Обоснование и разработка минералосберегающих геотехнологий добычи ценного самоцветного сырья с использованием буровзрывных работ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Науки о Земле

УДК 622.7 (073)

Воронов Евгений Тимофеевич Evgeny Voronov

Бондарь Ирина Алексеевна Irina Bondar

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МИНЕРАЛОСБЕРЕГАЮЩИХ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ ДОБЫЧИ ЦЕННОГО САМОЦВЕТНОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ

SUBSTANTIATION AND DEVELOPMENT OF MINERAL-SAVING GEOTECHNOLOGIES OF VALUABLE SEMIPRECIOUS RAW MATERIALS EXTRACTION WITH THE USE OF DRILLING AND BLASTING OPERATIONS

Приведены «щадящие» технологии добычи самоцветного минерального сырья на примере месторождений Забайкалья. Обоснованы принципы обеспечения сохранности кристаллического и поделочного самоцветного сырья на основе снижения сейсмического воздействия буровзрывных работ на стадии вскрышных и добычных горных работ. Приведено теоретическое обоснование применения экранирующей контурной щели и безопасных расстояний шпуровых зарядов до продуктивной зоны самоцветного кристаллосырья в процессе очистных работ

Ключевые слова: камнесамоцветное сырье, турмалин, кристаллосберегающие геотехнологии, буровзрывные работы, продуктивная зона, экранирующая щель, контурное взрывание

In the article «spare» technologies of semiprecious mineral raw materials extraction on the example of Transbaikal deposits are described. The principles of ensuring the preservation of crystalline and ornamental semiprecious raw materials on the basis of reduction of the seismic action of blasting at the stage of stripping and mining of mining operations are justified. The theoretical substantiation of screen crack and safety distances of blast hole charges use to the productive zones of semiprecious crystalline raw materials in the process of clearing works is given

Key words: semiprecious stone minerals, tourmaline, crystal-saving geotechnologies, technology of blasting, productive area, screen crack, contour explosion

В конце ХХ в. в Восточной Сибири открыт ряд уникальных месторождений ценного ювелирного и камнесамоцветного сырья (Малханское месторождение цветного турмалина; Инаглинское месторождение ювелирного хромдиопсида; месторождение чароита «Сиреневый камень» и др.). При всем

разнообразии как самих полезных ископаемых с точки зрения их свойств, характеристик, практического использования, так и их генезиса и условий залегания, все они объединяются одним общим к ним требованием со стороны промышленности — они должны извлекаться из недр неповрежденными.

Поэтому одной из главных проблем при добыче ювелирных и поделочных камней является обеспечение максимальной кристаллосохранности, их естественной целостности и монолитности. Учитывая, что подавляющее большинство камнеса-моцветного и ювелирного сырья залегает в крепких вмещающих породах, требующих применения буровзрывных работ, особую актуальность приобретает разработка «щадящих» технологий разработки таких месторождений. Применение высокобризантных взрывчатых веществ для месторождений самоцветов губительно из-за образования макро- и микротрещин, препятствующих использованию ценного ювелирно-поделочного сырья по своему назначению.

Для добычи облицовочного камнесамо-цветного сырья (турмалина, хромдиопсида, чароита, нефрита и т.д.) широко применяется буроклиновый способ [1-3]. Однако данный способ отличается большой трудоемкостью и значительной продолжительностью горноподготовительных и очистных работ.

Для добычи камнесамоцветного сырья в крепких породах применяются щадящие буровзрывные технологии. В настоящее время имеется много работ, посвященных проблеме управления действием взрыва [7-11]. Наиболее эффективным способом снижения действия взрыва на камнесамо-цветное сырье является предварительное проведение экранирующей щели. Экранирующая щель проходится при помощи малых зарядов ВВ, расположенных в скважинах, пробуренных на небольшом расстоянии друг от друга так, чтобы действие этих зарядов ограничивалось межскважинным пространством и не затрагивало контурной части продуктивных зон.

За последние годы в отечественной литературе [7-11] опубликован ряд статей и монографий, в которых установлено, что большое влияние на снижение негативного влияния взрыва на качество камнесамо-цветного сырья оказывает экранирование взрывных волн, достигаемое созданием вокруг зарядов зоны разрыхленной зоны. Однако используемые методы сейсмобезо-

пасной технологии ведения взрывных работ, основанные на прогрессивном экранированном взрывании, и ее технологические схемы не учитывают совокупное влияние процессов экранирования на области, расположенные до экрана, за экраном и в самом экране.

Теоретическое обоснование рациональных способов защиты ценного самоцветного сырья от действия взрывных работ проведено на примере открытой разработки Малханского месторождения цветного турмалина.

Специфика и высокая стоимость ювелирного сырья потребовали особого подхода к технологии добычи цветного турмалина. Параметры БВР при вскрытии должны обеспечить минимальную передачу энергии в продуктивную зону. Для разработки месторождения обоснована комбинированная кристаллосберегающая технология, предусматривающая: а) щадящие параметры БВР при проходке врезной траншеи, снижающие влияние сейсмовзрывных волн на продуктивную турмалиноносную зону; б) безвзрывную отбойку пегматитовой жилы с использованием невзрывных разрушающих составов (НРС) для осторожного вскрытия турмалиноносных гнезд (миарол) и ручной выборки кристаллического сырья.

Для снижения негативного влияния взрывных работ при проходке врезной траншеи нами обоснован и испытан комплекс следующих защитных мероприятий: взрывание контурных шпуровых зарядов на безопасном расстоянии от продуктивной зоны; предварительное формирование экранирующей щели между врезной траншеей и продуктивной жилой для гашения сей-смовзрывных волн; применение шпуровых зарядов с серповидными зазорами, расположенными в направлении турмалинонос-ной пегматитовой жилы.

Базируясь на теоретических представлениях Б.Н. Кутузова, В.Н. Мосинца и В.Н. Тюпина [4-6] о разрушении горного массива взрывом, нами проведено исследование и обоснование безопасного расстояния контурных шпуровых зарядов до продуктивной турмалиноносной зоны.

При взрывании зарядов ВВ в массиве горных пород формируется поле напряжений, интенсивность которого убывает с расстоянием в зависимости от физико-технических свойств взрываемого массива и параметров БВР. На открытых и подземных горных работах определяющим разрушающим фактором является квазистатическое давление продуктов детонации при взрыве, которое обеспечивает упруго-пластические деформации горного массива. При этом «пластические» деформации происходят на берегах естественных макро- или микротрещин, а упругие деформации в отдельностях массива горных пород на зернах минералов.

Для условий Малханского месторождения при выборе безопасного расстояния от отбойных зарядов ВВ до охраняемой продуктивной зоны можно использовать закон геометрического подобия. Поскольку массив пегматитов Малханского месторождения является практически монолитным по отношению к диаметру отбойных шпуров (40 мм), то можно сказать, что характер деформационных процессов в таком массиве определяется параметром микротрещи-новатости как трещин II порядка.

Величина относительных деформаций трещиноватого массива определялась по формуле

в • ря • аи

р • с • г

/1 л—

V 1 -и

• ф05 -

¡лР

рс2

ф.

(1)

Для условий Малханского месторождения Р = 0.

Величина -л— при взрывании в моно-

1 - —

литных массивах равна 0, так как эффект трения наблюдается между естественными отдельностями при их перемещении под действием взрыва.

На основании анализа литературы и натурных наблюдений рост микротрещин, вероятно, будет происходить в том случае, если на первой стадии нагрузки микротрещины будут закрываться. После снятия нагрузки, в результате упругой реакции, трещины раскрываются с увеличением их длины. То есть предельная величина деформации будет равна

5

(2)

где Я — средняя величина раскрытия микротрещин в горной породе до взрыва;

ёсм — среднее расстояние между микротрещинами.

Учитывая сказанное, безопасное расстояние от взрываемых шпуров, свыше которого рост микротрещин не будет на-блю даться, определялось из (1) и (2) по формуле

= р • ре • dш ^ ф

(3)

где Б, Р ёш — соответственно, скорость детонации, плотность заряжания, диаметр шпура (скважины);

р, с, р, V — соответственно, объемная масса, скорость продольной волны, коэффициент трения и коэффициент Пуассона образца горной породы;

г — расстояние от заряда (группы зарядов) до рассматриваемой точки;

Ф — показатель трещиноватости горного массива;

Р — величина горного давления в массиве.

8 р • с •£„

В формуле (3) Иб определяется при взрыве одиночного шпура в полубезграничном массиве. При последовательном корот-козамедленном взрывании групп зарядов ВВ, находящихся вблизи открытой поверхности необходимо правую часть (3) умножить на К1, К,Ш), К

п1' 1 ^ ' ' от.

То есть ( 3) необходимо переписать в

виде

К • Р • р ■ dш • ф 0,5

8 Р^с •£„

Кп1 • К1 • (N) • Ко

(4)

Коэффициент усиления действия взрыва группы зарядов ВВ для условий Малханского месторождения составляет Кп1 = 2...3, коэффициент усиления при короткозамед-ленном взрывании К1(М) = 2.3. Коэффициент отдачи, который определяет, какая

8

часть энергии перераспределяется в законтурную часть массива равен

Кот = (1-

an )0,5

2W

(5)

где а, W — соответственно, расстояния между шпурами и ЛСПП;

* о

п — число взаимодействующих зарядов в группе (п*=о-1 ).

При ведении взрывных работ на Малхан-ском месторождении обычно a = W, п* = 3.

На основании экспериментальных работ для расчета безопасного расстояния вскрывающих короткозамедленных шпуровых зарядов нами рекомендована упрощенная формула

Яб = 2

D • P • dm . 10 2,

р-с '

(6)

где D — скорость детонации, м/с;

Рв — плотность заряжения, кг/м3; dш — диаметр шпура, м; р — объемная масса горного массива,

кг/м3;

с — скорость продольной волны в массиве, м/с.

Свыше этого расстояния нарушения микроструктуры кристаллического сырья происходить не будет.

Согласно разработанной технологии, для обеспечения сохранности ценного кристаллического сырья вначале взрывают группу оконтуривающих шпуров, затем, — короткозамедленно, — отбойные шпуры во въездной траншее.

Экспериментальными исследованиями в производственных условиях установлено, что для условий Малханского месторождения безопасное расстояние от контурных шпуров составляет 1,5...2,0 м. Численные значения параметров D = 4,2 х 103 м/с. Подставляя эти значения в (6), получим Rбк = 1,65 м, что указывает на достоверность полученной формулы.

На основании математических расчетов для различных ВВ (аммонит 6ЖВ, де-тонит М, аммонит скальный № 1 и угленит Э-6) нами получена зависимость безопасного расстояния контурных зарядов от продуктивной зоны ^ ) от скорости детонации ВВ (рис. 1).

*

I I I iii"^

0 1 2 3 4 5 6 D-103, м/с

Рис. 1. Зависимость безопасного расстояния R6k от скорости детонации ВВ

Анализ полученных данных показывает, что ВВ с высокими детонационными характеристиками (скальный аммонит № 1, детонит М) наиболее сильно разрушают ок-

ружающий массив. Наименьшее разрушение создает малобризантное ВВ угленит Э-6.

Дополнительным способом защиты кристаллосырья является предварительное

формирование экранирующей щели. Для оценки влияния щели на степень снижения напряжения решена задача на основе закона сохранения энергии.

Упругая составляющая энергии падающей волны деформаций С^) расходуется на деформирование разрушенных взрывом пород в контурной щели (Wщ) и упруго-пластические деформации массива за пределами щели (Wпр), что изображено на рис. 2. То есть формула имеет вид

W = W + W

у щ пр

(7)

Упругая составляющая энергии падающей волны равна

у 2Е 1 '

(8)

где а (г) — напряжение на фронте волны деформаций вблизи щели;

E — модуль упругости горной породы; г 1 — расстояние от зарядов до щели; 5 — элементарная площадка, перпендикулярная направлению действия взрыва.

Рис. 2. Схема к определению потерь энергии взрыва на контурной щели: 1 - контурная щель; 2 - отбойка заряда ВВ; 3 - граница, за которой нарушения породы отсутствуют (продуктивная зона)

Потери энергии волны деформаций в щели определяется по формуле

К = Нщ Б

щ ^ е щ щ

(9)

Ж = а ФгБ

пр 2Е

(10)

где а2 — напряжение в волне деформаций на дальней от зарядов ВВ границе щели;

Ер— модуль упругости кусков породы в щели;

Фщ — показатель деформируемости массива щели;

Нщ— ширина образованной щели.

Затраты энергии на упруго-пластические деформации массива за пределами щели определяются по формуле

где Ф — показатель деформируемости горного массива за щелью;

г — текущее расстояние от щели. Подставляя (8-10) в (7) и решая уравнение, получим величину отношения напряжений в падающей волне деформаций к прошедшей через контурную щель, которая с учетом того, что Е

( г )

Ф Н

щ щ

» Е имеет вид

Л0,5

+ Ф •

(11)

'1 '1 У

Проанализируем численно степень влияния параметров щели на снижение ве-

2

г

личины напряжения в волне, прошедшей через щель.

Показатель деформируемости щели Фщ можно определить через коэффициент разрыхления, который равен 100...150 (125 в среднем); Нщ = 0,05 м, г = 1,0 м (из опыта ведения взрывных работ), Ф = 6, пусть г « г1. Подставляя эти численные значения в (11), получим численное значение величины в скобках, равное 3,5. То есть напря-

жение на фронте волны деформаций после прохождения щели снижается в 3 раза. Эти данные подтверждаются экспериментальными исследованиями в условиях Малхан-ского месторождения [12].

Графическое изменение напряжения на фронте волны деформаций при переходе ее через экранирующую щель представлено на рис. 3.

з

-г-

т"

5

Г;м

Рис. 3. Характер изменения сжимающего напряжения впр при

переходе через контурную щель: 1 - местоположение щели; г - расстояние от зарядов ВВ

Анализ графика (рис. 3) показывает, что даже небольшая щель мощностью 0,05 м в несколько раз снижает величину напряжения. Наиболее эффективно управлять процессом поглощения волн деформаций путем увеличения ширины щели и степе -нью раздробленности породы в щели, что характеризуется показателем Ф.

Защита продуктивной зоны Малханско-го месторождения осуществлялась с учетом зональной турмалиноносности пегматитовых жил путем создания экранирующей щели (зоны рыхления) в приконтактной зоне, т.е. на границе врезной траншеи и продуктивной зоны [13, 14].

Экранирующие щелевые врубы представляют собой слой разрыхленных взрывом пород и располагаются между про-

дуктивной зоной и основным зарядом В В для проходки врезной траншеи. Заряды, используемые для образования экранирующих врубов, имеют значительно меньшую массу, чем основные заряды, и действие их является более «безопасным» для продуктивной зоны. Экранирующее действие щелей и врубов основано на отражении энергии падающей волны от поверхности раздела двух сред с различными акустическими жесткостями и значительным поглощением энергии в разрушенном слое.

По данным производственных исследований, оптимальные параметры БВР для формирования экрана ( расстояние между шпурами и масса ВВ на 1 м шпура) имеют следующие значения: расстояние между шпурами 0,4 м, масса заряда на 1 м шпу-

ра 0,6...0,8 кг. Причем большие значения принимаются для создания разрушенного слоя, а меньшие — для создания щели. Глубина шпуров, создающих экран, должна быть на 1... 2 м больше глубины основных

Литература_

1. Карасев Ю.Г., Бакка Н.Т. Природный камень. Добыча блочного и стенового камня. СПб., 1997. 428 с.

2. Карасев Ю.Г. Технология горных работ на карьерах облицовочного камня. М.: Недра, 1995. 198 с.

3. Бакка Н.Т., Редчиц В.С. Особенности добычи блоков камня с помощью НРС // Экспресс-информация. М.: ВНИИЭСМ, 1991. Вып. 1. 32 с. Сер. Промышленность нерудных и неметаллорудных материалов.

4. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. М.: Недра, 1976. 190 с.

5. Кутузов Б.Н., Тюпин В.Н. Определение размеров зон деформирования трещиноватого массива взрывом заряда ВВ // Изв. Вузов. Горный журнал. М., 1983. № 4. С. 53-59.

6. Тюпин В.Н. Определение безопасных расстояний при ведении взрывных работ вблизи искусственных и естественных полостей в трещиноватых массивах горных пород // Вестник ЧитГУ. Чита: ЧитГУ, 2004. № 36. С. 121-129.

7. Ханукаев А. И. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом. М.: Недра, 1974. 224 с.

8. Кутузов Б.Н. Взрывные работы. М.: Недра, 1980. 286 с.

9. Волох А. С. Основы управления действием взрыва с помощью экранирования. М.: Наука, 1988. 224 с.

10. Петросян М.И. Разрушение горных пород взрывной отбойкой. М.: Недра, 1991. 143 с.

11. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Моделирование действия взрыва при разрушении горных пород. М.: Недра, 1990. 231 с.

12. Воронов Е.Т., Найданов К.Ц. Кристаллос-берегающие технологии разработки месторождений цветного турмалина // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). М., 2007. Т. 1. № 12. С. 119-125.

шпуров, предназначенных для рыхления массива. В этом случае обеспечивается надежное экранирование нижней части продуктивной зоны.

_References

1. Karasev Yu.G., Bakka N.T. Prirodnyi kamen. Dobycha blochnogo i stenovogo kamnya. (Natural stone. Production of block and stone wall). SPb., 1997.428 p.

2. Karasev Yu.G. Tekhnologiya gornykh rabot na karierakh oblitsovochnogo kamnya. (Technology of mining operations in the quarries of facing stone). M.: Nedra, 1995. 198 p.

3. Bakka N.T., Redchits V.S. Ekspress-infor-matsiya. (Express-information). M.: VNIIESM, 1991. Vyp. 1. 32 p.

4. Mosinets V.N. Drobyashchee i seismicheskoe deistvie vzryva v gornykh porodakh. (Splitting and seismic action of explosion in the rocks). M.: Nedra, 1976.190 p.

5. Kutuzov B.N., Tyupin V.N. Izv. Vuzov. Gornyi zhurnal. (News of institutions. Mining magazine). M., 1983. no 4. P. 53-59.

6. Tyupin V.N. Vestnik ChitGU. (Transbaikal State University Journal). Chita: ChitGU, 2004. no 36. P. 121-129.

7. Khanukaev A.I. Fizicheskie protsessy pri ot-boike gornykh porod vzryvom. (Physical processes in the process of rocks striking by explosion). M.: Nedra, 1974. 224 p.

8. Kutuzov B.N. Vzryvnye raboty. (Blasting operations). M.: Nedra, 1980. 286 p.

9. Volokh A.S. Osnovy upravleniya deistviem vzryva s pomoshchyu ekranirovaniya. (Bases of management of the explosion effects using shielding). M.: Nauka, 1988. 224 p.

10. Petrosyan M.I. Razrushenie gornykh porod vzryvnoi otboikoy. (Explosive rock breaking by striking). M.: Nedra, 1991. 143 p.

11. Borovikov V.A., Vanyagin I.F. Modelirovanie deistvie vzryva pri razrushenii gornykh porod. (Modeling of explosion in the destruction of rocks). M.: Nedra, 1990.231 p.

12. Voronov E.T., Naidanov K.Ts. Gorny informatsionno-analiticheskii byulleten ( nauchno-tekhnicheskiizhurnal). (Mining information-analytical bulletin (Scientific and technical magazine). M., 2007. Vol. 1. no 12. P. 119-125.

13. Воронов Е.Т. Кристаллосберегающая технология добычи цветного турмалина // Горный журнал. М., 2010. № 5. С. 42-44.

14. Воронов Е.Т., Бондарь И.А. Кристаллосбе-регающие технологии подземной разработки месторождений горного хрусталя // Горный журнал. М., 2011. № 3. С. 23-25.

13. Voronov E.T. Gorny zhurnal. (Mining journal). M., 2010. no 5. P. 42-44.

14. Voronov E.T., Bondar I.A. Gorny zhurnal. (Mining journal). M., 2011. no 3. P. 23-25.

Коротко об авторах_

Воронов Е. Т., д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия [email protected]

Научные интересы: безопасная технология подземных горных работ в условиях вечной мерзлоты, радиационная безопасность урановых рудников России

_Briefly about the authors

E. Voronov, doctor of engineering sciences, professor, RF Honored Science Worker, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: safe technology of underground mining in permafrost conditions, labour protection of geological exploration, radiation safety of Russian uranium mines

Бондарь И.А., канд. техн. наук, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия [email protected]

Научные интересы: безопасная технология подземных горных работ в условиях вечной мерзлоты; управление криогенными и тепловыми процессами в криолитозоне

I. Bondar, candidate of engineering sciences, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: safe technology of underground mining in permafrost conditions, monitoring of cryogenic and thermal processes in cryolithic zone