CC BY
49
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 2. С. 328-333
= НАУКИ о ЗЕМЛЕ =
УДК 622.833/.838
Основные подходы повышения эффективности подготовки карбонатного массива к экскавации взрывным способом *
В.П. Сафронов, В.В. Сафронов, Р.В. Макаров
Аннотация. Совершенствование взрывного осуществляется через создание систем экранов из естественных систем трещин высшего иерархического уровня, путем создания в геологическом пространство блока уступа систем экранов, создания мембран и вспомогательных зарядов с последующим их взрыванием.
Ключевые слова: взрывные работы, эффективность взрыва, экранирование уступа, модель взрыва, экраны и мембраны взрывной скважины.
Ресурсный и системный подходы являются основополагающими при разработке стратегических планов по освоению недр. Использование таких подходов продиктовано велением времени, времени интенсивного и масштабного влияния человека на природную среду. Ресурсный и системный подходы позволяют при выработке технико-технологических решений выбрать такой вариант решения, который обеспечивает эффективную работу горного предприятия в конкурентной среде рыночной экономики при соблюдении законов.
Все процессы горного производства являются энергоемкими, особенно процесс отделения полезной массы от породного массива с предварительной его подготовкой тем или иным способом к экскавации.
В карьерах со скальными и полускальными породами применяются взрывной, механический и комбинированный способы подготовки породного массива к экскавации. В карьерах для разработки карбонатных массивов наиболее утвердился взрывной способ. Наряду с взрывным способом получает развитие механический и комбинированный способы подготовки породного массива к экскавации. Это связано в первую очередь с охранными зонами
* Работа выполнена в рамках Научно-образовательного центра «Проблемы рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов» при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)» (гос. контракт № 2.2.1.1/3942) и ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России (2009-2013)» (гос. контракт № 02.740.11.0319).
и желанием максимально извлечь балансовые запасы, так как это выгоднее, чем открывать новое месторождение с последующей его подготовкой к разработке. С позиции ресурсного подхода взрывной способ имеет значительные энергетические затраты. Затраты по карьерам составляют в среднем более 25% от общих затрат на добычные работы. При этом качество результатов БВР мало управляемо. Об этом свидетельствует объем отходов (18-21 % от единицы объема полезной массы) и объем выхода товарного щебня (55-63 %) из единицы объема полезной массы, подаваемой из забоя (данные по карьерам Тульской области).
Опыт эксплуатации карбонатных месторождений показывает, что взрывная подготовка сильно трещиноватого карбонатного массива к экскавации приводит к переизмельчению полезной массы, а при подготовке взрывом слабо трещиноватых породных массивов наблюдается повышенный выход негабаритных отдельностей, как правило, соответствующих размерам природных блоков (отдельностей). Следует отметить, что полезная толща карбонатных пород месторождений, например, центральной части России, состоит из слоев разной мощности в среднем от 0,1 до 0,8 м и отличаются между собой по параметрам трещиноватости и блочности. Ориентация систем трещин по слоям, как правило, выдержана. От величины мощности слоя и ориентации систем трещин в слое зависят геометрические параметры отдельностей, слагающих один из слоев карбонатного массива. Существующие классификации по параметрам трещиноватости или блочности карбонатных породных массивов свидетельствуют о большом разбросе значений параметров, характеризующих множественность карбонатных массивов месторождений. Об этом свидетельствует то, что в пределах добычного уступа можно по классификации трещиноватости установить карбонатный массив по слоям как сильно трещиноватый и одновременно слабо трещиноватый. Такой условный факт о трещиноватости карбонатного массива, при составлении паспортов БВР, наряду с применением в расчетах теоретических представлений о взрыве в сплошной среде, часто приводит к неоправданным ошибкам. Снижение качества результатов БВР происходит за счет того, что массив горных пород представлен не сплошной средой, а средой «геоупаковки» отдельностей с природными связями между отдельностями разных иерархических уровней. Параметры связей в полной мере не отражены в современных расчетных аппаратах технологии БВР. В современный расчетный аппарат введены коэффициенты, отражающие трещиноватость, блочность породного массива и прочность пород.
Разнообразие подходов в создании расчетных аппаратов взрывного способа подготовки карбонатных массивов к экскавации и множество существующих в природе карбонатных массивов породили множество технологических схем производства БВР и конструкций скважинных зарядов, но как показывает практика, все направления по совершенствованию взрывного способа по-прежнему являются актуальными.
В основу создания ресурсосберегающей технологии подготовки к экскавации карбонатного массива выемочного блока добычного уступа с использованием взрыва скважинных зарядов предлагаем использовать принцип «не дроби взрывом ничего лишнего в массиве карбонатных пород!». Для его реализации, с целью достижения необходимого качества результатов БВР, предлагается:
использовать в технологических схемах БВР управляемые эффекты взрыва в массиве карбонатных пород путем экранирования взрывной волны за счет использования природных систем трещин. Разработать технологию ведения добычных работ в карьере с учетом придания откосам выемочных блоков добычных уступов форм, позволяющих экранировать взрывную волну массового взрыва скважинных зарядов и повышать к.п.д. взрыва; производить, исходя из конкретных значений параметров, характеризующих карбонатный массив выемочного блока добычного уступа, индивидуальную настройку скважинных зарядов по структурным элементам карбонатного массива, что позволит реализовывать технологические схемы БВР в геологическом пространстве по принципу «не дроби взрывом ничего лишнего в массиве карбонатных пород!»;
устанавливать слои карбонатного массива добычного уступа, пригодные в качестве «мембран», с последующим размещением в них скважинных зарядов различных конструкций. Взрыв скважинных зарядов в мембранах будет осуществлять не только дробление мембранных слоев, но и обеспечивать взрывной энергией процесс рыхления остальных слоев выемочного блока добычного уступа.
Предложения по совершенствованию взрывного способа основаны на апробированной газовой и волновой теории поведения взрыва в породной дискретной среде. Так согласно модели действия взрыва в породной среде, предложенной Г.И. Покровским, после детонации скважинного заряда ВВ, когда детонационная волна доходит до поверхности заряда, соприкасающегося со средой, на породу действуют газы высокого давления и взрывная волна, то есть продукты взрыва (ПВ). В породной среде возникает волна сжатия, которая сжимает, раздавливает и переводит в текучее состояние породную среду на контакте «ПВ — породная среда». Значения параметров зоны сжатия зависят от параметров, характеризующих ПВ, действующих в пределах этой зоны и прочностных, упругих свойств породной среды. При дальнейшем удалении от центра взрыва величина напряжений, вызванных волной сжатия, изменяется, и процесс разрушения породной среды меняет характер. Элементы породной среды, вовлеченные в движение волной сжатия, продолжают перемещение вдоль радиусов от центра взрыва, поэтому наблюдается нарушение сплошности среды, путем образования радиальных трещин, направленных по нормалям к поверхности цилиндра скважинного заряда. Появление радиальных трещин обусловлено наличием тангенциальных растягивающих напряжений, превышающих предел прочности материала. При дальнейшем удалении от центра взрыва деформации, вызван-
ные растягивающими напряжениями, прекращаются, и новые трещины не образуются, но радиальные трещины могут еще распространяться за счет перераспределения напряжений около их концов, где происходит концентрация растягивающих усилий. Размеры зон радиальных трещин зависят от природной трещиноватости массива горных пород, их физико-механических свойств, передачи энергии ПВ в волну напряжений и времени действия ПВ.
Результаты наших многолетних наблюдений за взрывами скважинных зарядов в карбонатной среде карьеров Тульской области показали, что модель действия взрыва, предложенная Г.И. Покровским, работает в случаях размещения скважинного заряда в природных блоках. Установлено, что модель взрыва скважинного заряда в геологическом пространстве карбонатного массива не одна, а наблюдается по оси скважины множество моделей. Их многообразие, прослеживаемое по оси скважинного заряда, зависит от характера и количества, подсекаемых скважиной резкостных границ породного массива. По форме (речь идет о плоских моделях) модели взрыва в карбонатной среде напоминают эллипс, квадрат или ассиметричную фигуру. При рассмотрении взрывного взаимодействия двух и более скважинных зарядов количество комбинаций моделей увеличивается за счет перекрывающих зон соседних моделей.
Установление новых моделей позволило по-иному взглянуть на взаимодействие скважинных зарядов, их размещение в геологическом пространстве карбонатного массива и создание технологических условий для повышения качества результатов БВР и ресурсосбережения за счет реализации принципа «не дроби взрывом ничего лишнего в массиве карбонатных пород!».
Создание условий для разрушения связей системы геоупаковки разновеликих блоков карбонатного массива заключается в создании свободных поверхностей. В зависимости от количества свободных поверхностей в разрушаемом породном массиве выемочного блока возвращается в выемочный блок пропорциональное количество энергии взрыва. Эта пропорция равна 1/6, то есть при отражении от одной поверхности в массив возвращается 1/6 часть общей энергии взрыва, от двух поверхностей — 2/6 и так далее. Это возможно достигнуть путем создания экранов, которые будут возвращать в выемочный блок добычного уступа ту часть энергии взрыва, которая уносилась бы взрывной волной в случае реализации взрыва без экранов. Вторичное поле напряжений от отраженных волн, за счет эффекта интерференции волн, позволит в большей степени проработать массив, создавая эффект увеличения времени действия взрыва в выделенном экранами массиве горных пород. Действие вторичных полей напряжения в выделенном объеме породного массива выемочного блока приводит к раскрытию естественных трещин высших иерархических уровней.
Совершенствование взрывного способа подготовки карбонатного массива к экскавации предлагается осуществлять через создание систем экранов из естественных систем трещин высшего иерархического уровня, путем заложения в геологическое пространство выемочного блока добычного уступа
систем экраносоздающих скважин, заложения мембранных и вспомогательных скважинных зарядов с последующим их взрыванием.
Экраносоздающие, мембранные, вспомогательные скважинные заряды имеют различные конструкции зарядов и представляют собой систему с короткозамедленным инициированием. Последовательность взрывания скважинных зарядов: 1 — экраносоздающие, 2 — мембранные и 3 — вспомогательные. В свою очередь среди систем экраносоздающих и мембранных скважинных зарядов предусматривается тоже определенная последовательность взрывания, которая зависит от параметров, характеризующих слоевую структуру карбонатного массива добычного уступа и от параметров, характеризующих форму откоса выемочного блока, которая формируется взрывом систем экранирующих скважинных зарядов и предыдущей экскаваторной заходкой.
Предлагаемое технологическое решение было опробовано в конкретных условиях карбонатных карьеров Тульской области.
Результаты экспериментальных работ, выполненных в условиях Поре-ченского карьера и карьера «КНИ 464» в количестве 7 серий взрыва по предлагаемым технологическим решениям, позволили установить правильность выбранного подхода. Количество скважинных зарядов, приходящихся на объем подготавливаемого к экскавации выемочного блока, предлагаемого технического решения, было сокращено на 15 % по сравнению с существующей схемой БВР в карьерах. Суммарный выход из полезной массы щебня в среднем увеличился на 6-7 %. Выход отходов каменного материала с первичного узла грохочения снизился в среднем на 9 % на активных грохотах и на 11 % на колосниковых грохотах. Выход негабаритов в забое составил в среднем менее 0,3 %. Параметры взрываемого выемочного блока добычного уступа в условиях Пореченского карьера: средняя высота уступа — 12 м; расстояние между скважинами — 5 м; расстояние между рядами скважин — 5 м; выход горной массы с одной скважины — 300 м3; расчетный взрываемый породный объем — 6300 м3; масса заряда — 166 кг. Параметры взрываемого блока в условиях карьера «КНИ 464»: средняя высота уступа — 15 м; расстояние между скважинами — 6,4 м; расстояние между рядами скважин — 6,4 м; выход горной массы со скважины — 460 м3; расчетный взрываемый объем — 8600 м3; масса заряда — 228 кг.
Список литературы
1. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М.: Недра, 1988. 271 с.
2. Ханукаев А.Н. Управление энергией упругих волн // Сб. «Проблема дробления горных пород взрывом». Углетехиздат, 1959.
3. Филиппов В.К. Экспериментальные исследования характера разрушения крепких горных пород удлиненными зарядами, параллельными обнаженной поверхности // Сб. «Проблема дробления горных пород взрывом». Углетехиздат, 1959.
Сафронов Виктор Петрович ([email protected]), д.т.н., профессор, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.
Сафронов Вадим Викторович, к.т.н., ассистент, кафедра математического анализа, Тульский государственный университет.
Макаров Роман Владимирович, аспирант, кафедра геотехнологии и строительства подземных сооружений, Тульский государственный университет.
The basic approaches of increase of efficiency of preparation of a rocky ledge to extraction by explosive way
V.P. Safronov, V.V. Safronov, R.V. Makarov
Abstract. Perfection of the explosive is carried out through creation of systems of screens from natural systems of cracks of the higher hierarchical level, by creation in geological space of the block of a ledge of systems of screens, creations of membranes and auxiliary charges with their subsequent detonation.
Keywords: explosive works, efficiency of explosion, ledge shielding, explosion model, Screens and membranes of an explosive chink.
Safronov Viktor ([email protected]), doctor of technical sciences, professor, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.
Safronov Vadim, candidate of technical sciences, assistant, department of mathematical analysis, Tula State University.
Makarov Roman, postgraduate student, department of geotechnology and underground structure construction, Tula State University.
Поступила 25.05.2010
