Крупномасштабное взрывное разрушение горных массивов сложной структуры с селективной выемкой полезного ископаемого

© С.Д. Викторов, В.М. Закалинский, 2013

С.Д. Викторов, В.М. Закалинский

КРУПНОМАСШТАБНОЕ ВЗРЫВНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ МАССИВОВ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ С СЕЛЕКТИВНОЙ ВЫЕМКОЙ ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО

Рассмотрен новый подход при разработке месторождений со сложной геологической структурой расположения полезных компонентов на основе взрывного разрушения массивов горных пород в объемах, существенно превышающих известные в одном взрыве, без снижения технико-экономический показателей. Ключевые слова: взрыв, крупномасштабное разрушение, структура, месторождение, сближенные заряды, пучки скважин, энергия взрывчатых веществ, геотехнология.

Несмотря на очевидные успехи фундаментальных исследований в области физики взрыва и разрушения геоматериалов, обеспечивающих возможность разработки как новых типов взрывчатых веществ, так и технологий ведения буровзрывных работ, общая эффективность использования энергии взрыва в технологических целях отстает от постоянно растущих требований к эффективности и безопасности добычных работ при различных условиях извлечения полезных ископаемых в процессе техногенного изменения недр. Главной отличительной чертой современного развития минерально-сырьевого комплекса является быстро прогрессирующее увеличение темпов роста общих объемов годовой добычи всех видов полезных ископаемых. Если в начале XX века эти объемы удваивались каждые 40—50 лет, то в начале нашего века такое удвоение происходит через 10—12 лет [1].

Неизбежным следствием такого изменения количественных показателей, определяемых темпами роста потребностей общества, является не менее быстрое снижение качественных характеристик вновь осваиваемых геологических объектов. Наиболее простые по строению, доступные по географическому положению и по качеству рудного сырья месторождения в зна-

чительной степени уже отработаны. Определяющее место в перспективе развития сырьевой базы практически всех видов минерального сырья занимают месторождения или участки, имеющие крайне сложную геологическую структуру. Освоение таких месторождений требует поиска новых геотехнологий, широта диапазона возможностей которых соответствовала бы уровню вариабельности геологических параметров месторождений в сочетании с все более жесткими экономическими и экологическими ограничениями [2].

Это требует, прежде всего, трактовки понятия структуры месторождения и систематизации факторов, определяющих сложность этой структуры с точки зрения возможностей выбора и применения геотехнологических решений, с направлением внимания на исследование теоретических и прикладных вопросов эффективного использования энергии взрыва при открытой разработке сложно-структурных месторождений различных геологических типов.

Известно, что основным свойством каждого материально-сырьевого объекта является его структура, которая рассматривается при оценке строения месторождений как фактор, влияющий на возможности и эффективность его освоения. В этой связи идеология в определении и оценке сложно-структурных месторождений рассматривает каждое месторождение как геологический, горнотехнический и экологический объекты, имеющие собственное внутреннее строение и находящиеся в тесном взаимодействии.

В самом общем виде структура представляет собой одно из основных понятий системософии, т.е. теории систем, как интердисциплинарного направления. Анализ и систематизация понятий структур и систем показал, что существует огромное многообразие часто пересекающихся, смешанных видов структур, изучение которых началось параллельно в кристаллографии, математике, физике, химии, биологии и, наконец, было обобщено в современной теории фракталов. Вместе с тем, аналогично классификации систем, структуры могут различаться по форме, природе субстрата, видам движения, взаимосвязи с окружением, активности, функциям, строению целого и количеству компонентов, критерию направленности,

критерию обусловленности. Поэтому понятие структуры иногда определяют в общем виде как особое свойство, создающее во времени и пространстве стабильность и тождество объекта самому себе через постоянную аналогичность его состояний и процессов. Это касается прежде всего сохранения его основных свойств при наличии изменяющихся внешних и внутренних условий.

Вместе с тем структура это основной несущий элемент, форма, часть объекта и его изменений, внутренняя опора (фундамент и инвариант). Исключительно важно то, что все эти определения, взятые не порознь, а совокупно, фактически и образуют полную семантику самого термина «структура». Это в свою очередь означает, что структура обычно имеет статическую (фундамент) и динамическую (инвариант) составляющие, каждая из которых может быть стохастической (слабо организованной) и детерминированной (жестко организованной).

С этих позиций рассмотрен подход к оценке сложности структуры месторождения, из которого следует, что его дислокация и особенности взрывного разрушения как природного объекта в составе литосферы, связаны исключительно с геологическими процессами, а границы, объем и внутренняя структура, как горнотехнического объекта, зависят от эффективности применяемых для разработки технологий.

В горнотехнической литературе известны характеристики рудных тел по показателю сложности контуров на скальных карьерах сложно-структурных месторождений, а так же графики распределения содержания полезного компонента по мощности рудного тела при простом, сложном и весьма сложном оруденении полезного компонента в соседних сравнительных сечениях рудораспределяющих элементов структуры.

Идея нового подхода в методологии разработки сложно-структурных месторождений использует известные результаты прогресса в горном деле в буровзрывной его части в последнее десятилетие и основывается на следующих предпосылках. В ИПКОН РАН развито новое научно- техническое направление на базе увеличения масштаба взрывного разрушения массивов горных пород и разработки специальных

конструкций зарядов [3]. Как следствие, появились разнообразные формы его практической реализации в горнодобывающей практике. Ключевым моментом здесь является получение интегрального средства (показателя) управления действием взрыва и технологичных способов его реализации через оперативное изменение (увеличение) масштабов взрывной отбойки. Известно, что это направление оказалось эффективным в подземных условиях, где оно зародилось и получило название крупномасштабной взрывной отбойки, суть концепции которого состоит в расширении возможности управления энергией взрыва концентрированных сква-жинных зарядов [4]. Дальнейшее развитие этого направления связано с переносом положительного опыта подземных разработок на открытые горные работы [5]. Это сделало возможным обозначить концептуально иные возможности управления распределением энергии взрыва при разрушении сложно-структурных массивов крупномасштабными взрывами уступов.

Разработка сложно-структурного месторождения как горнотехнического объекта обусловлена рассмотрением различных проблем, одна из которых связана с селективной выемкой полезного компонента, напрямую зависящей от технологии буровзрывных работ, в частности ее крупномасштабного варианта, и ее эффективности [6].

Селективность разработки базируется на ряде факторов, главнейший из которых заключается в обеспечении сохранности геометрии мест расположения больших объемов горного массива до и после крупномасштабного массового взрыва в пределах их начального геологического расположения.

Его реализация делает технически возможным осуществление следующего фактора — достижение выборочности степени дробления при взрывоподготовке участков разнотипных горных пород в объеме сложно-структурного блока по технологии обычного по форме, но крупномасштабного по существу массового взрыва. Как следствие, создаются условия для действия третьего фактора — стабильной и эффективной селективной экскаваторной разборки выборочных участков сложно-структурного забоя. Следующие факторы обуславливают сни-

жение количества перемещений погрузочно-транспортной техники, достижение практически неограниченной многорядности массового взрыва. Близкое к нулю смещение отбиваемой части массива применением комбинаций схем замедления, вплоть до мгновенного взрывания всего блока, при новых параметрах буровзрывных работ исключает необходимость зажима в виде неубранной горной массы. Фактор времени замедлений в междурядных и межпучковых схемах в каждом конкретном случае сложно-структурного массива является специальным и устанавливается в производственных условиях. Не затрагивая вопроса техники экскавации взорванной горной массы, оставляя ее пока на прежнем уровне, в качестве последнего, но основополагающего аспекта буровзрывных работ, коснемся и фактора технической стороны бурения пучковых скважин.

Некоторые из перечисленных компонентов присущи и известным способам многорядного взрывания уступов при валовой выемке с элементами селективного извлечения полезных компонентов. В данном случае решается задача многорядного взрывания уступов с полноценной селективной выемкой. Это обязывает переосмыслить условия действия известных аспектов применительно к разработке новой технологии крупномасштабного селективного взрывного разрушения сложно-структурных массивов горных пород.

Современный уровень развития буровзрывного комплекса при разработке месторождений открытым способом в России характеризуется абсолютным преобладанием отбойки руд и пород скважинными зарядами большого диаметра. Вследствие постоянной необходимости повышения количественных показателей отбойки, четко определилась тенденция к увеличению общей энергии зарядов, реализуемая путем постоянного увеличения диаметра взрывных скважин [7]. Однако перспективы этой тенденции ограничиваются уровнем развития буровой техники и рядом очевидных горно-технологических противоречий. Так, при рассмотрении типоразмерного ряда существующих шарошечных станков, нетрудно увидеть тенденцию к опережающему увеличению веса машин, мощности их силовых установок и снижению мобильности в пространстве карьеров. Изменение диаметра бурения с 200 до 320 мм (на

60 %) привело к повышению веса выпускаемых машин на 130 %, установленной мощности - на 80 %, снижению средней скорости перемещения в несколько раз. Поэтому дальнейшее увеличение диаметра бурения практически не реально. Встает вопрос о возможности преодоления этого противоречия путем замены единичного заряда эквивалентным ему по энергии дискретным зарядом, используя опыт подземных буровзрывных работ России. Ситуация, когда диаметр скважин и техника бурения практически подошли к своему пределу, обусловленному опережающим увеличением веса и габаритов бурового станка к его диаметру, в свою очередь ограничивает возможности в маневре параметрами буровзрывных работ, сдерживая появление новых технологических решений, что, в частности, делает практически невозможной крупномасштабную селективную отбойку. В этой связи представил интерес рассмотрение варианта одновременной работы системы «ВВ — конструкция заряда — горная порода», где ВВ — оптимальный состав, связанный с конструкцией концентрированного заряда, а «порода» включает совокупность свойств массива, условия и результаты взрыва. Концентрированный заряд условно представлен зарядами различных конструкций с общим свойством концентрировать большие запасы энергии и различными возможностями управления ее потоками при взрыве в массивах горных пород (пучки параллельно — сближенных скважинных зарядов, вертикальные концентрированные заряды, минные, камерные заряды, и др.). Его применение отличает особенности способов формирования волн напряжений различной геометрии (направленности) и интенсивности в интересах геотехнологий, определяющие суть управления действием крупномасштабных взрывов.

В пучке достигается эффект взрыва ВВ единого заряда практически любого диаметра с образованием волны любой формы, интенсивности и направленности путем варьирования его геометрическими и физическими параметрами [3].

Дело в том, что после завершения процесса детонации зарядов ВВ в сближенных скважинных зарядах в следующий момент происходит разрушение породных «перемычек» между ними и далее сложение (взаимодействие) волн напряжений от

отдельных зарядов с формированием общей волны, форма которой зависит от конфигурации расположения скважинных зарядов, а интенсивность — от диаметра скважин и типа ВВ. В результате при взрыве такого заряда во взрываемом массиве достигается эффект образования взрывной волны заданной формы с потоком энергии в направлении, определенном задачами горного производства. На технологическом уровне решается задача увеличения массы и мощности одного сква-жинного заряда не за счет увеличения его диаметра бурения, а методом деконцентрации (рассредоточения) ВВ в группе (пучке) нескольких близко расположенных параллельно — сближенных скважин.

Численными и экспериментальными натурными методами исследовано влияние геометрии расположения пучка параллельно — сближенных скважинных зарядов во взрываемом массиве на параметры полей напряжений в различных направлениях, что используется при разрушении сложно-структурного массива, в отличие от традиционного скважин-ного заряда любого диаметра круглого в сечении формы. Эффективность такого системного подхода с взаимодействием составляющих процесса возрастает в связи с растущими требованиями горных технологий и условиями современных рыночных отношений.

Технически идея многорядного крупномасштабного взрывного разрушения горных массивов сложной структуры на открытых работах с минимизированным перемещением (смещением) взорванной горной массы для последующей ее экскавации селективными участками реализуется порядным наращиванием условного диаметра взрывной полости применением пучковых зарядов различных ВВ с переменным (увеличивающемся) количеством скважин в одном пучке.

Увеличение количества скважин в каждом из них, начиная

со второго ряда, определяется из соотношения: ^ ^,

где N — количество скважин в групповом пучковом заряде I — го ряда, шт; п — номер 1-го ряда групповых пучковых зарядов, начиная со второго; М — линия наименьшего сопротив-

ления скважинных зарядов первого ряда, м; 1 — размер свободной поверхности, приходящейся на один скважинный заряд и численно равный расстоянию между зарядами первого ряда скважин, м.

Объемную концентрацию энергии взрыва группового пучкового заряда или условного эквивалентного одинарного в 'ом ряду изменяют обратно пропорционально изменению коэффициента разрыхления отбитой горной массы, определяемого по зависимости: М

М' = Мвв

Мвв к ,

где Мв' в — объемная концентрация энергии взрывчатого вещества '-го ряда групповых пучковых зарядов, МДж/м3; Мвв — объемная концентрация энергии взрывчатого вещества первого ряда групповых пучковых зарядов, МДж/м3; кРр — коэффициент разрыхления при взрывании '-го ряда групповых пучковых зарядов.

В соседних групповых пучковых зарядах в ряду и между ними устанавливают кумулятивные заряды с плоской симметрией линейной формы с ориентированием оси кумулятивной выемки в направлении вертикальных или слабонаклонных структурных контактов. В центральных скважинах групповых пучковых зарядов устанавливают кумулятивные заряды кольцевой формы с плоской симметрией и ориентированием оси кумулятивной выемки заряда по направлениям горизонтальных или пологих контактов. Короткозамедленное взрывание зарядов, начиная со второго и последующего рядов, производят с увеличением ступени замедления каждого последующего ряда

на величину не менее Щ

А£ = ,

Стр

где А £ — увеличение ступени замедления, мс; — линия

наименьшего сопротивления группового пучкового заряда '-го ряда, м; С — скорость роста трещин в горной породе, м/с.

Последними взрывают скважинные заряды первого ряда.

Как отмечалось выше, несмотря на определенные успехи в создании новой буровой техники, неизбежность выхода на пределы технических возможностей определяющих параметров диктует необходимость появления принципиально новых идей. В этой связи представляет интерес рассмотрение разработки многошпиндельного бурового станка для открытых горных работ, когда вместо тяжеловесных и громоздких станков для бурения скважин предельно большого диаметра можно сконструировать мобильные передвижные буровые установки с размещенными на них двумя- тремя высокоскоростными гидроперфораторами для одновременного бурения группы параллельно — сближенных скважин малого диаметра [8].

Технологичность, а следовательно, и эффективность технологии крупномасштабной селективной отбойки напрямую определится технологичностью и эффективностью бурения пучков параллельно-сближенных скважин такими станками с их функциями технического средства регулирования диаметра и формы взрывной полости. Они составят базовую основу реализации отбойки больших объемов массивов горных пород, включая сложно-структурные. В перспективе реализация этого направления открывает возможность на принципиально иной технической основе осуществить перевооружение буровой техники на открытых работах. Экономический эффект при этом, согласно расчетным оценкам, существенно возрастет.

Рассмотренные компоненты технологии селективной выемки полезного ископаемого месторождений сложной структуры содержат новые аспекты в развитии крупномасштабного взрывного разрушения массивов горных пород как направления в буровзрывных работах.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубецкой КН., Малышев Ю.Н., Пучков Ё.А. и др. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли. / / РАН, АГН, РАЕН, МИА; Под ред. К. Н. Трубецкого. — М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. — 478 с.

2. Trubetskoy K.N., Viktorov S.D., Zakalinsky V. M. Development of Blasting in Russia // Proceedings of the 7th International conference on physical problems of rock destruction. — Beijing, China: Metallurgical Industry Press, 2011. — P. 11—15. (10—13 августа 2011г.).

3. Викторов С.Д., Галченко Ю.П., Закапинский В.М., Рубцов С.К. Разрушение горных пород сближенными зарядами / Под ред. акад. К.Н. Трубецкого. М.:000 Издательство «Научтехлитиздат», 2006. — 2006.276 с.

4. Технология крупномасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Сибири / С. Д. Викторов, А. А. Еременко, В. М. Закалинский, И. В. Машуков. — Новосибирск: Наука, 2005. -212 с.

5. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Закапинский В.М. О новом направлении в развитии буровзрывного комплекса на открытых горных работах / Сб. Перспективы освоения недр — комплексное решение актуальных проблем (Научн. чтения им. акад. Н.В. Мельникова) Изд. .ИПКОН РАН. — 2002. С.84—91.

6. Рубцов С.К., Шеметов П.А. Управление взрывным воздействием на горный массив // Ташкент, «ФАН», 2011, -398с..

7. Викторов С.Д.,. Кутузов Б.Н.,. Закапинский В.М. Стратегия эффективного развития взрывных работ в России // Горный журнал. — 2010. — № 4.С.56—59.

8. Викторов С.Д., Закапинский В.М. Многошпиндельные станки для бурения взрывных параллельно-сближенных скважин // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 9. С. 20—22. ВТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

викторов С.Д. — профессор, доктор технических наук, Закалинский в.М. — доктор техничнеских наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.