Буровзрывные работы: комплексное академическое исследование параметров, технологий и безопасности для горнодобывающей отрасли

В современном мире, где темпы промышленного производства постоянно растут, буровзрывные работы (БВР) остаются краеугольным камнем горнодобывающей и строительной отраслей. От их эффективности, безопасности и экологичности напрямую зависят масштабы добычи полезных ископаемых, скорость проходки тоннелей, возведения капитальных сооружений и, в конечном итоге, экономическая рентабельность проектов. По данным исследований, буровзрывной комплекс работ может занимать от 30% до 60% общего времени проходческого цикла, что подчеркивает его критическое значение для успеха любого проекта.

Настоящая курсовая работа ставит своей целью не просто обзор, а глубокое, комплексное академическое исследование буровзрывных работ, призванное детально рассмотреть все аспекты – от теоретических основ и расчетных методик до практических технологий, строгих требований промышленной безопасности и экологических норм. Мы погрузимся в мир динамических нагрузок, физики разрушения пород и тонкостей нормативного регулирования, чтобы создать всеобъемлющий ресурс, полезный для студентов технических вузов, будущих инженеров горного дела, подземного и гражданского строительства, а также специалистов по промышленной безопасности. Структура исследования последовательно проведет читателя через фундаментальные принципы, алгоритмы расчетов, описание современного оборудования и методов, а также важнейшие аспекты безопасного и ответственного применения буровзрывных технологий, завершаясь анализом экономической эффективности и потенциала для оптимизации.

Теоретические основы буровзрывных работ и классификация горных пород

Понимание того, как взрывчатые вещества (ВВ) взаимодействуют с горными породами, составляет фундамент успешного проектирования и проведения буровзрывных работ. Это не просто интуитивное «разрушение», а сложный физический процесс, зависящий от множества взаимосвязанных факторов, поэтому их комплексное изучение имеет решающее значение.

Физико-механические свойства горных пород и их влияние на взрываемость

Каждая горная порода обладает уникальным набором физико-механических свойств, которые формируют ее «характер» при взаимодействии со взрывом. Среди ключевых характеристик, играющих определяющую роль в процессе взрывного разрушения, выделяют:

• Прочность: Сопротивление породы разрушению при сжатии, растяжении или сдвиге. Породы с высокой прочностью требуют большего количества ВВ и более плотной сетки шпуров.
• Плотность: Масса единицы объема породы. Чем выше плотность, тем больше энергии взрыва требуется для ее перемещения и дробления. Средняя плотность породы (ρ_ср) является важным параметром в расчетах удельного расхода ВВ.
• Трещиноватость: Наличие естественных трещин, разломов, кливажей в массиве породы. Трещиноватые породы легче разрушаются, поскольку энергия взрыва эффективно распространяется по существующим плоскостям ослабления, однако это может привести к неконтролируемому разбросу кусков и нарушению контура выработки.
• Содержание кварца: Кварц — один из самых твердых и абразивных минералов. Породы с высоким содержанием кварца (например, кварциты, граниты) отличаются повышенной твердостью и абразивностью (10-15 мг), что существенно затрудняет процесс бурения, снижая стойкость бурового инструмента и увеличивая его износ.

Эти свойства напрямую влияют на такие аспекты, как скорость распространения взрывной волны, характер трещинообразования, степень дробления и выход негабарита. Например, детонационные и энергетические характеристики ВВ, в сочетании с диаметром заряда, определяют качество дробления взорванных пород, где ключевыми являются скорость детонации, теплота взрыва, работоспособность и бризантность.

Классификация горных пород

Для систематизации подхода к БВР горные породы классифицируют по нескольким критериям, что позволяет стандартизировать выбор ВВ и параметров взрывания.

Классификация по крепости наиболее известна по шкале профессора М.М. Протодьяконова, где коэффициент крепости (f) варьируется от 0,3 (для очень мягких пород, таких как глина) до 20 (для очень крепких, например, крепкого кварцита). Эта шкала имеет фундаментальное значение для расчета удельного расхода ВВ, поскольку позволяет привязать требуемое количество взрывчатки к конкретным характеристикам породы.

Классификация по буримости делит породы на 5 классов и 25 категорий по относительному показателю трудности бурения (П_б). Например:

• I класс: Легкобуримые (П_б = 1–5).
• V класс: Исключительно труднобуримые (П_б = 20,1–25).

Эта классификация помогает в выборе бурового оборудования и оптимизации режимов бурения, что в свою очередь влияет на общую экономику проекта.

Классификация по взрываемости оценивает породы по удельному расходу ВВ, необходимому для их разрушения:

• Легко взрываемые: до 0,35 кг/м³.
• Средней трудности взрывания: 0,35–0,6 кг/м³.
• Трудно взрываемые: 0,6–0,9 кг/м³.
• Весьма трудно взрываемые: 0,9–1,2 кг/м³.

Особое внимание следует уделять специфическим типам пород, требующим применения взрывных работ:

• Сильновалунистые грунты: С содержанием свыше 40% крупных валунов (более 150 мм), которые невозможно эффективно разрушить механическим способом.
• Трещиноватые породы: Несмотря на кажущуюся легкость разрушения, трещиноватость требует тонкой настройки БВР для предотвращения излишнего разупрочнения массива за пределами проектного контура.
• Метаморфические, кристаллические сланцы, изверженные породы (граниты, диориты, сиениты, габбро) и крепкие осадочные породы (известняки, доломиты, песчаники): Эти породы, как правило, обладают высокой прочностью и монолитностью, что делает БВР наиболее эффективным и часто единственно возможным методом их разрушения.

По степени связности горные породы могут быть монолитными (практически не имеющими трещин) или трещиноватыми. Степень трещиноватости массива может быть количественно оценена с помощью таких инструментов, как «Временная классификация горных пород по степени трещиноватости в массиве» (МВКВД, 1968 г.).

Закон подобия и формирование зон разрушения

В основе расчетов зарядов ВВ лежит закон подобия, который гласит, что при сохранении геометрического подобия расположения зарядов и свойств окружающей среды, объем разрушенной горной массы прямо пропорционален массе заряда взрывчатого вещества. Этот принцип позволяет масштабировать результаты опытных взрывов и применять их к аналогичным горно-геологическим условиям, что критически важно для проектирования крупномасштабных БВР и предсказания результатов.

При взрыве заряда ВВ в породном массиве формируются две основные активные зоны разрушения:

1. Зона смятия: Непосредственно примыкает к заряду. Здесь порода подвергается интенсивному дроблению, пластическим деформациям и уплотнению под воздействием высоких давлений продуктов детонации. В этой зоне происходит максимальное разрушение породы.
2. Зона трещинообразования: Окружает зону смятия. Здесь происходит формирование и развитие трещин в массиве породы за счет распространения упругих и пластических волн напряжения. Это приводит к разупрочнению породы и подготовке ее к последующему разрушению или более легкому извлечению.

Новая методика расчета параметров БВР при проходке горизонтальных и наклонных горных выработок, предложенная такими авторами, как Вохмин С.А., Кирсанов А.К., Курчин Г.С. и Шкаруба Н.А., как раз основывается на детализированном анализе этих двух зон разрушения. Эффективность взрывных работ, таким образом, определяется не только массой ВВ, но и способностью оптимально использовать энергию взрыва для формирования этих зон, обеспечивая требуемое качество дробления при минимизации затрат и негативных воздействий. Именно здесь кроется потенциал для значительной экономии и повышения безопасности.

Методики расчета параметров буровзрывных работ

Точный расчет параметров буровзрывных работ является залогом их эффективности, безопасности и экономической целесообразности. Он позволяет оптимизировать расход взрывчатых веществ, обеспечить необходимое качество дробления и минимизировать негативные воздействия, что в конечном итоге определяет успех всего проекта.

Расчет сосредоточенных зарядов ВВ

Сосредоточенные заряды ВВ применяются для рыхления или выброса больших объемов горной массы, например, при разработке котлованов или откосов.

Для сосредоточенных зарядов рыхления масса заряда Q, в кг, может быть рассчитана по формуле:

Q = ω³ / K

Где:

• ω — линия наименьшего сопротивления (ЛНС) в м. ЛНС представляет собой кратчайшее расстояние от центра заряда до свободной поверхности, по которой происходит разрушение.
• K — расчетный коэффициент в кг/м³. Этот коэффициент не является универсальной константой. Он зависит от физико-механических свойств горных пород, типа применяемого взрывчатого вещества и конкретных условий взрывания. Значения K обычно определяются на основе обширных эмпирических данных и таблиц, адаптированных для различных видов пород и ВВ. Например, для аммонита №6ЖВ и некоторых руд K может варьироваться в широком диапазоне.

Для сосредоточенных зарядов выброса расчетный расход ВВ q_н, в кг/м³, определяется по эмпирической формуле С.А. Давыдова:

qн = 0,0007 ⋅ ρср

Где:

• ρ_ср — средняя плотность породы в кг/м³.

Формула С.А. Давыдова также используется для определения линии наименьшего сопротивления (ЛНС) при расчете сосредоточенных зарядов выброса:

W = √(P / qр)

Где:

• P – вместимость 1 м шпура (патрона ВВ) в кг/м.
• q_р – удельный расчетный расход ВВ в кг/м³.
• Коэффициент заряжания (K_з), характеризующий степень заполнения шпура ВВ, для этой формулы может быть принят в диапазоне 0,8–0,95.
• Плотность заряда ВВ в шпуре (Δ) при ручном заряжании составляет приблизительно 0,8 г/см³.

Расчет скважинных и шпуровых зарядов

Скважинные и шпуровые заряды являются наиболее распространенными в горнодобывающей промышленности и строительстве.

Коэффициент нагрузки (K_нагр), в кг/м, для расчета массы ВВ в скважине или шпуре определяется по формуле:

Kнагр = (D² ⋅ d ⋅ 0,785) / 1000

Где:

• D — диаметр заряжания (диаметр шпура/скважины) в мм.
• d — плотность заряжания (плотность ВВ в заряде) в г/см³.
• Значение 0,785 является приближением к π/4 (приблизительно 0,785398…), используемым для вычисления площади поперечного сечения цилиндрического заряда в мм², с последующим пересчетом в см² и кг/м с учетом плотности заряжания.

Масса взрывчатого вещества (Q_ВВ), в кг, в одном шпуре рассчитывается как:

QВВ = Lзаряда ⋅ Kнагр

Где:

• L_заряда — длина заряда в м.

Для патронированных ВВ, масса заряда в шпуре (q_вр), в г, рассчитывается по формуле:

qвр = Δ ⋅ Sпатр ⋅ Lзаряда

Где:

• Δ — плотность ВВ в патроне в г/см³.
• S_патр — площадь поперечного сечения патрона в см².
• L_заряда — длина заряда в см.

Удельный расход ВВ (q), в кг/м³ взрываемой горной массы, может быть рассчитан после определения концентрации заряда. Определение концентрации заряда для расчета удельного расхода ВВ включает учет диаметра патронов, коэффициента заполнения шпура (который обычно варьируется от 0,6 до 0,72) и коэффициента сближения зарядов (при электровзрывании 1,0-1,5; при огневом — 1,2-1,5).

Одной из наиболее известных методик является формула профессора Н.М. Покровского:

q = q₁ ⋅ f₀ ⋅ V ⋅ J

Где:

• q₁ — условный удельный расход ВВ, который определяется как 0,1 ⋅ f, где f — коэффициент крепости пород по Протодьяконову.
• f₀ — коэффициент структуры (текстуры) пород. Этот коэффициент учитывает особенности строения массива, например:
  • 2 для вязких трудно-взрываемых пород.
  • 1,4 для дислоцированных пород.
  • 1,3 для сланцевого залегания.
• V — коэффициент зажима. Он характеризует степень ограничения развала породы. Для расчета V используется формула V = 6,5 / √S, где S — площадь забоя в м².
• J — коэффициент работоспособности ВВ. Он определяется как отношение работоспособности эталонного ВВ (например, аммонита № 6ЖВ, работоспособность которого составляет 360-380 см³) к работоспособности принятого ВВ. Например, для гранулита М J может быть 1,11, для игданита – 1,13, для аммонала М-10 – 0,95.

Расстояние между шпурами в ряду (a) и между рядами шпуров (b) принимают в пределах (0,6 — 0,8) ⋅ W, где W — линия наименьшего сопротивления. Более точный расчет массы заряда в шпуре (Q_з) может быть выполнен по формуле: Q_з = Q_ц / N_об, где Q_ц – расход ВВ на цикл, а N_об – общее число шпуровых зарядов ВВ на забой.

Минимальная длина забойки шпуров является критически важным параметром для обеспечения эффективности взрыва и безопасности. Она регламентируется правилами безопасности:

• При глубине шпуров 0,6–1,0 м: половина глубины шпура.
• При глубине шпуров более 1 м: не менее 0,5 м.
• При взрывании зарядов в скважинах: не менее 1 м.

В шахтах, опасных по газу или пыли, при глубине шпуров 0,6-1,0 м длина забойки регламентируется как не более половины длины шпура, а при глубине шпуров более 1 м – не менее 0,5 м. Коэффициент K₃ (коэффициент заполнения шпура), учитывающий степень заполнения шпура ВВ, составляет 0,5 при глубине шпуров 0,6–1,0 м и 0,7-0,72 при глубине более 1 м.

Выбор типа ВВ и оценка качества дробления

Выбор подходящего типа ВВ является одним из ключевых решений при проектировании БВР, напрямую влияющим на качество дробления и экономическую эффективность. Методика выбора типа ВВ основана на сравнении его работоспособности с эталонным ВВ:

Рн = 2,86 ⋅ Рс

Где:

• Р_н обозначает работоспособность принятого взрывчатого вещества в баллистической мортире.
• Р_с — работоспособность стандартного (эталонного) взрывчатого вещества.

Детонационные и энергетические характеристики ВВ (скорость детонации, теплота взрыва, работоспособность, бризантность) в сочетании с диаметром заряда являются определяющими факторами для качества дробления взорванных пород. Чем выше эти характеристики и оптимальнее диаметр, тем более мелким и равномерным будет кусковатость взорванной горной массы, что снижает выход негабарита и облегчает последующую погрузку и переработку. Что это означает на практике? Это позволяет значительно сократить затраты на последующие операции, такие как транспортировка и дальнейшее измельчение.

Оценка прорабатываемости подошвы уступа осуществляется через величину предельного относительного радиуса полости (Γ_пр). Этот показатель является индикатором эффективности разрушения породы в нижней части уступа. Качественная обработка подошвы достигается при Γ_пр ≤ 1,3, что свидетельствует об эффективном разрушении породы и минимизации необходимости доработки.

Таким образом, комплексный подход к расчету параметров БВР, включающий детальный анализ свойств пород, применение специализированных формул и учет всех коэффициентов, позволяет добиться оптимальных результатов при минимальных затратах и соблюдении строгих требований безопасности.

Технологии и оборудование буровзрывных работ

Современные буровзрывные работы – это сложный комплекс технологий и оборудования, постоянно развивающийся в направлении повышения эффективности, точности и безопасности. От выбора правильной методики и адекватного оборудования зависит не только скорость проходки или добычи, но и экономическая целесообразность всего проекта, поскольку это напрямую влияет на производительность и общие затраты.

Виды врубов и их применение

«Вруб» – это первоначальная полость, создаваемая взрывом в центральной части забоя, служащая для создания дополнительной свободной поверхности и облегчения последующего разрушения массива. Выбор типа вруба зависит от крепости пород, площади поперечного сечения выработки и используемого буровог�� оборудования. Число врубовых шпуров обычно варьируется от 4 до 8.

Наиболее часто используемые типы врубов:

• Веерный вруб: Шпуры располагаются по вееру, расходясь от центра к периферии забоя. Этот тип эффективен в породах средней крепости и при использовании буровых установок, способных бурить шпуры под различными углами. Он обеспечивает хорошее выбивание центральной части забоя.
• Клиновой вруб: Шпуры располагаются под углом друг к другу, формируя «клин» в центральной части забоя. Это способствует выбиванию массива в сторону клина и широко применяется в крепких породах.
• Параллельный вруб с увеличенным диаметром скважины (холостая скважина): Используются параллельные шпуры, где один или несколько из них имеют значительно больший диаметр и не заряжаются ВВ (холостая скважина). Такая скважина создает дополнительную свободную поверхность, к которой «отбивается» порода при взрыве соседних шпуров. Этот вруб особенно эффективен в крепких и очень крепких породах, обеспечивая качественное дробление и минимизируя негабарит.
• Прямой вруб: Шпуры бурятся параллельно друг другу и по оси выработки. Применяется в менее крепких породах, где достаточно простого отбойки.

Особого внимания заслуживает щелевой вруб высотой 1000 мм с последующим расширением полости четырьмя шпурами. Он демонстрирует высокие показатели эффективности в породах любой крепости и в выработках любого сечения, обеспечивая эффективное дробление породы, минимизацию выхода негабарита и высокую скорость подвигания забоя.

Шпуры, являющиеся продольными цилиндрическими углублениями глубиной до 5 м и диаметром до 75 мм, подразделяются на:

• Врубовые: Создают первоначальную полость.
• Отбойные: Расширяют полость, созданную врубом.
• Оконтуривающие: Формируют заданный контур выработки, минимизируя переборы и недоборы.

Буровое оборудование и средства взрывания

Выбор бурового оборудования напрямую зависит от горно-геологических условий, объемов работ и требуемой производительности. К основным типам относятся:

• Пневматические перфораторы: Применяются для бурения шпуров малого и среднего диаметра в крепких породах.
• Гидравлические буровые установки: Высокопроизводительные комплексы для бурения шпуров и скважин различного диаметра, широко используемые в современном горном деле.
• Буровые станки ударно-вращательного и вращательного действия: Для бурения скважин большого диаметра на открытых горных работах.
• Компрессорные станции: Обеспечивают сжатым воздухом пневматические буровые машины.
• Взрывные машины и приборы инициирования: Специализированное оборудование для подачи электрического или неэлектрического импульса, инициирующего взрыв.

Взрывной способ разрушения горных пород является универсальным и может применяться при любой крепости угля и пород, что делает его незаменимым в широком спектре горнодобывающих и строительных задач.

Инициирование зарядов и особенности их применения

Обратное инициирование заряда (размещение детонатора в дальней от устья части заряда) значительно повышает коэффициент использования шпуров на 8-15% и качество дробления породы. Это достигается за счет более полного использования энергии взрыва, поскольку продукты детонации, распространяясь от дна шпура к устью, эффективнее разрушают массив. Кроме того, обратное инициирование уменьшает разброс горной массы по выработке, что упрощает последующую погрузку и снижает риски.

При шпуровом методе взрывных работ часто применяется сплошной заряд, который полностью заполняет шпур или его заряжаемую часть без промежуточных пробок. Это обеспечивает максимальное использование энергии ВВ и равномерное распределение давления по стенкам шпура.

Для дробления негабаритов (крупных кусков горной массы, превышающих допустимые размеры) предусматривается применение накладных зарядов. Эти заряды ВВ располагаются непосредственно на поверхности негабарита и взрываются для его вторичного разрушения. Масса накладного заряда может составлять от 1 до 5 масс шпуровой части заряда при высоте накладной части заряда не менее 0,4 его диаметра.

Рыхление сезонно-мерзлых грунтов эффективно осуществляется методом скважинных зарядов, которые позволяют равномерно распределить энергию взрыва в мерзлом массиве, обеспечивая его последующее механическое разрушение.

Инновации в буровзрывных работах

Современное развитие буровзрывных работ направлено на повышение их автоматизации, точности и экологичности. Среди ключевых инновационных подходов можно выделить:

• Технологии определения положения буровых установок: Системы GPS/ГЛОНАСС и инерциальные навигационные системы позволяют с высокой точностью позиционировать буровые установки, что обеспечивает точное соблюдение проектной сетки шпуров и глубины бурения.
• Цифровое проектирование БВР: Использование специализированного программного обеспечения для моделирования взрыва, прогнозирования кусковатости и оптимизации параметров зарядов.
• Электронные системы инициирования: Позволяют управлять временем инициирования каждого заряда с высокой точностью (до миллисекунд), что дает возможность формировать оптимальные схемы взрывания для достижения требуемого дробления, минимизации сейсмического воздействия и разлета горной массы.
• Применение новых типов ВВ: Разработка более безопасных, эффективных и экологичных взрывчатых веществ, включая эмульсионные ВВ.
• Мониторинг параметров взрыва в реальном времени: Использование датчиков и сейсмографов для контроля фактических результатов взрыва и оперативной корректировки последующих операций.

Эти инновации способствуют не только повышению эффективности и производительности, но и значительному улучшению безопасности и снижению негативного воздействия БВР на окружающую среду.

Промышленная безопасность и нормативно-правовая база при буровзрывных работах

Проведение буровзрывных работ сопряжено с высоким риском и требует строжайшего соблюдения правил промышленной безопасности. В Российской Федерации эта сфера регулируется обширной нормативно-правовой базой, обеспечивающей защиту жизни и здоровья работников, а также сохранность окружающей среды и оборудования. От чего зависит успех соблюдения этих норм? От постоянного обновления знаний и неукоснительного следования инструкциям.

Федеральные нормы и правила (ФНП) и стандарты

Центральное место в системе регулирования занимают Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности (ФНП) Ростехнадзора. Ключевым документом являются «Правила безопасности при взрывных работах», которые детально регламентируют все этапы процесса: от хранения и транспортировки взрывчатых материалов (ВМ) до их использования и учета. Эти правила обязательны для изучения и неукоснительного соблюдения всеми специалистами, занятыми в буровзрывных работах, включая студентов специальностей «Шахтное и подземное строительство» и «Подземная разработка месторождений». Учебный план взрывника включает углубленное изучение этих ФНП, а также других нормативных и методических документов РФ. Актуальным документом, регулирующим требования безопасности, являются «Единые правила безопасности при взрывных работах», утвержденные Госгортехнадзором СССР 23 декабря 1988 года и переработанные представителями гостехнадзоров стран СНГ 24 марта 1992 года.

Наряду с ФНП, важную роль играют ГОСТы (государственные стандарты) и СНиПы (строительные нормы и правила), а также другие отраслевые стандарты. В частности, ВСН 178-91 «Нормы проектирования и производства буровзрывных работ при сооружении земляного полотна» является значимым нормативным документом. Он обобщает опыт проектирования и производства БВР при строительстве железных и автомобильных дорог, портов и других транспортных сооружений, а также при добыче нерудных полезных ископаемых. ВСН 178-91 содержит правила проектирования и производства взрывных работ в сложных условиях, включая городские условия, крутые косогоры, работы под водой и в северных районах. Важно отметить, что, несмотря на то что ВСН 178-91 действует, некоторые его положения на территории Российской Федерации были заменены более новыми нормативными актами, такими как ГОСТ Р 12.3.048-2002, СНиП 12-03-2001, а также положениями Земельного и Водного кодексов РФ. Это подчеркивает необходимость постоянного мониторинга актуальности нормативной базы, чтобы всегда соответствовать текущим требованиям.

Паспорт буровзрывных работ (БВР)

Ключевым документом, регламентирующим проведение конкретных буровзрывных работ, является Паспорт буровзрывных работ. Он представляет собой детальное техническое задание, которое обеспечивает безопасность и эффективность операций. Проведение горных выработок буровзрывным способом допускается только по утвержденным паспортам БВР.

Состав паспорта БВР должен включать:

• Расчет зарядов: С указанием величины зарядов, сетки их расположения, конструкции, величины забойки и перебура.
• Схема взрывания: С подробным указанием последовательности взрывания и интервалов замедления.
• Параметры бурения: Диаметр и глубина скважин/шпуров, а также общий объем буровых работ.
• Объем взрываемого блока и расчетный выход горной массы.
• Удельный расход ВВ.
• Наименование применяемых ВВ.
• Схема монтажа электровзрывной сети (при наличии).
• Расчет радиуса опасной зоны: Зоны, в пределах которой могут находиться люди и оборудование во время взрыва.
• Схема мест укрытия персонала.
• Время проветривания: Необходимое для удаления взрывных газов перед допуском людей в забой.

Паспорта БВР разрабатываются на основании детальных расчетов и, что особенно важно, результатов опытных взрываний (не менее трех), которые позволяют скорректировать теоретические параметры с учетом реальных горно-геологических условий. Утверждаются паспорта руководителем предприятия, что подчеркивает их высокую юридическую значимость.

Требования к забойке шпуров и высотам уступов

Минимальная длина забойки шпуров является критическим параметром, предотвращающим преждевременный выброс продуктов взрыва из шпура и обеспечивающим максимальное использование энергии взрыва для разрушения породы. Согласно правилам безопасности, минимальная длина забойки для всех забоечных материалов составляет:

• При глубине шпуров 0,6–1,0 м — половину глубины шпура.
• При глубине шпуров более 1 м — 0,5 м.
• При взрывании зарядов в скважинах — 1 м.

В шахтах, опасных по газу или пыли, применяются более строгие требования: при глубине шпуров 0,6-1,0 м длина забойки регламентируется как не более половины длины шпура, а при глубине шпуров более 1 м – не менее 0,5 м.

Высота вскрышного уступа при отработке скальных пород регламентируется Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности «Правила безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом» (Приказ Ростехнадзора от 10.11.2020 N 436). Согласно этим правилам, высота уступа должна определяться техническим проектом разработки месторождения. При этом учитываются:

• Результаты исследований физико-механических свойств вмещающих горных пород и угля.
• Горно-геологические и гидрогеологические условия их залегания.
• Параметры применяемого оборудования.

Для ручной разработки установлены ограничения: не более 6 м для рыхлых устойчивых плотных пород и 3 м для рыхлых неустойчивых сыпучих пород. Высота уступа для канатных экскаваторов также устанавливается проектом и не должна превышать определенных значений. Эти требования направлены на обеспечение устойчивости бортов карьера и предотвращение обрушений.

Комплексное соблюдение всех этих нормативных требований составляет основу промышленной безопасности при проведении буровзрывных работ и является обязательным условием для любого горнодобывающего или строительного предприятия.

Меры по обеспечению безопасности и действия в нештатных ситуациях

Безопасность при буровзрывных работах – это приоритет номер один. Разработка и строгое соблюдение превентивных мер, а также четкий алгоритм действий в нештатных ситуациях, являются залогом защиты персонала, оборудования и окружающей среды.

Предотвращение отказов и ликвидация отказавших зарядов

Отказ заряда – это ситуация, когда взрывчатое вещество не детонировало полностью или частично по какой-либо причине. Это представляет серьезную опасность, поскольку невзорвавшийся заряд может инициироваться случайно при дальнейших работах. В пояснительной записке курсового проекта обязательно должны быть представлены мероприятия по обнаружению и ликвидации отказавших зарядов.

Типовые мероприятия включают:

• Тщательный осмотр забоя после взрыва: Опытный взрывник должен визуально оценить состояние забоя, наличие невзорвавшихся патронов или их частей, а также характер разрушения породы, который может указывать на отказ.
• Использование специальных инструментов: Применяются металлоискатели, щупы и другие приборы для обнаружения остатков ВВ или средств инициирования в массиве.
• Бурение дополнительных шпуров параллельно отказавшему заряду: Это наиболее распространенный и безопасный метод ликвидации отказавшего заряда. Дополнительный шпур бурится на определенном расстоянии от отказавшегося, заряжается ВВ и взрывается, инициируя тем самым и отказавший заряд.
• Извлечение отказавшего заряда: Допускается только в исключительных случаях и под строгим контролем, с использованием специализированных инструментов и при соблюдении максимальных мер предосторожности.

Важно, чтобы все действия по ликвидации отказов проводились строго в соответствии с утвержденными инструкциями и под руководством ответственного лица.

Специфика БВР в опасных условиях

Особые требования предъявляются к буровзрывным работам в шахтах, опасных по газу (метан) и/или угольной пыли. Шахты считаются опасными по газу и пыли при наличии выделений метана, превышающих установленные нормативные концентрации (например, 0,5% в исходящей струе или 1% в отдельных выработках), и/или при наличии взрывчатой угольной пыли.

В таких условиях:

• Применяются предохранительные ВВ: Это специальные взрывчатые вещества, разработанные для снижения температуры и длительности пламени взрыва, что уменьшает вероятность воспламенения метановоздушной смеси и угольной пыли. Плотность заряда таких ВВ обычно составляет 1000-1150 кг/м³ (1,0-1,15 г/см³).
• Используются сплошные заряды: В отличие от рассредоточенных, сплошные заряды обеспечивают более предсказуемый и контролируемый взрыв.
• Применяется прямое инициирование: Размещение детонатора в части заряда, ближайшей к устью шпура. На шахтах, опасных по газу и пыли, это способствует снижению вероятности воспламенения метановоздушной смеси или угольной пыли, так как продукты взрыва быстрее охлаждаются при выходе из шпура. В неопасных шахтах может применяться обратное инициирование, как более эффективное с точки зрения качества дробления.

Защита охраняемых объектов и минимизация вредных воздействий

При проведении БВР, особенно вблизи населенных пунктов, инженерных сооружений или других охраняемых объектов, необходимо проектировать и применять безопасную технологию, направленную на минимизацию вредных эффектов взрыва.

Это включает:

• Выбор рациональных параметров БВР: Оптимизация массы зарядов, сетки шпуров, схемы инициирования для снижения интенсивности сейсмических волн и ударных воздушных волн.
• Прогноз воздействия сейсмических и ударных воздушных волн: Моделирование распространения волн и расчет их максимальных значений в точках расположения охраняемых объектов. Допустимые уровни сейсмического воздействия на охраняемые объекты регламентируются нормативными документами и обычно выражаются в максимально допустимой скорости колебаний частиц грунта. Например, для жилых зданий эта скорость может составлять 5-10 см/с, а для особо чувствительных сооружений — 2-3 см/с.
• Прогноз дальности разлета кусков: Расчет максимальной дальности разлета осколков породы и установка безопасных расстояний, ограждений или защитных сооружений.
• Разработка мероприятий по снижению вредных эффектов:
  • Короткозамедленное взрывание: Применение систем инициирования с малыми интервалами замедления (не менее 50 мс) между зарядами или группами зарядов. Это позволяет снизить пиковые сейсмические нагрузки, разбивая общий взрыв на серию последовательных микро-взрывов.
  • Взрывание контурных шпуров до взрывания основных зарядов: Это позволяет создать свободную поверхность по контуру выработки, уменьшая сейсмическое воздействие от последующих основных зарядов и обеспечивая более точный контур.
  • Применение демпфирующих (разгрузочных) шпуров: Незаряженные или частично заряженные шпуры, которые служат для поглощения или перераспределения энергии взрыва.
  • ��крытие поверхностей: Защита зданий и сооружений с помощью специальных материалов, сеток или обвалований.

Все эти меры, наряду с высокими техническими требованиями, предъявляемыми к БВР на открытых горных разработках, направлены на комплексное обеспечение безопасности персонала, сохранение инфраструктуры и минимизацию негативного воздействия на окружающую среду.

Экологические аспекты и снижение негативного воздействия буровзрывных работ

Буровзрывные работы, являясь мощным инструментом преобразования земной коры, несут в себе потенциал значительного воздействия на окружающую среду. Поэтому неотъемлемой частью их проектирования и проведения является оценка и минимизация экологических рисков.

Виды экологических воздействий

Взрывы, особенно крупномасштабные, генерируют различные виды воздействий, которые могут быть вредны для окружающей среды и объектов инфраструктуры:

• Сейсмические воздействия: Распространение упругих волн по массиву горных пород, вызывающих колебания грунта и сооружений. Интенсивность этих колебаний зависит от массы ВВ, расстояния до объекта, свойств среды и схемы взрывания. Высокие сейсмические нагрузки могут привести к повреждению зданий, обрушению неустойчивых склонов и нарушению гидрогеологического режима.
• Ударные воздушные волны: Распространение волн давления в атмосфере, вызванных взрывом. Они могут создавать значительные звуковые эффекты (шум, инфразвук), а при большой интенсивности – повреждать оконные стекла, крыши и легкие конструкции.
• Гидравлические воздействия: При взрывах под водой или в обводненных породах возникают гидравлические удары, которые могут негативно влиять на водную фауну, донные отложения и гидротехнические сооружения.
• Разлет осколков: Неконтролируемый выброс кусков породы на значительные расстояния может представлять прямую угрозу для людей, техники и окружающей инфраструктуры.
• Выброс взрывных газов и пыли: Продукты детонации ВВ содержат токсичные компоненты (оксиды азота, оксид углерода и др.), а также мелкие частицы пыли, которые могут загрязнять атмосферу и почву.

Методы снижения негативного воздействия

Эффективное снижение экологического воздействия БВР требует комплексного подхода и тщательной адаптации технологий к конкретным условиям:

• Методический подход к адаптации БВР с учетом затухания сейсмовзрывных колебаний: Этот подход учитывает, что степень затухания сейсмовзрывных колебаний зависит от горно-геологических условий, типа ВВ, направления инициирования и расстояния до охраняемого объекта. Адаптация параметров БВР (например, применение короткозамедленного взрывания, рассредоточенных зарядов или специальных схем инициирования) позволяет минимизировать воздействие на устойчивость бортов карьера и окружающую среду. Использование математического моделирования и сейсмического мониторинга помогает прогнозировать и контролировать распространение колебаний.
• Оптимизация параметров взрыва:
  • Короткозамедленное взрывание: Распределение общей массы ВВ на множество мелких зарядов, взрывающихся с очень короткими интервалами, значительно снижает пиковую сейсмическую нагрузку и интенсивность ударной воздушной волны.
  • Рассредоточенные заряды: Создание воздушных или инертных промежутков в заряде ВВ, что изменяет характер распространения взрывной волны и может снижать сейсмическое воздействие.
  • Уменьшение удельного расхода ВВ: Применение ВВ с более высокой работоспособностью или оптимизация сетки шпуров позволяет использовать меньшее количество взрывчатки для достижения того же эффекта.
• Применение технологий, обеспечивающих сохранность окружающей среды при образовании откосов выемок:
  • Контурное взрывание: Специальные схемы взрывания (например, с применением предуступных или оконтуривающих шпуров с рассредоточенными зарядами меньшей мощности) позволяют создать четкий, устойчивый откос без излишнего разрушения массива за его пределами. Это минимизирует разупрочнение массива и предотвращает образование трещин, что важно для долгосрочной устойчивости бортов карьера.
  • Защитные бермы и экраны: Использование насыпей, валов или специальных сеток для улавливания разлетающихся осколков.
  • Водные завесы: Распыление воды в момент взрыва для снижения пылеобразования и ослабления ударной воздушной волны.
  • Рекультивация и восстановление: После завершения работ проводятся мероприятия по восстановлению нарушенных земель, включая озеленение и создание новых экосистем.

Для оценки и контроля сейсмических, воздушных и гидравлических воздействий, а также разлета осколков, применяются различные методики, включающие мониторинг, математическое моделирование и использование коэффициентов затухания. Комплексный подход к этим вопросам позволяет проводить буровзрывные работы не только эффективно, но и с минимальным вредом для природы. При этом всегда следует помнить: несет ли выбранная методика максимальную пользу для окружающей среды, или есть возможность сделать еще лучше?

Экономическая эффективность и оптимизация буровзрывных работ

Экономическая эффективность буровзрывных работ является одним из ключевых факторов, определяющих рентабельность любого горнодобывающего или строительного проекта. Оптимизация БВР позволяет значительно сократить затраты и повысить общую производительность, не ущемляя при этом безопасность и качество, что делает её критически важной для современного производства.

Показатели эффективности и возможности оптимизации

Целью методики расчета параметров взрывной отбойки является не только обеспечение требуемой степени дробления пород, но и минимизация затрат. Существует несколько направлений для повышения экономической эффективности:

1. Сокращение расхода ВВ: За счет более точного расчета параметров зарядов, выбора оптимального типа ВВ и применения современных схем инициирования (например, обратного инициирования) возможно сократить удельный расход взрывчатых веществ до 7,2%. Это напрямую снижает одну из самых значительных статей затрат.
2. Увеличение коэффициента использования шпуров (КИШ): Этот показатель характеризует долю шпуров, эффективно сработавших и внесших вклад в разрушение массива. Оптимизация БВР может увеличить КИШ с 0,75 до 0,90. Высокий КИШ означает, что энергия взрыва используется максимально эффективно, что приводит к лучшему дроблению и меньшему выходу негабарита, а также сокращает необходимость в повторном бурении и взрывании.
3. Оптимизация высоты уступов: Увеличение высоты вскрышных или добычных уступов на открытых горных работах приводит к ряду значимых экономических преимуществ:
   • Уменьшение текущего коэффициента вскрыши: Меньший объем вскрыши на единицу добытого полезного ископаемого.
   • Сокращение числа транспортных горизонтов: Уменьшение длины транспортных путей и снижение затрат на их обслуживание, а также на топливо для карьерного транспорта.
   • Снижение себестоимости добычи: Все вышеперечисленные факторы в совокупности приводят к существенному снижению эксплуатационных расходов.

   При этом критически важно обеспечивать устойчивость рабочих бортов, что требует тщательных геотехнических расчетов и соблюдения правил безопасности.

4. Улучшение качества дробления горной массы: Оптимальное дробление снижает затраты на последующие процессы – погрузку, транспортировку и переработку (дробление, измельчение). Меньший выход негабарита сокращает потребность в его вторичном разрушении, экономя время и ресурсы.

Технико-экономическая оценка проекта

В рамках курсового проекта по проектированию взрывных работ технико-экономическая оценка полученных результатов является обязательным и завершающим этапом. Она включает:

• Сравнение расчетных параметров с существующими нормативами и лучшими практиками.
• Оценку капитальных и эксплуатационных затрат: На буровое оборудование, взрывчатые вещества, средства инициирования, рабочую силу.
• Расчет ожидаемой производительности: Объем взорванной горной массы, скорость проходки, качество дробления.
• Анализ экономической эффективности: Расчет себестоимости 1 м³ (или 1 тонны) взорванной горной массы, окупаемости инвестиций, потенциальной экономии за счет оптимизации.
• Оценку рисков: Технические, экологические и экономические риски, связанные с реализацией проекта.

Таблица 1: Пример оптимизации параметров БВР и их экономический эффект

Показатель	До оптимизации	После оптимизации	Эффект/Комментарий
Удельный расход ВВ, кг/м³	0,70	0,65	Сокращение расхода на ~7,1% (за счет точного расчета и выбора ВВ)
Коэффициент использования шпуров	0,78	0,85	Увеличение на ~9% (за счет обратного инициирования и оптимизации сетки)
Выход негабарита, %	15	10	Снижение на 5 процентных пунктов (меньше затрат на вторичное дробление)
Высота уступа, м	15	20	Увеличение (снижение числа горизонтов, экономия на транспортировке)
Затраты на 1 м³ отбойки, руб.	X	X — 10%	Общая экономия за счет снижения расхода ВВ, лучшего дробления и т.д.
Время проходческого цикла, %	60	40	Сокращение на 20% (за счет оптимальных параметров и минимизации простоев)

Примечание: Приведенные значения являются гипотетическими примерами для иллюстрации принципов оптимизации.

Важно помнить, что буровзрывной комплекс работ занимает значительную долю общего времени проходческого цикла (от 30% до 60%), поэтому даже небольшие улучшения в этой сфере могут привести к существенному повышению общей эффективности и снижению себестоимости продукции. Интеграция технико-экономической оценки позволяет не только подтвердить целесообразность выбранных решений, но и выявить дальнейшие возможности для совершенствования и оптимизации.

Заключение

Буровзрывные работы, являясь одной из наиболее динамичных и ответственных сфер горнодобывающей и строительной индустрии, требуют глубоких теоретических знаний, точности в расчетах и неукоснительного соблюдения нормативных требований. Проведенное исследование позволило всесторонне рассмотреть ключевые аспекты этой дисциплины, достигнув поставленных целей курсовой работы.

Мы детально изучили теоретические основы разрушения горных пород взрывом, погрузившись в мир физико-механических свойств пород, их классификаций по крепости, буримости и взрываемости, а также фундаментального закона подобия и формирования зон разрушения. Это позволило понять, как особенности массива диктуют выбор ВВ и методики взрывания, а также какие факторы имеют решающее значение для успешного исхода.

Особое внимание было уделено методикам расчета параметров буровзрывных работ. От формул для сосредоточенных зарядов ВВ (таких как Q = ω³ / K и q_н = 0,0007 ⋅ ρ_ср С.А. Давыдова) до комплексного расчета шпуровых зарядов по Н.М. Покровскому (q = q₁ ⋅ f₀ ⋅ V ⋅ J), включая определение коэффициентов нагрузки, заряжания, зажима и работоспособности ВВ. Были рассмотрены критически важные аспекты выбора типа ВВ и оценки качества дробления, в том числе прорабатываемости подошвы уступа.

Анализ современных технологий и оборудования выявил разнообразие видов врубов (веерный, клиновой, параллельный, прямой) и их специфику применения, а также роль обратного инициирования в повышении эффективности и безопасности. Были затронуты методы дробления негабаритов и рыхления мерзлых грунтов, что подчеркивает универсальность БВР.

Исследование промышленной безопасности и нормативно-правовой базы Российской Федерации стало одним из центральных блоков работы. Мы подробно рассмотрели требования ФНП «Правила безопасности при взрывных работах» Ростехнадзора, значимость ВСН 178-91, а также обязательный состав и порядок утверждения паспортов БВР. Детализированные требования к забойке шпуров и высотам уступов были представлены с учетом актуальных нормативных документов, включая Приказ Ростехнадзора N 436.

Были сформулированы конкретные меры по обеспечению безопасности, включая мероприятия по предотвращению и ликвидации отказавших зарядов, а также специфику БВР в опасных по газу и пыли шахтах. Вопросы защиты охраняемых объектов и минимизации вредных воздействий (сейсмических, ударно-воздушных, разлета осколков) были проанализированы с учетом современных подходов и технологий.

Наконец, мы оценили экономическую эффективность буровзрывных работ, выявив ключевые направления оптимизации, такие как сокращение расхода ВВ (до 7,2%), увеличение коэффициента использования шпуров (до 0,90) и влияние высоты уступов на себестоимость добычи. Важность технико-экономической оценки в рамках курсового проекта была подчеркнута как инструмент подтверждения рациональности принятых решений.

Практическая значимость данного исследования заключается в предоставлении структурированного, детализированного и актуального материала, который может служить надежной базой для студентов технических вузов при подготовке курсовых работ, дипломных проектов, а также для молодых специалистов, начинающих свою деятельность в горнодобывающей и строительной отраслях. Перспективы дальнейшего развития буровзрывных технологий связаны с углублением автоматизации, внедрением систем искусственного интеллекта для прогнозирования результатов взрыва, разработкой новых поколений ВВ с улучшенными экологическими характеристиками и повышением точности систем инициирования, что позволит сделать БВР еще более безопасными, эффективными и устойчивыми.

Список использованной литературы

1. Друкованый, М.Ф. и др. Справочник по буровзрывным работам. Москва: Недра, 1976.
2. Авдеев, А.Ф. Нормативный справочник по буровзрывным работам. Москва: Недра, 1986.
3. Пустовойтенко, И.П., Сельващук, А.П. Справочник мастера по сложным буровым работам. Москва: Стройиздат, 1983.
4. Мангуш, С.К. Справочник по буровзрывным работам на подземных горных выработках. Москва, 2003.
5. ПБ 13-407-01 «Единые правила безопасности при взрывных работах».
6. Классификация горных пород по крепости и буримости. Союз горных инженеров. URL: https://unionofminers.ru/biblioteka/gornoe-delo/klassifikaciya-gornykh-porod-po-kreposti-i-burimosti (дата обращения: 28.10.2025).
7. Методика расчета параметров буровзрывных работ при проходке горизонтальных и наклонных горных выработок. СФУ. URL: http://files.lib.sfu-kras.ru/docs/14_11/20_3.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
8. Обоснование удельного расхода взрывчатых веществ с различными энергетическими и детонационными характеристиками. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obosnovanie-udelnogo-rashoda-vzryvchatyh-veschestv-s-razlichnymi-energeticheskimi-i-detonatsionnymi-harakteristikami (дата обращения: 28.10.2025).
9. Расчет зарядов взрывчатых веществ и технология взрывных работ. Studme.org. URL: https://studme.org/168478/gornaya_promyshlennost/raschet_zaryadov_vzryvchatyh_veschestv_tehnologiya_vzryvnyh_rabot (дата обращения: 28.10.2025).
10. Классификация горных пород по взрываемости (с технологическим комментарием). Тульский Государственный Университет. URL: https://elibrary.tversu.ru/text/7488.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
11. Буровзрывные работы. Геологический портал GeoKniga. URL: https://geokniga.org/bookfiles/geokniga-burvzryv.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
12. Классификация горных пород по степени связности и буровой инструмент для них. URL: https://www.mining-enc.ru/klassifikaciya-gornykh-porod-po-stepeni-svyaznosti-i-bur/. (дата обращения: 28.10.2025).
13. Рациональные параметры при буровзрывных работах. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ratsionalnye-parametry-pri-burovzryvnyh-rabotah (дата обращения: 28.10.2025).
14. Проектирование взрывных работ. Санкт-Петербургский горный университет. URL: https://studfile.net/preview/17228742/page:3/ (дата обращения: 28.10.2025).
15. Методологические основы адаптации параметров буровзрывных работ к изменяющимся горно-геологическим условиям при разработке сложноструктурных месторождений. URL: https://www.dissercat.com/content/metodologicheskie-osnovy-adaptatsii-parametrov-burovzryvnykh-rabot-k-izmenyayushchimsya-go (дата обращения: 28.10.2025).
16. Расчет паспорта буровзрывных работ на угольных шахтах. Горное дело. URL: https://mining-enc.ru/upload/iblock/c34/c3453b3b24f46990d0b7d7f262804b4d.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
17. Определение удельного расхода ВВ и его проверка. URL: https://knowledge.allbest.ru/manufacture/2c0b65625a3ad68b5d53b89421216d27_0.html (дата обращения: 28.10.2025).
18. Политехническая библиотека. URL: https://lib.tpu.ru/fulltext/c/2021/C10/017.pdf (дата обращения: 28.10.2025).
19. Нормы ВСН 178-91. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200007887 (дата обращения: 28.10.2025).
20. Взрывные работы. 2-е изд. Учебник для вузов. Шмурыгин В.А. URL: https://avidreaders.ru/read/vzryvnye-raboty-2-e-izd-uchebnik-dlya.html (дата обращения: 28.10.2025).
21. Расчет параметров буровзрывных работ. URL: https://vunivere.ru/work31968/page3 (дата обращения: 28.10.2025).
22. Параметры буровзрывных работ при разработке вскрышных пород высоких. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42701463 (дата обращения: 28.10.2025).
23. Негосударственное частное образовательное учреждение высшего образования. Технический университет УГМК. URL: https://s-ntr.ru/upload/pdf/2019/31.05.2019/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%BD.pdf (дата обращения: 28.10.2025).