автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Повышение эффективности взрывной отбойки трещиноватах горных пород (на примере карьеров АО "Апатит")

Р Г Б ОД 2 2 АПР Ьэо

На правах рукописи

КЛЕВЦОВ Сергей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЗРЫВНОЙ ОТБОЙКИ ТРЕЩИНОВАТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

(на примере карьеров АО "Апатит")

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Апатиты - 1996

Работа выполнена в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук

Научные руководители: член-корреспондент РАН

H.H. Мельников

кандидат технических наук Д.С. Подозерский

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Ю.А. Епимахов

кандидат технических наук H.JI. Вяткин

Ведущее предприятие: АО "Апатит"

Защита диссертации состоится " 17 " мая 1996 года в 14 час. 15 мин, на заседании Диссертационного совета К 003.79.01 в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук по адресу: 184200, г. Апатиты, Мурманской обл., ул. Ферсмана, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института

Автореферат разослан " 5 " апреля 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, /

кандидат технических наук

Чуркин О.Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Буровзрывные работы являются важнейшей »ставной частью процесса добычи полезных ископаемых. От качества юбления горной массы зависит эффективность работы горнорудного зедприятия в целом. Наибольшие трудности возникают при отбойке эупноблочных трещиноватых массивов горных пород. В этих условиях »адиционными методами управления действием взрыва (регулировали удельного расхода, параметрами сетки скважин и линии наимень-его сопротивления, изменением последовательности взрывания зарядов т. д. ) сложно достичь требуемого качества дробления. Это обусловли-ет необходимость разработки новых способов взрывной подготовки |упноблочных трещиноватых массивов. Поэтому способы повышения >фективности взрывной отбойки трещиноватых горных пород, связан-1е с разработкой новых схем короткозамедленного взрывания и 1нструкций скважинных зарядов, а также применение простейших рывчатых веществ (ВВ) приобретают особую актуальность.

Цель работы состоит в разработке эффективной технологии рывной отбойки трещиноватых горных пород на основе схем гречного взрывания и применения простейших взрывчатых веществ.

Идея работы заключается в повышениии эффективности взрыв-го разрушения трещиноватых массивов за счет использования встреч--направленного соударения кусков взорванной горной массы и регу-рования объемной концентрации энергии по высоте колонки заряда с пользованием продуктов комплексной переработки нефелинсодержа-:го сырья.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Поочередное создание зон разрыхления, формируемых в про-ссе развития массового взрыва, позволяет удлинить время действия эывного нагружения при отбойке на эти зоны и, тем самым, полнее

использовать энергию взрыва и, следовательно, улучшить качест: дробления.

2. Применение диагонально-ступенчатых схем встречного взрыв ния, в которых отбойка осуществляется на зоны разрыхления, позволя дополнительно использовать эффект соударения кусков взорванн< горной массы и снизить влияние блочности горного массива на качест] дробления.

3. Размещение газифицирующих добавок из солей нитратов верхней части уступа позволяет уменьшить зону нерегулируемого дро ления массива за счет рационального перераспределения энергии взрыв;

4. Применение взрывчатых веществ, изготовленных на осно продуктов переработки нефелинсодержащих руд Хибинского горно] массива при комплексной механизации процессов их приготовлени позволяет снизить стоимость отбойки трещиноватых горных пород.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны диагонально-ступенчатые схемы взрывания, обе печивающие многократное направленное взрывное нагружение пор< при встречном инициировании скважинных зарядов в смежных врубовыми и оптимальных интервалах замедлений между взрывал зарядов в группе.

2. Применение газифицирующих добавок улучшает качество дро ления верхней сильно трещиноватой части уступа с уменьшением зон нерегулируемого дробления.

3. Конструкции скважинных зарядов с промежутками из сол< нитратов, позволяют повысить степень дробления трещиноватых горнь пород и снизить сейсмическое действие взрыва.

4. Разработана технология приготовления простейших трехко] понентных взрывчатых веществ, обеспечивающая стабилизацию их ф зико-химических характеристик по высоте колонки заряда.

Методы исследований. Для решения поставленных задач исполь-ювались методы анализа и обобщения теоретических исследований, политический метод, экспериментальные исследования по выявлению он распространения крупноблочных пород с использованием тереофотограмметрии и геофизического метода, экспериментальные [сследования физико-химических характеристик новых составов (зрывчатых веществ с использованием современных средств регистрации ¡ыстропротекающих процессов, промышленные эксперименты с [спользованием статистических методов обработки результатов, пробация и внедрение разработанных схем взрывания, конструкций кважинных зарядов и технологии приготовления простейших зрывчатых веществ на горных предприятиях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций одтверждается:

- сходимостью расчетных данных и результатов лабораторных экс-ериментов с результатами промышленных испытаний;

- использованием в исследованиях современного оборудования;

- положительными результатами внедрения рекомендаций в произ-одственных условиях.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

- технологии ведения взрывных работ с использованием схем стречно-направленного действия;

- конструкций скважинных зарядов с использованием продуктов омплексной переработки минерального сырья.

- технологии приготовления простейших взрывчатых веществ на снове схем механизации и местных сырьевых ресурсов.

Реализация работы.

Схемы встречного взрывания используются на карьерах АО "Апа-ит", при этом взорвано более 17 млн. м3 горной массы. Технология риготовления трехкомпонентных взрывчатых веществ внедрена на арьерах АО "Апатит" и АО " Олкон" (Оленегорский ГОК). Разработана

и внедрена "Инструкция по обеспечению сейсмической безопасное! охраняемых сооружений Восточного рудника АО "Апатит" при взрыва в карьерах". Экономический эффект от внедрения результатов работы ценах 1996 г. составляет около 3,7 млрд. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладь вались на семинарах лаборатории управления действием взрыва заседаниях Горной секции Горного института КНЦ РАН, конференция молодых учёных и специалистов в 1985-1988 г.г., заседаниях технически советов АО "Апатит" и АО "Олкон".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статы получено авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 гла и заключения, изложенных на 169 страницах машинописного текстг включает 39 рисунков, 16 таблиц, 3 приложения, список литературы из 8 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросам повышения эффективности буровзрывных работ пр отбойке трещиноватых горных пород и разработке технологий пригс товления простейших ВВ посвящены труды отечественных и зарубежны ученых: Н.В. Мельникова, Г.П. Демидюка, JI.B. Дубнова, А.Н. Ханука ева, В.А. Боровикова, А.Ф. Беляева, Б.Н. Кутузова, Г.И. Покровскогс Л.И. Барона, С.Д. Викторова, H.H. Казакова, Е.Г. Баранова, А.К Дремина, К.К. Шведова, М.А. Кука и др.

Анализ современного состояния практики ведения взрывных рабо показал, что на отечественных и зарубежных горнорудных предприятия все еще существует проблема повышения качества отбойки крупноб лочных трещиноватых горных пород.

Кроме того, в настоящее время увеличение объемов использовани простейших взрывчатых веществ, изготавливаемых на места

[рименения, стоимость которых ниже стоимости промышленных ВВ, держивается из-за отсутствия широкой механизации процесса их григотовления.

С учетом вышеизложенного, в соответствии с идеей и целью работы ¡ыли поставлены и решены следующие задачи:

- изучить структурные особенности строения горных пород на арьерах АО "Апатит";

- разработать технологию формирования зон разрыхления, созда-аемых в процессе развития массового взрыва;

- разработать новые схемы встречного взрывания;

- разработать конструкции скважинных зарядов с использованием азифицирующих веществ;

- разработать технологию и обосновать схемы механизации риготовления простейших взрывчатых веществ на основе гранули-ованной аммиачной селитры, нефтепродукта и высокодисперсной обавки.

Для оценки структурных особенностей горных пород и руд на арьерах АО "Апатит" применялись стереофотограмметрическая съемка геофизический метод.

Степень трещиноватости массива определялась с использованием нтегрального акустического показателя, разработанного О.П.Якоба-

1вили.

N = 3 ш (1/А - 1), (1)

А = 3 (Ах-1 + Ау-' +Аг-')-", (2)

це ш - отношение упругости заполнителя и отдельностей;

А - акустический показатель соответственно по направлению - х,у

С использованием этих методов было проведено оперативное артирование уступов и выделены зоны распространения крупноблоч-

ных трещиноватых пород с расстоянием между трещинами 2 ... 5 м. Пр этом установлено, что в границах взрываемых блоков трещиноватое; пород и блочность изменяется не только по фронту, но и по высо' взрываемого уступа. Уступы имеют трехслойную структуру сильнонарушенной верхней частью, мощность которой изменяется с 3 до 6 м, промежуточным - менее нарушенным слоем, и нижним практически ненарушенным. Изменение трещиноватости по высо: уступа объясняется, главным образом, структурными особенностям апатитовых месторождений и воздействием массовых взрывов, которь проводились на вышележащих горизонтах. Показано, что существу« взаимосвязь между скоростями распространения упругих волн блочностью массива.

С целью определения влияния блочности массива на зог разрушения от действия взрыва одиночного скважинного заряда был проведены натурные эксперименты в промышленных условиях ъ Восточном и Центральном рудниках АО "Апатит".

Выявлено, что при сплошной конструкции заряда в первую очерех разрушается нижняя часть уступа и через 15 ... 25 мс происходи отделение горной массы в пределах воронки выброса. Верхняя част уступа разрушается, в основном, по естественным отдельностям, чт предопределяет повышенный выход негабаритных кусков горных поре из этой зоны. Установлено, что на качество дробления значительнс влияние оказывает расстояние между трещинами, степень их раскрытия ориентировка направления отбойки к преобладающей системе трещин.

Для повышения качества дробления и снижения влияния & тественной и наведенной трещиноватости на результаты взрыва, был впервые предложено в этих условиях образовывать зоны разрыхлени: создаваемые в процессе массового взрыва, с последующим взрывание ступенчатых рядов скважин на эти зоны с интервалами замедления I менее 35 мс. С использованием критерия разрушения, разработанног П.А.Кочетковым, определено, что оптимальные параметры зо

разрушения создаются при интервалах замедления между смежными зарядами в группе 1 ...2 мс.

На основе теоретического обобщения и результатов экспериментальных исследований были разработаны новые схемы встречного взрывания с линейными и ромбовидными врубами (рис. 1).

12 3 4

Рис. 1. Диагонально-ступенчатая схема взрывания с ромбовидными зрубами:

1 - участок уступа; 2 - взрывные скважины; 3 - детонирующий шнур ДШ); 4 - пиротехнические замедлители; 5 - капсюль-детонатор (КД)

В сравнении с ранее применяемыми схемами отбойки, новые схемы тозволили улучшить качество дробления за счет встречно-направленного щижения взорванной горной массы на разрыхленные зоны.

Диагонально-ступенчатые схемы встречного взрывания предусмат-швают коммутацию зарядов по диагональным к взрываемому блоку гиниям, последовательное короткозамедленное взрывание смежных рупп зарядов с коммутацией через одну группу по ломанным тупенчатым линиям, а остальных зарядов - по прямым или ромбоидным линиям, что исключает прорыв газов в случае совпадения линии

заложения скважинных зарядов с преобладающей системой трещин V тем самым, повышают качество дробления отбиваемого трещиноватог массива.

Применение этих схем позволило обеспечить встречно-на правленное соударение кусков взорванной горной массы, уменьшит дальность разлета взорванной породы, снизить сейсмическое действи взрыва и повысить равномерность дробления массива трещиноваты горных пород по высоте уступа ( рис. 2).

Гранулометрический состав, %

Размер фракций, мм

Рис. 2. Эффективность дробления горной массы при массовы: взрывах с диагонально-ступенчатыми схемами встречного взрывания ] диагональными

С использованием разработанных схем произведена отбойка боле 17 млн. м3, при этом производительность экскаваторов возросла : 1,4 раза. Диагонально-ступенчатые схемы внесены в типовой проек ведения буровзрывных работ АО "Апатит". Эффективность использс

вания разработанных схем, по сравнению с ранее применяемыми, приведена в табл. 1.

Эффективность применения различных схем взрывания на карьерах Восточного рудника АО "Апатит"

Таблица 1

Схемы взрывания Объем отбойки, млн.м3 Выход горной массы, м3 /м Средний размер куска, см Развал горной массы, м Разлет кусков породы, м Производительность экскаватора, м3 /ч

Диагональные 0.54 35.1 18.4 62 236 165

Спиральные 8.37 38.8 16.8 62 217 208

Циагонально -ступенчатые 17.0 39.1 17.2 55 151 239

Для уменьшения зоны нерегулируемого дробления и снижения :ейсмического действия взрыва была разработана новая конструкция кважинного заряда с использованием в качестве газифицирующей (обавки солей нитратов. Установлено, что введение во взрывчатое ;ещество с нулевым кислородным балансом солей нитратов приводит к нижению давления и температуры продуктов взрыва в зарядной юлости.

Соли нитратов получаются путем азотнокислотной переработки востов апатитовой флотации и, в основном, состоят из кристалло-идрата нитрата алюминия (А1(1чЮз)з • 9ШО - 74 ... 79 %) и смеси калие-ой и натриевой селитр. Для получения этих солей имеется практически [еограниченная сырьевая база, так как в хвостохранилищах АО "Апа-ит" заскладировано более миллиарда тонн отходов апатитовой фло-

тации. Показано, что при разложении этих солей под действие основного заряда ВВ дополнительно выделяется не менее 850 л/кг газов происходит увеличение длительности взрывного импульса.

Суть конструкции скважинного заряда заключается в том, что верхней части заряда размещаются соли нитратов (рис. 3).

Рис. 3. Комбинированная конструкция скважинного заряда

Величина участка, заполненного солями нитратов, определена экспериментально из условия полного разложения солей под действием взрыва основного заряда.

Предложенная конструкция заряда была испытана при производстве массовых взрывов на рудниках АО "Апатит".

Результаты взрывов оценивались по среднему диаметру куска взорванной горной массы, проработке подошвы уступа, произво-щтельности экскаваторов и сейсмическому действию взрыва.

Промышленнные испытания показали, что степень дробления юроды на опытной части блока возросла, снижен выход на 16% фракции Н400 мм, уменьшен удельный расход ВВ на 15,5% и снижено :ейсмическое действие взрыва. Качество проработки подошвы уступа фи применении зарядов новой конструкции не ухудшилось. Замена [асти штатного ВВ в скважинном заряде солями нитратов позволила низить стоимость отбойки на 12,3%.

Разработанные конструкции зарядов нашли широкое применение [а карьерах АО "Апатит" и АО "Олкон" при производстве массовых ¡зрывов в трещиноватых крупноблочных породах.

Показано, что снижению стоимостных показателей взрывной ггбойки служит разработанная технология применения простейших рехкомпонентных ВВ, включающих гранулированную аммиачную елитру, нефтепродукт и высокодисперсную добавку из отходов горного [роизводства.

Применение гранулированной аммиачной селитры с высокодиспер-ной маслоудерживающей добавкой*, размещаемой в межгранульном [ространстве, позволило, в сравнении с пористой аммиачной селитрой, величить объемную концентрацию энергии по высоте колонки заряда.

разработка институтов ИХТРЭМС и Горного института КНЦ РАН

Исследованы три варианта технологии приготовления трех компонентных взрывчатых веществ на основе продуктов переработю нефелинсодержащего сырья. Первый вариант заключается в добавлени] 1 ... 1,5% высокодисперсной добавки в емкость для нефтепродуктов ] подачи этой смеси в поток аммиачной селитры во время заряжани: скважин. Второй - в предварительном смешении аммиачной селитры ] высокодисперсной добавки с последующим добавлением нефтепродукт; на заряжаемом блоке. Третий вариант состоит в изготовленш простейшего взрывчатого вещества на стационарном пункте пр] согласованной подаче компонентов в узел смешения в соответствии рецептурным составом ВВ. Исследования показали, что приготовлен» ВВ по третьему варианту за счет стабильности и качества процесс; позволяет достичь постоянства характеристик ВВ по высоте колоню заряда.

Разработанная технология применяется на рудниках АО "Апатит" АО "Олкон" и может использоваться для изготовления любы: простейших трехкомпонентных ВВ на основе гранулированной аммиач ной селитры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно! задачи, заключающейся в повышении эффективности взрывной отбойю трещиноватых горных пород.

Основные научные и практические результаты работы.

1. Установлено, что отрабатываемые скальные уступы представ ляют собой трехслойную среду с верхним сильно нарушенным слоем мощностью 3 ... 6 м, промежуточным и нижним - практически нена рушенным слоем. Границы простирания слоев по высоте уступ; определяются по скорости прохождения сейсмических волн.

2. Обоснованы способы встречно-направленного взрывания на федварительно создаваемые зоны разрыхления, формируемые в процес-;е массового взрыва.

3. Разработаны диагонально-ступенчатые схемы взрывания с шнейными и ромбовидными врубами, исключающие прорыв газов по греобладающей системе линейных трещин, и повышающие эффективность взрывного дробления трещиноватых горных пород, что гозволило увеличить выход горной массы с одного погонного метра кважины на 12%, производительность экскаватора в 1,4 раза, уменьшить назвал горной массы и разлет кусков породы.

4. Показано, что добавка солей нитратов к промышленным ВВ озволяет регулировать объемную концентрацию энергии взрыва по ысоте уступа за счет изменения давления, объема и температуры азообразных продуктов взрыва.

5. Разработана конструкция скважинного заряда с использованием ромежутков из солей нитратов, повышающая степень дробления рещиноватых горных пород с уменьшением зоны нерегулируемого робления и снижающая сейсмическое действие взрыва, что позволило тазить на 16% выход фракции +400 мм и уменьшить удельный расход В на 15,5%.

6. Разработана и апробирована технология приготовления про-гейших трехкомпонентных взрывчатых смесей с использованием ысокодисперсной маслоудерживающей добавки из отходов апатито-гфелиновой флотации, позволяющая снизить стоимостные затраты при ;дении взрывных работ.

7. Экономический эффект от применения новых схем взрывания, инструкций зарядов и использования продуктов комплексной греработки нефелинсодержащего сырья составил порядка 3,7 млрд. руб ценах 1996 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующи работах:

1. Влияние типа ВВ на разупрочнение железистых кварцитов npi взрыве / Соавторы - Едигарев С.А., Лютый A.A., Рюмина Ф. Н. и др. / Деп. ВИНИТИ, № 3404 - В86, 1986, 9 с.

2. Влияние системы заряд - порода на характер формирования зоне разрушения при взрыве / Соавторы - Подозерский Д.С., Деев Е.А. Козырев С.А., и др., // Анализ систем и управления ими в горног производстве. - Апатиты, 1988, с. 56-59.

3. Метод снижения интенсивности сейсмических колебанш / Соавторы - Подозерский Д.С., Едигарев С.А., Алишкин А.Р. // Вопрось разрушения горных пород взрывом. - Апатиты, 1993, с. 73-77.

4. Клевцов С.А. Новые схемы встречного взрывания в условия: Восточного рудника ПО "Апатит" // Вопросы разрушения горных nopoj взрывом. - Апатиты, 1993, с. 40-49.

5. Клевцов С.А. и др. A.C. № 1520972, зарегистрировано 12.08.87 г