Способ взрывной отбойки горных пород на открытых разработках (варианты)

Изобретение относится к горному делу, в частности к открытой разработке полезных ископаемых высокими уступами. Для повышения эффективности взрывной отбойки этих уступов единичные скважины большого диаметра заменяют парой расходящихся скважин меньшего диаметра, у которой одна скважина всегда вертикальна, а вторая наклонена в сторону уступа; единичные скважины большего диаметра заменяют парой расходящихся пучков параллельных сближенных скважин, у которой один пучок вертикален, а второй наклонен в сторону уступа; единичные скважины большого диаметра заменяют парой расходящихся скважин меньшего диаметра, у которой одна скважина вертикальна, а вторая наклонена в сторону уступа и расположена в вертикальной плоскости, параллельной первой и отстоящей от нее на 1-2 диаметра скважины; единичные скважины большого диаметра заменяют парой расходящихся пучков параллельно сближенных скважин, у которой один пучок вертикален, а второй наклонен в сторону уступа и располагается в вертикальной плоскости, параллельной первой и отстоящей от нее на 1-2 диаметра скважины. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к горному делу, в частности к открытой разработке полезных ископаемых с применением способа взрывной отбойки высоких рабочих уступов.

Известна применяемая на подземных горных работах взрывная отбойка веерами глубоких скважин в варианте системы подэтажного обрушения отбиваемой руды на почву подэтажных доставочных штреков. В этом случае выше подэтажных погрузочно-доставочных штреков (ортов) проходят выработку, из которой восходящими веерами расходящихся глубоких скважин обуривают и взрывают панель шириной 15-30 м (два-три штрека) и высотой 25-30 м (см. Агошков М.И., Борисов С.С., Боярский В.А. Разработка рудных и нерудных месторождений. М.: Недра, 1970 г., с.278-279).

Недостатком данного способа применительно к условиям взрывной отбойки высокими уступами на карьерах является то, что веера расходящихся скважин всегда необходимо располагать в плоскости, параллельной обнаженной поверхности, на которую производится отбойка горной массы.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому способу взрывной отбойки является способ отбойки горных пород на открытых разработках скважинными зарядами большого диаметра, когда бурение скважин осуществляется с рабочей площадки уступа в сторону его подошвы. После обуривания всех запланированных к взрыву скважин производят их заряжание и последующее взрывание (см. Справочник “Открытые горные работы”, М.: Горное бюро, 1994 г., с.153-154, таблица 6.9 “Техническая характеристика современных буровых станков”).

Недостатком данного способа при увеличении по технологическим причинам высоты рабочих уступов является неизбежная необходимость опережающего увеличения величины линии сопротивления взрыву по подошве отбиваемого уступа (ЛСПП) и, как следствие, диаметра скважинных зарядов для ее преодоления; при этом величина диаметра скважин довольно быстро выходит за границы технических возможностей существующего бурового оборудования.

Задачей изобретения является интенсификация и повышение эффективности буровзрывных и горных работ за счет увеличения высоты обуриваемых и взрываемых уступов, повышения производительности бурения и снижения удельного расхода ВВ при сохранении необходимой степени дробления.

Задача решена путем создания способа взрывной отбойки горных пород высокими уступами на открытых разработках, включающего в себя бурение нисходящих скважин, их заряжание и взрывание, в котором согласно изобретению отбойку горных пород ведут парами расходящихся скважин, пробуренных с рабочей площадки уступа в вертикальной плоскости, в которой одну скважину в каждой паре скважин бурят перпендикулярно к подошве уступа, а вторую - в сторону откоса уступа с наклоном к его подошве под таким углом β, чтобы эта наклонная скважина пересекала расчетную ЛСПП посередине

где Н - высота уступа, м;

d - диаметр скважины в паре расходящихся скважин, м;

q - удельный расход ВВ для данной породы и заданном качестве дробления, кг/м³;

γ_вв - плотность заряжания ВВ в скважине, кг/м³.

Особенностью взрывной отбойки высокими уступами является повышенная величина линии сопротивления взрыву по подошве, которая в прямой пропорции связана с высотой уступа соотношением W=Н•ctgα+С, где W - расчетная величина ЛСПП, м; Н - высота уступа, м; α - угол откоса уступа, град.; С - величина бермы безопасности, м.

Традиционные методы взрывания для преодоления завышенных значений ЛСПП предусматривают увеличение диаметра скважин или мощности применяемых ВВ. Однако это вызывает значительные капитальные затраты на обновление бурового оборудования и ассортимента используемых ВВ. В то же время практика буровзрывных работ показывает, что применяемые диаметры увеличенных скважинных зарядов не обеспечивают необходимого качества дробления и проработки подошвы, особенно с увеличением высоты уступов более 15 м в средне и трудновзрываемых породах.

В связи с изложенным в предлагаемом способе взрывной отбойки горных пород на открытых разработках цилиндрические монозаряды, располагаемые в нисходящих скважинах большого диаметра, заменяют одной или несколькими парами расходящихся скважин меньшего диаметра; в каждой паре одну скважину бурят вертикально, а вторую бурят в сторону откоса уступа с наклоном к его подошве под таким углом, чтобы эта наклонная скважина пересекала расчетную ЛСПП посередине.

Эффективность и интенсификация буровзрывных работ в предлагаемом способе взрывной отбойки высоких уступов заключается в следующем. При использовании традиционных схем отбойки верхний предел высоты обуривания и взрывания рабочих уступов ограничен техническими возможностями применяемого бурового оборудования, прежде всего, максимально возможным диаметром бурения существующего бурового оборудования. В связи с этим максимально возможная высота рабочих уступов с точки зрения их взрывной отбойки

где H_max - предельная по техническим возможностям бурового оборудования высота уступа в случае использования традиционных схем взрывной отбойки, м;

D_m - максимально возможный для применяемого оборудования диаметр бурения м;

γ_вв - плотность заряжания применяемого ВВ, кг/м³;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³;

С - величина бермы безопасности, м;

α - угол откоса уступа, град.

Традиционные схемы буровзрывной отбойки высоких уступов на карьерах основываются на пропорциональности энергии скважинных зарядов объему взрываемых пород, в частности повышенным значением линии сопротивления взрыву по подошве уступа (ЛСПП) и предусматривают в основном увеличение диаметра скважин. Однако возможность увеличения диаметра скважин буровым оборудованием, серийно выпускаемым в настоящее время промышленностью, практически исчерпана.

Применение способа отбойки расходящимися парами скважин позволяет увеличить высоту обуриваемых и взрываемых рабочих уступов, не увеличивая диаметра буримых скважин. Исходя из условия преодоления каждой скважиной в паре половины расчетного значения линии сопротивления по подошве диаметр скважины в паре (d) должен быть равен половине заменяемой единичной скважины, и в связи с этим верхний предел высоты уступа составит

где Н’_mах - предельно возможная высота уступа при использовании предлагаемого способа взрывной отбойки, м;

D_m - максимально возможный для применяемого оборудования диаметр бурения, м;

γ_вв - плотность заряжания применяемого ВВ, кг/м³;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³;

С - величина бермы безопасности, м;

α - угол откоса уступа, град;

H_max - предельная высота уступа в случае использования традиционных схем взрывной отбойки.

Желательно, исходя из условия достижения необходимого качества дробления и проработки подошвы уступа наклонную скважину в паре бурить под таким углом к подошве, чтобы она пересекла расчетную линию сопротивления взрыву по подошве уступа ровно посередине. По условию преодоления половины линии сопротивления по подошве определяют диаметр расходящихся скважин (d) в паре

где D_o - диаметр вертикального скважинного монозаряда большого диаметра, эквивалентного по энергии применяемого ВВ паре расходящихся скважинных зарядов.

С учетом изложенного угол наклона β наклонной скважины в паре к подошве уступа равен

где H - высота уступа, м;

d - диаметр расходящихся скважин в паре, м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³;

γ_вв - плотность заряжания ВВ в скважине, кг/м³.

Эффект увеличения производительности бурения в предлагаемом способе отбойки возникает за счет различного характера изменения скорости бурения и объема бурения при замене одной скважины большого диаметра расходящейся парой скважин меньшего диаметра. По условиям сохранения качества дробления при разделении расчетной линии сопротивления по подошве (пополам) диаметр наклонной скважины в расходящейся паре (d) равен d=D_o/2, где D_o - диаметр скважинного заряда большого диаметра, эквивалентного по энергии применяемого ВВ паре расходящихся скважинных зарядов.

Общая длина пробуренных скважин в паре (L_п) составит

где Н - высота уступа, м;

β - угол наклона наклонной скважины к подошве уступа, град.

С другой стороны известно, что скорость бурения, при всех прочих равных условиях, изменяется обратно пропорционально квадрату диаметра скважины. Поэтому при бурении скважин в паре диаметром d=0,5D_o скорость бурения (V₁) составит

где D_o - диаметр скважинного заряда большого диаметра, эквивалентного по энергии применяемого ВВ паре расходящихся скважинных зарядов, диаметром d=0,5D_o, м/с;

d - диаметр расходящихся скважин в паре, равный d=0,5D_o, м. Тогда общее время бурения (без учета подготовительно-заключительных операций) составит:

для одиночной скважины большого диаметра D_o

где Н - высота уступа, м;

V - скорость бурения при диаметре D_o, м/с,

для пары расходящихся скважин диаметром d

где Н - высота уступа, м;

β - угол наклона наклонной скважины к подошве уступа, град,

V - скорость бурения при диаметре D_o, м/с.

Обозначим безразмерную часть последнего выражения через ϕ_б - коэффициент изменения времени бурения

где β - угол наклона наклонной скважины к подошве уступа, град.

Из анализа этого выражения следует, что при изменении угла наклона (β) наклонной скважины в паре в диапазоне 20°<β<90° всегда будет иметь место уменьшение времени бурения (0,5<ϕ<1), и, как следствие, повышение производительности этого технологического процесса.

Целесообразно при одновременном взрыве зарядов ВВ в парах расходящихся скважин инициирование зарядов в вертикальных скважинах производить от их устья, а зарядов в наклонных скважинах - с обоих концов заряда.

Эффект инициирования взрывного воздействия в этом случае заключается в следующем. При предлагаемом порядке инициирования (взрывания) пары расходящихся скважинных зарядов процесс передачи в массив энергии взрыва структурируется во времени таким образом, что в результате взрыва наклонной скважины в массиве до окончания процесса детонации заряда ВВ в вертикальной скважине возникает динамическая внутренняя плоскость обнажения, являющаяся локальной экранирующей компенсационной зоной, способствующей разрушению массива под действием менее энергоемких и более эффективных растягивающих напряжений, а также направленному смещению разрушаемого массива в направлении локальной компенсационной зоны, т.е. по линии ЛСПП. В этом случае реализуется также идея первичного предварительного предразрушения массива энергией заряда ВВ наклонной скважины, а завершающая стадия разрушения производится зарядом ВВ вертикальной скважины.

В наклонной скважине вследствие встречного инициирования ее заряда время полной детонации ВВ (t_вн) составит

где l_н - длина заряда в наклонной скважине, м;

V_д - скорость детонации ВВ, м/с.

За это время волна детонации пройдет в вертикальном заряде только часть его длины. Полное же время физико-химического превращения в этом заряде (t_вв) составит

где l_в - длина заряда ВВ в вертикальной скважине, м;

V_д - скорость детонации заряда ВВ, м/с.

То есть время запаздывания полной детонации заряда ВВ в вертикальной скважине по отношению к наклонной (Δt) - есть время существования динамической обнаженной плоскости (локальной компенсационной зоны) вдоль линии наклонной скважины. Это время составит

где t_вв - время полной детонации заряда ВВ в вертикальной скважине, с;

t_вн - время полной детонации заряда ВВ в наклонной скважине, с;

V_д - скорость детонации заряда ВВ, м/с.

Выразив величины, входящие в это выражение, через геометрические параметры отбиваемого уступа и углы наклона его борта и скважин, получим

где Н - высота уступа, м;

β - угол наклона наклонной скважины к подошве уступа, град;

α - угол откоса уступа, град;

С -величина бермы безопасности, м;

V_д - скорость детонации заряда ВВ, м/с.

Таким образом, время (Δt) существования динамической обнаженной плоскости, формируемой опережающим взрыванием заряда ВВ в наклонной скважине, является временем существования локального компенсационного пространства, обуславливающего перевод разрушаемого массива из напряженного состояния сжатия в напряженное состояние растяжения, т.е. разрушение массива идет в виде отрыва на компенсационные зоны под действием менее энергоемких растягивающих напряжений. Это обстоятельство создает условия к повышению степени полезного использования энергии взрыва и увеличивает размеры области регулируемого дробления.

Целесообразно отбойку высоких уступов производить парами расходящихся пучков параллельно-сближенных скважин, пробуренных с рабочей площадки уступа в вертикальной плоскости, в которой один пучок скважин бурят перпендикулярно подошве уступа, а второй бурят в сторону откоса уступа с наклоном к его подошве под углом

где D_э - диаметр монозаряда, эквивалентного по энергии применяемого ВВ наклонному пучку скважинных зарядов, м;

Н - высота уступа, м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³;

γ_вв - плотность заряжания ВВ, кг/м³.

Этот способ взрывания применяется в случае, когда применение энергии взрыва, реализуемой в массиве способом отбойки высоких уступов парами расходящихся скважин, недостаточно для качественной проработки подошвы и необходимой степени дробления.

Приведенное аналитическое выражение, определяющее угол наклона β' пучка скважин к подошве уступа, получено из условия преодоления каждым пучком в паре половины величины расчетной линии сопротивления взрыву по подошве разрушаемого высокого уступа.

Применение способа отбойки пучками расходящихся скважинных зарядов основано на том, что заряды в пучках скважин, расположенных на расстоянии 4-6 диаметров друг от друга и взорванных одновременно, действуют как один плоский заряд, генерирующий в массив плоскую волну напряжений, которая, распространяясь в нем, затухает обратно пропорционально расстоянию, т.е. менее интенсивно, чем при цилиндрическом монозаряде равной потенциальной энергии применяемого ВВ. За счет этого массив породы в большей мере насыщается энергией при взрыве и происходит его более интенсивное и равномерное дробление на больших расстояниях от заряда. Инициирование зарядов ВВ в вертикальных пучках скважин производят в верхней части зарядов, инициирование зарядов в наклонных пучках скважин - с верхней и нижней частей зарядов в скважинах.

Расчетный эквивалентный пучку скважинных зарядов диаметр цилиндрического монозаряда, равный потенциальной энергии применяемого ВВ, равен , где d - диаметр скважин в пучке; n_с - число скважин в пучке. Величина ЛСПП (W_n.c), преодолеваемая пучком скважинных зарядов, равна где 1,15 - коэффициент эффективности действия взрыва параллельно-сближенных зарядов по сравнению с эквивалентным цилиндрическим монозарядом; W_o - преодолеваемая ЛСПП при взрываний эквивалентными цилиндрическими монозарядами; n_с - число скважин (зарядов) в пучке.

Таким образом, замена единичных скважин в расходящихся парах скважинных зарядов на пучки параллельно-сближенных скважин меньшего диаметра сохраняет все преимущества предлагаемого способа отбойки, но дает дополнительные резервы повышения качества дробления и проработки подошвы за счет изложенных особенностей действия взрыва параллельно-сближенных зарядов.

Желательно вертикальную и наклонную скважины каждой пары скважин располагать в двух параллельных вертикальных плоскостях, удаленных одна от другой на расстояние, равное 1-2 диаметрам эквивалентных по энергии применяемых ВВ единичных скважин большого диаметра.

Предлагаемое расположение вертикальной и наклонной скважин в двух параллельных вертикальных плоскостях сохраняет все преимущества способа отбойки высоких уступов парами расходящихся скважин, пробуренных в одной вертикальной плоскости, но при этом за счет смещения на рабочей площадке уступа точки забуривания наклонной скважины относительно точки забуривания вертикальной появляется возможность частичной реализации эффекта взрыва параллельно-сближенных зарядов при одновременном инициировании зарядов в паре расходящихся скважин в параллельных плоскостях.

В этом случае ниже точки пересечения расходящихся скважин в вертикальной проекции возникает Λ-образная конструкция зарядов, которая при одновременном взрыве зарядов работает как пара параллельно-сближенных зарядов до тех пор, пока расстояние между скважинами не превысит величины 4-6 диаметров скважин. На этом участке, который расположен в зоне с недостаточной энергонасыщенностью, за счет изложенного ранее эффекта взрывания параллельно-сближенными зарядами существенно увеличивается выход энергии в разрушаемый массив с соответствующим повышением качества его дробления.

С учетом изложенного приведенный вариант отбойки высоких уступов целесообразно применять при взрывании крупноблочных массивов повышенной крепости.

Целесообразно наклонную скважину в каждой паре скважин, пробуренных в двух параллельных вертикальных плоскостях, бурить в сторону откоса уступа с наклоном к его подошве под углом

где Н - высота уступа, м;

р - вместимость ВВ в 1 м скважины, кг/м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³.

Аналитическое выражение, определяющее угол наклона β₁ наклонной скважины к подошве уступа, получено из следующих положений. С целью получения Λ-образной конструкции зарядов парой расходящихся скважин, находящихся в двух параллельных вертикальных плоскостях, для реализации эффекта взрыва параллельно-сближенных зарядов наклонную скважину, смещенную в пространстве во второй параллельной плоскости, забуривают с наклоном к подошве уступа таким образом, чтобы она пересекала в проекции вертикальную скважину в точке начала заряда в этой скважине, а расчетную ЛСПП, преодолеваемую цилиндрическим монозарядом большого диаметра, эквивалентным по энергии применяемого ВВ паре расходящихся скважин - посередине.

Желательно наклонный пучок скважин в каждой паре расходящихся пучков, пробуренных в двух параллельных вертикальных плоскостях, бурить в сторону свободной поверхности уступа с наклоном к его подошве под углом

где Н - высота уступа, м;

р - вместимость ВВ в 1 м скважины, кг/м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³.

Аналитическое выражение, определяющее угол β₂, основывается на следующих соображениях. С целью более равномерного распределения энергии взрыва при разрушении крепких крупноблочных массивов и использования при этом эффекта взрыва сближенных зарядов при одновременном взрыве зарядов в Λ-образной конструкции пересекающихся в вертикальной проекции сближенных скважин наклонный пучок параллельно-сближенных скважин, смещенный в пространстве относительно вертикального и находящийся во второй параллельной плоскости, бурят под таким углом наклона к подошве уступа, чтобы он пересекал в проекции вертикальный пучок сближенных скважин, находящихся в первой параллельной плоскости, в точке начала зарядов в скважинах этого пучка, а расчетную ЛСПП, преодолеваемую цилиндрическим монозарядом большого диаметра, эквивалентным по энергии применяемого ВВ паре расходящихся пучков скважин меньшего диаметра - ровно посередине.

Таким образом, применение для взрывной отбойки высоких уступов расходящихся пучков параллельных сближенных скважин, смещенных относительно друг друга в точках забуривания в двух вертикальных параллельных плоскостях, сохраняет основные преимущества предлагаемого способа отбойки высоких уступов, но в то же время позволяет существенно повысить степень полезного использования энергии взрыва в крупноблочных крепких породах, прежде всего, за счет наиболее полного использования эффекта параллельно-сближенных зарядов в части создания направленного плоского фронта волны напряжений в сторону преодоления повышенных значений ЛСПП с сохранением необходимого качества дробления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена традиционная схема отбойки единичными цилиндрическими монозарядами в скважинах большого диаметра (Прототип).

На фиг.2 показана схема отбойки высокого уступа парами расходящихся скважин меньшего диаметра, пробуренными в одной вертикальной плоскости.

На фиг.3 показана схема отбойки высокого уступа парами расходящихся пучков параллельно-сближенных скважин.

На фиг.4 показана вертикальная проекция варианта отбойки высоких уступов расходящимися парами пересекающихся в проекции скважин, пробуренных в двух параллельных вертикальных плоскостях, удаленных друг от друга на расстояние, равное 1-2 диаметрам скважины, эквивалентной по энергии применяемого ВВ паре расходящихся скважин.

На фиг.5 приведена вертикальная проекция варианта отбойки высоких уступов расходящимися парами пересекающихся в проекции пучков параллельно-сближенных скважин, пробуренных в двух параллельно-вертикальных плоскостях, удаленных друг от друга на расстояние, равное 1-2 диаметра скважины, эквивалентной по энергии применяемого ВВ паре расходящихся пучков сближенных скважин.

На фиг.6 приведена объемная схема отбойки высоких уступов расходящимися парами (пучками) пересекающихся в вертикальной проекции скважин (пучков), пробуренных в двух параллельных вертикальных плоскостях.

На приведенных чертежах показано: 1 - вертикальная скважина большого диаметра; 2 - откос уступа; 3 - рабочая площадка; 4 -подошва уступа; 5 и 6 - наклонная и вертикальная скважины в паре расходящихся скважин, пробуренных в одной вертикальной плоскости; 7 и 8 - наклонный и вертикальный пучки параллельно-сближенных скважин в паре расходящихся пучков, пробуренных в одной вертикальной плоскости; 9 и 10 - наклонная и вертикальная скважины в варианте расположения пары расходящихся и пересекающихся в вертикальной проекции скважин, пробуренных в двух вертикальных параллельных плоскостях; 11 и 12 - наклонный и вертикальный пучки параллельно-сближенных скважин в варианте расположения пары расходящихся и пересекающихся в вертикальной проекции пучков, сближенных скважин, пробуренных в двух вертикальных параллельных плоскостях; 13 и 14 - вертикальные параллельные плоскости, удаленные друг от друга на расстояние одного-двух диаметров скважины большого диаметра, эквивалентной по энергии применяемого ВВ паре расходящихся скважин (пучков); 15 и 16 - объемное представление наклонной и вертикальной скважин (пучков параллельных сближенных скважин) в паре расходящихся и пересекающихся в вертикальной проекции скважин (пучков), пробуренных в двух вертикальных параллельных плоскостях.

Н - высота уступа; W - ЛСПП; l_зар - длина заряда ВВ; l_з - длина забойки; l_п - величина перебура; α - угол откоса уступа; β - угол наклона наклонных скважин (пучка скважин) к подошве уступа; С - берма безопасности; в - смещение точки забуривания наклонной скважины (наклонного пучка сближенных скважин) относительно точки забуривания вертикальной скважины (вертикального пучка скважин), пробуренных в параллельных вертикальных плоскостях, l_п.с - линейный размер зоны действия эффекта взрыва параллельно-сближенных зарядов, ↔ - направление инициирования зарядов ВВ.

Способ реализуется следующим образом.

Выполняют расчет параметров буровзрывных работ по известным методикам для реальных горнотехнических условий традиционной взрывной отбойки высоких уступов единичными скважинными зарядами (фиг.1).

Определяют расчетом величину линии сопротивления взрыву по подошве уступа W; необходимый диаметр скважинного заряда (монозаряда) для ее преодоления D_o; величину (длину) заряда ВВ l_зар, величину перебура l_п, длину забойки l_з; плотность заряжания применяемого ВВ в скважине γ_вв и расчетный удельный расход ВВ q.

Практика БВР показывает, что с ростом высоты уступа растет величина W, что требует увеличения энергии скважинного заряда и, как следствие, увеличения диаметра скважин -1. В то же время пределы увеличения диаметра скважин ограничены техническими возможностями существующего бурового оборудования, кроме того, из производственного опыта БВР известно, что увеличение диаметра скважинных зарядов - 1 не обеспечивает существенного повышения качества дробления и надежной проработки подошвы - 4, особенно с увеличением высоты уступов в крепких трудновзрываемых крупноблочных породах.

Согласно предлагаемому способу взрывной отбойки высоких уступов (фиг.2) единичные монозаряды в скважинах большого диаметра заменяют парами расходящихся скважин меньшего диаметра, одна скважина - 6 в паре бурится вертикально, вторая - 5 бурится в сторону откоса уступа - 2 с наклоном к его подошве - 4 под углом β.

Исходя из условия преодоления взрывом каждого заряда ВВ в паре скважин половины расчетной величины W, наклонная скважина - 5 пересекает линию W посередине. По условиям сохранения необходимой степени дробления в случае разделения расчетной W пополам диаметр расходящихся скважин - 5 и 6 в паре определяют

где D_o - диаметр вертикального скважинного единичного (монозаряда) большого диаметра (1 - на фиг.1), эквивалентного по энергии применяемого ВВ паре расходящихся скважинных зарядов - 5 и 6.

С учетом изложенного угол наклона β наклонной скважины - 5 к подошве уступа - 4 определяют из выражения

где Н - высота уступа, м;

d - диаметр расходящихся скважин в паре, м;

γ_вв - плотность заряжания ВВ в скважине, кг/м³;

q - удельный расчетный ВВ для данной породы и заданного качества дробления, кг/м³.

Бурение вертикальных - 6 и наклонных - 5 скважин в парах производят с рабочей площадки - 3 уступа в вертикальной плоскости, перпендикулярной к подошве - 4 уступа. Расстояние между скважинами в паре на рабочей площадке составляет 4-6 d. Место заложения пары расходящихся скважин на рабочей площадке уступа соответствует расчетному положению единичной скважины большого диаметра (1 на фиг.1).

После обуривания уступа парами расходящихся скважин - 5, 6 производят их заряжание, при этом боевики в вертикальных скважинах - 6 устанавливают только в верхней части заряда, а в наклонных - 5 - с обоих концов заряда. После заполнения скважин забойкой все боевики инициируют одновременно применением одной из известных систем неэлектрического инициирования (СИНВ, Ноннель, Динашок и др.).

При таком порядке инициирования (взрывания) пары расходящихся скважинных зарядов процесс передачи в массив энергии взрыва структурируется во времени таким образом, что в результате опережающего взрыва заряда ВВ в наклонной скважине - 5 за счет эффекта его встречного инициирования в массиве до окончания процесса детонации заряда ВВ в вертикальной скважине - 6 возникает динамическая внутренняя плоскость обнажения, являющаяся локальной экранирующей компенсационной зоной, способствующей разрушению массива под действием менее энергоемких и более эффективных растягивающих напряжений, а также направленному смещению разрушаемого массива в направлении локальной компенсационной зоны, т.е. по линии ЛСПП.

В этом случае реализуется также идея первичного предварительного предразрушения массива энергией заряда ВВ наклонной скважины - 5, а завершающая стадия разрушения производится зарядом ВВ вертикальной скважины - 6.

Время запаздывания полной детонации заряда ВВ в вертикальной скважине - 6 есть время существования динамической обнаженной плоскости (локальной компенсационной зоны) вдоль линии наклонной скважины, обуславливающей перевод разрушаемого массива из напряженного состояния сжатия в напряженное состояние растяжения, т.е. разрушение массива идет в виде отрыва на компенсационные зоны под действием менее энергоемких растягивающих напряжений. Это обстоятельство создает условия к повышению степени полезного использования энергии взрыва и увеличивает размеры области регулируемого дробления, что в конечном итоге снижает затраты энергии взрыва на достижение необходимой степени дробления и, как следствие, уменьшается удельный расход ВВ.

Эффект снижения удельного расхода ВВ при применении способа отбойки расходящимися парами скважин - 5 и 6 получают за счет снижения перерасхода ВВ, свойственного традиционному способу отбойки нисходящими единичными скважинами большого диаметра (1 - на фиг.1). В этом случае вследствие непараллельности вертикальной скважины – 6 к откосу - 2 уступа и принятой методологии расчета всех энергетических параметров скважинного заряда по условию преодоления взрывом ЛСПП практически весь объем отбиваемой скважинным зарядом (1 - на фиг.1) разрушается с избыточным расходом энергии ВВ. Из несложных геометрических построений и решений следует, что коэффициент K_B1, характеризующий этот переход энергии, определяется из выражения

где W - расчетная величина ЛСПП, м;

С - величина бермы безопасности, м.

Применение предлагаемого способа отбойки, когда большая часть массива разрушается зарядом ВВ в наклонной скважине - 5 без перерасхода энергии и, как следствие, расхода ВВ на его разрушение, величина коэффициента перерасхода энергии ВВ К_В2 из-за несоответствия направления бурения скважин и угла откоса - 2 уступа сокращается и составляет (фиг.2)

где W - расчетная величина ЛСПП, м;

С - величина бермы безопасности, м.

всегда меньше 1. Это означает, что при всех прочих равных условиях переход от отбойки руд и пород единичными вертикальными скважинами большого диаметра (1 - фиг.1) к отбойке их парами расходящихся скважин - 5 и 6 меньшего диаметра во всех случаях приведет к сокращению как удельного, так и абсолютного расхода ВВ. Величина этого сокращения в каждом конкретном случае будет зависеть от условий отбойки и свойств массива.

В случае, когда энергии взрыва, реализуемой в массиве способом отбойки высоких уступов парами расходящихся скважин, все же недостаточно для проработки расчетного значения W и качественного дробления, предлагается отбойку производить парами расходящихся пучков параллельно-сближенных скважин, пробуренных с рабочей площадки уступа в вертикальной плоскости (фиг.3), в которой в один пучок - 8 скважин бурят перпендикулярно подошве - 4 уступа, а второй пучок - 7 бурят в сторону откоса - 2 уступа с наклоном к его подошве - 4 под таким углом β’, чтобы наклонный пучок - 7 параллельно-сближенных скважин пересекал расчетную величину W посередине.

Заряды ВВ в пучках скважин располагают на расстоянии 4-6 диаметров друг от друга и взрывают одновременно. В результате породные перемычки между зарядами ликвидируются уже в первый момент после детонации зарядов в скважинах пучка; разрушенная порода оказывается во взвешенном состоянии в упругих газах взрыва, и в дальнейшем образовавшаяся единая система зарядов работает как один плоский заряд, генерирующий в непосредственной близости от пучка скважин суммарную волну напряжений, по форме приближающуюся к плоской.

Плоская волна напряжений, распространяясь в массиве, затухает обратно пропорционально расстоянию от заряда, т.е. менее интенсивно, чем при взрыве цилиндрического эквивалентного монозаряда большего диаметра и равной потенциальной энергии применяемого ВВ. В результате разрушаемый массив в большей мере насыщается энергией взрыва, происходит его более интенсивное и равномерное дробление на больших расстояниях от заряда.

Расчетный эквивалентный пучку скважинных зарядов диаметр эквивалентного цилиндрического монозаряда равной потенциальной энергии применяемого ВВ равен , где d₁ - диаметр скважин в пучке; n_c - число скважин как в вертикальном - 8, так и наклонном - 7 пучках,

Предельная величина ЛСПП (W_n.c), преодолевая пучком скважинных зарядов без ухудшения качества дробления, равна где 1,15 – коэффициент эффективности действия взрыва параллельно-сближенных зарядов по сравнению с эквивалентным цилиндрическим монозарядом; Wo - преодолевая ЛСПП при взрывании эквивалентного цилиндрического монозаряда; n_c - число скважин (зарядов) в пучке.

Таким образом, замена единичных скважин в расходящихся парах скважинных зарядов на эквивалентные по энергии применяемого ВВ пучки параллельно-сближенных скважинных зарядов сохраняет все преимущества предлагаемого способа отбойки, но дает дополнительный резерв повышения качества дробления и проработки подошвы за счет изложенных особенностей действия взрыва параллельно-сближенных зарядов.

Пучки - 7 и 8 расходящихся скважин бурят с рабочей площадки - 3 уступа любыми известными промышленными буровыми установками. Расстояние между пучками (центрами пучков) на рабочей площадке в вертикальной плоскости их расположения составляет 4-6 D_э, где D_э - эквивалентный пучку скважин диаметр цилиндрического монозаряда равной потенциальной энергии ВВ, т.е. диаметр каждой скважины в паре расходящихся скважин (5 и 6 на фиг.2).

Скважины в пучках - 7 и 8 заряжают применяемым взрывчатым веществом, располагая боевики в вертикальном пучке - 8 сближенных скважин в верхней части зарядов, а в наклонных пучках - 7 -с обоих концов зарядов. После выполнения операций забойки скважин все боевики в расходящихся парах пучков - 7 и 8 инициируют одновременно, применяя одну из известных систем неэлектрического инициирования.

С учетом изложенного угол наклона β′ наклонного пучка - 7 параллельно-сближенных скважин к подошве - 4 уступа равен

где D_э - эквивалентный наклонному пучку - 7 скважин диаметр цилиндрического монозаряда равной потенциальной энергии применяемого ВВ, м;

Н - высота уступа, м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³;

γ_вв - плотность заряжания ВВ, кг/м³.

При отбойке крепких крупноблочных пород скважины в расходящихся парах размещают в двух параллельных вертикальных плоскостях, удаленных одна от другой на расстояние, равное 1-2 диаметрам, эквивалентных по энергии ВВ единичных скважин большого диаметра (фиг.4).

Вертикальную скважину - 10 бурят в расчетной точке на рабочей площадке - 3 уступа, а наклонную скважину - 9 забуривают в параллельной вертикальной плоскости со смещением в проекции (фиг.4) точки забуривания на рабочей площадке - 3 относительно точки забуривания вертикальной скважины - 10 на площадке - 3 на величину где l₃ - длина забойки, β₁ - угол наклона наклонной скважины - 9 к подошве - 4 уступа.

В этом случае ниже точки пересечения расходящейся пары скважин - 9 и 10 в вертикальной проекции (фиг.4) возникает Λ-образная конструкция зарядов, которая при одновременном взрыве зарядов в паре расходящихся скважин (9 и 10) работает как пара параллельно-сближенных зарядов до тех пор, пока расстояние между скважинами не превысит величины 4-6 диаметров скважин. На этом участке l_п.с (линейный размер зоны действия эффекта параллельно-сближенных зарядов), расположенном в зоне с недостаточной энергонасыщенностью, за счет эффекта взрыва параллельно-сближенных зарядов существенно возрастает выход энергии в разрушаемый массив с соответствующим повышением качества дробления.

Для бурения скважин - 9 и 10 применяют стандартное промышленное буровое оборудование, заряжание и взрывание скважин - 9 и 10 производят по аналогии с предыдущими изложенными вариантами предлагаемого способа отбойки высоких уступов.

Наклонную скважину - 9 в каждой паре скважин - 9 и 10, располагаемых в двух параллельных вертикальных плоскостях, бурят в сторону откоса - 2 уступа с наклоном к его подошве - 4 под углом β₁ таким образом, чтобы наклонная скважина - 9 в вертикальной параллельной плоскости, смещенная относительно точки забуривания вертикальной скважины - 10 в другой вертикальной параллельной плоскости на величину пересекала в проекции (фиг.4) вертикальную скважину - 10 в точке начала заряда ВВ в этой скважине с целью получения Λ-образной конструкция зарядов парой расходящихся скважин - 9 и 10, а расчетную ЛСПП (W) - посередине.

С учетом изложенного угол наклона β₁ наклонной скважины - 9 к подошве - 4 уступа

где Н - высота уступа, м;

р - вместимость ВВ в 1 м скважины, кг/м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м.

Таким образом, приведенный на фиг.4 вариант расположения вертикальных – 10 и наклонных - 9 скважин в параллельных вертикальных плоскостях сохраняет все преимущества способа отбойки высоких уступов парами расходящихся скважин, но при этом за счет смещения на рабочей площадке - 3 уступа точки забуривания наклонно скважины - 9 относительно точки забуривания вертикальной скважины - 10 появляется возможность частичной реализации эффекта взрыва параллельно-сближенных зарядов при одновременном инициировании зарядов в паре расходящихся скважин - 9 и 10 в параллельных плоскостях.

Аналогичным образом при взрывании высоких уступов в крепких весьма крупноблочных породах с целью более равномерного насыщения энергией взрыва разрушаемого уступа предлагается вариант способа отбойки высоких уступов парами расходящихся пучков параллельно-сближенных зарядов, размещаемых в двух параллельных плоскостях, удаленных одна от другой на расстояние, равное 1-2 диаметрам, эквивалентных по энергии применяемого ВВ единичных скважин большого диаметра (фиг.5).

Вертикальный пучок - 12 сближенных скважин в одной из параллельных плоскостей бурят в расчетной отметке на рабочей площадке - 3 уступа, наклонный пучок - 11 сближенных скважин забуривают в другой параллельной вертикальной плоскости со смещением отметки забуривания на площадке - 3 вертикального пучка - 12 сближенных скважин на величину “в” в вертикальной проекции (фиг.5), равным где l₃ - длина забойки в скважинах, β₂ - угол наклона наклонного пучка параллельно-сближенных скважин к подошве - 4 уступа.

Наклонный пучок - 11 сближенных скважин в каждой паре расходящихся пучков - 11 и 12 сближенных скважин, располагаемых в параллельных вертикальных плоскостях, бурят в сторону откоса уступа - 2 с наклоном к его подошве - 4 под углом β₂ таким образом, чтобы наклонный пучок - 11 в параллельной вертикальной плоскости, отметка забуривания которого на рабочей площадке - 4 смещена в проекции (фиг.5) относительно отметки забуривания на площадке - 4 вертикального пучка – 12 сближенных скважин в другой параллельной вертикальной плоскости на величину пересек в проекции (фиг.5) вертикальный пучок - 12 сближенных скважин в точке начала зарядов ВВ в этом пучке с целью получения Λ-образной конструкции параллельно-сближенных зарядов, а расчетную ЛСПП (W) пересек посередине.

С учетом изложенного угол наклона β₂ наклонного пучка - 11 сближенных скважин к подошве - 4 уступа

где Н - высота уступа, м;

р - вместимость ВВ в 1 м скважины, кг/м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³.

Скважины в пучках - 11 и 12 заряжают взрывчатым веществом, располагая боевики в сближенных скважинах вертикального пучка - 12 в верхней части зарядов, а в скважинах наклонного пучка - 11 с обоих концов зарядов. После выполнения операций забойки в скважинах вертикального - 12 и наклонного - 11 пучков сближенных скважин производят одновременное инициирование зарядов ВВ в пучках, применяя одну из систем неэлектрического инициирования.

Λ-образная конструкция сближенных зарядов (фиг.5) при одновременном взрыве зарядов в паре расходящихся пучков - 11 и 12 параллельно-сближенных скважин работает на участке l_п.с (фиг.5) как единая система параллельно-сближенных зарядов до тех пор, пока расстояние между пучками наклонных -11 и вертикальных - 12 сближенных скважин не превысит величины 4-6 D_э, где D_э - диаметр эквивалентного пучку скважин цилиндрического монозаряда равной потенциальной энергии применяемого ВВ.

На фиг.6 приведена объемная схема вариантов способа отбойки высоких уступов расходящимися парами - 15 и 16 скважин (пучков сближенных скважин), расположенных в двух параллельных вертикальных плоскостях - 13 и 14.

Таким образом, расположение расходящихся пар пучков параллельно-сближенных скважинных зарядов в двух вертикальных параллельных плоскостях позволяет за счет возникновения Λ-образной конструкции сближенных зарядов реализовать в зоне нерегулируемого дробления эффект действия взрыва параллельно-сближенных зарядов, существенно увеличить выход энергии взрыва в разрушаемый массив с соответствующим повышением качества дробления.

Таким образом, предлагаемый способ взрывной отбойки высоких уступов на открытых горных работах путем замены скважин большого диаметра парами расходящихся скважин (пучков параллельно-сближенных скважин) меньшего диаметра, эквивалентных по энергии применяемого ВВ скважине большого диаметра, позволяет без дополнительных капитальных затрат на приобретение дополнительного бурового оборудования и обновление ассортимента взрывчатых веществ производить отбойку высоких уступов с достижением необходимой степени дробления и качественной проработки подошвы.

При этом одна скважина (пучок сближенных скважин) в паре бурится вертикально, а вторая скважина (пучок сближенных скважин) - с наклоном к подошве уступа под таким углом, чтобы расчетная величина ЛСПП высокого уступа пересекалась наклонной скважиной (наклонным пучком сближенных скважин) посередине. Расстояние между точками забуривания скважин (пучков сближенных скважин) на рабочей площадке уступа составляет 4-6 диаметра скважин (или 4-6 диаметра скважин, эквивалентных по энергии применяемых ВВ пучку сближенных скважин).

С целью более равномерного распределения энергии взрыва предложены варианты размещения наклонных и вертикальных скважин (пучков) соответственно в параллельных вертикальных плоскостях.

Эффективность ведения БВР в предлагаемом способе взрывной отбойки высоких уступов на карьерах объясняется не только геометрией расположения зарядов ВВ в парах расходящихся скважин (пучков сближенных скважин), позволяющих также использовать эффект действия взрыва параллельно-сближенных зарядов в зонах с недостаточной энергонасыщенностью разрушения, но и способом инициирования вертикальных и наклонных зарядов в парах расходящихся скважин (пучков сближенных скважин), позволяющим реализовать направленное и менее энергоемкое разрушение массива по линии ЛСПП, а также эффектом увеличения производительности бурения за счет различного характера изменения скорости бурения и объема бурения при замене одной скважины большого диаметра расходящейся парой скважин меньшего диаметра.

1. Способ взрывной отбойки горных пород на открытых разработках, включающей в себя бурение нисходящих скважин, их заряжание и взрывание, отличающийся тем, что отбойку горных пород ведут парами расходящимися скважин, пробуренных с рабочей площадки уступа в вертикальной плоскости, в которой одну скважину в каждой паре скважин бурят перпендикулярно к подошве уступа, а вторую - в сторону откоса уступа с наклоном к его подошве под углом

Н - высота уступа, м;

d — диаметр скважины в паре расходящихся скважин, м;

q - расчетный удельный расход ВВ для данной породы и заданном качестве дробления, кг/м³;

γ_вв - плотность заряжания ВВ в скважине, кг/м³.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при одновременном взрыве зарядов ВВ в паре расходящихся скважин инициирование зарядов в вертикальных скважинах производят от их устья, а зарядов в наклонных скважинах - с обоих концов зарядов.

3. Способ взрывной отбойки горных пород на открытых разработках, включающий в себя бурение нисходящих скважин, их заряжание и взрывание, отличающийся тем, что отбойку пород ведут парами расходящихся пучков параллельно-сближенных скважин, пробуренных с рабочей площадки уступа в вертикальной плоскости, в которой один пучок скважин бурят перпендикулярно подошве уступа, а второй пучок бурят в сторону откоса уступа с наклоном к его подошве под углом

где D_э - диаметр цилиндрического монозаряда, эквивалентного по энергии применяемого ВВ наклонному пучку скважинных зарядов, м;

Н — высота уступа, м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³;

γ_вв - плотность заряжания ВВ в скважине, кг/м³.

4. Способ взрывной отбойки горных пород на открытых разработках, включающий в себя бурение нисходящих скважин, их заряжание и взрывание, отличающийся тем, что отбойку ведут парами расходящихся скважин, пробуренных с рабочей площадки уступа в вертикальной плоскости, в которой одну скважину в каждой паре бурят перпендикулярно к подошве уступа, а вторую - в сторону откоса уступа с наклоном к его подошве, при этом вертикальную и наклонную скважины каждой пары скважин располагают в параллельных вертикальных плоскостях, удаленных друг от друга на расстояние, равное 1-2 диаметра скважины, эквивалентной по энергии применяемого ВВ паре расходящихся скважин.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что наклонную скважину каждой пары скважин бурят в сторону откоса уступа с наклоном к его подошве под углом

где Н - высота уступа, м;

р - вместимость ВВ в 1 м скважины, кг/м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³.

6. Способ взрывной отбойки горных пород на открытых разработках, включающий в себя бурение нисходящих скважин, их заряжание и взрывание, отличающийся тем, что отбойку пород ведут парами расходящихся пучков параллельно-сближенных скважин, пробуренных с рабочей площадки уступа в вертикальной плоскости, в которой один пучок скважин бурят перпендикулярно подошве, а второй - в сторону откоса под углом к его подошве, при этом вертикальные и наклонные пучки каждой пары пучков располагают в параллельных вертикальных плоскостях, удаленных друг от друга на расстояние, равное 1-2 диаметра скважины, эквивалентной по энергии применяемого ВВ паре расходящихся скважин.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что наклонный пучок скважин в паре расходящихся пучков скважин бурят в сторону откоса уступа с наклоном к его подошве под углом

где Н - высота уступа, м;

р - вместимость ВВ в 1 м скважины, кг/м;

q - расчетный удельный расход ВВ, кг/м³.