23108 (Карта взрываемости горных пород и автоматизация проектирования буровзрывных работ на карьерах)

Карта взрываемости горных пород и автоматизация проектирования буровзрывных работ на карьерах

В.А Дунаев, д-р геол. - минерал. наук, зав. лабораторией, С.С. Серый, старший научный сотрудник, А.В. Герасимов, научный сотрудник, НИИ ВИОГЕМ В.А. Ермолов, проф., д-р техн. наук, МГГУ

Наиболее распространенный способ разрушения скальных горных пород сегодня и в обозримой перспективе – буровзрывной. При добыче полезного ископаемого открытым способом основная доля затрат ложится на буровзрывные работы (БВР). От качества подготовки взрывом горной массы зависит также производительность работы экскаваторов и энергозатраты на первой стадии дробления руды в процессе ее обогащения. Принятые параметры взрывания должны быть адекватны сопротивляемости горных пород разрушению, которая определяется главным образом двумя факторами (крепостью пород, прямо связанной с их петрогенезисом, и трещиноватостью). В противном случае, либо получается повышенный выход негабаритов, требующих дополнительных затрат на вторичное взрывание, либо порода переизмельчается и разбрасывается взрывом по берме. Для того чтобы при проектировании БВР соблюдалась указанная адекватность, необходима превентивная оценка взрываемости горных пород.

Существующие методы такой оценки можно разделить на геологические, непосредственно учитывающие упомянутые выше природные факторы, влияющие на разрушение пород взрывом, и физико-технические, основанные на корреляции скорости прохождения упругих волн (сейсмоакустический метод) или величины удельной энергоемкости бурения взрывных скважин, фиксируемых приборами, с указанными факторами. С известным допущением геологические методы можно назвать прямыми, а физико-технические – косвенными. Косвенные методы не получили сколько-нибудь широкого распространения; их использование ограничивалось отдельными экспериментами. Причины этого подробно изложены в монографии И.А. Тангаева [12]. Основные из них: большая сложность и трудоемкость, неоднозначность интерпретации полученных результатов и самое главное – косвенные методы применимы на уже обуриваемом блоке, что резко ограничивает время на проектирование БВР и возможности маневрирования их параметрами.

Анализ практики применения прямых методов оценки взрываемости пород в массиве показал отсутствие в этом плане единого подхода и выявил ряд существенных недостатков в конкретной их реализации. Во-первых, зачастую учитывается только один из главных факторов (трещиноватость или крепость пород), причем преимущество отдается первому из них [ 6 ]. Это объясняется с одной стороны во многих случаях действительно доминирующей ролью трещиноватости, а с другой – тем, что ее параметры количественно оцениваются гораздо проще, быстрее и точнее, чем прочность пород в массиве. Однако как бы то ни было, пренебрегая одним из основных факторов нельзя добиться оптимальных параметров взрывания. Во-вторых, обычно применяемая шкала трещиноватости пород Междуведомственной комиссии по взрывному делу [ 1 ], включающая 5 категорий, выделенных с шагом 0,5 м, является слишком грубой. Более приемлема шкала Б.Н. Кутузова с соавторами [ 6 ], в соответствии с которой различаются 10 таких категорий с шагом 0,15-0,3 м, причем смежные категории значимо контрастны по взрываемости. Вместе с тем каждое месторождение индивидуально по характеру развития трещиноватости и распределению в массиве естественных блоков различного размера. Поэтому на горнорудном предприятии необходимо разработать свою местную шкалу пород по трещиноватости.

В третьих, как правило, ограничиваются созданием классификации горных пород месторождения по взрываемости, без геометризации карьерного поля по категориям взрываемости пород. Это приводит к тому, что в каждом блоке, подготавливаемом к взрыву, необходимо в соответствии с классификацией выделить участки пород различной категории взрываемости, т.е. дифференцированно оценить степень трещиноватости и крепость пород, а это сопряжено с дополнительными затратами труда и сокращает время на проектирование взрывного блока. Только на единичных предприятиях (в частности, на Ковдорском ГОКе) выделенные в местной классификации категории пород по взрываемости геометризованы на сводном плане карьера в виде карты взрываемости пород. Преимущества такой карты очевидны. Достаточно нанести на нее контур проектируемого блока, чтобы разграничить его на категории взрываемости, а затем, используя местную классификацию, в которой указаны оптимальные для каждой категории параметры взрывания (сетка скважин и удельный расход ВВ при заданном диаметре скважины, величина перебура и забойки) произвести расчеты, предусмотренные технологической инструкцией на производство БВР.

Следует также отметить недостатки геологоструктурной основы, на которой строится классификация и карта взрываемости пород разрабатываемых месторождений. В качестве таковой обычно используются исключительно материалы детальной разведки, дополненные замерами блочности пород по керну разведочных скважин или непосредственно в уступах карьера. Однако известно, что густота разведочной сети по полезному ископаемому составляет в среднем 50-100х50-100 м, а по вмещающим породам многократно разрежается, что не позволяет уловить неоднородности массива с детальностью, необходимой для разработки классификации и составления карты взрываемости горных пород. Кроме того, формальный замер блочности пород не дает представления об ориентировке систем трещин и литолого-структурной принадлежности участка, где производится этот замер, что существенно сужает возможности прогнозирования пространственного размещения пород различных категорий взрываемости.

Накопленный авторами данной статьи опыт изучения горных массивов железорудных месторождений, разрабатываемых карьерами, с учетом практики оценки взрываемости пород специалистами горнорудных предприятий позволяет наметить рациональную методическую схему составления классификации и карты взрываемости пород (рисунок).

Исходной первичной информацией для ее реализации являются данные детальной разведки, отражающие геологическое строение месторождения (планы и разрезы), перечень и характеристику, в том числе по физико-механическим свойствам, основных петрографических типов пород.

На этапе проектирования карьера или начальной стадии его работы эти данные с учетом правильного выбора аналога (генетического и литолого-структурного) среди уже эксплуатируемых месторождений, позволяют в первом приближении разработать классификацию пород по взрываемости с заимствованием у аналога параметров взрывания по отдельным их категориям. При условии хорошей сохранности керна разведочных скважин можно по результатам его специального изучения дать количественную оценку блочности пород, выделить их классы по этому признаку и в целом реализовать на основе материалов детальной разведки всю схему, показанную на рисунке. Полученная таким образом карта взрываемости пород месторождения вследствие редкой сети разведочных скважин, особенно по вмещающим породам, и низкой представительности данных о трещиноватости горного массива по керну скважин, будет довольно грубой. По этой причине потребуется предпроектная натурная оценка каждого взрывного блока для уточнения категорий взрываемости пород и положения их границ.

Класси-фикация пород по трещино-ватости

Карта взрывае-мости пород

Проекти-рование БВР

Анализ резуль-татов взрыва

Съемка трещино-ватости

Матери-алы деталь-ной разведки

Геолого-структур-ный план карьра

Карта блочнос-ти пород

Геолого-структур-ное кар-тирова-ние

Класси-фикация пород по взрывае-мости

Натурные исследо-вания в карьере

Рис. Схема составления классификации и карты взрываемости горных пород при открытой разработке полезных ископаемых

В условия более или менее развитого карьера создаются предпосылки для детального изучения природных факторов, влияющих на взрываемость пород, непосредственно в обнаженных уступах. Основной метод достижения этого – геолого-структурное картирование в сочетании со съемкой трещиноватости пород по инструментально привязанным и разбитым на местности пикетами через 20 м маршрутам вдоль уступов карьера. В результате такого картирования существенно уточняется сводный геологоструктурный план карьера, составленный по материалам детальной разведки, дается петрографическая типизация горных пород месторождения с акцентом на те их особенности, которые прямо влияют на взрываемость. Выделенные типы пород должны быть контрастны по физико-механическим свойствам, легко узнаваемы визуально и показаны на сводном геологоструктурном плане. Как правило, имеющийся в материалах детальной разведки массив данных о физико-механических свойствах пород бывает достаточен для характеристики выделенных типов, но по отдельным из них, возможно, потребуются дополнительные испытания. В процессе геолого-структурных исследований необходимо также установить генетическую принадлежность и закономерности пространственного размещения выделенных петрографических типов пород с тем, чтобы в дальнейшем можно было уверенно прогнозировать их положение.