СПОСОБ ВЗРЫВНОЙ ОТБОЙКИ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2013 года по МПК F42D3/04 E21C41/26 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке скальных горных пород.

Известен способ, включающий стадийно-детальное районирование горных пород по блочности, трещиноватости, прочности и потребительскому качеству и последующее разделение массива рабочей зоны на разновысотные горизонты, а горизонты или их участки - на эксплуатационные блоки, последние - на однородные элементарные блоки, отрабатываемые сверху вниз методом "разборки" по блочности с первоначальным разрушением наиболее крупных - технологически и технически негабаритных отдельностей горных пород в массиве уступа - последующей выемкой из массива габаритных и мелких фракций с использованием соответствующего комплекса рабочих органов технических устройств универсального агрегата, позволяющего осуществлять непосредственную выемку габаритных отдельностей горных пород из массива, разбуривать и взрывать крупные отдельности горных пород зарядами ВВ малого и весьма малого диаметра -8-84 мм под локальным укрытием либо осуществлять их механическое разрушение или рыхление и последующую выемку и отгрузку горной массы в средства транспорта либо во внутренний отвал или во временный призабойный склад (патент РФ 2279546, Секисов Г.В., Мамаев Ю.А., Левин Д.В., Данильченко Д.Г. Способ разработки месторождений скального и полускального типов разноблочной структуры). Данное техническое решение может быть эффективно при разработке полускальных горных пород либо пород, подверженных интенсивному выветриванию с включением крупноблочных отдельностей. И не эффективно на крупных карьерах с большой интенсивностью продвижения фронта горных работ.

Известен способ отбойки горных пород, включающий предварительное районирование карьерного поля по трещиноватрсти и взрываемости с определением вместимости скважин, установление в процессе бурения местонахождения труднодробимых участков, оконтуривание их, бурение в них дополнительных скважин и короткозамедленное взрывание массива с замедлением взрывания дополнительных скважин относительно основных, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества дробления и снижения затрат на буровзрывные работы труднодробимые участки оконтуривают по скважинам, отличающимся максимальным по блоку отношением выхода шлама к содержанию наиболее характерных классов буровой мелочи, а объем бурения дополнительных скважин определяется с учетом изменения вместимости скважин, пробуренных в труднодробимых участках, из выражения (1)

где q_вв - удельный расход ВВ, необходимый для дробления пород труднодробимого участка, кг/м³;

q_p - удельный расход ВВ по данным предварительного районирования, кг/м³;

k_u - коэффициент использования длины скважины, равный 0,6-0,7;

V_t - объем труднодробимого участка, м³;

k₁ и k₂ - коэффициенты пропорциональности, кг/п.м.;

(а.с. СССР 1351249, Г.И.Даниленко, В.А.Хакулов, Л.В.Бахарев, Г.А.Алимирзоев и Г.И.Земляной).

Данное решение просто в реализации и позволяет на практике непосредственно в процессе ведения БВР выявлять труднодробимые участки на блоке для бурения в них дополнительных скважин. Решение рассчитано на квалифицированного исполнителя имеет весомую субъективную составляющую, затрудняющую, использование данного решения в составе автоматизированных систем. Кроме того, используемый критерий является совокупным, т.е. характеризует одновременно не только трещиноватость, но и характеристику трещин, что не имеет принципиального значения при диагностике массивов, где взрывное дробление (в силу наличия раскрытых трещин) является не управляемым, но, тем не менее, не позволяет распространять данную методику повсеместно на все типы массивов горных пород.

Известен способ отбойки горных пород, использующий метод диагностики состояния массивов горных пород (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.). В пределах определенного типа пород при диагностике массива определяется его трещиноватость и состояние трещин. Предлагаемый метод использует специальный показатель - коэффициент вместимости скважины. Коэффициент вместимости скважины представляет собой отношение измеренной вместимости скважины к вместимости скважины в монолитной породе. Т.е. данный коэффициент показывает во сколько раз в данном массиве вместимость скважин больше, чем в монолитной породе. Величина этого показателя меняется от 1 до 1.5 и более. Определение коэффициента вместимости скважины происходит автоматически в процессе зарядки скважин, поэтому данный метод лишен субъективной составляющей и может быть использован в автоматизированных системах. Однако, как и описанное выше техническое решение, основано на использовании совокупного критерия, т.е. характеризует одновременно не только трещиноватость, но и характеристику трещин, что не имеет принципиального значения при диагностике массивов, где взрывное дробление (в силу наличия раскрытых трещин) является не управляемым, но, тем не менее, не позволяет распространять данную методику повсеместно на все типы массивов горных пород.

Задачей изобретения является повышение эффективности, районирование пород по взрываемости с выделением элементарных однородных зон.

Задача решается тем, что элементарные однородные зоны формируют по крупности и выходу шлама в околоскважинном пространстве, соответствующем по высоте трем зонам - расположению забойки, расположению заряда выше и ниже подошвы уступа. Через характеристику элементарных зон устанавливают параметры БВР, причем через характеристику шлама элементарных зон уровня заряда устанавливают параметры БВР, а через характеристику шлама элементарных зон уровня забойки уточняют параметры БВР.

На Фиг.1 представлен разрез по скважинам пробуренных в массивах различной структуры

1 - в монолитных массивах горных пород,

2 - в нарушенных предыдущим взрывом массивах горных пород,

3 - отметка подошвы уступа,

4 - обрушенная часть скважины,

5 - положение нижней части скважины вышележащего горизонта,

6 - зона искусственного трещинообразования вокруг скважины в перебуре.

На Фиг.2 представлено поинтервальное изменение выхода шлама

7 - вышележащий горизонт,

8 - текущий горизонт,

9 - зона совмещения.

На Фиг.3 представлено поинтервальное изменение крупности шлама

10 - вышележащий горизонт,

11 - текущий горизонт,

12 - зона совмещения.

На Фиг.4 представлена зависимость вместимости скважин шарошечного бурения (долото 243 мм) от выхода шлама.

На Фиг.5 представлена зависимость размера бурового шлама от блочности пород.

На Фиг.6 представлена зависимость взрываемости горных пород (скарнов) от блочности массивов.

Примеры конкретного выполнения

Скальные массивы горных пород весьма изменчивы по структуре и прочностным свойствам, поэтому расход бурения и взрывчатых веществ на отбойку 1 м³ породы могут меняться в широких пределах. Проектирование буровзрывных работ осуществляется на основе районирования месторождения по категориям взрываемости. Данные районирования подтверждаются опытными взрывами. При большой изменчивости массивов процесс районирования является дорогостоящим мероприятием, а данные районирования ненадежны из-за проблем интерполяции результатов опытных взрывов на глубину месторождения. Работы по районированию месторождений проводят циклично с периодичностью 1.5-2 года.

Дополнительные сложности при районировании вызывает трещиноватость массивов горных пород, которая часто оказывает решающее воздействие на результаты взрывного дробления. Как отмечалось в разное время многими исследователями (М.М.Протодьяконовым, А.Ф.Сухановым, Л.И.Бароном, С.А.Давыдовым, В.К.Рубцовым, В.Н.Мосинцом и др.) структурные свойства пород во многом определяют степень дробления массивов горных пород при взрыве. Важное значение имеет не только блочность пород, но и характеристика трещин и их заполнения. В сложно-структурных массивах хаотически меняется блочность пород, а наличие раскрытых трещин (либо трещин заполненных рыхлым материалом), существенно снижает степень дробления массивов горных пород взрывом.

При отбойке скважин разрушение горных пород происходит не только в проектных контурах, но и за их пределами. Особенно это касается сложно-структурных массивов, когда при попытке улучшения качества дробления за счет увеличения расхода бурения и ВВ усиливается взрывное воздействие на массив за пределами проектных контуров отбойки (ниже подошвы уступа, откосы уступа). 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 величины перебура, ухудшение дробления горных пород и проработки подошвы уступа. Так в работе (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) выделены следующие основные причины потерь технологических скважин в зонах искусственного нарушения массива пород:

- Потери скважин при бурении первого ряда.

- Обрушение устья скважин в результате бурения верхней части скважин в нарушенном предыдущими взрывами массиве горных пород (см. фиг.1).

При проектировании массовых взрывов цикличная технология районирования массивов горных пород не обеспечивает необходимой точности выдачи данных о взрываемости пород, что ухудшает технико-экономические показатели производства. Поэтому создание системы проектирования массовых взрывов с элементами саморазвития является весьма актуальной задачей. Автоматизированная система проектирования массовых взрывов должна решать две задачи:

1. На основе существующего районирования и данных типового проекта (рациональные параметры БВР по категориям пород) проектирование текущего взрывного блока.

2. Уточнение существующего районирования и данных типового проекта (рациональные параметры БВР по категориям пород), на основе анализа результатов промышленного взрыва.

Информация должна постоянно поступать в автоматизированную систему. Источником такой информации могут быть только промышленные взрывы. Но существующая структура информации, получаемой при производстве промышленного взрыва, имеет элементы, в значительной мере зависящие от субъективных факторов и имеющие низкую достоверность.

Наибольшую зависимость от субъективного фактора имеет регистрация трещиноватости и характеристики трещин, которые напрямую не определяются, поэтому вместо трещиноватости и характеристики трещин предлагается регистрировать гранулометрический состав бурового шлама и его выход. Для измерения характеристики шлама могут быть использованы как известные, используемые на обогатительных фабриках гранулометры, так и специально разработанные устройства.

Для возможности анализа искусственного трещинообразования в массиве в околоскважинном пространстве формируют элементарные однородные зоны с разбивкой по высоте на три слоя:

1) соответствующем по высоте расположению забойки;

2) соответствующем по высоте расположению заряда выше подошвы уступа;

3) соответствующем по высоте расположению заряда ниже подошвы уступа.

В процессе бурения скважины поинтервально для каждого слоя производят регистрацию крупности и выхода шлама.

Слой, соответствующий по высоте расположению забойки, характеризует состояние массива горных пород после воздействия на него нижней части скважинных зарядов вышележащего, ранее отработанного блока.

Степень воздействия энергии взрыва на массив горных пород ниже подошвы уступа зависит от расположения заряда. Часто центр тяжести расположения заряда по высоте необоснованно занижается. Это может происходить по ряду причин, главные из которых:

- Не учитывается реальная вместимость скважин, в трещиноватых породах, когда за счет разбуривания диаметр скважин получается больше чем в монолитных или крупноблочных породах. Это может увеличивать вместимость скважины более чем на 20%.

- В массивах горных пород, где дробление, в силу структурных свойств является не управляемым, часто предпринимаются попытки улучшить качество дробления за счет увеличения расхода бурения и ВВ.

При смещении центра тяжести заряда в нижнюю часть скважины происходит усиленное воздействие энергии заряда на массив ниже подошвы уступа. Для количественной оценки этого фактора производится сравнительный анализ характеристики шлама, полученного при бурении области перебура (на вышележащем горизонте) с характеристикой шлама, полученного при бурении верхней части скважин (уровень забойки) текущего горизонта. На Фиг.1 представлен разрез по скважинам пробуренных в массивах различной структуры:

1 - в монолитных массивах горных пород;

2 - в нарушенных предыдущим взрывом массивах горных пород;

3 - отметка подошвы уступа;

4 - обрушенная часть скважины;

5 - положение нижней части скважины вышележащего горизонта;

6 - зона искусственного трещинообразования вокруг скважины в перебуре.

На фиг.2 представлены зависимости поинтервального изменения с глубиной выхода шлама по скважинам вышележащего (7) и текущего (8) горизонтов. Анализ выхода шлама в зоне перекрытия зависимостей вышележащего и текущего горизонтов (9) показывает, что выход шлама под влиянием искусственной трещиноватости уменьшился с 60 до 10%.

На фиг.3 представлены зависимости поинтервального изменения с глубиной крупности шлама по скважинам вышележащего (9) и текущего (10) горизонтов. Анализ крупности шлама в зоне перекрытия зависимостей вышележащего и текущего горизонтов (11) показывает, что крупность шлама под влиянием искусственной трещиноватости увеличилась с 2 до 12 мм.

Слой, соответствующий по высоте расположению заряда характеризует естественное состояние массива горных пород.

В качестве исходных система использует данные промышленных взрывов. В процессе бурения технологических скважин шарошечного бурения определяются:

1. Характеристика пород на текущем блоке.

2. Прогноз характеристики пород на нижележащем горизонте.

3. Оценка точности прогноза текущего блока, выданная при отработке вышележащего горизонта.

Первый слой - верхняя зона, соответствующая по высоте положению забойки, представляет интерес для анализа параметров и результатов предыдущего взрыва на вышележащем горизонте. Зона подвержена искусственной трещиноватости, вызванной воздействием заряда на область за пределами проектного контура отбойки. Сравнительный анализ характеристики шлама в верхней и средней части скважины с учетом расположения, удаленности скважинного заряда на вышележащем или смежном блоке и потерь скважин (от обрушения устья) анализируемой скважины позволяет судить об отклонениях от рациональных параметров БВР при отбойке вышележащего или смежного блока.

Минимальное разрушение подошвы уступа говорит о том, что основное воздействие энергии скважинного заряда было направлено в сторону обнаженного пространства (т.е. правильно были подобраны величины заряда, забойки, перебура, интервала замедления).

Второй по высоте слой соответствует положению заряда выше подошвы уступа и характеризует естественную трещиноватость массива горных пород в околоскважинном пространстве. Параметр - крупность шлама характеризует трещиноватость массива горных пород, параметр выход шлама характеризует наличие раскрытых трещин. Увеличение выхода шлама с глубиной бурения говорит о том, что пройдена зона искусственной трещиноватости с раскрытыми трещинами, образовавшаяся от воздействия заряда скважины вышележащего блока на подошву уступа (см. фиг..2). Крупность шлама с глубиной скважины уменьшается, это говорит о том что прочностные свойства массива увеличиваются по мере прохождения зоны искусственной трещиноватости (см. фиг.3).

Третий слой - зона, характеризующая массив горных пород на уровне перебура. Характеристика шлама, крупность и выход позволяют выделить (разделить) количественные значения величин естественной и искусственной трещиноватости при сравнительном анализе по результатам обуривания нижележащего горизонта.

Таким образом, для оценки влияния взрывного воздействия за пределами проектных контуров отбойки массив горных пород изучается дважды:

1. При обуривании вышележащего горизонта исследуется характеристика шлама зоны на уровне перебура.

2. При понижении горных работ и обуривании зоны (которая ранее описывалась характеристикой шлама на уровне перебура) исследуется характеристика шлама на уровне забойки.

Важной задачей для обеспечения точности районирования является создание условий соблюдения проектных параметров БВР и обеспечение точности ввода информации в базу данных. С этой целью при бурении скважин используются средства высокоточного позиционирования для расположения их в соответствии с проектом на бурение. Буровой станок оборудуется устройством определения крупности и выхода шлама (например гранулометром или миниатюрной видиокамерой в защитном кожухе с устройством защиты оптики от шлама и пыли) средствами высокоточного позиционирования, микропроцессорным устройством для управления режимом бурения, сбора данных о характеристике шлама и синхронизации работы вышеперечисленных устройств. Программируемое микропроцессорное устройство подключается к персональному компьютеру (планшетному ПК), устанавливаемому в кабине бурового станка и соединяемому Wi max сетью с сервером.

Предлагаемое техническое решение позволяет на постоянной основе с использованием современных средств вычислительной техники, позиционирования оборудования, средств коммуникации вести корректировку районирования массивов горных пород по категориям трещиноватости, взрываемости, а также уточнение параметров буровзрывных работ. При этом могут использоваться различные методики расчета параметров БВР. Например, значение коэффициента использования длины скважины для конкретных условий может рассчитываться из выражения (2):

где H₃ - высота уступа, м; k2b, k3b, k6b₀ - коэффициенты пропорциональности, для роговиков k2b=0.53, k3b=0.4, k6b₀=2.5.

Обеспечение контроля эффективности локализации взрывного воздействия строго в планируемых контурах отбойки выполняется на основе анализа зависимостей фиг.2 и фиг.3. Корректировка параметров БВР может выполняться с помощью специальных показателей коэффициента эффективности перебура и коэффициентов отклонения вместимости и потерь скважин первого ряда. Коэффициент эффективности перебура (КЭП) определяется по формуле (3).

где L_p - величина перебура, м; Δh - отклонение от проектной высоты уступа, м.

При этом глубина перебура рассчитывается из выражения (4):

где k7b, k5b₀ - коэффициенты пропорциональности, для роговиков k7b=1.45, k5b₀=0.073.

Величина перебура оптимизируется для каждой категории пород с целью:

1) локализовать приложение взрывной энергии в пределах планового контура взрывной отбойки;

2) обеспечить требования последующих процессов горных работ и обогащения;

3) минимизировать воздействие взрыва на охраняемые объекты.

Если взрывная энергия прикладывается за пределами проектного контура при плановых значениях перебура и других параметрах БВР, это говорит об изменении категории взрываемости пород.

Расстояние между скважинами корректируется по формуле (5).

где a ₀, a ₁ - соответственно фактическая и рекомендуемая сетка скважин, м.

При отклонении от проектной отметки подошвы уступа расчет рекомендуемого расхода ВВ ведется из выражения (6):

где p - вместимость 1 п.м. скважины, кг/м; K_i - коэффициент использования скважины;

L_skν - длина скважины, м; h - высота уступа, м.

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.И., 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. Ч.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 с.

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.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке скальных горных пород. Способ взрывной отбойки массивов горных пород включает предварительное районирование пород по трещиноватости, блочности и взрываемости с выделением элементарных однородных участков и последующее уточнение районирования в процессе горных работ. Элементарные однородные зоны формируют по крупности и выходу шлама в околоскважинном пространстве, соответствующем по высоте трем зонам - расположению забойки, расположению заряда выше и ниже подошвы уступа. Через характеристики элементарных зон устанавливают параметры БВР, причем через характеристику шлама элементарных зон уровня заряда устанавливают параметры БВР, а через характеристику шлама элементарных зон уровня забойки уточняют параметры БВР. Заявляемое решение позволяет повысить эффективность буровзрывных работ за счет снижения расходов на бурение и на ВВ, а также за счёт снижения потерь скважин от обрушения, улучшения качества дробления горных пород и проработки подошвы уступа. 6 ил.

Способ взрывной отбойки массивов горных пород, включающий предварительное районирование пород по трещиноватости и блочности, взрываемости с выделением элементарных однородных участков и последующее уточнение районирования в процессе горных работ, отличающийся тем, что элементарные однородные участки формируют по крупности и выходу шлама в околоскважинном пространстве, соответствующем по высоте трем зонам - расположению забойки, расположению заряда выше и ниже подошвы уступа, причем через характеристику шлама элементарных зон уровня заряда устанавливают параметры БВР, а через характеристику шлама элементарных зон уровня забойки уточняют параметры БВР.