CC BY
79
© С.Д. Викторов, В. М. Закалинский, 2010
УДК 622.011
С.Д. Викторов, В.М. Закалинский
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ВЗРЫВНОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
Представлены результаты научной работы по теоретическому обоснованию и экспериментальному подтверждению возможности получения одинакового качества дробления отбитой горной массы при различных масштабах взрывного разрушения массивов горных пород и привязанных к ним параметрам отбойки одним технологичным методом и существующим буровым оборудованием.
Ключевые слова: горные массивы, действием взрыва.
~П зрывное разрушение горного
-Л# массива было и остается важнейшим физическим процессом горного производства, определяющим общий уровень его возможностей. Постоянное понижением, ухудшение горно-
геологических условий разработки и усиление проявлений геомеханических явлений влияет на получение заданного качества дробления. Это накладывает дополнительные требования к взрывной отбойке, реализуемые ее новыми способами и параметрами.
Известно, что теория и практика взрывного разрушения горных пород десятки лет базируется на совершенствовании одних и тех же приемов, методов, оборудования, взрывчатых материалов и т.д., многие параметры которых подошли к пределу своих технических возможностей. Назрела необходимость качественного скачка в области буровзрывных работ в современных условиях [1].
В этой связи представляют интерес результаты совместных творческих и практических усилий последних лет ИПКОН РАН, ИГД СО РАН, ИДГ РАН, Вос-
взрывное разрушение горных пород, управленШ
Неделя горняка
тНИГРИ и ряда подземных горнодобывающих предприятий Западной Сибири по решению ряда принципиальных вопросов в проблеме управления дробящим и сейсмическим действием взрыва, горным давлением в условиях высокой ударо-опасности с целью интенсификации ведения горных работ и повышения безопасности их производства [2. 3].
Был получен качественно новый этап в развитии теории и практики взрывного разрушения массивов горных пород для определенных горнотехнических и горно-геологических условий ряда горных предприятий России. Наметившуюся в подземных условиях определенную тенденцию в области буровзрывных работ представляло интерес проанализировать для открытых условий разработки месторождений полезных ископаемых. Теоретическая ее основа базируется на обоснованном увеличении масштаба единицы взрываемого объема и вытекающих отсюда следствиях, а результативная часть представлена крупномасштабной взрывной отбойкой рудных и породных блоков в определенных условиях [4]. При этом увеличиваются мас-
штаб отбойки выемочной единицы, параметры отбиваемого слоя или части массива, приходящейся на один заряд, а также размеры самого заряда.
Крупномасштабное взрывание с размещением крупных масс взрывчатых веществ влечет за собой развитие соответствующих технических средств для создания полостей, образуемых или традиционным бурением скважин большого диаметра, или специально под заряды ВКЗ, или методом бурения пучков параллельно - сближенных скважин. Отсутствие средств бурения скважин большого диаметра, необходимых для крупномасштабных взрывных работ, выявило преимущества пучкового метода взрывания благодаря наличию в пучке эффекта взрыва заряда практически любого размера и формы, что делает возможным воспроизводить на практике заряды любого диаметра с помощью обычной буровой техники. Ставится вопрос о создании специального бурового агрегата для одновременного бурения сближенных скважин пучка, которые сейчас бурятся последовательно каждая обычным станком. Кроме того, для целей крупномасштабной отбойки на открытых работах были продолжены исследования по раскрытию потенциальных возможностей, заложенных в идее деконцентрации зарядов большой мощности и полностью не реализованных до сих пор, главным образом, из-за отсутствия специальных средств бурения скважин пучка.
Ключевым моментом в этом подходе является средство управления действием взрыва путем оперативного изменения (увеличения, уменьшения) масштаба отбойки и технологичный способ его реализации. Масштаб здесь понимается в технологическом смысле как изменение в широких пределах различных параметров и возможностей буровзрывных работ с достижением при этом близкого
качества дробления взорванной горной массы. Большие значения этих пределов характеризуют крупномасштабную отбойку, малые - мелкомасштабную. В ИПКОН РАН выполнены исследования по этой теме и разработаны теоретические основы.
Научная новизна данного цикла работ состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении возможности получения одинакового качества дробления отбитой горной массы при различных масштабах взрывного разрушения массивов горных пород и привязанных к ним параметрам отбойки одним технологичным методом и существующим буровым оборудованием. Применение сближенных зарядов, расширяя по своей сути возможности управления действием взрыва одного заряда, позволяет технологично использовать результаты других достижений из областей буровзрывных работ. В результате достигается гибкость в части удовлетворения действием взрыва разнообразных требований к нему со стороны горных технологий.
Появилась возможность управлять направленностью взрыва за счет достижения эффекта воссоздания или образования заряда и волны некруговой, практически любой формы, путем варьирования геометрическими и физическими параметрами пучка сближенных зарядов. Это используется в различных ситуациях горного производства как при массовой отбойке руд и пород, так и при наличии селективном взрывании, когда требуется щадящее действие взрыва с целью максимального сохранения отдельных включений кристаллов или других видов минерального сырья в компактном виде (состоянии).
Используя результаты численных, лабораторных и натурных эксперимен-
тов разработаны методологические принципы расчета основных параметров такой отбойки для сложных горногеологических условий, в том числе для удароопасных подземных месторождений, а так же для специфики открытых горных работ. Одним из первых результатов в последнем случае связан с возросшей актуальностью улучшения экономических показателей открытых горных работ за счет увеличения высоты вскрышных и добычных уступов при высокоуступной технологии на основе применения нового вида экскаваторов -кранлайнов /5/. Технология с применением выемочно-погрузочных машин нижнего черпания на шагающем ходу -кранлайнов - позволяет: увеличить высоту разрабатываемых уступов в 2-3 раза и, тем самым, во столько же раз сократить число рабочих горизонтов; увеличить угол откоса рабочего борта; снизить затраты на добычные работы не менее чем на 20 %, а текущий коэффициент вскрыши и объем вскрышных работ на 20-30%. Существенное увеличение высоты добычных и вскрышных уступов сегодня ограничивается техническими возможностями парка экскавационных машин. Это прогрессивное, связанное с масштабом работ направление в совокупности с решением научно-технических и организационных задач составляет суть новой концепции - применение крупномасштабного взрывного разрушения высоких уступов как базового элемента в технологиях разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом. Однако обязательным условием успешной реализации высокоуступной технологии с применением экскаваци-онных машин нижнего черпания является высокая степень дробления пород с обеспечением заданной формы и минимальной шириной развала взорванной горной массы. Увеличение высоты ус-
тупов порождает противоречие между необходимостью концентрации большого количества энергии в донной части заряда (где не применяется наклонный способ бурения), вызванное увеличением ЛСПП и практически исчерпанными техническими возможностями применяемого бурового оборудования в части увеличения диаметра (из-за непропорционального роста размеров станка). Указанное обстоятельство обостряется постоянным усложнением горногеологических условий, ростом коэффициентов вскрыши, увеличением глубины карьеров, а также возрастанием долевого участия транспортной системы со всеми вытекающими отсюда экономическими и технологическими проблемами. Массовое бурение высоких уступов наклонными скважинами, параллельными боковой поверхности уступа, частично разрешало бы это противоречие. Однако при этом по-прежнему не реализуется возможность увеличения масштаба взрывной отбойки через увеличение ее параметров, если применяются обычные буровые станки. То есть, для реализации крупномасштабной отбойки существующей буровой технике требуется альтернатива.
Из анализа опыта крупномасштабной отбойки руд при подземной разработке следует путь решения проблемы для открытых работ, в частности, при взрывании высоких уступов.
Он основан на достижении соответствия между энергией заряда в каждом его сечении по высоте уступа и величиной реальной нагрузки на этот элементарный заряд. Деконцентрация обычного скважинного монозаряда максимального в практике открытых работ диаметра и замена его группой (пучком) сближенных зарядов малого диаметра, располагаемых в пучке по эффективной схеме, раскрывает физи-
ко-технические аспекты перспективных направлений взрывного разрушения горных пород. В этой связи предложены новые технологические и технические решения, включающие схемы с одновременно взрываемыми расходящимися сближенными скважинными зарядами, и показывающие возможность замены бурения единичной скважины большого диаметра бурением нескольких сближенных скважин малого диаметра. Заряды в обоих случаях по энергии эквивалентны. В практике открытых разработок был такой опыт, когда в промышленном масштабе производилось одновременное бурение двух сближенных скважин пучка на уступах карьера «Медвежий ручей» станком НБС-5 на Норильском ГМК (рис. 1).
Рис. 1. Двухшпиндельный буровой станок НБС-5
Самоходный буровой агрегат на гусеничном ходу для одновременного бурения нескольких сближенных скважин в подземных условиях представлен на рис. 2.
Одновременное высокоскоростное бурение таких скважин можно осуществить с использованием зарубежного опыта бурения [6], в том числе на базе буровых установок с гидроперфораторами. Такие буровые установки могут быть использованы для бурения пучков скважин меньшего диаметра на карьерах без каких-либо изменений. Технически способ может быть реализован разработкой устройств с двумя или более высокоскоростными гидроперфораторами и возможностью их перемещения в соответствии с геометрией расположения сближенных скважин.
Снятие с этих машин целого ряда функций и защит, связанных со спецификой подземных горных работ (бурение полных вееров скважин, уменьшение максимальной глубины бурения, защищенность от ударов кусков горной породы, ограничение габаритов размерами горных выработок и т.д.) позволит существенно упростить их конструкцию, снизить вес и, естественно, стоимость. Кроме того, использование принципа многоперфораторного бурения, также реализованного в буровом оборудовании для проходки горных выработок, позволит повысить производительность буровых работ в №Код раз (где N - число перфораторов, Код< 1 - коэффициент одновременности их работы). Дополнительный эффект гарантированно возникает от снижения затрат времени на перестановку бурового оборудования в зоне бурения и на перемещение его в пространстве карьера за счёт почти десятикратного увеличения скорости движения машин и
их массы. При оборудовании буровой установки тремя перфораторами можно с высокой долей уверенности прогнозировать реальное увеличение производительности буровых работ в 1,6-2,1 раза по сравнению с существующей технологией.
Таким образом, простым изменением числа скважин в пучке можно обеспечить формирование заряда, эквивалентного единичному заряду практически любого диаметра. С другой стороны, рассредоточение заряда в отдельные (самостоятельные) сближенные скважины открывает весьма
Рис. 2. Схема многошпиндельного самоходного агрегата
интересную перспективу повышения показателей эффективности буровзрывных работ за счёт использования различных технических идей. В частности, открывается перспектива технологичности применения (варьирования) различных водоустойчивых взрывчатых составов большой мощности с регулируемыми взрывными характеристиками, средств взрывания и способов инициирования в отдельных сближенных скважинах одного заряда пучка по сравнению с возможностями одного заряда эквивалентной скважины. Представленное направление развития технологии взрывного разрушения горных пород, дополненное разработками новых мобильных средств бурения, может рассматриваться как перспективное при освоении недр России.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Закалин-ский ВМ. Новая концепция совершенствования буровзрывных работ на подземных рудниках // Горный журнал. - 2002. - № 9.
2. Викторов С.Д, Галченко Ю.П., Закалин-ский В.М., Рубцов С.К. Разрушение горных пород сближенными зарядами/ М.: ООО Издательство «Научтехлитиздат», 2006.- 276 с.
3. Курленя М.В., Еременко АА., Цинкер ДМ, Шрепп Б.В. Технологические проблемы разработки железорудных месторождений Сибири.- Новосибирск: Наука, 2002.-240 с.
4. Викторов С.Д., Еременко АА., Закалинский В.М., Машуков И.В. Технология круп-
номасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Сибири.- Новосибирск: Наука, 2005.-212 с.
5. Высокоуступная технология открытых горных работ на основе применения кранлайнов /К.Н. Трубецкой, А.Н. Домбровский, И.А.Сидоренко, Н.П.Сеинов, Н.Н.Киселев // Горный журнал. -2005.- № 4.
6. Форс К.Г. Сорок лет моего опыта //Горное дело и строительство: Sweden, Atlas Copka (переводной журнал) - 200б. № l.- с. 28.
г Коротко об авторах
Викторов С.Д. - профессор, доктор технических наук, ИПКОН РАН, Закалинский В.М. - доктор технических наук, ИПКОН РАН, info@ipkonran.ru
