CC BY
19
| Ю. А. Масаев // Yu.A. Masaev
канд. техн. наук, профессор ФГОУ ВО КузГТУ им. Т.Ф, Горбачева Почетный член Академии горных наук candidate of technical sciences, professor FGOU VO KuzGTU named after T.F. Gorbachev, Honorary Member of the Academy of Mining Sciences
I А. И. Копытов//
доктор техн. наук, профессор ФГОУ ВО КузГТУ им. Т. Ф. Горбачева, Руководитель Сибирского отделения Академии горных наук doctor of technical sciences, professor of FGOU VO KuzGTU after T.F. Gorbachev, Head of the Siberian Branch of the Academy of Mining Sciences
I В. Ю. Масаев// V.Yu. Masaev
канд. техн. наук, доцент Кемеровская государственная сельскохозяйственная академия, кафедра ландшафтной ар-хтектуры
candidate of technical sciences, associate professor Kemerovo State Agricultural Academy, Department of Landscape Architecture
УДК 622.831, 622.235
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БВР ПРИ ПОДГОТОВКЕ И НАРЕЗКЕ ОЧИСТНЫХ БЛОКОВ В МОЩНЫХ ЗАЛЕЖАХ КРЕПКИХ РУД RESEARCHES TO ESTABLISH RATIONAL DRILL AND BLAST PARAMETERS DURING THE PREPARATION AND CUTTING OF EXTRACTION BLOCKS IN THICK DEPOSITS OF HARD ORES
Рассмотрены проблемы строительства и эффективной эксплуатации рудных месторождений, связанных с выполнением большого объема горнопроходческих работ. Установлены закономерности влияния организационно-технических факторов и технологических параметров буровзрывных работ и необходимости разработки на их основе новых технических и технологических решений интенсификации горнопроходческих работ на рудниках, обеспечивающих ограничение действия ударных воздушных волн при применении глубоких взрывных и компенсационных скважин в крепких породах.
The problems of construction and efficient operation of ore deposits related to the carrying out of a large amount of mine heading operations are considered. The regularities of the influence of organizational and technical factors and technological parameters of drilling and blasting operations, and the need to develop on their basis new technical and technological solutions for the intensification of mining operations in mines that limit the shock air waves effect when using deep blasting and compensatory hard rock wells. Ключевые слова: МАССОВЫЙ ВЗРЫВ; КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СКВАЖИНЫ; ВЫЕМОЧНЫЙ БЛОК; УДАРНАЯ ВОЗДУШНАЯ ВОЛНА; ОЧИСТНОЙ БЛОК; ГОРИЗОНТ ПОДСЕЧКИ.
Key words: MASS EXPLOSION; COMPENSATION WELLS; EXTRACTION BLOCK; SHOCK AIR WAVE; CLEAR OUT BLOCK; UNDERMINING LEVEL.
Разработка железорудных месторождений Кузбасса по сравнению с угольными месторождениями отличается сложностью подготовки выемочных блоков из-за необходимости проведения различных по назначению, расположению и габаритам горных выработок, в которых требуется бурить шпуры и скважины различного диаметра, глубины и направления. Разработка рудных месторождений осложняется условиями залегания горных пород и рудных тел.
Как правило, рудые тела и горные породы пересекаются крупными тектоническими раз-
ломами с амплитудой смещения более 120 м, сопровождающимися зонами смятия. Вмещающие породы состоят из скарнов, альбитафиров, порфиритов, сиенитов, мраморизованных известняков и гранитов. Рудные тела залегают на больших глубинах, до 1000 и более метров, и с увеличением глубины осложняется геомеханическая обстановка за счет перераспределения поля напряжений, а при нарушении сплошности породного массива формируется зона сжимающих напряжений, которые действуют вблизи периметра обнажения отрабатываемого рудного блока. В породных зонах, удаленных от вырабо-
танного пространства, происходят смещения и изменения напряженного состояния, и наибольшая их концентрация наблюдается на расстояниях 20-60 м от выработанного пространства, а в породном массиве происходят механические процессы в виде смещений, деформаций, расколов, вызванные действием высокого горного давления. Помимо этого, при разработке месторождений в сложных горно-геологических условиях на больших глубинах повышается сейсмо-активность и удароопасность. Так, например, на Таштагольском месторождении на глубине 300 м были зафиксированы стреляния, заколообра-зования горных пород, а с повышением глубины разработок стали регистрироваться горные удары, микроудары и толчки различной интенсивности. Исследованиями Института горного дела им. И. А. Чинакала СО РАН было зафиксировано, что за 24 года произошло 19000 толчков различных классов, 20 горных ударов, из них 7 горно-тектонического типа, 67 микроударов.
Сложность залегания рудных тел и разработки таких месторождений требует особого подхода к проектированию и подготовке массовых взрывов. Подготовка и проведение технологических массовых взрывов осуществляется по типовым проектам, на основании которых составляется технический расчет, в котором приводятся следующие сведения:
- объем разрушаемой горной массы с указанием типа применяемых ВВ и требуемого общего количества;
- общая длина скважин с указанием их диаметров и номеров по отдельным веерам и рядам;
- способы заряжания и взрывания скважин с указанием длины заряжаемых и недоза-ряжаемых частей скважин, вместимости ВВ в 1 м скважины и выхода руды с 1 м скважины;
- порядок заряжания и взрывания шпуров и скважины, конструкция зарядов с указанием мест установки патронов-боевиков, электродетонаторов, СИНВ-Ш, ДШ с интервалами замедления, схем монтажа взрывных сетей;
- геолого-маркшейдерскую документацию, на которой указываются необходимые планы и разрезы с нанесенными контурами взрываемого блока, фактическое положение горных выработок и скважин для отбойки массива и скважин для уточнения контуров рудного тела или плоскости обнажения отбиваемого массива;
- на плане горизонтов наносятся границы запретной и опасной зон, а при необходимости и на поверхности.
Современные тенденции развития систем
и технологий подземной разработки мощных рудных месторождений выражаются в широком внедрении комплексной механизации процессов добычи, устранения трудоемких ручных работ, переходе на массовую одностадийную выемку руды.
Одним из главных факторов в обеспечении производственной мощности рудников при условии увеличения глубины разработки до 600 метров и более, осложнения геомеханической обстановки и опасности по горным ударам служит принимаемая система разработки и ее конструктивное оформление.
Проведенные ранее исследования позволили сделать вывод, что технология проходки подготовительных и нарезных выработок с использованием глубоких скважин позволяет увеличить производительность труда и интенсивность подготовки блоков к очистной выемке. При этом максимальная эффективность от применения этой технологии может быть достигнута при условии концентрации выработок на строго определенных горизонтах, обеспечивая тем самым единый многозабойный фронт работ и создавая условия для независимого выполнения операций по бурению, взрыванию и уборке горной массы. На основе этого был разработан вариант конструктивного оформления системы этажного принудительного обрушения с вибровыпуском руды, обеспечивающий максимальное использование глубоких скважин при проведении подготовительно-нарезных работ в блоке (рис. 1).
Участок мощной рудной залежи разрезается подготовительными и нарезными выработками, которые размещены преимущественно на трех горизонтах. Доставочные и выпускные выработки 2 проходят на уровне откаточного горизонта. При этом боковое расположение ду-чек позволяет осуществить перекрытие выхода руды на платформу питателя и при необходимости демонтировать его. Таким образом, доставочные выработки используются в качестве буровых при подготовке очистного блока нижележащего этажа.
Дополнительные буровые выработки 6 (за-ходки) располагаются взаимно перпендикулярно и опущены на уровень почвы откаточного орта 1. Количество буровых заходок определяют из условия размещения пучков глубоких взрывных скважин 9 в соответствии с сеткой, обеспечивающей удовлетворительное дробление руды.
Выработки горизонта подсечки 4 размещены на одном уровне, образуя единую сеть по всему рудному массиву.
Таким образом, обеспечивается независимость ведения подготовительных и нарезных работ одновременно.
В блоке 5 (на рис. 1 условно не показан) после проходки откаточного орта 1 и настилки капитальных рельсовых путей по направлению буровых доставочных выработок 2 самоходным буровым агрегатом «Шория-1 Б» бурят наклонные взрывные и компенсационные скважины в соответствии с разработанной схемой.
Одновременно на вышележащем горизонте по направлению буровых заходок 6 самоходной буровой установкой «Шория-3» бурят комплекты взрывных и компенсационных скважин по заданной схеме и нисходящие глубокие взрывные скважины для проходки отрезного восстающего 5.
В блоке 4 осуществляется проходка до-ставочных выработок 2, выработок горизонта подсечки 4 по предварительно обуренным скважинам и отрезного восстающего 5 методом секционного взрывания глубоких скважин.
В блоке 3 после окончания работ по проходке доставочных выработок производят монтаж питателей. В первую очередь монтируются питатели под отрезным восстающем и дучками для отгрузки горной массы из забоев выработок горизонта подсечки. Затем осуществляют проходку заходок под дучки, самих дучек и об-уривание разворотов. Параллельно проходят буровые заходки 6 с уборкой горной массы в отрезной восстающий 5 и агрегатом «Шория-2Г» бурят восходящие глубокие скважины веерного расположения 12 для образования траншейной подсечки.
В блоке 2 ведут работы по подготовке к
массовому взрыву, которые заключаются в бурении пучков глубоких скважин 9, образовании разворотов рудоулавливающих воронок 10, подсечки блока и компенсационной камеры 7.
Опытно-промышленная проверка разработанной технологии подготовки и нарезки очистных блоков с использованием глубоких скважин, проведенная в условиях ОАО «Шере-гешское рудоуправление» показала, что с ее применением увеличивается производительность труда и интенсивность подготовки блоков к очистной выемке в 1,5-2,0 раза.
Одним из проблемных вопросов при подготовке блоков к очистной выемке является вопрос обеспечения четкого прямолинейного контура подготавливаемого блока к массовой отбойке полезного ископаемого, исключающего неуправляемое разрушение контура горного массива следующего блока.
Нами был предложен способ повышения эффективности и качества оконтуривания подготавливаемого выемочного блока без дополнительных трудовых и экономических затрат за счет направленного разрушения горных пород при подготовке выемочного блока.
На рисунке приведен блок 2 подготавливаемый к очистной выемке рудного тела (схема расположения горных выработок и пробуриваемых скважин приведен на рис. 1). На границе со следующими блоком 3 пробуривают контурные пучки скважин таким образом, чтобы устья пучков скважин располагались в форме полуокружностей в направлении образуемого контура подготавливаемого блока 2.
После заряжания всех пучков скважин в подготавливаемом блоке 2 осуществляют их
Рисунок 1. Технология подготовки и нарезки очистных блоков с использованием глубоких скважин в мощных залежах крепких руд. Figure 1. The technology of preparation and cutting of extraction blocks using deep wells in thick deposits of hard ores.
Рисунок 2. Схема расположения выемочного и подготавливаемых блоков Figure 2. The layout of the extraction and preparation blocks
взрывание, при этом контурный ряд пучков скважин взрывают первой очередью. А в пределах контурного ряда первой серией взрывают центральные пучки скважин А-А', второй серией с замедлением пучки скважин В-В', затем С-С' и т.д. Расположение скважин в пучке в форме полуокружностей при взрывании зарядов ВВ в них создает принцип кумулятивного воздействия на разрушаемый породный массив. В этом случае волны напряжений в породе при взрыве зарядов ВВ аккумулируются в направлении раскрытия полуокружностей, и на породный массив в контурном ряду создается усиленное направленное взаимодействие энергии взрыва (рис. 3). Граница контура выемочного блока При взрыве первой серии пучков скважин А и А' аккумулированные равнодействующие волны напряжения действуют навстречу друг другу, их взаимное воздействие на породный массив усиливается, и за счет этого происходит эффективное разрушение участка породы между пучками скважин А и А', при этом образуется подобие врубовой щели. Второй серией взрываются пучки скважин В и В', возбуждаемые при этом аккумулированные волны напряжений достигают поверхностей от взрыва пучков скважин А и А' и происходит их наложение на отражение волны, что формирует усиление действия взрыва на разрушаемый породный массив. По такому же механизму разрушаются участки породы от взрыва пучков скважин С-С', D-D' и т.д. По-
сле завершения взрыва пучков скважин контурного ряда формируется четкий контур границы блоков 2 и 3, что в конечном итоге повышает качество подготовки и эффективности разрушения следующего блока.
Одним из основных факторов, определяющим способ или схему применения скважин при подготовке и нарезке блоков является протяженность и условия проветривания выработок, назначение и срок их эксплуатации.
При системе этажного принудительного обрушения с вибровыпуском руды длина блока составляет 84 м, ширина 27 м, высота 70 м, запасы сырой руды 565 тыс. т. и для подготовки к выемке полезного ископаемого необходимо проведение более 20 горных выработок протяженностью от 0,8 до 130 м и площадью поперечного сечения от 2,3 до 10,0 м2.
При большом количестве горных выработок различного поперечного сечения, длины и направления значительно осложняется процесс проветривания. Согласно требованиям правил безопасности выработки протяженностью до 20 м можно проветривать за счет общешахтной депрессии, во всех остальных случаях при протяженности выработок более 20 м требуется применение средств проветривания с применением нагнетательных трубопроводов. Число выработок протяженностью более 20 м составляет около 41 % и это, главным образом, откаточные орты сечением 9,2-10,0 м2 и выработки единого горизонта подсечки сечением 7,3-7,7 м2. Ведение взрывных работ с применением скважинных зарядов ВВ приводит к разрушению призабой-ной части вентиляционного трубопровода и, как следствие, ухудшению проветривания. Таким образом, для откаточных выработок и выработок горизонты подсечки, протяженность которых более 20 м, главным ограничивающим фактором способа применения взрывных и компенсационных скважин является условие проветривания, которое ухудшается в связи с увеличением одновременно взрываемого ВВ. Исследованиями было установлено, что в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий
Рисунок 3. Схема направленного аккумулированного действия взрыва пучков контурного ряда скважинных зарядов ВВ. Figure 3. The scheme of the directed accumulated action of contour row borehole explosive charge bunch explosion.
80
при производстве массовых взрывов по отбойке руды, эффективное снижение интенсивности воздушной ударной волны может быть получено регулированием объема компенсации. Поэтому, для проходки подготовительно-нарезных выработок протяженностью более 20 м схема расположения взрывных и компенсационных скважин (шпуров) и их диаметры в комплекте должны
быть такими, чтобы за счет соответствующего объема компенсации обеспечить максимальную эффективную глубину отбойки в забое выработки и снизить воздушную ударную волну от взрыва зарядов ВВ увеличенной мощности до величины, не оказывающей разрушающего действия на средства вентиляции и призабойное оборудование.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Патент 2564716 РФ: МПК F42D 3/04. Способ направленного разрушения горных пород при подготовке выемочного блока / Копытов А. И., Масаев Ю. А. - № 2014132415/03; заявл. 05.08.2014; опубл. 10.10.2015. Масаев, Ю. А. Методические разработки для выбора эффективной геотехнологии разработки опасных по горным ударам железорудных месторождений Кузбасса / Ю. А. Масаев, А. И. Копытов // Научно-технический журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности». Выпуск 3. - Кемерово, ООО «ВостЭКО», 2016. - С. 28-36.
Руководство по проектированию, организации и проведению массовых взрывов на подземных рудниках филиалов Евразруды. - Новокузнецк, 2008. - 271 с.
Еременко А. А. Совершенствование технологии буровзрывных работ на железорудных месторождениях Западной Сибири. - Новосибирск, «Наука», 2013. - 191 с.
Копытов, А. И. Взрывные работы в горной промышленности / А. И. Копытов, Ю. А. Масаев, В. В. Першин. -Новосибирск, «Наука», 2013. - 510 с.
Копытов А. И. Опыт строительства подземных объектов особого назначения в условиях железорудных месторождений Кузбасса / А. И. Копытов, Ю. А. Масаев // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: Труды V Международной конференции - Екатеринбург, 2016. - С. 216-221. Масаев, Ю. А. Новые технологии безопасной разработки рудных месторождений в условиях Кузбасса / Ю. А. Масаев, В. В. Першин, А. И. Копытов // Вестник КузГТУ, №3. - Кемерово, 2012. - С. 77-83. Масаев, Ю. А. Оценка сейсмического действия массового взрыва / Ю. А. Масаев, В. Ю. Масаев // Сб. Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр. Междунар. научная школа акад. К. Н. Трубецкого. Ин-т комплексного освоения недр. рАн. - Москва, 2014. - С. 129-132.
Еременко, А. А. Проведение и крепление горных выработок в удароопасных зонах железорудных месторождений / А. А. Еременко, А. И. Федоренко, А. И. Копытов. - Новосибирск, «Наука», 2008. - 235 с.
REFERENCES
1. Patent 20141324115/03 A.I. Kopytov & Yu.A. Masaev Sposob napravlennogo razrusheniya gornykh porod pri pod-gotovke vyyemochnogo bloka [The method of directed destruction of rocks in the preparation of an extraction block]. Russian Federation (2015) [in Russian].
2. Masaev, Yu.A., & Kopytov, A.I. (2016). Metodicheskiye razrabotki dlya vybora effektivnoy geotekhnologii razrabotki opasnykh po gornym udaram zhelezorud-nykh mestorozhdeniy Kuzbassa [Methodological developments for the selection of effective geotechnology for the development of iron ore deposits in Kuzbass dangerous for rock shocks]. Vestnik nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugolnoi promyshlennosti - Herald of Safety in Mining Industry Scientific Center, 3, 28-36 [in Russian].
3. Rukovodstvo po proyektirovaniyu, organizatsii i provedeniyu massovykh vzryvov na podzemnykh rudnikakh filialov Yevrazrudy [Guidance on the design, organization and conduct of mass explosions in the underground mines of the Yevrasruda branches. - Novokuznetsk, 2008 [in Russian].
4. Yeremenko, A.A. (2013). Sovershenstvovaniye tekhnologii burovzryvnykh rabot na zhelezorudnykh mestorozhdeni-yakh Zapadnoy Sibiri [Improving the technology of drilling and blasting at iron ore deposits in Western Siberia]. Novosibirsk: Nauka [in Russian].
5. Kopytov, A.I., Masaev, Yu.A., & Pershin, V.V. (2013). Vzryvnyye raboty v gornoy promyshlennosti [Blasting works in mining industry]. Novosibirsk: Nauka [in Russian].
6. Kopytov, A.I., & Masaev, Yu.A. (2016). Opyt stroitel'stva podzemnykh ob"yektov osobogo naznacheniya v usloviyakh zhelezorudnykh mestorozhdeniy Kuzbassa [Experience in the construction of underground special-purpose facilities in the conditions of iron ore deposits of Kuzbass]. Proceedings from: Design, construction and operation of underground facilities: V Mezhdunarodnaya konferentsia - V International Conference. (pp. 216-2210. Yekaterinburg [in Russian].
7. Masaev, Yu.A., Pershin, V.V., & Kopytov, A.I. (2012). Novyye tekhnologii bezopasnoy razrabotki rudnykh mestorozhdeniy v usloviyakh Kuzbassa [New technologies for the safe development of ore deposits in the conditions of Kuzbass]. Vestnik KuzGTU - KuzGTU Herald, 3, 77-83 [in Russian].
8. Masaev, Yu.A., & Masaev, V.Yu. (2014). Otsenka seysmicheskogo deystviya massovogo vzryva [Assessment of a mass explosion seismic effect]. Sbornik. Problemy i perspektivy kompleks-nogo osvoyeniya i sokhraneniya zemnykh nedr. Mezhdunar. nauchnaya shkola akad. K. N. Trubetskogo - Collection. Problems and prospects of the complex development and conservation of the Earth's interior. Int. academic school of acad. K.N. Trubetskoy. Moscow: Institute of integrated subsoil development. RAS. [in Russian].
9. Yeremenko, A.A., Fedorenko, A.I., & Kopytov, A.I. (2008). Provedeniye i krepleniye gornykh vyrabotok v pozharoopas-nykh zonakh zhelezorudnykh mestorozhdeniy [Carrying out and supportinging of mine workings in rock shock hazardous zones of iron ore deposits]. Novosibirsk: Nauka [in Russian].
