Выбор взрывчатых веществ (ВВ) и средств взрывания (СВ). Выбор ВВ и СВ производят с учетом газового режима, прочности и водообильности пород.

В горных выработках, не опасных по пыли и газу, применяют непредохранительные ВВ II класса: в крепких и средней крепости породах — аммонит скальный № 1, аммонал скальный № 3, детонит М; в слабых породах — аммонит 6 ЖВ.

В горных выработках, опасных по пыли или газу, применяют предохранительные взрывчатые вещества: III класса — аммонит АП-5ЖВ — в забоях по породе; IV класса — аммонит T-I9 и аммонит ПЖВ-20 — в забоях по углю и (или) породе.

В горных выработках, особо опасных по газу или пыли, и при проведении специальных работ применяют ВВ повышенной предохранительное™ V-VII классов, например, угленит Э-6, угленит 5, а также высокопредохранительные ВВ — патроны СП-1.

В последнее время при строительстве горных выработок в крепких породах широкое применение получили гранулированные ВВ (граммонит 79/21, гранулит АС-4 и др.). Гранулированные взрывчатые вещества, уступая патронированным по работоспособности, обеспечивают возможность механизации и высокую плотность заряжания, пониженную чувствительность к механическим воздействиям и невысокую стоимость.

Взрывание зарядов ВВ может быть электрическое, огневое, электроогневое, бескапсюльное с помощью детонирующего шнура.

В производственной практике наибольшее распространение получило электрическое взрывание с помощью электродетонаторов мгновенного, короткозамедленного и замедленного действия. Электродетонаторы замедленного действия (ЭДЗД) применяют в горных выработках, не опасных по пыли и газу.

Полученные расчетные значения удельного расхода ВВ следует рассматривать как ориентировочные, которые необходимо в каждом случае уточнять серией опытных взрывов в конкретных условиях.

Расход ВВ уменьшается при увеличении площади поперечного сечения горной выработки, применении взрывчатого вещества с большой работоспособностью в патронах диаметром 40 мм и при повышении плотности заряжания. Очевидно, что расход ВВ увеличивается с повышением прочности пород.

Конструкция и масса заряда. Конструкция заряда определяется расположением патронов ВВ в шпуре, местом нахождения инициатора в заряде (боевого патрона), длиной и типом забойки.

При строительстве горных выработок применяют в основном колонковую (удлиненную) конструкцию заряда, при которой длина заряда значительно превышает его диаметр, а патроны взрывчатых веществ располагаются один за другим вплотную друг к другу. В выработках, не опасных по газу и пыли, применяют сплошную — колонковую конструкцию, при которой во время заряжания шпура на патроне ВВ делают продольный разрез. Такой надрезанный патрон помещают в шпур и придавливают (уплотняют) деревянным забойником. Патрон ВВ раздавливается, и ВВ заполняет весь объем шпура. Отсутствие воздушного зазора между патронами ВВ и стенками шпура повышает эффективность взрыва.

Боевой патрон (патрон ВВ с электродетонатором) располагают первым от устья шпура (прямое инициирование) или первым от забоя шпура (обратное инициирование). При прямом инициировании воздействие взрыва на массив породы и раскрытие трещин происходит в направлении к свободной поверхности. Потери энергии и прорыв продуктов детонации через трещины в атмосферу снижают коэффициент использования энергии взрыва, порода в донной части шпура недостаточно разрушается, остаются «стаканы».

При обратном инициировании детонация распространяется от забоя шпура. В этом случае увеличивается время воздействия газов взрыва на породу, возрастает количество энергии, затраченной на разрушение породы, повышается полнота детонации. По данным Э.О. Миндели, применение обратного инициирования повышает коэффициент использования шпура на 8—10% и уменьшает разброс породы на 10—18%, что способствует равномерности дробления породы.

В горных выработках, опасных по газу и пыли, обратное инициирование сопряжено с риском, потому что в этом случае продукты взрыва заряда ВВ, выбрасываемые в атмосферу выработки, имеют более высокую температуру, чем при прямом инициировании, и могут вызвать воспламенение газа.

Эффективность взрыва повышается при применении встречного инициирования, при котором один заряд инициируют с устья, а другой — с забоя шпура.

При всех способах инициирования электродетонатор в боевом патроне должен быть расположен так, чтобы кумулятивная выемка в дне электродетонатора была направлена в сторону заряда.

Пространство между зарядом и устьем шпура заполняют инертным материалом — производят забойку шпура.

Забойка герметизирует шпур на период взрыва, увеличивает время воздействия продуктов взрыва на породу и способствует наиболее полному использованию энергии взрыва.

Среднюю массу заряда в шпуре определяют, исходя из общего расхода ВВ и числа шпуров. Масса заряда врубовых шпуров на 20—25% больше, а отбойных и оконтуривающих шпуров — на 10—15% меньше средней величины заряда. Кроме того, коэффициент заполнения врубовых шпуров принимают на 10—20% больше, чем в отбойных и оконтуривающих шпурах.

Диаметр и число шпуров. Диаметр шпуров определяют, исходя из диаметра патронов ВВ.

Рост диаметра шпуров приводит к увеличению концентрации энергии взрыва и скорости детонации, что повышает эффективность взрывных работ; уменьшению числа шпуров и расхода ВВ, а также повышению коэффициента использования шпура, вследствие увеличения концентрации энергии взрыва и более полного ее использования для разрушения породы.

Вместе с тем увеличение диаметра шпуров является причиной ухудшения оконтуривания горной выработки, излишнего разрушения породы за проектным контуром, а также отрицательно сказывается на темпах буровых работ — снижается скорость бурения шпуров.

Согласно СНиП диаметр шпура должен быть больше диаметра патрона взрывчатого вещества: на 5—6 мм при электрическом, огневом и электроогневом способах взрывания и расположении патрона-боевика первым от устья шпура; на 7-8 мм при огневом взрывании и расположении патрона-боевика не первым от устья.

На основании обобщения производственного опыта можно сделать следующие выводы: при проведении горных выработок с площадью поперечного сечения более 6 м2 следует применять ВВ в патронах диаметром 36-40 мм. В выработках, не опасных по газу и пыли, целесообразно применять заряжание шпуров с разрезанием патронов.

В выработках площадью поперечного сечения менее 6 м2 следует применять ВВ в патронах диаметром 32—36 мм.

Число шпуров, так же как и их диаметр, оказывает влияние на трудоемкость буровзрывных работ, качество дробления породы, точность оконтуривания поперечного сечения горной выработки, коэффициент использования шпуров и другие показатели взрыва.

При увеличении числа шпуров по сравнению с оптимальным количеством повышаются затраты времени на их заряжание, возрастает доля мелкой фракции во взорванной породе. При недостаточном числе шпуров ухудшается оконтуривание поперечного сечения горной выработки, увеличивается доля крупной фракции породы, что снижает производительность погрузки.

Глубина шпуров является одним из основных параметров буровзрывного комплекса, который в конечном итоге определяет продолжительность проходческого цикла, трудоемкость, скорость и стоимость строительства горной выработки.

Основополагающими показателями, определяющими оптимальную глубину шпуров, являются минимальные затраты средств, труда и времени, отнесенные на 1 м.

При определении глубины шпуров необходимо учитывать геологические, технические и организационные факторы. К геологическим факторам относят крепость, трещиноватость и напластование пород, приток воды и газовый режим, технические факторы — технологическая схема проходки, поперечное сечение подземного сооружения, тип бурильных и погрузочных машин, качество ВВ и другие факторы, организационные — продолжительность цикла и связанная с этим скорость строительства подземного сооружения.

При малой (1 — 1,5 м) глубине шпуров увеличивается отнесенное к 1 м подвигания забоя время вспомогательных работ (проветривание, подготовительно-заключительные операции при бурении шпуров и погрузке породы, заряжание и взрывание ВВ и т.п.).

При большой (3,5-4 м) глубине шпуров снижается скорость бурения шпуров, ухудшается качество дробления породы и эффективность использования шпуров и в конечном итоге увеличивается относительная продолжительность проведения 1 м горной выработки.

Глубину шпуров определяют, исходя из заданной технической скорости проходки, количества и производительности горнопроходческого оборудования, или по нормам выработки.

При определении глубины шпуров с учетом трудоемкости горнопроходческого цикла необходимо использовать положения, предложенные Н.М.Покровским.

При бурении ручными перфораторами глубину шпуров принимают равной 2-2,5 м. При бурении бурильными установками глубина шпуров ограничивается техническими возможностями установки по паспорту и, как правило, соответствует 2,2—3 м.

Схема расположения шпуров зависит от крепости, трещиноватости и напластования породы, размеров поперечного сечения горной выработки, глубины и числа шпуров, конструкции заряда шпура и типа ВВ. При расположении шпуров учитывают удобство размещения бурового оборудования.

Комплект располагаемых в забое выработки шпуров разделяется на врубовые 1, отбойные (вспомогательные) 2 и оконтуривающие (периферийные) 3 ( 10.1).

Врубовые шпуры обычно располагают в центральной части забоя. Они предназначены для создания второй обнаженной поверхности, наличие которой повышает эффективность взрыва заряда отбойных шпуров. Глубину врубовых шпуров принимают на 25—35 см больше, чем отбойных шпуров, а массу заряда увеличивают на 15-20%.

Отбойные (вспомогательные) шпуры располагают между врубовыми и оконтуривающими шпурами, они предназначены для разрушения основной массы в забое. Их бурят, как правило, под прямым углом к плоскости забоя (реже с наклоном под углом 75—85°) и взрывают после врубовых, т.е. работают они при двух обнаженных поверхностях. В зависимости от площади забоя отбойные шпуры закладывают в один, два или три ряда.

Оконтуривающие (периферийные) шпуры служат для разрушения породы по контуру горной выработки. В выработках малого сечения, где отсутствуют отбойные шпуры, оконтуривающие шпуры разрушают основную массу породы в забое. Оконтуривающие шпуры располагают равномерно по периметру горной выработки на расстоянии 15-20 см от проектного сечения. В слабых и средней крепости породах концы шпуров достигают проектного контура выработки. В породах, склонных к обрушению, концы шпуров не доходят до проектного контура, что предотвращает «переборы» породы. В очень крепких породах концы шпуров заходят за проектный контур горной выработки на 5-10 см. Заряды оконтуривающих шпуров взрывают последними.

Схему расположения врубовых шпуров (типа вруба) выбирают с учетом конкретных геологических условий проходки, размеров сечения горной выработки и глубины заходки, используя отечественный и зарубежный опыт.

В производственной практике распространены врубы, в которых шпуры расположены наклонно или перпендикулярно к плоскости забоя.

Врубы с наклонным расположением шпуров применяют в породах любой крепости и чаще всего в крепких породах.

Основным достоинством этих врубов является возможность использования структуры породы — напластования, кливажа, плоскости контакта и т.п. При этих врубах облегчаются условия отрыва породы, так как заряды расположены наклонно к плоскости забоя.

Недостатки врубов с наклонными шпурами: ограниченная глубина наклонных шпуров; увеличение разброса породы по выработке, что осложняет уборку породы и вызывает повреждения крепи; большая трудоемкость забуривания и сложность выдерживания угла наклона шпура (фактический угол наклона шпуров редко соответствует проектному).

Достоинства врубов, образуемых перпендикулярными к плоскости забоя шпурами: облегчаются условия бурения, глубина шпура не зависит от размеров поперечного сечения выработки, уменьшается разброс породы по выработке и вероятность повреждения крепи. Н е -достаток — более тяжелые условия разрушения породы. На  10.3 приведены схемы врубов с перпендикулярными шпурами.

В зарубежной практике при строительстве горных выработок в крепких и средней крепости породах применяют прямые врубы с одним или двумя незаряженными шпурами диаметром 57—75 мм. Конструкция таких врубов приведена на  10.4,

При строительстве горных выработок глубокими заходками хороших результатов достигают, применяя я р у с н ы е ( 10.5, а) и ступенчатые (см.  10.5, б) врубы. Комплект шпуров (см.  10.5,/5)располагают параллельными рядами, по 3—5 шпуров в каждом ряду. Шпуры в рядах, начиная с первого (нижнего) яруса, через один к последнему (верхнему), бурят на полную глубину и заряжают распределенными (двухступенчатыми) зарядами ВВ. Шпуры остальных ярусов заряжают сплошным колонковым зарядом. Взрывание зарядов производят в один прием по рядам.

В угольной промышленности при проведении штреков по углю с подрывкой породы взрывание угля и породы производят раздельно. Взрывные работы по углю производят с одной обнаженной поверхностью, а по породе — с двумя. Шпуры в угольной части забоя располагают с клиновым и боковым врубом.

Число шпуров зависит от мощности пласта и ширины забоя. При мощности пласта до 0,7 м шпуры бурят в один ряд, при мощности пласта 0,7-1,5 м — в два ряда, при мощности более 1,5 м — в три ряда.

В боковых породах шпуры закладывают параллельно второй плоскости обнажения, на расстоянии 0,5—0,8 м от нее в зависимости от крепости пород, мощности ВВ и диаметра заряда. Глубина шпуров по породе равна или кратна глубине шпуров по углю.

Контурное взрывание. При строительстве горных выработок буровзрывным способом фактическая площадь поперечного сечения, как правило, превышает проектную, стенки выработки имеют неровные очертания, образуются заколы и трещины в законтурном массиве. Обычно объем вынимаемой породы на 10-20% превышает проектный, что приводит к дополнительным работам при погрузке породы, забучивании или тампонаже закрепного пространства, а в выработках с бетонной крепью — к увеличению расхода бетона.

Для уменьшения переборов и трещинообразования в массиве применяют контурное взрывание, особенности которого заключаются в уменьшении энергии взрыва и рациональном расположении оконтуривающих шпуров ( 10.6). Уменьшения концентрации взрыва на 1 м шпура достигают за счет применения ВВ с высокой работоспособностью (360— 450 см3) в патронах малого диаметра (21 —24 мм) или использования ВВ малой работоспособности (260-300 см3) в патронах обычного диаметра (32-24 мм), а также комбинацией двух первых способов.

Благодаря увеличенному зазору между диаметром шпура и патроном ВВ снижается плотность заряжания и связанное с этим давление газа на стенки шпура.

При контурном взрывании применяют три типа конструкций заряда — с радиальным, осевым и радиально-осевым зазором.

Заряды с радиальным зазором применяют при использовании ВВ в патронах малого диаметра, с осевым зазором — при использовании ВВ в патронах диаметром 32—36 мм. Заряды с радиально-осевым зазором используют в случаях, когда ВВ имеют большую работоспособность, но малый диаметр патрона.

Применение контурного взрывания уменьшает глубину трещин в породном массиве в 4-7 раз, перебор породы — примерно в 3 раза и затраты на крепление 1 м горной выработки — в 1,5 раза.

Контурное взрывание можно производить также с предварительным оконтуриванием и уступным забоем.

В первом случае по периметру бурят шпуры и заряжают их через один. Расстояния между шпурами принимают равными 4—6 диаметрам шпура. Оконтуривающие шпуры взрывают в первую очередь. При взрыве оконтуривающих шпуров между шпурами образуется щель. Эта щель является экраном и препятствует прохождению ударной волны, а также напряжений в законтурный массив при взрыве зарядов основных шпуров.

Контурное взрывание в уступном забое проводят следующим образом. Забой делят на две части — верхнюю толщиной 50—70 см и основную часть забоя. Разрушение породы в верхней части производят одновременно с разрушением породы в основном забое, но с отставанием на цикл.

Качественные показатели взрыва. Качество взрыва оценивают следующими показателями: коэффициентом использования шпуров, коэффициентом излишка сечения, гранулометрическим составом взорванной породы и разбросом породы по выработке.

Величина КИШ зависит от физико-механических свойств пород, глубины шпуров, удельного расхода ВВ, поперечного сечения горной выработки, типа вруба, схемы расположения шпуров, места инициирования, типа и длины забойки и других факторов.

Степень влияния указанных факторов на величину КИШ зависит от конкретных условий строительства горной выработки, а также взаимодействия этих факторов в общем комплексе буровзрывных работ.

В определенных условиях установлено следующее влияние отдельных факторов на величину КИШ:

• с увеличением расхода ВВ q и глубины шпуров /ш при прочих равных условиях (прочности пород, площади поперечного сечения, числа и диаметра шпуров и т.д.) значение КИШ сначала возрастает, а затем уменьшается;

•          увеличение диаметра патронов ВВ обычно приводит к увеличению значения КИШ на 6-8%, что объясняется концентрацией энергии взрыва в шпуре;

•          с увеличением прочности пород значение КИШ уменьшается: при коэффициенте прочности пород / = 4 -г- 6 г\ = 0,85 * 0,95, при f> 10 — л = 0,8^0,85;

•          при применении обратного инициирования и водяной забойки значение КИШ увеличивается на 5—10%.

Важное значение имеют схема расположения и глубина врубовых шпуров, обеспечивающие вторую обнаженную поверхность, что повышает значение КИШ.

В общем случае для увеличения величины КИШ следует оптимизировать расход ВВ и глубину шпуров, применять повышенный (40 мм) диаметр патронов ВВ, обратное инициирование шпурового заряда с водяной забойкой, правильно подбирать в соответствии с геологическими условиями тип и глубину вруба, а также схему расположения шпуров. Оптимальное значение указанных параметров подбирают в зависимости от технических и геологических условий строительства горной выработки путем проведения серии опытных взрывов.

Фактическая величина КИС обычно превышает нормативную и достигает ц = 1,15 -г 1,2, то есть переборы породы составляют 15—20% проектного сечения вчерне.

Основные причины перебора породы:

•          неправильное расположение оконтуривающих шпуров, которые заходят за проектный контур выработки;

•          заложение заряда большой массы в оконтуривающих шпурах;

•          расположение пласта нарушенной, неустойчивой породы, которая после взрыва обрушается, в сечении выработки (в этом случае оконтуривающие шпуры необходимо располагать на расстоянии 0,3—0,5 м от проектного контура).

Основным мероприятием по уменьшению «переборов» является применение контурного взрывания. При обычном взрывании пород для уменьшения «переборов» необходимо правильно располагать оконтури-вающие шпуры с уменьшенной величиной заряда.

Разброс взорванной породы по длине выработки оказывает существенное влияние на все виды проходческих работ. Кучный развал породы у забоя повышает производительность погрузки и уменьшает вероятность повреждения крепи и коммуникаций. Уменьшения разброса породы достигают при применении призматических врубов, а в пирамидальных врубах — бурением наклонных шпуров с наклоном к подошве выработки.