2011/2010/2009/2008/2007/2006/2005

Разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

На примере подземных рудников Хибин впервые в России отработана технология ведения взрывных работ с использованием эмульсионных взрывчатых веществ, базирующаяся на выявленных закономерностях газификации эмульсионных ВВ в вертикальных восходящих скважинах при различной температуре эмульсии и на этой основе определены оптимальные параметры их заряжания, инициирования и взрывания для повышения интенсивности дробления горных пород и снижения законтурных нарушений в массиве горных пород. Использование разработанной технологии позволило повысить эффективность и безопасность взрывных работ на подземных рудниках.

В результате исследований:

Установлены закономерности газификации эмульсионной матрицы «Сабтэк Вэлкро-200» на макетах скважин и непосредственно в восходящих скважинах в натурных условиях подземных рудников ОАО «Апатит», заключающиеся в изменении режима газификации в зависимости от начальной температуры эмульсии и окружающего массива, длины заряда, что приводит к увеличению времени газификации по сравнению с лабораторными условиями (рис. 1), неравномерному распределению плотности по длине колонки заряда и объемной концентрации энергии в плоскости отбойки при веерной схеме расположения скважин и определяет максимальную длину скважины по условиям достижения оптимальной плотности заряжания, место установки боевика в скважине, время взрывания после заряжания скважин и очередность их взрывания в веере.

Рисунок 1 - Изменение плотности заряда при газификации в зависимости
от температуры эмульсионной матрицы по данным ЗАО «Орика» (а)
и в результате натурных испытаний (б).

Отработаны параметры заряжания восходящих скважин эмульсионными ВВ «Сабтэк», позволяющие обеспечить формирование полноценной колонки заряда, надежное инициирование при использовании обратного инициирования и более полное протекание процесса детонации по всей длине колонки заряда, а также теоретически и экспериментально обоснована масса боевика и разработаны контейнеры парашюты для обратного инициирования скважин (рис. 2), что позволило повысить безопасность производства работ при заряжании и установке боевиков.

Установлено, что применение обратного инициирования и разновременного взрывания скважин в веере приводит к снижению более чем на 30% уровень сейсмического воздействия как на буродоставочные выработки, так и на законтурный массив, что позволяет обеспечить сохранность скважин, пробуренных на опережение (рис. 3).

Рисунок 3 - Сейсмическое действие на контур буро-доставочной выработки
и степень дробления горной породы при одновременном (а) и разновременном (б) взрывании скважин в веере.

Экспериментально определены детонационные и энергетические характеристики ЭВВ «Сабтэк» и выявлены их характерные отклонения от идеальной работы взрыва. С использованием соотношения D2~Qвзр, вытекающего из теории детонации и экспериментальных значений скорости детонации, выявлено, что в металлических трубах диаметром 50 мм и скважинах диаметром 102 мм степень реализации потенциальной энергии достигает 95-98% от идеальной теплоты взрыва. На основании полученных данных теоретически и экспериментально обоснованы рациональные параметры буровзрывных работ, что позволило повысить интенсивность дробления горных пород, уменьшить выход негабарита в зависимости от горно-геологических условий до 0.6-2.0% и снижение законтурных нарушений в тыльную часть массива горных пород, а также сократить объемы применения алюминийсодержащих и тротилсодержащих ВВ на подземных горных работах, как наиболее опасных при пневмозаряжании (рис. 4).

Рисунок 4 - Оценка разрушающего действия ЭВВ «САБТЭК» в натурных условиях (а)
и пример расчета выхода негабарита при применении обратного инициирования
и разновременного взрывания скважин в веере (а) и при прямом инициировании
и одновременном взрывании скважин в веере (б).

Разработана технология отбойки смерзшихся породных отвалов, основанная на учете особенностей бурения, заряжания и взрывания скважинных зарядов в льдопородных массивах, а также временных ограничениях на экскавацию породной массы. Технология прошла экспериментальную проверку в карьере Центрального рудника ОАО «Апатит», с использованием которой отбито более 500000 м³ смерзшихся породных отвалов и достигнуты более высокие показатели экскавации горной массы.

Для обоснования технологий взрывной отбойки смерзшихся породных отвалов на карьерах ОАО «Апатит» проведены специальные исследования. Выполнен анализ работ по состоянию породных отвалов на карьере Центрального рудника.

Проведен анализ проектов массовых взрывов за 2007-2011 гг. для взрывания смерзшейся горной массы в отвале № 26 и выявлено, что при отработке отвала применялись различные и логичные технологии взрывания, но обеспечить непрерывную экскавацию разрыхленных пород не всегда удавалось, что связано в основном с недостаточным дроблением верхнего слоя уступа на уровне недозаряда, образованием по глубине уступа больших сцементированных (смерзшихся) глыб и повторным после рыхления смерзшихся пород, которые не поддавались разборке экскаваторами.

Выполнена видеосъемка скважин во взрываемых блоках и отмечено, что в кусковатой уплотненной и промороженной среде различной крупности скважина может проходить как в самой отдельности, так и по контакту между кусками породы, в результате чего более мелкие куски осыпаются и скважина приобретает неопределенную форму с увеличением ее объема, что приводит к значительному падению давления во взрывной полости.

Установлено, что увеличение объема скважины хорошо коррелирует с коэффициентом разрыхления горной массы после уплотнения, который для условий Центрального рудника составляет 1.08-1.20. На основании анализа состояния скважин обоснован удельный расход ВВ для дробления мерзлых вскрышных пород в отвалах, который составляет 1.14-1.26 кг/м3, что хорошо согласуется с данными других исследований.
Анализ состояния породных отвалов и опыта их взрывания позволил наметить пути повышения отработки смерзшихся породных отвалов буровзрывным способом.
Проведены экспериментальные работы по отработке технологии взрывания смерзшихся породных отвалов.

Обоснованы безопасные условия пневматического заряжания шпуров и скважин смесевыми ВВ на подземных рудниках ОАО «Апатит» по фактору удельного объемного электрического сопротивления горных пород и относительной влажности воздуха на рабочих местах.

Для обеспечения требований п. 4.10. «Инструкция по безопасности работ при пневматическом заряжании гранулированных взрывчатых веществ в подземных выработках шахт и рудников» (Постановление №11 Федерального горного и промышленного надзора России от 03.04.2003) - В забоях с породами, имеющими удельное объемное электрическое сопротивление выше 104 Ом•м, при относительной влажности воздуха менее 70%, помимо заземления и применения электропроводящих трубопроводов, необходимо перед заряжанием скважин орошать забои и промывать скважины водой, а также увлажнять места заземления. Определение относительной влажности воздуха в забойном пространстве должно производиться предприятием при внедрении пневматического заряжания и далее не реже одного раза в квартал.

Горным институтом выполнены исследования по определению удельного объемного электрического сопротивления горных пород Хибинского массива и относительной влажности воздуха в забойном пространстве подземных рудников и установлено, что удельное электрическое сопротивление апатит-нефелиновых руд и пород зависит от состава их разновидностей, анизотропии и структурной нарушенности массива и изменяется от 0.18•104 Ом×м до 6.8•104 Ом×м и согласно общепринятой классификации они могут быть отнесены к электропроводящим породам, а относительная влажность воздуха в горных выработках Кировского и Расвумчоррского рудников в местах бурения и зарядки скважин во всех случаях составляет в среднем 80-90% (рис. 3), что дает основание не проводить дополнительных мероприятий по орошению забоев и промывки скважины водой, как это требует «Инструкция по безопасности работ при пневматическом заряжании гранулированных взрывчатых веществ в подземных выработках шахт и рудников», так как для условий подземных рудников ОАО «Апатит» при соблюдении основных требований к пневмозаряжанию исключаются все факторы электризации аэровзвеси ВВ при пневмозаряжании скважин.

Разработана методика выявления структурно ослабленных участков борта карьера по результатам регулярных сейсмонаблюдений за технологическими массовыми взрывами, основанная на определении величины относительного потока сейсмической энергии, что позволяет выполнить сопоставительный анализ для различных участков борта карьера и ранжировать их по степени сейсмической восприимчивости.

Энергетическим параметром, характеризующим общий уровень сейсмического нагружения прибортовой части породного массива при производстве массовых взрывов в карьере, является плотность потока сейсмической энергии (eS, Дж/м2), фактическую величину которой можно определить по сейсмограммам, полученным при выполнении сейсмоизмерений. Зная плотность потока eS в точке наблюдения, фактическую величину полного потока сейсмической энергии можно определить как Eсейсм = eS ×4 × π × r2, где r – расстояние от места взрыва (ближайшей границы взрываемого блока) до точки наблюдения, м. Для характеристики степени сейсмической восприимчивости прибортовой части породного массива в районе производства сейсмонаблюдений используется величина относительного потока сейсмической энергии   ηсейсм = Eсейсм / Eвв(Σ), где Eвв(Σ) – суммарная начальная энергия массового взрыва, Дж.

В качестве примера используем результаты сейсмозамеров, выполненных в 2010 году в условиях карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» при взрывах 39 блоков, суммарный вес взрывчатого вещества (ВВ) скважинных зарядов на каждом из которых составлял от 36 тонн до 254 тонн.

Для выяснения причин повышенной сейсмической восприимчивости юго-западного участка борта карьера были проанализированы основные технологические факторы, существенно влияющие на интенсивность сейсмического действия массовых взрывов независимо от рассматриваемого участка борта карьера.

Результаты анализа распределения значений наиболее часто встречающихся промежутков времени между взрывными импульсами при короткозамедленном взрывании блоков показали, что средние значения, полученные для южного и юго-западного участков борта карьера, практически одинаковы, в то время как разница в значениях параметра ηсейсм весьма существенная.

Результаты анализа распределения значений удельной теплоты взрыва показали, что существенной разницы в средних значениях этого параметра нет (для юго-западного участка борта карьера значение этого параметра оказалось даже несколько ниже, чем для южного). Следовательно, этот параметр не мог стать причиной повышенных значений параметра ηсейсм для юго-западного участков борта карьера.

Учитывая, что при производстве сейсмоизмерений на различных участках борта карьера схемы взрывания блоков были практически одни и те же (диагональные, намного реже – поперечные), этот фактор также не является определяющим.

Таким образом, наиболее вероятной причиной повышенной сейсмической восприимчивости юго-западного участка борта карьера может быть лишь влияние его структурных особенностей, способствующих более выраженному проявлению сейсмической энергии именно на этом участке борта карьера. Это означает, что при проектировании массовых взрывов на юго-западном участке борта карьера должны быть предусмотрены меры по существенному снижению интенсивности сейсмического действия взрыва скважинных зарядов на блоке за счёт уменьшения общего количества ВВ на блоке, увеличения количества ступеней взрывания и снижения максимального количества ВВ на ступень замедления.

Реализация разработанной методики: для карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» разработанная методика анализа результатов сейсмоизмерений позволила в 2008 году выявить участок повышенной сейсмической восприимчивости на верхних горизонтах юго-западного борта карьера и установить причину повышенной сейсмической восприимчивости, в результате чего была изменена схема поверхностного водоотведения; в 2009 году был выявлен структурно неблагоприятный участок восточного борта карьера, в результате чего были внесены жёсткие регламентные ограничения по параметрам производства буровзрывных работ вблизи этого участка (в 2010–2011 гг. факт структурной неблагоприятности этого участка был подтверждён результатами бурения геологических скважин).

Разработана методика определения величины фактического удельного энерговыделения при взрыве скважинных зарядов эмульсионных взрывчатых веществ по результатам внутрискважинных замеров скорости детонации, основанная на взаимосвязи скорости детонации и выделенной энергии взрыва, что позволяет определить фактические значения предельного и критического диаметра зарядов, оценить степень влияния диаметра зарядов на их взрывную эффективность и управлять параметрами размещения скважинных зарядов с учётом их диаметра.

Теоретическое обоснование разработанной методики основано на использовании уравнений ударной сжимаемости исходного взрывчатого вещества, известных соотношений между параметрами детонационной волны и решении задачи определения упругого давления ударно сжатого взрывчатого вещества и давления продуктов химической реакции его экзотермического разложения при условии равенства давлений на обеих границах зоны химической реакции.

В результате получена формула, отражающая функциональную связь скорости детонации (D, м/с) и удельной теплоты взрыва (Qуд, ккал/кг): Qуд = [D/(n+1)]2/(427*g), где n – показатель политропы, g – ускорение силы тяжести, м/с2.

Учитывая высокую начальную плотность продуктов детонации (принимая вместо показателя политропы n показатель адиабаты γ0), применительно к решаемой задаче получаем: Qфакт = [Dфакт/0+1)]2/(427*g), где Dфакт – фактическая (измеренная) скорость детонации, м/с; Qфакт – фактическая удельная теплота взрыва скважинного заряда, ккал/кг; γ0 – начальный показатель адиабаты продуктов детонации, ед. Для определения числового значения параметра γ0 используем ранее полученную формулу γ0 = [1+(k2-1)*(γвв/373)(k+1)/2]1/2, где γвв – объёмный вес взрывчатого вещества, кг/м3; k – показатель адиабаты расширения равновесной части продуктов детонации (k=1.4), ед.

В качестве иллюстрации на рисунке 1 приведены результаты одиннадцати внутрискважинных измерений скорости детонации скважинных зарядов эмулита ВЭТ-700, выполненных в 2011 году при производстве массовых взрывов в карьере рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» (анализируемые показатели рассматриваются в функции диаметра скважинного заряда Dскв): а – распределение фактических значений скорости детонации Dфакт; б – распределение значений фактического удельного энерговыделения Qфакт; в – распределение коэффициента химических потерь. Предельный диаметр скважинного заряда эмулита ВЭТ-700 определён в диапазоне от 250.9 мм до 251.6 мм, а критический диаметр – в диапазоне от 83.2 мм до 94.6 мм (в зависимости от коэффициента химических потерь). По степени отклонения фактических значений Qфакт от соответствующего для данного диаметра максимального значения оценивают качество приготовления эмульсионного взрывчатого вещества для производства конкретного массового взрыва. Степень уменьшения сетки бурения взрывных скважин диаметром Dскв<Dскв(пред) определяют по степени снижения величины фактического энерговыделения по формуле ka;b = (Qфакт/Qфакт(max))1/4.

Таким образом, разработанная методика позволяет определять величину фактического удельного энерговыделения при взрыве скважинных зарядов эмульсионных взрывчатых веществ, объективно оценивать качество приготовленного эмульсионного взрывчатого вещества и обоснованно управлять параметрами размещения скважинных зарядов с учётом их диаметра.

Реализация разработанной методики: для карьера рудника «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» разработанная методика является основным методом входного контроля качества эмульсионных взрывчатых веществ и корректировки параметров размещения скважинных зарядов на блоке с учётом их диаметра.
 

1  2  3  4  5  6  7