Снижение законтурного разрушения массива при проходке горных выработок с использованием эмульсионных взрывчатых веществ

М.Н. Оверченко, к.т.н., генеральный директор ЗАО «Орика СиАйЭс» А.Г. Луньков, директор по подземным проектам ЗАО «Орика СиАйЭс» И.А. Веселов, инженер по горным работам ЗАО «Орика СиАйЭс» С.П. Мозер, к.т.н., бизнес-тренер ЗАО «Орика СиАйЭс» С.А. Козырев, д.т.н., заведующий лабораторией, Горный институт КНЦ РАН А.С. Сакерин, начальник отдела БВР Управления технического директора, АО «Апатит»

Современное состояние технологии проходки подземных выработок с использованием контурного взрывания Проходка подземных горных выработок является одной из самых весомых статей затрат для всех горнодобывающих предприятий. Скорость и качество проходки в целом определяют эффективность и планомерность развития рудника и горных работ. В настоящее время для проходки горных выработок используется высокопроизводительное самоходное оборудование и возможны весьма высокие темпы строительства. К одному из факторов, снижающих скорость проходки выработок при использовании буровзрывных работ, относится повышенное законтурное разрушение массива горных пород, приводящее к вывалам породы, образованию ослабленных зон массива и в конечном итоге, к повышенным расходам на крепление – как временное, так и постоянное.

Для решения данной задачи разработано достаточно много решений [1, 2], сущность которых сводится к использованию вдоль контура выработки зарядов взрывчатого вещества (ВВ) меньшей мощности. Самым распространённым вариантом контурного взрывания в настоящее время является использование ВВ в патронах малого диаметра и навески ВВ, выпускаемых как российскими, так и зарубежными производителями. Например, на подземных рудниках АО «Апатит» долгое время существовал метод ручного заряжания шпуров в проходческих забоях при помощи патронированного аммонита № 6ЖВ-200 (ГОСТ 21984–76). При этом сохранность контура обеспечивалась применением специальных контурных патронов ЗКВК уменьшенного (по сравнению с диаметром шпура) размера [2].

Заряд контурного взрывания колонковый (ЗКВК, ТУ 841068–85) представляет собой пластиковую трубку диаметром 26 мм и длиной 350 мм, заполненную порошкообразным аммонитом № 6ЖВ массой 170 г, имеющую на боковых стенках специальные лепестки, препятствующие её касанию со стенками шпура. Конструкция патронов позволяет стыковать их друг с другом в колонку необходимой длины.

Эффект контурного взрывания с использованием патронов ЗКВК достигался, но были и проблемы, связанные с тем, что во время инициирования патроны ЗКВК нередко вылетали из шпура, либо не передавали детонацию от патрона к патрону, приводя тем самым к отказам взрывания. В 2003 г. по техническому заданию специалистов АО «Апатит» Новосибирский механический завод «Искра» разработал новую конструкцию контурных зарядов мягкого взрывания (ЗМВ) [2]. В основу ЗМВ заложены принцип фугасного действия состава ВВ при меньшей линейной навеске, а также возможность варьирования мощностью состава. Это позволяет расширить область применения ЗМВ как для добычи блочного камня, так и для контурной проходки горных выработок в различных горно-геологических условиях.

По центру ЗМВ проходит детонирующий шнур марки ДШН6(10), пространство между ним и внешней оболочкой заполнено составом фугасного действия. Бризантность детонирующего шнура проявляется на малых расстояниях и служит для возбуждения детонации в фугасном составе. В целом ЗМВ обладает фугасным действием. Меняя марку ДШН и фугасный состав, можно подобрать ЗМВ, оптимально подходящий к конкретным горно-геологическим условиям.

Вместе с тем [2], применение ЗМВ требует более точного соблюдения паспорта БВР в части обеспечения строгой их параллельности, выдержки расстояний между шпурами и соблюдения ЛНС до предконтурного ряда. Невыполнение этих требований может привести к «непроработке» контурного ряда. Такие единичные случаи были зафиксированы, по ним также можно судить о «мягкой», фугасной работе заряда. Шпуры при взрыве ЗМВ не разрушались. Ликвидация отставания по кровле производилась повторной зарядкой этих же шпуров ЗКВК или ЗМВ. Также отметим, что использование ЗМВ подразумевает использование большого количества ручных операций.

Для снижения законтурного разрушения массива также возможны схемы, направленные на перераспределение энергии взрыва в массиве, например за счет:

- уменьшения количества шпуров по своду выработки с одновременным увеличением их количества в предконтурном ряду;

- производства заряжания по схеме шпур через шпур (холостой+заряженный шпуры).

Такие схемы в некоторых случаях позволяют снизить законтурное разрушение массива, но не являются универсальным и достаточно гибким решением.

Использование эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) для снижения законтурного разрушения массива

Опыт компании Orica в использовании ЭВВ для контурного взрывания

В настоящее время на ряде подземных рудников России и других стран СНГ наблюдается динамичное внедрение технологий использования эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ), связанное прежде всего с повышением безопасности работ, определяющее столь же быстрый уход от сыпучих, порошкообразных ВВ. На смену патронам-боевикам аммонит № 6ЖВ-200 пришли более современные высокоэнергичные ДПМС-1, 3 кг боевики аммонит (ПНП-А6ЖВ-90) были заменены на 300 г шашки пентолит (ПДП-300) [3].

Рис. 1 Схемы контурного взрывания при использовании эмульсионных взрывчатых веществ

Рис. 1 Схемы контурного взрывания при использовании эмульсионных взрывчатых веществ

Использование ЭВВ для проходки горных выработок является весьма гибким решением, которое может быть успешно использовано для снижения законтурного разрушения массива горных пород. Схемы использования ЭВВ, направленные на минимизацию законтурного разрушения массива, представлены на рис. 1. Развитие техники и технологий использования ЭВВ на подземных горных работах позволило создать достаточно совершенные технологии контурного взрывания. Одним из лидеров в данной области является компания Orica (Австралия). При использовании ЭВВ в ряде случаев сокращается объем используемого взрывчатого вещества (удельный расход) и ускоряются операции проходческого цикла.

Можно выделить два базовых направления контурного взрывания компании Orica – использование для заряжания контурных шпуров ЭВВ переменной плотности (Subtek Control), либо создание колонки заряда не на полное сечение шпура или скважины (String Loading).

Рис. 2 Заряженные шпуры диаметром 54 мм по технологии String Loading с расходом продукта 0,6 кг/п.м. (слева) и расходом продукта 1,2 кг/п.м.

Рис. 2 Заряженные шпуры диаметром 54 мм по технологии String Loading с расходом продукта 0,6 кг/п.м. (слева) и расходом продукта 1,2 кг/п.м.

Рис. 2 Заряженные шпуры диаметром 54 мм по технологии String Loading с расходом продукта 0,6 кг/п.м. (слева) и расходом продукта 1,2 кг/п.м.

Одной из самых эффективных технологий, как показала практика применения, является технология String Loading (рис. 2), подразумевающая создание колонки заряда ЭВВ с помощью специального отводчика зарядного шланга. Рассмотрим особенности использования данной технологии на одном из зарубежных проектов компании Orica.

Возможности технологии String Loading были показаны на проекте «Лиантанг» (Гонконг) при проходке тоннеля. ЭВВ, заряженные по технологии String Loading были использованы для 4-х взрывов (табл. 1).

Табл. 1 Технические параметры опытно-промышленного взрыва на проекте «Лиантанг» (Гонконг)

Число шпуров, заряженных по технологии String Loading увеличивали с 9 на первом взрыве до 37 шпуров на четвертом взрыве. Число шпуров, заряженных по упомянутой выше технологии, увеличивали поэтапно, согласно утвержденной программе испытаний. Параметры каждого взрыва можно увидеть в табл. 1. После первого взрыва число контурных шпуров, заряженных рассредоточенным ЭВВ, было увеличено с сохранением остальных параметров взрыва. Перебор породы (законтурное разрушение) от первого и второго взрывов было значительным, поэтому было принято решение об изменении диаметра шпуров с 48 до 54 мм с сохранением массы заряда при этом 0,6 кг/п.м. Также было принято решение об использовании второго, амортизирующего ряда шпуров с зарядкой по технологии String Loading 1,2 кг/п.м. для третьего и четвертого взрывов (рис. 3).

Рис. 3 Слева — первый взрыв (MVC024), заряженный рассредоточенным по длине зарядом 0,6 кг/п.м.; справа — четвертый взрыв (MVC027) часть периметра справа заряжена ЭВВ по технологии String Loading 0,6 кг/п.м. и 1,2 кг/п.м., соответственно

Рис. 3 Слева — первый взрыв (MVC-024), заряженный рассредоточенным по длине зарядом 0,6 кг/п.м.; справа — четвертый взрыв (MVC027) часть периметра справа заряжена ЭВВ по технологии String Loading 0,6 кг/п.м. и 1,2 кг/п.м., соответственно

Рис. 3 первый взрыв (MVC-024), заряженный рассредоточенным по длине зарядом 0,6 кг/п.м.; четвертый взрыв (MVC027) часть периметра справа заряжена ЭВВ по технологии String Loading 0,6 кг/п.м. и 1,2 кг/п.м., соответственно

Итоги проведенных 4-х взрывов доказали, что технология String Loading позволяет практически исключить перебор породы со снижением законтурного разрушения массива горных пород (рис. 4).

Рис. 4 Профиль сечения тоннеля «Лиантанг»: вверху – результаты 1-го взрыва (MVC-024); внизу – результаты 4-го взрыва (MVC-027)

Рис. 4 Профиль сечения тоннеля «Лиантанг»: вверху – результаты 1-го взрыва (MVC-024); внизу – результаты 4-го взрыва (MVC-027)

Рис. 4 Профиль сечения тоннеля «Лиантанг»: вверху – результаты 1-го взрыва (MVC-024); внизу – результаты 4-го взрыва (MVC-027)

Опытно-промышленные испытания контурного взрывания с использованием ЭВВ на Кировском руднике (АО «Апатит») В настоящее время на подземных рудниках АО «Апатит» полностью завершен переход к использованию ЭВВ, а также оборудования для доставки, перегрузки, заряжания в проходческих и очистных забоях [3]. Следующим закономерным шагом является повышение эффективности использования целого ряда возможностей ЭВВ в подземных условиях.

Одной из задач, поставленных АО «Апатит» перед специалистами компании Orica является совершенствование технологии проходки горных выработок с минимизацией законтурного разрушения массива горных пород с использованием рядового ЭВВ Subtek™. После тщательного анализа и ряда опытнопромышленных экспериментов компания Orica предложила АО «Апатит» протестировать технологию String Loading c отводчиком зарядного шланга (рис. 5), закрепляемого на корзине подземной смесительно-зарядной машины.

Рис. 4 Профиль сечения тоннеля «Лиантанг»: вверху – результаты 1-го взрыва (MVC-024); внизу – результаты 4-го взрыва (MVC-027)  Рис. 5 Отводчик шланга, испытанный на подземных рудниках АО «Апатит»

Рис. 5 Отводчик шланга, испытанный на подземных рудниках АО «Апатит»

В марте 2016 г. с использованием отводчика зарядного шланга (см. рис. 5) было заряжено 3 проходческих забоя на разных участках подземного рудника АО «Апатит». Все три забоя получили положительные оценки от специалистов заказчика в части сохранения кровли. После чего начался процесс согласования внедрения данного дополнительного оборудования, оценки условий его безопасного применения и др.

Официальные испытания отводчика зарядного шланга были проведены в период май-июнь 2016 г. К испытаниям, для лабораторной оценки сохранности контура методом реометрии, были привлечены сотрудники Кольского научного центра РАН. Также присутствовали ведущие инженеры отделов буровзрывных работ от АО «Апатит». Параметры экспериментальных взрывов представлены в табл. 2. По согласованной программе испытания носили сравнительный характер. В одной выработке (одинаковые условия) было совершено по три цикла проходки с применением: патронов ЗКВК, штатного заряжания ЭВВ Subtek™ на полное сечение шпура, а также заряжание по схеме String Loading с использованием отводчика зарядного шланга.

Рис. 6 Вверху — контур выработки после первого взрыва, заряженного рассредоточенным по длине зарядом 1,6кг/п.м.; внизу — третий взрыв с теми же параметрами

Рис. 6 Вверху — контур выработки после первого взрыва, заряженного рассредоточенным по длине зарядом 1,6кг/п.м.; внизу — третий взрыв с теми же параметрами

Рис. 6 Вверху — контур выработки после первого взрыва, заряженного рассредоточенным по длине зарядом 1,6кг/п.м.; внизу — третий взрыв с теми же параметрами

После каждого взрыва, кровля выработки осматривалась, а также производилась реометрическая оценка разрушенности массива. При заполнении шпуров на неполное сечение было выполнено три взрывания. При взрывании шпуров, бойки забоя видны следов шпуров по всему контуру выработки (рис. 6). Задачи, стоящие на текущем этапе:

- обучить персонал работе с отводчиком зарядного шланга;

- оценить эксплуатационные параметры отводчика зарядного шланга;

- пересмотреть и оптимизировать параметры буровзрывных работ при проходке горных выработок;

- уменьшить массу заряда в контурных шпурах;

- провести количественное сравнение объемов перебора при использовании String Loading в сравнении с использованием ЗКВК;

- передать отводчик в постоянное пользование заказчику.

Результаты испытаний схемы снижения законтурного разрушения массива

Основные выводы по испытаниям (Кольский Научный Центр РАН, профессор С.А. Козырев):

1. Разработанный отводчик зарядного шланга позволяет формировать контурный заряд с заполнением шпура на 30–70% его сечения;

2. При заполнении шпуров на неполное сечение обеспечивается гладкий откол по всему своду выработки.

3. Скорость детонации контурного заряда составляет 4782–4800 м/с, что соответствует зарядам данного типа и укладывается в рамки, заявленные в технических условиях.

4. Разработанный отводчик зарядного шланга и технология контурного взрывания с заполнением шпуров на неполное сечение могут быть допущены к постоянному применению.

5. Реометрические измерения в скважинах законтурного массива показали, что на расстоянии до 0,6 м от свода выработки значительных трещин в массиве не обнаружено.

Опыт использования технологии String Loading – системы распределения ЭВВ c помощью отводчика шланга – показал целый ряд преимуществ, в том числе:

- повышение эффективности проходки подземных горных выработок, сокращение времени заряжания забоя, а также потребности в трудовых ресурсах;

- энергетический уровень ЭВВ может настраиваться в зависимости от свойств горной породы в забое и паспорта бурения;

- отводчик зарядного шланга является удобным устройством для пользователя, обучение работе на нем занимает минимум времени и не требует узкоспециализированных навыков.

По сравнению с обычным бризантным взрывчатым веществом типа ЗКВК или ЗМВ, можно выделить следующие преимущества:

- сокращение времени подготовки к взрыву;

- ЭВВ более экономически эффективно;

- меньше оборот и объем хранения бризантного взрывчатого вещества; - нет риска воздействовать на чувствительный продукт, оставшийся во взорванном массиве.

Информационные источники: 1. М.Н. Оверченко, С.П. Мозер, Ф.И. Галушко, А.Г. Луньков. Развитие схем контурного взрывания для проходки подземных горных выработок // Сборник «Взрывное дело» №115/72, 2016 г., с. 202–214. 2. В.М. Доильницын, С.Г. Зерщиков, В.А. Ляшенко. Испытания зарядов мягкого взрывания на рудниках ОАО «Апатит» // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Выпуск 12, том 4, 2007, с. 74–81. 3. А. С. Сакерин, Д. О. Константинов, С. А. Козырев, М. Н. Оверченко. Эмульсионные взрывчатые вещества, зарядное оборудование и взрывные технологии для подземных горных работ // Горный журнал, №10, 2014.
Ключевые слова: взрывные работы, горные выработки, контурный за ряд, эмульсионные взрывчатые вещества, разрушение массива.

Журнал "Горная Промышленность"№5 (129) 2016, стр.56