"Современные проблемы разрушения массивов горных пород"
Викторов С.Д.
Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (ИПКОН РАН)
ДОКЛАД 21.06.1999г

Эволюция практики и научных знаний

Проблема разрушения горного массива была и остается одной из важнейших проблем горного производства. Технические возможности разрушения горных пород определяют возможности всего горного производства и далее возможности всей промышленности, использующей результаты работы горнодобывающих предприятий.

История сохранила нам описание способов разрушения горных пород в различные периоды развития человечества.

Открытие взрывных методов разрушения произвело революцию в горном деле и увеличило возможности горного производства в тысячи раз.

В настоящее время взрывные работы являются доминирующим методом отделения горной породы от массива. Они также широко используются в гидротехническом строительстве, строительство плотин, прорытия каналов и т.д., в строительных работах, при прокладке дорог, разрушении атомных реакторов и др.

Развитие науки и технологии применения взрыва в горной промышленности шло параллельно с развитием представлений о взрывных явлениях в целом. Источником энергии взрыва может быть не только химическое вещество, но и другие физические устройства, обеспечивающие аккумуляцию энергии.

Были сделаны попытки использования атомной энергии для обеспечения разрушения горных массивов, но , в конечном итоге, они оказались малоперспективными, в основном из-за опасности выделения радиоактивных продуктов ядерного взрыва.

Львиную долю ежегодно расходуемых промышленных взрывчатых веществ поглощают взрывы в горном деле. Разрушение пород с помощью энергии взрыва является универсальным и практически единственным высокоэффективным способом подготовки скальных горных пород к выемке.

Являясь практически единственным средством разрушения больших объемов горных пород, взрывные работы в себестоимости добычи полезных ископаемых занимают до 30%. Если учесть, что КПД взрыва на дробление не превышает нескольких процентов, то станет очевидной необходимость дальнейшего совершенствования технологии взрывных работ с учетом развития науки и техники взрывного дела. Наибольшее распространение на открытых горных работах получили гранулированные взрывчатые вещества, отвечающие требованиям горной технологии и механизации процессов их изготовления и заряжания. Все шире применяются водосодержащие и эмульсионные взрывчатые вещества, отличающиеся экономичностью и высокими энергетическими показателями.

Разработаны новые технологические схемы приготовления смесевых взрывчатых веществ на месте проведения взрыва, созданы новые средства доставки взрывчатых веществ и заряжания взрывных полостей на карьерах и в строительстве, новые схемы комплексной механизации взрывных работ.

Особенностью развития промышленных взрывов в современных условиях является то, что наряду с выполнением уникальных взрывов (взрыв в ущелье Медео при сооружении селезащитной плотины, взрыв в Байпазинском ущелье при создании плотины гидроузла на реке Вахш), крупные заряды ВВ все шире применяются в решении повседневных задач горнодобывающей промышленности, когда одновременно взрываются заряды до 1000 т на открытых работах и до 100 т - на подземных.

Взрыв широко применяется и для не традиционных способов извлечения полезных ископаемых из недр Земли. В настоящее время известны сотни месторождений руд цветных и редких металлов, разработка которых по традиционной технологии не рентабельна. В то же время эти месторождения могут быть эффективно отработаны, например, способом подземного выщелачивания.. Поскольку в основе процесса выщелачивания металлов из руд лежит явление диффузии, то интенсивность процесса будет тем выше, чем больше площадь контакта рудного материала с выщелачивающим раствором, т.е. чем большую микро-макро-пустотность будет иметь разрушенный материал. Следовательно, решение задач подготовки горной массы с благоприятным для подземного выщелачивания гранулометрическим составом имеет первостепенное значение в общем совершенствовании подземных геотехнологических способов добычи полезных ископаемых.

При строительстве воднотранспортных магистралей, земляных плотин, насыпей, дамб и других мелиоративных объектов зачастую используют эффекты взрывного воздействия. Приложение к грунтам взрывных нагрузок сильно сказывается на их состоянии и последующем поведении в период эксплуатации. Поэтому для разработки эффективных технологий ведения взрывных работ в различных грунтах необходимы глубокие теоретические и экспериментальные исследования в области динамики грунтов, в том числе по изучению параметров взрывных волн, закономерностей их распространения, характера деформирования при взрыве.

Взрывные работы, отличающиеся быстротой исполнения, находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Использование энергии взрыва позволяет в несколько раз сократить проектные сроки строительства, а также во много раз снизить трудоемкость и себестоимость сооружений.

Таким образом, ведущая роль науки о взрыве в успешном внедрении новых технологических процессов на открытых и подземных горных работах совершенно очевидна. Это определяет тот научный интерес, который проявляется к вопросам физики действия взрыва в горных породах, определению оптимального ассортимента ВВ.

Процесс дробления горной породы зависит от большого количества факторов, связанных как со свойствами источника разрушающей энергии, так и со свойствами самой разрушаемой среды. Проблемы механики взрывного дробления тесно переплетаются с проблемами общей механики твердого тела.

Современные проблемы

Остановимся на основных научных проблемах ведения взрывных работ при добыче полезных ископаемых (рис.1).

Рис. 1

Дробление горной породы в процессе ее отделения от горного массива определяет эффективность всех последующих процессов ее переработки, поэтому установление механизма разрушения и способов управления этим механизмом – одна из главных задача науки о разрушении горных пород.

Для реализации процесса разрушения необходимо передать разрушаемой среде требуемое количество энергии из внешних источников. Разработка таких источников и способов их применения также важнейшая задача науки о разрушении горных пород.

Важным является совершенствование теории распространения микро и макро нарушений в горном массиве. Создание теоретических основ развития зон нарушенности. Необходимо выяснить роль различных факторов, влияющих на процессы трещинообразования при динамических воздействиях на массивы.

Одной из важнейших остается проблема повышения эффективности взрывного разрушения горных пород. По-прежнему актуальна проблема разработки взрывчатых веществ для горнодобывающей промышленности. В нашей стране в прошлые годы для горной промышленности применяли в основном взрывчатые вещества, изготавливаемые на заводах оборонной промышленности (гранулированные, тротилосодержащие). В настоящее время, в условиях рынка, применение таких составов экономически не оправдано и наша горная промышленность нуждается в дешевых, бес тротиловых составах, допускающих изготовление непосредственно на горных предприятиях (рис.2).

Рис. 2

Остро ощущается потребность в предохранительных взрывчатых веществах для шахт опасных по газу и пыли. За последние несколько десятилетий у нас не было разработано ни одной рецептуры новых эффективных видов предохранительных ВВ.

Требуется выполнить компьютеризацию всех процессов, связанных с проектированием и ведением взрывных работ, составить программное обеспечение учета и расходования взрывчатых материалов на горных предприятиях. Разработать программы расчета зон безопасности по различным факторам, при ведении взрывных работ, в соответствии с действующими нормативными документами.

Опыт систематизации горных наук

До последнего времени процессы разрушения горных пород под воздействием различных сил рассматривались в рамках традиционной механики твердого тела. Однако поведение горных пород имеет много специфических особенностей, связанных с неоднородностью свойств горного массива и поэтому закономерности поведения среды, установленные в основном для однородных сред, имеют ограниченное применение в решении задач горной механики. Физические явления в горной породе были достаточно специфичны и требовали специальных знаний и методических подходов для их решения. Для изучения физических явлений такого рода была определена особая научная специальность "физические процессы горного производства".

Особенности применения энергии взрыва в горном производстве определили необходимость выполнения широкого круга исследований по изучению свойств взрывчатых веществ, предназначенных для горного производства: особенностей работы взрыва, необходимых мер безопасности.

Примером специфических требований к разработке методов проверки эффективности работы взрывчатых веществ служит установление работоспособности ВВ. Для традиционных взрывчатых веществ, применяемых в военном деле, испытания свойств ВВ проводились для установлению двух основных показателей действия взрыва: проба на бризантность - обжатие свинцового цилиндра и испытание в бомбе Трауцля - определение объема полости, образуемого при взрыве в свинце. Для промышленных ВВ, употребляемых в основном в гранулированном виде, эти испытания ничего не дают, так как критические диаметры детонации ВВ слишком велики. Появилась необходимость разработать совершенно новые способы проверки работоспособности промышленных ВВ.

Специфика процессов нарущения сплошности природных структур горных пород (минеральных агрегатов или массивов) под действием внешних сил выявила необходимость разработки современной концепции классификации направлений горной науки о разрушении горных пород.

Приоритетные научные направления

Исходя из современных требований горных наук и производства можно сформулировать следующие приоритетные направления научных исследований в области разрушения массивов горных пород:

• совершенствование существующих и разработка новых способов взрывного разрушения горных пород;
• развитие теории взрыва в горной породе, механизма трещинообразования при взрыве, способов регулирования направленным действием взрыва;
• разработку новых типов взрывчатых веществ для горной промышленности;
• создание новых видов средств механизации взрывных работ.

Новые виды взрывчатых веществ, разрабатываемых для горнодобывающей промышленности, должны допускать возможность их изготовления непосредственно на местах применения. Использование взрывчатых веществ местного изготовления позволяет существенно снизить затраты на взрывные работы и уменьшить опасность, связанную с транспортированием и хранением больших количеств взрывчатых материалов.

Основная проблема в этой области - разработка взрывчатых составов повышенной энергии без взрывчатых сенсибилизаторов, имеющих минимальное количество токсичных компонентов в продуктах детонации, обладающих водоустойчивостью и сравнительно низкой вязкостью, позволяющей достаточно быстро производить механизированную зарядку скважин.

Для решения этой проблемы необходимо совершенствовать рецептуры различных видов взрывчатых веществ местного изготовления: простейших смесевых веществ типа АН-ФО или игданитов, водосодержащих ВВ типа ГЛТ или ифзанитов, эмульсионных - типа поремитов. Следует подчеркнуть, что все указанные виды взрывчатых веществ местного изготовления имеют свои достоинства. Простейшие смесевые - минимальную стоимость; эмульсионные - водоустойчивость; водосодержащие - возможность получения максимальной концентрации энергии в зарядной полости.

Весьма актуальной является в настоящее время проблема компьютеризации расчетных методов проектирования и ведения взрывных работ. Создание автоматизированных систем управления способами взрывного разрушения горных массивов на основе анализа данных о структуре и механических свойствах разрушаемой среды.

Актуальна также разработка экологически безопасных способов ведения взрывных работ на горных предприятиях. Создание методов снижения экологических последствий ведения взрывных работ. Разработка экологически безопасных взрывчатых составов для горнодобывающей промышленности.

В последние годы появились работы, в которых сделаны попытки использования самых различных физических явления для целей интенсификации разрушения горной породы.

Наряду с проблемами взрывного разрушения массивов горных пород остановимся на возможностях других методов воздействия на горную породу.

Весьма актуальна необходимость разработки теории передачи горной породе внешней энергии, обеспечивающей ее разрушение, и принципов управления этим процессом. Необходимо выполнить анализ различных физических явлений для выяснения возможности создания альтернативных взрывному способов разрушения горных пород. К такого рода физическим явлениям относятся явления, связанные с организацией направленного и, в той или иной степени, локализованного в массиве горной породы потока энергии. Возможности современной техники по организации таких потоков весьма широки, однако их применение для разрушения горных пород изучено еще недостаточно. Тем не менее, определенные суждения по поводу перспективности того или иного способа можно высказать.

Наиболее распространенным способом разрушения горной породы является механический с использованием различного вида инструментов (рыхлителей, фрез и других рабочих органов для послойной выемки, в том числе - алмазно-канатных). Наряду с традиционными направлениями исследования взаимодействия инструмента и породы перспективным представляется направление, исследующее это взаимодействие в присутствии веществ, ослабляющих приповерхностную прочность горной породы.

Другим весьма распространенным способом разрушения горной породы является способ гидроотбойки. Здесь перспективные направления исследований лежат в области использования абразивных добавок и в области комбинации гидровоздействия с механическим воздействием.

Исследование способов воздействия на горную породу, предусматривающих использование высокоскоростного удара и кумуляции, также заслуживают внимания. Однако область их применения будет, видимо, ограничена специальными видами работ (например, разрушением негабаритов).

Наименее исследованным из семейства механических способов воздействия на горную породу является вибрационный. Определенные перспективы его использования имеют место, но недостаток информации о его особенностях явно ощущается.

Достаточно подробно изучено термически хрупкое разрушение скальных пород. Термическое хрупкое разрушение имеет место при огневом способе бурения и расширения взрывных скважин, термическом резании и обработке блоков строительного камня. При поверхностном нагреве в скальной породе возникают термические напряжения, обусловленные градиентом температур в направлении перпендикулярном к поверхности нагрева (макроскопические напряжения), а также структурные термические напряжения, которые появляются из-за наличия в породе разных минеральных зерен и обусловлены различием их тепловых и упругих свойств, модуля упругости.

Для разрушения горной породы возможно применение электротермического воздействие. Электротермические методы имеют такие преимущества, как объемный подвод энергии, высокую концентрация мощности, возможность дистанционной передачи энергии, избирательность воздействия. Объемный подвод энергии снимает ограничения, накладываемые на производительность процесса разрушения механической прочностью инструмента, малой скоростью распространения тепла за счет процессов теплопроводности. Возможность выделять энергию внутри массива горной породы без механического проникновения за его поверхность позволяет эффективно разрушать породу, по-новому проектировать элементарный процесс разрушения. Особенно перспективно применение токов сверхвысокой частоты (СВЧ), позволяющих фокусировать энергию на некоторой глубине в горной породе без контакта с ее поверхностью. Объемный подвод энергии позволяет повысить производительность процесса разрушения, ограничения производительности при этом связаны с конечной скоростью разрушения и удаления горной массы.

В горной промышленности применяется технология разрушения горных пород, базирующаяся на использовании тонких струй воды высокого давления.

Задача использования тонких струй воды высокого давления в исполнительных органах горных машин потребовала проведения разносторонних исследований, охватывающих динамику и формирование тонких струй воды, взаимодействие струи с разрушаемым массивом, изучение процесса струйного разрушения горных пород при широком диапазоне их структуры и крепости, создание струе формирующих устройств исполнительных органов разрушения и др. Для расширения области применения тонких струй высокого давления значительные исследования проведены по созданию комбинированного гидромеханического способа разрушения угля и породы, основанного на совместном воздействии на горный массив тонкой струи воды и механического (резцового, шарошечного, ударного) инструмента. На их основе разработаны конструкции очистных и проходческих комбайнов с гидромеханическими исполнительными органами различных типов.

Определенный интерес представляет исследование комбинированных воздействий, например термомеханическое, виброэлектромагнитное и т.п. Используя потоки энергии различных полей, такие воздействия могут уменьшить удельные энергозатраты на разрушение того или иного объема горной породы.

Оценка удельных энергозатрат, характерных для каждого из упомянутых способов разрушения горной породы, показывает, что ни один из них не может конкурировать со взрывным. Определенные преимущества некоторых из них возникают только при учете экологических последствий их применения. На этом фоне достаточно интересным, по крайней мере в плане исследований, представляется недавно разработанный способ воздействия на горную породу с помощью газовых или жидкостных химически-активных по отношению к разрушаемому материалу струй. Принципиальным его преимуществом перед другими способами воздействия является использование энергии химической реакции, возникающей при контакте струи с разрушаемым материалом, что влечет за собой существенное уменьшение энергозатрат.

Проблема разрушения горных пород имеет огромное количество различных аспектов, связанных практически со всеми фундаментальными физическими, математическими и техническими дисциплинами. Правильная формулировка основных научных направлений этой науки позволит сконцентрировать усилия научных работников, занятых в этой области, на ее главных научных задачах.

Научные исследования, выполняемые в ИПКОН РАН

В этой части доклада остановимся на важнейших результатах исследований, в области разрушения горных пород, выполнявшихся и выполняемых в нашем институте.

В настоящее время основной источник энергии разрушения горного массива при добыче твёрдого полезного ископаемого - взрывчатое вещество. В качестве взрывчатого вещества можно использовать взрывчатые составы, изготавливаемые на заводах взрывчатых веществ. Однако более выгодно и безопасно применять в горном производстве взрывчатые вещества, изготавливаемые непосредственно на горном предприятии. Еще в пятидесятые годы в ИГДАНе (предке нашего института в системе академии наук) было предложено применять простейшие ВВ, названные игданитами, представляющими собой механическую смесь окислителя – гранулированной аммиачной селитры и горючего – дизельного топлива. Такие взрывчатые вещества очень просты в изготовлении, по своим взрывчатым характеристикам не уступают заводским взрывчатым составам, допускают механизацию всех процессов их изготовления, транспортирования и применения. И главное они намного дешевле заводских составов (рис.3).

Рис. 3

Сотрудники нашего института приложили массу усилий для доказательства необходимости перехода горных предприятий на взрывчатые составы, изготавливаемые на местах применения. В настоящее время появилось много новых видов взрывчатых веществ, допускающих их изготовление на горных предприятиях. Доля взрывчатых веществ, изготавливаемых на горных предприятиях, непрерывно возрастает.

Отличительная особенность таких ВВ - малая чувствительность к взрывному импульсу. Критический диаметр детонации простейших ВВ на порядок превышает критический диаметр детонации заводских составов. Для таких взрывчатых веществ оказались непригодными традиционные методы испытания ВВ. Потребовалось создать расчетные методы определения их свойств и оценки эффективности применения в горном производстве.

В нашем институте была разработана методика расчёта параметров детонации простейших взрывчатых веществ. В этой методике рассматривается протекание на фронте детонационной волны равновесных химических реакций. Используя уравнения, отражающие законы сохранения массы, импульса и энергии при переходе через детонационный фронт, получаем систему уравнений для расчета параметров детонации (рис.4).

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Система уравнений решается численно методом последовательных приближений. В результате расчётов получаем параметры детонации рассматриваемого взрывчатого вещества. Сопоставление результатов расчёта с известными экспериментальными данными показало хорошую сходимость экспериментальных и расчетных величин скорости детонации, массовой скорости и удельной теплоты взрыва для промышленных взрывчатых веществ (рис.5).

При выборе того или иного состава простейшего взрывчатого вещества существенно, какой показатель ВВ наиболее важен с точки зрения его применения в горном производстве.

Многолетние исследования, выполненные в нашем институте, показали, что важнейшей характеристикой заряда взрывчатого вещества при разрушении горного массива является его энергии. Этот энергетический принцип действия взрыва в горной породе был окончательно сформулирован и обоснован в нашем институте.

На основе выполненных исследований разработана программа расчётов, позволяющая анализировать возможность использования в составах простейших ВВ различных веществ. В этой программе предусмотрена возможность оптимизации исследуемых составов по энергетическому признаку (рис.6).

Предложенные методы расчёта и оптимизации составов взрывчатых веществ были использованы при разработке многих видов взрывчатых составов: ифзаниа, игданита А-6, акванал-ипконита, угленита, взрывчатых составов использующих попутные продукты горного производства и т.д.

Результаты разработки и применения в горнодобывающей промышленности простейших ВВ была оценены государственной премией СССР.

Следующая важная проблема разрушения горной породы при добыче твердого полезного ископаемого – управление процессом передачи энергии от заряда взрывчатого вещества горному массиву.

Для изучения этих процессов в нашем институте разработаны численные методы расчета действия взрыва в горной породе. Используя методику, применяемую ранее для расчёта действия ядерных зарядов в твердой среде, и модифицировав ее получили возможность рассчитывать различные варианты работы взрыва. В этих методах рассматриваемый массив разбивается на ячейки, в которых задаются различные значения механических характеристик горной породы. Таким образом, обеспечивается возможность исследования влияния неоднородности свойств горного массива на результаты работы взрыва (Рис.7).

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

С помощью численных методов исследовано влияние геометрии расположения зарядов во взрываемом массиве на параметры полей напряжений в различных направлениях. Установлены закономерности изменения концентрации или ослабления напряжений в зависимости от формы так называемого «пучка зарядов». Практические рекомендации конструкций зарядов нашли применения в горнодобывающей промышленности (рис.8).

По результатам этой работы присуждена премия Правительства Российской Федерации.

Взрыв чрезвычайно эффективное средство разрушения горного массива, однако он имеет множество хорошо известных негативных явлений (рис.9). Одно из них - образование пылегазового облака. Анализ известных экспериментальных данных и теоретических подходов позволил разработать методику расчёта образования и распространения пылегазового облака при взрыве зарядов ВВ на карьерах. По разработанной методике составлена программа расчётов. В программе на основе диффузионной модели с учётом ветрового сноса рассчитывается концентрация газа и пыли в любой точке земной поверхности, определяется время прихода пылегазового облака и его исчезновение. На основе заданных значений ПДК устанавливаются размеры опасных зон, и их изменение во времени и пространстве.

Негативные явления, сопровождающие взрывы, заставляют исследовать возможности применения для разрушения горной породы невзрывных источников энергии. В нашем институте выполнена работа по анализу использования всевозможных физических процессов в качестве источника энергии разрушения. Сопоставление возможностей этих источников энергии выполнено на основе сравнения затрат энергии необходимых для разрушения единичного объёма горной породы. Как видно конкурировать с взрывным источником другие источники энергии пока не могут. Однако в некоторых условиях невзрывные источники широко используются и их совершенствование вполне оправданно (рис.10).

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

Для повышения энергетической эффективности невзрывных источников энергии разрушения в нашем институте была предложена новая идея использовать для разрушения горной породы химически активные вещества.

Было решено проверить возможность применения для разрушения горной породы щелочных металлов, вступающих в химическую реакцию с водой, всегда присутствующей в горной породе, в свободной или кристаллогидратной форме.

Для проверки этой идеи были выполнены эксперименты, в которых сопоставлялось действие на образцы гранита капелек нейтрального и химически активного вещества. С помощью специальной методики капельки разгонялись до различных скоростей и замерялись размеры воронки, образующейся в граните (рис.11).

Эксперименты показали, что, начиная с некоторых скоростей, размеры образующихся воронок существенно отличаются. В случае действия химически активного вещества объёмы воронок возрастают почти на порядок (рис.12). Таким образом доказано существование эффекта выделения дополнительной энергии за счёт химического взаимодействия активного вещества и горной породы. Для изучения закономерностей действия химически активных веществ на горную породу в институте разработана и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая создавать тонкие струи химически активных веществ и анализировать результаты их действия (рис.13).

Всё это позволило создать теоретическую модель действия химически активной струи на твердое вещество.

Полученные результаты показали, что имеется возможность существенно повысить энергетические показатели невзрывных источников разрушения горной породы.

Таковы основные направления и результаты исследований института за последние годы.