СПОСОБ ВЕДЕНИЯ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ
METHOD TO PERFORM BLAST-HOLE DRILLING

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке скальных горных пород.
Известен способ взрывной отбойки, когда проектирование буровзрывных работ (БВР) осуществляется на основе предварительного районирования массивов горных пород путем определения энергоемкости бурения скважин в области перебура. Энергоемкость пород текущего блока определяют при бурении слоя пород ниже на несколько метров поверхности уступа. Т.е. игнорируется (пропускается) регистрация энергоемкости пород приповерхностного слоя разрушенного при отбойке вышележащего, ранее отработанного блока (Тангаев И.А. О значении энергоемкости бурения взрывных скважин для системы автоматизированной подготовки буровзрывных работ на карьерах www.blastmaker.kg/downloads/O_znachenii_energoemkosti.pdf). Главным недостатком этого способа является отсутствие обратной связи. Т.е отсутствие механизма корректировки районирования массивов пород и параметров БВР по результатам анализа взрывной отбойки.
Известен способ взрывной отбойки процесс внедрения, которого состоит из нескольких этапов. Первоначально ведется сбор входных параметров системы, наполнение базы данных (БД) геологической и маркшейдерской информацией и подстройка пакета к принятой технологии ведения буровзрывных работ. Следующая стадия - установка и наладка компонентов ПТК, после чего становится возможной эксплуатация системы. По мере сбора и накопления данных уточняются корреляционные зависимости параметров бурения от физико-механических свойств слагающих горных пород, способы фильтрации данных, получаемых в процессе бурения. Определяются эмпирические зависимости между удельной энергоемкостью бурения и удельной энергоемкостью взрывного разрушения горной породы для данного карьера. (Коваленко В.А., Долгушев В.Г., Нагавицин В.А Автоматизированное проектирование буровзрывных работ на карьерах. Опыт внедрения // Сборник докладов, Передовые технологии на карьерах КРСУ, Бишкек, 2008).
При анализе вышеназванных решений следует отдельно выделить достоинства и недостатки самого метода оценки структурных и прочностных свойств по энергоемкости бурения шарошечных скважин и способа реализации (насколько способ реализации позволяет сгладить эти недостатки).
Главным достоинством оценки структурных и прочностных свойств путем измерения энергоемкости бурения является простота, доступность метода в условиях производства и небольшая зависимость от субъективной составляющей, что позволяет использовать данный метод в автоматизированных системах. При этом главным недостатком метода является отсутствие корреляции между взрываемостью пород и энергоемкостью бурения. Каждое месторождение имеет свое уникальное и неповторимое геологическое строение. Каждый карьер обладает уникальными и неповторимыми физико-механическими свойствами горных пород. На каждом карьере различные типы ВВ производят разрушение горного массива по-разному. Взрываемость горных пород в большей степени связана с их упругими свойствами, когда например, мраморы относительно мягкие (коэффициент крепости по Протодьяконову 8-10), не абразивные, но вязкие, относительно легко бурятся, но плохо поддаются взрывному дроблению. В тоже время роговики более твердые (коэффициент крепости по Протодьяконову 12-14) хуже бурятся, но для их взрывного дробления требуется меньший на 20-25% удельный расход ВВ. Внутри геологического типа взрываемость горных пород в значительной мере зависит от трещиноватости массивов.
Главным недостатком способа реализации этого метода на практике, является сложность поиска корреляции между взрываемостью пород и энергоемкостью бурения для конкретных типов пород, требующего проведения специальных исследований (с привлечением высококвалифицированных специалистов) трудно подающихся автоматизации. Приходится проводить исследования по установлению корреляционной связи внутри геологического типа между структурными свойствами горных пород и энергоемкостью бурения.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ скважинной отбойки горных пород, на карьерах включающий бурение взрывных скважин, в процессе которого по энергоемкости бурения (скважин шарошечного бурения) оценивается взрываемость массивов горных пород (производится районирование массивов пород по взрываемости). Качество взрывной подготовки технологических блоков к выемке с целью последующей корректировки параметров буровзрывных работ осуществляется по величине удельной энергоемкости процесса экскавации (Коваленко В.А., Тангаев И.А., Киселев А.О. Управление горным производством на основе оперативной информации о технологических свойствах объекта разработки // Сборник докладов, Передовые технологии на карьерах КРСУ, Бишкек, 2008).
Качество дробления массивов горных пород в значительной степени определяется их структурными свойствами. Так, например, при наличии раскрытых либо заполненных рыхлым материалом трещин взрывное дробление не управляемо, т.е. массив разваливается на естественные отдельности. Увеличение расхода бурения и ВВ в данном случае не улучшает качество дробления, а ведет к нарушению подошвы нижележащего уступа. Что в свою очередь ведет к дополнительным потерям скважин и ухудшению проработки подошвы нижележащего уступа.
В тоже время оценка эффективности взрывной подготовки блока по энергоемкости экскавации позволяет дать совокупную характеристику экскаваторного забоя. Но при этом не дается конкретная оценка проработки подошвы уступа и самое главное не диагностируется выход параметров БВР на запредельные значения, когда увеличение удельного расхода бурения и ВВ уже не улучшает качество дробления, а только усиливает воздействие на подошву уступа. Дополнительное взрывное воздействие на подошву уступа в свою очередь приводит к усилению искусственного трещинообразования за пределами проектных контуров отбойки, отрицательно влияющему на эффективность БВР.
Задачей изобретения является повышение эффективности районирования пород по взрываемости, в частности повышение эффективности уточнения районирования и параметров буровзрывных работ в процессе анализа результатов взрывной отбойки.
Задача решается тем, что уточнение районирования производят по величине отношения показателя энергоемкости бурения верхней части скважин текущего горизонта (пробуренных в междускважинном пространстве вышележащего (ранее погашенного) блока) и энергоемкости бурения соответствующей по высоте части скважин вышележащего блока.
При взрывном дроблении массивов горных пород наиболее энергозатратной задачей является проработка подошвы уступа. Поэтому, как правило, рациональными являются такие параметры, БВР которые обеспечивают проработку подошвы уступа при минимальном удельном расходе ВВ. Перерасход ВВ проявляется, прежде всего, в нарушении массива горных пород за пределами проектных контуров отбойки.
При отбойке скважин разрушение горных пород происходит не только в проектных контурах, но и за их пределами. Особенно это касается сложно-структурных массивов. За пределами проектных контуров отбойки наблюдается разрушение массива горных пород и интенсивное искусственное трещинообразование. Это касается откосов уступов и подошвы уступа. При попадании скважин в зоны искусственного нарушения массива наблюдается обрушение устья скважин, уменьшение нарушения массива наблюдается обрушение устья скважин, уменьшение величины перебура, ухудшение дробления горных пород и проработки подошвы уступа.
При рациональных параметрах буровзрывных работ на уровне проектной отметки (на которую должны опуститься горные работы), между скважинами должен оставаться не разрушенный массив горных пород. Твердая хорошо проработанная (до проектной отметки) подошва уступа является главным условием производительной работы экскаватора. При этом недопустимо наличия скального массива выше проектной отметки подошвы уступа или разрушенного массива ниже проектной отметки подошвы уступа.
При оптимизации параметров БВР и уточнении районирования массивов горных пород по взрываемости наибольший интерес представляет собой междускважинное пространство подошвы уступа за пределами проектных контуров отбойки. Как показывают проведенные исследования при рациональных параметрах БВР энергоемкость бурения верхней части скважин блока текущего горизонта пробуренных в непогашенной зоне междускважинного пространства вышележащего, ранее погашенного блока должна быть не менее 0.8-0.85 энергоемкости бурения зоны перебура по скважинам, формирующим данное междускважинное пространство ранее погашенного вышележащего блока (см. табл.1).
Выход параметров на запредельные значения довольно сложно диагностируется. Заявляемое техническое решение позволяет решить эту задачу. Основная идея данного технического решения заключается в том, что отсутствие прямой корреляции между энергоемкостью бурения и дробимостью пород взрывом предлагается компенсировать корректировкой параметров БВР по результатам анализа изменения энергоемкости бурения пород подошвы уступа (после взрывного воздействия при отбойке пород вышележащего блока). Для получения корректных результатов необходимо выделить особенности отбора данных для анализа энергоемкости бурения пород подошвы текущего горизонта:
- в сравнительном анализе могут участвовать только данные по скважинам блока текущего горизонта расположенным в непогашенной части междускважинного пространства отработанного блока вышележащего горизонта;
- энергоемкость бурения скважин в области перебура блока вышележащего горизонта (формирующих междускважинное пространство отработанного блока) сравнивается с энергоемкостью бурения верхней части скважин блока текущего горизонта расположенных в непогашенной части междускважинного пространства отработанного блока.
Таблица 1
Удельная энергоемкость бурения сопрягающихся по высоте скважин вышележащего и текущего горизонтов (долото 243 мм)
№№
Категор. пород
Высота уступа/глубина перебура, м
Уд. Расход ВВ, кг/м<sup>3</sup>
Время бурения 1 п.м. скважины, мин.
Удельная энергоемкость, кВт·ч/м
Сетка скважин, м
Вышележащий блок
Текущий блок
а
b
1
I
15/3
0.15
1.6
0.8
0.71
10
9.5
2
II
15/3
0.23
2.0
1.2
0.98
9
8
3
III
15/3
0.33
2.9
2.03
1.68
8
7
4
IV
15/3
0.45
4.0
3.2
2.62
7
6.5
5
V
15/3
0.60
5.2
4.68
3.88
6.5
6
6
VI
15/3
0.78
7.0
7.03
5.76
6
5
7
VII
15/3
1.00
9.1
9.13
7.31
5
5
8
VIII
15/3
1.24
12
12.08
9.78
5
4.5
Для реализации данного решения предлагается следующая технология.
3
3
3
Буровые станки оборудуются средствами высокоточного позиционирования, средствами коммуникации и средствами измерения энергоемкости бурения. В процессе предварительного районирования для каждого типа пород определяют границы информативного интервала (расстояний от текущей до ближайшей погашенной скважины вышележащего блока), в котором величины энергоемкости бурения при изменении удельного расхода ВВ различаются более точности измерения (обычно более 15%). Границы информативного интервала зависят от применяемого типа ВВ, бурового оборудования в (частности от диаметра скважин). На фиг.1 представлены данные исследования отбойки скарнированных мраморов. Данный тип горных пород требует для нормальной проработки подошвы уступа удельный расход ВВ на уровне 0.9-0.95 кг/м. Фиг.1 была построена по данным измерения энергоемкости бурения скважин в приповерхностном слое в зависимости от расстояния от текущей скважины, (по которой производились измерения) до ближайшей погашенной скважины вышележащего горизонта. Причем линия 1 соответствует рациональному удельному расходу (для этих пород 0.9 кг/м), а линия 2 завышенному - 1.05 кг/м. Как видно из фиг.1 и фиг.2, значения удельной энергоемкости бурения для кривых 1 и 2 различаются только в информативной зоне (3) при расстояниях до ранее погашенных скважин 2.2-4.5 м.
3
3
3
На фиг.2 представлены данные исследования отбойки амфиболовых роговиков. Данный тип горных пород требует для нормальной проработки подошвы уступа удельный расход ВВ на уровне 0.55-0.6 кг/м. Фиг.2 была построена по данным измерения - энергоемкости бурения скважин в приповерхностном слое в зависимости от расстояния от текущей скважины, (по которой производились измерения) до ближайшей погашенной скважины вышележащего горизонта. Причем линия 1 соответствует рациональному удельному расходу (для этих пород 0.55 кг/м), а линия 2 завышенному - 0.75 кг/м.
При правильном выборе категории взрываемости и параметров БВР положение зоны рыхления по подошве уступов будет соответствовать линиям 4, 5, 6 фиг.3. При неправильном выборе категории пород, параметров БВР линия проектной отбойки пород по подошве уступа может иметь другое положение. В случае занижения категории пород по взрываемости, когда применяется не достаточный удельный расход ВВ для формирования подошвы уступа на проектных отметках отрицательный результат очевиден и проявляется сразу - формируются неровности по подошве («козлы» и «пороги»), производительность экскаватора резко снижается. Иногда для выравнивания подошвы уступа приходится проводить дополнительные буровзрывные работы с применением специального оборудования.
При завышении удельного расхода ВВ отрицательный результат менее очевиден и проявляется не сразу. В этом случае в приповерхностном слое образуется белее интенсивная искусственная трещиноватость, которая захватывает и междускважинное пространство. Т.е. между скважинами на уровне проектной отметки подошвы уступа также формируется зона интенсивной искусственной трещиноватости. При правильно выбранных параметрах БВР в междускважинном пространстве на уровне проектной отметки подошвы уступа должен оставаться скальный массив, энергоемкость бурения которого не должна отличаться в меньшую сторону более чем на 20% чем энергоемкость бурения перебура соответствующей скважины вышележащего, ранее погашенного блока. В противном случае необходима корректировка районирования по взрываемости и параметров буровзрывных работ.
Для реализации заявляемого технического решения предлагается создание автоматизированной системы включающей технические, программные средства и базы данных. Технические и программные средства обеспечивают функционирование системы. Весьма важное значение отводится базе данных, структура которой предусматривает хранение и использование фактических параметров буровзрывных работ, таких как: фактические координаты, глубина, поинтервальная энергоемкость бурения, величина заряда, тип ВВ и др. Минимальное количество интервалов регистрации энергоемкости бурения - 3.
Первый интервал характеризует значение энергоемкости бурения приповерхностного слоя уступа, величина которого соответствует глубине перебура на вышележащем ранее отбитом блоке.
Второй интервал представляет значение энергоемкости бурения скважины ниже первого интервала до уровня отметки подошвы уступа.
Третий интервал характеризует энергоемкость бурения скважины ниже отметки подошвы уступа - уровень перебура.
Важная задача заявляемого решения состоит в корректировке районирования карьерного поля по взрываемости пород через контроль соблюдения принципа преимущественного взрывного воздействия на разрушаемый массив горных пород в проектных контурах взрывной отбойки. Т.е. за пределами проектных контуров отбойки при правильно выбранных параметрах буровзрывных работ разрушение должно быть минимально.
С этих позиций первый интервал имеет наивысшую информативность, т.к. он включает в себя непогашенную часть межскважинного пространства вышележащего ранее отработанного блока. В процессе буровых работ на вышележащем блоке поинтервально регистрируется и накапливается в базе данных значение энергоемкости бурения скважин. Особый интерес представляет зона перебура, так как она остается не погашенной после взрывной отбойки и экскавации горной массы отработанного блока. При правильном выборе параметров буровзрывных работ межскважинное пространство непогашенной части массива отработанного блока из-за искусственной трещиноватости не должно в значительной мере потерять прочностных свойств. Поэтому в процессе автоматизированного проектирования буровзрывных работ на ниже лежащем блоке положение скважин смещают в сторону наименее нарушенного массива, т.е. положение скважин проектируется по возможности ближе к центру непогашенного междускважинного пространства.
Проектирование скважин на буровом блоке осуществляется с помощью подсистемы, которая по данным районирования выполняет расчет параметров и положения скважин на блоке. При этом анализируется положение скважин вышележащего, ранее погашенного блока для решения задачи смещения скважин текущего горизонта в сторону менее нарушенного предыдущим взрывом массива горных пород. Т.е. на стадии проектирования массового взрыва в качестве основы используется база данных фактического положения взрывных скважин на вышележайшем ранее отработанном блоке. Таким образом, в процессе автоматизированного проектирования массового взрыва блока текущего горизонта, проектное положение взрывных скважин смещается в сторону непогашенной части межскважинного пространства вышележащего блока. В процессе обуривания блока текущего горизонта наряду с поинтервальной регистрацией энергоемкости бурения производится анализ изменения энергоемкости бурения пород приповерхностного слоя на основании, которого производится корректировка данных районирования пород по взрываемости и параметров БВР. Так если энергоемкость бурения пород приповерхностного слоя оказалась ниже более чем на 20%, чем энергоемкость бурения зоны перебура формирующих данное межсважинное пространство скважин вышележащего (ранее отработанного) блока, следует выполнить перерасчет корректировки районирования и параметров БВР (в сторону уменьшения категории пород по взрываемости).
Корректировка районирования в сторону увеличения категории пород по взрываемости производится, когда соблюдение проектных параметров БВР не позволяет достичь проектных отметок подошвы уступа.
В случае, когда бурение скважины не возможно на равноудаленном расстоянии от скважин вышележащего ранее отработанного блока регистрация энергоемкости бурения приповерхностного слоя может начинаться ниже подошвы уступа на величину h\, определяемую из выражения (1)
p
b
Где h - величина перебура, м; r - расстояние до ближайшей скважины вышележащего ранее отработанного блока, м; α - сетка скважин на вышележащем ранее отработанном блоке.
Проектирование буровзрывных работ осуществляется на основе районирования месторождения по категориям взрываемости. Заявляемое техническое решение позволяет создать методическую основу для автоматизированной системы оперативной корректировки районирования массивов горных пород по категориям взрываемости. При существенно меньших затратах обеспечивается более высокая достоверность работ.
На Фиг.1. представлена динамика изменения энергоемкости бурения скарнированных мраморов в приповерхностной зоне уступа в зависимости от расположения скважин текущего горизонта по отношению к скважинам вышележащего - ранее отработанного блока
3
1 - кривая, соответствующая рациональному значению удельного расхода ВВ (для данного типа пород 0.9 кг/м);
3
2 - кривая, соответствующая завышенному удельному расходу ВВ (1.05 кг/м);
3 - границы информативного интервала (расстояний от текущей до ближайшей погашенной скважины вышележащего блока), в котором величины энергоемкости бурения при изменении удельного расхода ВВ различаются более точности измерения (обычно более 15%).
На Фиг.2. представлена динамика изменения энергоемкости бурения амфиболовых роговиков в приповерхностной зоне уступа в зависимости от расположения скважин текущего горизонта по отношению к скважинам вышележащего - ранее отработанного блока
3
1 - кривая, соответствующая рациональному значению удельного расхода ВВ (для данного типа пород 0.55 кг/м);
3
2 - кривая, соответствующая завышенному удельному расходу ВВ (0.75 кг/м);
3 - границы информативного интервала (расстояний от текущей до ближайшей погашенной скважины вышележащего блока), в котором величины энергоемкости бурения при изменении удельного расхода ВВ различаются более точности измерения (обычно более 15%).
На Фиг.3 представлено проектное, ожидаемое (при рациональных параметрах БВР и правильном выборе категории взрываемости пород) положение зоны рыхления по подошве уступа: 4 - блока вышележащего горизонта; 5 - блока текущего горизонта; 6 - блока нижележащего горизонта;
7 - скважины блока вышележащего горизонта; 8 - скважины блока текущего горизонта; 9 - отметка подошвы уступа блока вышележащего горизонта; 10 - отметка подошвы блока текущего горизонта; 11 - отметка подошвы уступа блока нижележащего горизонта; 12 - непогашенная часть межскважинного пространства вышележащего блока.
Технический результат
Повышение эффективности буровзрывных работ за счет снижения расхода ВВ, бурения на отбойку пород, а также снижения потерь скважин от обрушения, улучшения качества дробления горных пород и проработки подошвы уступа.
Источники информации
1. Патент РФ 2279546 Секисов Г.В., Мамаев Ю.А., Левин Д.В., Данильченко Д.Г. Способ разработки месторождений скального и полускального типов разноблочной структуры.
2. Даниленко Г.П., Хакулов В.А., Бахарев Л.В., Алимирзоев Г.А., Земляной Г.И. Способ отбойки горных пород. А.с. №1351249 СССР, 1987.
3. Хакулов В.В Совершенствование проектирования буровзрывных работ для карьеров на основе саморазвивающихся моделей районирования массивов горных пород // Горный информационный аналитический бюллетень. - 2010 - №7 - С.28-31.
4. Жабоев М.Н., Хакулов В.А, Бахарев Л.В., Равикович Б.С. Совершенствование технологии отбойки сложно-структурных массивов горных пород. // Горный журнал - 1990 - №9. - С.22-23.
5. Протодьяконов М.М. Материалы для урочного положения горных работ. 4.1. - М.: Издательство ЦК горнорабочих, 1926.
6. Суханов А.Ф. К вопросу единой классификации горных пород. -М.: Углетехиздат, 1947.
7. Барон Л.И., Коняшин Ю.Г., Курбатов В.М. Дробимость горных пород. - М.: издательство Академии наук СССР, 1963.
8. Барон Л.И., Личели Г.П. Трещиноватость горных пород при взрывной отбойке. - М.: Недра, 1966, 136 с.
9. Барон Л.И. Об акустической жесткости как критерии сопротивляемости горных пород разрушению дроблению динамическими нагрузками. // Взрывное дело, №67/24. - М: Недра, 1969, / НТО горное.
10. Барон Л.И. Кусковатостъ и методы ее измерения. - М.: Издательство АН СССР. 1960, 123 с,.
11. Мосинец В.Н. Энергетические и корреляционные связи процесса разрушения пород взрывом. - Фрунзе: Издательство АН Кирг. ССР, 1963, 233 c.
12. Патент РФ №2411445. Способ ведения буровзрывных работ / Хакулов В.А., Секисов А.Г., Плеханов Ю.В., Хакулов В.В. // Бюл. И. - 2011. - №4.
13. Тангаев И.А. О значении энергоемкости бурения взрывных скважин для системы автоматизированной подготовки буровзрывных работ на карьерах www.blastmaker.kg/downloads/O_znachenii_energoemkosti.pdf
14. Коваленко В.А., Долгушев В.Г., Нагавицин В.А Автоматизированное проектирование буровзрывных работ на карьерах. Опыт внедрения // Сборник докладов, Передовые технологии на карьерах КРСУ, Бишкек, 2008
15. Хакулов В.А., Игнатов В.Н., Хакулов В.В., Плеханов Ю.В., Сыцевич Н.Ф., Ткаченко Л.А. Способ взрывной отбойки массивов горных пород - заявка №201111134/20(016232)
16. Коваленко В.А., Тангаев И.А., Киселев А.О. Управление горным производством на основе оперативной информации о технологических свойствах объекта разработки // Сборник докладов, Передовые технологии на карьерах КРСУ, Бишкек, 2008