Введение к работе
Актуальность работы. Устойчивая потребность в минеральном сырье при тенденции снижения содержания полезного ископаемого в отрабатываемых месторождениях приводит к необходимости постоянного увеличения объемов добычи, а следовательно к интенсивному углублению горных работ и ухудшению горно-геологических условий их ведения.
На горных предприятиях буровзрывные работы занимают ведущее место как по сложности и ответственности, принимаемых для их реализации инженерных решений, так и по доле в себестоимости добываемой горной массы. При этом основной объем буровзрывных работы приходится на массовые взрывы, от результативности которых зависит качество дробления горной массы и, следовательно, затраты на последующих стадиях ее выемки и переработки. Таким образом, повышение эффективности взрывного дробления, особенно в ухудшающихся горно-геологических условиях, является одним из основных факторов стабильной работы горных предприятий.
Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых установлено влияние энергетических характеристик заряда взрывчатого вещества, упруго-прочностных характеристик массива горных пород и его напряженного состояния на производимое взрывом разрушение. Вместе с тем, на сегодня отсутствуют четкие закономерности, связывающие параметры разрушения с механическими свойствами массива, и как следствие надежные методы расчета оптимальных параметров отбойки, о чем свидетельствует их многочисленность и зачастую тесная привязка к конкретным условиям ведения взрывных работ.
Повышение надежности методов расчета может быть обеспечено за счет максимального учета упруго-прочностных характеристик массива горных пород и условий его взрывания, что невозможно без детального изучения механизма динамического деформирования и разрушения горных пород, а также развития средств информационного обеспечения взрывных работ.
Применительно к массовым взрывам, подготовка и реализация которых является сложной, трудоемкой и ответственной задачей, создание методических и программных средств автоматизированного
проектирования, обеспечивающих снижение затрат на взрывную подготовку горной массы, является актуальной проблемой, решению которой и посвящена диссертационная работа.
Работа выполнялась в период с 1980 по 1999г. в соответствии с планами научно-исследовательских работ Горного института Кольского научного центра РАН. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных по заданиям ГКНТ и общеакадемической проблеме 3.2.1.3 "Научные основы совершенствования отбойки горных пород при открытой и подземной разработке полезных ископаемых" в рамках следующих тем: "Исследование и совершенствование скважинной отбойки при отработке мощных месторождений в условиях высокого горного давления" (1980-1985гг.), "Развитие научных основ технологии взрывных работ в напряженных средах" (1986-1990гг.), " Развитие научных основ разрушения горных пород и новых направлений производства взрывчатых веществ (ВВ) на основе комплексной переработки минерального сырья" (1991-1995 гг.), "Разработка автоматизированной информационной системы горнообогатительных предприятий Кольского полуострова" (1993-1996гг.), "Разработка системы управления дробящим и сейсмическим действием взрывов на основе новых взрывчатых веществ, способов взрывания и информационных технологий" (1996-1999 гг.), "Развитие научных основ информационных технологий и компьютерного моделирования процессов добычи и обогащения руд Кольского полуострова" (1997-1999 гг.).
Кроме этого, часть диссертационной работы выполнялась по проекту Российского фонда фундаментальных исследований № 96-05-65142 и хозяйственным договорам с ОАО «Апатит».
Целью работы является повышение эффективности взрывных работ на основе учета закономерностей разрушения скального массива скважинными зарядами и создания компьютерной технологии проектирования подземных массовых взрывов.
Идея работы заключается в использовании математических моделей взрывных процессов и цифровых моделей объектов горной технологии для развития методов управления подземными массовыми взрывами и создания на их основе технологии автоматизированного проектирования размещения скважин в массиве горных пород.
Положения, представляемые к защите:
1.Численная модель взрыва цилиндрического заряда, реализующая механизм динамического деформирования и разрушения упруго-пластической среды, позволяет исследовать быстротекущий процесс дезинтеграции горных пород и влияние на него параметров заложения зарядов, упруго-прочностных характеристик и напряженного состояния массива.
2. Повышение эффективности взрывного дробления горных пород достигается за счет дифференцированного выбора параметров сква-жинной отбойки, основанного на учете горно-геологических условий взрывания и корреляции данных геологического опробования с упруго-прочностными характеристиками массива.
3.Система моделирования объектов горной технологии, построенная на использовании трехмерной интерактивной графики, клиент-серверных технологий и работе с локальными и удаленными базами данных, позволяет реализовать комплексный подход при решении геологических, маркшейдерских и технологических задач в едином информационном пространстве горного предприятия, что повышает оперативность и точность проектных работ.
4. Компьютерная технология автоматизированного проектирования массовых взрывов, реализующая алгоритм вычисления рациональных параметров отбойки и методы интерактивного размещения скважин в отбиваемом объеме, обеспечивает снижение затрат на подготовку и проведение взрывных работ за счет возможности многовариантной оценки принимаемых решений.
Научная новизна
-
Разработана двумерная численная модель взрыва цилиндрического заряда в массиве горных пород (ГП), отличающаяся тем, что в ней одновременно учтены динамические процессы, происходящие во взрывной полости и деформируемой, разрушающейся упруго-пластической среде.
-
Выявлены закономерности формирования зон разрушения от взрыва одиночного и группы скважинных зарядов при различных начальных и граничных условиях. Установлено, что при взрыве цилиндрического заряда более 95% от всей энергии, переданной в массив через сечение взрывной полости, передается за время, равное пробегу продольной волной расстояния в 60 радиусов полости (r0), а заряд длиной более 140г„ работает как бесконечно длинный.
3.Получена расчетная зависимость, связывающая скорость роста зоны разрушения (с,) при взрыве цилиндрического заряда в массиве со скоростью распространения в нем продольной волны (с/) и коэффициентом Пуассона (и), в соответствии с которой отношение скоростей при увеличении коэффициента Пуассона с 1^=0.1 до v=0.4 уменьшается с с,/с/=0.45 до с,/
4. Предложена методика автоматизированного расчета рациональных параметров скважннной отбойки на основе учета напряженного состояния массива, определяемого исходя из условий взрывания, и упруго-прочностных характеристик ГП, получаемых в результате их корреляции с данными геологического опробования месторождения.
5.Разработана системы моделирования объектов горной технологии (Geotech-3D), построенная на использовании: трехмерной интерактивной графики; локальных и удаленных БД; клиент-серверных технологий. Функционирование системы в локальной компьютерной сети позволяет реализовать комплексный подход при решении геологических, маркшейдерских и технологических задач в едином информационном пространстве горного предприятия.
6.Предложена методология, разработаны алгоритмы и программные средства автоматизированного проектирования подземных массовых взрывов, в основу которых положены методы расчета рациональных параметров отбойки, моделирования условий взрывания и создания моделей взрывных скважин, а также компьютерные средства формирования проектной документации.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:
- сопоставимостью данных численного моделирования с результатами известных аналитических решений, лабораторных и натурных экспериментов;
- положительными результатами опытно-промышленной проверки
методики и программных средств автоматизированного проектирова
ния массовых взрывов.
Практическое значение работы.
1. Получены расчетные зависимости, позволяющие по параметрам сейсмического сигнала в ближней зоне действия взрыва с достаточной для практики степенью точности находить размеры произведенного взрывом разрушения.
2.Создана система моделирования объектов горной технологии (Geotech-3D), являющаяся платформой для автоматизации решения различных горно-геологических и горно-технологических задач.
З.На платформе Geotech-3D разработана компьютерная технология автоматизированного проектирования подземных массовых взрывов, обеспечивающая определение рациональных параметров отбойки, создание объемных моделей скважин и формирование проектной документации.
Реализация работы. Результаты исследований и практические рекомендации вошли составной частью:
-в "Методику расчета параметров буровзрывных работ" (применительно к рудникам ПО «Апатит»), Апатиты, Горный институт КНЦ РАН, 1986, 12 с;
-в "Методику автоматизированного расчета основных параметров скважинной отбойки" (применительно к рудникам ПО «Апатит»), Апатиты, Горный институт КНЦ РАН, 1990, 28 с;
- в "Инструкцию по расчету радиуса сейсмически опасных зон при
массовых взрывах для жилых массивов и подземных горных
выработок", Апатиты, Горный институт КНЦ РАН, 1994, 17с.
Кроме этого на 4-х рудниках ОАО «Апатит», отрабатывающих 6 месторождений открытым и подземным способом, внедрены:
Система моделирования объектов горной технологии, как основа системы автоматизированного планирования, проектирования и сопровождения горных работ (Geotech-3D-Апатит);
Подсистема автоматизированного проектирования подземных массовых взрывов, функционирующая на Кировском руднике в режиме опытно-промышленной эксплуатации.
Переход к практике автоматизированного проектирования подземных массовых взрывов на ОАО «Апатит» позволил за счет
дифференцированного выбора параметров скважинной отбойки снизить в среднем на 7% удельный расход ВВ на отбойку руды и на 26% - на вторичное дробление при выпуске руды из секций.
Экономический эффект от внедрения результатов работы составит только для Кировского рудника 17.5 млн.руб/год в ценах 1999 г.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом совещании "Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве" (г. Губкин, 1988г.), Всесоюзной конференции по механике горных пород (Бишкек, 1989г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников" (Москва, 1990 г.), Всесоюзной научной конференции "Проблемы охраны окружающей среды" (Мурманск, 1991г.), Международном семинаре "Автоматизация научных исследований в геологии, горном деле, экологии" (Москва, 1991г.), Научно-технической конференции "Опыт ведения работ по устойчивости уступов и бортов карьеров с использованием новой техники в горнодобывающей промышленности" (Ковдор, 1991г.), Международном семинаре "Численные методы в геомеханике" (Москва, 1992 г.), Международном конгрессе по механике разрушения (Киев, 1993 г.), Международном симпозиуме "Горное дело в Арктике" (С.Петербург, 1994г.), Международной конференции ARCOM-97 (Москва, 1997 г.), Международном научной конференции "Современные проблемы разрушения массивов горных пород" (Москва, 1998 г.), Международной научной конференции "Проблемы и перспективы освоения минерального сырья и подземного пространства Северо-Запада России" (Апатиты, 1999 г.), технических советах ОАО «Апатит».
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 30 печатных работ, в том числе одна монография и одно авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 267 страницах, содержит 105 рисунков, 22 таблицы и список использованных источников из 135 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Автор считает своим долгом выразить благодарность сотрудникам Горного института д.т.н. С.А.Козыреву, д.т.н. Д.С.Подозерскому, д.т.н.А.Д.Вассерману, к.т.н.О.В.Наговицину, н.с. Т.В.Буяновой, н.с.
Э.И.Фаттахову, инж. А.Г.Кершинскому за участие и помощь в проведении исследований, а также работникам ОАО «Апатит» А.В.Григорьеву, B.C. Свинину, В.Ф.Егорову, В.Ю. Запорожцу, Е.В.Ивановскому, Б.Л.Коробову, А.В.Крыжановскому за содействие при внедрении результатов работы.
Особую благодарность автор приносит академику РАН Н.Н.Мельникову и д.т.н. А.А.Козыреву за внимание к работе и помощь в ее реализации.