Расчет параметров буровзрывных работ
Выбор марки взрывчатого вещества
Марка взрывчатого вещества для разрушения пород в конкретных горно-геологических условиях должна соответствовать следующим параметрам.
Начальное детонационное давление:
Рн=(0,00126 ρnСn ─ 1,7·103), кПа,
где ρn – плотность горных пород, кг/м3;
Сn – скорость распространения продольных волн в массиве, м/с
Если в геологических отчетах не имеются данные о скорости распространения продольных волн в разных породах, то ее следует вычислить по формуле:
; Сп =800-8700 м/с
где Е – модуль Юнга, Н/м2;
µ - коэффициент Пуассона
Скорость детонации:
D=1450[Pн/ρвв]0,5, м/с
где ρвв – плотность патронированного ВВ (при гранулитах – плотность заряжания), кг/м3.
Теплота взрыва:
Qv=[Рн/(2(n-1) ρвв)]103, кДж/кг
где n - показатель адиабаты, зависящий от плотности ВВ, кг/м3
| n | 2,2 | 2,3 | 3,0 | 3,2 | 3,4 |
| ρвв |
По значениям скорости детонации D и теплоте взрыва Qv выбирают марку ВВ и определяют скорость детонации при фактической плотности заряжания.
· для гранулитов Dф=Dт+3500(∆з-∆н), м/с;
· для патронированных ВВ Dф=Dт+3500(ρвв-1), м/с;
где ∆з и ∆н – плотность заряжания и насыпная плотность ВВ, г/см3;
Dт – табличная скорость детонации (для гранулитов при насыпной плотности, для патронированных ВВ при плотности 1г/см3).
Перечень взрывчатых веществ разрешенных к применению Ростехнадзором РФ по состоянию на19.03.2002 г. приведены в табл. 3. и 4.
Таблица 3. Характеристика порошкообразных ВВ (II класс).
| № п/п | Марка ВВ | Кислородный Баланс, % | Теплота взрыва, кДж/кг | Плотность патронированного ВВ, г/см3 | Скорость Детонации, км/с | Идеальная работа взрыва, кДж/кг |
| Аммонал, dп=32мм | +0,18 | 0,95…1,1 | 4,2*…4,6** | |||
| Аммонал М10, dп=32мм | -4,82(-5,8) | 5645(5290) | 0,95…1,2 | 4,2*…4,8** | ||
| Аммонал М10 в полиэтилене dп=32, 60,90 | -4,82 | 0,95…1,2 | 4,2*…4,8** | |||
| Аммонал скальный №1 | -0,78 | 5684(5710) | 1,0…1,1 | 4,2*…4,6** | 4440 (4670) | |
| Аммонал Э-5, патронированный | Нет данных. При испытаниях равноценен Детониту М | |||||
| Аммонит 6ЖВ dп=31-32мм. 36-37 мм | -0,53 | 1,0…1,2 | 3,6*…4,8** | |||
| Аммонит 6ЖВ в полиэтилене dп=60, 90мм | -0,53 | 1,0…1,2 | 3,6*…4,8** | |||
| Детонит М dп=28,32,36 мм | +0,18 | 0,92…1,2 | 4,9…5,3 |
* - Нормативная скорость детонации при плотности 1 г/см3.
** - Достигнутая скорость детонации.
Таблица 4. Характеристика гранулированных ВВ (II класс)
| п/п | Марка ВВ | Кислородный баланс, % | Теплота взрыва, кДж/кг | Идеальная работа взрыва, кДж/кг | Насыпная плотность, г/см3 | Плотность заряжания, г/см3 | Скорость Детонации, км/с |
| Акванал АРЗ-8Н | -2,7 | 0,9…0,92 | 1,2…1,25 | 2,5*…3,5 | |||
| Акванит АРЗ-8 | -1,3 | 0,8…0,85 | 1,25…1,3 | ||||
| Гранулит А-6 | -2,0 | 0,8…0,85 | 1,2 | 4,2*…5,0 | |||
| Гранулит АС-4 АС-4В | +0,41 +0,35 | 0,85…0,9 0,8…0,85 | 1,2…1,25 1,2…1,25 | 3,6*…4,2 3,6*…4,2 | |||
| Гранулит АС-8 АС-8В | +0,34 -3,3 | 0,87…0,95 0,8…0,85 | 1,2…1,25 1,2…1,25 | 3,6*…4,2 3,6*…4,2 | |||
| Гранулит Д-5 | +1,2 | - | 0,9…0,95 | 1,2…1,25 | 3,6* | ||
| Гранулит М | +0,14 | 0,7…0,82 | 1,2…1,25 | 3,0*…3,2 | |||
| Граммонит 79/21 | +0,02 | 0,8…0,85 | 0,85…0,9 | 3,8*…4,8 | |||
| Гранулит-игданит | Нет данных. |
* - Нормативные характеристики при насыпной плотности.
Определение оптимальных параметров шпуровых зарядов
Параметрами шпуровых зарядов являются длина, глубина, число и диаметр шпуров, расстояние между ними и линия наименьшего сопротивления, масса заряда в шпуре и расход взрывчатых веществ на цикл.
Расчетное определение параметров шпуровых зарядов является прогнозным и требует обязательной проверки взрыванием трех комплектов шпуровых зарядов, на основании которых в паспорт БВР вносят коррективы.
Сущность методики расчета параметров шпуровых зарядов предложенной Н.М. Покровским состоит в следующем:
· по нормативной скорости проведения горной выработки определяют глубину шпуров
,
где Vм – нормативная скорость, м/мес (табл.5 и 6);
n – число рабочих смен в сутки;
m –число рабочих дней в месяц;
η – коэффициент использования шпура (КИШ), неудовлетворительный 0,65-0,87, нормальный 0,8-0,9, хороший более 0,9;
Тсм и Тц – продолжительность смены и проходческого цикла, соответственно, ч;
Таблица 5. Нормативы скоростей проведения откаточных выработок
| Основное проходческое оборудование | Площадь сечения выработки в свету, м2 | Скорость проходки, м/мес. | ||||||||||||||||||
| Без крепи | Анкерная крепь | Анкерная крепь в сочетании с торкретбетоном (s=30-50 мм) | Анкерная крепь в сочетании с набрызгбетоном (s=150-170 мм) | Арочная крепь | Бетонная крепь | Железобетонная крепь | ||||||||||||||
| f =10-15 | f =16-18 | f =19-20 | f =10-15 | f =16-18 | f =7-9 | f =10-15 | f =7-9 | f =10-15 | f =4-9 | f =10-15 | f =4-9 | f =4-9 | ||||||||
| Самоходная бурильная установка с двумя перфораторами (СБУ-2) и погрузочная машина (ПМ) с технической производительностью 1,5-2,0, м3/мин. | 7-12 | 145-110 165-130 | 125-95 145-110 | 105-75 125-90 | 130-100 145-115 | 115-85 130-100 | 135-105 150-120 | 125-95 140-110 | 100-80 105-85 | 95-75 100-80 | 110-90 115-95 | 100-80 110-85 | 85-65 90-70 | 80-60 85-65 | ||||||
| СБУ-2 и ПМ с технической производительностью 5,0-5,3, м3/мин. | 12-18 | 120-100 140-120 | 105-80 125-100 | 85-60 105-80 | 110-90 130-110 | 95-70 115-90 | 115-95 135-115 | 105-85 125-105 | 90-75 100-85 | 85-70 95-80 | 100-80 110-90 | 90-70 100-80 | 70-60 75-65 | 65-60 70-65 | ||||||
Примечание. В числителе - нормативы при применении бурильных установок с пневматическими перфораторами, в знаменателе - с гидравлическими. f - коэффициент крепости пород по шкале проф. Протодьяконом.
Таблица 6 - Нормативы скоростей проведения подэтажных выработок
| Основное проходческое оборудование | Площадь сечения выработки в свету, м2 | Скорость проходки, м/мес. | |||||||||||
| Без крепи | Анкерная крепь | Анкерная крепь в сочетании с набрызгбетоном (s=30-50 мм) | Арочная крепь | ||||||||||
| f =10-15 | f =16-18 | f =19-20 | f =10-15 | f =16-18 | f =7-9 | f =10-15 | f =4-9 | f =10-15 | |||||
| Самоходная бурильная установка с двумя перфораторами (СБУ-2) и ковшовая погрузочно-транспортная машина (ПТМ) грузоподъемностью 2т | 6-9 | 185-160 215-180 | 165-135 185-160 | 135-105 165-130 | 170-140 190-165 | 145-120 160-140 | 165-135 185-150 | 150-125 165-145 | 100-90 110-100 | 95-85 105-95 | |||
| СБУ-2 и ковшовая ПТМ грузоподъемностью 3 т | 8-10 | 170-160 200-180 | 150-135 175-160 | 120-100 150-130 | 155-140 180-170 | 130-120 160-140 | 150-140 165-155 | 140-125 155-145 | 100-90 105-100 | 95-85 100-95 | |||
| СБУ-2 и ковшовая ПТМ грузоподъемностью 5 т | 9-15 | 170-140 205-165 | 145-115 170-140 | 115-85 145-105 | 160-120 180-145 | 130-95 155-120 | 150-120 170-140 | 140-110 160-130 | 100-80 110-90 | 95-75 105-85 | |||
| СБУ-2 и ковшовая ПТМ грузоподъемностью 8 т | 12-15 | 160-145 185-170 | 135-120 160-145 | 105-90 130-110 | 140-125 165-150 | 115-100 140-125 | 135-125 155-145 | 125-115 145-135 | 90-85 100-95 | 85-80 95-90 | |||
| СБУ-2 и ПТМ с ковшом и кузовомгрузоподъемностью 4 т | 7-11 | 160-120 175-140 | 140-105 160-125 | 115-85 135-105 | 140-110 165-130 | 120-95 140-110 | 135-110 150-120 | 125-100 145-115 | 90-75 100-85 | 85-70 95-80 | |||
| СБУ-2 и ПТМ с ковшом и кузовом грузоподъемностью 7 т | 10-15 | 155-125 170-145 | 130-100 150-120 | 105-75 120-90 | 135-110 160-125 | 115-85 130-100 | 135-110 145-120 | 120-100 135-120 | 85-75 95-85 | 80-70 90-80 | |||
Примечание. В числителе - нормативы при применении бурильных установок с пневматическими перфораторами, в знаменателе - с гидравлическими. f - коэффициент крепости пород по шкале проф. Протодьяконом.
· рассчитывают количество шпуров на забой
Для расчета удельного расхода ВВ применяется эмпирическая формула М. В. Покровского, которая определяет количество ВВ, необходимое для подрыва 1 м3 породы
, кг/м3,
где q0 – удельный нормальный расход ВВ, рассчитанный для некоторых стандартных условий, (табл.6) кг/м3;
е – коэффициент работоспособности BB;
e=Аэт/АВВ
где АВВ - идеальная работа взрыва принятого ВВ (табл. 3, 4), кДж/кг;
Аэт - идеальная работа взрыва эталонного ВВ – аммонита 6ЖВ, 3561 кДж/кг;
kw – коэффициент, учитывающий зажим породы;
где lшп – длина шпура, м;
S – площадь забоя, м2.
kс – структурный коэффициент, (табл.7).
Таблица 6. Удельный нормальный расход ВВ
| Коэф. крепости пород | Породы | Удельный расход условного ВВ, кг/м3 |
| 15-20 | Очень крепкие породы (граниты, гнейсы, базальты, кварцитовые песчаники, филлиты, известняки, песчаники и др.) | 1,2-1,5 |
| 10-14 | Плотные граниты, кварцитовые песчаники, диориты, монолитные мелкозернистые песчаники и известняки | 1,0-1,1 |
| 7-9 | Некрепкие граниты, плотные песчанки и известняки, колчеданы, крепкие мраморы, доломиты | 0,7-0,9 |
| 4-6 | Крепкие песчанистые и песчанисто-глинистые сланцы. Сланцевые и глинистые песчаники, мягкие песчаники и известняки. | 0,4-0,6 |
| 2-3 | Сланцы средней крепости, плотный мергель, слабые песчанистые сланцы | 0,2-0,3 |
| до 2 | Слабые сланцы. уголь | 0,15 |
Таблица 7. Структурный коэффициент пород
| Типы пород | структурный коэффициент kс |
| Вязкие, упругие, пористые породы | 2,0 |
| Дислоцированные с неправильным залеганием и мелкой трещиноватостью | 1,4 |
| Со сложным залеганием м меняющийся крепостью; с напластованием, перпендикулярным направлению шпура | 1,3 |
| Массивно-хрупкие | 1,1 |
| Монолитные средней крепости | 1,0 |
Удельный расход ВВ в проходческих забоях, кг/м3
| Коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконом | Площадь сечения, м2 | ||||||
| менее 4 | 4-5 | 6-8 | 8-10 | 10-12 | 12-16 | 16-20 | |
| 2-3 | 1,7 | 1,6 | 1,5 | 1,1 | 0,9 | 0,7 | 0,6 |
| 4-6 | 2,3 | 2,0 | 1,96 | 1,6 | 1,3 | 1,2 | 1,1 |
| 7-9 | 2,9 | 2,7 | 2,5 | 2,1 | 1,9 | 1,7 | 1,6 |
| 10-12 | 3,6 | 3,3 | 3,1 | 2,8 | 2,5 | 2,2 | 2,1 |
| 13-35 | 4,5 | 3,9 | 3,6 | 3,4 | 3,0 | 2,8 | 2,6 |
| 16-18 | 5,3 | 4,5 | 4,2 | 3,9 | 3,6 | 3,3 | 3,0 |
| 19-20 | 5,8 | 5,1 | 4,7 | 4,4 | 4,1 | 3,8 | 3,5 |
Примечание. В таблице приведен удельный расход ВВ для гранулита АС-8. При использовании других типов ВВ следует вводить поправочный коэффициент, равный отношению работоспособности гранулита АС-8 и работоспособности применяемого взрывчатого вещества: для детонита - М, скального аммонита - 1 и скального аммонита - 3 -0,9, для гранулита А-4 - 1,05, для нафталита-1,25 и т.п.
Расход ВВ на одну заходку определяется из соотношения
, кг
где q – удельный расход ВВ, кг/м3.
Vзах – объем заходки, м3.
где lшп – длина шпура, м;
η – коэффициент использования шпура (КИШ);
Средняя масса шпурового заряда
,
где dз - диаметр заряда в шпуре, м;
lшп – длина шпура, м;
kз – коэф. заполнения шпура 0,5-0,85;
Δ – плотность ВВ, кг/м3.
Количество шпуров в забое 
.
Наиболее часто расчет количества шпуров в забое ведется на основе формулы проф. М.М. Протодьяконова, связывающей коэффициент крепости пород и площадь забоя
,
где f – коэффициент крепости пород;
S – площадь забоя, м2.
Данная формула хороша для расчета количества шпуров в средних по крепости породах, при расчете количества шпуров в мягких и очень крепких породах результат расчета необходимо проверить на выполнение неравенства 0,70 м 2 > S/N > 0,14 м 2.
· рассчитывают линию наименьшего сопротивления и расстояние между шпурами
Линия наименьшего сопротивления (обычно 0,5-0,8 м)
,
где dз - диаметр заряда в шпуре (при патронированных ВВ меньше диаметра шпура при f= 3-20 соответственно на 7-11 мм), м;
kз – коэф. заполнения шпура;
Таблица 8. Коэффициенты заполнения шпуров по СНИП 3.03.02-84 при использовании патронированных ВВ в шахтах, неопасных по газу и пыли
| Вид выработок, диаметр патрона, мм | Коэффициенты заполнения шпуров при прочности пород, МПа (по ГОСТ 25100—82) | |
| от 30 до 90 | от 91 до 200 | |
| Вертикальные: 32; 36; 40 | 0,4 - 0,5 | 0,5 - 0,65 |
| 0,35 - 0,45 | 0,45 - 0,5 | |
| Горизонтальные и наклонные: 24; 28 | 0,35 - 0,7 | 0,75 - 0,85 |
| 32; 36 | 0,3 - 0.6 | 0,6 - 0,85 |
| 0,3 - 0,5 | 0,5 - 0,75 |
Δ – плотность ВВ, кг/м3;
m – коэффициент сближения зарядов;
| ƒ | ||||||
| m | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,2 | 1,3 | 1,4 |
q – удельный расход ВВ, кг/м3.
Расстояние между шпурами, м
· выбирают тип вруба и рассчитывают количество шпуров по группам
По принципу действия врубы разделяются на отрывающие (клиновые, пирамидальные), в которых шпуры наклонены к оси выработки и разрушающие (прямые, призматические, щелевые) с ориентировкой шпуров параллельно оси выработки.
На основе практических данных установлена область применения различных врубов: в массивных породах наиболее эффективным является пирамидальный вруб в центральной части забоя. к линовый вруб применяют в слоистых породах. Прямые врубы (щелевой и призматический) могут применяться в выработках малых сечений и длине заходки.
Таблица 9. Условия применения врубов
| Тип вруба | Схема вруба | Характеристика и условия применения |
| Вертикальный клиновой вруб | 
| Состоит из 4—10 шпуров. Применяют в однородных породах любой крепости при вертикальном направлении трещиноватости или напластования в горизонтальных и наклонных выработках с площадью сечения более 6 м2. Угол наклона к плоскости забоя 65-70º. Глубина заходки 1,5-2,2 м., длина врубовых шпуров 1,8-2,6 м. |
| Горизонтальный клиновой вруб | При горизонтальном напластовании пород. В выработках с площадью сечения более 4 м2. Угол наклона к плоскости забоя 65-75º. Глубина заходки 1,5-2,0 м., длина врубовых шпуров 1,8-2,6 м. | |
| Пирамидальный вруб | 
| Число шпуров 4, располагаются в виде четырехгранной пирамиды. Применяется в плотных монолитных крепких, реже в слоистых крепких породах при проведении горизонтальных, наклонных и вертикальных выработок. Угол наклона к плоскости забоя 65-75º. Глубина заходки 1,5-2,0 м., длина врубовых шпуров 1,8-2,6 м. |
| Двойной клиновой вруб | 
| Состоит из 4—6 шпуров вспомогательного вруба и 4—10 шпуров основного вруба. Шпуры вспомогательного вруба имеют глубину около половины глубины основных шпуров. Применяется по особо крепким монолитным породам, позволяет применить шпуры большой глубины в горизонтальных и наклонных выработках |
| Щелевой вруб | 
| Шпуры вруба располагаются в один ряд на расстоянии 10—20 см друг от друга, заряжаются через один, взрывают одновременно, незаряженные шпуры исполняют роль дополнительных обнаженных поверхностей. Применяется в породах крепких или средней крепости, а также при наличии прослойка более мягкой породы, в выработках любого сечения. Щелевой вруб может быть на всю высоту выработки или только на ее часть. Длина врубовых шпуров 2,5-4,0 м. |
| Призматический вруб | 
| Состоит из 3—5 шпуров, образующих трех-пяти-гранную призму. Применяется в породах монолитных средней крепости, слабых и в угольных забоях горизонтальных и наклонных выработок шахт. Расстояние между врубовыми шпурами 10-20 см, Длина врубовых шпуров 2,5-4,0 м. |
| Крестообразный вруб | 
| Состоит из 8 шпуров, расположенных по углам двух четырехгранных призм. Шпуры, расположенные по углам меньшей призмы, не заряжаются. Расстояние между шпурами 10 — 20 см. Применяется в породах крепких и очень крепких монолитных при проведении горизонтальных и наклонных выработок. |
| Спиральный вруб | 
| Состоит из 5—10 шпуров, расположенных по спирали и пробуренных перпендикулярно забою выработки. Расстояние между шпурами увеличивается по спирали от 8—15 до 30—50 см. Заряжаются все шпуры, кроме центрального. Применяется в горизонтальных и наклонных выработках малой площади сечения (меньше 3,5 м2) в породах монолитных крепких и весьма крепких, или с напластованием параллельным забою. |
| Призматический с центральной скважинной | 
| Состоит из 4 шпуров и центральной незаряжаемой скважины. Расстояния от всех шпуров до скважины одинаковы. Применяется при проведении горизонтальных и наклонных выработок в крепких трудновзрывае-мых породах. |
| Спиральный с центральной скважинной | 
| Состоит из 4—6 шпуров и центральной незаряжаемой скважины. Расстояние между шпурами и скважиной увеличивается по спирали. Применяется при проведении горизонтальных и наклонных выработок в крепких и весьма крепких трудновзрываемых породах. |
Врубы отрывающей группы более распространенны, но их глубина лимитируется шириной выработки (В):
lвр = (0,5 – 0,9)В,
Ориентировочная глубина шпура (заходки) при клиновом врубе определяется из условия размещения бурового оборудования
где В – ширина выработки, м;
α - угол наклона врубовых шпуров, º.