Взрывание в зажиме. Минная отбойка.

Взрыванием в зажиме называется отбойка руды на контактирующую вплотную с забоем отбитую руду или обрушенную вмещающую породу (зажимающий материал).

Свободного пространства около взрываемого массива не имеется или имеется не более 10-15% объема взрываемого массива. Поэтому взорванная руда увеличивается в объеме в основном за счет уплотнения зажимающего материала.

Скважинная отбойка в зажиме начала применяться с 1960 г. на Зыряновском ГОКе.

Распределение энергии взрывной волны на контакте:

Известно, что при наличии открытого пространства на обнаженную поверхность в первой фазе взрыва действуют ударные волны напряжений. Основные разрушения в породах вызывает волна растяжения, отраженная от обнаженной поверхности массива. При этом энергия падающей волны почти полностью переходит в энергию отраженной волны. Отделившиеся куски выбрасываются в открытое пространство.

Во второй фазе, под давлением расширяющихся газов раскрываются образовавшиеся в массиве трещины и в открытое пространство выбрасываются части массива. При соударении кусков и ударах их о стенки камеры они дополнительно раскалываются.

При отбойке в зажиме поверхность контактирует с зажимающим материалом. Известно, что при переходе упругой волны из одной среды в другую коэффициент отражения падающей волны равен:

где: U_пад - энергия падающей волны;

U_отр - энергия отраженной волны;

γ₁ - плотность массива;

γ₂ - плотность зажимающей среды;

c₁ - скорость распространения упругой волны в массиве;

c₂ скорость распространения упругой волны в зажимающем материале.

Величины γ₂ и c₂ зависят от коэффициента разрыхления зажимающего материала. При отбойке в зажиме К_р может изменяться за счет уплотнения материала предшествующим взрывом и предварительного выпуска части зажимающего материала.

Эксперименты показали, что c₂ резко возрастает с увеличением плотности зажимающего материала. Так при уменьшении К_р от 1,5 до 1,1 скорость c₂ возрастает более чем в 12 раз.

Ниже приведена зависимость U_отр/U_пад от К_р.

При нормальном разрыхлении зажимающего материала (К_р.=1,3-1,4) основная доля энергии прямой волны (75-90%) идет на дробление массива, тогда как при уплотненном материале (К_р.=1,1-1,15) энергия отраженной волны составляет лишь 10-50% энергии прямой волны. Т.о. , при взрывании первого ряда скважин можно иметь лишь небольшие потери энергии взрывной волны в зажимающем материале, если он нормально разрыхлен.

Следовательно, надо создавать нормальное разрыхление зажимающего материала перед отбойкой и взрывать лишь такое число рядов, при котором этот материал не будет слишком уплотнен.

Уплотнение зажимающего материала взрывом. Зажимающий материал под действием взрыва уплотняется в основном за счет уменьшения пористости при смещении кусков породы. Последнее становится возможным в связи со скалыванием и раздавливанием углов и выступов кусков под действием ударной нагрузки.

Смещение зажимающего материала у забоя после взрыва первого ряда составляет 2-2,5 м и достигает 3 м при взрывании 4-5 рядов, а в дальнейшем прекращается.

Уплотнение происходит в зоне шириной 25-30 м от забоя (до 60-80 м при средней крепости руды в весьма мощных залежах).

У вновь образованного забоя создается просвет – узкое свободное пространство. Ширина просвета после взрывания одного ряда скважин составляет около 1 м. При многорядном взрывании просвет на короткое время образуется после взрывания каждого ряда, но в связи с разрыхлением отбиваемой руды ширина просвета по мере увеличения числа взорванных рядов будет уменьшаться и настанет такой момент, когда просвета образовываться не будет. С этого момента забой вплотную контактирует с уплотненным предшествующими взрывами зажимающим материалом, что делает неэффективной работу следующего ряда скважин.

Эффект удара взрываемой руды через просвет о руду, отбитую предшествующим рядом скважин. При взрывании второго ряда скважин с замедлением, массив разрушается ударной волной в условиях наличия свободной поверхности (если пренебречь противодавлением газов, скопившихся от взрыва первого ряда). Слой руды отрывается от массива и с огромной скоростью ударяется через просвет об уплотнившуюся руду, отбитую первым рядом скважин, т.е. практически о жесткую преграду.

Напряжения, возникающие при ударе, могут быть определены из условия равенства количества движения импульсу силы:

где v – скорость движения слоя руды в момент удара, м/с; F – сила удара, даН; t – продолжительность действия удара, с; m – масса отбиваемого слоя, кг.

где L – толщина слоя (л.н.с.), м; S - общаяплощадь слоя руды, м²; γ – объемный вес руды кг/м³.

В свою очередь,

Где σ – напряжение в слое руды в момент удара, даН/м²; k – коэффициент плотности контакта, учитывающий относительную площадь соприкосновения отбиваемого слоя руды с кусками зажимающего материала, д.е.

Следовательно

По этой формуле при L=3 м, γ=2800 кг/м³, v=20-50 м/с, k=0,02-0,05, t=0,01 с получается σ=10000-20000 МПа, т.е. в несколько раз превышает предел прочности массива пород. Следовательно, удар имеет достаточную силу, чтобы вызвать дополнительное дробление и взорванной руды, и зажимающего материала.

Этот эффект используется до тех пор, пока образуется просвет и пока противодавление взрывных газов не слишком велико.

Сущность явлений, связанных с отбойкой руды в зажиме.

При взрывании первого ряда скважин часть энергии прямой волны (около 25%) переходит в зажимающий материал. Соответственно уменьшается энергия отраженной волны, которая дробит массив в первой фазе.

С другой стороны, подпор забоя зажимающим материалом замедляет (примерно в 1,5 раза) образование трещин в массиве, что увеличивает продолжительность действия вызванных взрывом напряжений и тем самым улучшает дробление руды. Точечный характер контакта массива руды с зажимающим материалом также может несколько улучшить качество дробления.

За счет волны напряжений в первую очередь образуется трещина по линии, соединяющей заряды за счет столкновения ударных волн от соседних зарядов, что создает «пиковые» участки напряжений по этой линии.

Во второй фазе расширяющие газы раздвигают трещину до образования щели. Отрыв происходит как бы плитой, на которую расширяющиеся газы оказывают поршневое действие, препятствуют разрыхлению руды и перемещают ее. Под действием плиты зажимающий материал уплотняется, смещение у контакта достигает приблизительно 2,5 м. Руда перемещается в стесненных условиях, в связи с чем происходит дополнительное дробление ее и зажимающего материала за счет части той энергии, которое при отбойке на открытое пространство израсходовалась бы на отброс руды. Поэтому во второй фазе качество дробления руды при отбойке в зажиме улучшается по сравнению с отбойкой на открытое пространство.

При взрывании второго и последующих рядов скважин образуется на короткое время просвет между вновь образованным забоем и отбитой рудой. Благодаря этому при взрыве очередного ряда энергия падающей волны почти полностью превращается в энергию отраженной волны.

Слой оторванной от массива руды ударяется с огромной скоростью об уплотнившуюся руду, отбитую предшествующим рядом скважин, в результате происходит дополнительное дробление.

В связи с сопротивлением со стороны зажимающего материала и противодавлением газов увеличивается продолжительность действия в массиве напряжений, вызванных взрывом, что также способствует более полному использованию его энергии.

Зажимающий материал дополнительно уплотняется, но уже немного; максимальное смещение у забоя достигает приблизительно 3 м после взрывания 4-5 рядов.

По мере увеличения числа отбиваемых рядов просвет у забоя постепенно исчезает. Зажимающий материал начинает подпирать забой и он уплотнен до предела К_р =1,1. От такого материала отражается лишь около 20% энергии падающей волны и отрыва руды не происходит. Даже при наличии просвета давление газов, скопившихся от предшествующих взрывов, может возрасти настолько, что заметно снизит скорость летящих кусков и, следовательно, уменьшит эффект их удара о жесткую преграду.

Отбойке в зажиме свойственны не только положительные, но и отрицательные явления.

Во-первых, расширение газов под огромным давлением в стесненных условиях вызывает выброс части отбитой руды в буровые выработки, соединенные с очистным пространством.

Во-вторых, в связи с тем, что при взрывании последних рядов скважин массив руды находится под высоким давлением газов, скопившихся от предшествующих взрывов, ударная взрывная волна может нарушать массив в направлении, обратном линии удара скважин на глубину, достигающую величины л.н.с.

Рациональная толщина отбиваемого слоя. В общем случае по практическим данным или расчетным путем определяют величину максимального смещения зажимающего материала. Исходят из того, что смещение вызывается только первыми 4-5 рядами скважин. Коэффициент разрыхления зажимающего материала, если им является отбитая руда, после частичного ее выпуска, составляет 1,35-1,45. Далее задаются коэффициентом разрыхления, который должент быть получен в отбитом слое. Его обычно принимают на 0,15 ниже против свободного разрыхленного состояния, получаемого в результате частичного выпуска. Очевидное условие:

Где l – рациональная толщина отбиваемого слоя; Δl – максимально возможное смещение зажимающего материала; k_p – заданный коэффициент разрыхления отбиваемой руды. Отсюда

Область применения и сравнительная оценка отбойки руды в зажиме. Может применяться в мощных и средней мощности залежах с любым углом падения при крепких и средней крепости рудах, а также в мягких рудах, если они не обводнены и не слеживаются.

Преимущества:

· снижение выхода крупных кусков при отбойке, что интенсифицирует выпуск и доставку руды в 1,5-2 раза;

· не надо предварительно образовывать открытое пространство, что повышает устойчивость массива и позволяет вести выемку в одну стадию с однотипной технологией;

· появляется возможность: магазинировать руду при отбойке не только горизонтальными, но и вертикальными слоями: выпускать руду непосредственно в буровую выработку (торцовый выпуск), что исключает необходимость проведения специальных выпускных выработок.

Недостатки:

· затруднения при выпуске первых доз уплотненной руды;

· выброс руды в буровые выработки;

· возможен выброс газов в выработки в период выпуска;

· трудность проветривания забоя.

Минная отбойка

Минная отбойка – это отбойка сосредоточенными зарядами большой массы, размещенными в подготовительно-нарезных выработках, специально проходимых для этой цели или имеющихся.

Производится как на свободное пространство, так и в зажиме. Может применяться при разработке мощных месторождений крепких руд. Устойчивость руд желательна не ниже средней, однако можно отбивать в зажиме и сильно трещиноватые массивы.

Отбивают руду вертикальными или горизонтальными слоями.

Основные схемы минной отбойки:

1. С минными карманами и забутовкой;

2. Без минных карманов и забутовки.

По первой схеме минный орт проходят сечением 1,5х1,8 м, из него высекают карманы сечением 1,2х1,8 м, а под карманами иногда образуют минные колодцы глубиной 0,5-1,0 м. Руду полученную при нарезке карманов и колодцев, временно размещают в орте, а затем, после заряжания, используют для забутовки свободной части карманов. При нарезке карманов и колодцев и забучивании перемещают руду в основном вручную.

В связи с этим, иногда отказывались от нарезки карманов и располагали заряды непосредственно в прямолинейных выработках без забутовки (схема 2). В этом случае заряды размещают непосредственно в минных ортах через 5-8 м.

При схеме без минных карманов уменьшается время подготовки, улучшаются условия труда, но удельный расход ВВ увеличивается примерно в 1,5 раза и усиливается разрушающее действие взрыва на окружающие выработки. Для уменьшения этого недостатка в выработках по направлению распространения взрывной волны выкладывают костровые перемычки из шпал или устанавливают гидравлические перемычки толщиной около 0,8 м из полиэтиленовых мешков, заполненных водой. Применяют также опережающую взрывную забутовку.

Л.н.с. при минной отбойке 8-10 м. При меньших значениях (<6 м) подрываются минные выработки, предназначенные для очередного взрыва, а при л.н.с. >12 м получается чрезмерный выход негабарита (>30%), нарушается окружающий массив, что приводит к еще более неравномерному дроблению руды последующими взрывами.

В случае принудительной посадки налегающих пород, когда степень дробления не имеет значения, л.н.с. увеличивают до 14 м и более.

Величина сосредоточенного (минного) заряда, кг

где W – л.н.с., м; q – удельный расход ВВ, кг/м³; s – площадь забоя на один заряд, м².

Для одиночного заряда

Для одного ряда зарядов

где а – расстояние между зарядами.

При многорядном взрывании

где b – расстояние между рядами, м.

По данным ВостНИГРИ удельный расход ВВ

где - эталонный расход ВВ, кг/м³ (0,65-0,75) - эмпирическая величина, меньшие ее значения относятся к меньшей крепости пород; f – коэффициент крепости пород по М.М. Протодъяконову; k_c – коэффициент структуры руд и пород; k_y - коэффициент условий отбойки, составляющий от 0,75-0,9 при двух обнаженных плоскостях до 1,0-1,2 при одной плоскости; k_вв≈1 – коэффициент работоспособности ВВ; k_зар – коэффициент влияния заряжания, при уплотненном заряде k_зар=1; при укладке ВВ россыпью – 0,7-0,9; при укладке ВВ в мешках – 0,6-0,85; k_заб – коэффициент забойки, при полной забойке – 1; при неполной – 1,25-1,5; при отсутствии забойки – 1,5-2; φ(n)=0,4-0,8 – показатель действия взрыва; для зарядов дробления – 0,8.

Минная отбойка дешевле и производительней шпуровой, а иногда и скважинной при очень крепкой руде.

Недостатки: неровные контуры выемки; увеличенные (примерно в 1,5 раза против скважинной отбойки) потери и разубоживание руды; нарушение окружающего массива и частичное разрушение ближних выработок.