CC BY
78
УДК 622.235
А. И. Копытов, В. В. Першин, Ю. А. Масаев
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БЕЗОПАСНОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ КУЗБАССА
Разработка рудных месторождений в значительной степени отличается от угольных месторождений, как по условиям залегания рудных тел и физико-механическим свойствам вмещающих пород, так и по технологичности их выемки.
Значимость добычи, в частности железосодержащих руд, как в нашей стране, так и в зарубежных странах очень велика и масштаб их запасов в земной коре весьма огромен.
В нашей стране прогнозные запасы железных руд по состоянию на 1 января 1991 г. составляли 256,3 млрд. т, из них богатых со средним содержанием железа 57-58 % - 33 млрд. т.
В Кузбассе по состоянию на 01.01.2003 г. прогнозные запасы железных руд составили 3240
млн. т, а балансовые запасы на 01.01.2006 г. составляли по категориям А + В + С1 - 938,6 млн. т, а по категории С2 - 517,6 млн. т. В южной части области разведано десять месторождений, состоящих из пяти групп (районов): Кондомский (Ше-регешевское, Таштагольское, Кочуринское); Тель-бесский (Сухаринское, Самарское, Кедровское, Казское); Терсинский (Лавреновское); Тайдонский (Ампалыкское); Ташелгино-Майзасский (Ташел-гинское).
Балансовые запасы данных месторождений по состоянию на 01.01.2006 г. приведены в табл. 1
Разработка рудных месторождений по сравнению с угольными месторождениями имеет весьма существенные отличия.
Таблица 1. Балансовые запасы рудных месторождений Кузбасса
№ п/п Месторождения Категория запасов, количество, млн. т Содержание железа, %
1 Шерегешевское А + В + С1 - 158,7 С2 - 14,5 35,83
2 Т аштагольское А + В + С1 - 424,1 С2 - 296,5 45,47
3 Кочуринское А + В + С1 - 59,1 С2 - 25,4 41,11
4 Сухаринское В + С! - 2,8 С2 - 0,08 45,8
5 Кедровское В + С! - 4,0 ,4 0, 1 2 С2 32,4
6 Самарское В + С! - 3,7 С2 - 1,1 44,2
7 Казское А + В + С! - 63,9 С2 - 25,4 42,2
8 Ампальское В + С! - 181,9 С2 - 20,1 33,1
9 Лавреновское С - 17,9 С2 - 50,2 43,2
10 Ташелгинское В + С! - 65,6 2, 1 2 С2 33,71
ИТОГО 981,7 435,78
ВСЕГО А + В + С1 + С2 - 1417,48
Рис. 1. Схема отбойки блока в этаже с пучками сближенных зарядов: 1 - вертикальный концентрированный заряд ВВ; 2 - пучки сближенных скважин; 3 - откаточные выработки а - вертикальный поперечный разрез; б - вертикальный продольный разрез
б
Рис. 2. Конструкция скважинного заряда с боевиком (СИНВ-Ш), установленным в устье скважины: 1 - ДШ; 2 - соединитель волновода с ДШ; 3 - парашют; 4 - СИНВ-Ш; 5 - аммонит № 6ЖВ (патро-нированный); 6 - гранулированное ВВ; 7 - нить ДШ; 8 - шлам или буровая мелочь; 9 - пыж; а - при длине скважин I < 15,0; б - при длине скважин I > 15,0
На протяжении многих лет распространенными при разработке рудных залежей являются системы подэтажных штреков и подэтажного обрушения, при которых отбойка руды осуществляется зарядами ВВ размещаемыми в пробуренных из подэтажных штреков веерных скважинах.
В этом случае расстояние между скважинами обычно принимается равным линии наименьшего сопротивления, определяемой в зависимости от диаметра зарядов ВВ, концентрации энергии ВВ, физико-механических свойств вмещающих пород и др. Размещение взрывчатого вещества в скважинах производится обычно с недозарядом, равным, примерно, величине линии наименьшего сопротивления, взрывание зарядов ВВ веера произво-
дится одновременно с интервалами замедления 15-50 мс. При таком методе удельный заряд ВВ в зависимости от горногеологических условий составляет 0,8-1,6 кг/м3, выход негабарита при кондиционном куске 400 м, составляет 10-15 %, что требует дополнительного дробления с удельным расходом ВВ в пределах 0,1-0,5 кг/м3.
Применение веерных скважин характеризуется переменным расстоянием между скважинами в плоскости веера, что создает неравномерное распределение энергии при взрыве зарядов ВВ в отбиваемом слое и повышенную концентрацию в зоне, прилегающей к буровой выработке. Такое положение приводит к ряду отрицательных явлений:
1) преждевременному разрушению устьевых частей скважин веера, снижающему общее действие взрыва;
2) переизмельчению руды в устьевых частях скважин и некачественному дроблению в концевых частях веера;
3) нарушению скважин и переуплотнению зарядов ВВ в соседнем веере;
4) плохому оформлению бортов камер;
5) завалу буровых выработок разрушенной горной массой;
6) повышенному сейсмическому воздействию взрыва.
Переход на более глубокие горизонты сопровождается ростом величины и нерав-номерности сжимающих объемных напряжений в зоне очистных работ, что требует повышения энергоемкости отбойки и дробления пород, а это приводит к повышению затрат на буровзрывные работы и увеличению удельного расхода ВВ.
Условия отработки рудных месторождений Кузбасса затрудняются тем, что вмещающие породы имеют коэффициент крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова / = 12-20, а иногда и более. Кроме того, породы имеют повышенную вязкость и упругость и подвержены геодина-мическим проявлениям. Подобные условия предопределяют изыскивать новые подходы к совершенствованию технологии проведения горных выработок и отработки рудных залежей и, в частности, совершенствованию буровзрывных работ, которые имеют очень важное значение.
Учеными институтов ВостНИГРИ, ИГД СО РАН, СибГУ, КузГТУ совместно со специалистами предприятий НПО «Сибруда» (сейчас ОАО
«Евразруда») была разработана система разработки непрерывного этажно-принудительного обрушения отбойкой рудных залежей параллельно-сближенными пучковыми скважинными зарядами (рис. 1). Данная система позволила значительно улучшить технико-экономические показатели за счет повышения качества дробления горной массы, уменьшения объема подготовительнонарезных работ. При этом упростился процесс бурения скважин, что сократило число перестановок буровых станков и за счет этого было достигнуто увеличение производительности бурения скважин. При данной технологии упростилась схема монтажа взрывной сети, значительно уменьшилось количество используемых средств взрывания при одновременном повышении надежности и эффективности взрывания.
В настоящее время при производстве взрываний любого назначения широко применяется система инициирования неэлектрического взрывания -СИНВ-Ш («Искра»), обеспечивающая высокую технологичность в установке и простоту монтажа взрывной сети. Инициирование волноводов осуществляется с помощью электродетонаторов.
При комбинированном способе взрывания капсюль-детонатор ударно-волновой трубки (УВТ) вводится в патрон аммонита 6ЖВ и помещается в основной заряд (рис. 2).
Затем по выработке вдоль заряжаемых скважин прокладываются две магистральные нити детонирующего шнура (основная и дублирующая), к которым с помощью специальных соединителей подсоединяются УВТ. Характеристика и время замедления используемых СИНВ-Ш приведены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристика применяемых СИНВ-Ш
Условное наименование устройства № серии замедле- ния Номинальное время замедления, мс Среднее квадратичное отклонение времени замедления, мс Цвет маркировки капсюля-детонатора Высота окраски, мм
СИНВ-Ш-К-0 0 0 - Без окраски
СИНВ-Ш-К-25 1К 25 2,0 Черный
СИНВ-Ш-К-50 2К 50 2,5 Желтый
СИНВ-Ш-К-75 3К 75 3,5 Зеленый 5-2
СИНВ-Ш-К-100 4К 100 3,5 Белый
СИНВ-Ш-К-125 5К 125 4,0 Синий
СИНВ-Ш-К-150 6К 150 5,0 Черный
СИНВ-Ш-К-175 7К 175 5,5 Красный
СИНВ-Ш-К-200 8К 200 6,0 Желтый
СИНВ-Ш-К-225 9К 225 6,0 Серый 10-2
СИНВ-Ш-К-250 10К 250 6,5 Зеленый
СИНВ-Ш-К-300 11К 300 7,5 Белый
СИНВ-Ш-К-350 12К 350 8,5 Синий
СИНВ-Ш-К-400 13К 400 9,5 Черный
СИНВ-Ш-К-450 14К 450 10,5 Красный 15-2
СИНВ-Ш-К-500 15К 500 10,5 Желтый
СИНВ-Ш-С-25 1С 25 2,0 Черный 5-2
СИНВ-Ш-С-100 4С 100 3,5 Белый
СИНВ-Ш-С-200 8С 200 6,0 Желтый 10-2
Условное наименование устройства № серии замедле- ния Номинальное время замедления, мс Среднее квадратичное отклонение времени замедления, мс Цвет маркировки капсюля-детонатора =д к о О 5 а ^ | й & и ё
СИНВ-Ш-С-300 11С 300 7,5 Белый
СИНВ-Ш-С-400 13С 400 9,5 Черный
СИНВ-Ш-С-500 15С 500 10,5 Желтый
СИНВ-Ш-С-600 16С 600 12,0 Зеленый 15-2
СИНВ-Ш-С-700 17С 700 15,0 Белый
СИНВ-Ш-С-800 18С 800 20,0 Синий
СИНВ-Ш-С-900 19С 900 25,0 Черный
СИНВ-Ш-С-1000 20С 1000 30,0 Красный
СИНВ-Ш-С-1250 СИНВ-Ш-С-1500 21С 22С 1250 1500 62,0 62,0 Желтый Зеленый 20.2
СИНВ-Ш-С-1750 23С 1750 62,0 Белый
СИНВ-Ш-С-2000 24С 2000 62,0 Синий
СИНВ-Ш-С-2250 25С 2250 62,0 Черный 25-2
СИНВ-Ш-С-2500 26С 2500 90,0 Красный
СИНВ-Ш-Д-25 1Д 25 2,0 Черный 5-2
СИНВ-Ш-Д-500 15Д 500 10,5 Желтый
СИНВ-Ш-Д-1000 20Д 1000 30,0 Красный
СИНВ-Ш-Д-1500 22Д 1500 62,0 Зеленый 20-2
СИНВ-Ш-Д-2000 24Д 2000 62,0 Синий
СИНВ-Ш-Д-2500 26Д 2500 90,0 Красный
СИНВ-Ш-Д-3000 27Д 3000 120,0 Желтый
СИНВ-Ш-Д-3500 28Д 3500 120,0 Зеленый 5- 2
СИНВ-Ш-Д-4000 29Д 4000 120,0 Белый
СИНВ-Ш-Д-4500 30Д 4500 120,0 Синий
СИНВ-Ш-Д-5000 31Д 5000 190,0 Черный
СИНВ-Ш-Д-6000 32Д 6000 240,0 Красный
СИНВ-Ш-Д-7000 33Д 7000 240,0 Желтый 5- т
СИНВ-Ш-Д-8000 34Д 8000 240,0 Зеленый
СИНВ-Ш-Д-9000 35Д 9000 240,0 Белый
СИНВ-Ш-Д-10000 36Д 10000 370,0 Синий
*Примечание: Время замедления, указанное в таблице соответствует устройствам при длине волновода 4,0±0,5 м; К, С, Д - индексы, указывающие на интервалы между номинальными временами срабатывания; 25 и 50 мс для устройств с индексом К, 100 и 250 мс для устройством с индексом С, 500 и 10000 мс для устройств с индексом Д; длина волновода устройства составляет 2, 4, 7, 10, 16 м с погрешностью ±5 %, по согласованию с потребителем может выпускаться другая длина волновода.
Таблица 3. Характеристика взрывной станции ВСВТ-1
Параметры Показатели
Напряжение трехфазной питающей сети, В 380
Частота, Гц 50
Номинальное выпрямленное напряжение, В 513
Схема выпрямления Трехфазная-мостовая
Номинальный выпрямленный ток, А 100
Максимально допустимое число последовательно соединенных электродетонаторов в группе, шт. 100
Число параллельных взрываемых электродетонаторов в сети До 2000
Сопротивление нагрузочного реостата, Ом 2,2-2750
Исполнение Рудничное, нормальное
Размеры станции, мм 800 х 720 х 1120
¿¡г, аи их лг/ аж да те юг му штаг лаг ¡гг *ж /л-
а б
Рис. 3. Конструкция вертикальных концентрированных зарядов ВВ:
1 - восстающая выработка; 2, 3 - верхняя и нижняя подводящие выработки;4 - породная забойка; 5 -коммутационные скважины; 7 - граммонит М2;8 - промежуточный детонатор; 9 - игданит; 10 -ДШ; 11 - аммонит 6ЖВ;12 - магистральные провода; 13 - воздушный промежуток; 14 - боевик;
15 - скважина с боевиком и ВВ;а - со сплошной колонкой ВВ и воздушным промежутком; б - со сплошной колонкой ВВ с инициированием из дополнительной скважины
4 2 3
Рис. 4. Схема расположения и взрывания пучковых зарядов ВВ при отбойке блока с формированием отбиваемого массива по синусоиде:1 - компенсационные камеры: 2 - зажимающая среда; 3 - пучки скважинных зарядов;4 - ослабляющие полости; 5 - массив блока синусоидальной формы; 0... V - очередность взрывания; сттах - максимальные сжимающие напряжения
В качестве источников тока при электрическом взрывании применяются взрывные приборы типа КВП-1/100м, ВМК-500, КПМ-3, но в последнее время находят применение взрывные станции выпрямленного тока ВСВТ-1, характеристика которой приведена в табл. 3.
В последние годы на рудных шахтах в системе
этажно-принудительного обрушения начали широко применять технологию отбойки блоков на всю высоту этажа вертикально-концентрированными зарядами (ВКЗ) в сочетании с пучковыми скважинными зарядами ВВ.
В этом случае заряды ВВ размещают в восстающих выработках, пройденных на всю высоту эта-
жа секционным взрыванием глубоких скважин. Нижняя часть восстающей выработки имеет сопряжение с выработкой горизонта подсечки для выпуска отбитой горной массы в процессе проведения горной выработки. Пространство, предназначенное для размещения заряда ВВ, изолируется от окружающих выработок в нижней части - разрушенной горной массой, а в верхней части - оставленным породным целиком (рис. 3).
Одним из условий конструктивного выполнения зарядов является равномерное распределение ВВ по высоте отрабатываемого блока, для чего объем и сечение зарядной полости должны соответствовать количеству размещаемого заряда ВВ.
Оптимальная масса ВВ при этой технологии составляет 20-25 т и площадь поперечного сечения восстающей выработки при высоте заряда 40-45 м должна составлять 0,5-0,6 м2. Практически же при проходке восстающих выработок буровзрывным способом размер сечения выработки превышает проектную величину на 20-50 % и в этом случае заряды ВВ рассредотачивают инертными промежутками.
В том случае, когда объем зарядной полости не превышает проектный на 10-15 %, то в верхней части заряда оставляют воздушный промежуток. Если высота воздушного промежутка превышает 2 м, то для исключения повреждения взрывной сети от падающих кусков породы с поверхности выработки в воздушном промежутке, предусматривается дополнительное инициирование через наклонную скважину в которую засыпают рассыпной аммонит 6ЖВ выше уровня входа скважины в зарядную полость и в скважине размещают боевик.
При массовых взрывах в крепких, упругих горных породах особое внимание необходимо уделять снижению сейсмического воздействия на породный массив, которое может провоцировать проявления горных ударов и даже землетрясений.
С этой целью при отбойке горного массива
зарядами ВКЗ, когда масса взрываемых зарядов достигает нескольких десятков тонн, рекомендовано располагать их в центральном ряду блока и взрывать их после взрыва пучковых скважинных зарядов последними сериями замедления.
В этом случае перед взрыванием зарядов ВКЗ вокруг их образуется массив, ограниченный со всех сторон свободными поверхностями, которые существенно снижают сейсмическое воздействие мощных концентрированных зарядов ВВ на окружающий массив и выработки.
При массовом обрушении блоков (панелей) в условиях интенсивного горного давления необходимо предусматривать такие схемы взрывания, которые обеспечивают перераспре-деление сжимающих напряжений с образованием растягивающих напряжений, способствующих лучшему разрушению горной массы.
С этой целью в ВостНИГРИ была разработана и опробована синусоидальная схема взрывания (рис. 4).
В этом случае панель блока взрывается на зажимающую среду и компенсационные камеры. Сжимающие напряжения, образующиеся на торцах блока в «развальном» ряду воздействуя на «синусоидальный» массив способствуют образованию растягивающих напряжений, что обеспечивает более высокую эффективность дробления за счет использования энергии горного давления на разрушение, а также снижению сейсмических воздействий.
Применение технологии отбойки горного массива заряда ВКЗ обеспечивает высокую экономическую эффективность за счет уменьшения объема проведения подготовительно-нарезных горных выработок, значительного сокращения объема бурения скважин до 2,0-2,5 тыс. м скважин на одни заряд ВКЗ и, в конечном итоге, за счет сокращения сроков подготовки блоков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Машуков, И. В. Рациональные конструкции вертикальных концентрированных зарядов при взрывной отбойке / И. В. Машуков [и др.] // Физические проблемы разрушения горных пород. Сб. тр. III Междунар. науч. конференции 9-14 сентября 2002 г. - Абаза (Хакасия) : Новосибирск, «Наука», 2003. С. 135-137.
2. Викторов, С. Д. Технология крупномасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Сибири / С. Д. Викторов [и др.]. - Новосибирск, «Наука», 2005. - 212 с.
□ Авторы статьи:
Масаев Юрий Алексеевич, канд. техн. наук, проф. каф. «Строительство подземных сооружений и шахт» КузГТУ, т. 39-63-78.
Копытов Александр Иванович, докт. техн. наук, проф. каф. «Строительство подземных сооружений и шахт» КузГТУ, т. 39-63-78.
Першин Владимир Викторович, докт. техн. наук, проф. зав. каф. «Строительство подземных сооружений и шахт» КузГТУ, e-mail: L01bdv@yandex.ru
Геотехнология 75
