Волков Б.А. 1 страница

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ

Конспект лекций по курсу «Разрушение горных пород взрывом» для студентов специальностей 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» и 1-51 02 01-03 «Обогащение полезных ископаемых»

Минск – Солигорск 2009

Министерство образования Беларусь Республики

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (Солигорский филиал)

__________________________________________________________________

Кафедра «Технологии и оборудование разработки

месторождений полезных ископаемых»

Б.А. Волков

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВОМ

Рекомендовано учебно-методическим объединением

высших учебных заведений Республики Беларусь по образованию

в области горно-добывающей промышленности в качестве пособия

для студентов специальностей 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» и 1-51 02 01-03 «Обогащение полезных ископаемых»

Минск - Солигорск 2009

УДК 622.23.026 (075.8)

Р е ц е н з е н т ы:

Кафедра «Горные работы» Белорусского национального

Технического университета;

Г.А. Холодняков, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой разработки месторождений открытым способом и разрушения горных пород

Санкт-Петербургского государственного горного института

имени Г.В. Плеханова (технический университет)

Волков Б.А.

Разрушение горных пород взрывом: пособие для студентов специальностей 1-51 02 01 «Разработка месторождений полезных ископаемых» и 1-51 02 01-03 «Обогащение полезных ископаемых» / Волков Б.А.. – Солигорск: БНТУ (Солигорский филиал), 2009. – 96с.

ISBN 978-985-479-654-3

В пособие включены сведения по теории взрыва и детонации зарядов ВВ, методы оценки эффективности и качества промышленных ВВ, типам и классификация основных промышленных ВВ, способам и средствам инициирования промышленных ВВ, организации производства взрывныз работ, общих принципах расчетов зарядов ВВ, методах ведения взрывных работ, регулированию степени дробления горных пород взрывом, механизации процессов заряжания ВВ и забойки зарядов, буровзрывных работах при проведении подземных горных выработках, специальных видах взрывных работ и некоторые другие вопросы возникающие при разрушении горных пород взрывом.

УДК 622.23.026 (075.8)

ISBN 978-985-479-654-3

Волков Б.А., 2009

БНТУ (Солигорский филиал), 2009

ПРЕДИСЛОВИЕ

Взрывной способ разрушения горных пород универсален, является наиболее распространенным особенно при проведении горных выработок по крепким и очень крепким породам. Этот способ останется доминирующим и на ближайшую перспективу, как наиболее перспективный по реализуемой мощности на единицу объема вещества, несмотря на то, что уступает многим видам топлива по запасам потенциальной энергии. В общем объеме около 90% минерального сырья в мире добывается с помощью взрывных работ. Взрывная отбойка может применяться при любой крепости полезного ископаемого и пород. Ежегодно в народном хозяйстве страны на горных работах расходуется более 1 млн. т различных взрывчатых веществ. Из указанного количества ВВ примерно 10-15% в виде простейших ВВ на основе гранулированной аммиачной селитры и минерального масла (так называемые «игданиты») изготавливались на местах ведения взрывных работ.

Для ведения взрывных работ в массиве пород бурят шпуры, скважины или проходят специальные камеры, в которых размещают, а затем взрывают заряды взрывчатых веществ. Удельный вес взрывчатых веществ и буровзрывных работ в себестоимости и трудоемкости добычи 1 т руды в общем технологическом цикле процессов превышает 60 %. С увеличением крепости пород относительная трудоемкость буровзрывных и, в первую очередь, буровых работ возрастает.

Следует отметить, что выделяемые при взрыве используемых ВВ газообразные продукты высокотоксичны и поэтому создавали (особенно при массовых взрывах на рудных карьерах и угольных разрезах) серьезную экологическую нагрузку на окружающую среду.

Качество взрыва характеризуется в основном равномерностью и крупностью дробления скального массива и процентом выхода негабарита При добыче полезных ископаемых и проведении горных выработок раздробленная взрывом горная масса с помощью различного погрузочно-транспортного оборудования перемещается к местам последующей переработки или складирования. По мере перевооружения горнодобывающих предприятий на базе применения мощных машин и автоматизации производства возрастают и требования к качеству разрушения массива взрывом, так как максимальная производительность погрузочно-доставочного оборудования может быть обеспечена лишь при определенной степени дробления горных пород. Так при обычной технологии добычи с использованием на погрузке экскаваторов и на транспортировании породы автосамосвалов время загрузки благодаря хорошему дроблению породы взрывом уменьшается в 1,5 – 2 раза, а надежность и долговечность работы оборудования возрастает в 2 – 3 раза.

1. Основные понятия и терминология

БВР - Буровзрывные работы, суть которых заключается в том, что в массиве пород выбуриваются полости и в них помещаются заряды, при взрыве которых часть массива разрушается.

ВВ – Взрывчатые вещества: химические соединения или механические смеси.

СВ – Средства взрывания: капсюль-детонаторы, электродетонаторы, детонирующий шнур, источники тока – совокупность принадлежностей для инициирования зарядов промышленных ВВ.

ВМ – Взрывчатые материалы: взрывчатые вещества и средства взрывания.

ОШ – Огнепроводный шнур – специальный огнепроводный шнур, названный по имени его изобретателя англичанина Бикфорда; состоит из слабоспрессованного дымного пороха, окруженного двумя водоизолирующими оплетками, и горит со скоростью 1 см в секунду.

ДШ – Детонирующий шнур – хлопчатобумажный шнур диаметром 5 – 6 мм, заполненный внутри порошкообразным ВВ с высокой детонационной способностью (5 – 6 км/сек) и предназначен для подрыва основных зарядов; для защиты от влаги снаружи пропитан водостойкой мастикой или покрыт пластмассовой оболочкой (обычно окрашен в красный цвет). ДШ взрывается от капсюля-детонатора или от электродетонатора.

КД – капсюль-детонатор – представляет собой бумажную или металлическую гильзу с наружным диаметром 8мм и длиной 50мм в которой запрессовано небольшое количество первичного инициирующего ВВ. В свободную часть гильзы – дульце вводится конец ОШ до соприкосновения с чашечкой. На торце гильзы имеется кумулятивная выемка для фокусировки энергии взрыва.

Зажигательная трубка – представляет собой КД с вставленным и закрепленный в нем отрезком ОШ. Длина зажигательной трубки не должна быть меньше 1м.

ЭД – Электродетонатор – представляет собой КД, в металлическую гильзу которого вмонтирован элетровоспламенитель.

Шпур – искусственное цилиндрическое углубление в горной породе диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м.

Скважина – искусственное цилиндрическое углубление в горной породе диаметром более 75 мм при любой глубине (и глубиной более 5 м при любом диаметре). Начало скважины называется устьем, дно – забоем, а внутренняя боковая поверхность – стенками скважины.

Камера – выработка кубической или удлиненной формы, пройденная в массиве горных пород для размещения сосредоточенных зарядов ВВ большого веса (десятки и сотни тонн).

Бурение – процесс образования в массиве горных пород шпуров и скважин с помощью буровых машин: перфораторов, буровых станков и т.д.

Боевик взрывной (патрон-боевик) – небольшой заряд ВВ, оснащенный зажигательной трубкой, электродетонатором или детонирующим шнуром и предназначенный для возбуждения детонации основного заряда в шпуре, скважине или камере. Боевик изготавливают, как правило, из патронированных ВВ.

Забойка – заполнение свободной заряжаемой полости (шпура, скважины или камеры) инертным забоечным материалом. Так же называют инертный материал для производства забойки (песок, глину, мелкую породу – штыб, водяные патроны и т.д.).

Заряд ВВ – определенное количество ВВ, подготовленное к взрыву и снабженное инициатором взрыва. Все заряды ВВ применяемые для разрушения пород различают: по положению (наружный или накладной и внутренний); по форме (сосредоточенный и удлиненный); по конструкции (сплошной и рассредоточенный); по характеру действия (заряд камуфлета, откольный, рыхления и выброса).

Взрывание – процесс детонирования зарядов ВВ в заданной последовательности способами, обеспечивающими безопасность и эффективность этих работ.

2. Способы бурения шпуров и скважин

2.1. Классификация способов бурения

Бурение – процесс образования в массиве горных пород шпуров и скважин с помощью буровых машин: сверл, перфораторов, буровых станков и т.д.

Различают механические и физико-механические способы бурения

шпуров и скважин. Механические способы бурения делятся на вращательные и ударные (ударно-поворотные, ударно-вращательные и вращательно-ударные), а также огневое расширение скважин. Кроме перечисленных способов, проводятся опытные работы по применению взрывного, электроимпульсного разрушения пород при бурении, а также различных видов комбинированного бурения: ударно-шарошечного, магнито-стрикционного, режуще-шарошечного и термошарошечного.

При вращательном бурении инструмент вращается вокруг оси, совпадающей с осью шпура или скважины и одновременно с определенным усилием подается на забой. При этом происходит последовательное скалывание частиц породы с забоя и углубление инструмента по винтовой линии. Продукты разрушения удаляются механическим способом с помощью винтовых штанг (при бурении шпуров), шнеков (при бурении скважин), промывкой забоя водой или продувкой воздухом.

К вращательным способам бурения относятся: бурение шпуров резцами с помощью ручных и колонковых сверл; бурение скважин резцами (долотами режуще-скалывающего действия); бурение алмазным инструментом; дробовое бурение.

При ударном бурении инструмент наносит удар по забою и разрушает породу под лезвием. После каждого удара инструмент поворачивается на некоторый угол, обеспечивая таким образом получение круглого сечения шпура или скважины. Различают следующие виды ударного бурения.

Ударно-поворотное бурение бурильными молотками, при котором инструмент поворачивается только в промежутках между ударами специальным поворотным устройством.

Ударно-вращательное бурение погружными пневмоударниками и бурильными молотками с независимым вращением, при котором удары наносятся непрерывно по вращающемуся инструменту. Разрушение породы в забое шпура или скважины при ударно-поворотном и ударно-вращательном способах происходит только за счет внедрения инструмента при ударах.

Вращательно-ударное бурение специальными машинами, при котором удары наносятся по непрерывно вращающемуся инструменту находящемуся под большим осевым усилием. Разрушение породы в забое происходит как за счет внедрения инструмента при ударах, так и за счет скола породы при вращении инструмента.

Бурение шарошечными долотами относится к ударному при долотах чистого качения и к вращательно-ударному при долотах, в которых зубья наряду с перекатыванием по забою срезают породу скользящим движением (долота со скольжением).

При огневом бурении разрушение породы происходит в результате термонапряжений, возникающих при быстром нагреве поверхности породы потоками раскаленных газов (t = 2000^о С), вылетающих из сопел горелки со скоростью 2000 м/с и более. Горелки при бурении охлаждаются водой или воздухом.

При взрывном бурении разрушение породы происходит за счет последовательных взрывов на забое скважины набольших зарядов ВВ.

При электроимпульсном бурении разрушение породы происходит за счет электрического пробоя участка забоя скважины высоковольтным (до 200 кВ) разрядом. Мгновенно выделяемая энергия в канале пробоя разрушает породу, которая выносится потоком диэлектрика (соляровое масло, вода и т.п.), циркулирующего в скважине.

При ударно-шарошечном бурении над шарошечным долотом устанавливают пневмоударник, который наносит удары по долоту с частотой 1000 – 2000 в минуту, увеличивая в 1,3 – 1,6 раза чистую скорость бурения по сравнению с обычным шарошечным.

При магнитострикционном бурении над шарошечным долотом устанавливается магнитостриктор мощностью 60 кВт, с помощью которого под действием электрического тока частотой 400 Гц – с такой же частотой и с амплитудой 1,5 мм на долото накладываются вибрационные нагрузки. При этом значительно возрастает чистая скорость бурения. Наибольший эффект при этом достигается при бурении в крепких породах.

При режуще-шарошечном бурении разрушение происходит резцами и шарошками одновременно или попеременно: в мягких породах резцами, а в крепких – шарошками. Этот способ бурения особенно эффективен в перемежающихся по крепости породах и при наличии в мягких породах крепких включений.

При термошарошечном бурении разрушение шарошками производится предварительно ослабленной огневым воздействием породы. Реализация этого способа затруднена из-за высоких температур на забое при работающих шарошках.

2.2. Краткие сведения о буровых станках и инструменте

основных способов бурения, область их

рационального применения

Вращательное бурение шпуров применяют в породах мягких и средней крепости. При вращательном бурении применяются ручные или колонковые электрические (табл.2.1) или пневматические сверла (табл.2.2). Для бурения шпуров диаметром до 45 мм по углю и мягким породам применяют ручные электросверла СЭР19М, ЭРМД2М, ЭРП18Д (с принудительной подачей).

Таблица 2.1

Техническая характеристика ручных сверл

Показатели	Типы сверл
ЭР14Д2М	ЭР18Д2М	ЭРП18Д2М	СЭР19М	СРБ1М	СР3М
Диаметр шпуров, мм
Глубина бурения, м
Частота вращения шпинделя, об/мин						5 36
Номинальная мощность, кВт	1,0	1,4	1,4	1,2	1,9	1,9
Номинальное напряжение, В					-	-
Масса, кг				16,5		-

Таблица 2.2

Техническая характеристика пневмосверл

Показатели	Тип пневмосверла
СР-3	СР3М
Диаметр шпура,мм	36-50	36-50
Глубина шпура,м	до 4	до 4
Номинальное давление сжатого воздуха,МПа	0,4	0,4
Крутящий момент на шпинделе, Н.м	65,5	65,5
Эффективная мощность, кВт	2,6	2,6
Удельный расход сжатого воздуха, м3/(мин.кВт)	1,43	1,43
Номинальная частота вращения под нагрузкой,об/мин	5,6	5,6
Масса, кг промывочного устройства сверла	- 13,0	2,3 13,2

Ударно-поворотное (ударное) бурение шпуров применяют в породах средней крепости и крепких. Бурильные машины ударно-поворотного действия, работающие на сжатом воздухе, называются бурильными молотками (перфораторами). Они подразделяются на:

- ручные бурильные молотки ПР и переносные ПП (массой до 30 кг) – для бурения с рук или с пневмоподдержки (табл.2.3);

- колонковые бурильные молотки ПК (массой до 100 кг) – для бурения с колонок или манипуляторов (табл.2.4);

- телескопные бурильные молотки ПТ, предназначенные для бурения восстающих шпуров с раздвижных телескопических стоек.

Таблица 2.3

Техническая характеристика переносных перфораторов

Показатели	Модели перфораторов
ПП36В	ПП50В	ПП54В	ПП54 ВБ	ПП63В ПП63ВБ ПП63С	ПП63П	ПП63 СВП
Энергия удара,Дж					63,74	63,74	63,74
Частота ударов, об/мин	38.33	33,99	38,33	38,33
Крутящий момент, Н.м			29,43	29,43	26,93	26,93	26,93
Удельный расход воздуха М3/(с.кВт)	0,029	0,029	0,029	0,029	0,029	0,029	0,029
Номинальное давление воздуха,МПа	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Размеры хвостовика буровой штанги,мм	22х108	25х108	25х108	25х108	25х108	25х108	25х108
Масса, кг		31,5	31,5

Таблица 2.4

Техническая характеристика колонковых перфораторов

Показатели	Модель перфоратора
ПК50	ПК60	ПК75	ПК120	ПК150	ПК175
Масса, кг
Энергия удара,Дж	88,26	88,26	147,1	88,26	196,15	245,17
Крутящий момент Н.м
Частота ударов, Об/мин	33,4			41,7	33,3	33,3
Расход воздуха, м3/мин	5,7	9,2	12,7	10,3	15,1	17,9
Удельный расход воздуха, м3/(с.кВт	0,029	0,029	0,029	0,029	0,029	0,029
Номинальное давление воздуха, МПа	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Диаметр шпуров, Мм	40-65	40-65	40-85	40-52	65-86	65-85
Глубина бурения, В породах с коэф- фициентом кре- пости ¦: 11-15	-	-	-	- - -	- - -	- - -

Буры для перфораторов изготавливают из легированной круглой или шестигранной стали диаметром 22, 25, 28, и 32 мм с внутренним осевым каналом диаметром 7-9 мм со съемными коронками армированными твердым сплавом. Выпускаются коронки следующих типов: КДП – долотчато-пластинчатые; КТП – трехперые пластинчатые; ККП – крестовые пластинчатые и др. В комплект для бурения входят несколько буров, забурник длиной 0,7- 1,0 м. Каждый последующий бур длиннее предыдущего на 0,7-1,0 м.

Колонковые бурильные молотки имеют такое же устройство, как и ручные, но мощнее и тяжелее. Их применяют при бурении шпуров с колонок манипуляторов и буровых кареток при проведении наклонных и горизонтальных выработок по крепким породам

Телескопные бурильные молотки типа ПТ45КВ, ТП5С и др. предназначены для бурения восстающих шпуров (снизу вверх). Они состоят из перфоратора и телескопической колонки и представляют как одно целое.

Бурильные машины ударно-вращательного и вращательно-ударного действия близки между собой. Здесь буровой инструмент, кроме статического осевого усилия и крутящего момента, подвергается воздействию динамических нагрузок в виде ударов с высокой частотой. Бурение скважин на уступе осуществляется в один, два или три ряда при помощи станков вращательного или ударно-вращательного действия, которые подразделяются на шнековые и шарошечные. Станки шнекового бурения типа СБШ-СБР-125 и СБР-160 применяют для бурения скважин в относительно слабых породах диаметром 125-160 мм и глубиной до 25 м.

Станки шарошечного бурения СБШ-200 (легкие – до 40 т), 2СБШ-200Н

СБШ-250МН, СБШ-250К (средние – до 60 т) и СБШ-320, СБШ-400 (тяжелые – до 120 т) применяют на крепких и весьма крепких породах.

Таблица 5.1.

Техническая характеристика шарошечных буровых станков

Показатели	2СБШ-200-32	СБШ-250МНА-32	СБШ-320-36
Диаметр долота, мм	215,9; 244,5	244,5; 269,9
глубина скважины, м
Направление бурения к вертикали, градус	0; 15; 30	0; 15; 30
Длина штанги, м			17,5
Крепость буримых пород (¦)	5¸14	Более 12	Более 18

К физико-механическим способам бурения относят термическое (огневое), гидравлическое, взрывное, ультразвуковое и электрогидравлическое бурение.

Термическое (огневое) бурение применяется для бурения скважин, главным образом, в труднобуримых кварцсодержащихся породах, коэффициент объемного расширения которых при высоких температурах резко изменяется.

Взрывное бурение применяют в весьма крепких породах, где другие способы малоэффективны, а стойкость бурового инструмента низкая.

Анализ распределения разрабатываемых открытым способом горных пород по коэффициенту крепости показывает, что 30% пород имеют коэффициент крепости ¦ < 6, 61,8 % пород имеют ¦ = 6 ¸ 14, около 8 % пород имеют ¦ > 14. С учетом такого распределения пород, а также эффективности каждого способа бурения установлено, что вращательным (шнековым) способом бурения обуривается 20 % горной массы. Шарошечными долотами – 65 ¸ 75 %, погружными пневмоударниками и мощными бурильными молотками 5 ¸ 15 %, огневым расширением 3 %.

3. Основы теории взрыва и детонации зарядов ВВ

3.1. Общая характеристика явления взрыва

Под взрывом понимается процесс освобождения большого количества энергии в ограниченном объеме за весьма короткий промежуток времени. По своей природе взрыв может быть физическим, химическим и ядерным.

При физических взрывах изменяется только физическое состояние вещества (разрушение баллонов со сжатым газом, паровых котлов, метеоритов при их ударе об Землю и др.).

При химических взрывах происходит быстрое химическое превращение вещества, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде тепла и образуются газообразные продукты. Обычно эти превращения протекают в виде реакций окисления элементов, входящих в состав исходного вещества. К химическим взрывам относятся, в частности, кроме взрывов ВВ, взрывы угольной пыли в шахте, паров бензина, ручной пыли на мельницах и др.

При ядерных взрывах происходит превращение атомных ядер исходного вещества в ядра других элементов, сопровождающееся освобождением энергии связи элементарных частиц.

В горной промышленности преимущественно применяются химические взрывы с использованием различных взрывчатых веществ.

Взрывчатыми веществами называются химические соединения или смеси веществ, способные под влиянием внешнего воздействия (удара, нагрева и т д.) к самораспространяющемуся быстрому превращению в газообразные продукты. Раскаленные газы при этом, расширяясь производят

механическую работу, создавая в окружающей среде поля напряжений.

ВВ просты в обращении, являются компактными энергоносителями, и для их использования не требуется сложных механизмов, преобразующих один вид энергии в другой. Ни одна машина при равных весе и размере не может развить такую мощность, как ВВ. Объясняется это тем, что реакция выделения энергии при взрыве протекает очень быстро. В то же время по запасу потенциальной энергии ВВ уступают многим видам топлива. Так, теплота сгорания 1 кг антрацита составляет 29300 кДж, бензина – 41800 кДж, а теплота, при взрыве одного кг наиболее распространенного ВВ – аммонита – составляет всего 4200 кДж. Но скорость взрывчатого превращения аммонита составляет 4000 м/сек и, таким образом, заряд массой в 1кг и длиной в 1м выделит 4200 кДж энергии за время t = 1:4000 = 0,00025 сек. При этом, мощность взрыва 1кг аммонита составит более16,5 млн. кВт.

Таким образом, отличительными признаками взрыва ВВ являются: преимуществами ВВ перед другими энергоносителями являются: высокая концентрация энергии в малых объемах, сверхзвуковая скорость выделения энергии, экзотермичность процесса, образование большого количества сжатых газообразных продуктов.

3.2. Основные компоненты ВВ

ВВ типа химические соединения (нитроглицерин, тротил, ТЭН, гексоген и др.) содержат в своем составе все элементы, необходимые для нормального протекания в них химической реакции при взрыве: кислород, необходимый для химической реакции окисления горючих элементов или веществ; горючие элементы – водород и углерод, которые при полном окислении превращаются в воду и углекислоту.

В смесевых ВВ должны содержаться различные компоненты для придания определенных свойств и характеристик этим ВВ.

В состав смесевых ВВ вводятся следующие основные компоненты:

Окислители – вещества, содержащие избыточный кислород, расходуемый при взрыве на окисление горючих элементов. В качестве окислителя применяют аммиачную, калиевую, натриевую селитры и т.д.

Горючие добавки – твердые или жидкие вещества. Как правило, невзрывчатые – угольная пыль, древесная мука, соляровое масло, богатые углеродом и водородом, или пудра легко окисляющихся и выделяющих при этом большое количество тепла металлов (алюминия, магния). Горючие вещества вводят в состав ВВ для увеличения количества энергии, выделяемой при взрыве.

Роль горючих добавок выполняют также ВВ (тротил, гексоген и др.),

Имеющие в своем составе недостаток кислорода для полного окисления содержащихся в них горючих элементов; при этом часть углерода, выделяемого при взрыве таких ВВ в виде окиси, в свободном состоянии или в виде горючих соединений, реагирует с избыточным кислородом окислителя

повышает теплоту и общую энергию взрыва ВВ.

Кроме окислителя и горючих добавок, в состав ВВ вводят сенсибилизаторы, флегматизаторы, стабилизаторы и пламягасители.

Сенсибилизаторы – вещества повышающие чувствительность ВВ к возбуждению и распространению детонации. В промышленные ВВ в качестве сенсибилизаторов вводят более мощные ВВ (тротил, нитроглицерин, гексоген), а также горючие добавки (соляровое масло, древесная мука, уголь).

Флегматизаторы – вещества, снижающие чувствительность ВВ к внешним, обычно механическим, воздействиям и повышающими безопасность их применения. В качестве флегматизаторов применяют тальк, парафин и др. легкоплавкие вещества.

Стабилизаторы – вещества, вводимые в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. Эти вещества связывают продукты медленного разложения, реагируя с образующимися окислами азота или кислорода. В качестве стабилизирующих добавок применяют мел, древесную