Наиболее сложными и трудоемкими в добыче полезного ископаемого, требующими постоянного изучения и совершенствования технологии и технических средств для ее осуществления являются буровзрывные работы (БВР) [1, 2]. Сооружение горных выработок в этом случае связано с выполнением целого цикла горных работ, среди которых буровзрывные работы являются первичными [3, 4]. Учет параметров и различного назначения выработок (транспортное, вентиляционное и

• т. д.) также является важным при проектировании и реализации БВР [5–7]. Каждая выработка по ее назначению в соответствии с проектом должна быть качественно пройдена с целью ее безопасной эксплуатации на протяжении всего срока существования, что является важной задача [8, 9]. Данная работа является продолжением исследований с участием авторов, основные научные и практические результаты которых наиболее полно приведены в работах [10–12].

  2020;5(4):336-348

  
  

  МИСиС

  
  

Цели и задачи. Целью исследования является обоснование параметров буровзрывной проходки горизонтальных и наклонных (до 12°) горных выработок на базе высокопроизводительного самоходного оборудования и новых конструкций призматических врубов с подчищающими зарядами ВВ по 0,2 кг аммонита марки 6ЖВ, размещенных в опережающих скважинах диаметров от 65 до 105 мм. Это обеспечит качественное проведение выработки с уходкой за цикл не менее 3,0–3,5 м, повышение скорости проходки с 50–70 м/мес. в настоящее время и до 300 м/мес. на проходческий комплекс в ближайшей перспективе. Для достижения поставленной цели экспериментально полученные данные сравниваются с данными расчетов. Задачей исследования является разработка и организация экспериментов по новым конструкциям призматических врубов с подчищающими зарядами ВВ по 0,2 кг аммонита № 6ЖВ, размещенных в опережающих скважинах для буровзрывной проходки горизонтальних и наклонных (до 12º) горных выработок в условиях конкретного металлического месторождения [13].

Изучение характеристик массивов пород рудного месторождения сложного строения

Рассматриваемое рудное месторождение сложного строения является типичным образованием в узлах сочленения мощных тектонических разломов Кировоградского рудного района Украины. Совокупностью физико-механических свойств горных пород, слагающих данное месторождение, природно созданы геомеханические условия, в которых будут безопасно производиться подготовительнонарезные и очистные работы. Для этого необходимо постоянно выполнять оценку напряженного деформационного состояния (НДС) горного массива (геомеханический мониторинг) различными методами и техническими средствами, включая натурные исследования в шахтных условиях влияния техногенных пустот на устойчивость горного массива [14]. При оценке устойчивости горных выработок требуется постоянное исследование коэффициента структурного ослабления (отношение сцепления по контактам естественных трещин к сцеплению в монолитной породе), который имеет решающее значение при определении необходимости и типа крепления этих выработок. Его значение для рассматриваемых породных массивов изменяется в пределах от 0,32 до 0,39 [15].

Практика отработки аналогичных месторождений является наследственной как по технологии добычи и переработки полезного ископаемого, так и по ликвидации последствий горных работ. На примере отработки этих залежей можно ожидать и прогнозировать многие параметры свойств горных массивов, которые должны быть близки не только качественно, но и количественно. Результаты натурных замеров для вышеуказанных месторождений показали, что направление трещин, как правило, совпадает с проектированием залежей, в основном преобладают трещины, распространяющиеся под углом более 45° [16].

Основные процессы, проходящие в горных массивах после образования выработанных пространств (подготовительно-нарезных и очистных выработок), подлежащие мониторингу [17]:

• -    формирование НДС массивов пород и его изменение во времени;

• -    сдвижение (обрушение) горных пород, проявляющееся в разнообразных формах;

• -    взаимодействие пород и крепей.

Горное давление формируется гравитационными силами вертикального налегающего столба горных пород (до поверхности) и касательными напряжениями тектонических подвижек. Силы горного давления объективно существуют независимо от образования техногенных пустот в горном массиве, но процессы изменения целостности поверхностей возможны только после их образования. Гео-механическое природное фактическое силовое поле массива горных пород имеет в каждой точке координатной сетки пространства

2020;5(4):336-348

МИСиС

потенциалы НДС, значения которых изменяются и перераспределяются в зависимости от формы и параметров горных выработок. При условиях допустимых параметров обнажений горные выработки сохраняются в ненарушенном безопасном состоянии [18].

Проявление необратимых деформаций, изменяющих массив пород, имело место при проходке разведочно-эксплуатационного ствола в виде растрескивания и отслаивания кусков породы от стенки на глубине 870–880 м, что свидетельствует о возможности опасной разгрузки горного массива (стреляния) после образования выработанного пространства. Рудовмещающие породы и рудные залежи такого месторождения, слагающие основной массив, весьма устойчивы, разведочные выработки, пройденные в них, способны длительное время сохранять свою форму без заметных признаков деформации, за исключением появления трещин и небольших отколов, вызываемых изменениями природного поля напряжений.

На этом месторождении участки ослабленных пород являются коллекторами статических запасов подземных вод и одновременно могут являться причиной образования заколов и вывалов горных пород на отдельных тектонически нарушенных участках в местах образования тектонических глин – это зоны Сиенитового и Секущего разломов, мощность которых составляет 40–50 м. Данные наблюдений за проходкой скважин показывают, что зоны неустойчивых пород встречались во всех разрывных тектонических нарушениях. В таких зонах нарушений наблюдается откол крупных кусков на контактах лежачего и висячего боков нарушений. Поэтому при проходке выработок, пересекающих эти зоны, требуется оборка кровли и стенок выработок, а в отдельных случаях для сохранения выработок необходимо упрочняющее анкерное крепление [19].

На этом месторождении крупные массивы гнейсов отсутствуют, а встречаются в гранитах.

Горные удары, стреляние и выбросы пород не отмечались. В процессе эксплуатации месторождения при подходе к глубинным тектоническим зонам необходимо бурение опережающих скважин с целью определения не только обводненности, но и газоносности. Контроль содер-жани газов в рудничной атмосфере должен осуществляться систематически вентиляционной и газоспасательной службой [20]. Главные мероприятия при эксплуатации месторождений направлены на доведение до безопасного содержания вредных аэрозолей и сведение к минимуму их воздействия на все группы работающего на технологических операциях персонала. На месторождении пробурено 673 глубоких разведочных скважины без учета скважины подземного бурения. Все скважины вынесены на карту ликвидационного тампонажа, но не все за-тампонированы [21].

Обоснование выбора оборудования для проходки горных выработок

Состав комплексов самоходного оборудования для проходки горизонтальных и наклонных выработок включает [22]:

• -    буровую каретку;

• -    погрузочно-транспортную машину.

Рассмотрены два варианта комплексов самоходного оборудования с дизельным приводом ходовой части:

• 1)    фирмы Atlas Copco:

• -    буровой станок Bomer 281(282);

• -    погрузочно-доставочная машина SТ 3,5; 2) фирмы Тamrock:

• -    буровой станок Минибур 1Ф;

• -    погрузочно-доставочная машина TORO 151.

Техническая характеристика рассматриваемых комплексов для проходки горизонтальных и наклонных выработок приведена в табл. 1.

Производительность при погрузке и транспортировке горной массы при проходке горных выработок и очистных забоях комплекса машин Boomer 281(282), ST 3,5 (табл. 2) и комплекса Минибур 1Ф, TORO 151 (табл. 3).

2020;5(4):336-348

Таблица 1

Техническая характеристика комплексов для проходки горизонтальных и наклонных выработок

Параметр	Комплекс фирмы Atlas Copco		Комплекс фирмы Тamrock
	Буровой станок	Погрузочно-доставочная машина	Буровой станок	Погрузочно-доставочная машина
Тип машины	Boomer 281(282)	ST 3,5(ST710)	Минибур 1Ф	TORO 151
Емкость ковша, м 3		3,6		1,75
Грузоподъемность, т, при γ = 1,66		5,2		2,5
т/м 3
Габаритные размеры, мм :
длина	11620	8824	8500	6970
ширина	1650	2040	1200	1480
высота:
в транспортном положении	2100	2104	1850	1235
при разгрузке		4374*
при работе		1719		1740
Двигатель:
мощность, кВт (л. с.)	42 (75)	149 (200)	30 (40)	53 (71)
шина	8,25R15	17,5×25	10 ×15	12×20
емкость бака, л	60	191	50	80
расход топлива, кг/ч	13,5	36	7,2	13
установленная мощность, кВт	63		55
Рабочая масса, т	9,3	18,2	7,0	8,7
Перфоратор, тип	СОР 1432		1Гл300С
Расход воды, м 3 /ч	2,9		2,9
Уровень шума, дБ (А)	<106		<106
Площадь обуривания, м 2	10 - 31		4 - 18
Расход воздуха на вентиляцию
забоя, м 3 /с		17		6

Примечание. От почвы до кромки ковша при разгрузке непосредственно в транспортные сосуды.

Таблица 2

Производительность комплекса Boomer 281(282), ST 3,5

Показатель	Расстояние транспортирования, м
	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500
Часовая    производитель ность, т/ч	107,2	89,8	77,6	67,8	60,8	55	49,8	45,8	42,2	39,4
Сменная    производитель ность, т/см.	536	448	388	338	304	272	248	228	210	196
Суточная    производитель ность, т/сут	1608	1344	1164	1014	912	816	744	686	630	588
Годовая    производитель ность, тыс.т/год	386	322	254	244	218	196	178	164	152	142

Таблица 3

Производительность комплекса Минибур 1Ф, TORO 151

Показатель	Расстояние транспортирования, м
	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500
Часовая производительность, т/ч	53,6	44,9	38,8	33,9	30,4	27,5	24,9	22,9	21,1	19,7
Сменная  произво-дитель- ность, т/см.	268	224	194	169	152	136	124	114	105	98
Суточная производительность, т/сут	804	672	582	507	456	408	372	343	315	294
Годовая призводи-тельность, тыс.т/год	193	161	127	122	109	98	89	82	76	71

2020;5(4):336-348

МИСиС

В результате анализа преимуществ и недостатков комплексов ведущих фирм мира можно сделать следующие выводы:

– высокие эргономические качества по-грузочно-доставочных машин и самосвалов фирмы Atlas Copco являются их преимуществом перед фирмой Тamrock;

– производительность Boomer 281(282), ST 3,5 фирмы Atlas Copco на проходческих работах в 2 раза выше комплекса Минибур 1Ф, TORO 151 фирмы Тamrock при одинаковых расстояниях транспортирования горной массы;

– годовая производительность погру-зочно-доставочных машин ST 3,5 в 2 раза выше чем у TORO 151;

– для механизации процесса заряжания шпуров и скважин целесообразно использовать самоходную зарядную установку с дизельным приводом.

Обеспечение разработки паспорта буровзрывных работ проходки горных выработок

На практике рациональные расстояния между шпурами рассчитываются по известной формуле проф. В.Н. Мосинца [13, 16]:

a = KW , м, (1) где K – коэффициент, учитывающий назначение шпура, K = 1,0 – 1,3 для отбойных шпуров, K = 0,75 – для контурных шпуров почвы, K = 0,85 для контурных шпуров кровли, K = 0,95 – для контурных шпуров по бокам выработки.

Формула справедлива при диаметре компенсационной скважины от 50 до 200 мм. Недостатки контурного взрывания заключаются в следующем: увеличивается число шпуров на 10–15 %, возрастают затраты труда на заряжание. Из практики контурного взрывания расстояние между шпурами в оконтуривающем ряду следует принимать с поправкой на глубину тре-щинообразования от взрыва отбойных предкон-турных зарядов последнего ряда:

а к <  (0,8 - 1,0) W k , м (2)

где W – линия наименьшего сопротивления оконтуривающих зарядов, м, которая для крепких пород (по шкале проф. М.М. Протодьяконова f = 16) по данным практики равна 0,60–0,65 м. Таким образом, расстояние между шпурами по контуру равно а _к<  (0,8 - 1,0) • 0,6 <  0,5 - 0,6 м. В среднем принимают а = 0,55 м.

Проектируемый удельный расход ВВ определяется на основе расчета или опыта проведения горных выработок соответствующим типом ВВ. Удельный расход нового ВВ на проходку горной выработки корректируется согласно формуле qн = q ⋅ Kраб , кг/м3, (3) где q – удельный расход применяемого ВВ (аммонит № 6ЖВ), кг/м3, K – коэффициент работоспособности применяемого ВВ, ед.;

Kраб = ен , (4) е где е – работоспособность применяемого ВВ, см3. Работоспособность аммонита № 6ЖВ и граммо-нита 79/21 равна е = 360–370 см3 при плотности заряжания ρ = 1,0–1,1 г/см3 (от 0,8 г/см3 для граммонита 79/21; гранулита АС–4; АС–4В; АС–8; АС–8В до 1,6 г/см3 – для аммонита скального № 1 и др.); при применении другого типа ВВ удельный расход корректируется через коэффициент работоспособности.

Выполнение буровых работ предусматривается по двум вариантам используемой техники:

• -    буровой станок Simba М4С фирмы Atlas Copco;

• -    буровой станок SOLO 1L фирмы Тamrock (табл. 4).

Для эффективного ведения взрывных работ, обеспечения щадящего воздействия на вмещающие породы регламентируется использование следующих типов взрывчатых веществ (табл. 5).

2020;5(4):336-348

Таблица 4

Техническая характеристика буровых станков

Параметр	Atlas Copco	Тamrock
Тип машины	Simba М4С	SOLO 1L
Перфоратор	СОР 2550ЕХ	TAMROCK 510ЛХ
Диаметр скважин, мм	64–102	64–89
Оптимальная глубина, м	51	30
Габаритные размеры, мм
длина	10 500	6450
ширина	2350	1670
высота:
в транспортном положении	2875	2150
в рабочем положении	2965	2750
Двигатель:
мощность, кВт (л.с.)	115 (156)	30 (42)
Установленная мощность, кВт	118	60
Масса, т	17,8	7,5

Таблица 5

Сейсмическая активность ВВ

Тип ВВ	Плотность заряда, г/см 3	Теплота взрыва, кДж	Скорость детонации, км/с	Коэффициент сейсмической ак тивности
Аммонит № 6ЖВ	1,0–1,2	4305	3,6–4,8	1,0
Граммонит 79/21	0,80–0,85 (насыпная)	4285	3,2–4,0	1,0
Гранулит АС-4; АС-4В	0,8–0,9 (насыпная)	4522	3,0–3,5	1,03
Гранулит АС-8; АС-8В	0,8–0,95 (насыпная)	5191	3,0–3,6	1,12
Аммонал А-200	0,95–1,1 (патрон)	4932	4,2–4,6	1,07
Аммонал М-10	0,95–1,2 (патрон)	5645	–	1,19
Аммонал скальный № 3	1,0–1,1 (патрон)	5684	42–4,6	1,19
Аммонит скальный № 1	1,43–1,58	5400	6,0–6,5	1,17

Разработка призматических врубов с двумя скважинами диаметром d = 65 мм

При контурном взрывании определяется количество шпуров по контуру сечения на основе ранее обоснованных для этой цели параметров. В число шпуров на забой входят шпуры вруба, количество которых зависит от его конструкции. Чем больше количество шпуров во врубе, тем больше их эффективность. Для окончательного оформления врубовой полости применяются вспомогательные шпуровые заряды, от работы которых зависит качество отбойки горной массы по забою и длина уходки за цикл. Все шпуры за пределами вруба и контура сечения распределяются равномерно по забою и носят название отбойных [23, 24].

Практикой доказано, что в связи с невозможностью соблюсти расчетные геометрические параметры вруба из-за нарушений, появляющихся в процессе обуривания забоя, заряды шпуров не обеспечивают очистку врубовой полости на всю глубину уходки[25, 26]. В результате снижается длина уходки забоя при низком коэффициенте использования шпура. Для повышения качества очистки врубовой полости применяют подчищающий заряд, который взрывается последним во врубе на большей глубине (300–400 мм) в компенсационной скважине. Для очистки врубовой поло-

2020;5(4):336-348

МИСиС

сти подчищающий заряд целесообразно размещать в компенсационной скважине малого диаметра (65, 74, 85 мм), в том случае если нет уверенности в очистке врубовой полости без него. Применение подчищающего заряда во врубе повышает надежность его очистки и обеспечивает качественное образование до 90–95 %. Для обеспечения уходки проходческого забоя горизонтальных и наклонных (до 12º) горных выработок до 3,5 м и более разработаны прямые призматические врубы с двумя скважинами диаметром d = 65 мм, на забое которых размещены подчищающие заряды по 0,2 кг аммонита № 6ЖВ, один из которых приведен на рис. 1.

Исследование компенсационных объемов для различных вариантов врубов

Коэффициенты компенсационных объемов для различных вариантов врубов при взрывах первого заряда врубовых шпуров на компенсационную скважину: d = 105мм – 2,5; d = 85мм – 2,0; d = 74мм – 2,14. При взрыве четвертого врубового заряда коэффициент компенсационного объема составил для компенсационных скважин d = 105 мм – 1,44; d = 85 мм – 1,36; d = 74 мм – 1,34.

Установлено, что работа первых зарядов в донной части вруба на скважины происходит в условиях с избыточным компенсационным объемом, а работа последних врубовых зарядов (четвертых по замедлению) происходит в условиях со слабым зажимом. Основными параметрами шпуров являются диаметр ( d ш ), длина ( l ш ) и глубина (рис. 2).

При правильно выполненных в процессе бурения предложенных конструкциях врубов будут соблюдены вышеописанные условия работы врубовых зарядов и ожидается качественная проработка ими горного массива, что позволит достичь высокоэффективного использования шпуров всего забоя. Выбор наиболее эффективных врубов из предлагаемых вариантов необходимо производить в процессе опытных работ при внедрении паспортов буровзрывных работ в забоях горизонтальных и наклонных (до 12º) горных выработок.

Рис. 1. Призматический вруб с двумя скважинами и подчищающими зарядами в них:

1 , 2 , 3 , 4 – врубовые шпуровые заряды, взрываемые поочередно; 5 – подчищающие заряды (пятое замедление);

6 , 7 , 8 , 9 – вспомогательные шпуровые заряды

Рис. 2. Конструкция шпурового заряда:

1 – устье шпура; 2 – стенка шпура; 3 – забой шпура; 4 – забойка; 5 – электродетонатор; 6 – патрон ВВ;

α – угол наклона, град

2020;5(4):336-348

Таблица 6

Порядок взрывания шпуровых зарядов ВВ в забое

Наименование шпуров	Номера		Степень замедления
	шпуров	замедлений
	1	0	0
Врубовые	2, 3	1	0,025
	4, 5	2	0,050
	6–9	3	0,075
Вспомогательные	10–11	4	0,100
	12–15	5	0,150
	16, 17	6	0,250
Отбойные	18–27	7	0,500
	28–41	8	0,750
Оконтуривающие:
стеновые и потолочные;	42–61	9	1,000
почвенные (полозовые);	62–68	10	1,500
почвенные (угловые)	69–70	11	2,000

Таблица 7

Порядок взрывания шпуровых зарядов ВВ в забое

Показатель	Значения
Горная порода	Альбититы
Крепость пород по М.М. Протодъяконову	16
Трещиноватость	Средняя
Площадь поперечного сечения, м 2	13,8
Наименование вруба	Прямой цилиндрический
Количество шпуров всего, шт., и их длина, мм:	70
компенсационных скважин;	2, длинной 3800
врубовых;	3, длинной 3500
вспомогательных;	12, длинной 3500
отбойных;	24, длинной 3500
оконтуривающих	29, длинной 3500
Диаметр компенсационных скважин, мм	65
Диаметр шпуров, мм	40
Наименование ВВ	Аммонит № 6ЖВ
Величина зарядов шпуров, кг	190,4
Масса подчищающих зарядов ВВ в компенсационных скважинах, кг	0,6
Общий расход ВВ на один взрыв, кг	191,0
Объем взрываемой горной массы, м 3	45,88
Коэффициент использования шпура	0,95
Удельный расход ВВ, кг/м 3	4,16
Способ взрывания	Электрический с обратным инициированием
Средства взрывания	Типа Primadet

2020;5(4):336-348

МИСиС

Таким образом, основными исходными данными для проектирования безопасной технологии проведения горных выработок, по которым разрабатывается паспорт буровзрывных работ, являются [27]:

• -    оценка геомеханических условий, в том числе коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову, блочность массива (тип трещиноватости), направление слоистости и т.д.);

• -    скорость проходки горной выработки, от которой зависит длина уходки за цикл до 3,5 м;

• -    тип вруба в зависимости от длины уходки за цикл; все разработанные врубы применяются для уходки за цикл в пределах 2,5–3,5 м и более; эффективность вруба с уходкой более 3,5 м оценивается после опытной проверки.

Порядок взрывания шпуровых зарядов ВВ в забое при буровзрывной проходке горизонтальной горной выработки сечением (4300×3600 мм) приведен в табл. 6, а условия и показатели взрыва – в табл. 7.

Перспективные направления исследований

Перспективным в исследованиях и проведении опытно-экспериментальных работ является применение эмульсионных ВВ (ЭВВ) и комплексов оборудования для механизированного приготовления и заряжания шпуров и скважин при проходке горных выработок. На сегодня объемы и масштабы внедрения экологически чистого ЭВВ Украинит-ПП-2 значительно увеличились – расширились география и сфера применения на шахтах Украины: ПАО «КЖРК», ЧАО «Сухая Балка» (г. Кривой Рог) и ООО «Восток-Руда» (г. Желтые Воды), ЧАО «ЗЖРК», опробованы также первые опытно-экспериментальные зарядки кругового веера скважин (диаметром 89– 105 мм и длиной до 30 м), ведутся работы по совершенствованию технологии приготовления компонентов ЭВВ.

При поддержке Госгорпромнадзора Украины и Криворожской горнотехнической инспекции промышленные испытания ЭВВ Украинит-ПП-2 будут продолжены на шахтах

ПАО «КЖРК» и ГП «ВостГОК». Заинтересованность в проведении опытноэкспериментальных работ по применению эмульсионных ВВ проявляют и другие предприятия развитых горнодобывающих стран [10–12, 28].

Выводы

• 1.    Показано , что диаметр шпурового заряда является важным параметром при проходке горных выработок, так как от него зависят концентрация ВВ в шпуре, скорость детонации и расстояние ее передачи, скорость бурения шпуров и трудоемкость буровых работ в целом, качество оконтуривания проектного сечения горной выработки и экономические показатели. Применять диаметр шпуров в проходческих забоях более 40–42 мм нецелесообразно. Уменьшение диаметра шпуров до 36 мм повышает эффективность буровзрывной проходки горных выработок.

• 2.    Определено , что для обеспечения уходки за цикл не менее 3,3–3,5 м кроме производительного самоходного оборудования возникает потребность в новых конструкциях призматических врубов, надежность работы которых по образованию качественной (чистой) врубовой полости достигает 0,95–1,00.

• 3.    Разработаны новые конструкций призматических врубов, особенность которых заключается в обеспечении каждой его конструкции достаточным компенсационным объемом (опережающие скважины диаметров от 65 до 105 мм, в которых размещены подчищающие заряды по 0,2 кг аммонита № 6ЖВ) для работы шпуровых врубовых зарядов на разрушение трапециевидных перегородок с коэффициентом компенсационного объема от 2,50 до 1,34.

• 4.    Рекомендован порядок разработки паспорта буровзрывных работ, обеспечивающего качественное проведение выработки с уходкой за цикл не менее 3,0–3,5 м, повышение скорости проходки с 50–70 м/мес. (в настоящее время) до 300 м/мес. на проходческий комплекс в ближайшей перспективе.

2020;5(4):336-348