработка располагается по простиранию пород) (рис. 3.15). При большом сечении выработок и в крепких породах для увеличения эффективности взрыва применяют усиленные многоклиновые врубы (рис. 3.16).
Клиновые врубы чаще всего применяют при использовании перфораторов на пневмоподдержках в небольших выработках
а)
lk
б)
lk
Рис. 3.15. Виды клиновых врубов: а – односторонние; б – сходящиеся; 1 – верхний; 2 – нижний; 3 – боковой; 4 – пирамидальный; 5 – вертикальный; 6 – центральный; 7 – горизонтальный
231
шириной до 4 м и при глубине |
2 |
2 |
|||||||||
шпуров до 2 3 м. Клиновые вру- |
1 |
1 |
|
||||||||
бы обеспечивают возможность ис- |
2 |
2 |
|||||||||
пользования структуры породного |
1 |
1 |
|
||||||||
2 |
2 |
||||||||||
массива и хороший выброс породы |
|||||||||||
из врубовой полости, но дают |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
большой разброс ее от забоя. Это |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
часто приводит к нарушению ус- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
тойчивости временной крепи и |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
2 |
|
|
|||||||
снижению |
производительности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
погрузки породы. Существенными |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
недостатками отрывающих врубов |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
также являются: зависимость глу- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
бины шпуров от ширины выработ- |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ки вследствие их наклонного по- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ложения; сложность размещения |
Рис. 3.16. Усиленный много- |
||||||||||
шпуров и придания им заданного |
|
клиновой вруб; 1, 2 – после- |
|||||||||
угла наклона; трудность забурива- |
|
довательность взрывания |
|||||||||
ния и реальная возможность отклонения шпуров от заданного направления, особенно с увеличением их глубины.
Врубовые шпуры второй группы располагают перпендикулярно забою независимо от направления трещин и слоев породы и параллельно друг другу. Благодаря относительно сближенному расположению шпуров при взрыве (15 30 см) происходит не только отрыв породы от массива, но и разрушение ее между врубовыми шпурами. Врубы с таким расположением шпуров называются дробящими (разрушающими) или прямыми. Наиболее широко применяют в тоннелестроении следующие виды прямых врубов: призматический,щелевой,спиральный,прямой,ярусныйидр.(рис.3.17).
232
Рис. 3.17. Прямые врубы: а – щелевой; б – призматический с центральной скважиной; в – ярусный; г – спиральный; д – прямой; 1 4 – последовательность взрывания шпуров
Схемы прямых врубов предусматривают одновременное или последовательное взрывание шпуров, обычно сочетаемых с незаряженными шпурами или с центральной скважиной большого диаметра (75 105 мм), которые создают дополнительные поверхности обнажения и способствуют повышению эффективности взрыва.
Прямые врубы обеспечивают возможность получения заходки любой заданной величины и достаточную кучность взорванной породы. Их достоинствами также являются: простота обуривания забоя, умеренное сейсмическое и ударное воздействие на массив, возможность максимального использования бурового оборудования у забоя, а также полной механизации и автоматизации процесса бурения шпуров. Прямые врубы наиболее целесообразно применять при ведении буровзрывных работ в основных забоях тоннелей с использованием буровых рам и самоходных бурильных установок.
3.8. КОНТУРНОЕ ВЗРЫВАНИЕ
При проведении взрывных работ в тоннелях необходимо обеспечить максимальное соответствие фактического сечения выработки проектному. При обычном взрывании, когда заряды ВВ всех шпуров в забое и расстояния между ними одинаковы, возможны отклонения полученного контура выработки от проектного с образованием так называемых переборов. Переборы искажают форму выработки, увеличивают объемы работ по разработке породы и удалению ее из забоя, ведут к повышению расхода бетона (до 50 80 %) в связи с необходимостью заполнения пустот за проектным контуром выработки. Кроме того, при обычном взрывании проявляется сильное сейсмическое действие взрыва на горный массив вокруг тоннеля, что приводит к нарушению его сплошности и возникновению множества трещин,
233
приводящих к ослаблению массива и увеличению горного давления на обделку и притока подземных вод к тоннелю.
Поэтому для обеспечения максимального соответствия фактического сечения выработки проектному, уменьшения переборов и снижения сейсмического действия взрыва применяют контурное взрывание. Оно отличается от обычного способа взрывания особой конструкцией заряда контурных шпуров, взаимным расположением этих шпуров, соотношением диаметров шпуров и патронов ВВ, применением более слабых и низкобризантных ВВ и очередностью взрывания шпуров.
Практикой взрывных работ доказано, что если по контуру выработки пробурить ряд сближенных шпуров, а затем их взорвать зарядами, уменьшенными по сравнению с отбойными и имеющими диаметр значительно меньший, чем диаметр шпуров, то контур выработки будет ровным и строго соответствовать проекту.
Такое действие зарядов объясняется тем, что вследствие применения сближенных зарядов с малой плотностью заряжания растягивающие напряжения, возникающие в результате взрыва, хотя и превышают предел прочности породы на растяжение, но все же значительно меньше предела прочности среды на сжатие. Поэтому по линии расположения шпуров образуется щель с ровной, неразрушенной поверхностью контура выработки, на которой сохраняются четкие следы шпуров.
Для образования ровной поверхности контура эффективно применяют шпуры с профильными надрезами. Профильные надрезы, являясь концентраторами напряжений, обуславливают возникновение растягивающих тангенциальных напряжений и развитие трещин, т.е. разрушение массива, в задаваемом направлении раньше, чем оно возникает в других местах периметра контура выработки. Надрезы в шпурах ослабляютсопротивление массива разрушению и позволяют уменьшить массу заряда, не уменьшая расстояние между шпурами. Надрезы выполняют с помощью специальных насадок на буровых штангах при бурении шпуров.
Для зарядов контурных шпуров применяют маломощные ВВ с целью уменьшения дробящего действия. С этой же целью диаметр патронов принимают не более 32 мм, эффективны па-
234
троны малых диаметров – 24 и 28 мм. В сильнотрещиноватых породах иногда бывает достаточно вместо заряда ВВ использовать 2 4 нитки ДШ, сложенные в шпуре. Наилучшие результаты оконтуривания, по опыту Швеции, получаются при соотношении диаметров шпуров и зарядов: dш
dзар 2 3.
Конструкцию заряда ВВ в контурных шпурах принимают рассредоточенной, с воздушными промежутками между патронами ВВ или с заполнением их деревянными прокладками (рис. 3.18). При больших расстояниях между патронами (прокладки длиной 100 150 мм) в шпуре размещается детонирующий шнур для детонации взрыва.
Воздушные промежутки по длине заряда, а также между стенками патрона и шпура тормозят действие взрыва контурных зарядов и направляют его в сторону выработки. Количество ВВ на 1 пог. м шпура не должно превышать 200 450 граммов.
Контурные шпуры должны быть расположены как можно ближе к стенам выработки, насколько это допускает буровое оборудование. Обычно шпуры бурят на расстоянии 10 15 см от
Рис. 3.18. Конструкция контурных зарядов ВВ: а – в крепких монолитных породах; б – в крепких породах и при глубоких шпурах в породах средней крепости; в – в смешанных породах; 1,3 – патроны соответственно повышенной и пониженной бризантности; 2– боевик; 4 – деревянная прокладка; 5 – детонирующий шнур; 6 – забойка; 7 – деревянный полукруглый стержень
235
стенки с таким расчетом, чтобы конец шпура выходил точно на проектный контур выработки.
Расстояние между контурными шпурами по периметру контура выработки зависит от крепости породы и составляет в среднем 40 70 см (рис.3.19). От контурных до отбойных шпуров оставляют то же расстояние.
Рис. 3.19. Схема контурного взрывания: wk – линия наименьшего сопротивления контурных зарядов; ak – расстояние между шпурами; lk – длина шпура; lзах – глубина заходки
Контурные шпуры взрывают либо последними – в крепких и устойчивых породах, при этом смягчается действие взрыва на прилегающую породу, или первыми – в сильнотрещиноватых и слабоустойчивых породах. В этом случае по контуру выработки образуется сплошная щель, которая отражает ударную волну от взрыва основных зарядов.
3.9. КОРОТКОЗАМЕДЛЕННОЕ ВЗРЫВАНИЕ
Взабое тоннеля размещается большое количество зарядов
ВВ(до 150 200). Взрывание такого количества ВВ невозможно произвести одновременно из-за очень сильного ударного воздействия на тоннель и окружающий породный массив. При мгновенном взрыве возникает мощная взрывная волна, которая разбрасывает разрушенную породу далеко от забоя, может повредить временную крепь, породу дробит неравномерно с оставлением «негабаритов», ухудшает очертание контура выработки и создает
236
значительное сейсмическое воздействие на окружающий породный массив.
Для уменьшения разрушительного действия взрывной волны взрывание зарядов в забое производят не мгновенно, а постепенно – сериями, используя электродетонаторы короткозамедленного и замедленного действия.
При замедленном взрывании зарядов, используя электродетонаторы типа ЭДЗД с интервалом замедления от 0,5 до 10 секунд, устраняются некоторые недостатки мгновенного взрывания, так как взрывы выполняются небольшими группами зарядов. При этом фактически происходит ряд малых взрывов, следующих один за другим. Взрывная волна несколько уменьшается, но остается большой выход крупных кусков взорванной породы, относительно большое сейсмическое воздействие на массив и возможность оставления невзорвавшихся зарядов – «отказов».
Наиболее эффективным для разрушения породы в забоях больших сечений является короткозамедленное взрывание с интервалами между взрывами отдельных групп шпуров в сотые и тысячные доли секунды. Используются электродетонаторы типа ЭДКЗ с интервалами замедления от 15 до 50 100 миллисекунд. При таких интервалах очередной взрыв производится в то время, когда порода еще находится в напряженном состоянии, вызванном предыдущими взрывами, и при этом происходит взаимодействие взрывных волн. Соударение кусков породы, оторванных взрывами и находящихся в полете, обеспечивает их равномерное дробление. Кроме улучшения дробления породы снижается сейсмическое воздействие взрыва на окружающий породный массив, уменьшается разброс породы, повышается эффективность энергии, необходимой для разрушения породы.
3.10. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ
Качество буровзрывных работ при проведении выработок оценивается следующими показателями: коэффициентом использования шпуров (к.и.ш.), коэффициентом излишка сечения
237