Некоторые направления совершенствования буровзрывных работ

Взрывное разрушение в ближайшем будущем останется основным способом подготовки горных пород к выемке на угольных и рудных карьерах. Поэтому эффективность и экономичность выполнения буровзрывных работ и в дальнейшем будет во многом определять технико-экономические показатели работы горных предприятий с открытым способом разработки.

В настоящее время 82,5 % буровых работ на карьерах РФ выполняется станками шарошечного бурения. Доля станков шнекового бурения составляет около 15,7%. На станки ударного и термического бурения приходится соответственно 1 и 0,8%. Такие пропорции по видам бурения сохраняются в будущем.

Совершенствование шарошечных буровых станков ведется по пути увеличения глубины бурения скважин до 18-20 м без наращивания става и с наращиванием до глубины 32-36 и более метров. Уровень автоматизации процесса бурения, механизации основных и вспомогательных операций должен обеспечивать эксплуатацию станка одним машинистом. На станках должны быть созданы комфортные условия для работы машиниста. На всех типоразмерах станков необходимо обеспечить принудительную смазку опор шарошечного долота. Нуждается в улучшении конструкция шарошечных долот. Большинство этих требований нашли свое отражение в конструкции шарошечных буровых станков последнего выпуска, таких как 5СБШ-200-36, СБШ-250МНА-32, СБШ-320В-36.

Заслуживает внимания комбинированный буровой инструмент, который сочетает не менее двух породоразрушающих органов. Применение такого инструмента позволяет увеличить эффект разрушения породы и повысить стойкость бурового инструмента.

Tермоударный и термошарошечный буровые инструменты сочетают в себе огневую горелку и пневмоударник или шарошечное долото. Ударно-шарошечный буровой инструмент имеет в своем составе пневмоударник и шарошечное долото. Режуще-ударный буровой инструмент имеет пневмоударник и насадки в виде кольцевых режущих коронок. Комбинированный буровой инструмент применяют в породах сложного строения, что позволяет на породах каждого класса использовать наиболее рациональный инструмент. Так, режуще-шарошечный буровой инструмент применяют при наличии в толще мягких, вязких глиносодержащих пород крепких прослойков. В мягких породах бурение производится режущим инструментом, а в крепких — шарошечным. За счет этого достигается наибольшая производительность на бурении.

Для бурения скважин комбинированным инструментом на угольных разрезах разработаны буровые станки 2СБР-125 и СБШК-200 (опытный), которые могут бурить режущим, шарошечным и режуще-ударным долотом в зависимости от буримости пород.

Станок СБШ-250МНР предназначен для бурения вертикальных скважин глубиной до 19 м без наращивания става штанг в крепких горных породах с последующим расширением заряжаемой части скважины терморасширителем с огнеструйной горелкой воздушнокеросинового типа до 400 мм. Станки нашли применение на железорудных карьерах KMA при бурении по железистым кварцитам и положительно себя зарекомендовали.

С увеличением глубины разработки изменяются физико-технические свойства горных пород. Породы становятся крупноблочными, увеличивается их прочность и обводненность. Это приводит к усложнению взрывной подготовки горных пород к выемке, в частности, увеличению удельного расхода BB при взрывании, использованию для интенсивного дробления мощных высокоплотных BB (1,4-1,5 г/см3) с высокой скоростью детонации. Повышается потребность в водоустойчивых BB и средствах инициирования.

Выпускаемые в настоящее время большое количество марок BB близки по своим энергетическим характеристикам. Совершенствование BB для открытых горных работ идет по пути создания смесевых дешевых BB, использующих менее чувствительные компоненты и поэтому более безопасных в обращении и применении.

В практику открытых горных работ внедрены бинарные порошкообразные и гранулированные составы (динамоны, гранулиты), не содержащие взрывчатых компонентов и используемые для взрывания сухих скважин. Еще более безопасны в обращении водосодержащие (до 15% воды) ВВ.

Особое место занимают взрывчатые смеси, приготовление которых осуществляется вблизи заряжаемых скважин на взрываемом блоке из отдельных компонентов, большинство из которых не относится по степени опасности к ВВ. К таким взрывчатым смесям относятся горячельющиеся BB (типа ГЛТ, ифзанитов и карбатолов), водоустойчивые бестротиловые эмульсионные BB (типа эмулита и по-рэмита) и смеси эмульсии с гранулированными BB (эмуланы).

ГЛТ представляют собой суспензионные горячельющиеся BB из смеси горячего раствора селистры с гранулотолом. Эти BB разработаны в ЛГИ под руководством проф. Ханукаева А.Н. Ифзанит имеет одинаковый состав с ГЛТ, но объем раствора в заряде BB равен объему межгрануальных пустот. Ифзанит разработан в институте ИПКОН РАН под руководством проф. Демидюка Г.П. Горячельющиеся BB нашли применение на карьерах Норильского ГМК, Лебединского ГОКа, комбината «Печенганикель». Недостатком горя-чельющихся BB является отсутствие водоустойчивости. Кроме того, ГЛТ в период отвердения в скважине могут расслаиваться из-за разной плотности раствора селитры и гранулотола, что снижает показатели взрывания. Ифзаниты обладают низкой подвижностью, что затрудняет заряжание скважин.

Водоустойчивые эмульсионные BB образуются непосредственно в скважине после подачи в нее перемешанных компонентов. По составу они представляют собой смесь микроскопических капель горячего раствора аммиачной и натриевой селитры, окруженных тонким слоем эмульгированного топочного мазута, который содержит в своем составе легколетучие жидкие фракции и серу (эмулиты и порэмиты). На Лебединском ГОКе и комбинате «Ураласбест» используют эмульсионные BB типа эмулитов. Порэмиты используются на Лебединском и Стойленском ГОКах для взрывания пород с f < 12. При взрывании более прочных пород в порэмиты вводится добавка 4-8 % порошка алюминия. Для повышения плотности BB в эмульсию добавляют 25-75% гранулированной селитры, за счет чего получают тяжелые эмульсии (эмуланы) с плотностью до 1,45 вместо 1,23-1,25 г/см3.

ИГД им. А.А.Скочинского совместно с фирмой «Нитро Нобеле» (Швеция) создано бестротиловое водоустойчивое эмульсионное BB типа сибирита, изготовляемое непосредственно на месте применения. Использование этого BB на разрезе «Нерюнгринский» показало низкую его стоимость при высокой эффективности дробления. Важным достоинством сибирита является снижение выхода ядовитых газов при взрыве в 4-5 раз.

Перспективным направлением подготовки горных пород к выемке является предварительное перед выемкой ослабление горного массива путем физико-химического воздействия на массив. Ослабление массива происходит за счет заполнения мелких и крупных трещин растворами ПАВ (поверхностно-активных веществ), действием капиллярных сил и сил поверхностного натяжения. Натурные испытания в производственных условиях Экибастуза и Кузбасса показали эффективность этого направления.

В последние годы на карьерах наметилась четкая тенденция увеличения удельного расхода ВВ. За 15-20 лет удельный расход BB на карьерах цветной металлургии повысился на 36 %, а на карьерах черной металлургии в 1,5-2 раза. Опыт работы карьеров показал, что при увеличении удельного расхода BB затраты на взрывные работы вполне окупаются увеличением производительности горного и транспортного оборудования. Кроме того, экономический эффект увеличивается за счет снижения затрат на дробление руды и более высокого извлечения полезных компонентов при обогащении за счет раскрытия минералов.

Увеличение удельного расхода BB влечет за собой сгущение сетки скважин, так как их вместимость оказывается недостаточной. При этом увеличивается расход бурения, что отрицательно влияет на технико-экономические показатели предприятия. Поэтому на Лебединском и ряде других карьерах черной металлургии пошли по пути увеличения диаметров буримых скважин. Проведенными исследованиями и практикой установлено, что использование скважин большого диаметра (320-600 мм) способствует в крепких породах повышению качества дробления пород и лучшей проработке подошвы уступа. При их использовании увеличивается выход горной массы с одного погонного метра скважин, снижается расход бурения. На этих карьерах пошли по пути котлового расширения заряжаемой части скважин с использованием станков СБШ-250МНР.

По исследованиям проф. Гончарова С.А. экономически оптимальное значение диаметра котлового расширения может быть определено из выражения:

где Lк = 0,6(Ну + lп) — длина котлового расширения скважин, м;

Hу — высота уступа, м;

Lп — величина перебура, м (обычно lп = 1 м);

Qc — предельное напряжение для разупрочнения пород, Па;

P — давление газа на поверхности скважины при взрыве, Па (для граммонита 30/70 30/70 P = 4,196*10в9 Па);

n — коэффициент перехода энергии взрыва в энергию взрывной волны, зависящий от трещиноватости пород (таблица 13.1).

Согласно расчетам, оптимальный диаметр котлового расширения скважин составляет для Лебединского и Стойленского карьеров 0,4-0,5 м; для карьеров Оленегорского, Южного, Новокриворожского, Ингулецкого и Центрального ГОКов — 0,32-0,4 м; для карьера Полтавского ГОКа — 0,36-0,45 м.

Расстояние между рядами скважин рассчитывается по формуле

где A — плотность BB, кг/м3;

q — удельный расход BB, кг/м3;

m — коэффициент сближения скважин;

Kp = 1,15 — коэффициент разрыхления BB при заряжании.

Расстояние между скважинами в ряду:

Проф. Калашников А.Т. рекомендует определять сетку скважин при котловых зарядах, исходя из площади, взрываемой одной скважиной:

где lo — средний размер естественных отдельностей в массиве, м;

lк — средний размер кусков пород после взрыва, м;

Aо — удельная объемная концентрация энергии BB, МДж/дм3;

Aр — удельная энергоемкость разрушения горных пород, определяемая по шкале взрываемости, МДж/м3;

K1 — коэффициент, зависящий от схемы взрывания. Для диагонально-кольцевых схем К1 = 0,95.

Длина перебура определяется из выражения:

где Aп — эмпирический коэффициент, равный для карьеров KMA 0,037;

f— коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодъяконова;

Kп — коэффициент рядности. Kп = 1 для первого и последнего рядов скважин, Kп = 0,7 для скважин внутренних рядов.

Длина забойки скважин

где Aз — эмпирический коэффициент, равный для карьеров KMA 15,6.

Использование скважин большого диаметра позволяет улучшить показатели буровзрывных работ при разработке трудновзрываемых крупноблочных пород, снизить затраты на их проведение и повысить производительность выемочно-погрузочного оборудования. В табл. 13.2 приведены показатели буровзрывных работ на Лебединском карьере при разработке железистых кварцитов в зависимости от диаметра скважин и при использовании различных взрывчатых веществ.