CC BY
31
СЕМИНАР І 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - I 2000"
.. МОСКВА, МГГУ, 3! января - 4 февраля 2000 года
Ц ^ К.Е. Виницкий, Г.Я. Воронков,
2000
ЕЕ; УДК 622.271.4.002.2:622.023.4
!! К.Е. Виницкий, Г.Я. Воронков
I ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ
ее ТЕХНОЛОГИЙ ПОДГОТОВКИ МАССИВОВ I КРЕПКИХ ПОРОД К ЭКСКАВАЦИИ
Р
азработка и внедрение нетрадиционных способов подготовки горных массивов к экскавации обусловливается необходимостью снижения издержек производства при подготовки горной массы к экскавации, доля которых в настоящее время доходит до 30 % от общих затрат, обеспечения высокопроизводительной работы выемочнопогрузочной техники, повышения качества продукции, уменьшения экологической нагрузки на территорию разрезов за счет сокращения объема используемых при разупрочнении ВВ [1].
Технология подготовки горных массивов к экскавации с помощью обработки их разупрочняющими растворами основана на свойствах адсорбционной среды обеспечивать при предварительной обработке горного массива снижение поверхностной энергии материала за счет компенсации поверхностных сил и постепенное зарождение и развитие микротрещин на основе локальной концентрации Таблица 1
деформаций и напряжений [2].
При практическом применении водных разупрочняющих растворов, снижающих прочностные свойства горных пород, влияющих на снижение энергетических затрат при разрушении и экскавации горного массива и уменьшающих абразивный износ, положительный эффект может быть достигнут при равномерном безнапорном распределении необходимого объема упомянутого раствора нужной концентрации в пористой структуре горного массива [3], что обуславливает формирование смачивающих и адсорбционных пленок на внутренней поровой поверхности породы, снижает поверхностную энергию материала, вызывает структурные изменения материала и снижает физикомеханические характеристики пород. Это достигается выполнением ряда технологических операций, параметры которых определены с учетом структурных, физико-механических и других характеристик пород и массива. Проведение технологических операций - бурение неглубоких заливочных скважин по определенной сетке,
заливка определенного количества ра-зупрочняющего раствора в заливочные скважины, приводит через некоторое время к тому, что прочность массива вокруг заливочных скважин снижается и массив готов к дальнейшим операциям. Применение без-взрывного или комбинированного способов подготовки массива при условии его последующей отработки экскаваторами, осуществляющих разрушение массива сколом [4], определяется прочностными свойствами пород и категорией взрываемости (табл. 1).
При физико-химическом разупрочнении углей и некрепких горных пород, когда снижение удельного сопротивления напряжению сдвига в массиве достигает уровня сдвигового напряжения, развиваемого экскаватором, используется безвзрывной способ подготовки горного массива к экскавации, т.е. полное исключение использования ВВ в цикле подготовки массива. В этом случае блок обурива-ется неглубокими скважинами по сетке 3 х 3 или 4 х 4 м. В заливочные скважины равномерно заливается ра-зупрочняющий раствор. Коэффициент обработки Кобр зависит от трещиноватости массива и принимается для слаботрещиноватых пород - 0.85, сильнотрещиноватых пород - 0.75.
Удельный расход раствора 5-7 литров на куб. м горной массы. Содержание активного вещества в разупрочняю-щем растворе не превышает 5-7 г на куб. м горной массы. Блок выдерживается в течение 4-7 суток, после чего подвергается экскавации ранее предназначенным экскаватором.
Этот способ применим для разупрочнения практически всех угольных пластов с прочностью на сжатие до 30 МПа., а также некоторых пород
УСТАНОВЛЕНИЕ ВИДА ТЕХНОЛОГИИ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ПОРОД УСТУПА
Породы Категория (класс) взры ваемости Расчетный удельный расход ВВ при БВР, кг/м3 Прочность на сжатие, МПа (крепость) Вид нетрадиционной технологии
Алевролиты, слабые аргиллиты, слабые песчаники, угли ! 0.12 - 0.18 10-30 (1-3 ) безвзрывная
Алевролиты, средн.крепости угли !! 0.18 - 0.27 20-40 (2-4) безвзрывная
Аргиллиты, песчаники !! 0.18 - 0.27 30-45 (3-5) комбинированная
Крепкие аргиллиты песчаники, известняки, долериты, граниты !1!-V1! 0.27 1.2 45 - 200 (5-20) комбинированная
вскрыши (например, алевролитов прочностью на сжатие до 40 МПа.), которые в настоящее время разупроч-няются способом БВР при использовании удельных расходов ВВ не более 0,27 кг/м3.
Производственные испытания и апробация такого способа [3,5,6] на угольных и породных блоках показали, что несмотря на отсутствие взрывной подготовки экскавация горной массы осуществлялась с пониженной энергоемкостью. Так, средняя энергоемкость разрушения породоугольного блока, разупрочненного физико-химическим способом, не превышала 65 Вт-ч/т, блока, разрыхленного буровзрывным способом - 90 Вт-ч/т, целика - более 180 Вт-ч/т. Производительность роторного экскаватора возрастала с 3200 до 4300 т/ч при работе на блоке, разупрочненном физи-ко-химичес-ким способом. Пылеобра-зование при разрушении и перегрузках уменьшается на 30-35 %. Применение сплошного физико-химического разупрочнения значительно улучшает показатели выемки крепких пород машиной послойного фрезерования КСМ-2000Р [7].
Для подготовки к экскавации горной массы крепких пород, когда физико-химическое разупрочнение не достигает уровня усилия резания экскаватора, используется комбинированный способ подготовки массива, сочетающий введение в массив растворов, которые уменьшают прочность горных пород и рыхление при помощи ВВ [3,6]. При этом физикохимическое разупрочнение горных пород следует рассматривать как один из факторов управления параметрами буровзрывной подготовки с целью по-
вышения ее эффективности, ресурсосбережения и снижения экологической нагрузки на среду [5]. При комбинированном способе подготовки физико-химическому воздействию подвергается не весь горный массив, как при безвзрывной подготовке, а только те области, которые в наименьшей степени подвергаются действию волн напряжений и находятся вне области управляемого взрывного трещинообразования. Такими областями являются центральные части в сетке взрывных скважин и области между поверхностью забоя экскаватора и первой линией скважин и верхняя часть блока, расположенная выше нижней кромки забойки [6].
При реализации способа комбинированной подготовки сетка взрывных скважин увеличивается, посредине сетки взрывных скважин бурятся неглубокие заливочные скважины, в которые заливается разупрочняющий раствор, после пропитки пород взрывные скважины заряжаются штатным зарядом ВВ и производится взрывание. Это позволяет экономить ВВ до 30-50 %, улучшить экологические условия, уменьшить объемы бурения при сохранении качества подготовленной к экскавации горной массы.
Последовательность технологических операций для таких технологий приведена в табл. 2. После разупрочнения этих зон производится взрывание зарядов. Волна напряжений от взрыва ВВ на некотором расстоянии от оси заряда проходит по разупроч-ненному массиву, вследствие чего увеличивается зона управляемого трещинообразования и разрушения вокруг каждого из зарядов.
Состав разупрочняющего раствора зависит от литотипа наиболее представительных пород уступа и их пористости (зернистости). Для пород с глинистым цементом в состав раствора должны входить одновалентные гидратированные катионы., для карбонатных пород - предпочтение следует отдать катионам, способствующих интенсификации процессов обменного комплекса [2]. Для улучшения смачиваемости, т.е. для снижения угла смачивания в состав раствора должны входить реагенты, повышающие рН среды. Такими реагентами являются, например, кальцинированная сода (№ 2 СО 3). Для большей гидрофилизации, т.е. для лучшей смачиваемости гидрофобных участков породы и особенно углей, а также для лучшей капиллярной пропитки пород помимо соды в раствор должны входить поверхностно-активные вещества. При этом ПАВ по своим свойствам должен быть смачивателем (гидро-фильно-липофильный баланс -баланс между полярными и неполярными группами в молекуле - должен быть у такого ПАВ 7-9). Такие ПАВ допущены к использованию в различных технологических процессах (при бурении скважин, в целлюлознобумажной, текстильной промышленности и пр.).
Объем раствора, необходимого для обработки массива, устанавливается исходя из значений удельных расходов раствора для пород с различной пористостью. Расход раствора в этом способе подготовки массива не превышает для пород 2.5 л литров на куб. м горной массы. 25 %.
При комбинированном способе разупрочнения массива расчетное
Таблица 2.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ РАЗУПРОЧНЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Технологическая операция
Технические средства и технологические параметры
Зачистка поверхности уступа
Бульдозер
Бурение заливочных и взрывных скважин
Приготовление разупрочняющего раствора
Заливка раствора в скважины
Буровые станки СБР, СБШ. Глубина заливочных скважин около 1/3 высоты уступа. Бурение заливочных скважин осуществляется на пересечении диагоналей сетки взрывных скУ^йВРСетка скважин устанавливается расчетом. ПАВ и др Составляющие в нЕКОшиУЕМАя!!^^
ливочной машины (УПМ), который заполняется водой. Раствор транспортируется на уступ. Массив Время выдержки,
Осуществляется в зали очные скважины через шланг при помощинасоса на УПМ или самотеком
Песчаники
5
Пропитка уступа
Заряжание и взрывание уступа
Выдержка уступа во вр> мешврЬл7#уток) Параметры взрыва уста н
6
Отработка разупрочненного уступа
угли
Отработка производится раннее определенным экскаватором.
7
увеличение расстояния между взрывными скважинами на уступе устанавливается на основе размеров сетки взрывных скважин, принятых на таких уступах при выполнении разупрочнения методом БВР, и определяется следующим образом:
акомб абврКф(Ссж.исх/Cсж.обр)Кобр,, м
где абр - сетка взрывных скважин на таком уступе в случае применения традиционного буровзрывного рыхления массива, м; Кф - коэффициент, учитывающий изменение физических условий прохождения взрывной волны по обработанному разупрочняющими растворами горному массиву, и равный:
Кф -(Соб/С исх)' (Уобр/^исх) X Х(1- V исх)/(1-Vобр),
где Собр, С исх; ^обр^исх ; @сж.обр., @сж.исх
- скорость продольной волны, коэффициент Пуассона, прочность на сжатие обработанных и исходных пород. К обр - коэффициент обработки, то есть отношение обработанной части уступа , расположенной вокруг заливочных скважин к объему всего блока. Глубина заливочных скважин принимается Н/3, где Н- высота уступа, м.
Изменения скорости продольной звуковой волны и коэффициента Пуассона для обработанных раствором пород по данным лабораторных исследований увеличиваются на 5 % от величин для пород в необработанном состоянии.
Время выдержки уступа Т после заливки для пропитки пород разупроч-няющим раствором в заливочные скважины устанавливается на основе данных о скорости впитывания и может быть оценено по формуле Т = 10 Тлаб В°’15, суток, где Тлаб - время лабораторной пропитки образца с характерным размером 0,04-0,05 м, при котором прочность снижается на 40-50 % в сутках, В - характерный размер естественной отдельности на подготавливаемом блоке. Время обработки может приниматься в соответствие с данными табл. 3. Если постоянная впитывания меньше, чем 1 см/час1/2, время гравитационной обработки увеличивается на 1 сутки.
Удельный расход ВВ на уступе, где может быть применена комбинированная технология разупрочнения, уменьшается по сравнению с БВР за счет увеличения расстояния между взрывными скважинами:
gкомб. gбвр (абвр/акомб) , КГ/м .
Удельный расход бурения для комбинированного способа ^комб. 1,40/Якомб. , пог. м/м
горной массы.
Объем апробации данных способов подготовки горных массивов к экскавации достигает 2,6 млн м3 горной массы. Проведение подготовки горного массива к экскавации комбинированным способом (ПАВ+ВВ) по вышеприведенному регламенту и параметрам позволяет экономить 2530 % ВВ, экономия бурения доходит до 15 % против БВР. Размер куска позволяет осуществлять номинальную производительность экскаватора. В табл. 4 приведены наиболее характерные показатели комбинированного способа подготовки массива к экскавации для уступов, сложенных песчаником с пределом прочности на одноосное сжатие 80 МПа.
Промышленная проверка комбинированного способа подготовки крепких вскрышных массивов к экскавации показала, что для осуществления такого способа предприятию необходимо осуществить дополнительные затраты в размере 16 коп/м3 горной массы (при этом на ПАВ и др. составляющие растворов расходуется только 25 %, на техническую воду - 15 %, а основные затраты, 60 %, приходятся на услуги транспорта, т.е. осуществление транспортирования разупрочняющего раствора на уступ и его разливка). Однако, благодаря сокращению расхода ВВ в комбинированном способе подго-товки - экономия ВВ составила более 26 %, общие затраты на подготовку 1 м3 горной массы были снижены почти на 40 коп., что на 22 % ниже удельных заётрат на подготовку массива способом БВР. Соответственно уменьшился экологический урон, наносимый буровзрывным способом. В акте испытаний отмечается также, что при комбинированном способе подго-тов-ки массива совершенно отсутствуют негабариты, дробление взорванной массы хорошее, объем взорванной массы отгружен полностью. Не отмечены случаи разубоживания угольного пласта.
Таблица 4
ФАКТИЧЕСКИЕ ОБЩИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА ПОДГОТОВКИ МАССИВА К ЭКСКАВАЦИИ В СРАВНЕНИИ С БВР
Основной литотип, крепость Песчаник, 8
Высота уступов, м 18-32
Диаметр скважин, мм 244
Спо- Сетка скважин, м 6 х 6
БВР Уд. расход ВВ, кг/м3 1.11
Объем блока, тыс. м куб 45
Объем блока, тыс. м куб 45
собы Ком- Сетка взрывных скважин, м 7 х 7
би- Сетка заливочных скважин, м 7 х 7
под- ни- Глубина заливочных скважин., м 6-14
Состав и концентрация раствора, % ПАВ (смачиватель АФ-12В) - 0.2 %
р°- Сода кальцинированная - 0.1 %
готов ван- Уд. расход раствора, л/м3 2.5
Время выдержки, сутки 7
ки ный Уд. расход ВВ, кг/м3 0.82
Дополнительные затраты, руб/м3 0.16
Относительные Экономия ВВ, % 26.1
Объем бурения 0.90
изменения Экологический урон Примерно 0.8
Экономия Снижение затрат, руб/м3, % 0.39 руб/м3, 22%
Совершенствование технологии подготовки горных массивов к экскавации путем использования разупроч-няющих растворов [3,6] повышает значение показателей добываемости
[8] и, соответственно, экономической эффективности.
Опыт апробации и освоения показывает, что основанные на физикохимическом разупрочнении без-взрывной и комбинированный спосо-
бы подготовки горных пород к экскавации на открытых работах [5] являются эффективными ресурсосберегающими и экологически выгодными техногенными процессами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ржевский В.В., Трубецкой К.Н., Задачи горной науки в области открытой разработки месторождений полезных ископаемых, ж. «Горный журнал», 1988 г, № 1 с. 21-23.
2. Воронков Г.Я., Разработка методов физико-химического разупрочнения горного массива для повышения эффективности открытых работ. Дис. .докт. техн. наук, М.: ИГД им. А.А. Скочинского , 1997.
3. Технологические основы разупрочнения горных массивов на открытых разработках угольных месторождений / К.Е. Виницкий, Г.Я. Воронков, Г.И. Марцинкевич, А.И. Шендеров, Р.М. Штейнцайг.
- М.: Изд. ИГД им. А.А. Скочинского, 1995, -36 с.
4. Штейнцайг Р.М., Воронков Г.Я., Берман А.В., Инженерные основы оптимизации параметров процессов механического разрушения/ж. Открытые горные работы, пилотный номер, Информэлектро, 1999, с. 65-68.
5. Краснянский Г.Л., Инженерные основы внедрения ресурсосберегающих технологий с использованием техники новых поколений/ ж. Открытые горные работы, пилотный номер, Информэлектро, 1999, с. 16-23.
6. Штейнцайг РМ., Воронков Г.Я., Нетрадиционные, экологически чистые способы управления состоянием горного массива и разупрочнения пород. - М.: ЦНИЭИуголь, 1995. - 44 с.
7. Кузнецов А.Г., Штейнцайг РМ., Воронков Г.Я., Шендеров А.И., Применение методов физико-химического разупрочнения массивов крепких горных пород при работе машин типа КСМ/ ж. Горная промышленность^ 4, 1997, с. 3-7.
8. Медников Н.Н., Анализ добывания полезных ископаемых открытым способом, В Сб.: Развитие теории открытых горных работ.
- М., МГИ, 1991, с. 161-172.
/■
W
ав
Виницкий Константин Ефимович —профессор, доктор технических наук, Институт горного дела им. А.А. Скочинского.
Воронков Георгий Яковлевич — доктор технических наук, Институт горного дела им. А.А. Скочинского
