CC BY
36DOI: 10.24411/2619-0761-2018-10031 УДК 504.55.054:622(470.6)
ОТБОЙКА РУД СКВАЖИННЫМИ ЗАРЯДАМИ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ
Комащенко Виталий Иванович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Горное дело», Северо-Кавказский государственный технологический университет, komashchenko@inbox. ru
Дзапаров Вячеслав Хаматканович - кандидат технических наук, доцент, Северо-Кавказский государственный технологический университет, Dza pa64@yandex.ru
Дзеранов Борис Витальевич - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Геофизический институт Владикавказского научного центра РАН, РСО-Алания, dzboris@gmail. com
Стась Павел Павлович - аспирант, Тульский государственный университет, galina stas@mail.ru
Аннотация: статья посвящена проблеме повышения эффективности добычи руд путем совершенствования технологии отбойки буровзрывным способом скважинными зарядами модернизированных конструкций с универсальным канальным боевиком и взрывчатых веществ с конверсионными добавками. Рациональное использование детонационных процессов скважинных зарядов и добавок в составе взрывчатых веществ увеличивают возможности использования интенсивных циклично-поточных и поточных технологий добычи за счет увеличения выхода машинных классов отбитого полезного ископаемого.
Ключевые слова: добыча руд, отбойка, скважина, заряд, канальный боевик, взрывчатое вещество.
Введение.
Способность взрывчатых
веществ в кратчайшее время производить огромную
механическую работу нашла широкое применение в горном деле, где более 70 % полезных ископаемых добывается с помощью энергии взрывчатых веществ. Объемы перемещаемых взрывами горных пород соизмеримы с объемами перемещений в результате геологических процессов на Земле.
В теорию физики взрыва и механизма разрушения пород внесли вклад Г.И. Покровский, А.Ф. Суханов, М.М. Боресков, А.Н. Ханукаев, В.Н. Мосинец и др.
Эффективность открытой добычи руд во многом зависит от процесса отделения его от массива. Оптимизация процессов, позволяющих улучшить качество продуктов взрывного разрушения, является важным резервом обеспечения конкурентоспособности горного предприятия. Совершенствование взрывных работ на карьерах, в том числе, на основе инновационных схем взрывания,
является актуальной задачей, решаемой на ос нов е а нализа, экспериментов и обобщения опыта. Оптимизация проектов буро-взр ывных работ (БВР) обеспечивается за счет точности и надежности расчетов, благ о д а р я учету влияния участвующих факторов и является резервом улучшения эффективности горного производства.
Эффективность циклично-поточных технологий добычи минерального сырья во многом зависит от подготовки горной массы к погрузке после отбойки буровзрывным способом. Особенностью циклично-поточных технологий является контролируемый выход машинного класса отбитой руды, определяющий эффективность последующих технологических процессов для обогащения и связанных с дроблением и из м ельче н ием операций, например, выщелачивание металлов в кучах и дезинтеграторах
[1.3].
В последние годы при добыче руд открытым способом приобретают актуальность технологии отбойки с использованием скважинных зарядов
© ®
Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название
модернизированных конструкций, позволяющих существенно повысить выход машинных классов руд.
Среди них научный и практический интерес представляет ресурсосберегающая технология отбойки руды с применением универсального канального боевика и перспективных смесевых взрывчатых веществ (ВВ) с конверсионными добавками, обеспечивающая комплексное улучшение показателей добычи руд.
Эффективное функционирование карьеров сопряжено с анализом значительного объема разнородной информации и затруднен из-за недостаточной формализации. В последнее время появилась возможность решать принципиально новые задачи при расчете параметров буровзрывных работ.
Реализуются идеи, внедрение которых позволило бы проектировать параметры взрывных работ с минимальной предварительной подготовкой.
Поскольку нахождению оптимального решения соответствует полный перебор, целесообразным является применение метода рандомизированного поиска с локальной оптимизацией.
Параметры БВР должны обеспечивать заданные результаты дробления горной массы и безопасность работ. Возможность улучшать показатели буровзрывных работ ставит вопрос об отыскании оптимального варианта управления при ограниченных материальных ресурсах по критерию оптимальности в виде ошибки проектирования.
Методика определения параметров зарядов и показателей буровзрывных работ включает в себя обоснования:
- массы и конструкции заряда, элементов расположения серий;
- способа дробления негабарита;
- схемы взрывной сети;
- безопасности режимов взрывных работ.
Максимальные значения линии сопротивления по подошве не должны превышать величин, определяемых по предельным нагрузкам на заряды. Основная трудность отбойки руд сводится к обеспечению нужного гранулометрического состава. Вовлечение в разработку очень крепких и обводненных пород крупноблочного строения, уменьше-
ние параметров рабочих площадок и другие неблагоприятные факторы существенно затрудняют выполнение этого требования. Пр и этом увеличение удельного расхода ВВ не ведет к существенному улучшению их дробления.
Цели и задачи. Целью исследований становится отыскание таких технологических решений, которые обеспечили бы управляемый и контролируемый режим работы механизмов при погрузке, транспортировании и переработке рудного сырья в звеньях технологической цепи [4...6].
В настоящей статье цель достигается в ходе решения ряда задач, включающих в с ебя разработку арсенала взрывного дела, в том числе подбор взрывчатых веществ и средств взрывания, оптимизацию способов инициирования взрыва, конструирование средств улучшения взрывного процесса и вариантов их реализации.
Методы. Для достижения сформулированной цели применен комплексный метод ис с л едования, включающий анализ современного состояния отбойки руд, формулировку концепции отбойки, расчеты и обоснование зарядов взрывчатых веществ и детализацию рабочих моментов использования предложенных решений.
Метод включает в себя аналитическую проработку теоретических положений и практики применения обозначенной проблем ы, полупромышленную апробацию и промышленный эксперимент с массовым применением рекомендуемых решений.
Результаты. Основу предлагаемого решения составляет использование детонационных процессов скважинных зарядов и эффективных добавок взрывчатых веществ, улучшающих технические и экономические показатели открытой разработки руд.
Проблема решается поэтапно:
- выполняется анализ современного состояния отбойки пород в карьерах;
- формулируется концепция детонационных процессов отбойки;
- определяется целесообразность использования добавок к взрывчатым веществам;
- разрабатывается конструкция зарядов с использованием канальных боевиков.
Высокая эффективность отбойки сырья обеспечивается путем применения конструкции скважинного заряда с осевой продольной полостью и универсальным канальным боевиком. Диаметр осевой полости составляет 20 % от диаметра взрывной скважины, что позволяет снизить расход взрывчатых веществ без снижения качества отбойки.
Формирование полостей в скважинных зарядах осуществляется путем расположения рассредоточивающих элементов для повышения полноты и устойчивости детонации, уменьшения выбросов продуктов взрыва в атмосферу и полноты проработки подошвы уступов путем уменьшения величины перебура на 30...50 %.
Использование смесей взрывчатых веществ с конверсионными добавками в количестве 20-30% по объему и универсального боевика уменьшает стоимость взрывных работ при отбойке руд.
Для повышения эффективности и экологической безопасности взрывных работ целесообразно применять взрывчатые вещества с малым содержанием тротила, преимущественно, эмульсионные и гелеоб-разные.
Применение конверсионных добавок к ВВ целесообразно при утилизации запасов накопленных в армиях стран боеприпасов. Однако для успешного применения скважинных зарядов с полостями нужны инициаторы, так как ВВ отличаются флегматичностью.
Схему процесса детонации в таких зарядах можно представить следующим образом: ударная волна, распространяясь в воздушной полости канала, инициирует прилегающие слои ВВ, что способствует ускорению детонации основного заряда. Такой режим способствует полноте детонации ВВ с пониженной чувствительностью.
Для реализации новых представлений о механизме процесса детонации в скважин-ных зарядах с воздушной полостью разработана конструкция универсального канального боевика (УКБ), отличительная особенность которого заключается в сочетании детонирующего заряда ВВ с пустотелой продольной полостью (рис. 1).
Взрывание промежуточного боевика за счет продольной пустотелой полости форми-
рует поток выделяемой энергии с большей скоростью, чем скорость детонации основного заряда.
Рис. 1. Конструкция скважинного заряда ВВ с воздушной полостью: 1 - скважина; 2 - забойка;
3 - заряд ВВ; 4 - детонирующий шнур;
5 - пр о межуточный детонатор; 6 - шнур для подвески гирлянды; 7 - полиэтиленовый рукав;
8 - полиэтиленовая емкость; 9 - уровень подошвы уступа; 10 - полиэтиленовая емкость с отражателем ударных волн
Это активизирует детонационные процессы, переходящие в детонацию с увеличенной скоростью. Возможны варианты размещения УКБ в скважине: на забое скважины, в середине или у устья над пустотелым каналом.
Для формирования воздушных полостей используют полиэтиленовые е мкост и, капроновую сетку, веревки, полиэт иленовую ленту и деревянные детали. В скважину опускают гирлянду из пустотелых полиэтиленовых емкостей диаметром 80...100 мм, длиной 10...12 м м при глубине скважины 15...18 м. Инициатор опускают в скважину на глубину 6...7 м. С помощью зарядной машины заполняют скважину взрывчатым веществом и засыпают забоечный материал.
Одним из направлений модернизации взрывной уступной отбойки является использование утилизируемых боеприпа-с о в . И сследованиями детонации грубодис-пер сных смесей с конверсионными добавками в России занимались Мец Ю.С., Антонов А.Ю., Комир ВН., Воробьев ВВ. и др.
Их работами доказана целесообразность использования взрывчатых материалов с конверсионными добавками с мощными инициаторами.
Нами экспериментально определены детонационные характеристики гранулированных ВВ с недетонирующим продуктом: гранулотола и грамонита 79/21 с различным содержанием конверсионного продукта (КП). Оказалось, что при увеличении содержания конверсионного продукта до 20 % скорость детонации сухих зарядов практически не изменяется и составляет 4250...4300 м/с для граммонита и 4430...4540 м/с для гранулотола. При дальнейшем увеличении КП до 50 % скорость детонации уменьшается, соответственно, до 4000 и 3900 м/с.
При взрывании обводненных зарядов скорость детонации гранулированного тротила с КП возрастает на 20...25 %. Скорость детонации увеличивается на 5... 7 % при взрывании обводненных зарядов из смеси граммонита 79/21 с КП.
Положительный эффект взрыва гранулированного тротила и граммонита 79/21 в скважинных зарядах с различным процентным соотношением конверсионной добавки максимален при содержании КП 20...30 %, как для сухих, так и для обводненных зарядов.
Полученные результаты подтверждают техническую возможность и экономическую целесообразность использования конверсионных компонентов в смесях ВВ при отбойке руд. Их надежность обеспечивается применением универсального канального боевика или использованием способа инициирования с кумулятивным эффектом.
При промышленных испытаниях технологии критерием оценки служили основные требования к руде для добычи ее интенсивными методами с элементами циклично-поточных технологий: качество дробления, коэффициент разрыхления и развал горной массы.
Для формирования скважинных зарядов с полостями нами предложена специальная технология приготовления промежутков полиэтиленовой тары и утилизируемые полиэтиленовые емкости. Промежуточный детонатор помещали над воздушной полостью или в нижней части заряда.
В ходе промышленных испытаний на карьерах Кривбасса было заряжено и взорвано 573 скважины и отбито 5,8 млн. м3 горной массы. В процессе испытаний установлено, что скважинные заряды с универсальным канальным боевиком обеспечивают безотказное взрывание зарядов из различных типов ВВ, в том числе, водонаполненных и суспензионных.
Успешные промышленные испытания зарядов позволили рекомендовать их к широкому внедрению при производстве массовых взрывов на карьерах Кривбасса.
Блок №18, гор. - 60м в карьере ОАО "Миттал Стил Кривой Рог" представлен силикат-карбонат-магнетитовыми кварцитами с коэффициентом крепости 14...16, а также магнетит-силикат-карбонатными кварцитами с коэффициентом крепости 12...14. Пробурено 164 взрывных скважины общей глубиной 2700 м глубиной, в среднем, 17,5 м, линией сопротивления по подошве 8...14 м и расстоянием между скважинами 5,5 м.
В качестве взрывчатого вещества использовали украниит в количестве 98,5 т, удельный расход которого составил 0,85 кг/м3. На массовый взрыв было использовано 162 универсальных канальных боевиков д л иной 5,0 м каждый. В результате взрыва отбито 100000 т горной массы с компактным развалом и равномерным дроблением. Выход негабарита составил 0,04 % при к оэффициенте разрыхления 1,2...1,3.
На карьере ОАО "ЮГОК" был произведен массовый взрыв на гор. -30/-45 м в трещиноватых расслоенных с интенсивной складчатостью гематит-лимонит-марти-товых кварцитах с коэффициентом крепости 16, а также в трещиноватых, вязких, слоистых кварц-амфибол-хлоритовых сланцах такой же крепости. Всего взорвано 114 скважин диаметром 253 мм, глубиной 19 м. В некоторых скважинах глубина столба воды достигала 3 м. Расстояние между скважинами 5,5...6 м, вместимость ВВ в 1 м скважины изменялась от 48 до 64 кг. В качестве ВВ использовался украинит (29,6 т), граммонит 79/21 (40,3 т). Средний удельный расход ВВ - 0,76 кг/м3, в том числе украинита -0,92 кг/м3 и граммонита 0,67 кг/м3. Выход негаб арита составил 0,03 %, а коэффициент разрыхления 1,2.
В блоке №2 гор. -85/-100м породы представлены магнетито-кумингтонитовыми кварцитами с коэффициентом крепости 14...16 и силикатно-магнетитовыми кварцитами с коэффициентом крепости 12...14. Всего пробурено 245 скважин общей длиной 4624 м. В качестве ВВ было использовано 52 т граммонита 79/21 и 90,8 т аммонита Н и 39,9 т аммонита Н-100. Средний удельный расход 1,19 кг/м3.
После взрыва в этом блоке, как и в предыдущих, обеспечивалось высокое качество дробления руды и компактный ее развал. Выход негабарита изменялся в пределах 0,04...0,06 %, а коэффициент разрыхления составил 1,1.
В качестве примера приводится массовый взрыв в блоке №6, гор. -175/-190 м, сложенном кварцит-силикат-магнетитом с коэффициентом крепости 12...14 и кварц-амфиболитовыми сланцами с коэффициентом крепости 12...14. В этом блоке пробурено 169 скважин общей длиной 3200 м. В качестве ВВ использовано 76,2 т граммо-нита 79/21 и 43,5 т аммонита М, при удельном расходе 1,09 кг/м3.
Применение скважинных зарядов с универсальным канальным боевиком на карьерах ОАО "Миттал Стил Кривой Рог" позволило сэкономить больше 1000 т взрывчатых веществ.
Только в течение 1 года на карьерах СевГОКа с использованием конструкций зарядов было отбито 10,6 млн. м3 горной массы, что позволило сэкономить 800 т взрывчатых веществ.
Эффективность применения скважин-ных зарядов с универсальным канальным боевиком и технологий их образования, а также целесообразность использования промышленных взрывчатых веществ с конверсионными добавками подтверждены и теоретически, и практически.
Нами рекомендован новый способ инициирования зарядов с использованием кумулятивного эффекта, который показал на практике высокую надежность инициирования. Он включает в себя создание в скважине воздушной полости, установку кумулятивного устройства, промежуточного детонатора с детонирующим шнуром над кумулятивным устройством, с последующим заполнением скважины взрывчатым веществом.
Отличительной особенностью этого способа инициирования является то, что полость создают с помощью специального
устройства (рис. 2).
Рис. 2. Способ инициирования скважинных зарядов ВВ: 1 - скважина; 2 - устройство формирования полости; 3 - куммулятивное устройство; 4 - инициатор; 5 - ДШ; 6 - ВВ;
7 - забойка; 8 - груз
Полученные результаты исследования ф ор мируют концепцию взрывного разрушения горных пород скважинными зарядами, инициируемыми универсальным канальным боев иком и о ресурсосберегающей технологии отбойки на основе взрывчатых веществ с конверсионными добавками [7...10].
По результатам выполненных экспериментов можно сделать выводы:
- эффективность и безопасность взрывных работ повышается при использовании взрывчатых веществ с малым с о д е р жанием тротила, эмульсионных и гелеобразных взрывчатых веществ, а также неиспользуемых изделий военного назначения в сочетании с мощными инициирующими зарядами;
- для обеспечения высокой устойчивости взрыва целесообразна ориентация на скв ажинные заряды с осевыми полостями, причем универсальный канальный боевик отличается сочетанием детонирующего заряда взрывчатого вещества с продольной пустотн о й п олостью;
- новые конструкции зарядов отличаются формированием устойчивых полостей до взрыва, а также применением пустотелых емкостей для формирования зарядов;
- применение зарядов с универсальным канальным боевиком позволяет на 10...15 % сократить расход дорогостоящих и дефицитных взрывчатых веществ, а при равном расходе ВВ обеспечить снижение размера куска отбитой руды на 15...20 % при компактном развале с коэффициентом разрыхления 1,15...1,20 и за счет направленного взрыва достичь проектной отметки подошвы уступа.
Полученные результаты существенно увеличивают возможности использования интенсивных циклично-поточных и поточных технологий добычи за счет увеличения выхода машинных классов отбитого полезного ископаемого [11, 12].
Выводы. Эффективность взрывной отбойки повышается при использовании взрывчатых веществ с малым содержанием тротила в составе скважинных зарядов с осевыми полостями, что позволяет сократить расход взрывчатых веществ и обеспечить снижение размера куска отбитой руды при компактном развале с приемлемым коэффициентом разрыхления и достижением заданных параметров подошвы уступа. Модернизация взрывной технологии существенно увеличивает выход машинных классов руды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Chen T., Lei C., Yan B., Xiao X. Metal recovery from the copper sulfide tailing with leaching and fractional precipitation technology // Hydrometallurgy. 2014.Vol. 147-148. Р.178-182.
2. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 17. С. 38105-38109.
3. Голик В.И., Полухин О.Н. Природоохранные геотехнологии в горном деле. Белгород, 2013. 317 с.
4. Sinclair L., Thompson J. In situ leaching of copper: Challenges and future pro spects // Hydrometallurgy. 2015. Т.157. Р. 306-324.
5. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Zaalishvili V. Enhancement of lost ore production efficiency by usage of canopies // Metallurgical and Mining Industry. 2015. Т. 7. № 4. С. 325-329.
6. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Efremen-kov A . B. Recycling of metal ore mill tailings // Applied Mechanics and Materials. 2014. Т. 682. С. 363-368.
7. Дмитрак Ю.В., Шишканов К.А. Разработка вероятностной кинематической модели мелющих тел в помольной камере в ибрационной мельницы // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2010. № 12. С. 302-308.
8. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Irina G. Improving the effectiveness of explosive breaking on the bade of new methods of borehole charges initiation in quarries // M etallurgical and Mining Industry. 2015. Т. 7. № 7. С. 383-387.
9. Лемешко М.А., Дикий Р.В., Волков Р.Ю. Моделирование работы адаптивной б у р иль ной машины // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2. С . 2 4 7 .
10. Ляшенко В.И., Кислый П.А. Обоснование сейсмобезопасных параметров в зрыв о в при подземной разработке приповерхностных запасов месторождения под гор одской застройкой // Известия вузов. Горный журнал. 2015. №2 С. 54-93.
11. Рыльникова М.В., Радченко Д.Н. Методологические аспекты проектирования системы управления минерально-сырьевыми потоками в полном цикле комплексного освоения рудных месторож-д е н и й // Рациональное освоение недр. 2016. №3 С. 36-41.
12. Зотеев О.В., Зубков А.А., Калмыков В.Н., Кутлубаев И.М. Разработка технологии подготовки карьеров к склади-р о в а н и ю хвостов обогащения // Горный и нф о р мационно-аналитический бюллетень. 2017. №9. С. 102-109.
REFERENCES
1. Chen T., Lei C., Yan B., Xiao X. Metal recovery from the copper sulfide tailing with leaching and fractional precipitation technology // Hydrometallurgy. 2014.Vol. 147-148.
2. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. T. 10. № 17. S. 38105-38109.
3. Golik V.I., Poluhin O.N. Priro-doohrannye geotekhnologii v gornom dele. Belgorod, 2013. 317 s.
4. Sinclair L., Thompson J. In situ leaching of copper: Challenges and future pro spects // Hydrometallurgy. 2015. T.157. P. 306-324.
5. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Zaalishvili V. Enhancement of lost ore production efficiency by usage of canopies // Metallurgical and Mining Industry. 2015. T. 7. № 4. S. 325-329.
6. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Efremen-kov A.B. Recycling of metal ore mill tailings // Applied Mechanics and Materials. 2014. T. 682. S. 363-368.
7. Dmitrak Yu.V., Shishkanov K.A. Razrabotka veroyatnostnoj kinematicheskoj modeli melyushchih tel v pomol'noj kamere vibracionnoj mel'nicy // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten' (nauchno-tekhnicheskij zhurnal). 2010. № 12. S. 302-308.
8. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Irina G. Improving the effectiveness of explosive breaking on the bade of new methods of b orehole charges initiation in quarries // M etal l urgical and Mining Industry. 2015. T. 7. № 7. S. 383-387.
9. Lemeshko M.A., Dikij R.V., Volkov R.Yu. Modelirovanie raboty adaptivnoj buril'noj mashiny // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2015. № 2. S. 247.
10. Lyashenko V.I., Kislyj P.A. Obosno-vanie sejsmobezopasnyh parametrov vzryvov pri podzemnoj razrabotke pripoverhnostnyh zapasov mestorozhdeniya pod gorodskoj zastrojkoj // Izvestiya vuzov. Gornyj zhurnal. 2015. №2 S. 54-93.
11. Ryl'nikova M.V., Radchenko D.N. Metodologicheskie aspekty proektirovaniya sistemy upravleniya mineral'no-syr'evymi potokami v polnom cikle kompleksnogo osvoeniya rudnyh mestorozhdenij // Racional' noe o svoenie nedr. 2016. №3 S. 36-41.
12. Zoteev O.V., Zubkov A.A., Kalmykov V.N., Kutlubaev I.M. Razrabotka tekhnologii podgotovki kar'erov k skladirovani-yu hvostov obogashcheniya // Gornyj infor-macionno-analiticheskij byulleten'. 2017. №9. S. 102-109.
ORE BLOCKING WITH BORE CHARGES OF MODERNIZED DESIGN
Komashchenko V.I, Dzaparov V.K., Dzeranov B. V., Stas G. V.
Annotation: the article is devoted to the problem of increasing the efficiency of ore mining by improving the technology of drilling and blasting downhole charges of modernized structures with a universal channel fighter and explosives with conversion additives. The rational use of detonation processes of borehole charges and additives in the composition of explosives increase the possibility of using intensive cyclic-continuous and continuous production technologies by increasing the output of machine classes of recaptured minerals.
Key words: Ore mining, blasting, borehole, charge, channel gunman, explosive.
© Комащенко В.И., Дзапаров В.Х., Дзеранов Б.В., Стась Г.В., 2019
Комащенко В.И., Дзапаров В.Х., Дзеранов Б.В., Стась Г.В. Отбойка руд скважинными зарядами модернизированной конструкции //Вектор ГеоНаук. 2019. Т.2. №3. С. 40-46.
Komashchenko V.I., Dzaparov V.K., Dzeranov B.V., Stas G.V., 2019. Ore blocking with bore charges of modernized design. Vector of Geosciences. 2(3): 40-46.
