Новые закономерности взрывной подготовки выемочного блока массива карбонатных пород к экскавации

УДК: 622.235

НОВЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗРЫВНОЙ ПОДГОТОВКИ ВЫЕМОЧНОГО БЛОКА МАССИВА КАРБОНАТНЫХ ПОРОД К ЭКСКАВАЦИИ

В.П. Сафронов, А.В. Панкратов

В данной статье представлены решения по усовершенствованию фоточисло-вого метода оценки кусковатости взорванной горной массы и автоматизации сбора исходных данных для обоснования параметров графических виртуальных моделей при проектировании комплекса буровзрывных работ. Приведены результаты экспериментальных исследований предложенных вариантов использования современных, максимально доступных технологий в сфере проектирования в условиях горного производства.

Ключевые слова: Буровзрывные работы, гранулометрический состав, оценка трещиноватости, автоматизация сбора исходных данных, динамическое исследование взрыва.

Практика по реализации взрывного способа подготовки скальных породных массивов к экскавации показывает, что взрывы в крупноблочных скальных породных массивах с широко раскрытыми трещинами и трещинами с рыхлым заполнителем требуют повышенного удельного расхода взрывчатого вещества. Мелко блочные массивы не требуют дробления природных отдельностей, так как их природный гранулометрический состав соответствует требованиям технологических процессов в горном и перерабатывающих производствах. Действие взрыва в таких массивах направлено на работу по его рыхлению в сотрясательном режиме. Превышение удельного расхода энергии взрыва приводит к переизмельчению полезной массы и увеличению отходов при производстве товарной продукции, например, щебня.

В карбонатном массиве, как правило, присутствуют не менее трех систем трещин, разбивающие его на отдельные структурные блоки (отдельности) - элементарные структурные единицы. Размеры структурной единицы и ее форма зависят от взаимной ориентировки трещин в пространстве, которую можно предопределить, зная строение месторождения [1]. Как указывал М.М.Протодьяконов, массивы горных пород представляют собой нечто вроде скопления отдельных блоков [2].

Горизонты массивов карбонатных горных пород отличаются по критерию «блочность». В пределах горизонта тоже встречаются отличия по критерию «блочность». Поэтому раскройка карбонатных месторождений по критерию «блочность» является первоочередной задачей при принятии проектных решений, таких как: выбор схемы вскрытия, системы разработки месторождения, получение сырья стабильного качества и эко-

номичного способа подготовки массива к экскавации.

Раскройка месторождения в целом позволяет разработать гибкую технологию отработки запасов с минимальной себестоимостью добычи, например, за счет экономичного применения взрывного способа подготовки массива к экскавации путем минимизации буровых работ и удельного расхода взрывчатого вещества, через обоснование адресных схем расположения взрывных скважин в выемочных блоках участков раскройки месторождения, через конструкции скважинных зарядов, учитывающих блочность и параметры систем трещин. По существу критерий «блоч-ность» позволяет дать оценку природному гранулометрическому составу породного массива, который требует или не требует дробления природных отдельностей. Если массив карбонатных пород выемочного блока добычного уступа по природному гранулометрическому составу удовлетворяет требованиям по критерию «габаритный кусок», то целесообразно готовить к экскавации выемочный блок с минимальным удельным расходом ВВ достаточным на его рыхление.

Широко распространено мнение (Барон Л.И., Личели Г.П. [3, 4], Казаков Н.Н., Друкованный М.Ф. [5, 6]) о том, что в результате действия взрыва значительная часть породного массива распадается на отдельные блоки, ограниченные трещинами. Поэтому при ведении взрывных работ прочность обрабатываемого массива определяется его структурой, характеристиками систем трещин.

Если при исследовании процесса разрушения небольших образцов в качестве элементарной единицы принимается зерно минерала, то при обработке массива горных пород взрывом за нее принимается структурный блок. Взрыв скважинного заряда в таком блоке прослеживается практически на всех уровнях организации вещества, но модели взрыва скважинного заряда имеют отличия, в зависимости от расположения оси скважины относительно грани блока. Зависимость образования и распространения зон деформации от положения заряда показана на рис. 1.

Общим для всех перечисленных моделей является присутствие классических зон проявлений действия взрыва: красная зона - зона пере-измельчения (ближайшая к стенкам скважины); оранжевая зона - зона дробления; зеленая зона - зона радиальной трещиноватости; бежевая зона -зона наведенной трещиноватости [7].

На образование зон проявлений действия взрыва в среднем приходится 40% энергии взрыва. Остальная энергия «уносится» взрывной волной в окружающее пространство [8]. Наличие в породном массиве трещин способствует их развитию их до щелей, что связано с действием газов -продуктов взрыва. В случаи последующего взрыва в массиве со щелями, наиболее значимое его проявление наблюдается в виде трещин, образованных под воздействием прямой и обратной (отраженной) волны в направлении к щели [8].

Рис. 1. Варианты положения заряда и распространение классических

зон деформации

Построение структурированных физических моделей взрыва в породном массиве позволило применить к ним имеющийся расчетный аппарат математического моделирования. Параметры расположения скважинных зарядов задавались на основании расчетов с определенными допущениями.

Принимаем, что под действием взрыва в породном массиве происходит изменение его состояния с образованием четырех зон: дробления, заколов, сотрясания и колебаний. Каждая из этих зон характеризуется различными видами нарушений массива, присутствующих и в классических зонах проявлений действия взрыва описанных выше.

Учитывая всё выше изложенное можно предположить, что используя описанные свойства горного массива, а именно его трещиноватость, возможно разработать практически реализуемую методику, позволяющую плодотворно применить эти качества в комплексе буровзрывных работ. Рассмотрим в вкратце как именно это возможно реализовать.

Сегодняшний уровень компьютерных технологий позволяет создавать виртуальные модели породного массива. Основной задачей таких моделей - это помощь в управлении гранулометрическим составом развала взорванной массы.

Актуальность данного направления компьютерных технологий под-

тверждается высоким уровнем внимания к проблеме, как со стороны научно-исследовательских организаций, так и компаний, специализирующихся на разработке программных продуктов, направленных на повышение уровня экономической эффективности производства в горнодобывающей сфере.

В качестве примера можно привести разработки: функциональный модуль BlockBlast («БлокБласт»), в среде горно-геологической информационной системы ГЕОМИКС от ФГУП ВИОГЕМ и программный комплекс ЗАО «Нитро Сибирь» по расчёту и оптимизации параметров БВР.

Программный компонент функционального модуля BlockBlast («БлокБласт») в среде горно-геологической информационной системы ГЕОМИКС представляет собой комплекс программ, обеспечивающих компьютерную обработку данных в соответствии с разработанной методикой оценки взрываемости горных пород на карьерах. [11]

Компьютерный продукт «Программный комплекс ЗАО «Нитро Сибирь» по расчёту и оптимизации параметров БВР» предлагает решение поставленной задачи путём компьютерного моделирования, анализа и прогноза результатов взрывания, как по существующим условиям взрывания, так и с возможностью варьирования параметрами взрывания для оценки результатов и выбора оптимального варианта параметров буровзрывных работ (БВР). [12]

Разрабатываемая нами методика состоит из 3 основных блоков (Рис.2):

1) проектирования БВР;

2) динамическое исследование взрыва;

3) расчет кусковатости взорванной массы.

Рис. 2 Блок-схема автоматизации сбора и обработки данных о системе «Породный массив - БВР»

97

Основополагающим моментом работ в рамках блока 1 (см. рис.2) являются мероприятия по получению фотоснимка взрываемого блока. Фотографирование породного массива проводится с наложением на объект съемки масштабных элементов (геодезическая рейка, рулетка). Основные параметры фотосъёмки объекта определяются в зависимости от характерных условий места проведения работ.

После получения необходимых фотоснимков и их обработки начинается стадия проектирования БВР. По снимкам устанавливаются значения параметров естественной трещиноватости, определяется блочность массива и процентное содержание различных фракций.

Получив необходимые данные с фотоснимков, рассчитываются основные параметры буровзрывных работ в программной среде Microsoft Excel. В расчете прописаны все необходимые коэффициенты, параметры, как горных пород, так и взрывчатых веществ. За счет использования различных логических операторов повышается универсальность методики, а так же простота в использовании.

Рис. 3. Экспериментальные виртуальные модели

На рис. 3 представлены экспериментальные виртуальные модели подготовки выемочного блока к обработке взрывом. Фиолетовым цветом показаны «дробящие скважины», в которые размещается основной заряд. Синим цветом обозначены «экраноформирующие скважины». Взрыв зарядов в таких скважинах обеспечивает формирование экранов, которые способствуют экранированию взрывных волн от дробящих скважин. В целом система скважинных зарядов (экраносоздающих и дробящих) обеспечивает более полное использование энергетического потенциала взрыва в выемочном блоке, что позволяет взрыву максимально проработать массив выемочного блока на сотрясание и дробление природных отдельностей, слагающих массив. Параметры сетки системы экраносоздающих и дробящих взрывных скважин подбираются с учетом значений параметров, характеризующих системы естественной трещиноватости породного массива.

Блок 2 программного продукта (см. рис.2) является блоком динами-

ческого исследования процессов, сопровождающих взрыв. Динамическое исследование взрыва (рис. 4), позволяет выяснить, какая частота колебаний звука преобладает во взрывной волне. Это позволит установить зависимость поведения частот акустической волны в трещиноватой среде породного массива путем сопоставления частот звука с покадровым видеоизображением взрыва, что позволит установить зоны породного массива, наиболее прорабатываемые взрывом.

Рис. 4. Динамическое исследование взрыва

Покадровый анализ поведения взрыва в породном массиве позволяет выявить участки, где взрывная волна недостаточно проработала взрываемый блок уступа.

Завершающий этап автоматизации сбора и обработки данных о системе «Породный массив - БВР» заложен в блоке 3 (см. рис.2). В этом блоке реализуется фоточисловой метод определения кусковатости взорванной массы, который позволяет достаточно точно проанализировать полученные результаты и сделать вывод насколько соответствуют проектные параметры БВР фактическим. В ходе эксперементального взрыва было уста-новленно, что за счет использования скважинных зарядов, настроенных во взрываемом блоке уступа с учетом использования межэкранных эффектов взрыва в трещиноватой среде и применения фоточислового метода оценки кусковатости взорванной массы для уточнения параметров БВР, возможно минимизировать выход негабаритных отдельностей.

При вычислении было установлено, что с применением метода выход товарной продукции щебня вырос на 10 %, а удельный расход взрывчатого вещества снизился на 7%, что подтверждает экономическую эффек-

тивность разработки.

В заключении следует отметить, что представленные выше, уже разработанные в рассматриваемой сфере программные продукты, охватывают широкий круг различных аспектов в проектировании комплекса буровзрывных работ, однако, их сравнительная сложность и не малая стоимость парой не позволяют их применять на среднем горном предприятии. В разрабатываемом методе значительный акцент ставится именно на доступность, простоту в работе, универсальность в применении и низкую стоимость. Это делает актуальность продолжения работы над методом обоснованной. Усовершенствованный метод позволит повысить продуктивность БВР в карьерах за счёт учета трещиноватости породного массива и индивидуального автоматизированного подхода к каждому выемочному блоку добычного уступа.

Список литературы

1. Борщ-Компониец В.И. Механика горных пород и горное давление. М.: МГИ, 1968. 484 с.

2. Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление. НКТП, 1933, Т.1. 127 с.

3. Барон Л.И., Личели Г.П. Трещиноватость горных пород при взрывной отбойке. М.: Недра, 1966. 136 с.

4. Барон Л.И., Личели Г.П. Исследование дробящей способности взрывчатых веществ при взрывании трещиноватых сред. Взрывное дело, 1962, №50. С. 83-98.

5. Друкованный М.Ф., Гаек Ю.В., Мишин В.В. К вопросу о влиянии трещиноватости на характер разрушения породного массива взрывом. Взрвное дело, 1962, №50. С. 98-107.

6. Друкованный М.Ф., Комир В.М., Кузнецов В.М. Действие взрыва в горных породах. Киев: Наука думка. 1973. 184 с.

7. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Сафронова В.П. Разработка рациональной технологии управления труднообрушающейся кровлей в комплексно-механизированных лавах на базе исследования проявлений горного давления.

8. Мосинец В.Н., Пашков В.А., Латышев В.А. Разрушение горных пород. М.: Недра, 1975. 215 с.

9. Кутузов Б.Н., Тюпин В.Н. Определение размеров зон деформирования трещиноватого массива взрывом заряда ВВ. Изв. Вузов. Горный журнал. 1983. №4. С. 53-58.

10. Глазов Д.Д., Орощин А.Д. Гибкая технология комплексномеханизированной выемки угля. М. Недра, 1992. 441 с.

11. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Игнатенко И.М. Разработка методики и автоматизированной

системы оценки взрываемости горных пород на карьерах.

12. http://www.nitros.ru/activity categories/bvr/program.html

Сафронов Виктор Петрович, д-р техн. наук, проф., geotims@,list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.

Панкратов Антон Валерьевич, аспирант, pankrat@drummer.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет.

NEW LAWS OF EXPLOSIVE TRAINING UNIT MASS EXCAVATION CARBONA TE ROCK TO EXCA VA TION

V.P. Safronov, A.V. Pankratov

In this paper we present solutions to improve the assessment method fotochislovogo lumpiness blasted rock and automate the collection of the starting data to support graphics settings of virtual models of designing for complex drilling and blasting. The results of experimental studies of the proposed uses of the modern, the maximum available technologies in the field of design in terms of mining production.

Key words: blasting, grain size, fracture assessment, automated collection of baseline data, dynamic investigation of the explosion.

Safronov Viktor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, geotims@,list.ru, Russia, Tula, Tula State University.

Pankratov Anton Valerievich, postgraduate, pankrat@drummer.ru, Russia, Tula, Tula of state university.