Содержание к диссертации
Введение
1.Теория и практика разработки месторождений открытым способом, цели и задачи исследований 8
1.1. Анализ литературных публикаций 8
1.2. Анализ практики разработки нагорных месторождений 17
1.3. Анализ практики Боснийского карьера 25
1.4. Цели, задачи и методика исследования 38
2. Исследование экологических факторов разработки нагорных месторождений 41
2.1.Ранжирование технологий разработки по опасности для среды 41
2.2. Исследование условий для миграции отходов в среду 49
2.3. Исследование параметров технологического пылеобразования 55
2.4. Исследование качества и количества пыли 60
2.5. Исследование параметров технологического разрушения массива 70 Выводы 72
3. Иссследование параметров взрывной отбойки и доставки 73
3.1. Теоретические предпосылки эффекта кумуляции 73
3.2. Исследование параметров кумуляции взрыва зарядов ВВ 78
3.3. Моделирование параметров много-векторного взрыва 84
3.4.Исследование моделей много- векторного взрыва 88
4. Эффективность оптимизированной технологии разработки нагорных карьеров 98
4.1. Методика моделирования параметров взрыва 98
4.2. Экспериментальное определение оптимальных параметров взрыва 100
4.3.Методика расчета параметров взрывной отбойки 106
4.4.Эколого-экономическая эффективность технологии 112 Выводы 120
Заключение 121
Литература 123
- Анализ практики разработки нагорных месторождений
- Исследование параметров технологического пылеобразования
- Моделирование параметров много-векторного взрыва
- Экспериментальное определение оптимальных параметров взрыва
Введение к работе
Актуальность проблемы. Более 60 % всех видов полезных ископаемых в мире добывают открытым способом, при этом около половины из них локализованы в месторождениях нагорного типа. Эти месторождения расположены выше господствующего уровня земной поверхности, чаще всего на склонах гор, изрезанных ущельями, балками и оврагами и ^интенсивно нарушены тектоническими структурами различных порядков. Особенности нагорных месторождений предъявляют повышенные (требования к технологии добычи минералов, нередко учитываемые не в полной мере, поэтому технологические решения по совершенствованию способов разработки таких месторождений представляет собой актуальную научно-практическую задачу.
Целью работы является улучшение технологических, экономических и экологических показателей эксплуатации нагорных карьеров путем оптимизации параметров взрывной отбойки полезного ископаемого. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:
установление особенностей кумулятивного действия взрыва и моделирование параметров зарядных камер с многовекторной кумуляцией; - уточнение научных основ расчета и управления параметрами массовых взрывов на карьерах.
Идея работы состоит в оптимизации зарядов взрывчатых веществ по критерию взрывной доставки полезного ископаемого к основанию карьера и расположению его там равномерным слоем.
Методы исследования: обобщение и анализ литературных источников и передового опыта, физическое и математическое моделирование, технические расчеты.
Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы удовлетворительной сходимостью не менее 85% результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Защищаемые научные положения:
1 .Локализация пыли в атмосфере при взрывных работах обеспечивается концентрацией добычных процессов в благоприятное время года.
Физические свойства взрывов сверхмощной силы подчиняются законам газовой динамики, что позволяет управлять их параметрами взрывной отбойки с комплексным эффектом, так как мощность взрыва при минной отбойке используется не более чем на 20-25 % . Для исключения призм обрушения фокусы кумуляции взрывов направляются на 7-8 меньше устойчивого стояния уступа и на 10-12 с наклоном к горизонту.
Моделирование взрывных работ базируется на эквивалентных массах зарядов, пропорциональных пределам прочности разрушаемых массивов и кубу геометрического масштаба берм и уступов карьере.
Научная новизна и значимость:
1 .Установлен комплекс причин низкой эффективности разработки нагорных
месторождений с использованием тяжелой и дорогой техники.
Раскрыты ранее не учитываемые горнотехнические особенности разработки нагорных месторождений.
Оптимизирована технология разработки нагорных месторождений наклонными прирезками и скользящими бермами с взрывным транспортом полезного ископаемого до основания карьера и расположения его там равномерным слоем.
4.0боснованы параметры камерных зарядов ВВ с многовекторной кумуляцией и сосредоточением мощи взрыва в разрушаемых секциях прирезок, чем существенно повышен коэффициент полезного действия зарядов.
5. Предложен метод конструирования зарядных камер с многовекторной кумуляцией, при которых не происходит выброса газов и пыли в атмосферу с загрязнением окружающей среды, и погашением сейсмических колебаний разрушительной силы внутри предельных контуров карьера.
Научная ценность работы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования технологии в совокупности решают проблему оптимизации процессов отбойки полезного ископаемого за счет управления параметрами взрыва.
Практическое значение работы.
Предлагаемые методы управления параметрами взрывания зарядов, позволяют повысить эффективность добычи полезных ископаемых и улучшить экологические аспекты эксплуатации месторождений.
Результаты работы могут быть использованы при разработке технической документации, регламентирующей производство взрывных работ на рудниках и карьерах, а также в учебном процессе для студентов горных специальностей.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов с результатами моделирования и опытно-промышленных испытаний, использованием современных методик и измерительной аппаратуры, а также статистической обработкой результатов.
Реализация и апробация работы.
Результаты исследований рекомендованы для практического использования на нагорных карьерах России.
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СКГМИ (г. Владикавказ, 1996 — 2003 г.п), на кафедрах «Технология разработки месторождений» и «Безопасность жизнедеятельности» СКГМИ (г.Владикавказ, 2003), на III Международном конгрессе «Экологические проблемы горных территорий» (Владикавказ,
1998 г.).
* і і
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ.
1.ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИИ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Анализ литературных публикаций
При проектировании камерных зарядов на карьерах предусматривают отбойку пород одним рядом зарядов, располагаемых у внутренней бровки выемки (рис. 1.1). Обычно такое расположение зарядов применяется, когда высота откоса над внутренней бровкой выемки доставляет 0,75-1,25 ширины бермы, что соответствует углу косогора в 35-
50. Величина линии наименьшего сопротивления (ЛНС) W определяется графически. Масса заряда определяется по формуле М.М. Борескова:
Q = f(n)qW\ (1.1)
гдеДи) - функция показателя действия взрыва; q- удельный расход ВВ, кг/м При взрывании зарядов на косогорах радиус отрыва в подгорную сторону составляет:
R, = wjn2 + l, (1.2)
в нагорную сторону
R2=24W\f^t (1.3)
где W — размер ЛНС
Из условия совпадения радиуса отрыва в подгорную сторону с полотном выемки величина показателя действия взрыва:
где В - ширина бермы.
При однорядном взрывании значение п составляет 1,25-1,35.
Рис. 1.1. Схема выемки камерными зарядами.
При взрывании на сброс стремятся к тому, чтобы угол наклона вновь образуемого нагорного откоса с горизонтальной поверхностью не превышал угла естественного откоса породы. В противном случае нагорный откос образует неустойчивый массив, который необходимо обрушить дополнительными взрывами, чтобы предупредить его неконтролируемое обрушение.
Исходя из этих соображений, минимально допустимое значение показателя действия взрыва:
nd = 0,275
Если расчетное значение п не обеспечивает требуемого угла откоса, принимается значение п=п^. При этом положение заряда над внутренней бровкой полки определяется графически, через условия, что п подходит через внешнюю бровку полки (рис. 1.2).После этого корректируются значения Wnn. Объем породы, не подверженный действию, впоследствии разрыхляется шпуровыми зарядами таким образом, чтобы довести поперечный профиль выемки до проектной формы.
Рис 1.2. Параметры отбойки камерными зарядами:! - объём породы, подверженный действию заряда сброса; 2 - объём породы, разрыхляемый
шпуровыми зарядами.
Расстояние до следующего заряда в ряду:
a=mWh (1.6)
где т - относительное расстояние между зарядами (в пределах 0,8-1,4 в зависимости от крепости породы и характера напластования); W - размер ЛНС, м. Меньшие расстояния принимаются в крепких породах и при напластовании, совпадающем с направлением ЛНС.
По месту расположения второго заряда строят поперечный вспомогательный профиль, по которому определяют ЛНС второго заряда. Расстояние между зарядами корректируют по формуле:
tf=m(W,+W2)/2, (1.7)
Требуемый объем зарядной камеры определяют по формуле:
v*=iU, (1.8)
где q - масса заряда, т; А - плотность заряжания, kv - коэффициент, зависящий
от способа крепления камеры и наличия в камере труднодоступных для
заряжания участков (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Расчетный коэффициент
В большинстве случаев определяют три параметра камерных зарядов ВВ на открытых горных работах: Масса заряда - Q, т. Расстояние между зарядами в рядах - а,.м.
Близким к решению задачи, рассматриваемой в данной работе, является образование наклонного откоса, угол которого для исключения потенциальной неустойчивости массива должен равняться углу естественного откоса породы. Этот вопрос решается изменением показателя действия взрыва - nd или путем взрывания призмы обрушения дополнительными взрывами.
При разработке Боснийского месторождения доломита высота одновременно отрабатываемой наклонной прирезки в верхней части карьера будет составлять 150 м. В этих условиях после минных взрывов организовывать дополнительные взрывы при неустойчивости массива проблематично.
Целесообразнее создание такой технологии ведения массовых взрывов, при которой откосы будут необходимые углы наклона.
В исследованных литературных источниках рассматриваются зарядные камеры только кубической формы, а другие формы зарядных камер не изучены.
Вопросы, связанные с управлением взрывными работами на карьерах, описаны достаточно полно. Однако публикаций по массовым взрывам, несмотря на распространенность этой технологии, особенно при переходе нагорных карьеров на отработку наклонными прирезками и ^скользящими предохранительными бермами, пока еще недостаточно.
Наибольший интерес для совершенствования массовых взрывов ^представляет ряд работ [21,23-26]. Основные результаты исследований сводятся к обеспечению заданного гранулометрического состава взорванной горной массы. Дальнейшее углубление карьеров, вовлечение в разработку очень крепких и обводненных пород крупноблочного строения, уменьшение параметров рабочих площадок и другие неблагоприятные факторы существенно затрудняют выполнение этого требования.
На основании глубокого изучения механизма действия взрыва в обводненных твердых средах блочного строения выявлены некоторые закономерности, позволяющие о управлять взрывным дроблением горных пород [22]. Экспериментальные исследования показали, что основной объем разрушения блочных сред приходится на долю газообразных продуктов взрыва и соударения отдельностей. Установлено также, что дробление блочных сред в обводненных условиях ухудшается. При этом увеличение удельного расхода ВВ не ведет к существенному улучшению их дробления.
Вместе с тем, как показал опыт увеличения высоты уступов, эти меры не всегда решают проблему регулирования дробления пород и размеров развала. Поэтому возникла необходимость уточнения отдельных факторов, влияющих на эффективность взрывания высоких уступов, и расчетных параметров взрывных работ [21]
Для формирования профиля борта с одинаковыми нерабочими уступами необходимо на каждом рабочем горизонте пройти экранизирующую щель бурением контурных скважин глубиной 26 - 35 м. Наиболее типичной для рудных карьеров является конструкция нерабочего борта со встроенными уступами. Даже при минимальной высоте нерабочих уступов (30 м) для проходки экранизирующей щели необходимо пробурить контурные скважины глубиной 37-45 м.
Бурение таких скважин - сложная задача с точки зрения обеспечения их параллельности. Дно скважины отклоняется от заданного ^направления на 2-3 м (даже за контур уступа) [23].
Наибольшему перемещению в сторону свободной поверхности уступа подвергается порода у верхнего торца заряда скважины, наименьшему
- на уровне подошвы разрушаемого уступа. Порода, располагающаяся в
районе забойки, при взрыве поднимается вверх и подает на формирующийся
развал.
Сопротивлением воздуха при расчетах ширины развала можно пренебречь, даже при значительных удельных расходах ВВ. (1.5-2 кг/м ). На изменения ширины развала влияет только величина зарядов первого, второго и третьего рядов скважин. Регулирование ширины развала путем уменьшения удельного расхода ВВ - довольно простой способ. С уменьшением удельного расхода ВВ ширина развала уменьшается, но значительно ухудшается качество дробления горной массы [25].
Из анализа литературных данных сделаны следующие выводы:
наиболее актуальны вопросы управления крупностью добываемого материала, особенно при разрушении в обводненных средах;
для формирования профиля борта карьера рекомендуется создание экранизирующей щели путем взрывания контурных скважин;
- с целью регулирования ширины на уступах изменяют удельный расход ВВ,
т.е. величину зарядов в рядах скважин.
Наиболее полно технология разработки доломита на Боснийском карьере описана в работе [71]. Разработка нагорных карьеров тесно связана с устойчивостью бортов, откосов, отвалов [82-87]. Устойчивость откосов в увязке с механикой горных пород рассматривается в монографии [88].
Созданием теории действия взрыва в твердой среде занимались многие ученые. Их научные направления касаются следующих вопросов:
1. Изучение угла раскрытия воронки взрыва при одной свободной
поверхности и переменной величине глубины заложения заряда ВВ.
При взрыве ВВ в твердой среде газообразные продукты ^взрывчатого разложения действуют на окружающую среду по всем направлениям с одинаковой силой. Вокруг зарядной камеры образуются трещины радиального направления. По трещинам, достигшим свободной поверхности, т.е. величиной, равной ЛНС, происходит выброс газообразных продуктов взрыва, оказывающих поршневое действие на породу и разрушающих ее.
Разрушение горного массива взрывами камерных зарядов имеет серьезный недостаток, состоящий в том, что грунты выбрасываются из образуемой воронки практически по радиальным направлениям, вследствие чего нельзя достичь выброса в желаемом направлении.
2. Использование плоских зарядов в системе скважинных зарядов.
При определенных условиях это позволяет перемещать породу на
расстояние 1000 - 1500 м при расходе ВВ 3-5 кг/м . На вскрышных работах плоские заряды по сравнению с сосредоточенными (камерными) зарядами имеют ряд преимуществ.
Эти преимущества видны на рис 1.3 [72], на котором приведен вертикальный разрез карьера. Штриховыми линиями показаны траектории движения выбрасываемой породы при взрыве сосредоточенного заряда, сплошными - траектории при взрыве плоского заряда. Место падения породы определяется пересечением траектории движения породы со свободной
поверхностью. Взрыв сосредоточенного заряда разбрасывает породу во все стороны, вследствие чего значительная доля этой породы остается в пределах проектируемого контура.
Рис. 1.3. Схема действия взрывов плоского и камерного зарядов.
Иную картину дает взрыв плоского заряда. При взрыве плоского заряда взрываемая порода перемещается компактной массой в заданном направлении. Это объясняется тем, что начальное направление разлета породы перпендикулярно . основанию плоского заряда. Изменяя соответствующим образом угол наклона плоского заряда к горизонту, и подбирая его величину, можно достигнуть перемещения горной породы на 'требуемую дальность и в заданном направлении. Плоский заряд нельзя заложить во взрываемый массив, однако он может быть заменен эквивалентной по свойствам системой скважинных зарядов в одной плоскости. Площадь сечения скважин и расстояние между ними определяются дальностью метания, а также характером породы и видом ВВ.
Проверка возможности применения плоских зарядов на открытых горных работах осуществлена экспериментами в полигонных условиях. Плоский. заряд осуществляли путем петлеобразной укладки детонирующего шнура. Опыты в песчаных и суглинистых грунтах показали, что использование плоских зарядов даёт, кроме указанных выше преимуществ, экономию ВВ, а односторонний отброс взрываемой породы, позволяет регулировать ширину развала породы.
і " 3. Доказано, что если наклонные скважинные заряда расположить
по цилиндрической поверхности полуокружности, то одновременный взрыв івсех скважинных зарядов позволяет осуществить фокусированный (кумулятивный) направленный выброс (рис. 1.4). При этом грунт движется по нормали к цилиндрической поверхности: происходит обжатие грунта и фокусировка его движения в направлении плоскости симметрии полуцилиндрического заряда.
Грунт, вытесненный расширяющимися газами из полуцилиндрического объема EAF, формирует плоскую кумулятивную струю (контур MAN). Вид этой струи в вертикальной плоскости и направление движения отдельных ее элементов показаны на рис. 1.4 (сечение А - А). Механизм образования кумулятивной струи грунта при взрыве наклонных скважинных зарядов, расположенных по цилиндрической поверхности, проверялся на моделях.
В качестве грунтов был выбран песок. Полуцилиндрический заряд осуществлялся петлеобразной укладкой детонирующего шнура. Фокусированный выброс может быть применен в грунтах и в скальных породах. При этом наименьший расход ВВ при прочих равных условиях имеет место в скальных породах.
Анализ исследований массовых взрывов показывает, что наука и практика достигли такого уровня, когда можно повысить эффективность разрушения горных пород путём создания зарядных камер.
Рис. 1.4. Схема образования кумулятивной струи.
1.2. Анализ практики разработки нагорных месторождений
Открытая разработка месторождений полезных ископаемых, как рудных, так и особенно нерудных - асбеста, барита и др., имеют широкое распространение во многих странах мира [23]:
Скальные и полускальные породы разрушают скважинными зарядами. Скважины бурят станками шарошечного и ударного бурения.
Для выемки и погрузки горной массы на уступах применяют экскаваторы, на зарубежных карьерах широкое применение находят экскаваторы типа «обратная лопата» и ковшовые погрузчики.
Высота, уступов на большинстве карьеров Европы, Америки и Африки составляет 10 - 20 м. Наблюдается тенденция к повышению высоты уступов. Так, добыча железной руды на карьере «Табазимби» (ЮАР) осуществляется при высоте уступов 31 м. В США высота уступов колеблется іот 15 до 65 м [19, 73], чаще всего составляя 20 - 25 м. На карьерах строительных материалов с прочной и однородной горной массой высота іуступов достигает 55 - 65 м и более [21].
Карьер фирмы «Винтербег» (Германия) разрабатывает месторождение крепкого известняка двумя уступами высотой по 60 м. На гранитном карьере «Нью-Джерси» (США) добыча диабаза производится на уступах высотой 55 - 58 м, а на карьере «Хоффман» (Австралия) высота уступа, сложенного известняком, достигает 100 м.
На высотных карьерах в качестве внутреннего транспорта распространены кабель-краны и редко - подвесные канатные дороги. На глубинных карьерах применяется комбинированный транспорт — автомобильный на уступах и конвейерный на подъемниках (табл. 1.2).
Американские, канадские и африканские карьеры отличаются высокой насыщенностью буровым, взрывным, погрузочным и транспортным оборудованием. Но коэффициент его загруженности не превышает 0,45. Особые способы разработки нагорных месторождений в практике Китая и Вьетнама [78, 79] представляют определенный интерес, так как используют системы взрыво- механизированного транспорта.
В 1985 г. в СССР открытым способом добывали: угля - 29 %, железной руды - 74,8 %, руд цветных металлов - 67 %, марганцовой руды -более 50 %, горно-химического сырья - 86 %, неметаллических полезных
ископаемых (асбест, каолин и др.) и строительных материалов — почти 100 (табл. 1.2).
Таблица 1.2 Технико-экономические показатели отработки запасов открытым способом
Таблица 1.3
Таблица 1.4 Технико-экономические показатели карьеров СССР за 1985-1995 г.г.
На открытых горных работах СНГ себестоимость добычи руды систематически удорожается. Например, на карьерах Курской магнитной аномалии — Лебединском, Михайловском, Стойловском себестоимость добычи руды в сопоставимых ценах составляла: 1 руб 63 коп. в 1965 г., 2 руб. 30 коп. в 1978-1979 г., 3 руб. 17 коп. в 1985-1986 г [17].
Оборудование и методы, применяемые при обработке высоких уступов, зависят в основном от объемов добычи, характера залегания рудных тел и топографии месторождения. При этом отмечаются высокие технико-экономические показатели на месторождениях, разрабатываемых уступами большой высоты.
Практика открытых горных работ развивается путем реализации изобретений (классы МКИ от Е2141/00 до Е21С45/00). Со второй половины 70-х гг. в СССР активизировалась работа по созданию новых технологических схем по открытой разработке твердых полезных ископаемых. После 1978 г. только по классам Е21С41/00 и Е21С41/02 ежегодно выдавалось не менее 35 охранных документов на изобретения. Специалисты уделяют много внимания совершенствованию технологии ведения горных работ в границах всего карьера или значительной части рабочей зоны. В СССР эти изобретения составляли 10 % от общего числа, в ФРГ - 25 %, в США - 26 %, в Великобритании - 44 %.
Достаточно много изобретений, в которых новизна решений связана с ведением горных работ на ограниченной части карьера - в пределах забоя или одного - двух уступов. Преобладают предложения по разработке мощных залежей однородных полезных ископаемых, залегающих на большой глубине.
Изобретений, посвященных разработке месторождений нагорного типа, зарегистрировано мало. В большинстве случаев решения сводятся к компоновке горных работ при разделении карьерного поля на участки, к проведению опережающих вскрывающих выработок, расконсервации
временно неработающего борта или к его доработке. Практически
отсутствуют схемы с полной или частичной переработкой полезных
ископаемых в контуре карьера, увязкой горных работ с размещением отходов
переработки. Для целей диссертации пригодны следующие направления:
- использование скользящих съездов, перемычек, в частности, для
перемещения вскрышных пород в выработанное пространство и вскрытие
глубоких горизонтов подземными выработками;
* размещение отвалов в выработанном пространстве с перемещением
вскрышных пород как поперек, так и вдоль фронта горных работ;
Ї- разделение карьерного поля на участки, отрабатываемые в определенной
последовательности, с продвиганием фронта горных работ на разных
участках в одном или различных направлениях;
разработка крутопадающих залежей с уменьшением расстояния транспортирования вскрышных пород и сниженным объемом работ по разносу бортов, в том числе при размещении вскрышных пород в выработанном пространстве.
Технические решения базируются на использовании известных типов горного оборудования и могут быть внедрены на карьерах. Предлагается применять нетрадиционное оборудование: конвейерные поезда, скиповые подъемники, вертолеты, а в зарубежных - башенные экскаваторы, канатные скреперы.
Значительное число предложений посвящено совершенствованию схем вскрытия месторождений в связи с необходимостью сокращать площади изымаемых земельных угодий. Практический интерес представляют изобретения, в которых выработанное пространство используют для устройства выездных полу- траншей, примыкающих к борту карьера: стационарных, полу- стационарных и выездных съездов. Заслуживают включения в качестве типовых элементов решения по созданию скользящих перемычек - заездов, соединяющих вскрышные уступы с внутренними
отвалами. Это позволяет сократить расстояние перемещения вскрышных пород. Перемычки отсыпают на дне карьера, на временных целиках вскрышных пород или полезного ископаемого (А.С. 343042, 625040, 648431, 688623).
Доля отечественных изобретений в области технологий открытых горных работ, в которых применяются скользящие съезды и перемычки, составляет 17 %.Увеличилось число изобретений, посвященных вскрытию подземными выработками месторождений не только нагорного, но и глубинного типа. Их доля в массиве советских изобретений равна 4 %„ США 12 %, Великобритании - 7 %, ФРГ - 38%.
В ряде изобретений карьерное поле разделяют на участки, разрабатываемые в определенной последовательности, а фронт горных работ - на два крыла одинаковой или различной длины. Это позволяет упростить транспортные коммуникации, сократить расстояние перемещения вскрышных пород, заблаговременно оборудовать транспортный подъемник при разработке глубоких залежей, создать благоприятные условия ведения горных работ при наличии в контуре карьерного поля оврага или речки (А.С. 643640, 648731, 718602, 806864, 912933, 926289).
Достоинствами этих схем являются усреднение объемов вскрышных работ, повышение надежности поставки сырья заданного качества, особенно на комплексных месторождениях. На крутопадающих залежах при поочередной обработке участков по простиранию создаются условия для применения внутренних отвалов (А.С. 337516, 155755). При вытянутой форме месторождения из целиков или пустых пород предложено образовывать распорные призмы, позволяющие сократить объем горных работ по разносу бортов за счет увеличения угла устойчивости откоса.
Разрабатываются схемы по повышению устойчивости отвала и массива, а также укреплению откосов. Идея об образовании на наклонной
поверхности или косогоре основания отвала в виде ступенчатой поверхности получила свое дальнейшее развитие в А.С. 909178.
В США выдан патент № 3792305 на способ перемещения породы по склону. Поверхность скольжения создает газ, который образуется при взрывании жидкого ВВ и выполняет роль смазки. При взрыве газ приподнимает часть массива. Способ пригоден и для перемещения скальных пород.
і Направления, которые составляют основу совершенствования
технологии открытых горных работ: управление качеством поставляемого Ьырья; усреднение сырья; первичная переработка с целью сокращения расстояния перемещения отходов; слоевая выемка, селективная разработка, в частности, при использовании оборудования с увеличенными параметрами; технологии разработки с минимальным воздействием на окружающую среду, включая выемку обводненных запасов.
Таблица 1.5
Результаты анализа изобретений по теме исследования
1.3.Анализ практики Боснийского карьера
Тырныаузское месторождение расположено в высокогорной, сильно пересеченной местности на отметках 2000-3100 м над уровнем моря. Основные запасы месторождения сосредоточены в трех крутопадающих рудных телах [6]. Горные работы на комбинате были начаты в 1934 году с отработки одного из рудных тел (Главный скарн) подземным способом, а в 1968 году с целью увеличения производственной мощности комбината было принято решение об отработке части запасов месторождения открытым
способом. Был построен карьер «Мукуланский». Но в северо-западной части
проектного контура этого карьера образовалась мощная воронка обрушения,
связанная с отработкой нижних горизонтов подземным способом.
Это привело к возникновению оползневого процесса объемом более 15 млн. м3, что значительно затруднило развитие открытых горных работ. Для ликвидации оползня был построен карьер «Высотный», что позволило создать единую систему горных работ и транспортных коммуникаций с карьером «Мукуланский».
Месторождение разрабатывается уступами высотой по 15 м. Для разрушения пород и полезных ископаемых применяют скважинный способ ведения буровзрывных работ.
Каждый уступ разбивается на блоки длиной по 150-200 м. Скважины обуривают станками СБШ-200, СБШ-250. Для уборки взорванной горной массы применяют экскаваторы типа ЭКГ-4,6 или ЭКГ-8. Транспортировку как вскрышных пород, так и полезного ископаемого производят 180 т автосамосвалами американского и японского производства («Эвклиды», «Камацу»). С целью повышения работ в карьере неоднократно были сделаны попытки увеличить высоту уступов, но эксперименты оказались безуспешными по следующим причинам:
Фактическая глубина скважин с учетом перебура при высоте уступа 30 м (а именно такая высота предлагалась некоторыми научно-исследовательскими работами, чтобы объединить по два уступа в один) должна составить 35-37 м. А при бурении скважин такой глубины производительность станка СБШ-200 резко падает. Максимальная глубина скважин по технической характеристике станка 2СБШ-200Н - составляет 40м.
і Чем больше высота уступа, тем ЛНС на уровне нижней бровки
уступа увеличивается и при взрывании вертикальных скважин подошва ;уступа прорабатывается плохо, что отрицательно сказывается как на буровых, так и на планировочных работах на рабочих площадках.
Высота развала горной массы при многорядном расположении скважин становится равной высоте уступа и поэтому применять экскаваторы типа ЭКГ-4,6 не разрешается по Правилам техники безопасности. Параметры уступа и технология ведения горных работ в Тырныаузеком карьере остается без изменения за последние 15 лет. Исключение составляет только оборудование, в основном транспортное, грузоподъемность которого постоянно растет.
Дагикесанское месторождение расположено в Азербайджане и представляет собой склон горы, состоящей из железной руды с незначительной толщиной наносов и покрывающих пород. Месторождения вскрыто въездными траншеями, рассчитанными на движение автосамосвалов. К нарезным работам относят проходку первых заходок у склона горы.
Отработка ведется уступами высотой 15 м с отбойкой скважинными зарядами ВВ. Бурение скважин осуществляется станками СБШ-250 и СБШ-320. Погрузка взорванной горной массы в автосамосвалы БелАЗ-540 производится экскаваторами ЭКГ-4,6 и ЭКГ-8и.
Месторождение «Апатит» на Кольском полуострове представлено массивной залежью. Разрабатывается карьером с высотой уступов 18-20 м. В качестве забойного оборудования применяют буровые станки СБШ-320 и автосамосвалы грузоподъемностью 170 т. .
Боснийское месторождение доломита является типичным нагорным месторождением. Оно имеет сходство по своим топографическим, геологическим и горнотехническим факторам со многими нагорными Месторождениями, поэтому технические новшества и научные разработки, апробированные на Боснийском карьере, могут быть внедрены на любом другом нагорном карьере.
Месторождение является одним из крупнейших в СНГ. Количество балансовых запасов составляет 238 млн. тонн, что достаточно для существования карьера с годовой производственной мощностью 700 тыс. тонн сроком до 350 лет.
Доломит поставлялся более 90 заводам в бывших РСФСР, УССР, Армянской и Грузинской ССР. Из доломита Боснийского месторождения можно получать вяжущие вещества и материал для невзрывного разрушения пород.
Левый склон Боснийского ущелья, на котором расположено Боснийское месторождение доломитов, условно разделен на три участка: Восточный, Центральный, Правобережный. Из них наиболее благоприятные горнотехнические условия для разработки имеет Центральный участок, и поэтому он был введен в эксплуатацию в первую очередь в 1952 году. Границами Центрального участка являются: на востоке - балка Центральная, а на западе - балка Южная.
В толщу доломитов Центрального участка врезалась балка Западная, тальвег которой почти углубился до подстилающих месторождений известняков. В результате этот участок оказывается
Анализ практики разработки нагорных месторождений
Открытая разработка месторождений полезных ископаемых, как рудных, так и особенно нерудных - асбеста, барита и др., имеют широкое распространение во многих странах мира [23]:
Скальные и полускальные породы разрушают скважинными зарядами. Скважины бурят станками шарошечного и ударного бурения.
Для выемки и погрузки горной массы на уступах применяют экскаваторы, на зарубежных карьерах широкое применение находят экскаваторы типа «обратная лопата» и ковшовые погрузчики.
Высота, уступов на большинстве карьеров Европы, Америки и Африки составляет 10 - 20 м. Наблюдается тенденция к повышению высоты уступов. Так, добыча железной руды на карьере «Табазимби» (ЮАР) осуществляется при высоте уступов 31 м. В США высота уступов колеблется іот 15 до 65 м [19, 73], чаще всего составляя 20 - 25 м. На карьерах строительных материалов с прочной и однородной горной массой высота іуступов достигает 55 - 65 м и более [21].
Карьер фирмы «Винтербег» (Германия) разрабатывает месторождение крепкого известняка двумя уступами высотой по 60 м. На гранитном карьере «Нью-Джерси» (США) добыча диабаза производится на уступах высотой 55 - 58 м, а на карьере «Хоффман» (Австралия) высота уступа, сложенного известняком, достигает 100 м.
На высотных карьерах в качестве внутреннего транспорта распространены кабель-краны и редко - подвесные канатные дороги. На глубинных карьерах применяется комбинированный транспорт — автомобильный на уступах и конвейерный на подъемниках (табл. 1.2).
Американские, канадские и африканские карьеры отличаются высокой насыщенностью буровым, взрывным, погрузочным и транспортным оборудованием. Но коэффициент его загруженности не превышает 0,45. Особые способы разработки нагорных месторождений в практике Китая и Вьетнама [78, 79] представляют определенный интерес, так как используют системы взрыво- механизированного транспорта.
В 1985 г. в СССР открытым способом добывали: угля - 29 %, железной руды - 74,8 %, руд цветных металлов - 67 %, марганцовой руды -более 50 %, горно-химического сырья - 86 %, неметаллических полезных
На открытых горных работах СНГ себестоимость добычи руды систематически удорожается. Например, на карьерах Курской магнитной аномалии — Лебединском, Михайловском, Стойловском себестоимость добычи руды в сопоставимых ценах составляла: 1 руб 63 коп. в 1965 г., 2 руб. 30 коп. в 1978-1979 г., 3 руб. 17 коп. в 1985-1986 г [17].
Оборудование и методы, применяемые при обработке высоких уступов, зависят в основном от объемов добычи, характера залегания рудных тел и топографии месторождения. При этом отмечаются высокие технико-экономические показатели на месторождениях, разрабатываемых уступами большой высоты.
Практика открытых горных работ развивается путем реализации изобретений (классы МКИ от Е2141/00 до Е21С45/00). Со второй половины 70-х гг. в СССР активизировалась работа по созданию новых технологических схем по открытой разработке твердых полезных ископаемых. После 1978 г. только по классам Е21С41/00 и Е21С41/02 ежегодно выдавалось не менее 35 охранных документов на изобретения. Специалисты уделяют много внимания совершенствованию технологии ведения горных работ в границах всего карьера или значительной части рабочей зоны. В СССР эти изобретения составляли 10 % от общего числа, в ФРГ - 25 %, в США - 26 %, в Великобритании - 44 %.
Достаточно много изобретений, в которых новизна решений связана с ведением горных работ на ограниченной части карьера - в пределах забоя или одного - двух уступов. Преобладают предложения по разработке мощных залежей однородных полезных ископаемых, залегающих на большой глубине.
Изобретений, посвященных разработке месторождений нагорного типа, зарегистрировано мало. В большинстве случаев решения сводятся к компоновке горных работ при разделении карьерного поля на участки, к проведению опережающих вскрывающих выработок, расконсервации временно неработающего борта или к его доработке. Практически отсутствуют схемы с полной или частичной переработкой полезных ископаемых в контуре карьера, увязкой горных работ с размещением отходов переработки. Для целей диссертации пригодны следующие направления: - использование скользящих съездов, перемычек, в частности, для перемещения вскрышных пород в выработанное пространство и вскрытие глубоких горизонтов подземными выработками; размещение отвалов в выработанном пространстве с перемещением вскрышных пород как поперек, так и вдоль фронта горных работ; Ї- разделение карьерного поля на участки, отрабатываемые в определенной последовательности, с продвиганием фронта горных работ на разных участках в одном или различных направлениях; разработка крутопадающих залежей с уменьшением расстояния транспортирования вскрышных пород и сниженным объемом работ по разносу бортов, в том числе при размещении вскрышных пород в выработанном пространстве. Технические решения базируются на использовании известных типов горного оборудования и могут быть внедрены на карьерах. Предлагается применять нетрадиционное оборудование: конвейерные поезда, скиповые подъемники, вертолеты, а в зарубежных - башенные экскаваторы, канатные скреперы. Значительное число предложений посвящено совершенствованию схем вскрытия месторождений в связи с необходимостью сокращать площади изымаемых земельных угодий. Практический интерес представляют изобретения, в которых выработанное пространство используют для устройства выездных полу- траншей, примыкающих к борту карьера: стационарных, полу- стационарных и выездных съездов. Заслуживают включения в качестве типовых элементов решения по созданию скользящих перемычек - заездов, соединяющих вскрышные уступы с внутренними
Исследование параметров технологического пылеобразования
Карьерная пыль- мельчайшие частицы пород и полезного ископаемого, размерами от 0 до 500 микрон (р.). Пыль делится на два класса - оседающую и витающую. Применительно к подземным горным работам возможно, что такое деление пыли на классы справедливо. На открытых же горных работах этими двумя классами охватываются не все свойства пыли (табл. 2.5).
Оседающая пыль обладает свойством оседать на скалы, листья растений, шерсть животных. Ветром она сдувается с места на место, и оседает на животных или на растениях. Если это доломитовая пыль то, внедряясь в шерсть баранов и коз, она комкуется. Значительные участки шерсти на шкуре животного оказываются окаменевшими. Стрижка овец, чесание коз становятся затруднительными или невозможными. Шерсть и пух теряют сортность.
Оседающая пыль наносит вред и растениям. Садясь на траву, пылинка на солнце накаляется и растение в этом месте проваривается, быстро сохнет и осыпается. Листья становятся решетчатыми, опадают, а растение гибнет. Это заметно на лопухах, подорожнике и крупнолиственных растениях, на листьях которых появляются сперва белые точки, в центре которых находится частица пыли, а затем в листьях образуются дырки.
Прилипающая пыль обладает еще более вредными свойствами. Доломит, разрушенный до крупности 50-200 и., при увлажнении обладает высокими цементирующими свойствами и клейкостью, особенно если растение имеет ворсистую или игольчатую поверхность. На лугах и пастбищах пыль прилипает к таким растениям и не удаляется. Такую траву животные плохо едят не только на пастбищах, но и виде заготовленного сена. Витающая пыль, помимо того, что обладает теми же отрицательными свойствами, что и выше перечисленные, является силикозоопасной. При величине частиц от 0 до 50 ц она проникает в организм через рот, нос и кожу и вызывает болезни.
Если концентрация пыли в воздухе не превышает ПДК, это не значит, что она безвредна. Доломитовая пыль не выводится из организма и накапливается, что может привести к функциональным нарушениям.
Из источников образования пыли наиболее значимыми являются взрывные, выемочно-погрузочные и транспортно-разгрузочные работы. Пыль от взрывных работ образуется по следующим причинам:1.В разрабатываемом массиве находится множество трещин раскрытия, заполненных глинкой трения и породной мелочью. Горный массив разбит трещинами на отдельности, которые в момент взрыва сталкиваются друг с другом (рис. 2.8, а). При сильном ударе не только породная мелочь в трещинах, но и выступы скал превращаются в дисперсную пыль.2.При взрыве куски разрушенной породы разлетаются не с одинаковым ускорением. У крупных кусков начальная скорость бывает меньше, чем у мелких кусков. В результате куски различной крупности соударяются и порождают пыль.З.При падении куски породы соударяются по той же причине.4.Пылеобразование интенсифицируется, когда куски породы падают на развал (рис. 2.8, б, в, г).
При выемочно-погрузочных работах (рис. 2.9, а, б, в, г) пыль образуется по причинам:І.Ковш экскаватора, внедряясь в навал породы, зубьями измельчает куски. 2.При движении ковша экскаватора снизу вверх куски породы прижимаются друг к другу и раздавливают мелкую фракцию.З.При. наборе породы ковш шевелит откос, скатываются куски, которые наносят удары по лежащим на откосе кускам.4.Активное пылеобразование происходит при высыпании породы из ковша экскаватора в кузов автосамосвала.
При транспортно- погрузочных работах пыль образуется по причинам:1.Раздавливание породной мелочи колесами автосамосвалов (рис. 2.10). 2.При разгрузке горной массы в бункер дробильно-сортировочной фабрики.
Моделирование параметров много-векторного взрыва
Для изучения напряженного состояния в горной породе методом центробежного моделирования применяют модели из эквивалентных материалов [30, 35]. Это особо эффективно в тех случаях, когда оно сочетается с методом фотоупругости, который раскрывает картину напряженного состояния горных пород, чего невозможно получить при использовании натурных материалов. Свойства эквивалентного материала, в том числе кривая нагрузка—деформация, близки свойствам горной породы. Для решения задач горного дела требуется воспроизведение на модели объемов горных пород, измеряемых сотнями кубометров. На модели небольшой высоты это практически невозможно. В таком случае прибегают к неполному центробежному моделированию или к сочетанию методов эквивалентных материалов и центробежного моделирования. Масштаб моделирования можно разбить на два множителя таким образом, чтобы их произведение было равно заданному масштабу. Первый множитель будет масштабом, соответствующим, скажем, центробежному моделированию, а второй — методу эквивалентных материалов. Например, при общем масштабе моделирования 1:900 на центрифуге можно обеспечить масштаб 1:30 и методом эквивалентных материалов — тоже 1:30. Очевидно, каждый из этих методов может обеспечить моделирование с масштабом 1:30, в то время как масштаб 1:900 практически недоступен ни одному из них. Одним из основных путей решения сложных задач, связанных с взрывом горных пород, являются натурные наблюдения за процессами и явлениями, протекающими в горных породах при взрывах ВВ. Такой путь широко применен нами. Исследованиями советских ученых Л. И. Седова [37], М. А. Садовского, Я. Б. Зельдовича, Ю. Б. Харитона, А. Ф. Беляева и других, а также зарубежных ученых создана теория подобия в области взрыва. Задача моделирования состоит в том, чтобы правильно организовать взрыв при вскрышных работах, дроблении, выбросах и укладке взорванных пород при добыче и обеспечении безопасности зданий и сооружений в зоне распространения колебаний, возникающих при этом. При аналитическом решении этой задачи на основании выполненных исследований физико-механических свойств пород нами сделаны допущения: - напряжения от собственного веса породы малы по сравнению с напряжением, вызванным действием взрыва; - деформации и разрушения в породе при взрыве определяются величиной и распределением напряжений или интегралом давления во времени; - скорости распространения деформаций в натуре и на модели одинаковы; - скорость распространения волны детонации ВВ не зависит от их массы. Уточнение этих положений путем введения более подробных условий не меняет общего характера последующих рассуждений, но усложняет математическую трактовку вопроса и делает значительно более громоздкой экспериментальную сторону исследовании. Поэтому в первой стадии рационально ограничиться изложенными исходными соображениями. Плотность энергии в какой-либо определенной точке натуры, а также для модели: где к - постоянный коэффициент, зависящий от натуры и модели, не зависящий от масштаба моделирования и определяющий характер распределения энергии; tn и tm - время детонации соответственно для натуры и модели; соп - количество энергии, выделяемое ВВ при взрыве в единицу времени в натуре, и сот - та же величина для модели; dVn и dVm - объемы, в которые входит взрывная волна за время соответственно dtn и dtm. Для обеспечения подобия необходимо, чтобы ип = ит, поэтому т Величины dtn и dtm могут быть определены следующим образом:где dln,dlm - соответствующие элементарные отрезки пути; vwn - скорость распространения взрывной волны в натуре; vwm - то же, в модели.
Согласно допущению vwn = vwm: В случае геометрического подобия необходимо, чтобы все линейные измерения сооружения в натуре находились в постоянном соотношении с соответствующими линейными размерами модели. Тогда: f- = n. (3.17) dl т Очевидно, что все объемы должны быть пропорциональны кубам соответствующих линейных измерений. Поэтому; т На основании полученных зависимостей: Количество энергии, выделяемое при взрыве, в натуре равно ип и на модели ит; соответствующие продолжительности взрыва обозначены tn и Количество энергии, выделяемой в единицу времени, для натуры и модели: т .2 п т и t т п смоделировать геометрически подобным. При таких условиях процесс взрыва и деформации протекают ускоренно. Взрыв и распространение деформаций в модели происходит в п раз быстрее, чем в натуре. 3.4.Исследование моделей многовекторного взрыва Рассмотрим далее моделирование действия взрыва на выброс или возможности переноса породы взрывом малого заряда на результат выброса в случае взрыва заряда большой массы. Формулы, применяемые для расчета зарядов выброса, содержат линию наименьшего сопротивления W в третьей степени. В основу расчета положено геометрическое подобие между линейными размерами заряда и получаемой при взрыве воронки. Это неверно, потому что в данном случае не учитывается изменение энергии, затрачиваемой на подъем единицы массы грунта и зависящей от размеров воронки и высоты выброса грунта. В формуле, взятой из работы [32], этот недостаток устранен: где у - объемная масса породы; «о - показатель выброса взрывом. Рекомендуемая нами формула пригодна для расчета крупных и малых зарядов. Свойство формулы дает возможность выполнять экспериментальное моделирование выброса породы при взрыве, предварительно проверяя результаты выброса на малых зарядах и перенося полученные результаты на случаи взрыва большого масштаба. Из формулы (3.10) следует, что при моделировании двух зарядов с массами Q\ и Q2 необходимо выполнять условие: Экспериментальные взрывания ВВ на доломитовом карьере показали, что в результате взрыва 60 т ВВ образуется масса кусков доломита общим объемом около 125000 м . Объем доломита в результате взрыва 10 г ВВ: Vio,/ V60-r = 10/60000000. V,or =125000 10/60000000 = 0,021 м3 = 21000 см3. Таким образом, характерный размер представляет из себя куб со стороной 27,5 см. Эта величина представляет собой нижнюю границу для размеров взрываемого доломитового блока. Если брать блок меньшего размера, то он будет разбит на некондиционные мелкие куски. Экспериментальный заряд ВВ представлял собой стальной цилиндр (рис. 3.7) диаметром d = 15 мм, с толщиной стенок - 2 мм. Длина цилиндра менялась от /вВ = 30-75 мм. Цилиндр заполнялся ВВ, в котором делали выемку в виде полусферы или конуса. В нескольких экспериментах использовалась стальная коническая облицовка толщиной / = 0.3 мм, длина конуса -/7 = 5-30 мм.
Экспериментальное определение оптимальных параметров взрыва
Серия экспериментов проводились с использованием электродетонаторов с капсюлем детонатором мгновенного действия №8-М. В качестве источника тока использовали автомобильную аккумуляторную батарею.
Модель устанавливали так, чтобы монтажные отверстия оказались сверху. Сначала вытаскивали средние планки по направлениям. Они были чуть длиннее, предварительно смазывались тонким слоеми другие планки. В образованные пустоты вкладывали, в заві запланированного взрыва, соответствующее количество детонаторов с заполнением промежутков между ними песком (і1.4). 15 гаком виде мидель относилась в укрытие на полигоне готовой к взрыву,
Задача моделирования параметров взрыва заключается в установлении количества детонаторов, при котором обеспечивается ровная поверхность берм и откосов при сохранении заранее заданного им направления, а также дальности расположения развала взорванной породы от места взрыва. Моделировались уступы высотой 30x30x30; 40x40x40; 50x50x50 м.
Для обеспечения гладкости плоскостей откосов и берм меняли количество электродетонаторов, направленных по этим плоскостям, а дальность выброса взорванной породы регулировали числом горизонтально уложенных электродетонаторов. При этом, если число векторов, т.е. электродетонаторов, по откосам и бермам при данных размерах уступов было недостаточным, их плоскости отклонялись в меньшую сторону от заданных направлений электродетонаторов. При большем количестве электродетонаторов, фактические плоскости берм и откосов отклонялись в большую сторону от заданных направлений электродетонаторов (рис. 4.7).
Соответственно для уступов 40x40x40 - двухвекторные для откоса и бермы, 2 — взброса, 3 - отброса и 4-е для выброса; 50x50x50 - по 3 для откоса и бермы, 3 - для взброса, 4 - выброса и 5 - выброса.
Параметры моделирования параметров взрыва подчиняются общим закономерностям:І.Для формирования берм и откосов с увеличением их линейных размеров необходимо увеличение массы зарядов соответствующей кумулятивной направленности.2.Удельный рост массы зарядов на единицу линейного размера откоса уменьшается при увеличении его линейного параметра. Это позволяет прогнозировать отбойку руды на карьере более крупными блоками с минимизацией расхода ВВ.З.Для доставки взорванной массы силой ВВ максимальный удельный весовой расход ВВ приходится на минимальные размеры блока при требуемых видах перемещения (взброс, отброс или выброс). Этот результат определяет эффективность разработки карьера с увеличенными высотами уступов и уменьшенными размерами берм. 4.3.Методика расчета параметров взрывной отбойки
Использование физических моделей для исследования параметров массовых взрывов на нагорном карьере доломита позволяет получить не только качественную, но и количественную оценку параметров процесса отбойки.
Моделирование является наиболее эффективным способом исследования влияния массы заряда и его кумулятивных характеристик на результаты опытных взрывов. Использована - изотропная пространственная модель блока, где 1 — размеры модели; L - соответствующие им линейные размеры блока.
Результаты моделирования подобны натуре, если обеспечиваетсяпостоянство значений критерия Фруда:ускорение свободного падения, см/с .
Здесь и далее индекс Н относится к натуре, а М - к модели. Исследование взрывных процессов на неподвижных моделях-стендах и при гравитационных перемещениях продуктов взрыва предполагает равенство земных ускорений gn и gM для натуры и модели. При этом:где геометрический масштаб:
Напряженное состояние массива моделируется корректно при соблюдении критерия Коши:где є - относительная деформация материала массива; Е - модуль упругости, Па; р - плотность массива, кг/м3. Идентичность деформационных процессов натуры и моделисоблюдает ся при условии:
