Результат интеллектуальной деятельности: Способ отработки локальных участков оруденения в крепких горных породах

Изобретение относится к области взрывного разрушения горных пород с использованием многорядного короткозамедленного взрывания и может быть использовано на карьерах по отработке ценных руд, применяющих взрывные работы в крепких горных породах.

Известны способы отработки ценных руд с использованием взрывного рыхления горных пород специальными методами, снижающими перемешивание горной массы. Наибольшее распространение на карьерах получило буферное взрывание на ранее взорванную горную массу или взрывание в абсолютно зажатой среде (на монолитный массив) [1]. Такое взрывание обеспечивает управление развалом горной массы и возможность селективной выемки. Однако буферное взрывание на ранее взорванную горную массу требует больших размеров рабочих площадок и его целесообразно применять только на рудных участках. В практике разработки ценных руд имеют место случаи, когда эпизодическим опробованием взрывных скважин во вскрышных породах на флангах месторождения выявляются локальные участки оруденения значительных размеров, позволяющие вовлечь их в отработку. Поэтому для таких случаев целесообразно использовать в этих местах буферное взрывание в абсолютно зажатой среде.

Наиболее близким по существу решаемой проблемы является способ ведения взрывных работ с учетом зоны предразрушения, включающий построение модели развития массового взрыва во времени и пространстве для конкретной схемы взрывания с удельными интервалами замедления выше 25 мс/м, дифференцированный расчет величины скважинных зарядов для различных участков ослабления массива зонами предразрушения, оценку результатов взрыва по данным экскавации горной массы и выбор оптимальных параметров взрыва по данным статистики, в котором стартовый импульс на взрывание дают одновременно для двух врубовых рядов, расположенных по краю блока, при этом врубовым принимают второй или третий ряд скважинных зарядов от края блока, а интервал замедления во врубовых рядах принимают на одну ступень ниже, чем в перпендикулярном направлении по рядам отбойных скважин [2].

Недостатками этого способа, принятого за прототип заявляемому изобретению, является необходимость построения математической модели.

Технической задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является минимизация смещения взорванной горной массы для сохранения пространственного положения первичных контактов руд и пустых пород путем использования больших интервалов замедления.

Поставленная задача достигается тем, что в способе отработки локальных участков оруденения в крепких горных породах, включающем опробование взрывных скважин, подачу стартового импульса многорядному короткозамедленному взрыванию на врубовый ряд, расположенный вторым или третьим от тыльного края блока, с интервалом замедления во врубовом ряду на одну ступень ниже, чем в перпендикулярном направлении по рядам отбойных скважин, согласно изобретению, при обуривании вскрышных блоков проводят валовое опробование всех взрывных скважин, выявленные локальные участки оруденения промышленного характера выделяют на плане взрываемого блока и проводят взрывание вскрышного блока с интервалами замедлением выше 300 мс; после взрыва границы локального участка оруденения выносят на поверхность развала горной массы с увеличением размера контура на 1-2 м.

При использовании неэлектрических волноводных систем инициирования устанавливают скважинные замедлители величиной 3000-5000 мс.

На фиг. 1 представлено развитие взрыва блока при схеме взрывания 25×42 мс; на фиг. 2 - то же при схеме взрывания 300×400 мс; на фиг. 3 - количественная характеристика интервалов замедления между соседними взорванными скважинами при различных схемах взрывания; на фиг. 4 - величины смещений взорванной горной массы при различных интервалах замедления между взрывами скважинных зарядов; на фиг. 5 - поверхность развала блока, взорванного с замедлениями 16×48 мс; на фиг. 6 - поверхность развала блока, взорванного с замедлениями 150×200 мс; на фиг. 7 - поверхность развала блока, взорванного с замедлениями 300×400 мс; на фиг. 8 - поверхность развала блока, взорванного с замедлениями 450×600 мс; на фиг. 9 - пример выноса на поверхность развала границ локального участка оруденения.

Способ отработки локальных участков оруденения в крепких горных породах осуществляют следующим образом. На фланговых участках месторождения, где возможны локальные участки оруденения, в ходе обуривания блоков вскрышных пород проводят валовое опробование всех взрывных скважин блока. В случае обнаружения локальных участков оруденения промышленного характера их наносят на план взрываемого блока и проводят расчет параметров схемы взрывания с использованием интервалов замедления, увеличенных до 300-400 мс и более. Практика ведения взрывных работ показала, что при расположении врубового ряда в третьем ряду от тыльного края взрываемого блока, исключается выброс горной массы за последний ряд скважин, поскольку имеется возможность подвижки разрушаемого массива в сторону взорванной горной массы врубового ряда. А старт взрыва от средины блока снижает смещение взорванной горной массы, сохраняя контакты руд и пород близкими к естественным [3, 4].

При увеличении интервалов замедления выше 150-200 мс существенно меняется механизм развития взрыва в массиве горных пород. Увеличенное время между взрывами отдельных скважинных зарядов, необходимое для возникновения зоны растягивающих напряжений, позволяет усилить эффективность предразрушения, ибо горные породы растягивающей нагрузке сопротивляются на порядок слабее, чем сжимающей. Длительное распирающее воздействие продуктов детонации в трещинах предыдущих взрывов позволяет удлинять и расширять их. К. Хино [5] утверждает, что при короткозамедленном взрывании в результате взрыва зарядов предыдущей очереди образуются дополнительные поверхности обнажения, в которых распирающее действие газов взрыва последующей очереди продолжается от 10 до 100 мс. Поэтому при больших интервалах замедления появляется время, необходимое для прорастания трещин на полную глубину, соответствующую квазистатической стадии разрушения под действием распирающего действия продуктов взрыва последующих зарядов.

Такая трактовка вполне укладывается в новую концепцию разрушения горных пород о двухстадийном механизме разрушения горных пород, исследованном учеными из ФТИ им. А.Ф. Иоффе [6]. Суть стадийного характера разрушения горных пород состоит в следующем. При любом механическом и ином способе воздействия на породу, независимо от характера этого воздействия (поверхностное или локальное), процесс разрушения протекает в две стадии. На первой стадии в объеме породы протекают процессы генерации и накопления микро- и макротрещин и других дефектов до определенной концентрации. Эта стадия подготовительная, представляющая собой объемное предразрушение. На второй стадии идут процессы слияния трещин в более крупные и доминирующий катастрофический локальный рост некоторых из них с образованием отдельностей. Это - стадия доразрушения.

Однако на кинетику разрушения неоднородных трещиноватых горных пород (а все массивы горных пород именно такими породами и представлены) существенно влияют скорость и глубина прорастания трещин, связанные с механизмом развития естественных трещин и их зародышей, существующих в среде, и условиями перехода энергии взрыва в энергию образования новых поверхностей. Под действием циклической знакопеременной нагрузки возникает поток энергии в вершину трещины. При этом одинаковые по абсолютной величине растягивающие и сжимающие напряжения создают равные потоки энергии, однако их влияние на рост трещины прямо противоположно: энергия сжимающих напряжений оказывает упрочняющее действие, а растягивающих - направлена на разрыв связей в вершине трещины. Рост трещины не может происходить на стадии действия сжимающей нагрузки, несмотря на приток энергии в вершину трещины. Процесс хрупкого разрушения горных пород взрывом с физической точки зрения характеризуется одним видом разрушения - отрывом под действием растягивающих напряжений от действия волны напряжения в фазе разрежения. Эта особенность соответствует физической природе механизма разрыва связей только под действием растягивающих или касательных напряжений, причем не вся энергия растягивающих напряжений расходуется на рост трещины, а только ее превышение над энергией деформаций среды. После достижения трещиной максимального приращения, что происходит на стадии действия растягивающей нагрузки, в течение последующего времени длина трещины остается постоянной (не залечивается) [7]. Поэтому принципиально важным моментом является именно время между импульсами воздействия: следующий импульс должен последовать только после протекания процесса сжатия, при котором роста трещин нет, и прохождения волны растяжения, которая обеспечивает рост трещин. Следовательно, должен пройти полный цикл «сжатия - растяжения» в волне напряжения с учетом того обстоятельства, что время выведения вещества из состояния покоя всегда меньше времени возвращения его к этому состоянию. Причем рост трещин проходит с постоянной скоростью и при динамическом нагружении предельная скорость развития трещин составляет 0,34-0,51 от скорости волны напряжения в массиве по данным работы [8], а по данным работы [9] - только 0,1-0,13.

В работе [10] высказано мнение о влиянии циклических нагрузок на раскрытие зерен полезного компонента. Значительная дисперсия упругих и прочностных свойств минералов, физико-механических свойств руд с разными структурными параметрами и характеристиками разрушения может существенным образом проявиться при кумулятивном характере накопления повреждений, т.е. при циклическом нагружении. Особенностью данного типа нагружения является постепенный рост и накопление трещин, движущихся в поле со сложной структурой микронапряжений, складывающейся в руде, содержащей минералы с разной прочностью и разными деформационными характеристиками. Картина и характер разрушения определяется накоплением нарушений от цикла к циклу и формированием множественной структуры разрушения. В ходе проведения испытаний образцов на сжатие было установлено, что разрушение во многом зависит от характера прилагаемых нагрузок. Так, если образец нагрузить последовательно несколько раз все возрастающей нагрузкой, то наблюдается интенсивное накопление и развитие нарушений (трещин и микротрещин) - накапливаются необратимые разупрочняющие изменения. Величина разрушающей нагрузки в этих опытах была на 20-30% ниже, чем при обычном однократном нагружении. Установлено, что в результате циклического воздействия сжимающей нагрузкой накопление разрушений происходит от цикла к циклу, и особенно активно протекают процессы разупрочнения в последних циклах, когда происходит массовое накопление микроразрушений, образуется множественная сетка микротрещин (резко возрастает интенсивность и суммарная акустическая эмиссия). В результате таких воздействий наблюдается множественное разрушение с образованием поверхности в несколько раз большей, чем при обычном (нециклическом деформировании), при этом энергия, запасенная (или требуемая для разрушения) при циклическом воздействии снижается в 1,3-1,4 раза.

В работе [11] изложены основы теоретического подхода к изучению особенностей волнового предразрушения горных пород, в котором считается, что микротрещины в области упругого деформирования развиваются под действием импульса растяжения в упругой волне. Определяющими параметрами являются величина импульса растяжения, время его действия и скорость начала развития микротрещины и при определенном соотношении величин этих параметров природные зародышевые микротрещины могут прорасти на некоторую величину. Так, в работе [7] показано, что приращение длины трещины за один цикл «сжатия-растяжения» составляет 10 мм, что феноменологически трактуется как предразрушение породы. Последнее чрезвычайно важно для повышения степени дробления горных пород взрывом, ибо микроструктурные параметры породы в области упругого деформирования могут существенно изменяться при серии взрывных воздействий, поскольку имеют накопительный эффект [12]. Отсюда следует, что размеры области предразрушения могут увеличиваться при продолжающихся динамических воздействиях на массив, и этот фактор техногенного воздействия на породу следует использовать. Рассмотрим динамику нагружения условного массива горных пород с наиболее распространенными параметрами скорости звука в нем (С_р), равной 3-4 км/с - именно с такой скоростью движется волна напряжения по такому массиву. При средней скорости звука 3,5 км/с за 1 мс волна сжатия проходит 3,5 м. Рассмотрим схему взрывания скважинных зарядов диаметром 200 мм, расположенных по сетке 6×6 м, с замедлением 25×42 мс (фиг. 1).

После взрыва скважины 1 за 25 мс (до взрыва скважины 2) волна напряжения уйдет на 87,5 м - за пределы блока. С некоторым запозданием, допустим 1 мс, в этой волне начнется действие фазы растяжения, вызывающее образование трещин [7]. Рассмотрим два варианта - рост трещин со скоростью 0,4С_Р и 0,1 С_р. В первом случае за 1 мс трещина вырастет на 1,4 м, во втором - на 0,35 м. Принимая размер зоны разрушения r в 40R_зap (4 м), а зоны предразрушения R в 200 R_зap (20 м), получим время на формирование зоны разрушения ~3 мс и зоны предразрушения - 14 мс в первом случае, во втором, соответственно 11 мс и 57 мс.

Уже этот укрупненный расчет показывает, что формирование зоны предразрушения, даже при скорости роста трещин в 0,4 С_Р, возможно при замедлениях более 14 мс между взрывами последовательно взрываемых скважин. Исходя из этих посылок, очевидно, что схемы с замедлениями 25×42 мс не могут обеспечить достаточное время на завершение роста и слияния микротрещин в трещины, формирующие отдельности массива. Только схемы с замедлениями выше 100 мс могут обеспечить достаточное время для формирования не только зоны разрушения, но и предразрушения.

Увеличенные интервалы замедления при поскважинном взрывании позволяют практически на порядок увеличить общее время действия на массив горных пород многократных знакопеременных нагрузок, включая растягивающие напряжения. Так, общее время развития взрыва блока из 81 скважины увеличивается с 536 мс при схеме взрывания 25×42 мс до 5600 мс при схеме взрывания 300×400 мс (фиг. 2). Существенно меняется распределение замедления между последовательно взрываемыми скважинными зарядами при различных схемах взрывания (фиг. 3). Так, в схеме с замедлениями 25×42 мс 88,7% составляют интервалы от 1 до 8 мс, в схеме с замедлениями 42×67 мс 87,5% составляют интервалы от 8 до 17 мс, в схеме с замедлениями 109×176 мс 86,2% составляют интервалы от 17 до 42 мс, а в схеме с замедлениями 300×400 мс 57,5% составляют замедления в 100 мс. Еще 37,5% скважин взрываются одновременно из-за кратности ступеней замедления 100 мс, но расстояние между такими скважинами всегда большое, исключающее их взаимовлияние, (на фиг. 2 часть из них выделена овалами) и между ними уже имеется разрушенный предыдущими взрывами массив, поглощающий волны напряжения [4].

Замедление более 150 мс позволяет вести отбойку каждым скважинным зарядом (можно применить термин поскважинная отбойка) не на раскрытые трещины, как при замедлениях до 100 мс, а на свободную поверхность. Экспериментальный массовый взрыв с замедлением 150 мс по врубовому направлению между рядами скважин и 200 мс в перпендикулярном направлении - по рядам скважин - со стартом от средины блока с участком без забойки показал, что каждый скважинный заряд взрывается обособленно [4]. Только первый врубовый заряд срабатывает в условиях «жесткого зажима» нетронутым массивом горных пород и деформация пород возможна, преимущественно, в сторону открытой поверхности площадки уступа. Последующие два врубовых скважинных заряда ряда взрываются через 150 мс в ситуации, когда массив горных пород уже имеет существенные отличия от нетронутого: сформирована зона дробления от взрыва первого заряда, играющая роль свободной поверхности, в сторону которой тоже возможна подвижка разрушаемых пород. Кроме того, оба эти заряда расположены в зоне сильного воздействия волн напряжения первого заряда, вызвавшей увеличение нарушенности массива горных пород. Эта нарушенность, в виде раскрытых на определенную величину трещин, позволяет части сильно сжатых продуктов взрыва зарядов второй очереди проникать в эти трещины и развивать их рост активным расклинивающим действием. Следовательно, эта часть газов уже не работают в сторону верхней площадки уступа, а используется исключительно на разрушение массива и увеличение зоны предразрушения как по интенсивности ее нарушенности, так и размера в пространстве. Через 50 мс после взрыва пары врубовых зарядов срабатывают заряды по ряду скважин. И здесь картина изменилась еще больше: соседние скважины имеют трехкратное воздействие волн напряжения и, следовательно, более развитую нарушенность, в которую проникнет еще большее количество продуктов взрыва и усилит эту нарушенность. И так с каждой следующей парой скважинных зарядов возрастает нарушенность зоны предразрушения и увеличивается, соответственно, возможность активной фазы расклинивания трещин продуктами взрыва. Так, к 550 мс с начала взрыва срабатывают заряды, через зону воздействия которых уже прошло 9 волн напряжения, а соседние с ними скважины получили воздействие уже от 11 до 13 волн напряжения. Соответственно, вновь образованная площадь трещин увеличена уже в разы и выбросы газов из скважин без забойки существенно ослабевают [4], поскольку площадь сечения скважины уже сопоставима с вновь образованной поверхностью трещин в зоне предразрушения.

В сочетании с клиновым врубом в глубине блока, обеспечивающим режим взрывания «в зажиме», качественные показатели характеризуются компактным развалом связно-сыпучих пород со спокойным рельефом поверхности, способствующим снижению потерь и разубоживания полезного ископаемого, практическим отсутствием крупных фракций горной массы.

Для исследования параметров смещения взорванной горной массы с помощью радиомаяков был проведены экспериментальные взрывы с расположением скважин диаметром 170 мм по сетке 4×4 м и применением больших и низких интервалов межскважинных замедлений, которые показали следующее.

На замедлениях до 100 мс средние величины смещения взорванной горной массы составляют от 2,6 до 6,5 м (фиг. 4), поверхность развала неравномерная, с большими перепадами высотных отметок (фиг. 5), линия отрыва развала от остающегося массива горных пород увеличена и достигает 10 м. При использовании замедлений от 150 до 200 мс средние величины смещения взорванной горной массы находятся в пределах от 2,0 до 4,0 м, а поверхность развала становится более спокойной (фиг. 6). С увеличением замедлений до 275-300 мс средние величины смещения взорванной горной массы снизились до 1,1-1,8 м, а поверхность развала равномерная, отсутствуют резкие перепады высотных отметок, минимальная линия отрыва по границе взорванного блока и целика (фиг. 7).

Были проведены экспериментальные массовые взрывы с использованием поверхностной сети с замедлениями в 300×400 мс. Характер развала взорванной горной массы позволяет судить о минимальном смещении, даже в сравнении с замедлениями 275×300 мс (фиг. 8). Разлет взорванной горной массы незначителен - основная масса взорванных горных пород находится в пределах контуров взрываемого блока. Экспериментальный взрыв с замедлением поверхностной сети 450×600 мс и скважинными замедлителями 5000 мс, выполненный в ноябре 2019 г., показал практическую ровную поверхность развала, полностью оставшегося в пределах контура блока (фиг. 9). Верхний слой мерзлоты мощностью до полуметра раздроблен без применения дополнительных зарядов в верхней части взрывных скважин. Применение скважинных детонаторов RIONEL LP-50 с замедлением в 5000 мс позволило повысить уровень безопасности при производстве взрывных работ - срабатывание поверхностных сетей происходит со значительным отрывом от скважинных детонаторов. Кроме того, появилась возможность производить монтаж схемы инициирования на блоке с различными по размеру сетками расположения взрывных скважин.

Снижение смещения взорванной горной массы при замедлениях 275-300 мс до 1-2 м по горизонтали позволяет выносить на поверхность развала горной массы границы локального участка оруденения с увеличением размера контура на 1-2 м (фиг. 10).

Таким образом, способ отработки локальных участков оруденения в крепких горных породах при использовании замедлений выше 300 мс позволяет достичь минимального смещения взорванной горной массы как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях и тем самым решить поставленную задачу.

Источники информации

1. Горная энциклопедия. Том 1. - М.: Советская энциклопедия. 1984. С. 323.

2. Патент Российской Федерации №2698391, МПК F42D 1/08, F42D 3/04 (прототип).

3. Оптимизация параметров взрывных работ увеличением интервалов замедления / Митюшкин Ю.А. [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - №4. - С. 341-348.

4. Шевкун Е.Б., Лещинский А.В., Лысак Ю.А., Плотников А.Ю. Особенности взрывного рыхления при увеличенных интервалах замедления // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2017. - №4. - С. 272-282.

5. Hino К. Fragmentation of rock through blasting and shock waves, theory of blasting Quarterly of the Colorado School of Mines, Golden, 1956, 51. P. 189-209.

6. Скрябин P.M., Фёдоров Л.H. Новые подходы к организации ресурсосберегающих процессов разрушения горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 1995. - №5. - С. 59-62.

7. Каркашадзе Г.Г., Ларионов П.В., Мишин П.Н. Моделирование роста трещины под действием циклической нагрузки // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №3. - С. 258-262.

8. Справочник взрывника / Б.Н. Кутузов [и др.]. Под общей редакцией Б.Н. Кутузова - М: Недра, 1988. - 511 с.

9. Барон В.Л., Кантор В.X. Техника и технология взрывных работ в США. - М.: Недра, 1989. - 376 с.

10. Хопунов Э.А. Селективное разрушение минерального и техногенного сырья (в обогащении и металлургии). - Екатеринбург: ООО «УИПЦ», 2013. - 429 с.

11. Кочанов А.Н., Одинцев В.Н. Теоретическая оценка радиуса области предразрушения пород при камуфлетном взрыве // Взрывное дело. - 2015. - №113/70. - С. 41-54.

12. Садовский М.А., Адушкин В.В., Спивак А.А. О размере зон необратимого деформирования при взрыве в блочной среде // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1989. - №9.