CC BY
23
УДК 622.235.5
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВЗРЫВНОЙ ОТБОЙКИ ЗАРЯДАМИ С ВОДЯНЫМ
КОЛЬЦЕВЫМ ЗАЗОРОМ
А.С. Кульминский, В.Н. Калмыков, М.В. Котик, О.В. Петрова
Представлены результаты модельных и натурных исследований возможности использования конструкции зарядов взрывчатых веществ с водяным кольцевым зазором для отбойки кимберлитов на подземных рудниках. Показано, что применение зарядов взрывчатых веществ с водяным зазором позволяет снизить пиковое давление ударной волны, негативное влияние взрывных работ, сохранность кристаллов, а также удельный расход взрывчатых веществ на подготовку рудной массы. Определены рациональные параметры конструкции зарядов.
Ключевые слова: подземная разработка, кимберлитовые месторождения Якутии, буровзрывные работы, скважинные заряды с водяным кольцевым зазором, моделирование, опытно-промышленные испытания.
В настоящее время добыча алмазов в России характеризуется снижением объемов открытых горных работ и ростом объемов запасов, приходящихся на подземный способ разработки, реализация которого осложнена горно-геологическими условиями, что обуславливает значительные инвестиции и высокий уровень операционных расходов. Анализ данных годовых отчетов по компании ПАО «АЛРОСА» показал, что наибольшее содержание алмазов приходится на кимберлитовые трубки Интернациональная, Мир и Айхал, отрабатываемые подземным способом [1]. Поэтому изыскание эффективных подземных геотехнологий на коренных месторождениях Якутии представляет актуальную задачу и будет определяться комплексным подходом, направленным, с одной стороны, на повышение извлекаемой ценности минерального сырья, и, с другой стороны, на снижение себестоимости добычи кимберлита подземным способом.
Одним из факторов возможного разрушения крупных кристаллов алмаза являются современные, высокопроизводительные технологии горных работ с использованием взрывов 16 %), при этом выход кондиционного сырья уменьшается на 20...40 %. При дроблении кимберлитовой руды на разных этапах появляется высокая вероятность техногенных сколов и повреждений наиболее ценных крупных алмазов, массой от 1.5 карат и выше, которые определяют более 90 % выручки от реализации товарной продукции [2, 3, 4]. Поэтому при подземной отработке кимберлитовых трубок Якутии наибольшую перспективность и актуальность с точки зрения сохранности кристаллов алмазов представляет направление совершенствования буровзрывных работ при сохранении требуемой эффективности взрывания.
Одним из путей повышения качества подготовки рудной массы взрывным способом является использование зарядов взрывчатого вещества (ВВ) с водяным кольцевым зазором, что подтверждается положительным опытом его применения на карьерах Якутии при отработке кимберли-товых месторождений. Использование водяного зазора обеспечивает так называемое «щадящее взрывание», что приводит по разным оценкам к повышению выхода неповрежденных алмазов на 20 %, снижению удельного расхода ВВ в 1,4 раза и в целом затрат на БВР на 20.. .30 % [5-7, 11].
В работах [8-10, 12, 13] предложен механизм разрушения кристаллов, даны оценки динамической прочности кристаллов, выявлены зоны повреждаемости кристаллов и заложены принципы и способы кристаллос-берегающей добычи. В основе лежит снижение максимальной динамической нагрузки на кристаллы, что достигается снижением удельного расхода ВВ, однако в обводненных массивах это приводит к увеличению размера кондиционного куска, что в последствии негативно отражается на сохранности кристаллов при первичной стадии обогащения (дроблении). Экспериментальные исследования показали, что заряды с водяным кольцевым зазором, также, как и заряды с малоплотным ВВ, приводят к снижению амплитудных характеристик при сохранении качества дробления.
Сдерживающими факторами широкомасштабного внедрения такой технологии являются недостаточная изученность процесса разрушения горных пород при наличии водяного кольцевого зазора, отсутствие методики обоснования технологических параметров буровзрывных работ (БВР) при подземной добыче алмазосодержащего сырья, учитывающую специфику взаимодействия продуктов детонации и массива при наличии водяного зазора.
Исследование механизма волнового нагружения пород в зарядной полости в процессе взрыва заряда ВВ в единичном шпуре без зазора, а также при наличии водяного и воздушного кольцевых зазоров производилось путем моделирования действия взрыва в программе АКБУБ АиТОБУЫ. В качестве уравнения состояния взрывчатого вещества использовано условие 1опев-"^1ктв-Ьее [14]
Р = А
1 ю
е" ^ + В
г \
1 ю
V ^,
е, (1)
V
яу
где V, А, В, Я1, Я2, ю - эмпирические коэффициенты; Е - внутренняя энергия в единице объема.
С целью обоснования оптимальных параметров технологии отбойки с использованием зарядов с кольцевым зазором, обеспечивающих требуемое качество подготовки рудной массы и снижение удельного расхода ВВ производилось моделирование действия взрыва рассредоточенного заряда производилось в осесимметричной постановке при следующих исходных условиях (рис.1): взрывчатое вещество - патронированный аммонит
№6ЖВ; конструкция заряда - сплошная и рассредоточенная; тип среды в кольцевом зазоре - вода, воздух; инициирование зарядов - одновременное.
Рис. 1. Схема моделирования действия взрыва зарядов различных
конструкций
Фиксация давления на фронте волны проводилась как на контакте «вода-порода» и «воздух-порода». Исходя из современных представлений о механизме взаимодействия продуктов детонации ВВ и массива пород, принципа автомодельности взрывов приняты следующие допущения:
- размер зоны разрушения прямо пропорционален величине импульса взрыва и значению максимального давления ударной волны;
- затраты энергии (удельный расход ВВ) на отбойку руды обратно пропорционален прочностным характеристикам разрушаемых пород.
Графические зависимости давления от расстояния при разных диаметрах скважин показывают, что давление на фронте ударной с увеличением диаметра с 76 до 126 мм скважин уменьшается в 1,72 раза, что объясняется ростом зазора (рис. 2). С увеличением расстояния между патронами ВВ давление в ближней зоне (датчик 1) не изменяется (рис. 3, 4), а давление между зарядами для ^п=200 мм и ^п=600 мм снижается и на расстоянии от центра заряда 200 мм существенно уменьшается, что может привести к неравномерному дроблению массива по длине заряда (рис. 4).
Оптимальной конструкцией заряда (диаметр заряда, расстояние между патронами, величина водяного зазора), обеспечивающей требуемое качество дробления, является конструкция, когда во всех точках зарядной полости шпура давление гидроударной волны превышает динамические прочностные характеристики пород и исключает негативное воздействие на кристаллы алмазов. В связи со значительными различиями прочностных
свойств кимберлита и кристаллов алмаза в качестве определяющего критерия разрушения принимается динамическая прочность кимберлита.
Рис. 2. Графики зависимости Ртах от диаметра скважины на контакте "порода - вода " (схема 1-1-1-1-1)
Рис. 3. Графики зависимости Ртах на контуре шпура (схема 1-0-1-0-1)
Рис. 4. График зависимости максимального давления на контуре шпура
от расстояния между патронами
Моделирование действия взрыва с кольцевым зазором, заполненным водой, производилось для четырех размеров диаметра скважины 76; 88; 116; 126 мм и при расстояниях между патронами ВВ Яп=0; 200; 400; 600 мм. Значения давления на фронте ударной волны фиксировались на границе «вода-порода», точки фиксации давления указаны на рис. 5.
Для оценки влияния типа среды в кольцевом зазоре и размера водной оболочки проведены модельные исследования по определению величины максимального давления ударной волны (Ртах) при взрыве зарядов в скважинах разного диаметра, что позволяет установить зависимость Ртах от типа среды и размеров зазора, а также выявить закономерности изменения давления ударной волны с расстоянием.
Вариант 1 Вариант 2
Заряд ВВ Заряд ВВ
Рис.5. Схема моделирования распространения взрывной волны
в массиве горных пород
Исследование закономерностей затухания взрывной волны проводилось при взрывании сплошных и рассредоточенных зарядов с кольцевым зазором, заполненным водой или воздухом, и без кольцевого зазора - сечение скважины заполнено взрывчатым веществом. Моделирование взрыва производилось для пяти размеров диаметра скважины (шпура) 32; 76; 88; 116; 126 мм. Точки фиксации давления располагались на расстояниях от оси заряда 50.. .1400 мм (14 точек фиксации с шагом 50 мм) (рис. 5).
По результатам моделирования получены графики затухания волны сжатия в массиве, которые приведены на рис. 6.
Анализ результатов моделирования показал, что применение кольцевого зазора позволяет снизить пиковое давление на фронте ударной волны в ближней зоне действия заряда (100.500 мм от оси заряда) в 2-7 раз по сравнению с зарядом без зазора, что обеспечивает уменьшение размеров области переизмельчения пород в ближней зоне. В свою очередь, различие в величинах давления при взрыве зарядов с кольцевыми зазорами, заполненными водой и воздухом, на расстояниях от оси заряда 100. 500 мм, составляют 1,2-1,6 раз. Из полученных данных следует, что применение зарядов уменьшенного диаметра с кольцевым зазором позволяют снизить линейную плотность заряда с 15,5 до 0,8 кг/м и уменьшить удельный расход ВВ.
Анализ значений максимального давления в зарядной камере при наличии кольцевого водяного зазора показывает (рис. 7, 8), что в пределах исследуемого диапазона его размер оказывает влияние на величину пикового давления.
1,40Е+0б 1,201'106 1,00Е+06
ей
* 8,01Е+05
<и
| 6,01Е+05
н
ра
е|4,01Е+05 2,01Е+05 1,00Е+03
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
Расстояние от оси заряда, мм
Рис. 6. Графики зависимости максимального давления волны сжатия в горном массиве от расстояния при взрыве заряда ВВ (йз=32 мм)
в скважине 76 мм
Диаметр скважины 76 мм
-•—Заряде кольцевым водным зазором -•—Заряд без кольцевого зазор;
1
—«— =1= • *
Так, для зазоров размером 22, 28, 42, 47 и 81 мм давление снижается с 5,2-105 до 3,2-105 кПа, что позволяет рекомендовать при выборе диаметра зарядов и скважин для данной технологии отбойки ориентироваться на применение штатного бурового оборудования, обеспечивающего соотношение ёск:ёзар= 2:3,5 исходя из технико-экономических соображений.
0,0Е+00 Расстояние от стенки скважины до датчика, мм
50 100 150 200 250 300
ей
5,5Е+05 5,0Е+05
§ 4,5Е+05
К
§ 4,0Е+05
и
« 3,5Е+05
3,0Е+05
7 10 13 16 19 22 Диаметр скважины, см
Рис. 7. График зависимости избыточного давления при взрыве заряда ВВ в разных средах и в скважинах диаметром 76...200мм от пройденного расстояния в массиве
Рис. 8. График зависимости
максимального давления в массиве пород от диаметра скважины при взрыве заряда ВВ диаметром 32 мм
Вывод о влиянии размера кольцевого зазора подтверждается результатами исследований, в которых использовались заряды других диаметров - 60 и 90 мм (рис. 9). Максимальное давление ударной волны при зарядах диаметром 32 мм в скважинах диаметром 76, 88, 116 и 126 мм находится в интервалах (5,0.. ,5,2)-105 МПа.
По результатам модельных исследований механизма взаимодействия нескольких зарядов с кольцевым водяным зазором радиус зоны дробления может быть найден по зависимости
-(0,004^кв -1,533)
г =
V
и
(41,511-е
0,0056^,
)-107
(2)
где [Р] - динамический предел прочности горной породы, кПа; dскв - диаметр скважины, м.
Испытания шпуровой отбойки зарядов с водным кольцевым зазором различной конструкции (рис. 9) проводились на участке стыковочной ленты №10 (ниже уровня почвы находятся ранее отработанные и заложен-
ные твердеющей закладкой заходки) в слое №10 (отметка +127 м) длиной около 7,5 метров в условиях подземной отработки Айхальского месторождения.
9,1Е+05
8,1Е+05
7,1Е+05
6,1E+05 й
^ 1Е+05
К И
§ , 1Е+05 и
й «
3,1Е+05 2,1Е+05 1,1Е+05 1,0Е+04
\ \ \ \
' 1 ! \
■ \ \ \ 9 \ \ \\ 1
\\ » •. . \ \ V \ \ I 1 1 1
V "1 * К
___ \\\\ к ч.
1 V \ 'Я \ ____ Г ч. N. Гч
V Ч \ ••. V «V* - \ ^ —ч— N Ч ■ч V
Л И
1 . р^-Ь
- • — dскв=74
--- dскв=88
-----dскв=116
....... dскв=126
---dскв=200
—■ -dскв=76; •••«••• dскв=88; —■—dскв=116
- Ш — dскв=126 ••••А— dскв=116
- А -dскв=126
dз=32 dз=32 dз=32 ; dз=32 ; dз=32 dз=60 dз=60 ; dз=60 dз=60 dз=90 dз=90
50 100 150 200 250 300 350 400 450 Расстояние от стенки скважины до датчика, мм
500
0
Рис. 9. График зависимости параметров взрывной волны в массиве, пород от расстояния при взрыве зарядов с кольцевым водяным зазором
Для зарядки шпуров использовался патронированный аммонит № 6 ЖВ. Диаметр патронов ВВ - 32 мм, длина патронов - 300 мм. По результатам проведенного эксперимента отмечаются высокое качество отбойки, достаточно хорошее дробление кимберлита, снижение удельного расхода ВВ на отбойку на величину более 60 % (табл. 1).
Таблица 1
Расчётный (проектный) и фактический удельный расход ВВ при различных способах взрывания кимберлита
Теоретически рассчитанный для обычного взрывания Опытный Опытный взрыв №2
Наименование взрыв №1 Сплошной заряд ВВ 032 мм (5 патронов на шпур) Рассредоточенный заряд с воздушным кольцевым зазором (3 патрона на шпур) Рассредоточенный заряд с водяным кольцевым зазором (2 патрона на шпур)
Удельный
расход ВВ, кг/м3 1,12 0,670 0,520 0,360
кг/т 0,46 0,275 0,210 0,148
% снижения расхода ВВ 0,0 40,0 53,6 67,9
Для подтверждения полученных выводов об эффективности водяного кольцевого зазора при шпуровой отбойке были проведены опытно-промышленные испытания (ОПИ) скважинной отбойки на слое руды, отбиваемого веерными нисходящими скважинными зарядами диаметром 89 мм длиной до 7,8 м в трапециевидных камерах переходной зоны. В рамках испытаний проведено два опытных взрыва, при которых объем взрываемой массы составлял соответственно 100 и 111 м , результаты которого приведены в табл. 2.
Оценка экономической эффективности скважинной отбойки с водяным кольцевым зазором показывает, что снижение себестоимости отбойки 1 м кимберлита за счет снижения удельного расхода ВВ составляет 17,28 рублей, что в 3,38 раза меньше, чем при скважинной отбойке со сплошным зарядом без зазора.
Таблица 2
Фактические показатели опытно-промышленных испытаний скважинной отбойки с водным кольцевым зазором
№ п/п ПОКАЗАТЕЛИ Единица измерения Опытный взрыв №1 100 м3 Опытный взрыв №2 111 м3
1 Диаметр скважины мм 89 89
2 Общая длина скважин м 36,8 47,7
3 Общая длина заряда м 32,5 -
4 Количество скважин шт. 8 9
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5
5 Подлежит заряжанию шт. 8 9
6 Количество взрывчатых материалов: а) взрывчатые вещества кг 42,0 44,0
б) детонирующий шнур м 70 91
7 Общий удельный расход взрывчатых веществ (скважины №1-8), при объеме отбиваемой массы У=100 м3 кг/т кг/м3 0,17 0,42 0,16 0,39
8 Удельный расход взрывчатых веществ (скважины №1-4), при объеме отбиваемой массы У=42 м3 кг/т кг/м3 0,22 0,54 0,22 0,54
9 Удельный расход взрывчатых веществ (скважины №5-8), при объеме отбиваемой массы У=58 м3 кг/т кг/м3 0,14 0,33 0,13 0,31
10 Способ заряжания Ручной
11 Способ взрывания Электрический
Анализ результатов моделирования и ОПИ зарядов ВВ с водяным зазором позволил сделать следующие выводы для условий скважинной отбойки кимберлитов:
- использование водяного кольцевого зазора позволяет снизить пиковое давление на фронте ударной волны в ближней зоне действия заряда (100.. .500 мм от оси заряда) в 2-7 раз;
- по условию обеспечения максимального давления на контакте «вода-порода» при взрыве заряда ВВ диаметром 32 мм максимально эффективная величина зазора составит 2,5 см;
- минимально допустимое соотношение диаметра скважины к диаметру заряда составит 2,5;
- наиболее эффективной конструкцией заряда с водяным кольцевым зазором является рассредоточенный заряд (1-0-1-0-1);
- снижение удельного расхода ВВ более чем в 2 раза.
Список литературы
1. Горячев Б.Е. Технология алмазосодержащих руд. Алмазы, кимберлиты, минералы кимберлитов. Минерально-сырьевая база алмазодобывающей промышленности мира: учебник. М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. 326 с.
2. Буровзрывные работы на кимберлитовых карьерах Якутии / И.Ф. Бондаренко, С.Н. Жариков, И.В. Зырянов, В.Г. Шеменёв. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2017. 172 с.
3. Макарский И.В., Бондаренко И.Ф., Алдонин Е.И. Оценка степени техногенного воздействия на сохранность алмазной продукции // Обогащение руд. 2012. N. 3. 24 с.
4. Патушинская Н.Д., Сельдищева Е.Б. Методика оценки повреждаемости алмазов в технологических процессах // Геология, вещественный состав и методы исследования руд благородных и редких металлов: труды Иргиредмет. 1978. Вып.32. С.47-52.
5. Жариков С.Н., Шеменёв В.Г. О движении продуктов взрыва в массиве горных пород // Взрывное дело. 2012. № 108/65. C. 106-116.
6. Бондаренко И.Ф., Круцкий А.А. Влияние типа взрывчатого вещества на повреждаемость кристаллосырья // Теория и практика совершенствования технологий взрывных работ. Киев, 1990. С. 115-118.;
7. Состояние и научное обеспечение кристаллосберегающей технологии добычи алмазов / Л. А. Сафонов, А.А. Козеев, В.М. Зуев, А.Т. Ведин // Горный журнал. 1990. № 5. С. 18-19.;
8. Бондаренко И.Ф. Сравнительная оценка способов разрушения алмазосодержащих кимберлитов // Горный журнал. 1995. № 6. С. 25-27.
9. Боровиков В.А., Лексовский А.М., Калитин В.Т. Новые аспекты повышения сохранности алмазов при добыче кимберлитов // Горный журнал. 2006. № 6. С. 77-81.
10. Коноваленко В.Я. Прогноз техногенной повреждаемости кристаллов алмаза при взрывном способе добычи: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Якутск, 2002. 16 с.
11. Рец Д. С. Изыскание эффективных способов разрушения кимберлитов при подземной разработке алмазоносных месторождений: авто-реф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1993. 18 с.
12. Лапин А. А. Определение параметров способа щадящего взрывания обводненных трещиноватых массивов с целью повышения сохранности кристаллосырья: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 1993. 20 с.
13. Шустов Н.В. Взрывогидравлический способ разрушения твердых сред. М.: Недра, 1968. 47с.
14. E. Lee, M. Finger, W. Collins. JWL équation of state coefficients for high explosive. Lawrence Livermore laboratory, University of California, 1976.
Кульминский Алексей Сергеевич, зам. главного инженера по подземным работам, [email protected], Россия, Мирный, АК «АЛРОСА», ПАО «Институт «ЯКУТНИПРОАЛМАЗ»,
Калмыков Вячеслав Николаевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Котик Максим Вадимович, нач. отдела, [email protected], Россия, Магнитогорск, АО «РВС»,
Петрова Ольга Викторовна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова
MODELING AND EXPERIMENTAL TESTING OF EXPLOSIVE BURNING BY CHARGES WITH A WATER RING GAP
A.S. Kulminskiy, V.N. Kalmykov, M.V. Kotik, O.V. Petrova
The results of model and full-scale studies of the possibility of using the design of explosive charges with a water annular gap for breaking kimberlites in underground mines are presented. It is shown that the use of explosive charges with a water gap can reduce the peak pressure of the shock wave, the negative impact of blasting and the preservation of crystals, as well as the specific consumption of explosives for the preparation of ore mass. The rational parameters of the design of charges are determined.
Key words: underground mining, kimberlite deposits of Yakutia, drilling and blasting operations, borehole charges with a water annular gap, modeling, pilot tests.
Kulminskiy Alexei Sergeevich, vice head engineer, kulminskiyas@,alrosa. ru, Russia, Mirnyi, YSC «ALROSA», PSC «Institute "YAKUTNIPROMALMAZ",
Kalmykov Vecheslav Nikolaevich, doctor of technical science, professor, prmpiamagtu.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosova,
Kotik Maxim Vadimovich, head of the department, kotik. mv@,gmail.com, Russia, Magnitogorsk, YSC "RVS",
Petrova Olga Viktorovna, candidate of technical science, docent, petrova.1977 @,mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosova
Reference
1. Goryachev B. E. technology of diamond-containing ores. Diamonds, Kim berlay, minerals of kimberlites. Mineral resource base of the diamond industry of the world: textbook. M.: Izd. Dom MISiS, 2010. 326 p.
2. Blasting in kimberlite open pits of Yakutia / I. F. Bondarenko, S. N. Zharikov, I. V. Zyryanov, V. G. Semenov // Ekaterinburg: IGD Uro ran, 2017. 172 p.
3. Makarsky I. V., Bondarenko I. F., Aldonin E. I. Rating degree, or anthropogenic impact on the safety diamond products // "ore". No 3. (2012). 24 p
4. Petushinsky N. D., Sheldysheva E. B. Methods of assessment of damage to diamonds in technological processes // Geology, material composition and methods of the study of ores of noble and rare metals. Proceedings Of The Irgiredmet. Irkutsk, 1978. Vol.32. S. 4752
5. Zharikov S. N., Shemenev V. G. on the movement of explosion products in the massif of rocks / / Explosive case. 2012. No. 108/65. C. 106-116.
6. Bondarenko I. F., Crocky A. A. Effect of type of explosive on damage cristalleria // Theory and practice of improving the technology of blasting. Kiev, 1990. P. 115118.;
7. Status and scientific support kristallspiegelsaal the technology of extraction of diamonds / L. A. Safonov, A. A. Kozeev, V. M. Zuev, A. T. Vedin // Mining journal. 1990. No. 5. P. 18-19.;
8. Bondarenko I. F. Comparative evaluation of methods of destruction of diamond-containing kimberlites / / Mining journal. 1995. No. 6. Pp. 25-27.
9. Borovikov V. A., Leksovskii A. M., V. T. Kalitin New aspects of increasing the safety of diamonds in the kimberlite mining // Mining journal. 2006. No. 6. S. 77-81.
10. Konovalenko V. Ya. Forecast of technogenic damage of diamond crystals under explosive mining: abstract. dis. kand. tech. sciences'. Yakutsk, 2002. 16 S.
11. Retz, D. S. Finding effective ways of destruction Kim-beletov with underground mining of diamondiferous deposits: Avto-Ref. dis. ... Cand. tech. sciences'. Moscow, 1993. 18 C.
12. Lapin A. A. Definition of parameters of the gentle way of vacuum-tion of flooded fractured arrays with the aim of increasing save-ness of cristalleria : author. dis. ... Cand. tech. sciences'. St. Petersburg, 1993. 20 C.
13. Shustov N. In. Vzryvopodavlenija method of destruction of solid materials. M.: Nedra, 1968. 47s.
14. E. Lee, M. Finger, W. Collins. The JWL equation of state coefficients for high explosive. Lawrence Livermore laboratory, University of California, 1976.
