книги из ГПНТБ / Кутузов, Б. Н. Взрывные работы учебник

а также в создание методов расчета зарядов для различных условий сделан докторами техн. наук А. Ф. Беляевым, Ф. А. Баумом, Г. П. Демидюком, М. М. Докучаевым, Г. И. Покровским, А. Ф. Сухано­ вым и др.

Фундаментальные исследования механизма разрушения горных пород взрывом проведены проф. Г. И. Покровским, и развиты в тру­ дах профессоров А. Н. Ханукаева, Ф. И. Кучерявого, М. Ф. Друкованого и др.

Большой вклад в разработку теоретических основ действия и моделирования взрыва сделан проф. О. Е. Власовым. Примененный им метод моделирования с помощью электрогидродинамических аналогий (метод ЭГДА) широко применяется для решения ряда задач взрывного дела.

С начала 50-х годов на карьерах СССР начинает внедряться короткозамедленное взрывание, которое обеспечило переход от од­ норядного к многорядному взрыванию, позволило существенно уве­ личить масштаб взрывов и улучшить степень дробления пород.

Проводятся систематические исследования по разработке методов регулирования степени дробления горных пород при взрывании на карьерах. Изучается изменение степени дробления различных горных пород в зависимости от диаметра заряда, расхода и типа ВВ, сетки расположения и конструкции зарядов, интервала замедления, точки инициирования и т. д. Эти работы являются научной основой для выполнения взрывов с получением заданной крупности дробле­ ния. Такие взрывы позволяют применить циклично-поточную и по­ точную технологию работ на карьерах, разрабатывающих скальные породы, что обеспечит резкое увеличение производительности труда на этих предприятиях.

Большую работу по развитию и совершенствованию взрывов на выброс проводят инженеры треста Союзвзрывпром. Так, в 1952— 1953 гг. взрывами трех серий зарядов на Алтын-Топканском поли­ металлическом месторождении при линии наименьшего сопротивле­ ния (л. н. с.) отдельных зарядов, превышающей 50 м, и их массе до 1600 т было взорвано более 1 млн. м3 горной породы. В результате этого срок ввода карьера в строй сократился на 16 месяцев, а стои­ мость вскрытия была снижена на 40%.

Широко применяется перемещение больших масс грунта взрывом для созидательных целей (строительство плотин, насыпей и т. д.).

Для защиты г. Алма-Аты от селевых потоков в долине р. Малая Алмаатинка в Медео были произведены в 1966 и 1967 гг. два взрыва серий зарядов на выброс обоих откосов ущелья для образования противоселевой каменно-набросной плотины. Общая масса зарядов составила 5290 т при л. н. с. основного заряда 75 м. В результате взрывов выброшено и разрушено около 3 млн. м3 гранита и образо­ вана плотина средней высотой 84 м, шириной поверху около 100 м, а в основании до 500 м. Эта плотина в 1973 г. задержала огром­ ный селевый поток и спасла г. Алма-Ату от катастрофических раз­ рушений.

10

Глава I

СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

§ 1. Свойства горных пород, определяющие эффективность их разрушения при бурении и взрывании

Эффективность разрушения горных пород при бурении и взры­ вании зависит от их физико-механических свойств.

Изучение различных свойств пород, разработка методики их определения и учета имеет большое значение для выбора рациональ­ ного способа отбойки породы, типа применяемых машин и механиз­ мов, установления норм выработки и т. д.

При бурении и взрывании на эффект разрушения свойства пород влияют по-разному. Это связано с тем, что при бурении зона раз­ рушения под лезвием инструмента имеет небольшие размеры (доли сантиметра) и зависит от микросвойств горных пород: твердости, абразивности, зернистости, вязкости и т. д. При взрывании на карьерах зарядами диаметром 200—300 мм зона разрушения имеет размеры нескольких метров (до 10) и эффект разрушения при этом зависит от макросвойств массива пород и, прежде всего, его трещино­ ватости.

Рассмотрим основные свойства горных пород и их влияние на буровые и взрывные работы.

Т в е р д о с т ь горной породы характеризуется сопротивлением проникновению в нее другого тела, не получающего при этом оста­ точной деформации.

А б р а з и в н о с т ь — способность или свойство горных пород изнашивать при трении о них металлы, твердые сплавы и другие тела.

Твердость и абразивность влияют, главным образом, на износ инструмента при бурении и выбор величины осевого давления на буровой инструмент.

П л а с т и ч н о с т ь — свойство пород необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры под действием внешних сил.

Х р у п к о с т ь — свойство пород разрушаться без пласти­ ческих деформаций.

Свойство пластичности и хрупкости у одних и тех же пород проявляется по-разному, в зависимости от скорости приложения

12

нагрузки. При медленном воздействии на каменную соль, стекло они могут изменять свою форму, не разрушаясь, т. е. ведут себя, как пла­ стические тела. При бурении и взрывании все твердые горные породы можно рассматривать, как хрупкие тела. Наиболее пластичные свойства имеет глина. Для разрушения пластичных пород требуется увеличенный расход ВВ.

В я з к о с т ь ю в горном деле принято характеризовать сопро­ тивляемость породы силам, стремящимся отделить часть ее от мас­ сива. С увеличением вязкости пород эффективность процессов буре­ ния и взрывания снижается.

З е р н и с т о с т ь характеризуется крупностью зерен минера­ лов, образующих породу; различают крупнозернистые породы — с зернами больше 5 мм, среднезернистые — с зернами 1—5 мм и мелкозернистые породы — с зернами меньше 1 мм. Чем меньше зерна минералов и чем прочнее цемент, соединяющий вещества, тем труд­ нее разрушается порода при бурении.

По р и с т о с т ь — характеризуется относительной величиной мельчайших пустот в горной породе.

В о д о н о с н о с т ь — свойство пород задерживать воду и вы­ делять ее при разработке месторождения. Водоносность пород должна учитываться при выборе способа осушения месторождения, выборе типа ВВ.

Пл о т н о с т ь ю называется масса единицы объема горной породы в ее естественном состоянии (табл. 1).

и пористости. От плотности горных пород зависит удельный рас­ ход ВВ, особенно при проведении взрывов на выброс.

в массиве или целике. Отношение объема разрыхленной породы

13

к ее первоначальному объему называется к о э ф ф и ц и е н т о м р а з р ы х л е н и я . Наибольшим коэффициентом разрыхления об­ ладают крепкие, вязкие и абразивные породы.

У с т о й ч и в о с т ь — свойство горных пород сохранять боко­ вую поверхность обнажения уступа. Этот показатель обычно харак­ теризуется углом естественного откоса, т. е. углом, при котором обнаженный откос породы находится в устойчивом состоянии. Вели­ чина его для различных пород меняется от 0 до 80° (см. табл. 1). Устойчивость существенно влияет на выбор диаметра и направления взрывных скважин.

Особенно важное значение приобретает устойчивость пород при разработке глубоких горизонтов карьеров (300 м и более), так как чем устойчивее откосы уступов, тем меньший объем вскрыши необ­ ходимо выполнить для извлечения полезных ископаемых. Разра­ батываются специальные методы увеличения устойчивости бортов карьеров.

С л о и с т о с т ь — свойство пород относительно легко разде­ ляться по плоскостям наслоения. При ведении работ в слоистых породах шпуры и скважины следует располагать перпендикулярно плоскостям наслоения, так как это улучшает эффективность взрыва и уменьшает вероятность искривления шпуров и, особенно, скважин.

Т р е щ и н о в а т о с т ь — характеризуется частотой и про­ странственным расположением трещин в массиве горной породы, которыми он разделен на отдельности различных размеров. Моно­ литные, т. е. не имеющие трещин, породы практически не встречаются при разработке месторождений полезных ископаемых.

Естественная трещиноватость уступа горной породы, которая определяется геологической характеристикой месторождения, до­ полняется искусственной, зависящей от свойств пород и методов ведения работ. Искусственная трещиноватость образуется в резуль­ тате воздействия взрыва на массив; при этом с увеличением диаметра заряда степень трещиноватости возрастает.

При больших диаметрах зарядов (>200 мм) трещиноватость оказывает основное влияние на кусковатость породы, получаемой при взрыве, а следовательно, на выход негабарита. Одни и те же по химическому и петрографическому составу породы при интенсив­ ной трещиноватости хорошо разрушаются, не образуя негабарита,

инаоборот, при слабой трещиноватости дают в результате взрыва большой выход негабарита.

Поэтому при выборе методов ведения взрывных работ на карьере

иустановлении допустимого размера куска необходимо учитывать трещиноватость разрабатываемых пород. Трещиноватость массива характеризуется удельной трещиноватостью, т. е. числом открытых трещин всех систем, приходящихся на единицу прямой, проведенной

впроизвольном направлении. Величина, обратная удельной трещи­

14

Содержание крупных или мелких отдельностей в массиве до взрыва выражается в процентах к его объему. Отдельности, превы­ шающие заданный кондиционный размер, принято называть круп­ ными (негабаритными), меньше его — мелкими отдельностями.

Для массивов одного происхождения, имеющих сложную систему трещин, различие в степени трещиноватости на отдельных участках объясняется многократностью действия напряжений. Учитывая длительность процесса трещинообразования, можно предположить, что более трещиноватые массивы образовались из менее трещино­ ватых. Средний объем крупных отдельностей, слагающих массив, зависит от типа трещиноватости массива, и чем больше содержание в массиве крупных отдельностей, тем больше их средний объем.

Все породы по степени трещиноватости или содержанию в массиве крупных отдельностей разделены на пять категорий (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

Классификация пород по трещиноватости Междуведомственной комиссии по взрывному делу

В общем случае в пределах карьерного поля имеются породы различной степени трещиноватости. Поскольку для каждой кате­ гории пород по трещиноватости можно выбрать наиболее рациональ­ ный диаметр скважин, параметры их расположения и взрывания, то для каждого карьера целесообразно составить карту трещинова­ тости, на которой указывается в процентах содержание пород разных категорий на данный период и на перспективу. Такая карта карьера позволяет более обоснованно выбирать диаметр буримых скважин (тип бурового станка) и ассортимент применяемых ВВ. Для соста­ вления карт трещиноватости карьерное поле разбивается на ряд участков, в пределах которых породы однородны.

Степень и категория трещиноватости пород могут быть опреде­ лены различными методами: по анализу разведочных кернов горных

15

Для действующих карьеров основными при районировании являются планиметрический метод и метод прозвучивания, для проектируемых — метод изучения кернов.

Планиметрический метод оценки трещиноватости. Для опре­ деления удельной трещиноватости вдоль забоя натягивается шнур (лента рулетки) и подсчиты­ вается число естественных тре­ щин п, пересекающихся с ним на участке длиной L не менее 10 м, а затем вычисляется

удельная трещиноватость

тельно или опасно, можно пользоваться количественным подсчетом числа трещин на обнажении уступа. При этом забой рассматривается с определенного расстояния (20 м) через шаблон (рис. 1), на экране которого нанесена масштабная сетка. С помощью этой

Содержание крупных кусков на участке слоистого массива опре­ деляется как отношение суммарной мощности слоев, содержащих крупные куски, к суммарной мощности всех слоев.

Фотопланиметрический метод оценки трещиноватости. При этом методе вдоль поверхности забоя опускаются две ленты с делениями через 0,5 или 0,2 м, расстояние между лентами 10 м. Забой фото­ графируется и делаются отпечатки размером не менее 13x18 см.

16

По делениям на ленте проводятся линии, вдоль которых измеряются размеры кусков (рис. 2).

При пользовании этим методом возможны ошибки, связанные с трудностью отличия естественных и искусственных трещин на фотопланограммах. Рационально сочетать планиметрический и фото­ планиметрический методы.

Метод оценки трещиноватости по кернам основан на том, что керн разделяется на части по ес­ тественным трещинам. По упрощен­ ному способу категория трещино­ ватости определяется по удельной трещиноватости, определяемой по формуле (1.1), где коэффициенты будут иметь следующий смысл:

L—длина интервала замера керна;

п— число разделений керна по естественным трещинам.

Акустический метод оценки трещиноватости основан на сопо­ ставлении скоростей продольных волн в массиве и отдельности. Методика таких измерений разра­ ботана в МГИ, а степень трещино­ ватости оценивают по акустиче­

В результате исследований на многих карьерах установлено соотношение между категорией пород и акустическим показателем:

Степень трещиноватости не является абсолютной характеристи­ кой и может изменяться в результате воздействия на массив раз­ личных факторов, из которых наиболее существенным является влияние предшествующих взрывов.

После взрыва поверхность массива нарушается трещинамизаколами, которые обычно параллельны бровке уступа. При верти­ кальных зарядах зона заколообразования по кровле уступа состав­ ляет около 100 диаметров заряда d, а вдоль оси заряда в глубь

Граница между целиком и нарушенным массивом может быть установлена различными методами: по изменению скорости утечки воды из скважины при ее заполнении до различного уровня, по изменению скорости бурения, по изменению скорости прохождения сейсмических волн на различной глубине. Однако все эти методы дают только качественную оценку: на данной глубине трещин больше, чем на другой, но определить по этим данным интенсив­ ность трещиноватости без сравнительной оценки изменений трещи­ новатости и, например, скорости бурения, нельзя.

Нарушение массива предшествующим взрывом приводит к ухуд­ шению степени дробления горной массы и требует применения спе­ циальных методов взрывных работ (например, многорядного к. з. в., взрывания в зажатой среде и т. д.).

Каждая из рассмотренных характеристик горных пород может служить для ориентировочной оценки эффективности процессов

ным влиянием рассмотренных выше физико-механических характе­ ристик пород. Эти понятия положены в основу классификаций

Классификации горных пород имеют большое практическое значение при ведении горных работ с точки зрения выбора буровых

Ниже приведены наиболее распространенные в СССР класси­ фикации горных пород.

Классификация горных пород проф. М. М. Протодьяконова.

В основу этой классификации положен коэффициент крепости гор­ ных пород /, который характеризуется относительной прочностью горных пород на раздавливание при одноосном сжатии. Принято, что порода с прочностью на раздавливание 100 кгс/см2 имеет коэффи­

т. е. коэффициент крепости показывает, во сколько раз данная порода крепче другой, крепость которой принята за единицу.

Проф. М. М. Протодьяконов считал, что величина коэффициента крепости характеризует породу во всех производственных процессах, т. е. если данная порода крепче другой, например при бурении, то она, как правило, во столько же раз крепче и при других про­ изводственных процессах, например при взрывании.

18

В действительности такого совпадения может не наблюдаться из-за того, что при различных процессах разрушения преоблада­ ющими являются те или иные напряжения (сжатие, растяжение, сдвиг) и имеют место различные проявления напряженного состоя­ ния массива (бурение, взрывание).

Классификация проф. М. М. Протодьяконова (табл. 3) имеет категории от I до X, часть из которых разбита на подкатегории (III—VII). Породы самые крепкие относятся к I категории, самые слабые — к X категории. Соответственно каждой группе пород изменяется и коэффициент крепости от 0,3 до 20. Эта классификация до настоящего времени применяется на многих горнодобывающих

М. М. Протодьяконова непригодна. Для этих целей пользуются классификациями по буримости и взрываемости.

Единая классификация горных пород по буримости. Специальной комиссией при б. Институте горного дела АН СССР в 50-х годах была разработана на основе исследований проф. А. Ф. Суханова единая классификация по буримости.

Буримость пород в этой классификации характеризуется чистой скоростью бурения шпура при следующих определенных (стандарт­ ных) условиях опыта: тип бурильного молотка — ПР-19; давление сжатого воздуха — 4,5 кгс/см2; характеристика бурового инстру­ мента: диаметр головки бура — 42 мм; форма лезвия бура — кресто­ вая; угол приострения лезвия — 90°; длина штанги — 1 м; глубина бурения — до 1 м.

Вслучае проведения опыта при условиях,- отличных от стан­ дартных, вводятся соответствующие поправочные коэффициенты *. После определения скорости бурения по классификации находится наиболее близкая величина табличной скорости, и порода относится

кэтому классу. На этом принципе составлено большое число класси­ фикаций для определенных условий рудников, карьеров, бассейнов.

Всвязи с внедрением на карьерах шарошечного, пневмоударного и огневого способов бурения скважин на предприятиях для норми­ рования буровых работ составляются соответствующие классифика­ ции, в которых дается чистая скорость бурения данным станком при определенных величинах осевого давления, скорости вращения

и типе инструмента, давления сжатого воздуха, расхода горючего и окислителя и т. д. Однако общепринятой классификации для каждого из этих способов бурения пока нет.

Сопоставление некоторых распространенных классификаций гор­ ных пород приведено в табл. 4.

Существует также классификация пород по взрываемости, осно­ ванная на величине удельного расхода определенного ВВ при

* А. Н. Б а х ч и с а р а й ц е в . Классификации горных пород и техниче­ ские нормы выработки на бурение шпуров. М., Госгеолтехиздат, 1963.