УДК 622.233 Мангуш Сергей Кириллович д.т.н., проф. кафедры ВД Кузнецов Виктор Андреевич

УДК 622.233
Мангуш Сергей Кириллович
д.т.н., проф. кафедры ВД
Кузнецов Виктор Андреевич
д.т.н., проф. кафедры ВД
Эквист Борис Владимирович
д.т.н., доц. кафедры ВД
Должиков Константин Иванович
аспирант кафедры ВД
Московский государственный горный университет
МЕТОДИКА ОПЕРАТИВНОЙ ОЦЕНКИ УДЕЛЬНОЙ
ЭНЕРГОЕМКОСТИ ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
METHODOLOGY FOR RAPID ASSESSMENT OF SPECIFIC ENERGY
OF EXPLOSIVE ROCK CRUSHING
1. Введение.
Настоящая Методика предназначена для оперативной оценки
удельной энергоемкости взрывного дробления горных пород (их
«взрываемости», удельного расхода ВВ), в проходческих забоях
подземных выработок Тишинского рудника АО «Казцинк» для
своевременной корректировки типовых паспортов буровзрывных работ
(БВР).
Дополнительной целью Методики является определение фактической
величины сейсмовзрывных нагрузок в призабойных зонах выработок и их
нормализация
при возможном увеличении параметров единичных
шпуровых зарядов (диаметра и длины зарядной колонки, массы заряда).
2. Сущность Методики.
Для определения физико-технических свойств горных пород,
влияющих на энергоемкость их взрывного разрушения в проходческих
забоях
Тишинского
рудника,
представляется
целесообразным
использовать сейсмоакустический контроль горного массива в
призабойных зонах [1].
Методика предполагает:
1)
измерение скорости распространения упругих колебаний, С м,
сейсмического (10-500 Гц) и ультразвукового (10-20 кГц) диапазонов в
массиве, на призабойных участках выработок, проводимых с помощью
БВР;
2)
измерение скорости ультразвуковых колебаний (УЗК) в
образцах соответствующих пород (С0);
56
3)
определение характеристик прочности и деформационных
свойств взрываемых массивов на основе сопоставления данных скоростей
(пределов прочности пород на одноосное сжатие,
, и растяжения, ,
коэффициентов крепости пород по проф. М.М. Протодьяконову, модуля
деформации, E)[3];
4)
систематизацию полученной информации и детальное
картирование горных массивов в рабочих зонах рудника по взрываемости
пород;
5)
сейсморегистрацию взрывов, выполняемых в проходческих
забоях, оценку фактических амплитуд массовых фронтальных скоростей
смещений, , в волнах напряжений, генерируемых в горных породах при
короткозамедленном (замедленном) взрывании комплектов шпуровых
зарядов в проходческих забоях и, наконец, определение коэффициентов
сейсмичности, Кс, в формуле акад. Садовского М.А. [2].
На основе полученной информации выполняется оперативная
корректировка типовых паспортов буровзрывных работ (БВР) и
прогнозная оценка сейсмовзрывных нагрузок в случае изменения
(увеличения) диаметра шпуров, длины заходок и массы единичных
зарядов.
Также возможно изменение интервалов времени между взрывами
групп зарядов.
3. Обоснование методики.
В соответствии с результатами исследований [1, 3], для значительного
большинства осадочных, магматических и метаморфических пород имеет
место хорошая корреляция между пределом прочности при одноосном
сжатии,
(следовательно, и коэффициентом крепости пород по проф.
Протодьяконову М.М., ) и скоростью распространения УЗК:
, кг/см2
(1)
(2)
где С – скорость распространения продольных УЗ колебаний в
образцах породы, км/с;
k1, k2 – коэффициенты пропорциональности.
Данная корреляция лежит в основе определения прочностных и
деформационных характеристик скальных горных пород.
Примечание: для оценки модуля деформации, Е, и коэффициента
Пуассона, , помимо измерения скорости распространения продольных
волн, необходимо измерять скорость распространения поперечных
колебаний, Сs[3].
В свою очередь крепость горных пород оказывает достаточно
существенное влияние на энергоемкость их взрывного разрушения, т.е. на
удельный расход ВВ. при взрывных работах в подземных условиях
57
взаимосвязь удельного расхода ВВ с коэффициентом крепости, , чаще
всего оценивают зависимостью:
(3)
С учетом выражения (2) можно предположить:
(4)
где
– коэффициент пропорциональности.
Таким образом, задача оперативной оценки энергоемкости взрывного
разрушения горных пород в проходческих забоях Тишинского рудника, в
первом приближении, может быть сведена к измерению скорости
продольных УЗК в пределах заходок и статистической отработке
обобщенного коэффициента пропорциональности, .
Для измерения скорости УЗК представляется целесообразным
использовать как специально отобранные образцы горных пород, так и
хорошо отработанные схемы ультразвукового (УЗ) каротажа и сквозного
УЗ прозвучивания («просвечивания») в отдельных взрывных шпурах
непосредственно в проходческих забоях до их заряжания.
На втором этапе полевых исследований целесообразно оценить
необходимость дополнительного учета структурных особенностей
разрабатываемых массивов в рабочих зонах рудника, их трещиноватости,
что также может быть выполнено на основе акустических
сейсмоакустических методов.
Впоследствии, помимо оценки взрываемости пород, акустическую
диагностику можно использовать для мониторинга всего подземного
пространства рудника, в том числе для оценки качества штангового
крепления напряженного состояния горных массивов в соответствующих
зонах, критических деформаций целиков и т.д.
Для обеспечения необходимой степени дробления горной породы при
допустимом уровне сейсмического воздействия на окружающую среду и
сохранности законтурного массива проводимой выработки, при
короткозамедленном
взрывании
необходимо:
регистрировать
сейсмические колебания пород с различной степенью трещиноватости и
крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова; определить зоны забоя с
максимальным количеством одновременно взорванных зарядов в одной
ступени замедления с максимальным превышением не менее чем 10% от
величины амплитуды скорости сейсмических колебаний заданным ее
значением. По результатам этих оценок должны быть увеличены
интервалы времени между взрывами зарядов в последующих ступенях по
сравнению с интервалами замедлений при взрывах зарядов в предыдущих
заходках. Эти изменения интервалов замедлений проводить до
обеспечения заданного уровня сейсмического воздействия на массив
горных пород.
58
4. Аппаратура и материалы.
Для измерения скорости распространения УЗК в скальных горных
породах целесообразно использовать УЗ дефектоскопы с цифровой
индикацией (системой отсчета) результатов измерений, с частотой
повторения зондирующих импульсов не менее 25 Гц, амплитудой
выходных импульсов 100-1600 В со ступенчатой регулировкой,
коэффициентом усиления не менее 2∙105 и точностью определения
времени пробега упругого импульса не менее 0,5∙10-6 с (УК-10П, УК-16П,
УФ-90ПЦ и др.).
Для определения скорости прохождения продольных волн
необходимо использовать пьезопреобразователи поршневого типа из
аксиально-поляризованной пьезокерамики ЦТС; для определения скорости
поперечных волн – пьезопреобразователи из сдвиговой пьезокерамики
ЦТС. Рекомендуемые собственные частоты пьезопреобразователей – 70,
140, 280 и 500 Гц.
Регистрация сейсмического воздействия на массив горных пород
осуществляется сейсмическим регистратором «Дельта-Геон», имеющим
сертификат Госстандарта России, с использованием трех сейсмодатчиков
типа С1-10, установленных на расстоянии 50-100 м от взрыва. Каждый из
трех датчиков регистрирует скорость сейсмических колебаний по одной из
трех осей X, Y, Z. Результирующая скорость подсчитывается по формуле:
(5)
Регистратор сейсмических сигналов предназначен для автоматической
регистрации
сейсмического
воздействия
от
взрывов,
микросейсморайонирования, и других исследований. Запись результатов
осуществляется на съемный Flash-диск объемом до двух гигабайт.
Основные параметры регистратора следующие:

количество сейсмических каналов – 4;

диапазон регистрируемых частот – 0,01-240 Гц;

мгновенный динамический диапазон – 120 дБ;

масса 2,6 кг;

потребляемая мощность 1,6 Вт.
5. Подготовка к испытаниям.
Образцы пород отбираются в виде отдельностей произвольной формы
из обнажений и развалов взорванной массы, либо в виде керна при
бурении разведочных или специальных скважин. Никакой механической
обработки поверхности образцов не требуется.
Минимальный линейный размер образцов в поперечном сечении, d,
определяют их соотношения
, где – преобладающая длина волны,
излучаемой пьезопреобразователем, м.
59
Образцы пористых водонасыщенных пород перед измерением
скорости УЗК подлежат предварительному высушиванию до постоянного
веса; образцы низкопористых магматических и метаморфических пород
могут подвергаться испытаниям без предварительной сушки.
Для каждой пары выбранных датчиков-преобразователей перед
испытанием определяют время задержки импульса УЗК в самих датчиках
и цепях аппаратуры, tз, для чего берут отсчет времени пробега импульса
при прижатых друг к другу преобразователях.
6. Проведение испытаний.
Определение скоростей распространения продольных и поперечных
упругих волн в образцах горных пород выполняется в соответствии с
ГОСТ 21153.7-75 «Породы горные. Метод определения скоростей
распространения упругих продольных и поперечных волн» [4],
разработанному Московским горных институтом совместно с ИФЗ АН
СССР.
Определение скорости распространения продольных волн.
Преобразователи ультразвуковых колебаний вручную или с помощью
специальных устройств прижимают к противоположным поверхностям
образца так, чтобы оси их максимальной чувствительности совпали.
Линейкой или штангенциркулем с погрешностью не более 1 мм
замеряют расстояние между прижатыми к образцу преобразователями.
Включив установку, с помощью ручек управления добиваются
появления на экране устойчивой картины колебаний – осциллограммы,
амплитуда колебаний, первых фаз которых должна превышать уровень
шумов не менее чем в два раза.
По шкале масштабных меток или специальному измерительному
устройству (в зависимости от конструктивных особенностей аппаратуры)
берут отсчет времени, tр, от момента излучения импульса до момента его
первого вступления, характеризуемого началом первой фазы колебаний на
экране осциллографа (рис. 1).
P
tp
Рис. 1. Определение скорости распространения продольных волн.
где Р – начало первой фазы колебаний продольных волн.
60
Определение скорости распространения поперечных волн.
Преобразователи ультразвуковых колебаний вручную или с помощью
специальных устройств прижимают к противоположным обработанным
торца образца так, чтобы оси их максимальной чувствительности совпали.
Линейкой или штангенциркулем с погрешностью не более 1 мм
замеряют расстояние между прижатыми к образцу преобразователями.
Включив установку, при прижатых к образцу преобразователях,
ручками управления добиваются появления на экране устойчивой картины
колебаний (осциллограммы), амплитуда колебаний первых фаз которой
должна превышать уровень шумов не менее чем в два раза.
Проворачивая приемник ультразвуковых колебаний вокруг его оси,
добиваются возможно полного угасания предвступлений продольных волн
и четкого вступления начальных фаз поперечных волн, амплитуда
колебаний которых при этом должна не менее чем в три раза превышать
амплитуду предвступлений продольных волн.
По шкале масштабных меток или специальному измерительному
устройству (в зависимости от конструктивных особенностей аппаратуры)
берут отсчет времени ts от момента излучения сдвигового импульса до
начала первой фазы колебаний (рис. 2).
S
ts
Рис. 2. Определение скорости распространения поперечных волн.
S – начало первой фазы колебаний поперечных волн.
Каждый
образец
прозвучивают
три
раза
во
взаимно
перпендикулярных направлениях, причем для пород с явно выраженной
слоистостью или направленной трещиноватостью одно измерение
проводят вдоль слоев или трещин, другое – поперек.
Измерение времени при испытаниях производят с точностью до
десятых долей микросекунды.
Для измерения скорости УЗК непосредственно в массиве, помимо
поверхности забоя, целесообразно использовать отдельные взрывные
шпуры до их заряжания. При этом наибольший интерес будут
представлять результат УЗ каротажа и прозвучивания на глубинах > 1 м
(от груди забоя).
61
Величина деформации массива горных пород, , определяется
отношением максимальной скорости смещения грунта, , измеренной
сейсмическим регистратором, к скорости распространения фронта
продольной сейсмической волны, , которая определяется как справочная
величина в зависимости от свойств горных пород, через которые проходит
волна. Деформация в массиве подсчитывается по формуле
и должна
находиться на расстоянии 50-100 м от взрыва в диапазоне 0,0002-0,0001.
Это условие определяет направление исследований. Значение скорости
уточняется в результате экспериментов. Так скорость распространения
сейсмических волн в горных породах изменяется от 300 м/с в рыхлых или
трещиноватых до 7000 м/с в крепких скальных массивах. Установив два
сейсмодатчика по направлению прохождения продольной сейсмоволны на
расстоянии S=20-30 м друг от друга и определив задержку, Т,
сейсмического импульса от второго датчика относительно сейсмического
импульса от первого датчика, можно определить скорость сейсмической
волны в конкретных породах по формуле:
(6)
где S – расстояние между сейсмодатчиками, м;
Т – задержка по времени между сейсмическими импульсами от
второго и первого датчиков, с.
При глубоком залегании пород, они находятся в напряженном
состоянии и их трещиноватость оказывает меньшее влияние на скорость
сейсмической волны, чем прочностные характеристики.
В результате эксперимента определяются скорости прохождения
сейсмической волны и коэффициент крепости горных пород, через
которые прошла сейсмоволна. Результаты заносятся в табл. 1.
Таблица 1
Дата
1
Результаты экспериментов
Скорость
Тип горных Коэффициент
сейсмической
крепости
пород
волны С, м/с
2
3
4
Скорость
смещения
грунта , м/с
5
Допустимая скорость смещения грунта находится по формуле:
(7)
где – допустимая деформация на заданном расстоянии от взрыва.
Зная допустимую скорость смещения грунта можно определить по
формуле Садовского максимальную взрываемую массу заряда в группе
62
(8)
где K – коэффициент сейсмичности для горных пород слагающих
данный участок массива.
Коэффициент
сейсмичности
определяется
на
основе
экспериментальных замеров скорости сейсмических колебаний
от
взрыва известной массы заряда
для конкретных пород массива по
формуле:
(9)
Экспериментальные данные заносятся в табл. 2.
Таблица 2
Дата
Тип
горных
пород
1
2
Результаты экспериментов.
Скорость
Макс. масса Расстояние до смещения
заряда в
сейсмогрунта ,
группе Q, кг датчиков R, м
м/с
3
4
5
Коэффициент
сейсмичности
K
6
7. Обработка результатов.
Скорость распространения в горных породах упругих волн (Ср) и (Сs)
в м/с для каждого измерения вычисляют по формулам:

скорость распространения продольных волн:
;
(10)

скорость распространения поперечных волн:
;
(11)
где – расстояние между преобразователями по оси прозвучивания, м;
– время пробега упругого импульса продольной волны от излучателя
до приемника, с;
– время пробега сдвигового импульса от излучателя до приемника, с;
– время задержки импульса в аппаратуре и преобразователях, с.
За окончательный результат испытания, округленный до 10 м/с,
принимают среднее арифметическое значение скорости распространения
упругих продольных или поперечных волн после испытания образцов.
Примечание. Для пород с коэффициентом анизотропии
определяют две скорости распространения упругих продольных и
63
поперечных волн
и
– соответственно, перпендикулярно слоистости и
параллельно ей.
Для обработки тарировочных графиков
, кг/см2, и
предполагается выполнить соответствующие испытания
образцов пород и руд Тишинского рудника, связанные с определением
пределов прочности и коэффициентов крепости по известным
ГОСТированным методикам.
Литература
1.
Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля
горных пород и процессов. – М.: Недра, 1982.
2.
Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные
воздушные волны промышленных взрывов. – М.: Недра, 1981.
3.
Ржевский В.В., Новиков Г.Я. Основы физики горных пород. –
М.: Недра, 1995.
4.
ГОСТ 21153.7-75 «Породы горные. Метод определения
скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн».
Аннотация
В статье рассмотрена методика, предназначенная для оценки
удельной энергоемкости взрывного разрушения в проходческих забоях.
Целью статьи является своевременная корректировка паспортов
буровзрывных работ и определение величины сейсмонагрузок в
призабойных зонах выработок и их нормализация. В статье рассмотрены:
актуальность методики, технические характеристики аппаратуры для
проведения экспериментов, проведение испытаний.
The article describes a technique designed to assess specific energy of
explosive destruction in tunnel faces. The purpose of the article is timely
adjustment passports blasting and the determination of the bottom-hole zones in
seismic load workings and their normalization. In the article: the relevance of
methodologies, technical characteristics of equipment for experiments, testing.
Ключевые слова
взрыв, упругие колебания, порода, продольная волна, поперечная
волна
explosion, elastic vibrations, breed, longitudinal wave, transverse wave
64