Особенности скважинной отбойки руды в зажиме

Отбойка руды в зажиме (рис. IV. 16) производится на так называемый зажимающий материал (отбитую руду или обрушенные пустые породы). 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 отбойку считали возможной лишь на свободное пространство. В 1954 г. на комбинате «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.

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 получает массовое применение на ряде руд­ников.

Отбойка руды в зажиме взрывными скважинами рассматри­вается ниже на основании исследований, выполненных под ру­ководством автора (по предложению его и Ю. П. Воронен- кова) Р. М. Гамбергом, Н. К. Жаксыбаевым, М. Л. Жига­ловым, Н. В. Плаксой, А. И. Пустоваловым. С этим методом отбойки связаны существенные для технологии физические 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.

До.

Распределение энергии взрывной волны на контакте массив — зажимающий материал. Известно, что при наличии обнаженной поверхности на первой фазе взрыва действуют 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.

При нормальном разрыхлении зажимающего материала (&_Р= = 1,3-М,4) основная доля энергии прямой волны (75—90%) идет на дробление массива, тогда как при уплотненном материале (&_Р=Ц14-1,15) 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, обеспечить нормальное его разрыхление.

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.

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 (см. рис. IV. 16). 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.

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.

Сущность явлений, связанных с отбойкой руды в зажиме.

Восстановим теперь картину отбойки в зажиме в целом при много- рядном короткозамедленном взрывании скважин (рис. IV. 17).

Рис. 1У.17. Схема много­рядной скважинной от­бойки в зажиме: а — до взрыва; 6. в — после взрыва одного и четырех ря­дов скважин (между масси­вом и рудой образуется про­свет); г — после взрыва ше­сти рядов скважин (просвет не образуется); <9—после взрыва седьмого ряда (про­стрел скважин).

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, пре-

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

пятствуют 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, при взрывании первого ряда (а следовательно, и при однорядной отбойке) наличие зажима оказывает и положительное, и отрицательное влияние па дробление руды, эти факторы, как показывает опыт, в основном взаимно компенсируются.

При взрывании второго и последующих рядов скважин обра­зуется па 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 па 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 при взрывании 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, особенно если толщина отбиваемой секции превы­шает 15—18 м.

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. Но опыт показывает, что наличие обнаженной поверхности снижает действие этой вол­ны в противоположную сторону, а сильное давление на эту по­верхность 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 полпее используется для дробления руды эффект удара отбиваемых слоев через просвет об уплотненную го.рную массу. С другой стороны, с увеличением числа рядов отбитая руда все более уплотняется, что затрудняет ее 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.

Размеры л. н. с. даются ниже 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 недозаряжания 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 короткозамедлеииого 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 газов, 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.

Требования к технологии отбойки руды в зажиме в связи с уп­лотнением зажимающего материала под давлением налегающих обрушенных пород (по данным исследований Б. X. Блаева). 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 составляет 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 Юти 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 остался слой руды высотой 0,2—0,3 вы­соты блока. Перед очередным взрыванием этот слой выпустят, что разрыхлит зажимающий материал. Если же зажимающий материал уплотнен, то ширина первых отбиваемых на него секций должна быть уменьшена.

О применении отбойки в зажиме при мягких рудах. Мягкие руды дают при взрыве большой выход мелочи, поэтому взрывное уплотнение затрудняет их выпуск. Вместе с тем имеются удачные примеры отбойки в зажиме при мягких рудах.

Так, на Криворожском руднике им. К. Либкнехта руду с коэф­фициентом крепости 1—2 отбивают в зажиме вертикальными слоя­ми; высота подэтажа 25 м; удельный расход ВВ на отбойку 150 г/т, на вторичное дробление 60 г/т. Если отбитая руда сильно обводнена, то во избежание ее спрессования взрывают гранича­щую с ней часть подэтажа горизонтальными и слабонаклонными веерами скважин с замедлением, начиная с верхнего ряда.

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 иногда и в мягких рудах.

Ее преимущества:

1. Снижение выхода крупных кусков при отбойке, что интен­сифицирует выпуск и доставку руды в 1,5—2 раза.

2. Не 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 (так называемый 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.