Обеспечение безопасности и эффективности взрывных работ на угольных разрезах Монголии

В.А. Белин, д-р техн. наук, профессор, Горный институт НИТУ «МИСиС»

Жижиг Жамьян, генеральный директор компании «Монмаг» (Монголия)

А.В. Старшинов, канд. техн. наук, технический директор компании «Монмаг»

На территории Монголии, площадь которой составляет около 1,565 млн км2, находятся большие запасы различных минеральных ресурсов. Основные проявления полезных ископаемых – угли различного качества от бурых до коксующихся.

Оценки запасов углей: прогнозные – 150–180 млрд т; по результатам детальной разведки – более 20 млрд т .Объемы добычи: 2016 г. – 50 млн т, экспорт – 35 млн т. Другие проявления минеральных ресурсов: золото; олово; руды – меди, молибдена, железа, вольфрама, урана; флюорит; строительные материалы; нефть; битумированные пески и др.

Географическое положение страны определяет специфику природных и климатических условий, которые оказывают существенное влияние на ведение работ по добыче полезных ископаемых. Монголия расположена в центральной части материка в окружении гор, средняя высота над уровнем моря более 1000 м. Климат – резко континентальный с колебаниями температур от –50 до +35°С за год с перепадами до 30°С за сутки. В определенные периоды возможен ветер различной интенсивности и направленности, которые могут изменяться за короткий период в течение суток. Влажность воздуха пониженная: до 10% зимой и 10–30% летом. Для территории Монголии характерна повышенная интенсивность солнечной энергии: безоблачные дни не менее 290 в год, интенсивность радиации – 3,8–4,4 кВт·ч/м2.

Одними из наиболее освоенных являются месторождения углей различного качества в различных регионах страны. Особенностью углей, разрабатываемых в центральной части страны на угольных разрезах Шарын гол, Баганур, Шивиээ-ово, является повышенная склонность к самовозгоранию после рыхления [1]. Установлено, что вероятность возгорания таких углей резко возрастает при взрывном рыхлении с использованием ВВ грубодисперсных (гранулированных) и с низкими показателями качества по распределению горючих добавок, в частности, дизельного топлива (ДТ), в смеси по поверхности и в массиве частиц-гранул АС. При возникновении эндогенных пожаров происходят потери полезного ископаемого и интенсивное загрязнение окружающей среды, а также возникает опасность распространения пожара на находящиеся вблизи него объекты. Один из способов локализации пожара, включающий погрузку и вывоз горящей массы, приводит к еще большим потерям и риску утраты техники. На фото рис. 1 показан процесс загрузки горящей массы в самосвалРис. 1 Ликвидация эндогенного пожара в рабочем забое угольного разреза путем вывоза горящей массы

Рис. 1 Ликвидация эндогенного пожара в рабочем забое угольного разреза путем вывоза горящей массы

Горная промышленность Монголии с начала интенсивного развития в 1920-е годы была сориентирована на применение технологических и технических решений, созданных в СССР и других странах социалистического содружества [2]. Характер развития техники и экономических отношений, сложившихся к концу ХХ века в мировой практике, определил необходимость перехода на новые технические решения. Например, в части обеспечения взрывных работ (ВР) взрывчатыми материалами (ВМ), в качестве которых до конца 1980-х годов применялись смеси на основе тринитротолуола, завозимые в страну по импорту, возникла необходимость перехода на смесевые ВВ, изготавливаемые из невзрывчатых компонентов. Начальные этапы работ по реализации этого направления Монголии показали, что прямой перенос известных технических решений не всегда приемлем и эффективен в силу специфики внешних климатических и горнотехнических условий. К этому следует добавить специфику сырьевого обеспечения производства ВВ и других материалов – химические производства на территории Монголии отсутствуют и все компоненты завозятся по импорту.

Расположение страны между РФ и КНР, которые задают правила транзита опасных грузов, без выходов к морским портам усложняет возможности приобретения ВМ (ВВ) у третьих стран. Определенные сложности возникают даже при импорте аммиачной селитры (АС), которая может быть перемещена через границу только в крытых вагонах с соответствующими ограничениями по упаковке – в мешках.

Разработку угольных месторождений и подготовку горных пород к выемке, включая вскрышные породы и угольные пласты, ведут с использованием буровзрывных работ (БВР). Состояние и развитие этого звена горных работ все еще определяется поддержанием традиционных связей технического сотрудничества Монголии с Россией, но меняется в соответствии с развитием БВР и технических средств для их ведения в мировой практике. Существенные изменения в развитии ведения БВР происходят в составе буровых станков и экскаваторов, которые представлены машинами гидравлического типа от всех ведущих производителей из Японии, Южной Кореи, стран Скандинавии и Америки, а также Китая. Подобная ситуация складывается и в парке автотранспортной техники, где особо следует отметить появление большого количества большегрузных магистральных грузовиков китайского производства.

В части типов применяемых взрывчатых веществ (ВВ) полностью сохранилась тенденция, развитие которой в Монголии начато компанией «Монмаг» в конце 1990-х годов и основанной на применении смесевых ВВ из невзрывчатых компонентов. Изменения происходят в расширении поставок средств инициирования (СИ) и взрывания (СВ), а также сырья для изготовления ВВ из Китая (КНР), где это направление за последние десять лет получило серьезное развитие и полностью соответствует мировому уровню.

Закупки АС для изготовления смесевых ВВ осуществляются в РФ и КНР. Хранение АС при нормальных режимах поставок сырья осуществляется в соответствии с требованиями – в хранилищах и/или под навесами. Однако, в реальных условиях возможны задержки в регулярности поставок, что определяет необходимость временного размещения АС на открытых площадках. При разгрузке вагонов мешки с АС укладываются на поддоны и все последующие операции выполняются с помощью погрузчиков.

Совокупность особенностей климатических условий страны, правил поставок и хранения приводят АС к проявлению специфики этого вещества: происходит слеживание АС с образованием агломератов (кусков) в пределах мешка, пример такой ситуации приведен на рис. 2.Рис. 2 Последствия слеживания АС с образованием агломератов с размерами упаковки – мешка

Рис. 2 Последствия слеживания АС с образованием агломератов с размерами упаковки – мешка

При этом большая часть слежавшейся АС образуется в процессе доставки в вагонах. Для исключения «отрицательного эффекта» от этого явления на всех производствах смесевых ВВ в составе технологического оборудования используются аппараты для рыхления слежавшихся образований АС до сыпучего состояния с размером частиц в несколько мм. На базовом предприятии компании Монмаг, расположенном на угольном разрезе Баганур (комплекс «Баганур»), рыхление АС осуществляется на установке ИСИ-II, созданной в производственном объединении «Северовостокзолото» (Магадан). Вид рыхлительного элемента ИСИ-II в виде горизонтального вращающегося диска показан на рис 3а. На других производствах смесевых ВВ используются рыхлители-сепараторы с рабочим органом в виде барабана с перфорациями.

Рис. 3 Рыхлители-сепараторы АС:

Рис. 3 Рыхлители-сепараторы АС: а – смеситель ИСИ-II; б – перфорированный барабан от стиральной машины

а – смеситель ИСИ-II

Рис. 3 Рыхлители-сепараторы АС: а – смеситель ИСИ-II; б – перфорированный барабан от стиральной машины

б – перфорированный барабан от стиральной машины

Представляется интересным обратить внимание на то, что при небольших потреблениях ВВ в качестве устройств рыхления АС могут быть использованы промышленные стиральные машины с доработкой приводной станции в соответствии с требованиями безопасности. Пример такого решения показан на рис. 3б. В настоящее время для операций предварительной подготовки АС перед изготовлением смесей типа АСДТ используются барабанные аппараты типа «бетоносмеситель» увеличенной вместимости с перфорированным сепарирующим вкладышем (СБС), которые являются предметом совместной разработки ГК «Нитро Технологии» и «Момаг» [3]. Аппараты СБС позволяют осуществлять усреднение состава АС и изготавливаемой смеси в виде большой пробы (партии) массой в несколько тонн, а также обеспечивают полную очистку продукта от неизмельчаемых примесей, которые остаются во внутренней полости сепарирующего вкладыша. При выполнении операции рыхления и просеивания слежавшейся АС достигается положительный эффект изменения качества смеси типа АСДТ в силу того, что частицы АС после рыхления представлены смесью гранул и фрагментов гранул различной формы с увеличением показателя маслопоглощения и уменьшением эффекта флегматизации частиц смеси масляной пленкой.

Ряд специфичных эффектов выявлен при временном хранении АС на открытых площадках. В силу высокой солнечной радиации происходит интенсивное разрушение оболочек мешков из полипропилена (см. рис. 4). При этом вкладыш мешка из полиэтилена может оставаться не разрушенным, однако в силу малой толщины он разрывается при выполнении последующих работ с мешками, что приводит к просыпям и потерям АС. При нарушении целостности мешков и даже намокании их содержимого от атмосферных осадков проявление отрицательного эффекта увлажнения АС в течение короткого периода в несколько дней устраняется, так как в услових малой относительной влажности происходит высыхание продукта естественным образом до влажности 0,2–0,4%.

Рис. 4 Состояние мешков с АС после временного пребывания на открытой площадке:

Рис. 4 Состояние мешков с АС после временного пребывания на открытой площадке: а – разрушение внешней оболочки мешка из полипропилена; б – результат намокания АС от дождя и последующего высыхания

а – разрушение внешней оболочки мешка из полипропилена;

Рис. 4 Состояние мешков с АС после временного пребывания на открытой площадке: а – разрушение внешней оболочки мешка из полипропилена; б – результат намокания АС от дождя и последующего высыханияб – результат намокания АС от дождя и последующего высыхания

Более интересные эффекты выявлены при оценке состояния АС в мешках после пребывания на открытом воздухе при воздействии солнечной радиации. В таких мешках, расположенных в крайних и верхних рядах штабелей наблюдается интенсивное разрушение гранул в результате многократных фазовых переходов в кристаллической структуре АС. Этот эффект протекает боле интенсивно в АС имеющей признаки окрашивания, в частности в АС с добавками солей железа. При хранении АС на открытой площадке или под навесом в течение 2 месяца в весенний период толщина слоя с разрушенными гранулами может достигать 10 см от поверхности мешка. Результаты проявления названного эффекта приведены на рис. 5.Рис. 5а Разрушение гранул АС в мешках при хранении в условиях перепада температур в области минус 17оС и воздействия солнечной радиации

Рис. 5а Разрушение гранул АС в мешках при хранении в условиях перепада температур в области минус 17оС и воздействия солнечной радиации

Рис. 5б Результаты рассева про бы АС из верхннего слоя, цифры под навесками проб – остаток вещества на ситах с ячейкой 1 мм (вся проба менее 2 мм), 0,5 мм (фракция 0,5–1,0 мм) и в поддоне (менее 0,5 мм)

Рис. 5б Результаты рассева про бы АС из верхннего слоя, цифры под навесками проб – остаток вещества на ситах с ячейкой 1 мм (вся проба менее 2 мм), 0,5 мм (фракция 0,5–1,0 мм) и в поддоне (менее 0,5 мм)

Эффект разрушения гранул дополнительно подтверждает необходимость выполнения операций усреднения состава АС перед смешением. Процесс усреднения в простейшем варианте осуществляется путем одновременной подачи на позицию растаривания двух или нескольких поддонов с АС из различных участков штабеля и поочередного использования мешков. В комплексах с аппаратом СБС так же осуществляется выбор поддонов, а усреднение состава АС происходит в смесителе.

Выявленные особенности поведения АС в климатических условиях Монголии стали стимулирующим фактором для выбора технологии подготовки АС путем термообработки в заданном режиме с выполнением фазовых переходов IV-III-IV в кристаллической структуре в контролируемом режиме [4].Рис. 6 Базовый опытно-промышленный комплекс компании «Монмаг» на разрезе Баганур

Рис. 6 Базовый опытно-промышленный комплекс компании «Монмаг» на разрезе Баганур

Такой процесс, доведенный до промышленного применения в Польше, а затем воспроизведенный в рамках деятельности совместного предприятия «Каскад» (СП «Каскад») и получивший условное название – «поризация», был реализован в компании «Монмаг» в сотрудничестве с этим СП. В ходе работ по освоению технологии «поризации» АС в Монголии была установлена необходимость дополнительных исследований по корректировке режимов процесса, связанная с особенностями состояния АС, в первую очередь, по влажности. Так же был выполнен комплекс работ по созданию оборудования для термообработки. В итоге сконструирован аппарат нагрева барабанного типа (БАН) с кондуктивным способом передачи энергии от жидкого теплоносителя обрабатываемому материалу. Компоновка аппарата осуществлена по принципу подбора наиболее рациональных габаритных размеров, примерно одинаковых по всем трем измерениям, позволяющих размещать БАН в существующих технологических комплексах изготовления смесей АСДТ, включая контейнерные схемы. Использование технологии «поризации» обеспечивает повышение маслопоглощение АС на 20–30% по сравнению с исходным продуктом, что позволяет повысить физическую стабильность смесей типа АСДТ с улучшением взрывчатых характеристик.

Результаты сравнительных испытаний по оценке работоспособности по методу ВостНИИ и скорости детонации смесевых ВВ различных по составу и структуре, изготовленных по технологии компании «Монмаг»Результаты сравнительных испытаний по оценке работоспособности по методу ВостНИИ и скорости детонации смесевых ВВ различных по составу и структуре, изготовленных по технологии компании «Монмаг»

Пример таких характеристик смесей АСДТ различного состава и качества показан в таблице. Для оценки работоспособности смесей в полигонных условиях использован метод ВостНИИ, основанный на деформации свинцового столбика при воздействии на него ударной волны и продуктов взрыва испытуемого заряда через воздушный промежуток. Данный метод можно признать сочетающим особенности баллистического маятника и бризантометра Каста.

При наличии проявлений флегматизирующей пленки на частицах смесей типа АСДТ в состав ВВ вводится дополнительный компонент с высокой поглотительной способностью по отношению к АС.

Созданный в компании «Монмаг» комплекс технических решений по изготовлению ВВ позволяет получать на основе АС в различных товарных формах смесевые системы с высокими показателями детонационной способности, взрывной эффективности и безопасности применения в различных условиях,включая взрывание массивов углей, склонных к самовозгоранию.

Информационные источники
1. Методическое руководство по прогнозу и профилактике самовозгорания углей. –М.: ИГД им. А.А.Скочинского. 1971. 59 с.
2. Кутузов Б.Н., Старшинов А.В., Ж.Жамьян и др. Совершенствование буровзрывных работ на основе применения новых видов взрывчатых веществ и зарядной техники. Горный журнал. 2010. №7. С. 61–64.
3. Старшинов А.В., Костылев С.С., Ж.Жамьян и др. Некоторые проблемы и результаты повышения качества смесевых ВВ для различных условий применения. В сб.: Взрывное дело. 2016, 116/73. С. 71–81.
4. Викторов С.Д., Франтов А.Е., Старшинов А.В. и др. Физика горения и взрыва. 2016. Т.52, №6, С. 119–124.
Ключевые слова: горная промышленность Монголии, самовозгорание углей, аммиачная селитра, хранение, изменение характеристик, термообработка, смесевые ВВ

Журнал "Горная Промышленность"№5 (135) 2017, стр.78