Электрон Метод Ресурс-Иванцов ВМ / 1-ПГТ для ГО / Отбойка руды

ГУЦМиЗ, Кафедра ПРМ

Профессор Иванцов В.М.

Март 2006г.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВНОЙ ОТБОЙКИ РУДЫ

Отбойка - технологический процесс очистной выемки по отделению руды от массива в виде кусков в пределах заданного контура. При взрывной отбойке процессором является взрывное устройство, имеющее структурные элементы, присущие всем техническим объектам: рабочий орган, привод (источник энергии), трансмиссию, блок управления и движитель. По своим характеристикам взрывное устройство – переносное, с дистанционным управлением, проводной трансмиссией, источником электрической энергии. В качестве рабочего органа используются заряды ВВ различного конструктивно-технологического исполнения. Взрывной заряд – это определенное количество ВВ, подготовленное ко взрыву.

СТРУКТУРНЫЙ ПРИЗНАК	ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ
1. Положение заряда относительно разрушаемого массива	углубленные (погруженные, внутренние)
2. Соотношение геометрических размеров единичного заряда (тип заряда)	а) точечный заряд (сосредоточенный), б) линейный заряд: 1 – шпуровой, 2 – скважинный, в) площадной заряд
3. Состав заряда, как единичного элемента зарядного устройства	а) простой не совокупный (одиночный, единичный) заряд, б) совокупный заряд: 1 – совокупность двух элементарных зарядов, 2 - совокупность N элементарных зарядов
4. Внутренняя структура единичного заряда	а) сплошной, (массивный) заряд, б) рассредоточенный
4. Характер взаимодействия зарядов, составляющих рабочий орган зарядного устройства	а) без взаимодействия, б) со взаимодействием: 1 – по линии, 2 – по площади, 3 – по объему
5. Характер работы взрыва	а) заряды дробления: 1. - на отделение; 2 – на разрушение

Таблица . Системная характеристика исполнения зарядов ВВ при очистной выемке

На очистной выемке получили распространение погружные линейные заряды шпурового и скважинного типа, работающие на дробление. Единичные заряды могут состоять из одинарных или совокупных линейных зарядов, которые объединяются в группы (ряды) совокупных зарядов с площадным взаимодействием или без взаимодействия. В зависимости от количества групп (рядов), взрываемых за один прием различа-ют отбойку – однорядную или много-рядную с порядным замедлением. Наличие обнаженной (рабочей) плоскости и компенсационного пространства обязательно. Именно они позволяют перевести ударные сжимающие усилия в растягивающие разрушающие напряжения в массиве и принять увеличившийся объем взорванной массы. Они могут формироваться предварительно до взрыва в виде щелей, подсечек одной или комплекта «холостых» скважин и т.д., или во время взрыва, с «поручением» взрыву самому их формировать, использую первую врубовую группу зарядов

СТРУКТУРНЫЙ ПРИЗНАК	ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ
1. Характер работы взрыва	а – на отделение, б – на разрушение в - сочетание отделения с разрушением
2. Состояние и параметры очистного пространства перед плоскостью отбойки	а – отбойка на открытое очистное пространство, б – на компенсационные камеры, в – отбойка «в зажиме»
3. Расположение плоскости отбойки в пространстве	а – вертикальное, б – горизонтальное, в - наклонное
4. Направление отбойки относительно элементов залегания рудного тела	а – по простиранию, б – вкрест простиранию (на лежачий бок, на висячий бок) в – по падению, г – по восстанию
5. Взаимное расположение отбиваемых слоев	а – параллельное, б – веерное
6. Расположение скважинных зарядов в ряду	а – параллельное, б – веерное:1 – на 90°, 2 – на 180° (полувеер), 3 – на 360° (веер)
7. Направление бурения (и заряжания) скважин	а – восходящее, б – нисходящее, в – горизонтальное (наклонное)
8. Взаимное расположение зарядов и плоскости отбойки	а – согласное, б – не согласное (взаимно перпендикулярное)
9. Количество буровых горизонтов	а – один буровой горизонт, б – N буровых горизонтов
10. Порядок взрывания по буровым горизонтам	а – этажная отбойка, б – подэтажная отбойка (разновременная по подэтажам)
11. Количество слоев (рядов) во взрываемой секции	а – однорядное взрывание, б – многорядное взрывание
12. Период замедления при взрывании	а – мгновенное, б – замедленное, в – короткозамедленное
13. Сетка расположения зарядов в смежных рядах	а – прямоугольная, б – шахматная
14. Количество скважин в совокупном заряде	а – заряд из одинарных скважин, б – заряд из парно-сближенных скважин, в – заряд из пучка сближенных N скважин

Таблица . Характеристика исполнения комплекса скважинной отбойки

Данная структурная систематизация может выполнять роль поискового поля для инженера-проектировщика. Она отражает существующее многообразие конструктивно-технологического исполнения взрывного устройства – процессора отбойки, способного выполнять функцию отделения с разрушением в очень широком диапазоне условий.

Накладной и заглубленный заряды; точечный и линейный - минный, шпуровой и скважинный заряды; переход на систему зарядов - порядное и многорядное взрывание; изменение периода замедления - как временной оси работы системы; увеличение работоспособности и мощности ВВ; управление первоначальным давлением и импульсом взрыва в скважине,... импульсом взрыва в массиве – все это этапы совершенствования взрывного устройства и все это находит отражение в структурной систематизации, правда, без развертывания во времени.

Для формирования ситуационных вариантов исполнения очистной выемки, определяющих различные подходы к расчету параметров взрывного комплекса может быть полезна ниже приведенная структурная систематизация.

Таблица

СТРУКТУРНЫЙ ПРИЗНАК	ВАРИАНТ ИСПОЛНЕНИЯ
1. Способ отбойки при определенном типе очистного пространства	а) шпуровой способ отбойки из рабочего очистного пространства: 1 – слоевого, 2 – камерного вида; б) скважинный способ отбойки из нарезных выработок и без рабочего очистного пространства
2. Способ создания рабочей плоскости отбойки и компенсационного пространства	а) предварительное и одновременное создание в виде отрезной щели, подсечки, очистного пространства; б) во время взрыва и одновременное создание в виде врубовой полости или щели в) предварительное создание плоскости отбойки и во время взрыва - компенсационной полости
3. Характер взаимодействия между зарядами в ряду	а) без взаимодействия между зарядами; б) с площадным взаимодействием между зарядами

При очистном пространстве слоевого вида есть возможность предварительно создать рабочую плоскость и компенсационное пространство. При камерном рабочем пространстве такой возможности нет, и приходится создавать врубовую полость, поручив эту функцию специальной группе шпуров, взрываемых в первую очередь. Данный процесс весьма энергоемкий, требует повышенного расхода ВВ и шпурометров бурения. При скважинной отбойке компенсационный объем и рабочую поверхность (плоскость) обычно создают предварительно, но при малой устойчивости массива доказана возможность отбойку осуществлять, поручив создание компенсационного пространства самому взрыву за счет подвижки ранее обрушенных руд или пород, сухой закладки, т.е. рабочая плоскость создается предварительно, а объем компенсации во время взрыва. Характер взаимодействия между зарядами в ряду может существенно изменить картину распределения напряжений в массиве, что скажется на качестве дробления пород взрывом.

Параметры, показатели взрывной отбойки и принципы их расчета

Параметрами будем считать количественные, означенные числом, характеристики элементов комплекса, их пространственной и временной структуры. В общем случае параметры конкретизируют структуру, придают ей конструктивный вид. Они могут изменяться по субъективной воле, но в пределах вскрытых или еще не вскрытых закономерностей взаимосвязи с характеристиками объекта преобразования. В отличие от первого случая, мы имеем дело с условиями (иными словами – факторами), т. е. тем, что менять мы не в состоянии, а учитывать обязаны. Структура через свои параметры объективно связана с выполнением функции и ее качеством, понимаемым как степень удовлетворения требований надсистемы или среды.

Параметры рабочего элемента в этой структуре (взаимосвязи) выполняют главенствующую роль (являются главным параметром) и могут быть единицей измерения других параметров. Мы имеем второй уровень параметров комплекса, указывающих на наличие подобия в их исполнении и условиях применения. Эта закономерность проявляется абсолютно во всех технических объектах, как на единичном (предметном) уровне, так и на видовом уровне. В первом случае мы имеем возможность - выстраивать параметрические соотношения в конкретной конструкции, а во втором – выходить на параметрические ряды в оборудовании и устройствах. Так, имеем параметрические ряды электродвигателей, насосов, экскаваторов, погрузочных машин и установок. В свою очередь, мощность двигателя зависит от главного параметра рабочего органа, от последнего зависят и параметры ходовой части.

При отбойке заряд и среда - элементарная система. Роль рабочего элемента процессора (взрывного устройства) выполняет заряд. Главным параметром заряда логично принять его диаметр, а в общем случае - диаметр взрывной полости: т.е. диаметр шпура, скважины, размер взрывной камеры. Линия наименьшего сопротивления - регулируемый параметр создаваемой динамичной системы: заряд - массив, характеризующий единичный объем взрываемого массива или другими словами масштаб взрыва.

Для примера, при обеспечении определенного качества дробления руды (в средних технологических условиях: коэффициент крепости 12, выход негабаритных фракций не более 10 % при диаметре кондиционного куска 600 – 800 мм) опытным путем установлены следующие соотношения параметров и показателей:

где

d – диаметр скважины, м;

W – линия наименьшего сопротивления (ЛНС), м;

t – период (интервал) замедления порядного взрывания, мс;

q – удельный расход ВВ на отбойку, кг/м³ ;

f – коэффициент крепости руды, изменяется от 10 до 15.

Безразмерные параметры: W/d; l/d – характеристики параметрического ряда взрывных устройств и способов (шпуровая, скважинная, минная отбойка).

При использовании принципов анализа размерностей с организацией правдоподобных рассуждений « от конца к началу» получим следующий ход рассуждений и систему взаимосвязей параметров взрывного комплекса с характеристиками массива.

dм = f1 (W ,I0 ,tзам , s)	dм = k1 W (s tзам ¤ I0 W)n (1)
I0 = f2 (Ic ,Vбур ,Kи )	I0 = k2 Ic Vбур Kи (2)
Ic = f3 (tзам , Q ,A)	Iс = k3 tвозд 2/3 Q2/3 A1/3 (3)
tвозд = f4 (rзаб ,Pмакс lскв )	tвозд = k4 rзаб 1/2 Pмакс –1/2 lскв (4)
Pмакс = f5 (rзар Д)	Pмакс = k5 rзар Д2 (5)

Обозначения и формулы размерности используемых переменных приведены в таблице.

ПЕРЕМЕННЫЕ	Обозначение	Формула размерности	ПЕРЕМЕННЫЕ	Обозначение	Формула размерности
Диаметр максимального куска дробления	dм	[L]	Линия наименьшего сопротивления	W	[L]
Предел прочности пород на сжатие	s	[L-1 M T-2]	Период (интервал) замедления взрывания	tзам	[T]
Импульс взрыва, приходящийся на 1 м3 массива	I0	[L-2 M T-1]	Удельный расход бурения, м /м 3	Vбур	[L-2]
Коэффициент использования скважин под заряд	Кис	[0]	Импульс взрыва, приходящийся на 1 м скважины	Ic	[M T-1]
Энергия взрыва, приходящаяся на 1м заряда	Q	[L M T-2]	Акустическая жесткость среды (А=gС)	A	[L-2 M T]
Время воздействия взрыва в скважине	tвозд	[T]	Плотность материала забойки	rзаб	[L-3 M]
Длина скважины	lскв	[L]	Максимальное первоначальное давление в скважине	Р	[L-1 M T-2]
Плотность заряда в скважине	rзар	[L-3 M]	Скорость детонации ВВ	Д	[L T-1]

Переходя от формулы (5) к формуле(1), раскрывая установленные взаимосвязи, а также имея в виду установленную ранее связь между диаметром среднего и диаметром максимального куска по развалу

d_ср=k₆ d_м^2/3 , (6)

получим общее уравнение взаимосвязи факторов, определяющих качество дробления:

d_ср=kW^2/3[s t_зам/r_заб^1/3 Д^-2/3 l_скв ^2/3 M_зар^2/3 U_вв^2/3 А^1/3 V_бур К_исW]ⁿ (7)

Преобразуем последнее выражение с целью создания безразмерных комплексов, при этом будем иметь в виду:

Q=M_зар U_вв ; q_вв=М_зар V_бур К_ис ; М_заб=0.25 p r_заб d_скв² ;

где М_зар – масса заряда ВВ в 1 м длины скважины, кг/м;

М_заб – масса забойки в 1 м забойки, кг/м;

U_вв – теплотворная способность ВВ, ккал/кг.

В числителе и знаменателе используем [М_зар^1/3 U_вв^1/3 (0.25pd_скв²)^1/3]. Получим окончательно

. (8)

Все комплексы и симплексы имеют физический смысл. По опытным данным и данным практики степенной показатель степени n=1/3, а коэффициент k определяется в зависимости от масштаба упрощения выражения (8).

Примеры методики расчета параметров отбойки руды

Конкретная ситуация №1.

Требуемое качество дробления – допустимый выход негабаритных фракций (%%) при заданном диаметре кондиционного куска.

Очистное пространство – открытое.

Способ отбойки – скважинными зарядами с заданными конструктивно-технологическими характеристиками: диаметр скважин, количество скважин в элементарном заряде, схема расположения скважин в слое (ряду), взрывание многорядное с порядным замедлением, сетка расположения скважин – прямоугольная с заданным коэффициентом сближения скважин.

Заряд характеризуется – скоростью детонации ВВ, теплотворной способностью ВВ, плотностью заряда, заряжание без забойки.

Состояние массива характеризуется – коэффициентом крепости и величиной акустической жесткости.

Алгоритм расчета.

1. Экспертным путем назначим ряд параметров сетки расположения скважин (таблица 1) и для них определим величину удельного расхода ВВ (по ф. (6)). При этом воспользуемся эмпирическими выражениями связи параметров и показателей отбойки:

q_ВВ=0,1 f , кг/м³, (1); W=25 d_c N^1/2 ,м (2); t=10 W, мс (3), m=a/W (4)

V_б=N К_c / (m W²), м/м³ (5), q_ВВ=0,25 d_c² ∆ V_б К_ис, кг/м³ (6)

где

q_ВВ – удельный расход ВВ при отбойке, кг/м³;

V_б – удельный расход бурения скважин при определенном К_с, м/м³;

К_с – коэффициент схемы обуривания; равный, соответственно, при параллельном расположении скважин в слое (ряду) без оконтуривающей скважины Кс=1, при наличие оконтуривающей скважины Кс=1,10 – 1,15, при веерном расположении скважин в слое Кс=1,65, при лучевом расположении (веер в двух плоскостях) Кс=3,2 – 3,4;

f - коэффициент крепости взрываемого массива (в пределах 10 – 20);

W, а, m, d_c, N - соответственно ЛНС (линия наименьшего сопротивления),м; расстояние между скважинами в ряду (между концами скважин в веере),м; коэффициент сближения скважин в сетке схемы обуривания, диаметр скважины, м; количество скважин в элементарном заряде (пучке.);

t - порядный период замедления при взрывании, мс;

∆ - плотность ВВ в заряде, кг/м³;

К_ис - коэффициент использования скважин под заряд равен: при параллельном расположении скважин в слое К_ис=0,85-0,90, при веерном К_ис=0,75-0,80.

Таблица 1.

qВВ, по ф. (1)

Сетка 1

Сетка 2

Сетка 3…

W

a

N

m

Vб

qВВ

W

a

N

m

Vб

qВВ

W

a

N

m

Vб

qВВ

2. Сопоставим значения удельного расхода ВВ, определенные по формулам (1) и (6).Сетку расположения скважин с наиболее сопоставимыми значениями можно принять за базовую. Если таковой сходимости нет, то надо искать ошибку или изменить исходные значения параметров сетки.

3. Выполним поверочный расчет принятых параметров отбойки по условию обеспечения заданного качества дробления.

А. Определим величину диаметра среднего куска по развалу (d) при принятых параметрах отбойки:

, м (7),

где

σ – предел прочности пород на одноосное сжатие, МПа;

Q_ВВ – теплота взрыва. КДж/кг;

Д – скорость детонации ВВ, м/с

t – период замедления при взрывании, определяемый по формуле (8) Н.Г. Петрова, с:

, с (8)

Б. Определим величину выхода негабаритных фракций по формуле:

, % (9).

где

V_НГ – выход негабаритных фракций, %;

d_К – диаметр кондиционного куска, м.

4. Сопоставим полученное по формуле (9) значение выхода негабаритных фракций с требуемым значением по условию задачи. Если имеет место существенные отклонения (более 10%), то исходные параметры отбойки надо изменить и расчет повторить.

Конкретная ситуация №2.

В отличие от предыдущей ситуации отбойка ведется «в зажиме» секциями в несколько слоев. При этом будем полагать, что отбойка в зажиме принимается из технологических соображений, а отмечающееся некоторыми авторами улучшение качества дробления пойдет «в запас».

Алгоритм расчета..

1. Выполним расчет параметров отбойки без учета дополнительного фактора – отбойки в зажиме.

2. Размер секции принимаем в пределах до 10-12 м. Исходя из этого, определим количество одновременно взрываемых слоев. Их количество округлим в меньшую сторону.

3. Для обеспечения подвижки зажимающей среды требуется увеличить удельный расход ВВ по первому ряду (слою). Можно воспользоваться специальными методиками расчета. В случае их отсутствия удельный расход по первому ряду можно принять по экспертным оценкам. При значении отношения ширины взрываемого слоя (В) к толщине секции (Т_С) более 1,5 величину удельного расхода ВВ по первому ряду рекомендуется увеличить на 15-20 %. При отношении (В/Т_С)<1,5 надо учесть еще и эффект «зажима по контуру», для этого удельный расход ВВ по первому слою рекомендуется в целом увеличить на 30-35 %. Увеличения удельного расхода ВВ можно достичь различными инженерными решениями. Например, уменьшить ЛНС, больше сблизить скважины в ряду, увеличить диаметр скважин, увеличить плотность заряда в скважинах первого ряда, увеличить количество скважин в элементарном заряде по первому ряду.