CC BY
52
УДК 622.023.623:[622.732:622.235.4]
Яковлев Алексей Викторович
кандидат технических наук, заведующий лабораторией открытой геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: lubk igd@mail.ru
Шимкив Екатерина Сергеевна
младший научный сотрудник лаборатории открытой геотехнологии, Институт горного дела УрО РАН e-mail: ekaterina-busargina@yandex.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ СИСТЕМ ТРЕЩИН В МАССИВЕ СЕВЕРНОГО КАРЬЕРА ОАО «ЕВРАЗ КГОК» НА КАЧЕСТВО ДРОБЛЕНИЯ ВЗОРВАННОЙ ГОРНОЙ МАССЫ
Yakovlev Alexey V.
candidate of technical sciences, the head of the laboratory of surface geo-technology, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, Mamin-Sibiryak st., 58 e-mail: lubk igd@mail.ru
Shimkiv Ekaterina S.
junior researcher of the laboratory of surface geo-technology The Institute of Mining UB RAS, e-mail: ekaterina-busargina@yandex.ru
STUDYING THE MAIN CRACKS SYSTEMS INFLUENCE IN ROCK MASS OF THE «EVRAZ KGOK» NORTHERN OPEN PIT ON THE QUALITY OF BLASTED ROCK MASS CRUSHING
Аннотация:
В статье представлены результаты инженерно-геологических исследований Северного карьера ОАО «ЕВРАЗ КГОК». Изучение структурно-тектонического строения массивов и параметров залегания основных систем трещин позволило районировать карьерное поле по блоч-ности и выявить причины повышенного выхода негабарита на ряде участков массива. Разработаны мероприятия для улучшения качества дробления взорванной горной массы.
Ключевые слова: система трещин, качество дробления, структурное строение, массив горных пород
Abstract:
The article presents the results of geotechnical studies of the North pit of "EVRAZ KGOK". The study of both rock mass structural-tectonic structure and parameters of position the main systems of cracks allowed pit field zoning according to blocking and identifies the causes of the increased oversize output in a number of rock mass sections. The measures have been developed to improve the quality of blasted rock mass crushing.
Key words: system of cracks, quality of crushing, structural state, rock mass
Одним из основных показателей, определяющих экономическую эффективность предприятия, является качество дробления горной породы при производстве взрывных работ. Структурное строение массива горных пород - один из основных факторов обеспечения заданного качества буровзрывной подготовки горной массы. Для изучения структурного строения массивов горных пород Северного карьера ОАО «ЕВРАЗ КГОК» были проведены инструментальные замеры параметров залегания трещин и систем трещин, а также укрупненное визуальное обследование обнажений массива на различных участках карьера.
Рудное поле залежи разбито системой многочисленных трещин преимущественно северо-западного простирания, образующих совместно с сопряженными с ними более мелкими трещинами довольно сложную блочную структуру. По этим многочисленным трещинам почти повсеместно фиксируются подвижки с амплитудой от нескольких сантиметров и, в редких случаях, до 3 - 5 м. Выделяются, с одной стороны, крутопадающие трещины с простиранием 300° и падением от 70 до 90° в обе стороны, с другой - трещины с простиранием 330 - 340°, с падением в обе стороны 70 - 80°, 45 - 50°, 20 - 30°. Трещины первой группы наиболее хорошо развиты. В отдельных местах вблизи контактов пи-
роксенитов с оливиновыми пироксенитами они выполнены сравнительно мощными жилами плагиоклазита (от 1 до 5 м). К трещинам второй группы с падением 70 - 80° приурочены маломощные жилы плагиоклазитов (менее 0,3 м); с трещинами второй группы с падением 20 - 30° связано образование пологопадающих жил роговообманкового плагиоклазита. Второстепенное значение имеют трещины северо-восточного направления (простирание 50 - 60° и падение на северо-запад и юго-восток под углами 70 - 90°), а также широтного простирания (260 - 280°) с падением на север и юг (50 - 60° и 70 - 80°).
I' < /11/1 Ш I I
ц Ч11ГРМТ
' Азйм^тТайо^тирания^ООХ/ ,
11 ! - • / " - 1
■ 10*4« л*-У
/Г А -О.
% и
т 1 Я 1
. г^ -п
ш|р
- Номер блока модели
- Участок с планируемым выходом негабарита 11 - Участок массива с повышенным выходом негабарита
- Залегание основной системы трещин блока
Рис. 1 - Блочная модель Северного карьера ОАО «ЕВРАЗ КГОК»
По результатам инженерно-геологических исследований было определено, что карьерное поле разбито тектоническими нарушениями, простирающимися с северо-запада на юго-восток, и имеет довольно сложное блоковое строение, сочетающее крупно-и среднеблочный массив и тектонические зоны, выполненные рассланцованными и брек-чированными породами. Северная и восточная части карьера представляют собой крупноблочный малотрещиноватый массив с небольшими зонами тектонических нарушений; западная и южная части карьера представляют собой также в основном крупноблочный массив с довольно большими зонами дробления горных пород мощностью до 15 м и участками с повышенной трещиноватостью.
По результатам анализа полученной инженерно-геологической информации рабочее пространство Северного карьера можно разделить на несколько блоков, характеризующихся относительно однородным структурно-тектоническим строением и сходными параметрами залегания основных систем трещин. Ниже приведена детализация структурного строения массива на участках, отличающихся наибольшим выходом негабаритных фракций во взорванной горной массе (блоки II, III, V на рис. 1).
Северо-восточный борт (блок II)
Северо-восточный борт Северного карьера представлен преимущественно крупноблочным массивом горных пород, местами встречаются участки среднеблочного массива (рис. 2), а также практически монолитные участки.
Рис. 2 - Крупно- и среднеблочный массив на горизонте 250 м северо-восточного борта Северного карьера
На изучаемом участке наблюдаются зоны тектонических нарушений, в которых массив представлен мелкоблочными и раздробленными горными породами. Ширина тектонических зон дробления составляет 1 - 10 м (в восточной части массива - зона тектонического смятия шириной 50 м), частота проявления зон - через 15 - 50 м. Крупноблочные участки имеют размеры блоков от 0,5 до 2,0 м. Также в прибортовом массиве были отмечены сомкнутые трещины, имеющие густоту от 0,2 до 2 м. Системы трещин имеют следующие параметры:
- азимут простирания 330 - 350°, угол падения 70° с шероховатой поверхностью со следами тектонического движения с расстоянием между трещинами от 0,2 до 10,0 м, угол между поверхностью трещин и бортом составляет 0 - 5°;
- азимут простирания 300°, угол падения 50 - 70° с расстоянием между трещинами от 0,5 до 7,0 м, угол между поверхностью трещин и бортом составляет 25 - 30°;
- азимут простирания 30 - 40°, угол падения 70 - 80° с расстоянием между трещинами от 0,5 до 1,5 м, угол между поверхностью трещин и бортом составляет 50 - 60°.
Северо-западный борт (блок III)
Северо-западный борт Северного карьера представляет собой крупно- и средне-блочный массив с зонами тектонически раздробленных горных пород (рис. 3). На крупноблочных участках изучаемого массива размеры блоков от 0,5 до 2,5 м. Зоны дробления представлены горными породами, разбитыми до состояния мелкоблочного массива и щебня. Протяженность зон - от 1 до 10 м, частота проявления зон - через 5 - 30 м.
Рис. 3 - Крупно- и среднеблочный массив западного борта с зонами тектонически раздробленных горных пород
Системы трещин имеют следующие параметры:
- азимут простирания 260 - 280°, угол падения 40 - 60° с протяженной шероховатой поверхностью и с интервалом между трещинами 0,5 - 5,0 м, угол между поверхностью трещин и бортом составляет 30 - 50°;
- азимут простирания 0 - 20°, угол падения 35 - 40° с расстоянием между трещинами от 5 до 7 м, угол между поверхностью трещин и бортом составляет 10 - 20°.
Южный борт Северного карьера (блок V)
Южный борт представляет собой крупно- и среднеблочный массив, местами раздробленный тектоническими нарушениями до мелкоблочного состояния. На участке встречаются тектонические зоны дробления, зоны сильного рассланцевания с падением под углом 60 - 80° в выработанное пространство карьера, отдельные тектонические нарушения заполнены мелкоблочным материалом. Также встречаются участки практически монолитного массива, разбитого нераскрытыми трещинами (рис. 4). Размер блоков монолитных и крупноблочных участков составляет от 0,5 до 2,0 м.
Системы трещин имеют следующие параметры:
- азимут простирания 260 - 280°, угол падения 60 - 80° с интервалом между трещинами 2 м, угол между поверхностью трещины и бортом составляет 30 - 40°;
- азимут простирания 130°, угол падения 55° с протяженной шероховатой поверхностью и с интервалом между трещинами 2 м, угол между поверхностью трещины и бортом составляет 30°.
В целом на этих участках крупность негабарита во взорванной горной массе сопоставима с размерами блоков крупноблочного массива (0,5 - 2,5 м).
Рис. 4 - Участок крупноблочного, практически монолитного массива
южного борта
Известно, что при взрыве на 65 - 70 % массив разрушается по имеющимся трещинам и только на 25 - 30 % - по вновь образованным трещинам. Повышенный выход негабарита горной массы во многом определяется структурным строением массива горных пород, в частности, на участках разноблочного массива, на которых среднеблочный массив с зонами тектонического дробления, представленными мелкоблочным массивом, соседствует с крупноблочным массивом. Здесь в результате диссипации энергии взрыва при повышенной трещиноватости окружающего массива энергии продуктов детонации оказывается недостаточно для роста новых трещин и разрушения крупных блоков породы.
В практике ведения взрывных работ на карьерах для каждого конкретного случая взрывания существует определенное значение коэффициента сближения скважин m = a/b (а - расстояние между скважинами в ряду; Ь - расстояние между рядами), при котором обеспечивается наиболее высокое качество дробления. Его величина изменяется в весьма широких пределах (от 0,7 - 0,8 до 1,5 -1,6) и выбирается экспериментальным путем. Аналогично обстоит дело и с формой сетки скважин: шахматной, прямоугольной, квадратной, а возможно, и трапецеидальной. Исключительное значение при этом имеет анизотропия свойств массива. Если размеры сетки скважин определяются абсолютными размерами зон дробления, то ее форма будет зависеть от ориентировки экстремальных размеров зоны дробления в пространстве. Оптимальная форма сетки скважин должна обеспечивать максимально равномерное распределение в массиве объемов дробления, которое при прочих равных условиях зависит, с одной стороны, от размеров сетки скважин и ее формы, с другой - от размеров и формы зон дробления и их ориентировки в пространстве и по отношению к направлению фронта работ.
На рис. 5 приведены схемы сеток скважин в зависимости от коэффициента сближения скважин т и угла наклона большой оси зоны дробления к верхней бровке откоса
уступа а.
а = 0° т > 1
Рис. 5 - Схема к определению формы сетки скважин: т = а/Ь - коэффициент сближения скважин;
а - наклон большой оси зоны дробления к линии откоса уступа, град В случае, когда зона дробления представлена круговым цилиндром (коэффициент зоны дробления Кф = / , где Ь и Ьг - соответственно, большая и малая оси эллипса), Кф = 1, коэффициент сближения скважин т равен 1,2, а оптимальная сетка скважин - шахматная, равносторонняя.
Если зона дробления представлена эллиптическим цилиндром (Кф > 1), существует бесчисленное множество видов плотной упаковки зон дробления, зависящих как от величины коэффициента формы дробления, так и величины угла наклона большой оси зоны дробления к линии откоса уступа а. При этом оптимальная величина коэффициента сближения скважин т только в одном случае равна единице при квадратной сетке скважин, когда угол а=45°. Увеличение угла а до 90° приводит к уменьшению коэффициента сближения скважин т и переходу с квадратной сетки на шахматную. То же самое происходит с сеткой скважин при уменьшении угла а до 0°, но при этом коэффициент т увеличивается. На эту картину накладывается изменение коэффициента Кф в зависимости от ориентировки основных систем трещин относительно простирания уступа.
Для повышения качества дробления взорванной горной массы и снижения выхода негабарита угол наклона большой оси зоны дробления каждого из зарядов к линии откоса уступа а должен соответствовать простиранию основной системы трещин на конкретном участке массива.
Кроме того необходима оптимизация интервалов времени замедления и порядка взрывания скважинных зарядов во взрывном блоке в зависимости от структурного строения массива для максимального использования энергии взрыва каждого из скважинных зарядов. В ИГД УрО РАН разработана методика расчета интервалов времени замедления, которая позволяет оптимизировать время замедления в первом и последующих рядах взрывных скважин при различных исходных данных о параметрах взрывания, свойствах ВВ и массива. Проведенные исследования и экспериментальные взрывы показывают, что для обеспечения независимости импульсов деформаций, развития зон дробления до полного исчерпания энергии взрыва на ее дробящее действие и снижения интенсивности и ширины зоны нарушения законтурного массива следует с увеличением диаметра взрывных скважин и возрастанием трещиноватости массива закономерно увеличивать интервалы времени замедления в большей степени в первом ряду и в меньшей степени между рядами скважинных зарядов.
На основании вышеизложенного, а также ранее проведенных ИГД УрО РАН исследований для снижения выхода негабарита на карьерах ОАО «ЕВРАЗ КГОК» могут быть реализованы следующие пути повышения степени дробления взорванной горной массы:
1. Повышение удельного расхода ВВ за счет сгущения сетки скважин.
2. Оконтуривание взрывного блока рядом скважин малого диаметра с его опережающим взрыванием для создания экранирующей щели с целью обеспечения интерференции прямых и отраженных волн напряжений в разрушаемом массиве.
3. Уменьшение диаметра взрывных скважин с корректировкой сетки при сохранении существующего удельного расхода ВВ для обеспечения более равномерного распределения ВВ по взрывному блоку.
4. Оптимизация интервалов времени замедления и порядка взрывания скважин-ных зарядов в зависимости от структурного строения массива, что особенно актуально при использовании электронной системы инициирования.
5. Учет направления простирания основных систем трещин в массиве по длине взрывного блока путем оптимизации сетки скважин (угол наклона большой оси зоны дробления каждого из зарядов к линии откоса уступа а должен соответствовать простиранию основной системы трещин) и обеспечения такого направления фронта отбойки, при котором трещины основной системы создают отраженную волну напряжений и, образно выражаясь, «приглаживаются» к тыльной части массива.
6. Уменьшение длины взрывного блока до границ зон с относительно однородным структурным строением массива или размещение вруба на границе массивов с различным структурным строением.
Из указанных путей снижения выхода негабарита первые три требуют увеличения затрат на БВР, однако положительный эффект от уменьшения среднего диаметра куска взорванной горной массы может быть достигнут за счет: снижения объемов (затрат) вторичного дробления; повышения производительности экскаваторов (сокращение времени и энергозатрат на подготовку забоя, уменьшение неплановых простоев из-за поломок при разборке забоя в условиях повышенных нагрузок на рабочее оборудование и электроприводы); снижения затрат на крупное дробление на дробильно-обогатительной фабрике.
Кроме того увеличение удельного расхода ВВ при взрывании проблемных по выходу негабарита участков массива (в условиях перемежения крупноблочных и мелкоблочных пород) можно компенсировать увеличением размеров сетки взрывных скважин в зонах мелко- и среднеблочных пород без ухудшения качества дробления взорванной горной массы.
Применение остальных путей снижения выхода негабарита не требует увеличения прямых финансовых и трудовых затрат.
