Эффективность безвзрывных технологий разработки крепких горных пород на карьерах

Достижения техники и технологии позволяют расширить область применения безвзрывных технологий разработки крепких горных пород при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. В настоящее время эффективно используются комбайны для безвзрывного проведения подземных горных выработок в породах с прочностью на одноосное сжатие до 200 МПа. На карьерах при разработке полускальных пород до 80 МПа успешно работают роторные и одноковшовые гидравлические экскаваторы, струги и механические рыхлители.

Для определения направлений совершенствования развития этих технологий на карьерах необходимо рассмотреть более подробно их преимущества и недостатки с энергетических, технологических, экологических и экономических позиций.

По энергетической теории удельное энергопоглощение, т.е. часть энергии, которая идет на совершение необходимой по технологии полезной работы и как бы поглощается единицей веса горной породы, при буровзрывной технологии разработки складывается из энергопоглощения на бурение:


а также взрывное дробление массива и формирование развала горной массы необходимых параметров:


(Е – модуль упругости, Па; ρ – плотность горной породы, кг/м3).

В первой формуле при бурении шарошечным станком энергия расходуется на измельчение горной породы в скважине в степени n’=dскв/dч, преодолевая сопротивление породы на сжатие sсж, и удаление продуктов бурения из скважины (dскв – диаметр скважины, мм; dч – диаметр продуктов разрушения горной породы при бурении, мм, Lскв – глубина скважины, м). Учитывая, что затраты энергии на бурение необходимо отнести к единице взорванной горной массы, в формуле энергопоглощения бурения это учитывается через отношение объема бурения к величине взрываемого блока:


где Vбур – объем бурения, м3, Vбл – объем взрываемого блока, м3; nскв – число скважин взрываемого блока; Sскв – площадь взрывной скважины, м2; Lскв – глубина скважины, м; h – высота уступа, м, Вбл и Lбл – ширина и длина взрываемого блока, м.

Взрывное разрушение массива происходит в основном в результате преодоления сопротивления породы на растяжение ( σр). Энергопоглощение разрушения породы пропорционально степени дробления массива, т.е. отношению размера естественной блочности (dотд) к необходимой для эффективности экскавации величине среднего диаметра куска (dср) взорванной горной массы n’’=dотд/dср. Второе слагаемое в формуле энергопоглощения при взрывной технологии разработки горных пород учитывает удельную энергию на создание необходимой для эффективной экскавации разрыхления взорванной горной массы (kр) в развале (Δ =dср/(kр-1), Дж/кг). Третье слагаемое при взрывном дроблении массива позволяет учесть удельную энергию на создание развала горной массы необходимых по условиям безопасности и эффективности экскавации параметров, характеризуемую величиной перемещения центра тяжести заходки массива взрываемого блока в центр тяжести развала взорванной горной массы (Lц).


где с – расстояние до первого ряда скважин от верхней бровки уступа, м; a – угол откоса уступа, град; kр – коэффициент разрыхления горной массы в развале; hр – допустимая по безопасности высота развала горной массы в забое, м.

При безвзрывной технологии разработки горных пород тракторными рыхлителями или гидравлическими экскаваторами удельное энергопоглощение складывается из энергопоглощения на разрушение массива в основном по естественной трещиноватости в результате преодоления сопротивления растяжению материала цементации трещиноватости ( σ р.ц.). Степень дробления массива в этом случае близка к единице (n’’= 1.01-1.1).


При безвзрывной технологии разработки горных пород фрезерными комбайнами удельное энергопоглощение подсчитывается по формуле

При этом способе разрушение массива происходит в основном в результате преодоления сопротивления породы на срез (sсрз), а степень дробления массива (n’’’) определяется отношением величины отдельности массива к среднему куску горной массы, определяемой условиями эффективности разрушения массива резцами рабочего органа комбайна.

При разработке забоя стреловыми комбайнами разрушение массива происходит в результате преодоления сопротивления породы на срез и, частично, на растяжение. Степень дробления массива определяется отношением величины отдельности массива к среднему размеру куска горной массы, определяемой технологией разработки забоя, условиями транспорта или обогатительной фабрики.

Приведенные формулы показывают, что при безвзрывной технологии разработки массива горных пород отсутствуют затраты энергии на бурение и формирование развала горной массы. В результате следовало бы ожидать меньшее в этом случае энергопоглощение разработки, однако вследствие большой разницы в сопротивлении массива сжатию, резанию и растяжению, а также существенному влиянию на величину энергопоглощения модуля упругости горной породы, это наблюдается не всегда.

Большую роль в величине энергозатрат играет величина естественной трещиноватости массива и необходимая для обеспечения эффективного функционирования комплексной механизации технологического потока на карьере степень дробления горных пород.

Расчеты по этим зависимостям показывают, что, например, удельное энергопоглощение при добыче кимберлита, обладающего σсж=995 105 Па, σр=23 105 Па, σсрз=204 105 Па, Е=4.42 1010 Па, ρ =2670 кг/м3 и блочностью массива 1 м, буровзрывным способом с комплектом оборудования из СБШ-250 и ЭКГ-8 с автомобильным транспортом, при следующих технических и оптимальных технологических параметрах (диаметр взрывной скважины dскв=250 мм, диаметр частиц бурового шлама dч=2 мм, глубина взрывной скважины Lскв=23 м, высота уступа h=20 м, ширина и длина взрывного блока Вбл=24 м, Lбл=300 м, средний диаметр куска взорванной горной массы dср=(Ек)-3/6.5=0.34 м для экскаватора с ковшом Ек=8 м3, расстояние до первого ряда скважин от бровки уступа с=3 м, угол откоса уступа α =80 град., необходимый коэффициент разрыхления горной массы в развале kр=1.4, безопасная высота развала взорванной горной массы hр=18 м) составляет:


Общая величина энергопоглощения взрывной подготовки:


При безвзрывной технологии добычи более трещиноватого (dотд=0.35 м) кимберлита комплектом оборудования из тракторного рыхлителя, автопогрузчика и автомобильного транспорта при условии одинакового с буровзрывной технологией составом горной массы по крупности (dср=0.34 м) удельное энергопоглощение составляет:


Экспериментальные исследования показали, что при безвзрывной разработке кимберлита тонкими слоями фрезерными комбайнами размер кусков горной массы составляет 40-130 мм. В этом случае получаем следующую величину удельного энергопоглощения:


Однако состав руды по крупности при разработке кимберлита фрезерными комбайнами не обеспечивает высокую эффективность процесса самоизмельчения в мельницах на обогатительной фабрике.

Более приемлемый состав по крупности обеспечивает разработка кимберлита стреловыми комбайнами избирательного действия, которые позволяют производить разработку горных пород уступами высотой 7-15 м по технологии разрушения массива с использованием преодоления сопротивления пород на срез и растяжение. В этом случае может быть достигнут необходимый состав по крупности для эффективного самоизмельчения в мельницах на обогатительной фабрике и снизить удельное энергопоглощение при разработке кимберлита в карьере. По расчетам при разрушении массива энергия расходуется около 70% на преодоление сопротивления на срез и 30% на растяжение:

Еще большее снижение удельного энергопоглощения достигается при применении сочетания воздействия на трещиноватый массив щадящего малобризантного взрывчатого вещества для раскрытия естественной трещиноватости и разработки его гидравлическими экскаваторами или стреловыми комбайнами.

Расчетные значения удельного энергопоглощения при взрывной и безвзрывной технологии некоторых горных пород при одинаковой величине трещиноватости массива приведены в таблице.

Из таблицы видно, что для разработки горных пород в технологических потоках с мехлопатами и цикличным транспортом энергопоглощение крепких горных пород (более sсж=150 МПа) при буровзрывной подготовке меньше по сравнению с безвзрывной технологией разработки горных пород рыхлителями, гидравлическими экскаваторами или комбайнами с автомобильным или конвейерным транспортом. При разработке менее крепких горных пород по безвзрывной технологии энергопоглощение меньше, чем по взрывной технологии.

Разработка полезного ископаемого, которое по технологии в процессе переработки подвергается высокой степени дробления, а во многих случаях и измельчению в мельницах, повышенное энергопоглощение в карьере ведет к снижению энергозатрат и исключению стадий крупного и среднего дробления при переработке на обогатительной фабрике.

В целом преимущества безвзрывных технологий разработки крепких горных пород выражаются в:

  • уменьшении, примерно в два раза, трудозатрат, вследствие исключения технологических процессов бурения и заряжания скважины, взрывания массива и сопутствующих им вспомогательных работ, связанных с хранением, приготовлением и перевозкой взрывчатого вещества и забоечного материала;
  • сохранении окружающей среды от сейсмического воздействия взрывов, включая здания, сооружения, массив бортов карьера, транспортные коммуникации. Исключение воздействия взрывов на массив позволяет повысить устойчивость бортов карьера, увеличить углы откосов при их погашении, а, следовательно, уменьшить значения текущих коэффициентов вскрыши, что приводит к существенному снижению затрат на добычу полезного ископаемого и увеличению эффективной глубины отработки месторождения открытым способом;
  • исключении загрязнения окружающей среды и простоев карьера из-за загазованности после массовых взрывов;
  • повышении производительности труда более чем в два раза при применении техники непрерывного действия в виде комбайнов, особенно с конвейерным транспортом;
  • уменьшении потерь и сохранении качества добываемого сырья по сравнению с воздействием взрывных нагрузок на полезное ископаемое, например, при добыче кристаллосырья, стройматериалов и др.

Изложенное выше позволяет сделать вывод, что расширение применения безвзрывных технологий разработки крепких горных пород в зонах его возможного применения имеет большое технологическое, экологическое и экономическое значение.

Журнал "Горная Промышленность" №3 1997