Мероприятия по реконструкции действующих и строительству новых угольных шахт, предусмотренные энергетической
стратегией Украины, невозможны без сооружения большого объема капитальных горных выработок, среди которых особое
место по технологической специфике и функциональной значимости занимают вертикальные стволы различного назначения.
В общем комплексе горных выработок современной шахты на долю стволов приходится до 30% стоимости и до 50% общего
времени строительства.
В последние годы практически все вертикальные стволы угольных шахт в нашей стране сооружались с применением буровзрывной технологии.
Буровзрывные работы являются одним из важнейших элементов проходческого цикла – их удельный вес в общем объеме в некоторых случаях
может достигать 40…50%. Главной особенностью ведения взрывных работ в стволах является наличие воды в призабойной зоне и в шпурах. С
ледует отметить, что уровень технико-экономических показателей и безопасности взрывных работ при проходке вертикальных шахтных стволов
далеко не всегда достаточно высок. На практике довольно часто имеют место неполные детонации шпуровых зарядов взрывчатых веществ (ВВ),
а также низкие значения коэффициента использования шпуров (КИШ), что в частности приводит к увеличению длительности уборки породы во II фазе,
предполагающей использование малопроизводительного ручного труда проходчиков, до 35% от общего времени погрузки породы.
Такое положение дел можно объяснить недостаточной изученностью процесса разрушения горных пород взрывом зарядов водонаполненных шпуров,
применением однотипных конструкций шпуровых зарядов при различных условиях взрывания. На основании вышесказанного можно заключить,
что совершенствование технологии взрывных работ с целью уменьшения времени уборки породы и проходческого цикла в целом при проходке
вертикальных стволов – ак-туальная научно-техническая задача.
Одним из возможных путей решения этой задачи является разработка конструкций шпуровых зарядов ВВ,
применение которых позволило бы усилить воздействие взрыва на нижнюю часть обуренного массива и вследствие
этого сократить затраты труда и времени на уборку породы во II фазе
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Цель работы состоит в повышении эффективности и безопасности взрывных работ при проходке вертикальных шахтных
стволов.
Задачи исследований:
• произвести анализ литературных источников по теме данной работы;
• произвести теоретические исследования действия взрыва шпурового
заряда ВВ с инертным промежутком между его частями на окружающую среду;
• произвести лабораторные эксперименты по изучению влияния различных свойств материала
инертного промежутка между боевой и пассивной частями заряда ВВ,
взрываемого в заполненном водой шпуре, на величину радиального импульса от взрыва пассивной части заряда;
• на основании проведенных исследований разработать конструкцию шпурового заряда ВВ для усиления воздействия
взрыва на придонную часть шпура в обуренном массиве горных пород;
• оценить возможный экономический эффект от применения разработанной конструкции шпурового заряда ВВ
при проходке вертикальных шахтных стволов.
ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Предполагаемая научная новизна работы состоит в установлении влияния свойств материала инертного промежутка между
боевой и пассивной частями заряда ВВ, взрываемого в заполненном водой шпуре, на величину радиального импульса от
взрыва пассивной части заряда.
ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Предполагаемая практическая ценность работы состоит в разработке новой конструкции шпурового заряда ВВ, применение
которой позволит повысить эффективность и безопасность взрывных работ при проходке вертикальных шахтных стволов.
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Практика показывает, что при строительстве вертикальных шахтных стволов с применением буровзрывной технологии,
начиная с глубины ствола примерно 700 м, время проходческого цикла существенно возрастает [1]. Это связано с
увеличением времени подъема бадей, а, следовательно, времени I фазы уборки породы, tI фазы , которое начинает
увеличиваться с глубины около 400…450 м. Как отмечают авторы [1], увеличение времени подъема одной бадьи всего
лишь на 1 минуту увеличивает значение tI фазы примерно на 1 час. В то же время авторы [2] считают, что уменьшение
tI фазы в определенных пределах не приводит к существенному повышению скорости проходки ствола. Это связано с тем,
что в общем времени проходческого цикла с глубиной повышается удельный вес непроизводительных работ,
связанных с увеличением притоков воды в забой, повышенной аварийностью проходческого оборудования из-за износа,
повреждением технологических трубопро-водов и т.д.
Устранение вышеназванных причин увеличения времени проходческого цикла проблематично, хотя и позволило бы
существенно повы-сить средние темпы проходки стволов. Таким образом, для поддержания высокой скорости проходки
на больших глубинах (свыше 700 м) необходимы новые решения и технологии [1].
Многие исследователи отмечают, что одной из главных причин недостаточно высоких технико-экономических показателей
(ТЭП) при строительстве вертикальных шахтных стволов является несовершенство
технологии буровзрывных работ [1, 3, 4, 5 и др.].
В последние годы практически все шахтные стволы в нашей стране сооружались по буровзрывной технологии.
Главными параметрами взрывных работ при проходке вертикальных стволов, как и в горизонтальных выработках,
являются: удельный расход ВВ, количество и глубина шпуров. В качестве ВВ в подавляющем большинстве случаев
применятся аммонал скальный № 1 прессованный (II класс) в патронах диаметром 45 мм, длиной 180 мм и массой 0,4 кг.
Реже применяется аммонит 6ЖВ в патронах диаметром 36 мм, длиной 270 мм и массой 0,3 кг.
Шпуры диаметром 52 мм бурятся при помощи бурильных установок типа БУКС-1м и ручных перфораторов.
Глубина шпуров определяется крепостью пересекаемых пород, характеристиками бурильного оборудования,
допустимым значением незакрепляемого отхода (расстояния от забоя ствола до опалубки).
Обычно значение глубины отбойных шпуров не выходит за пределы 2,5…4,2 м. Значение коэффициента
использования шпуров составляет, как правило, 0,75…0,95. Коэффициент заполнения шпуров зависит от
их количества и физико-механических свойств пересекаемых пород. Обычно его значение находится в пределах 0,35…0,50.
Для инициирования зарядов ВВ наиболее часто используются электродетонаторы мгновенного,
короткозамедленного и замедленного действия – ЭДКЗ-0П, ЭДКЗ-ПМ и ЭДЗД. В качестве забойки шпуров
применяется гранулированный шлак в сочетании с гидрозабойкой, получаемой путем заливки шпуров
водой перед взрыванием. Шпуры в забое ствола с круглой формой поперечного сечения размещаются по трем-четырем
концентрическим окружностям, причем врубовые и оконтуривающие шпуры могут располагаться как по одной,
так и по двум окружностям.
Многолетний опыт проходки вертикальных шахтных стволов в Дон-бассе по описанной выше технологии свидетельствует,
что в результате взрывных работах зачастую коэффициент использования шпуров (КИШ) был гораздо ниже нормативных
значений, имели место групповые неполные детонации и отказы зарядов (наиболее часто в оконтуривающих шпурах).
Таким образом, приконтурный массив ствола оставался недоразрушенным, в результате чего появлялись
существенные недоборы породы, устранение которых требовало значительных затрат труда и времени,
уменьшалось значение глубины заходки, возрастала продолжительность погрузки породы во II фазе, увеличивался
размер кусков разрушенной взрывом горной породы. Кроме того, существенные затраты времени требовались для
обнаружения и ликвидации отказавших зарядов ВВ. Все эти факторы отрицательно влияли на темпы проходки ствола
Авторы [3] видят причину низкой эффективности ТЭП взрывных ра-бот в следующем. В связи с разницей диаметров
патронов ВВ и шпуров (особенно при применении аммонита 6ЖВ в патронах диаметром 36 мм в шпурах диаметром 52 мм)
может образоваться существенный зазор между зарядом ВВ и стенкой зарядной камеры.
При этом могут иметь место различные варианты расположения патронов ВВ в шпуре (рис. 1).
Очевидно, что при расположении патронов как на рис. 1, б, в, г невозможно предвидеть,
куда будут направлены удары продуктов детонации максимальной и минимальной силы.
Анимация (4 кадра, размер 26,2 Кб)
Следовательно, управление полезными формами работы взрыва в данной ситуации будет существенно затруднено.
В работе [3] предложено располагать патроны соосно при помощи специальных деревянных клиньев, вводимых в шпур,
причем в оконтуривающих шпурах клинья должны размещаться со стороны массива пород. По нашему мнению,
реализация данного способа нецелесообразна из-за значительного усложнения процесса (и увеличения времени)
заряжания шпуров.
Весьма негативное влияние на ТЭП проходок и безопасноть работ оказывают неполные детонации зарядов ВВ.
Автор [4] на основании проведенного анализа выделяет две основные причины этого явления при проходке
стволов: осевая подвижка патронов ВВ в шпурах под действием взрыва соседних сближенных зарядов ВВ и нарушение
сплошности заряда ВВ в результате воронкообразования, вызванного взрывом соседнего шпурового заряда.
Рекомендации, разработанные в результате выполненных исследований, предполагающие изменение пространственных
и временных параметров паспорта БВР, конструкции зарядов ВВ, были внедрены в производство и позволили существенно
снизить количество неполных детонаций, повысить ТЭП и безопасность работ.
Многие исследователи видят причину низких скоростей проходки в значительной продолжительности
II фазы уборки породы (tII фазы). По данным хронометража, проведенного авторами [1] при скоростной проходке
воздухоподающего ствола № 2 на АП «Шахта им. А.Ф. Засядько», среднее значение tII фазы составило
в сланцах – 3…4 часа, а в песчаниках – 5…6 часов. Уменьшение tII фазы (в сланцах – до 1…1,5 часа,
а в песчаниках – до 1,5…2 часов) было достигнуто за счет перехода с прямого на обратный способ инициирования
шпуровых зарядов ВВ. Было отмечено, что обратный способ инициирования шпуровых зарядов по сравнению
с прямым дал увеличение КИШ на 10-12%, позволил уменьшить переборы породы до 10% и повысить темпы проходки на 15-20%.
Тем не менее, использование обратного инициирования требует значительной модернизации
существующей технологии взрывания: при-менения электродетонаторов с увеличенной длиной проводов,
с достаточ-но прочной изоляцией, а также строгого соблюдения диаметра шпура при бурении.
Следует отметить, что выпускаемые в нашей стране электродетонаторы не всегда отвечают перечисленным требованиям,
потому на практике применялись сравнительно дорогие чешские электродетонаторы типа DEM-ZB.
Проведенный обзор позволяет заключить, что низкие ТЭП буровзрывных работ (БВР) в стволах связаны в
большинстве случаев с неверно выбранными пространственными и временными параметрами паспорта БВР,
а также несовершенством конструкций шпуровых зарядов ВВ. Анализ показывает,
что целесообразно применение зарядов таких конструкций, которые в процессе проведения взрывных работ
способны сохранять свою форму и неразрывность, например, монозарядов.
На основании большого объема теоретических и экспериментальных исследований,
выполненных в последние годы в ДонНТУ [5-9], предло-жены рациональные конструкции рассредоточенных шпуровых
арядов ВВ, позволяющие усилить воздействие взрыва на придонную часть шпура при проходке вертикальных стволов.
Повышенная эффективность достигается за счет использования зарядов ВВ специальных конструкций:
зарядов с инертным промежутком между патронами ВВ, «двухъярусных» зарядов, зарядов с водозаполненным
осевым углублением (рис. 2). Условия эффективного применения «двухъярусных» зарядов и зарядов с водозаполненным
осевым углублением достаточно полно изучены в работе [5].
Давно доказано, что рассредоточенные заряды и заряды ВВ с воздушными промежутками при взрывании в
горных породах имеют высокую эффективность, которая часто превышает эффективность сплошных зарядов.
Во второй половине XX века было предложно множество конструкций зарядов с инертными промежутками для
использования при взрывных работах по проведению горизонтальных и наклонных, открытых выработок обычным способом,
а также способом контурного взрывания [10, 11 и др.].
В работе [5] на основании исследований предпринята удачная по-пытка создания конструкции заряда ВВ с инертным
промежутком для взрывных в вертикальных стволах, способствующая усиленному воздействию взрыва на придонную часть
шпура за счет увеличения радиального импульса взрыва зоне. Автор приходит к выводу,
что усиление радиального воздействия взрыва на массив горных пород будет наблюдаться при следующем условии:
где mВВ – масса активной части заряда, т.е. расположенной перед инертным промежутком по ходу детонации; Мин – масса инертного промежутка
Автор [5] объясняет влияние инертного материала на процесс развития взрыва следующим образом.
На контакте ВВ с инертным промежутком в результате взаимодействия с продуктами детонации его материал
первоначально сжимается возникающей в нем ударной волной, а затем разгоняется в волне разрежения.
Отдельные частицы инертной преграды, имея высокую скорость движения, в несколько раз превышающую скорость
детонации ВВ, «прошивают» часть заряда ВВ, при этом вызывая химическую реакцию разложения ВВ по всей ее длине.
В результате скорость выделения энергии возрастает за счет много-точечного инициирования реакции в патроне ВВ.
Все это приводит к возрастанию радиального импульса взрыва заряда по ходу детонации за счет увеличения скорости
детонации ВВ.
Следует отметить, что верхний предел,(при котором еще на-блюдается усиление радиального импульса взрыва)
был подтвержден только для случая использования инертных промежутков двух видов: из гранулированного шлака и
цементно-песчаных, что, однако, не снижает общей практической ценности работы [5].
Тем не менее, мы считаем, что условие (1) должно быть уточнено и для случая применения других инертных
материалов с целью выбора наиболее эффективного с точки зрения усиления радиального импульса взрыва,
а развитие работы в данном направлении, как показывает проведенный обзор, будет способствовать дальнейшему
улучшению ТЭП при проходке вертикальных шахтных стволов по буровзрывной технологии.
ПЕРЕЧЕНЬ НЕРЕШЕННЫХ ЗАДАЧ
Как показал проведенный обзор литературных источников, на сегодняшний день не достаточно изучено влияние свойств
материала инертного промежутка между боевой и пассивной частями заряда ВВ, взрываемого в заполненном водой шпуре,
на величину радиального импульса от взрыва пассивной части заряда.
ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Результаты должны состоять в успешном решении сформулированных выше задач исследований,
что обеспечит достижение поставленной в данной работе цели.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате анализа литературных источников определены цель и задачи данной магистерской работы.
На базе теоретических и экспериментальных исследований установлено влияние свойств материала инертного
промежутка между боевой и пас-сивной частями заряда ВВ, взрываемого в заполненном водой шпуре, на величину
радиального импульса от взрыва пассивной части заряда.
На основании проведенных исследований предложена конструкция шпурового заряда ВВ для усиления воздействия взрыва
на придонную часть шпура в обуренном массиве горных пород.
Предложена методика оценки возможного экономический эффект от применения разработанной конструкции шпурового заряда
ВВ при проходке вертикальных шахтных стволов
Список источников
1. Новик Е.Б., Левит В.В., Купенко И.В. Опыт проведения буровзрывных работ при скоростной
проходке воздухоподающего ствола шахты им. А.Ф. Засядько // Уголь Украины. – 2002. – № 4. – С. 44–46.
2. Миндели Э.О., Тюркян Р.А. Сооружение и углубка вертикальных стволов шахт. – М.: Недра. – 1982. – 312 с.
3. Шевцов Н.Р., Гудзь А.Г., Бабичев С.В. Регулирование полезных форм работы взрыва шпуровых
зарядов при проходке вертикальных стволов шахт // Известия Донецкого горного института. – 1996. – № 1. – С. 60–63.
4. Купенко І.В. Обґрунтування ефективних параметрів буропідривних робіт при проходці вертикальних шахтних стволів:
автореф. дис. канд. техн. наук: 05.15.04 / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2004. – 18 с.
5. Рубльова О.І. Обґрунтування ефективних конструкцій і параметрів шпурових зарядів при проходці
вертикальних стволів шахт: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.15.04 / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2008. – 17с.
6. Рублева О.И., Купенко И.В., Левит В.В. Установление влияния формы заряда на эффективность взрывания //
Геотехнічна механіка: Між від. зб. наук. праць/Ін-т геотехнічної механіка ім.. М.С. Полякова НАН України.
– Дніпропетровськ: ІГТМ НАН України, 2005. – Вып. 61. – С. 267–273.
7.Шевцов Н.Р., Калякин С.А., Рублева О.И. Исследование полноты и устойчивости детонации зарядов
с инертными промежутками между патронами // Разработка рудных месторождений: Научно-технический сборник.
Кривой Рог: КТУ, 2006. – С. 75-79.
8. Шевцов Н.Р., Рублева О.И., Купенко И.В. Экспериментальные исследования процесса разлета продуктов взрыва
оболочечного заряда с инертным промежутком между патронами ВВ // Физики и техника высокоэнергетической обработки
материалов: Сб. научн. тр. Национального горного университета. – Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2007. – С. 363-374.
9. Левит В.В., Рублева О.И. Модель буровзрывной технологии проходки вертикальных шахтных стволов //
Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. Вип.. 6 (125). – С. 75-85.
10. Мельников Н.В., Марченко Л.Н. Энергия взрыва и конструкция заряда. – М.: Недра, 1964. – 138 с.
11. Барон Л.И., Ключников А.В. Контурное взрывание при проходке выработок. – Л.: Наука, 1966. – 205 с.
