Повышение эффективности скважинной отбойки руды в системе подэтажного принудительного обрушения

С.А. Козырев, д.т.н., А.В. Соколов, К.Н. Константинов, Горный институт Кольского научного центра РАН С.С. Пугачев, зам. технического директора по взрывным работам ОАО «Апатит»

В связи с сокращением объемов добычи руды открытым способом одним из основных направлений дальнейшей разработки апатитовых месторождений Хибин является подземный способ. Поэтому, на подземных рудниках в последнее десятилетие активно и планомерно осуществляется переход на систему подэтажного обрушения с использованием мощной самоходной техники (шведский вариант). На сегодняшний день на Расвумчоррском руднике добывается около 95% руды системой подэтажно-го обрушения, а на Кировском - около 60%.

Эта система в мировой практике применяется около 80 лет, имеет чрезвычайно высокий уровень технических средств и является самой высокопроизводительной. Однако потери руды в недрах и разубоживание в данной системе весьма значительные (потери руды в недрах составляют 12-15%, а разубоживание доходит до 30-35%). Многочисленные исследования геомеханических процессов, происходящих при торцевом выпуске руды под обрушенными породами, свидетельствуют о невозможности изменения параметров потерь и разубоживания без принципиального изменения принятой технологии.

Перспективы рассматриваемой технологии определяют три составляющие:

1. Параметры системы разработки.

2. Качественное и управляемое дробление полезного ископаемого.

3. Технические средства и технологические приемы для управления выпуском рудной массы.

Параметры системы разработки выбираются из условий обеспечения заданной производительности блока и оптимальных величин потерь и разубо-живания и на сегодняшний день достаточно детально проработаны.

Наиболее узким местом в данной системе является качественное и управляемое дробление полезного ископаемого.

Отличительной особенностью системы подэтажного обрушения является то, что панели и секции обуриваются веерами скважин на всю их длину, а отбойка на подэтажах производится в отступающем порядке от обрушения или отрезной щели одиночными веерами (по условиям выпуска руды, как правило, взрывают один веер). Расстояние между веерами составляет 2.5-2.8 м при диаметре скважин 102 мм. При шахматном расположении (в плане) подэтажных выработок в процессе отработки образуются ромбовидные блоки высотой 30-40 м (высота двух подэтажей), что и определяет глубину бурения скважин.

Довольно часто первую отбойку от обрушения производят спаренными веерами при величине ЛНС равной 5.0-6.0 м. Это вызвано невозможностью установки бурового станка на расстоянии равном расчетной величине ЛНС из-за наличия в буровой выработке откоса обрушенных пород.

При принятых параметрах секций время «стояния» пробуренных скважин может составлять несколько месяцев.

Обеспечение сохранности скважин в таких условиях является первоочередной задачей, так как отклонение их от проектных значений (за счет отклонения при бурении, повреждения при опережающей отбойке и др.) приводит к неуправляемому дроблению полезного ископаемого. Как показала практика применения данной системы на подземных рудниках ОАО «Апатит» потери скважин в зависимости от горно-геологических условий составляют от 10 до 40%, что существенным образом сказывается на показателях отбойки. Такие же потери скважин отмечаются и на других рудниках, где применяется данная система разработки. При этом в большей степени подвержены нарушению скважины в веерах, граничащих с обрушением.

Для выяснения причин нарушения скважин в условиях подземных рудников Хибин были проведены эксперименты по оценке влияния взрывных работ на состояние скважин в последующих веерах. Оценка состояния производилась с помощью ультразвукового каротажа скважин и использованием телевизионной камеры. Первоначально съемка производилась до начала производства взрывных работ, затем после взрыва вееров скважин. Измерениями были охвачены скважины в трех последующих веерах после взрываемого. Длины скважин составляли 13, 16, 18 и 22 м.

Для дальнейшего анализа были приняты результаты, полученные с помощью видеокамеры, так как они дают более наглядную информацию о состоянии скважин. Результаты ультразвукового каротажа скважин полностью подтверждают данные видеонаблюдений.

На первом этапе исследований оценивалось состояние скважин в последующих веерах после взрыва одиночных вееров (рис. 1). Длина скважин составляла 12 и 18 м.

На рис. 2-4 представлены результаты наблюдений за состоянием контура скважин в полувеерах 27 и 29 в буро-до-ставочном орте №117 (БДО-117) и характер их деформаций до и после взрыва вееров 25-26 и 27-28 (25-26 - соответственно правый и левый полувеер).




Оценка результатов замеров в БДО-117 при глубине скважины 12.5 м показала, что до начала производства взрывных работ (рис. 2а) массив горных пород был нарушен несколькими трещинами. Наибольшая интенсивность трещин приурочена ко второй половине скважины, начиная от ее устья. Чем ближе веер расположен к вертикальной границе обнажения, тем больше имеет место степень раскрытия трещин.

После взрыва одиночного веера 25-26 в 27 веере на участке с наибольшей трещиноватостью на глубине 9-11 м от устья произошло значительное раскрытие существующих трещин с элементами отслоения кусков породы между трещинами (рис. 2б). На участке более 11.5 м произошло ее перекрытие кусками породы из ранее обрушенных пород. Поэтому длина скважины уменьшилась более чем на 1 м.

Во втором веере (веер 29) от взрываемого имело место незначительное увеличение количества трещин (рис. 3). После взрыва веера 27-28 в соседнем веере 29 также произошло существенное раскрытие трещин в верхней части скважины с образованием разрушенных зон и выколами кусков породы (рис. 4).

На втором участке данного блока было оценено состояние скважин длиной 18 м. Отбойка на данном участке велась только одиночными веерами. При этом выявлена такая же тенденция нарушений.

В следующей серии экспериментов оценивалось состояние контура скважин при проведении взрывных работ в наиболее неблагоприятных условиях, когда первая отбойка в секции производилась спаренными веерами, а последующая одиночными (рис. 5).
Оценка результатов замеров в буро-доставочном штреке №15 (БДШ-15) при глубине скважин 22 м показала, что до начала производства взрывных работ массив горных пород также был нарушен трещинами техногенного происхождения.

Гистограммы состояния контура скважин в I и II веерах после взрыва спаренного веера и одиночного первого веера представлены на рис. 6.

Из представленных результатов данной серии экспериментов следует, что взрывание спаренного веера приводит к существенному разуплотнению массива горных пород в сторону противоположную ЛНС и образованию нарушенных зон. Особенно сильно это влияние сказывается на первом веере от взрываемого (рис. 6б). Так, если до производства взрывных работ было выявлено только два нарушенных участка, то после взрыва спаренного веера их образовалось 9 по всей длине скважины.
Во II и последующих веерах в БДШ-15 разуплотнение массива происходило в основном в верхней части скважин, начиная с глубины 14-15 м. При взрыве первого одиночного веера произошло дальнейшее раскрытие трещин (рис. 6г) практически по все длине скважины, а в верхней части сформировалась дополнительная разрушенная зона.

Проведенные эксперименты в последующих веерах показали, что протяженность зоны разуплотнения от действия взрывных нагрузок довольно значительна и составляет более 10 м от границы отбойки, а многократные воздействия приводят к дополнительному раскрытию трещин и перекрытию сечения скважины кусками породы из зоны обрушения.
На рис. 7 представлены наиболее характерные нарушения скважин, которые представляют из себя или круговые плитчатые отслоения (рис. 7а) или клинообразные выколы по границам раскрытых трещин (рис. 7б, в). Причем размер этих выколов сопоставим с диаметром скважин, а в отдельных случаях и более, что представляет серьезную угрозу возможного перекрытия сечения скважины (рис. 7г).

Следует отметить, что во всех наблюдениях не обнаружено смещения массива по трещинам в сторону выработанного пространства. Поэтому основной причиной потерь скважин можно считать перекрытие их сечений кусками породы из обрушения и выколами при ведении взрывных работ. Наиболее часто выколы по трещинам и перекрытие сечений кусками породы наблюдались после 10 м от устья скважины, что приводит к уменьшению длины заряжаемой части скважин и хорошо согласуется с данными практики.

Перекрытие сечений скважин носит вероятностный характер, поэтому предсказать, где это произойдет, не представляется возможным. Но даже если хотя бы одна из скважин останется не до конца заряженной, то это приведет к значительному выходу негабарита. Если же таких скважин в веере будет несколько, то возможна проработка только нижней части веера. Взрывание последующего веера в таких условиях, даже если они полностью сохранены, также приведет к не проработке верхней части веера. Такая картина будет наблюдаться на всю глубину секции, что приводит к значительным потерям руды.
В последующих экспериментах более детально рассматривался характер деформирования скважин в их торцевой части, пробуренных до границы обрушения и выбитых непосредственно в зону обрушения (рис. 8) после производства взрывных работ в смежных веерах. Результаты наблюдений показали, что на этих участках происходит значительное разрушение скважин за счет выколов по системе раскрытых трещин вплоть до образования пустот при их выбивании в зону обрушения. Размеры пустот достигали 2-3 диаметров скважин, а длина нарушенной зоны 1.5-2.0 м.

Заполнение этих пустот взрывчатым веществом приводит к образованию котловых зарядов и при их взрывании в еще большей степени происходит нарушение скважин в соседних веерах. Это также приводит и к увеличению удельного расхода ВВ на отбойку.

Поэтому для данной системы разработки в условиях структурной нарушенности массива необходимо более тщательно подходить к проектированию буровзрывных работ, а при применении ромбовидных панелей целесообразно руководствоваться следующими положениями:

1. При шахматном расположении буровых выработок на подэтажах контуры обуриваемой секции должны выбираться таким образом, чтобы наименьшее количество скважин подходило к границе ранее обрушенных пород.

2. С целью снижения законтурных нарушений на нижележащий массив целесообразно отказаться от применения ромбовидных панелей, а использовать другие формы, позволяющие увеличить ширину верхней части панели.

3. Обуривание массива необходимо производить таким образом, чтобы концы скважин к границе ранее обрушенных пород располагались на расстоянии, где имеют место минимальные разрушения, что для данных условий составляет 0.5-1.0 величины линии наименьшего сопротивления.

4. Для достижения приемлемого дробления массива и снижения законтурных нарушений необходимо выбирать оптимальное соотношение между величиной ЛНС и расстоянием между концами скважин, отдавая предпочтение увеличению величины ЛНС и производить раздельное взрывание скважин в веере. Наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании параллельных вертикальных скважин.

5. Исключить из практики применение спаренных вееров как при первой отбойке на границе с ранее обрушенными породами или отрезной щели, так и внутри секции.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2008, стр.10