CC BY
1
УДК 622.24.051
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ПУТЕМ ОБОСНОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И ПАРАМЕТРОВ ПОДГОТОВКИ К ВЫЕМКЕ ПОРОД ПРИРОДНЫХ МАССИВОВ ПРИ ОТКРЫТОЙ
ГЕОТЕХНОЛОГИИ
И.А. Пыталев, Д.В. Доможиров, Д.Б. Симаков, Е.В. Борисенко
Рассмотрено управление качеством минерального сырья на стадии подготовки горных пород к выемке путем предварительного районирования месторождения на этапе геологической разведки по показателю качества RQD для группировки на структурные элементы по сортам и видам товарной продукции. Представлены рекомендации по выбору оптимальных параметров буровзрывных работ, обеспечивающих высокий выход товарной продукции для пород различной блочности при определении основных технологических параметров открытой геотехнологии.
Ключевые слова: трещиноватость массива, блочность, кусковатость разрушенных горных пород, логарифмически нормальный закон распределения, логарифмическая дисперсия, негабарит.
В структуре горно-перерабатывающих производственных стадий качество минерального сырья оказывает различное влияние на качество продукции промежуточных звеньев. Так, содержание полезного компонента в руде оказывает влияние на технико-экономические показатели обогатительного передела. В связи с этим обеспечение качества важно осуществлять на ранних стадиях производства, в частности, при выполнении процесса подготовке порол к выемке. При этом оценка колебания качественных показателей руды и полезного ископаемого в целом, а также их своевременный учет оказывает существенное влияние на эффективность горно-обогатительного производства, где резкие колебания и низкие показатели качества ведут к серьезным экономическим потерям при ее добыче и переработке.
Поэтому, одна из главных задач открытой геотехнологии для эффективного функционирования и экономической целесообразности работы горно-обогатительного предприятия, это повышение качественных показателей, где их учет осуществляет на разных стадиях освоение минерального сырья, начиная с ранних стадий геологического изучения (поисковая, детальная и эксплуатационная разведка), а также оперативного опробования при перспективном и текущем планировании в период разработки месторождения.
Текстурно-структурные показатели, формирующие качество
товарной продукции
Текстурно-структурные особенности, формирующие структурные элементы раскрытия и разделения, можно оценить на стадии геологической разведки, на ряду с их физическими и химическими свойствами,
определяющими вид минерального сырья. Это показатель качества породы - RQD (Rock Quality Designation), предложенный Д. Диром в 1963 для различных оценок гражданского строительства, на основании которого была создана однопараметровая классификационная система [1]. В настоящее время показатель RQD используется во всех системах и стандартах для классификации скальных грунтов и скального массива в целом [2]. Показатель качества пород RQD - определяется как отношение суммарной длины сохранных (неразрушившихся) кусков керна длиной более 10 см к длине пробуренного интервала в скважине (рис. 1) или (в общем виде) отношение суммарной длины цельных интервалов пород контура выработки длиной более 10 cм, каждый ограниченный естественными трещинами, к общей длине замера:
n
IL
RQD = —100,%, (1)
L
где Li - длина цельных интервалов (отдельностей) пород контура выработки длиной более 10 cм; n - количество интервалов (отдельностей); L -общая длина замеров, м.
Получаем, что показатель качества пород связан функционально с коэффициентом трещиноватости - основным текстурно-структурным показателем взрываемого массива по следующей зависимости
RQD = 115 - 3,3 JV, (2)
где JV - количество трещин на 1 м.
Показатель JV определяется по зависимости:
m
JV =I Sj, (3)
j=1
где S,- - среднее расстояние между трещинами в метрах для каждой системы трещин; m - количество систем трещин.
Процесс проектирования и планирования на стадии выбора технических решений по вопросу подготовки пород к выемке и в целом геотехнологии освоения месторождения основывается на необходимости использовании полной и достоверной информации о горно-геологическом строении природного массива и его горнотехнических свойств.
1=38 см
1_=17см 1=0 см
длина меньше 10 см
1=20 см 1=30 см
— перерыв в бурении
1_=0 СМ
отсутствуют куски размером более 10 см
Рис. 1. Схема к определению RQD - показателя качества пород на примере пробуренного керна (RQD = 52,5 %)
Так как обоснование выбора открытой геотехнологии и технологии подготовки к выемке зависит от текстурно-структурных особенностей полезного ископаемого были проведены исследования трещиноватости (блочности) массива по кернам с учетом показателя качества породы -RQD на Алексеевском месторождении гранитов (рис. 2).
Основными характеристиками массива, приоритетными при выборе и обосновании параметров открытой геотехнологии являются его структура (трещиноватость и анизатропность) и качественные характеристики слагающих пород и полезного ископаемого (содержание полезного компонента, физико-механические свойства, декоративность, зольность, наличие вредных включение, белизна и т.д.) [3, 4].
Следует отметить, что фракция 20... 200 мм является исходным сырьем для дробления и измельчения ДСУ, где 28 % - готовый продукт (фракция 20 - 40 мм), 52 % - сырье для получение ликвидной товарной продукции (фракция 40 - 200 мм), 20 % - переизмельчённый продукт (вторичный отсев и фракция 5 - 20 мм).
Горный массив Алексеевского месторождения по характеру трещи-новатости в основном относится ко второй, третьей и четвертой категории. Сильнотрещиноватые разности развиты в основном вблизи поверхности, в зоне контактов, а также вблизи тектонических нарушений.
Средние показатели RQD и трещиноватости массива скальных грунтов по выделенным инженерно-геологическим элементам (ИГЭ) приведены в табл. 1.
Трещиноватость гранита в массиве очень неравномерна, количество систем трещин на метр изменяется от 0 до 42, т.е. практически на два порядка - от практически монолитных до сильнотрещиноватых, что повышает вероятность появления весьма крупных блоков в массиве при применении взрывной подготовки массива.
ИГЭ 19.1 Гранит, очень плотный, пористый, средней прочности, сильнотрещиноватый
ИГЭ 19.2 Гранит, очень плотный, пористый, средней прочности, средне-
трещиноватый
ИГЭ 19.3 Гранит, очень плотный, пористый, прочный, среднетрещинова-
_тый
шЕ
ИГЭ 19.4 Гранит, очень плотный, малопористый, прочный, малотрещиноватый
л,; -'•-"
ИГЭ 19.5 Гранит, очень плотный, непористый, средней прочности, малотрещиноватый
ИГЭ 19.6 Гранит, очень плотный, непористый, очень прочный, малотрещиноватый
Рис. 2. Инженерно-геологический элемент
Поэтому при определении параметров буровзрывных работ и кус-коватости пород после взрыва следует рассматривать трещиноватость (блочность) взрываемого массива.
Таблица 1
Средние показатели RQD и трещиноватости массива скальных грунтов по выделенным ИГЭ Алексеевского месторождения гранита
ЯОБ, % Количество трещин на 1 п. м.
РГЭ ИГЭ Максимальное Минимальное Среднее по массиву Максимальное Минимальное Среднее по массиву
19,1 33 3 14 134 6 42
19,2 45 10 32 81 7 35
19 19,3 63 4 47 73 5 39
19,4 51 6 60 69 3 34
19,5 42 5 28 62 12 40
19,6 65 11 38 75 8 37
Материалы и методы исследования
Для прогнозирования гранулометрического состава разрушенных горных пород и породных массивов разработано большое количество законов распределения, среди которых наибольшее распространение получили следующие [5 - 7]:
- уравнения Роллера и Годена - Андреева в основном применяются при описании содержания мелких пылевидных частиц;
- формула Розина - Раммлера может быть использована на всех стадиях взрывного и механического дробления;
- законы, выводимые на основе известных статистических распределений, такие как логарифмически нормальное и нормальное распределения, гамма-распределение и, как вариант гамма-распределения, распределение Вейбулла.
При взрывном разрушении природных и техногенных массивов хорошие результаты получены при использовании логарифмически нормального закона распределения, при исследовании которого доказано, что разнопрочные породы дробятся независимо друг от друга:
/ \2
ф ( X )
1
| ехр
1п х - 1п х
2в
d 1п х,
(4)
где Ф(х) - доля кусков размером меньше х, %; !т - средний геометрический размер куска горной массы, м; Р - логарифмическая дисперсия, /? = 1пад.
Использование логарифмически нормального закона распределения упрощается применением логарифмической вероятностной системы коор-
динат. Поэтому проверка применимости логарифмически нормального закона чрезвычайно упрощается. Определение Хд и ад, характеризующих все распределения, графически производится предельно просто.
Так как в логарифмически вероятностной системе распределение диаметра становится симметричным, то значение х, соответствующее 50 % выхода, дает хд. Связь с ^р представлена уравнением, м:
¿Ср = хде°5в . (5)
Логарифмическая дисперсия, характеризует среднеквадратичное отклонение от среднегеометрического размера диаметра и определяется как
в = ^а, (6)
где а - угол, образованный прямой с положительным направлением оси 1пх.
Проведенные ранее исследования позволили установить инвариантность логарифмической дисперсии для пород различной блочности до и после производства взрывных работ. Для условий Алексеевского месторождения гранитов она изменяется в пределах 0,58-1,5.
Так как минеральное сырье Алексеевского месторождения относится весьма и исключительно крупноблочным, то при определении параметров буровзрывных работ принимаются следующие показатели кусковато-сти (табл. 2).
Таблица 2
Принятые показатели кусковатости по выделенным
ИГЭ Алексеевского месторождения гранита_
Логарифми- Среднее рас- ЯОБ, %
ИГЭ ческая дис- стояние между Макси- Мини- Среднее по
персия, в трещинами, м мальное мальное массиву
19.1 0,58 0,6 45 10 32
19.2 0,65 0,6 33 3 14
19.3 0,89 1 63 4 47
19.4 1,13 1,2 65 11 38
19.5 1,34 1,5 58 21 37
19.6 1,5 2 78 2 58
Для достижения высоких технико-экономических показателей эффективности предприятия необходимо решать прямую и обратную задачи проектирования и планирования горных работ с учетом текстурно-структурных особенностей, слагающих массив горной породы, и формирующие структурные элементы раскрытия и разделения при обосновании качества, спектра и ассортимента товарной продукции [7]:
1. Прямая задача - это формирование структуры комплексной механизации процессов подготовки на стадиях добычи и переработки, путем комплектования типа и мощности горно-перерабатывающего оборудования;
2. Обратная задача - это обоснование параметров БВР для эксплуатируемого горного оборудования действующего горно-обогатительного производства.
Для управления качеством минерального сырья на этапе взрывной подготовки горных пород к выемке разработана методика определения среднего размера куска с учетом текстурно-структурных особенностей массива. При применении многорядного короткозамедленного взрывания диаметр среднего куска взорванной горной массы связан с энергетическими характеристиками, структурой массива и высотой уступа соотношением:
^ = . „1 .. , (7)
ср
1 300 + H
— +-q
d„ 100 + d„
где de - диаметр средней естественной отдельности в массиве, м; Н - высота уступа, м; dc - диаметр скважинного заряда ВВ, мм; q - удельный расход ВВ, кг/м3.
При этом выход фракции заданного размера определяется из выражения:
П = e"0'8^, (8)
где п - выход фракций сверху; X - отношение линейного размера искомой фракции (х) к диаметру среднего куска dep.
В работе определены параметры буровзрывных работ и выполнены расчеты гранулометрического состава для каждого из двух вариантов параметров буровзрывных работ (для диаметра скважин 150 мм и 190 мм) (табл. 3, 4, рис. 3, 4).
Таблица 3
Параметры буровзрывных работ и гранулометрического состава
ИГЭ в 1ср, м Высота уступа, м q, кг/м3 Выход фракций крупностью, %
>0,8 >1,0 >1,2
19.1 0,58 0,6 10 0,5 2,7 0,2 -
19.2 0,65 0,6 10 0,67 1,1 0,0 -
19.3 0,89 1 10 0,75 9,3 1,6 0,15
19.4 1,13 1,2 10 0,8 12,7 2,7 0,34
19.5 1,34 1,5 10 0,9 10,7 2,0 0,21
19.6 1,5 2 10 1,2 7,8 1,2 0,09
Рис. 3. Распределение гранулометрического состава при заданных параметрах БВР (диаметр скважин 150 мм)
Таблица 4
Параметры буровзрывных работ и гранулометрического состава __при диаметре скважин 190 мм_
ИГЭ в 1ср, м Высота уступа, м д, кг/м3 Выход фракций крупностью, %
>0,8 >1,0 >1,2
19.1 0,58 0,6 10 0,5 3,7 0,3 -
19.2 0,65 0,6 10 0,67 1,8 0,1 -
19.3 0,89 1 10 0,75 13,6 3,1 0,41
19.4 1,13 1,2 10 0,8 18,3 5,2 0,93
19.5 1,34 1,5 10 0,9 16,4 4,3 0,69
19.6 1,5 2 10 1,2 14,3 3,3 0,47
Рис. 4. Распределение гранулометрического состава при заданных параметрах БВР (диаметр скважин 190 мм)
В табл. 5 представлено расчетное распределение гранулометрического состава горной массы после БВР.
Таблица 5
Расчетное распределение гранулометрического состава горной массы
Диапазон крупности, см В развале
Диаметр скважин 150 мм Диаметр скважин 190 мм
0.15 3,1.6,1 2,6.5,9
15.30 13,2.23,9 11,0.23,3
30.60 47,1.56,7 42,7.56,6
60.90 10,8.30,3 13,7.33,5
90.120 0,2.4,9 0,5.9,3
Более 120 0.0,34 0.1,93
Технико-экономическое сравнение проектных решений
В результате анализа гранулометрического состава с учетом предложенной методики и логарифмически-нормального закона распределения установлено, что при взрывании скважин диаметром 150 мм расчётное количество кусков крупных фракций - более 90 см - составляет 5,2 %. Это допустимая величина негабарита. Поэтому для доставки гранита на ДСК можно принять размер максимального куска 90 см. При взрывании скважин диаметром 190 мм расчётное количество кусков более 90 см составляет 11,2 %, а кусков более 120 см - 1,9 %. Проектная допустимая величина негабарита из практики БВР составляет 2...5 %. Поэтому для доставки гранита на ДСК можно принять размер максимального куска 120 см. Таким образом, если убрать негабаритные фракции из расчета и принять оставшиеся за 100 %, то получим теоретическое распределение гранулометрического состава гранита, загружаемого в бункер дробилки крупного дробления. При этом, для диаметра взрывных скважин 150 мм исходный размер куска горной массы прогнозируется 800 - 900 мм, а для диаметра взрывных скважин 190 мм размер куска может доходить до 1100 -1200 мм. Это означает, что при бурении взрывных скважин диаметром 150 мм возможно использовать на первой стадии дробления дробильную установку меньшей единичной мощности.
Для решения прямой задачи планирования и проектирования горных работ при формировании структуры комплексной механизации процессов подготовки на стадиях добычи и переработки, необходимо применение бурового и дробильного оборудования различной единичной мощности, что влечет за собой необходимость экономического сравнения по следующим вариантам:
- 1-й вариант: бурение взрывных скважин диаметром 150 мм с использованием бурового станка Еpiroc FlexiRoc D60 и использование в со-
ставе ДСК на первой стадии дробления дробильной установки Nordberg NP1415;
- 2-й вариант: бурение взрывных скважин диаметром 190 мм с использованием бурового станка Epiroc DML LP и использование в составе ДСК на первой стадии дробления дробильной установки Nordberg NP1620.
Критерием выбора рациональной технологии производства буровзрывных работ и стадии крупного дробления является минимальная величина совокупных затрат (капитальных вложений и эксплуатационных затрат) за срок отработки карьера.
Технико-экономическое сравнение вариантов ведения буровзрывных работ с использованием скважин диаметром 150 и 190 мм показало (рис. 5), что наиболее экономичный как по уровню капитальных вложений, так и по уровню эксплуатационных затрат является вариант с использованием бурового станка Epiroc DML LP (диаметр скважин 190 мм) и дробильной установки Nordberg NP1620 на первой стадии дробления. При этом обеспечивается требуемое качество дробления, за счет формирования необходимого распределения гранулометрического состава (максимально востребованной фракции) для получения широкого спектра ассортимента и сорта товарной продукции при компоновке оптимальной структуры комплексной механизации процесса подготовки минерального сырья на стадиях добычи и переработки.
■ Капитальные затраты
Эксплуатационные затраты
Суммарные затраты
1 2
Рис. 5. Затраты процессов подготовки на стадиях производства буровзрывных работ и крупного дробления для следующих вариантов
структуры комплексной механизации: 1 - буровой станок Еpiroc Г1вх1Яое 060 (йскв=150 мм) - ДСУ МоНЪв^ №1415; 2 - буровой станок Еpiroc DML LP (йскв=190 мм) - ДСУ МоПЪв^ Ш1620
Заключение
На основании моделирования распределения гранулометрического состава получены теоретические кривые его распределения при ведении БВР с диаметрами скважин 190 мм, подаваемого на дробилку крупного
дробления: 0 - 150 мм - 20 %; 150 - 300 мм - 35 %; 300 - 600 мм - 30 %; 600.1200 мм - 15 %. При этом экономический эффект от применения технологии подготовки на стадиях добычи и переработки по суммарным затратам на весь период отработки месторождения составит не менее 28 %.
Таким образом, в условиях практической реализации предложенной технологии производства буровзрывных работ для обеспечения требуемого качества товарной продукции и заданного гранулометрического состава в условиях изменяющейся трещиноватости, разработанная методика позволяет определить параметры буровзрывных работ, обеспечивающие требуемый фракционный состав с учетом структурных особенностей массива и определять оптимальную с точки зрения технико-экономических показателей структуру комплексной механизации горно-перерабатывающего предприятия.
Список литературы
1. ROCK MASS CLASSIFICATION A Practical Approach in Civil Engineering Bhawani Singh University o f Roorkee, Roorkee. India R.K. Coel Central Mining Research Institute Roorkee, India, 1999. 282 р.
2. Межгосударственный стандарт ГОСТ 25100—2020 Грунты. Классификация. М.: Стандартинформ, 2020. 41 с.
3. Improving the production technology of drilling and blasting operations by blasting of high ledges / N.V. Ugolnikov , D.V. Domozhirov , N.G. Karaulov, A.A. Prochorov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020. 966(1). 012022.
4. Угольников Н.В., Доможиров Д.В. Обеспечение безопасности буровзрывных работ при взрывании парно-сближенных скважин высоких уступов на карьерах // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 3. С. 332-343.
5. Угольников В.К., Гавришев С.Е., Угольников Н.В. Влияние тре-щиноватости массива горных пород на кусковатость взорванной горной массы // Горно-информ. -аналит. бюл. М.: МГГУ, 2006. №3. С. 213-216.
6. Обоснование параметров и технологии производства буровзрывных работ, обеспечивающих требуемую кусковатость / В. В. Егоров, А. Н. Волокитин, Н. В. Угольников, А. В. Соколовский // Горная промышленность. 2021. № 3. С. 110-115.
7. Гранулометрический состав кусков взорванной горной массы и его вероятностное распределение в условиях карьера природного камня / Э. Г. Гаврилкович, С. Г. Оника, А. К. Гец, С. А. Жуков // Горный журнал. 2022. № 4. С. 52-56.
8. Доможиров Д.В. К вопросу повышения эффективности добычи и переработки минерального сырья за счет управления параметрами буровзрывных работ для достижения требований к качеству // Вестник Магни-
тогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. №1. С. 5-14.
Пыталев Иван Алексеевич, д-р техн. наук, проф., профессор, директор института, pytalev_ivan@mail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова,
Доможиров Дмитрий Викторович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Симаков Дмитрий Борисович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Борисенко Евгений Владимирович, соискатель, [email protected], Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
QUALITY MANAGEMENT OF MINERAL RAW MATERIALS BY SUBSTANTIATING THE TECHNOLOGY AND PARAMETERS OF PREPARATION FOR THE EXCAVATION OF NATURAL MASSIFS WITH OPEN GEOTECHNOLOGY
I.A. Pytalev, D.V. Domozhirov, D.B. Simakov, E.V. Borisenko
Considers the quality management of mineral raw materials at the stage of preparation of rocks for excavation by preliminary zoning of the deposit at the stage of geological exploration according to the quality indicator RQD для for grouping into structural elements by grades and types of commercial products. Recommendations are presented on the selection of optimal parameters of drilling and blasting operations that ensure a high yield of marketable products for rocks of various blockages when determining the main technological parameters of open geotechnology.
Key words: fracturing of the massif, blockiness, lumpiness of destroyed rocks, logarithmically normal distribution law, logarithmic dispersion, oversized.
Pytalev Ivan Аlexeyevich, doctor of technical sciences, professor director of the institute, pytalev ivanamail.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Domozhirov Dmitry Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, dvd1975@,mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Simakov Dmitry Borisovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University,
Borisenko Evgeniy Vladimirovich, postgraduate, borisenko@,kruvp.kru.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
Reference
1. ROCK MASS CLASSIFICATION A Practical Approach in Civ-il Engineering Bhawani Singh University o f Roorkee, Roorkee. India R.K. Coel Central Mining Research Institute Roorkee, India, 1999. 282 p.
2. Interstate standard GOST 25100-2020 Soils. Classification. Moscow: Standartin-form, 2020. 41 p.
3. Improving the production technology of drilling and blasting operations by blasting of high ledges / N.V. Ugolnikov , D.V. Domozhirov , N.G. Karaulov, A.A. Prochorov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020. 966(1). 012022.
4. Ugolnikov N.V., Domozhirov D.V. Ensuring the safety of drilling and blasting operations when blasting paired-converged wells of high ledges in quarries // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2019. Issue 3. pp. 332-343.
5. Ugolnikov V.K., Gavrishev S.E., Ugolnikov N.V. The effect of fracturing of a rock mass on the lumpiness of an exploded rock mass // Gorno-inform. -analyt. byul. M.: MGSU, 2006. No.3. pp. 213-216.
6. Substantiation of the parameters and technology of production of drilling and blasting operations providing the required lumpiness / V. V. His-rov, A. N. Volokitin, N. V. Ugolnikov, A.V. Sokolovsky // Mining industry. 2021. No. 3. pp. 110-115.
7. Granulometric composition of pieces of blasted rock mass and its probabilistic distribution in the conditions of a natural stone quarry / E. G. Gavrilkovich, S. G. Onika, A. K. Getz, S. A. Zhukov // Mining Journal. 2022. No. 4. pp. 52-56.
8. Domozhirov D.V. On the issue of increasing the efficiency of mining and processing of mineral raw materials by controlling the parameters of drilling and blasting operations to achieve quality requirements // Bulletin of Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov. 2023. Vol. 21. No.1. pp. 5-14.
