CC BY
55
можно, снизить удельный расход ВВ на 10-20 %. В последнее время Лаборатория разрушения горных пород Института горного дела УрО РАН проводит дальнейшие исследовательские работы в этой области.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Отчёт о научно-исследовательской работе «Изучение структурных особенностей и механических свойств локальных массивов горных пород и разработка основ ресурсосберегающей технологии при их взрывном разрушении». - ИГД УрО РАН, 2006.
2. Воронцов И.В. Многоволновая сейсмометрия при решении горногеологических задач. - Екатеринбург: УрО РАН, 1998, 112 с.
3. Сейсморазведка. Справочник геофизики./Под ред. И.И. Гурви-ча. - М.: Недра, 1981, с. 375, 376, 378.
|— Коротко об авторах-----------------------
Жариков С. Н. - ИГД УрО РАН г. Екатеринбург.
А________
-------------------------- © С.В. Лукичёв, О.В. Наговицын,
А.В. Корниенко, 2007
С.В. Лукичёв, О.В. Наговицын, А.В. Корниенко
АВТОМА ТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАССОВЫХ ВЗРЫВОВ В КАРЬЕРАХ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
^^ереход к автоматизированному проектированию п п массовых взрывов (МВ) в карьерах на основе трех-
мерного моделирования исходной горно-геологической ситуации и зон разрушения горных пород (ГП) позволяет решить сразу 3 взаимосвязанные задачи:
1. Повысить качество проектирования за счет использования на порядок большего объема исходной информации и применения программных средств ее интерпретации.
2. Повысить производительность труда специалистов, осуществляющих проектирование, за счет освобождения их от рутинных операций и предоставления программных средств решения сложных расчетных и геометрических задач.
3. Получить прогнозную оценку распределения полезного ископаемого (ПИ) в развале ГП.
Полное решение перечисленных задач возможно только на основе использования трехмерных цифровых моделей массива ГП и поверхности карьера. Обусловлено это необходимостью учета как пространственной геометрии залегания ПИ в границах взрывного блока, так и объемного характера действия взрыва скважинных зарядов в массиве ГП.
В качестве варианта решения этих задач предлагается подход, реализованный в рамках Горной интегрированной системы MineFrame [1, 2]. В основе программных средств системы лежит работа с цифровыми моделями геологических и технологических объектов в едином информационном пространстве горного предприятия. Для реализации этих возможностей система содержит программные средства:
• ведения базы данных (БД) геохимического опробования массива (в том числе и по взрывным скважинам), построения каркасных и блочных моделей геологических тел, определяющих геометрию залегания и пространственную изменчивость содержания ПИ;
• ведения БД маркшейдерских точек и решения на этой основе всего перечня маркшейдерских задач, включая корректировку фактического местоположения бровок уступов и гипсометрии площадок взрывных блоков. Результатом выполнения этой работы является поддержание векторной и каркасной модели карьера в актуальном состоянии;
• автоматизации решения технологических задач в области проектирования и планирования горных работ, в том
числе, как при создании моделей взрывных блоков, так и моделировании выемки горной массы из их развалов.
Преимуществом такого комплексного подхода к решению горно-геологических задач на основе коллективного доступа к удаленным БД является снятие информационных барьеров между отдельными службами предприятия, что значительно ускоряет и упрощает процесс принятия и реализации технологических решений.
Процесс автоматизированного проектирования МВ включает в себя следующие этапы.
1. Создание модели взрывного блока
Для создания модели взрывного блока используется модель карьера, поддержание которой в актуальном состоянии является одной из основных задач маркшейдерской службы предприятия. Основой для построения векторной модели блока служат нижние и верхние бровки уступа. В случае проектирования на уступе, к которому примыкает неподобранный развал ГП от предыдущего взрыва, вместо нижней бровки уступа может использоваться последний ряд взорванных скважин. Для формирования нижнего основания блока достаточно в режиме объектной привязки к элементам карьера создать замкнутый контур, точки которого соответствуют высотным отметкам нижней границы блока. Контур верхнего основания блока формируется автоматически с учетом заданного угла откоса уступа. При построении каркасной модели блока, представляющей собой триангуляционную поверхность, сформированную на точках контуров нижнего и верхнего оснований, могут быть использованы дополнительные точки, уточняющие гипсометрию верхнего основания блока. В границах каркасной модели может быть построена блочная модель, для которой одним
Рис. 1. Модели карьера и взрывного блока
из представленных в системе методов интерполяции определяется содержание ПИ. Наличие каркасной и блочной модели взрывного блока позволяет с высокой точностью вычислить объем и массу содержащейся в блоке ГП и ПИ (рис.1). Использование блочной структуры, моделирующей качественные характеристики взрывного блока, кроме всего прочего создает основу для моделирования распределения ПИ в развале ГП.
2. Формирование моделей взрывных скважин в границах блока
Проектирование и связанное с ним формирование моделей взрывных скважин предполагает решение следующих задач:
• определение оптимальных параметров скважинной отбойки, обеспечивающее дробление с заданной крупностью куска;
• выбор конструкции скважинных зарядов, обеспечивающих наилучшее использование энергии взрыва;
• размещение скважинных зарядов в границах блока, обеспечивающее равномерное дробление ГП.
Определение оптимальных параметров скважинной отбойки
Для расчета оптимальных параметров скважинной отбойки и выбора на этой основе параметров размещения скважин в границах блока используется зависимость по определению радиуса зоны дробления с линейным размером куска, не превышающ
(гП - го) Ею О ж гж Ею
2г .
2К
К. =-
им заданной величины:
( г У’' ( к Л
1 -Ы 1 - г
V ж ) г V ж )
[1/ а -1/ Д + 1]о> где Гж = ГЛРп/сГж)2'5, Рн = КгОвв-рввІГІ), Рп = Рн-(ГоІГп)27,
г = г 2г
п О ‘
г г . _ л 0.2
р 2(1 + у)а (а ) +1 ( г а 1 - ( г 1
■ ж (1 - у)1п 1 =ж +
°ж 3 1 _ г ж К г V Ж у \
Характеристики заряда взрывчатого вещества (ВВ) го - радиус взрывной полости (м), рвв - плотность ВВ (кг/м3), у- показатель адиабаты (^=3.37-1743/рвв), О - энергия ВВ (дж/кг), Кх - коэффициент химических потерь.
Характеристики массива ГП и параметры горной массы (ГМ)
Ею, К - модули Юнга и всестороннего сжатия (МПа), V- коэффициент Пуассона, ож, ор - динамические пределы прочности (МПа) на сжатие и отрыв (на основании анализа результатов численных экспериментов принято ож = 1.5 о™ и ор = 2осрТ-Оо),
ОТ, °7 - статические пределы прочности (МПа) на сжатие
и отрыв, оо - среднее статическое напряжение (МПа), О - характерное расстояние между естественными трещинами в массиве (м), 6 - линейный размер кондиционного куска (м).
Расчет по данной зависимости осуществляется методом последовательных приближений, а его реализация выполнена в виде одного из инструментов специализированного редактора БВР. Упруго-прочностные характеристики для расчета представляют собой усредненные характеристики типов ГП, встречающихся на отрабатываемом месторождении, и для удобства использования могут быть представлены в виде списка, связанного с типом пород или категорией по взры-ваемости. Необходимость задания энергетических характеристик ВВ и упруго-прочностных характеристик ГП обусловлена тем, что они используются для расчета зон разрушения.
Выбор конструкции скважинных зарядов
Для формирования конструкций скважинных зарядов применяется специальный редактор БВР (рис. 2), позволяющий в интерактивном режиме создавать конструкции любой степени сложности. Работа редактора БВР построена на использовании списков составных элементов конструкции заряда. Среди них:
• применяемые типы ВВ с их энергетическими характеристиками и плотностью заряжания;
• применяемые конструкции боевиков с указанием их веса, энергетических характеристик, типов используемых в них детонаторов и времени замедления;
• используемые материалы забойки и инертных промежутков с характеристикой крупности и насыпной плотности материала;
• применяемые типы детонирующих шнуров и систем неэлектрического инициирования со значениями скорости детонации или распространения ударной волны.
Созданные с помощью инструментов редактора БВР конструкции зарядов используются не только для моделирования разрушения ГП, но и для расчета потребности в ВВ и ВМ при составлении проекта МВ.
Выбор конструкции заряда для формируемой модели скважины может осуществляться как в момент ее создания, так и после. Конструкция заряда может назначаться как отдельным скважинам, так и их группам. При этом назначенная скважине средствами редактора БВР конструкция может
быть изменена. В реальных условиях длины скважин на взрывном блоке могут меняться как в силу изменчивости гипсометрии площадки, так и по технологическим причинам. Для учета такой изменчивости предусмотрены шаблоны заряжания (рис. 2), представляющие собой конструкции зарядов, применяемые для определенных диапазонов длин зарядов.
Размещение скважинных зарядов в границах блока Размещение моделей взрывных скважин осуществляется в автоматизированном режиме с учетом гипсометрии поверхности верхнего и нижнего оснований взрывного блока. Инструменты формирования моделей скважин содержатся в редакторе БВР, интегрированном в среду графического редактора GeoTech-3D (входит в состав MineFrame), что позволяет выполнять все операции в трехмерном пространстве и привязке к реальным горно-геологическим объектам. В зависимости от своего назначения и местоположения выделяется 4 типа скважин, для формирования которых используются свои инструменты и алгоритмы.
Скважины первого и второго ряда Так как назначение скважин 1 и 2-го ряда заключается в отбойке части блока, расположенной со стороны откоса уступа, то основными параметрами для размещения скважин являются: линия сопротивления по подошве (ЛСПП), расстояние между скважинами в ряду, величина перебура. Существует перечень дополнительных параметров, таких, как минимальное расстояние до края уступа по условиям безопасного размещения бурового станка, возможность использования сдвоенных и дополнительных скважин, допустимые углы наклона скважин и т.п.
Алгоритм формирования скважин 1 и 2-го ряда построен таким образом, что в случае невозможности создания вертикальных скважин из-за превышения ЛСПП делается попытка создания наклонных (в заданном диапазоне). Если это не решает проблему, устанавливаются дополнительные скважины, для управления размещения которыми используются специальные параметры.
Скважины контурного ряда
Скважины контурного ряда предназначены для формирования новой поверхности откоса уступа с минимальными нарушениями массива ГП. Исходя из этого, применяется специальная конструкция заряда, и выбираются соответствующие параметры размещения скважин в массиве. Для управления процедурой построения контурного ряда используются следующие параметры: расстояние между скважинами в ряду, угол наклона скважин, величина перебура скважин, смещение скважин относительно контура нижнего основания блока.
Предконтурные скважины
Предконтурные скважины располагаются вдоль скважин контурного ряда и предназначены для дробления ГП в режиме максимального сохранения массива вблизи формируемой поверхности откоса уступа. Для предконтурных скважин создается своя конструкция зарядов, а в качестве параметров управления размещением используется величина перебура скважин и расстояния: до контурного ряда, между рядами (если их несколько), между скважинами в ряду.
Скважины внутренней области
Скважины внутренней области формируются с помощью «электронной» палетки, являющейся инструментом редактора БВР (рис. 3).
Для управления процедурой размещения моделей скважин по «электронной» палетке используются следующие параметры: вариант используемой сетки (шахмат-
ная/прямоугольная), расстояние между скважинами в ряду, расстояние между рядами скважин, величина перебура скважин. В основе инструмента «электронной» палетки лежит возможность ее интерактивного перемещения и поворота. Средства управления палеткой позволяют включать режимы:
• отсечения скважин по границам блока и отдельной выделенной области;
• перемещения скважин внутрь области размещения в случае ее выхода за границы блока на допустимую величину;
• корректировки местоположения скважины при ее близком расположении к ранее созданным скважинам, например, первого ряда или контурным. В этом случае, с учетом прогнозируемых зон разрушения от соседних скважин,
рассчитывается оптимальное место расположения размещаемой скважины;
• смещения скважины на безопасное расстояние в случае ее попадания в «след» ранее взорванной скважины вышележащего блока. Для формирования моделей «следов» ранее взорванных скважин могут использоваться как результаты маркшейдерской съемки, так и модели вышележащих взрывных блоков.
Все смещенные в результате автоматической корректировки скважины помечаются, что облегчает визуальный контроль над их размещением. Следует также отметить, что в случае разбиения блока на технологические области существует возможность размещения скважин с различными параметрами для
каждой из областей. Предусмотрена также возможность корректировки проекта МВ путем добавления к блоку примыкающей части уступа. В этом случае возможно сохранение ранее запроектированных скважин.
При работе с «электронной» палеткой предусмотрен режим отображения прогнозных зон регулируемого дробления от каждой ранее сформированной скважины, что облегчает выбор наилучшего варианта расположения их устьев.
При визуальном контроле результата автоматизированного размещения взрывных скважин на блоке (с использованием горизонтальных и вертикальных разрезов) могут обнаружиться дефекты (рис. 4). Для исправления выявленных дефектов предусмотрена возможность ручной корректировки (перемещение, удаление, добавление, изменение параметров) моделей скважин. Изменение параметров скважины может быть выполнено как интерактивно (например, путем перемещения скважины с помощью курсора «мышки»), так и через таблицу параметров, доступ к которой осуществляется через редактор БВР.
3. Формирование технологической документации Для формирования схем и рабочих чертежей используется AutoCAD (или любой другой графический редактор, импортирующий файлы формата *dxf), для вывода текстовой и табличной информации - MS Excel. Экспорт данных в их сре-
ду осуществляется вместе с шаблонами, что практически исключает необходимость последующей доработки сформированных документов.
Последовательность подготовки МВ предполагает определенный порядок формирования технологической документации, создаваемой на основе модели взрывного блока. Так проектные модели взрывных скважин используются для формирования проекта бурения. Его формирование осуществляется автоматически, а вывод на бумажный носитель -через AutoCAD.
Пробуренные (фактические) скважины, как правило, отличаются от проектных. Для перехода к формированию карты заряжания и схемы коммутации требуется уточнение местоположения и параметров фактических скважин. Для выполнения этой работы используется электронная таблица, содержащая список всех скважин с проектными и фактическими координатами и параметрами. Заполнение полей с фактическими значениями может осуществляться разными способами, в том числе
путем «закачки» данных с электронного тахеометра средствами маркшейдерского редактора, входящего в состав GeoTech-3D. На основе этих данных формируются модели фактических скважин, конструкции зарядов которых соответствуют проектным. С помощью редактора БВР конструкции зарядов могут быть откорректированы.
Модели фактических (пробуренных) скважин с откорректированными конструкциями зарядов используются для формирования карты заряжания, представляющей собой схему взрывного блока с данными по конструкциям зарядов для каждой скважины, и схемы коммутации, несущей информацию о соединениях скважин в ряды замедлений. Работа по формированию схемы коммутации осуществляется в интерактивном режиме с использованием инструментальных средств редактора БВР и включает в себя:
• формирование магистральных линий и рядов скважин, в результате выполнения которой формируется коммутационная сеть, элементами которой являются соединенные
детонирующим шнуром и ударно-волновыми трубками магистрали, ряды и отдельные скважины;
• расстановку замедлителей, которая осуществляется путем их выбора из списка используемых и установкой на указанный элемент сети;
• расчет времени замедления взрыва каждого скважинного заряда относительно начала инициирования производится путем решения сетевой задачи с учетом параметров замедлителей и скорости распространения детонационной или ударной волны.
Результаты расчета визуализируются средствами графического редактора с возможностью временной развертки процесса инициирования скважинных зарядов. Предусмотрена также возможность анализа по рядам замедления с расчетом массы ВВ, приходящейся на один интервал замедления. Такая возможность позволяет проконтролировать схему коммутации и в случае необходимости изменить ее.
В целом проект МВ включает в себя графическую, табличную и текстовую информацию.
Графическая информация
• Схема размещения скважин на блоке и несколько характерных вертикальных разрезов.
• Зарядная карта.
• Схема коммутации зарядов.
• Чертежи конструкций зарядов.
Табличная и текстовая информация
• Общие сведения, геологическая и маркшейдерская записки.
• Таблица параметров МВ и расчёта ВВ по скважинам.
• Расчет разлёта кусков ГП, оценка сейсмического и ударно-воздушного воздействия.
Проект МВ может храниться в БД вместе моделью взрывного блока, что позволяет достаточно просто формировать архив МВ.
В заключение хотелось бы отметить, что создание подсистемы автоматизированного проектирования МВ в рамках комплексного решения задач горной технологии показывает
возможность и перспективность компьютерной технологии инженерного обеспечения горных работ.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лукичёв С.В., Наговицын О.В., Свинин В.С. и др. Система автоматизированного планирования и проектирования горных работ Geotech-3D-Апатит. - Горный журнал. - 2000. - № 3. С. 56-58.
2. Лукичев С. В., Наговицын О. В. Автоматизированная система Mine-Frame 3.0. - Горная промышленность. - 2005. - № 6. - С. 32-35.
|— Коротко об авторах-----------------------------------
Лукичёв С.В., Наговицын О.В., Корниенко А.В. - Горный институт КНЦ РАН.
