CC BY
39
СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»
КАЛАШНИКОВ А.Т. Международная инженерная
академия БОРЗЕНКОВ Л. А. Лебединский горнообогатительный комбинат
Ресурсосберегающие процессы разрушения горных пород
Все более возрастающие потребности российской промышленности в минеральном сырье обусловливают существование в достаточно длительной перспективе устойчивой тенденции роста добываемых объемов руды и пород при все более ухудшающихся условиях их выемки. При этом разрушение горных пород (РГП), как основной процесс подготовки полезных ископаемых и вмещающих пород к последующему извлечению во-многом предопределяет производительную и эффективную работу добычного, транспортного, дробильного и обогатительного оборудования.
Традиционный взгляд на процессы РГП предполагает их основной функцией выполнение задач обеспечения доброкачественно подготовленными запасами операций выемки - экскавации, послойной выемки с помощью скреперов или бульдозеров, гидроразмыв, магазинирование и последующий выпуск и т. п. При этом основными характеристиками подготовленной горной массы являются показатели крупности, связности, разрыхленности. В последнее время все настойчивее предлагается более общий подход к процессам РГП, предполагающий сквозное влияние результатов РГП на все последующие операции добычного и обогатительного переделов, включая и самые отдаленные. Согласно этому подходу, процессы РГП это основные этапы рудоподготовительного процесса, конечной целью которого является подготовка исходного сырья для извлечения ценных компонентов. В таком понима-' нии требования к результатам РГП существенно возрастают, их перечень дополняется характеристиками изменения микроструктуры. Очевидно, в ряде ситуаций же-
лательно усиливать процессы дезинтеграции, разупрочнения для более эффективного извлечения ценных минералов, в других обеспечивать как можно менее интенсивные предразрушения кристаллической структуры, гарантировать строгую локализацию разрушений, как это необходимо при разработке месторождений поделочных и драгоценных камней.
Все это предопределяет разнообразие способов РГП и различие их по себестоимости, производительности, трудозатратам и энергоемкости. Эффективность и маневренность их использования удалось бы в значительной степени повысить, если можно было с достаточной степенью точности определять физические характеристики объекта разрушения и, что особенно важно, характер их распределения на значительном протяжении, то есть иметь точную картину строения залежи в объеме, сопоставимом с размерами добычного блока. Применяемые в настоящее время методы изучения и прогноза свойств структуры имеют точечный характер отбора и привязки проб, надежная интерполяция результатов требует существенного увеличения количества измерений, что представляется малорациональным. Более перспективны в этом плане геофизические методы изучения строения массива, однако их использование пока сдерживается отсутствием надежных методик и недостатком серийной аппаратуры.
Ввиду отсутствия достоверной информации о свойствах горных пород как правило, прибегают к использованию принципа избыточности воздействия. Анализ тенденций развития технических возможностей средств РГП убеждает в том, что глав-
ным определяющим фактором и основ-нымкритерием оценки эффективности способов РГП является, по сути, их масштабность, мощность, интенсивность воздействия. Предпочтение отдается все более мощным, более энергоемким, более интенсивным способам и средствам РГП. Примерами могут служить: разработка все более мощных взрывчатых веществ (акватолы и карбатолы превосходят по удельной объемной концентрации энергии промышленные В В типа граммонитов и гранутолотола в 1,5 - 2,0 раза); появление буровых станков массой свыше 120-150 т для бурения скважин диаметром 380-420 мм; создание и внедрение в практику работы все более мощных рыхлителей на базе тракторов мощностью 250 - 300 кВт и даже более (в зарубежной практике отмечено использование рыхлителей на базовых тракторах мощностью свыше 500 кВт). Динамика энергопотребления также свидетельствует о неуклонном росте удельных затрат всех видов энергии при добыче полезных ископаемых .
Нерациональность наблюдаемой тенденции увеличения масштабов и интенсивности воздействий заключается прежде всего в отсутствии при этом принципиальных изменений самого характера протекания процессов разрушения, отличающихся чрезвычайно низкими значениями коэффициентов использования подводимой энергии (коэффициент полезного использования энергии при механическом бурении скважин не превышает 1%, а при взрывном дроблении находится в пределах 3-4%). Кроме того, реализация достаточно больших проявлений энергии неизбежно влечет за собой серию негативных последствий экологического характера, снижение степени безопасности.
Упомянутые соображения позволяют ставить в повестку дня в качестве первоочередной задачу разработки принципиально новых подходов к проблеме РГП, создания новых, более эффективных способов разрушения.
2
В свете намеченного направления разработки новых способов РГП достаточно
наглядной иллюстрацией может служить разработанный и испытанный в карьере Лебединского ГОКа новый способ взрывного разрушения горных пород.
Как известно, именно в карьере Лебединского ГОКа впервые в России была испытана и внедрена в широком масштабе новая технология буровзрывных работ, основанная на применении скважинных зарядов большого диаметра, получаемых посредством термического расширения и заряжаемых водосодержащим ВВ акватолом Т-20. Применение технологии позволило существенно снизить затраты на буровзрывные работы, достичь экономии по бурению, значительно улучшить качество взрывов.
В то же время при использовании этой технологии наблюдался и ряд негативных последствий - значительная интенсивность вредных воздействий, неравномерное дробление разрушаемого природного массива, интенсивное законтурное действие и несбалансированность затрат на буровзрывные работы (БВР). Все это явилось следствием существенной избыточности энергозатрат.
Существует немало способов минимизации отмеченных негативных последствий, часть их весьма успешно используется в карьере Лебединского ГОКа. Так, для снижения интенсивности вредных воздействий используются эффективные схемы короткозамедленного взрывания, технологические результаты отбойки (степень дробления, параметры развала, проработка подошвы уступов и т.п.) регулируются оптимизацией параметров БВР, интенсивность законтурного действия взрыва снижается путем применения специальных конструкций зарядов последнего ряда скважин.
Однако степень регулирования параметров взрывного разрушения указанными способами ограничена. Применение комбинированных зарядов, т.е. зарядов с изменяющимся по высоте диаметром и (или) переменной объемной концентрацией энергии связаны со сложностями получения скважин нужной конфигурации и отсутствием технологических способов
управления энергозапасом заряда по высоте.
Вместе с тем существует еще один, ранее практически не применявшийся способ нормализации отмеченных негативных явлений, связанный с использованием комбинированной системы зарядов ВВ. Реализация этого способа предусматривает чередование в пределах разрушаемого участка массива скважинных зарядов с различающимся энергозапасом.
Эффективность использования системы разнопараметрических зарядов (так можно определить суть нового способа) может быть в первом приближении оценена путем проведения расчетов на достаточно простой математической модели дробления массива в данном случае рассматривалась квазистатическая модель взаимодействия зарядов на уровне среднего их сечения, используя соотношение для определения радиуса дробления скважинного заряда в виде:
0.909 —__
А у/ ( ^
2 У 1575 ш
где р,¡-плотность породы, кг/м3;
Ср -скорость продольных волн в образце породы, м/с;
уэв-плотность ВВ, кг/м3;
С2в -теплота взрывчатого превращения,
ккал/кг;
V - коэффициент Пуассона;
о - предел прочности породы на растяжение, МПа;
Б- диаметр скважинного заряда, м.
Расчеты производились при условии достижения одинаковой степени дробления для различных используемых вариантов применения системы зарядов. При этом использовались эмпирические соотношения, в целом соответствующие закономерности распределения кусков по крупности в виде распределения Вейбулла. Причиной этому является необходимость обеспечения определенного класса кусков во взорванной горной массе, в частности, обеспечение содержания кусков размером свыше 100 мм в диапазоне 47,3 ... 56,5 %,
экспериментально определенном, исходя из условий достижения наиболее производительной работы мельниц самоизмельче-ния.
Одновременно с расчетами параметров буровзрывных работ, обеспечивающими постоянство результатов взрывного дробления, рассчитывались и экономические показатели реализации различных вариантов, исходя из сложившихся рыночных цен на взрывчатку и буровые работы. Исходные параметры (диаметр скважин, тип ВВ) приняты исходя из практики производства буровзрывных работ в карьере Лебединского ГОКа.
Результаты расчетов показаны в таблице 1. Как следует из представленных результатов, использование комбинированной системы зарядов вполне реально, более того, технико-экономические показатели такой системы намного выше, чем при традиционных вариантах, основанных на применении скважин с одинаковыми характеристиками .
Согласно расчетным данным, предлагаемый способ взрывного разрушения является экономически наиболее выгодным в сравнении с самым дешевым вариантом использования традиционно однообразных скважинных зарядов (скважины большого диаметра заряжаются акватолом Т~ 20, он на 20% дешевле в реализации).
Уникальные возможности, предоставляемые применяемой на Лебединском ГОКе технологией БВР, позволили произвести экспериментальную проверку предложенной идеи.
3
В ходе опытной проверки предлагаемого способа взрывного разрушения не предусматривались перебуры скважин с расширенной нижней частью это было единственным отличием реальных параметров зарядов от расчетных. Это решение было основано на результатах расчетов по математической модели ИВС-1, созданной авторами и проверенных опытом производства БВР в карьере Лебединского ГОКа. Предполагалось, что необходимое качество проработки подошвы уступов будет
** =
545 -урп-Ср (1-10-3,5 -а
¡1 Диаметр !| скважин, мм Тип, ВВ Сетка скважин Длина скважин, м Длина заряда, м Стоимость бурения Стоимость взрывания Стоимость БВР !
расчетная, м принятая, м
250 тнт 4,83 5,0 18 12 552 556 1.108
250 АТ-20 5,67 5,5 17 10 431 279 710
400 тнт 7,72 7,5 16 10 345 549 894
400 АТ-20 8,23 8,0 16 9 292 301 593
250/400 тнт/тнт 6,44 6,5 18/16 12/10 393 530 923
250/400 АТ-20/АТ-20 7,58 7,5 17/16 10/9 282 246 528
250/400 ТНТ/АТ-20 7,28 7.0 18/16 12/9 289 295 584
250/400 АТ-20/ТНТ 7,60 7,5 17/16 10/9 324 370 694
Примечания: 1. Цифрами в виде дроби показаны данные, относящиеся к системе разнопараметрических зарядов -
скважинам малого диаметра (числитель) и большого диаметра (знаменатель).
2.Стоимостные данные выражены в условных денежных единицах.
3.Сокращение АТ-20 означает акватол Т-20.
обеспечено скважинами меньшего диаметра.В ряде экспериментов было испытано даже взрывание скважин большого диаметра с недобуром.
Усредненные статистические показатели опытных взрывов представлены в таблице 2. Экспериментальные взрывы проводились по возможности в сходных горногеологических условиях.
Как следует из представленных результатов, выход горной массы с погонного метра скважин при предлагаемом способе в 1,5 2,0 раза выше, чем при других вариантах и превосходит даже выход горной массы при взрывании блока, целиком обуренного скважинами с расширенной нижней частью, что объясняется меньшей длиной перебуров, необходимой при реализации предлагаемого способа. Выход горной массы при варианте, основанном на одновременном увеличении энергозаиаса скважинных зарядов за счет повышения мощности ВВ и диаметра заряда, несколько выше, чем по предлагаемому способу, но стоимость реализации данного варианта выше, а качество взрывов хуже. Удельный расход В В при предлагаемом способе также наименьший.
Показатели качества дробления и проработки подошвы уступов при осуществлении разработанного способа заметно лучше, чем при контрольных взрывах, что подтверждает увеличение производительности экскавации. Этот факт позволяет
предположить, что реализация всех особенностей предлагаемого способа позволяет существенно повысить коэффициент полезного использования энергии взрыва на дробление и добиться повышения эффективности отбойки без увеличения удельных энергозатрат.
При использовании нового способа более компактным становится развал взорванной горной массы, приближающийся по форме к развалам при взрывании штатных ВВ в скважинах относительно малого диаметра.
Стоимостные показатели различных вариантов отбойки указывают на то, что являясь по затратам на взрывчатые вещества близким к варианту, основанному на заряжании скважин равномерного по высоте диаметра акватолом Т-20, разработанный способ взрывной отбойки является наиболее экономичным из всех испытанных.
Кроме того, при испытаниях было отмечено значительное ослабление интенсивности вредных воздействий, как за счет снижения или полной ликвидации перебуров скважин большого диаметра, которые (перебуры) являются основными источниками сейсмоколебаний при взрыве, так и за счет сокращения числа скважин с повышенной концентрацией энергии ВВ, что привело к снижению интенсивности ударных воздушных волн и разлета осколков.
Характер взрыва
Показатели эксперим. эксперим. контрольн. контрольн. контрольн. контрольн.
Диаметр скважин 380/250 380/250 250 250 380 380
Тип ВВ Р АТ-20 АТ-20/ТНТ ТНТ АТ-20 ТНТ АТ-20
Сетка скважин 8x8 8x8 бхб 7x6 8x8 9x8
Перебур скважин, м 0/2 0/ 3 3,0 2.0 1,0 0,5
Выход горной массы м /пог.м 58,7 58,7 30,0 35,0 56,5 66,6
уд. энергозатраты. Мдж/м 3,73 3,46 3.98 5,08 4.40 4,93
Средний размер кусков, мм 224 171 304 272 256 308
Отклонение подошвы уступов -0,6 -0,9 -0,5 -0,7 +0.5-1.0 ±0,0 ±0,0 -0,3 -0,6
Производительность экскаватора, м /см 10580 11040 6570 8520 9480 9226
|Угол откоса развала, градус 22 24 25 20 18 10
| Себестоимость:
-обуривания 240 240 377 323 311 267
- взрывания 198 236 368 237 385 273
-БВР 438 476 745 560 696 560 |
Положительные результаты оттытно-промышленных испытаний позволили перейти к масштабному освоению нового способа взрывной отбойки. Всего с использованием разработанного„способа было взорвано свыше 1700 тыс. м горной массы.
Результаты взрывов полностью подтвердили предварительные прогнозы. Удалось добиться значительной экономии взрывчатых веществ и материалов для бурения (шарошечные долота, керосин), повысить производительность экскаваторов и существенно снизить интенсивность вредных воздействий.
Немаловажным явилось и то обстоятельство, что при взрывах стало выделяться значительно меньшее количество пыли, что, с одной стороны, лишний раз косвенно подтверждает предположения о повышении степени полезного использования энергии взрыва (известно, что основная доля энергии при разрушения расходуется на формирование мелких кусков), во-вторых, позволяет существенно улучшить экологическую обстановку в карьере и прилегающей местности, так как известно,
что практически все пылевое загрязнение, возникающее при горных работах, имеет источником мелкодисперсные пылевые фракции, образующиеся при взрывании горных пород. В перспективе намечено сосредоточить усилия на детальной отработке параметров БВР, поскольку параметры взрывных работ (длина заряжаемой части скважин, их диаметр, схемы короткозамедленного взрывания и др.) могут варьировать в широких пределах. Кроме того, представляется возможным реализовать большое число вариантов сочетаний скважинных зарядов с различными типами ВВ и параметрами скважин, что также требует достаточно большого объема теоретических и экспериментальных исследований.
Резюмируя изложенное, следует подчеркнуть, что предлагаемый путь поиска рациональных способов взрывного разрушения горных пород открывает новые возможности для разработки и промышленного применения достаточно эффективных и безопасных методов крупномасштабной взрывной подготовки горных пород.
© А.Т.Калашников, Л.А,Борзенков
facer*
