Отбойка кварца рассредоточенными скважинными зарядами при подземной добыче

УДК 622.235

И.В. Соколов, А.А. Смирнов, А.А. Рожков

ОТБОЙКА КВАРЦА РАССРЕДОТОЧЕННЫМИ СКВАЖИННЫМИ ЗАРЯДАМИ

U

ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ*

Представлены результаты экспериментальных исследований взрывной отбойки гранулированного кварца Кыштымского месторождения при подземной добыче. На основании проведенных ранее теоретических исследований, физического и математического моделирования процесса отбойки, выдвинута гипотеза о том, что при одновременном взрывании всех зарядов веера они действуют как плоская система зарядов (ПСЗ). Данный эффект позволяет избежать возникновения области мелкого дробления в ближней зоне взрыва. Ранее под ПСЗ рассматривались лишь параллельно расположенные скважин-ные заряды. В процессе эксперимента получены уникальные фотографии откола слоя, подтверждающие данную гипотезу. Установлено, что ответственным за выход мелких фракций кварца является удар отбитого слоя руды о стенки камеры и соударение кусков между собой. Степень этого воздействия прямо пропорциональна мощности взрыва, т.е. удельному расходу взрывчатых веществ (ВВ) на отбойку. Разработана и опробована на практике конструкция рассредоточенных зарядов с воздушными промежутками в длинных восходящих скважинах малого диаметра, позволяющая управлять удельным расходом при пневмозарядке скважин гранулированным ВВ. Методами ситового анализа и фотопланиметрии установлены зависимости выхода некондиционной и негабаритной фракций отбитой руды от удельного расхода ВВ на отбойку.

Ключевые слова: экспериментальные исследования, гранулированный кварц, взрывная отбойка, рассредоточенный заряд, воздушный промежуток, удельный расход ВВ, ситовой анализ, плоская система зарядов.

При подземном способе добычи высокоценного гранулированного кварца актуальной научно-технической задачей является определение оптимальных параметров буровзрывных работ (БВР), позволяющих снизить выход некондиционной фракции -20 мм с 16—20% до <14% и получить удовлетворительный выход негабарита +700 мм (<10%). Для проведения экспериментальных взрывов в натурных условиях Кыштымского подземного рудника, выполнены комплекс-

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-178-185

ные исследования взрывной отбойки. В работе [1], на основе анализа теории и практики проведения БВР, установлены принципиальные основы определения параметров расположения скважин при массовой отбойке кварца и порядка взрывания зарядов в веере. Выдвинута гипотеза о том, что при одновременном взрывании всех зарядов веера, они действуют как плоская система зарядов (ПСЗ), что позволяет избежать возникновения области мелкого дробления в

* Исследования выполнены в рамках Госзадания 007-01398-17-00. Тема № 0405-2015-0010. «Теоретические основы стратегии комплексного освоения месторождений и технологий их разработки с учетом особенностей переходных процессов в динамике развития горнотехнических систем».

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 178-185. © И.В. Соколов, А.А. Смирнов, А.А. Рожков. 2017.

ближней зоне взрыва, поскольку между зарядами по плоскости их расположения прорастает магистральная трещина и образуется единая щелевидная полость. Таким образом, вокруг заряда не образуются зоны возникновения радиальных трещин и мелкого дробления — отбиваемый слой отделяется от массива целиком под действием давления продуктов взрыва на стенки образованной полости и его разрушение обуславливается естественной трещиноватостью и силой удара при падении и соударении кусков.

Для подтверждения данной гипотезы была проведена серия экспериментов по физическому моделированию действия взрыва одиночного заряда и ПСЗ [2], при которых соблюдались энергетические, кинетические, физические и геометрические критерии подобия [3]. Установлено, что при взрыве ПСЗ (в отличие от взрыва одного заряда) в моделях по плоскости расположения зарядов прорастает магистральная трещина и не образуется зоны мелкого дробления. Данный результат получен при всех практически возможных коэффициентах сближения концов скважин в веере (от 0,7 до 4,0). Основываясь на вышесказанном, в работе [4] выполнено математическое

моделирование воздействия взрыва на кварцевый массив при различных вариантах пространственного расположения скважин [5—8]. Определен диапазон изменения параметров ЛНС и коэффициента сближения, при которых возможно достижение целевых значений выхода фракций. С целью подтверждения полученных ранее результатов, проведена серия экспериментальных взрывов в натурных условиях Кыштымского подземного рудника Камеры 1 (восток) с параметрами ЛНС в диапазоне 1,8—3,5 м, расстоянием между концами скважин 2,2—3,2 м и диаметром скважин 65 мм.

Для оценки полученного в результате взрывов гранулометрического состава отбиваемой руды был применен метод ситового анализа [9]. Выборка проб (ковш ПДМ объемом 3 м3) от генеральной совокупности составляла >5%, что отвечает требованиям математической статистики в горном деле [10], а их отбор проводился планомерно по мере выпуска отбитого слоя. При помощи колосникового грохота (рис. 1, а) отделялась фракция +65 мм (рис. 1, в), затем весь подрешетный материал просеивался через сито с ячейкой 20 мм (рис. 1, б). Таким образом, производилось разде-

Рис. 1. Оборудование для ситового анализа и разделение на фракции: колосниковый грохот

Рис. 2. Фотография откола слоя по плоскости вертикального веера скважин

ление на фракции +20—65 мм (рис. 1, г) и -20 мм (рис. 1, д). Далее осуществлялся замер объемов каждой фракции с учетом коэффициентов разрыхления, характерных для каждой из них.

Выход негабарита определялся при помощи фотопланиметрии. Весь объем отбиваемой жильной массы фотографировался на рудном складе на поверхности с масштабными рейками. Далее на фотографии наносилась масштабная сетка и производился обмер отдельно-стей в навале с учетом коэффициента перспективности снимка [9].

Первый взрыв производился с параметрами: ЛНС — 1,6 м, расстояние между концами скважин — 2,2 м, сплошная конструкция заряда, объем отбиваемой жильной массы — 354 м3 и удельным расход ВВ 1,55 кг/м3. Ситовой анализ руды взрыва показал, что выход некондиционной фракции -20 мм составил 25,3%, то есть был почти вдвое выше заданного значения.

Вместе с тем картина разрушения массива взрывом взаимодействующих веерных зарядов наглядно показала, что происходит откол слоя по плоскости расположения скважин при отсутствии зон мелкого дробления вблизи зарядов

(рис. 2). На рис. 2 приведена уникальная фотография четких следов скважин вертикального веера (фотосъемка проводилась дистанционно, без захода людей в выработанное пространство камеры). Картина откола слоя подтвердила гипотезу о том, что ответственным за выход мелких фракций кварца является удар отбитого слоя руды о стенки камеры и соударение кусков между собой. Очевидно, что степень этого воздействия прямо пропорциональна мощности взрыва, т.е. удельному расходу ВВ на отбойку.

В этой связи интересно рассмотреть ранее применяемую технологию отбойки кварца на Кыштымском руднике вертикальными веерами скважин диаметром 105 мм и длиной до 10 м [4]. Скважины заряжались вручную зарядами патронированного аммонита 6ЖВ длиной 1,5— 2 м, рассредоточенными промежутками глиняной забойки (суммарная длина последних была примерно равна суммарной длине зарядов). При ЛНС и расстояниями между концами скважин 2,5 м удельный расход ВВ составлял в среднем 0,9 кг/м3. При этом с помощью КЗВ осуществлялось поскважинное замедление взрывов зарядов каждой скважины. Такой способ отбойки кварца позволял по-

б)

Траншейный штрек

Патрон-боевик ¡^Гранулированное ВВ

^Воздушный промежуток I!^Глиняная пробка

Глиняная забойка

Детонирующий шнур

Рис. 3. Принципиальная схема заряжания веера

лучить выход некондиционной фракции -20 мм в пределах 16—20%, но при значительной трудоемкости процесса заряжания скважин.

В запроектированной новой технологии добычи кварца отбойка руды производится веерами скважин длиной до 24 м с использованием механизированного заряжания скважин гранулированным ВВ. В этих условиях для снижения удельного расхода ВВ была разработана и опробована на практике конструкция рассредоточенных зарядов с воздушны-

ми промежутками. Принципиальная схема заряжания веера и конструкция заряда показаны на рис. 3.

В специализированной литературе ранее не встречалось описание метода формирования рассредоточенного воздушными промежутками заряда гранулированного ВВ в восходящих вертикальных глубоких скважинах малого диаметра.

При механизированном заряжании формирование заряда в скважине осуществлялось следующим образом: в забое

Рис. 4. Процесс формирования воздушного промежутка в скважине: 1 — влажная глиняная пробка; 2 — зарядный шланг; 3 — деформируемая глиняная пробка; 4 — формируемый воздушный промежуток; 5 — расклиненная глиняная пробка; 6 — заряд гранулированного ВВ

скважины размещался патрон-боевик из аммонита 6ЖВ с присоединенным детонирующим шнуром и зарядчиком подавался первый заряд граммонита 21ТМЗ заданной длины. Зарядный шланг извлекался из скважины и в нее этим же шлангом вводилась влажная глиняная пробка длиной 15—20 см (рис. 4, а) на расстояние, обеспечивающее образование воздушного промежутка после первого заряда. Контроль необходимых расстояний осуществлялся по маркированному зарядному шлангу. Глиняная пробка фиксировалась на необходимой глубине в скважине легкими ударами шланга. Здесь важную роль сыграла разница в диаметрах шланга и пробки — достаточно мягкий материал легко расклинивался в скважине (рис. 4, б). После этого производилось заряжание следующего заряда (рис. 4, в) и цикл повторялся до полной зарядки скважины.

Практика показала, что при пневмо-зарядке гранулированным ВВ, установленная глиняная пробка надежно удерживается на своем месте и тем самым достигается рассредоточение заряда с образованием воздушных промежутков. После заряжания отдельные заряды ВВ быстро твердеют и не склонны просы-

паться в сформированный ниже воздушный промежуток, следовательно, они не нуждаются в забойке со стороны устья скважины.

Всего было проведено 6 экспериментальных взрывов с различным удельным расходом ВВ, 5 из которых с конструкцией описанной выше. По каждому из них был выполнен ситовой анализ отбитой руды.

В результате была установлена экспериментальная зависимость выхода переизмельченной и негабаритной фракций кварца от удельного расхода ВВ на отбойку (рис. 5).

Выход некондиционной фракции -20 мм в размере ~12% и негабаритной +700 мм ~10% достигается при удельном расходе ВВ на отбойку ~0,9 кг/м3. По сравнению с ранее применяемой технологией БВР, где удельный расход ВВ также 0,9 кг/м3, выход мелочи снижен на 25—40%.

За счет отсутствия инертного заполнителя, рассредоточенные заряды ВВ в скважине действуют как сплошной заряд [12], однако обладают меньшей мощностью в сравнении с ним. В то же время одновременное взрывание всех зарядов в веере позволяет добиться эффекта

I отбойку,

+700 мм

Рис. 5. Зависимости выхода фракций кварца от удельного расхода ВВ

действия как у плоского заряда. Таким образом, получаем взрыв ПСЗ сниженной мощности. Это важный момент, поскольку особенность гранулированного кварца состоит в том, что при определенных уровнях ударной или взрывной нагрузки он может лавинообразно превращаться в совокупность мелких гранул размером 1—5 мм, минуя состояние разрушенности, когда преобладают фракции размером 10—40 см [13]. Наш опыт показал, что при взрыве взаимодействующих зарядов вышеописанного эффекта не наблюдается.

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Заряды ВВ, размещаемые в веере скважин, и взрываемые одновременно, следует рассматривать как плоскую систему зарядов (ранее под ПСЗ рассматривались лишь параллельно расположенные скважинные заряды [14]).

2. При взрыве ПСЗ зоны переизмельчения около зарядов не образуются, и выход переизмельченной фракции происходит при падении отбитого слоя руды и в процессе соударения кусков при взрыве.

3. Величина выхода мелкой фракции при взрыве ПСЗ в основном определяется мощностью взрыва, т.е. удельным расходом ВВ на отбойку.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соколов И. В., Смирнов А.А., Антипин Ю. Г., Барановский К. В., Рожков А.А. Ресурсосберегающая технология подземной разработки месторождения высокоценного кварца // ФТПРПИ. - 2015. - № 6. - С. 133-145.

2. Соколов И. В., Смирнов А. А., Антипин Ю. Г., Барановский К. В., Рожков А. А. Выбор оптимального варианта комбинированной системы разработки месторождения высокоценного кварца на основе моделирования // ФТПРПИ. - 2016. - № 6. - С. 124-133.

3. Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Моделирование действия взрыва при разрушении горных пород. - М.: Недра, 1990. - 231 с.

4. Соколов И. В., Смирнов А. А., Рожков А. А. Обоснование оптимальных параметров буровзрывных работ при отбойке кварца // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 7. - С. 337-350.

5. Furtney S. J. K., Sellers E., Onederra I. Simple models for the complex process of rock blasting. Rock Fragmentation by Blasting: Fragblast 10 / Edited by Pradeep K. Singh, Amalendu Sinha. - Leiden, Netherlands : CRC Press, 2013. P. 275-282.

6. Akande J. M., Lawal A. I. Optimization of Blasting Parameters Using Regression Models in Ratcon and NSCE Granite Quarries, Ibadan, Oyo State, Nigeria // Geomaterials. 2013. Vol. 3. No. 1. Pp. 28-37.

7. Cunningham C. V. B. Control over Blasting Parameters and Its Effect on Quarry Productivity. -Rondebosch: AECI Explosives and Chemical Limited. 2011.

8. Burkle W.S. Optimum drilling and blasting procedures // Pit & Quarry. - 1985. - Vol. 77. -P. 30-34.

9. Барон Л. И. Кусковатость и методы ее измерения. - М.: ИГД АН СССР, 1960. - 124 с.

10. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. - М.: Высшая школа, 1973. -287 с.

11. Лещинский А. В., Шевкун Е. Б. Средства и способы рассредоточения скважинных зарядов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 4. - С. 203-212.

12. Ломоносов Г.Г. Производственные процессы подземной разработки рудных месторождений. 2-е изд. - М.: Изд-во «Горная книга». 2013. - 517 с.

13. Кутузов Б. Н., Безматерных В.А., Берсенев Г. П. Анализ дробящего действия зарядов ВВ с пористым промежутком // Известия вузов. Горный журнал. - 1988. - № 1. - С. 53-58.

14. Горинов С.А. Эффективность применения плоских систем зарядов для отбойки сильнотрещиноватых руд в подземных условиях // Известия вузов. Горный журнал. - 1985. - № 7. -С. 68-73. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Соколов Игорь Владимирович1 — доктор технических наук, зав. лабораторией, e-mail: geotech@igduran.ru, Смирнов Алексей Алексеевич1 — кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Рожков Артем Андреевич1 — младший научный сотрудник, 1 Институт горного дела Уральского отделения РАН.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 178-185.

UDC 622.235

I.V. Sokolov, A.A. Smirnov, A.A. Rozhkov

EXPLOSIVE BREAKING OF QUARTZ BY CONCENTRATED CHARGES IN UNDERGROUND MINING

The results of experimental studies breaking of the granular quartz of Kyshtym deposits in underground mining. On the basis of theoretical studies conducted previously, physical and mathematical modeling of the process of breaking, hypothesized that while blasting fan of all the charges they act as a flat charge system. This effect allows you to avoid the area of fine crushing in the near zone of the explosion. Previously, only parallel borehole charges considered as a flat charge system. In the course of the experiment received unique photos spall layer, supporting this hypothesis. It has been established that the responsibility for the output of small fractions of quartz is a blow broken ore layer of the wall of the chamber and the collision pieces together. The extent of this impact is directly proportional to the power of the explosion, that is specific consumption of explosives to the breaking. Developed and tested in practice construction of charges with air gaps in the long ascending boreholes of small diameter, allows you to manage specific consumption at pneumatic conveying of granular explosives. The methods of sieve analysis and photo planimetry established dependence of the sub-standard and oversize fractions of broken ore from the specific consumption of explosives in the breaking.

Key words: experimental studies, granular quartz, blasting, divided charge, air gap, specific consumption of explosives, sieve analysis, flat charge system.

DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-178-185

AUTHORS

Sokolov I.V.1, Doctor of Technical Sciences,

Head of Laboratory, e-mail: geotech@igduran.ru,

Smirnov A.A.1, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher,

Rozhkov A.A.1, Junior Researcher,

1 Institute of Mining of Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620075, Ekaterinburg, Russia.

ACKNOWLEDGEMENTS

The study has been carried out under the State Contract No. 007-01398-17-00. Subject No. 04052015-0010: Theoretical Background of the Integrated Mineral Development Strategy and Mining Technologies with Regard to Features of Transient Processes during Dynamic Development of Mining Technical Systems.

REFERENCES

1. Sokolov I. V., Smirnov A. A., Antipin Yu. G., Baranovskiy K. V., Rozhkov A. A. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2015, no 6, pp. 133—145.

2. Sokolov I. V., Smirnov A. A., Antipin Yu. G., Baranovskiy K. V., Rozhkov A. A. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2016, no 6, pp. 124—133.

3. Borovikov V. A., Vanyagin I. F. Modelirovanie deystviya vzryva pri razrusheniigornykh porod (Simulation steps explosion in rock failure), Moscow, Nedra, 1990, 231 p.

4. Sokolov I. V., Smirnov A. A., Rozhkov A. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 7, pp. 337-350.

5. Furtney S. J. K., Sellers E., Onederra I. Simple models for the complex process of rock blasting. Rock Fragmentation by Blasting: Fragblast 10. Edited by Pradeep K. Singh, Amalendu Sinha. Leiden, Netherlands : CRC Press, 2013. P. 275-282.

6. Akande J. M., Lawal A. I. Optimization of Blasting Parameters Using Regression Models in Ratcon and NSCE Granite Quarries, Ibadan, Oyo State, Nigeria. Geomaterials. 2013. Vol. 3. No. 1. Pp. 28-37.

7. Cunningham C. V. B. Control over Blasting Parameters and Its Effect on Quarry Productivity. Rondebosch: AECI Explosives and Chemical Limited. 2011.

8. Burkle W. S. Optimum drilling and blasting procedures. Pit & Quarry. 1985. Vol. 77. P. 30-34.

9. Baron L. I. Kuskovatost' i metody ee izmereniya (Lumpiness and methods of measurement), Moscow, IGD AN SSSR, 1960, 124 p.

10. Ryzhov P. A. Matematicheskaya statistika v gornom dele (Mathematical statistics in mining), Moscow, Vysshaya shkola, 1973, 287 p.

11. Leshchinskiy A. V., Shevkun E. B. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2010, no 4, pp. 203-212.

12. Lomonosov G. G. Proizvodstvennye protsessy podzemnoy razrabotki rudnykh mestorozhdeniy. 2-e izd. (Production processes of underground mining of ore deposits, 2nd edition), Moscow, Izd-vo «Gornaya kniga», 2013, 517 p.

13. Kutuzov B. N., Bezmaternykh V. A., Bersenev G. P. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 1988, no 1, pp. 53-58.

14. Gorinov S. A. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 1985, no 7, pp. 68—73.

^_

ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ОТРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Коллектив авторов

Определена взаимосвязь технологических процессов в очистном забое с метановыде-лением из отбитого угля и других источников при интенсивной отработке угольных пластов. Дана оценка выбросоопасности угольных пластов при наличии аномальных зон с учетом геологических нарушений. Выполнена оценка факторов, влияющих на качество метановоз-душной смеси, подаваемой по газопроводу из комбинированных материалов. Разработаны мероприятия, повышающие метаноотдачу угольного массива. Предложена система контроля и мониторинга в отработанных полях и техногенных коллекторах. Предложен способ расчета ударно-воздушных волн при взрывах в шахтах и рудниках. Рассмотрены основные принципы комплексного подхода к постановке задач аэрологии карьеров.

Ключевые слова: аэрологическая безопасность, дебит метана, очистной забой, технологический цикл, газообильность.

ECOLOGY AND SAFETY OF MINING MINERALS

Team of authors

Defines the interaction of processes in a breakage face with the methane release from the broken coal and other sources at intensive working out of coal seams. The estimation of the outburst hazard of coal seams in the presence of anomalous zones with regard to geological disorders. Evaluation of factors influencing the quality of a methane-air mixture supplied by pipeline from composite materials. Designed activities to increase metanotum coal. The proposed system of control and monitoring in waste fields and man-made reservoirs. The proposed method of calculation of shock-air waves of the explosion in the mines. The basic principles of an integrated approach to the formulation of the objectives of the aerology of quarries.

Key words: aerological safety, the flow rate of methane, stope, production cycle, gazoobilnosti.