Отбойкой в зажиме (рис, IV.14) называется отбойка на контактирующую вплотную с забоем отбитую руду или обрушенную вмещающую породу (так называемый зажимающий материал). Свободного пространства около взрываемого массива не имеется совсем или имеется не более 10—20 % объема взрываемого массива. Поэтому взорванная руда увеличивается в объеме в основном за счет уплотнения зажимающего материала.
Руду в зажиме отбивают взрывными скважинами (можно И минными зарядами, но последние вообще применяются редко).
Долгое время считали возможной отбойку лишь на свободное пространство, объем которого достаточен для компенсации увеличения объема взрываемого массива при разрыхлении взрывом (не менее 1/3 объема этого массива).
В 1954 г. в ПО «Апатит» вынуждены были произвести крупный взрыв минными зарядами в условиях зажима и получили удовлетворительные результаты, после чего перешли на отбойку руды в зажиме минными зарядами, обоснование которой дано проф. М.Д. Фугзаном. Удовлетворительные результаты объяснили тогда тем, что относительный объем минных и подсечных выработок (составлявший лишь около 12%) оказался тем не менее достаточным для компенсации разрыхления руды взрывом. Такая трактовка не позволяла перенести опыт минной отбойки в зажиме на скважинную, при которой отсутствуют какие-бы то ни было компенсационные выработки во взрываемом массиве.
Положение изменила новая трактовка, предложенная автором и состоящая в том, что увеличение объема взрываемой в зажиме руды может происходить за счет уплотнения зажимающего материала. В этом случае компенсационных выработок в массиве не требуется, поэтому в зажиме возможна и скважинная отбойка.
Исследования возможности отбойки руды в зажиме взрывными скважинами начаты Московским горным институтом совместно с Зыряновским свинцовым комбинатом в 1956 г. С 1962—1963 гг. этот метод отбойки становится основным на многих рудниках.
Отбойка руды в зажиме взрывными скважинами рассматривается ниже на основании исследований, выполненных под руководством автора (по предложению его и Ю.П. Вороненкова) Р.М. Гамбургом, Н.К. Жаксыбаевым, М.Л. Жигаловым, Н.В. Плаксой, А.И. Пустоваловым. С этим методом отбойки связаны существенные явления.
Рассмотрим их, чтобы потом представить себе Картину в целом. Количественная характеристика дается применительно к крепкой руде, мощности залежи не менее 20—25 м; диаметр взрывных скважин 100—150 мм.
Распределение энергии взрывной волны на контакте массив— зажимающий материал. Известно, что при наличии открытого пространства действуют на обнаженную поверхность на первой фазе взрыва ударные волны напряжений. Основное разрушение в крепких породах вызывает волна растяжения, отраженная от обнаженной поверхности массива, причем энергия прямой (падающей) волны почти полностью переходит в энергию отраженной волны. Отделившиеся куски выбрасываются в открытое пространство. На второй фазе под давлением расширяющихся газов раскрываются образовавшиеся в массиве трещины и отбрасываются отделившиеся части массива. При соударении кусков и ударах их о стенки блока часть кусков дополнительно раскалывается.
При отбойке в зажиме поверхность забоя контактирует с зажимающим материалом.
Известно, что при переходе упругой волны из одной среды в другую коэффициент отражения энергии падающей волны
где Uпад — энергия падающей волны; Uотр — энергия отраженной волны; γ1, γ2 — плотность соответственно массива и зажимающего материала; с1, с2 — скорость распространения упругих волн соответственно в массиве и зажимающем материале.
Величины γ2, с2 зависят от коэффициента разрыхления зажимающего материала, который может изменяться за счет уплотнения материала предшествующим взрывом и предварительного выпуска части материала.
Как показывает эксперимент, с2 резко возрастает с увеличением плотности зажимающего материала.
Для γ2 эта зависимость устанавливается расчетом, для с2 — экспериментально. Для примера укажем, что при уменьшении kp от 1,5 до 1,1 скорость с2 возрастает более чем в 12 раз.
На основании полученных данных по приведенной выше формуле найдена зависимость Uотр/Uпад, изображенная на рис, IV.14. При нормальном разрыхлении зажимающего материала (kp = 1,3—1,4) основная доля энергии прямой волны (75—90 %) идет на дробление массива, тогда как при уплотненном материале (kp = 1,1—1,15) энергия отраженной волны составляет лишь 10—50% энергии прямой волны. Таким образом, при взрывании первого ряда скважин можно иметь лишь небольшие потери энергии взрывной волны в зажимающем материале, если он нормально разрыхлен.
Следовательно, надо за счет частичного выпуска 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 скважин составляет 2—2,5 м и достигает 3 м при взрывании 4—5 рядов (или трех рядов из комплектов параллельно сближенных скважин), а в дальнейшем прекращается.
Уплотнение происходит в зоне шириной 25—30 м от забоя (и до 60—80 м при средней крепости руды в весьма мощных залежах), а если ширина зоны зажимающего материала меньше этой величины, то и смещение его у забоя будет меньше, чем указано выше.
У вновь образованного забоя создается просвет — узкое свободное пространство. Это отчетливо зафиксировано и в натуре, и на взрывных моделях. 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 (линия наименьшего сопротивления), м; S — общая площадь слоя руды, м2; γ — плотность 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 (в долях единицы).
Из последних трех формул следует, что
По этой формуле при L = 3, γ = 2800 кг/м3, v = 20—50 м/с, k = 0,02—0,05, t = 0,01 с получается, что напряжение в слое руды в момент удара об отбитую ранее руду достигает 10—20 тыс. МПа, т. е. в несколько раз превышает предел прочности массива горных пород. Следовательно, удар имеет достаточную силу, чтобы вызвать дополнительное дробление и взорванной руды, и зажимающего материала, т. е. отбитой руды по другую сторону просвета.
Этот положительный эффект используется до тех пор, пока образуется просвет и пока противодавление взрывных газов не слишком велико.
Сущность явлений, связанных с отбойкой руды в зажиме. Восстановим теперь картину отбойки в зажиме в целом при многорядном короткозамедленном взрывании скважин (рис. IV.15).
При взрывании первого ряда скважин в зажиме 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 (так как по ней происходит столкновение ударных волн от соседних зарядов, что создает «пиковые» участки напряжений по этой линии).
Во второй фазе расширяющиеся газы раздвигают трещину до образования щели. Отрыв слоя 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, которая 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.
Значит, в итоге при взрывании первого ряда (а следовательно, и при однорядной отбойке) наличие зажима оказывает и положительное, и отрицательное влияние на дробление руды, эти факторы, как показывает опыт, в основном взаимно компенсируются.
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 (если пренебречь противодавлением взрывных газов).
Слой оторванной от массива руды ударяется с огромной скоростью об уплотнившуюся руду, отбитую предшествующим рядом скважин, в результате происходит дополнительное дробление. (При многорядном взрывании с миллисекундным замедлением на открытое пространство происходит соударение летящих кусков руды; однако в этом случае энергия, расходуемая на разрушение, прямо пропорциональна лишь разности квадратов скоростей кусков, летящих примерно в одном направлении).
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.
Таким образом, при многорядном взрывании с отбойкой в зажиме дробление руды улучшается по сравнению с отбойкой на открытое пространство, но лишь до известного предела. По мере увеличения числа отбиваемых рядов просвет у забоя постепенно исчезает. Зажимающий материал, как и для первого ряда, начинает подпирать забой, но теперь этот материал уплотнен до предела (коэффициент разрыхления 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. Казалось бы, ударная волна сжатия должна вызвать одинаковые разрушения во всех направлениях от заряда, независимо от наличия обнаженной поверхности. Ho опыт показывает, что наличие обнаженной поверхности снижает действие ударной волны в противоположную сторону, а давление зажимающего материала на поверхность забоя, наоборот, может привести к разрушению массива за проектным контуром отбойки. Объясняется это тем, что скорость ударной волны больше, чем скорость образования трещин, поэтому отраженная волна успевает в какой-то мере изменить результаты действия напряжений, вызванных прямой волной. В результате при недостаточно устойчивой руде происходят отдельные нарушения в невзорванной части массива на глубину, достигающую величины л.н.с.
Технология скважинной отбойки руды в зажиме. В качественном отношении эта технология основывается на физической сущности явлений, в количественном — на экспериментальных данных.
При определении толщины отбиваемой за один взрыв части массива следует исходить из того, что с увеличением числа рядов скважин полнее используется для дробления руды эффект удара отбиваемых слоев через просвет об уплотненную горную массу. С другой стороны, с увеличением числа рядов отбитая руда все более уплотняется (снижается коэффициент разрыхления), что затрудняет се выпуск; усиливается разрушающее действие взрыва в глубь массива; увеличивается выброс руды в выработки; просвет у забоя уменьшается и далее исчезает, после чего почти вся энергия упругой волны очередного взрыва переходит в зажимающий материал и дробления массива не происходит. Расчет толщины отбиваемого слоя дается ниже.
Размеры л.н.с. даются применительно к диаметру взрывных скважин 150 мм, при иных диаметрах эти размеры должны быть соответственно уменьшены или увеличены.
По указанным условиям в мощных залежах крепких руд толщина взрываемой части массива должна составлять 15—18 м, превышение этого размера увеличивает выброс руды в выработки.
Мерой против выброса руды в выработки может служить применение отбойки из обособленных выработок, что, однако, требует образования дополнительных подходов к ним и затрудняет использование самоходных буровых станков. Другая мера: оставление временного козырька за счет недозаряжании скважин (оставшиеся участки скважин взрывают в последующем, что несколько усложняет работу). При проведении указанных мер толщина взрываемой части массива может быть увеличена до 20—30 м (большие значения относятся к рудам средней крепости). Дальнейшее увеличение приводит к неполному дроблению взрываемого массива и переуплотнению отбитой руды.
Указанные размеры слоя относятся к мощным залежам. При мощности залежи 10 м толщина взрываемого слоя должна быть приблизительно в 1,5 раза уменьшена по сравнению с рекомендованной, так как уплотнению зажимающего материала противодействует влияние стенок очистного пространства.
Линию наименьшего сопротивления для первого ряда скважин целесообразно несколько увеличить (до 1,3—1,5 раза при пониженной устойчивости руды) во избежание разрушения их предшествующим взрывом. Желательно увеличить и число скважин в этом ряду, чтобы дробление массива и уплотнение зажимающего материала были достаточными.
Интервал короткозамедленного взрывания зарядов должен быть примерно в 1,5 раза больше по сравнению с обычным (например, 25 мс вместо 15 мс), с тем чтобы, во-первых, реализовать преимущества более продолжительного действия взрыва на массив, связанного с сопротивлением зажимающего материала и противодавлением газон, и, во-вторых, чтобы успел образоваться просвет между массивом и отбитой рудой.
После взрыва должна быть выпущена часть отбитой руды (примерно 20%), что создает нормальное разрыхление и уменьшает потери энергии взрывной волны в зажимающем материале при очередном взрыве.
Расчет рациональной толщины отбиваемого слоя. В общем случае по практическим данным или расчетным путем определяют величину максимального смещения зажимающего материала. При расчете исходят из того, что смещение вызывается только первыми 4—5 рядами скважин диаметром 100 мм или 3 рядами при отбойке комплектами параллельных сближенных скважин. Коэффициент разрыхления зажимающего материала, если им является отбитая руда, после частичного ее выпуска, составляет 1,35—1,45 (1,45 — на рудниках «Таштагол» и «Шерегеш» ПО «Сибруда»).
Далее, задаются коэффициентом разрыхления, который должен быть получен в отбитом слое. Обычно принимают его приблизительно 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; kр — заданный коэффициент разрыхления отбиваемой руды.
Из приведенного выражения получим
Требования к технологии отбойки руды в зажиме в связи с уплотнением зажимающего материала под давлением налегающих обрушенных пород. В пологих и наклонных залежах обычно лишь нижняя часть массива висячего бока успевает обрушиться при выемке руды. Невелика высота толщи налегающих пород и в крутых залежах близ устойчивого висячего бока. В этих условиях зажимающий материал если и уплотняется со временем, то мало и медленно. Поэтому допустимы длительные, до нескольких месяцев, перерывы между взрыванием и выпуском руды.
Иная картина наблюдается в крутых залежах близ лежачего бока, а иногда и по всей площади этажа, если висячий бок неустойчив. Здесь толща обрушенных пород может составлять сотни метров, и зажимающий материал намного уплотняется за несколько недель. Причем уплотнение интенсифицируется производимыми по близости взрывными работами (ускоряется приблизительно в 10 раз, если в радиусе до 100 м производятся 1—2 взрыва в месяц по 10 т и более). В этих условиях взрывать очередной слой необходимо сразу по окончании выпуска руды. Если же почему-либо в будущем может потребоваться задержка, то в зоне уплотнения предстоящим взрывом выпуск должен быть приостановлен с таким расчетом, чтобы осталась отбитая руда высотой 0,2—0,3 высоты блока. Перед очередным взрыванием эту руду выпустят, что разрыхлит зажимающий материал. Если же зажимающий материал уплотнен, то ширина первых отбиваемых на него секций должна быть уменьшена. Для меньшего уплотнения на ряде рудников создают подсечкой свободное пространство с относительным объемом 15—20 %. Особенно это необходимо при мягких рудах, которые при взрыве дают большой выход мелочи и потому слипаются при уплотнении.
Область применения и сравнительная оценка отбойки руды в зажиме. Отбойка 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 очень слеживаются,
Ее преимущества:
1. Снижение выхода крупных кусков при отбойке, что интенсифицирует выпуск о доставку руды в 1,5—2 раза.
2. He надо предварительно образовывать открытое пространство, что повышает устойчивость массива и позволяет вести выемку в одну стадию с однотипной технологией.
3. 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 отбойки в зажиме: затруднения при выпуске первых доз уплотненной взрывом руды (зависания руды над выпускными отверстиями): выброс руды в буровые выработки или некоторое усложнение схем подготовки блока во избежание выброса. В большинстве случаев эти недостатки менее существенны, чем отмеченные достоинства.
- Скважинная отбойка руды
- Шпуровая отбойка руды
- Требования к производственным процессам с точки зрения габарита кусков руды
- Особенности взрывной отбойки руды
- Функциональная оценка свойств горных пород в инженерных расчетах
- Общие сведения об отбойке руды
- Главные направления в совершенствовании механизации горных работ
- Общие направления технического прогресса разработки месторождений
- Основные требования к разработке месторождений
- Рациональное использование недр