Закономерности формирования структуры развала горной массы при взрывных работах на карьерах

Запасы полезных ископаемых не являются неисчерпаемыми и не восполняются, а потребности промышленности в различных видах полезных ископаемых должны удовлетворятся не только за счет ввода в эксплуатацию новых, но и за счет более эффективного использования уже разрабатываемых месторождений. Важной составляющей проблемы эффективного использования месторождений является повышения полноты и качества выемки полезных ископаемых из недр.

Эта проблема включает в себя два аспекта: учет, нормирование и планирование показателей полноты и качества извлечения руды, а также технологический режим добычных работ.

В методическом плане первая группа вопросов разработана с достаточной глубиной и закреплена в нормативно-методических материалах трех уровней: государственном, отраслевом и частном для конкретных условий горного предприятия. Технологические вопросы добычи полезного ископаемого решаются уже на стадии проектирования и в дальнейшем совершенствуются в связи с конкретными горно-геологическими условиями месторождения.

В основе современных методических разработок заложено упрощенное представление о морфологии рудных контактов «руда-порода» в виде правильных геометрических линий. Однако, практика ведения горных работ свидетельствует об обратном — лишь с грубым приближением в пределах высоты уступа можно принимать упрощенные геометрические представления. В реальных условиях форма контактов в целике и, особенно в развале горной массы, далека от правильных линий.

Отчетная статистика горных предприятий показывает, что плановые показатели потерь и разубоживания при добыче часто значительно отличаются от фактических значений.

Применение косвенного метода учета, основанного на уравнениях баланса руды и металла, не позволяет оперативно и дифференцированно управлять этими показателями в процессе добычных работ из-за отсутствия каких-либо данных о геометрии рудного тела в развале. Анализу эффективности косвенного метода учета потерь и засорения руды посвящено много публикаций. Среди них работы П. П. Бастана, П. А. Самоцветова [7], A.B. Гальянова, В. А. Коурова [20] и др. Важной составляющей проблемы является также отсутствие технических средств оценки качества руды при отгрузке ее из забоя. Весь этот комплекс вопросов предопределил интерес к изучению формирования внутренней структуры развала пород при взрывных работах. Результаты таких исследований изложены в работах Баранова Е. Г., Тангаева И. А. 4], Болдырева В. А. 11], Ломоносова Г. Г. 43], Ракишева Б. Р. 63], Гальянова А. В. 19]. Но эти результаты носят в большей степени постановочный характер и, таким образом, создалась ситуация когда эмпирические сведения о процессе значительно опередили их аналитическое осмысление.

Одним из первых этапов рудоподготовительного комплекса на карьерах является отделение горной массы, содержащей полезный компонент, от массива и её последующее дробление. На сегодняшний день наиболее эффективным и широко используемым методом является разрушение скальных пород энергией взрыва. Разрушение массива горных пород взрывом сопровождается перемещением и перераспределением массы горных пород. Форма и структура развала горной массы связана с технологическими параметрами разработки и характеристиками взрываемых пород. Для отработки приграничных зон рудных тел применяется валовое рыхление с последующей внутризабойной селективной выемкой рудной массы. При этом схема селективной выемки определяется положением рудной массы в развале. Отсутствие четких границ между рудой и породой и визуального отличия кондиционной руды от вмещающих пород выдвигают на первый план задачу по разработке способов оконтуривания рудной массы в развале.

В этой связи исследования, направленные на повышение полноты и качества извлечения запасов при добыче за счет совершенствования методов селективной отработки приграничных зон рудных тел являются актуальными.

Очевидно, что перемещение горной массы при взрыве подчиняется определенным закономерностям. Установление наиболее общих закономерностей перемещения горной массы при взрыве позволит создать математическую модель развития взрыва. Моделирование размещения рудной массы в развале должно производиться на основе данных о форме и условиях залегания рудного тела в целике, параметров буровзрывных работ и прочностных свойствах породы и массива в целом.

Знание геометрии размещения кондиционной рудной массы в развале позволит разработать эффективные технологические приемы внутризабойной селективной выемки для оптимизации основных качественных и количественных показателей извлечения полезного ископаемого из недр — показателей потерь и разубоживания руды.

В связи с изложенным, объектом исследований настоящей диссертационной работы является сложноструктурный рудный массив, подвергаемый разрушению взрывом на карьерах, а закономерности формирования внутренней структуры развала горной массы при взрывных работах на карьерах выступают предметом исследований.

Целью работы является исследование общих геометрических закономерностей изменения структуры взрывного блока для совершенствования процесса внутризабойной селекции, что обеспечит повышение показателей полноты и качества извлечения запасов при добыче.

Идея работы состоит в использовании дифференциального тензора деформации для математического моделирования процесса формирования развала горной массы при проведении взрывных работ на карьерах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: обобщить и сконцентрировать весь эмпирический материал, раскрывающий закономерности формирования развалаисследовать изменение структуры добычного блока при производстве взрывных работ на карьерахустановить общие геометрические закономерности разрушения массива и формирования развала горной массы при взрыверазработать алгоритм расчета структуры развала, на основе которого создать математическую модель разрушения взрывного блока в плоскости поперечного сеченияразработать программное обеспечение математической модели для расчета внутренней структуры разваларазработать технологические схемы внутризабойной селекции для повышения эффективности работы экскаватора в забое.

По результатам выполненных исследований на защиту выдвигается следующее научное положение: траектория перемещения точек массива на этапе его расширения при взрыве зависит от геометрических параметров взрываемого блока, параметров БВР и описывается степенной функцией:

М,(х, У]) = к, М0(х0 у0), к, =1 + сНуАг ахп при х > О 1 ахп при х < О у (х) =.

Научная новизна результатов исследований состоит в том, что применение дифференциального тензора деформации позволило: установить геометрические закономерности трансформации внутренней структуры добычного блока при взрыверазработать алгоритм геометризации формирования внутренней структуры развала при взрыве, учитывающий конкретные горно-геологические и технологические условияусовершенствовать методику нормирования потерь и разубоживания, посредством учета внутренней структуры развала. 8.

Методы исследований. В работе использованы методы, аналитического обобщения теоретических и экспериментальных сведений отечественных и зарубежных исследований, натурных наблюдений, математического моделирования на базе тензора деформации с применением ПЭВМ.

Научная значимость результатов работы заключается в установлении общих геометрических закономерностей разрушения добычного блока при взрывев разработке математической модели процесса перемещения горной массы при взрыве.

Практическая ценность работы состоит: в возможности прогнозирования структуры развала горных пород и дополнении этими сведениями паспортов БВР и отработки взорванного блока с учетом геометрии развалав совершенствовании методики учета показателей полноты и качества извлечения руды при добычев установлении наиболее приближенных к реальным значений удельных нормативов потерь и засоренности руды, приходящихся на единицу длины контакта «руда-порода» — в разработке наиболее эффективных схем внутризабойной селекции на основе учета внутренней структуры развала.

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении опубликованных в специальной литературе сведений по исследуемому вопросу, разработке алгоритма и математической модели разрушения взрывного блока, разработке программных средств и разработке наиболее эффективных схем внутризабойной селекции в совершенствовании методики учета потерь и разубоживания руды при добыче.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения» (Екатеринбург, 1998), научно-практической конференции «Геотехнология на рубеже XXI века» (Новосибирск, 1999). 9.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 7 работах, в том числе: специальные разделы в 2 монографиях и 5 печатных работах.

Достоверность теоретических выводов подтверждается непротиворечивостью результатов математического моделирования известным эмпирическим сведениям о формировании развала при взрывных работах на карьерах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения. Содержит 144 страницы машинописного текста, в т. ч. 15 таблиц и 39 рисунков.

Список использованных источников

включает в себя 87 наименований.

Выводы по главе.

1. В связи с тем, что при взрывных работах на карьерах даже геометрически правильные контакты «руда-порода» приобретают в развале неправильную форму, расчеты, основанные на правильных геометрических построениях, не адекватно оценивают показатели полноты и качества извлечения полезного ископаемого из недр.

2. Для установления реальных нормативов потерь и разубоживания рудной массы необходим учет структуры развала горной массы и геометрических параметров отработки. Сравнения показывают, что наблюдаются принципиальные отличия в характере зависимостей потерь и разубоживания, рассчитанных по существующей методике и методике, учитывающей внутреннюю структуру развала горной массы. При определенных условиях залегания рудных тел расхождения в показателях разубоживания, при постоянном уровне потерь, достигают 100 и более процентов.

3. При отработке приконтактовых зон рудных тел в случаях чередования рудной массы и пустой породы по высоте развала целесообразно применять селективную выемку с разделением развала горной массы на подуступы. В случаях наклонных и вертикальных контактов и чередования рудной массы и пустой породы по ширине развала выемка должна осуществляется несколькими заходками. В случаях забоев с рудными телами сложной формы схема селективной выемки будет определяться формой рудного тела в развале и геометрическими параметрами развала.

4. НОРМИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЛНОТЫ И КАЧЕСТВА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЗАПАСОВ НА КАРЬЕРАХ.

Нормирование показателей извлечения запасов при добыче осуществляется с учетом горно-геологических условий месторождений и базируется на технико-экономическом обосновании рационального уровня извлечения балансовых запасов. Нормирование имеет своей целью установление оптимального соотношения между потерями руды и ее разубоживанием при добыче.

Априорное знание структуры развала горной массы при взрыве позволяет более точно оценить уровень теряемой рудной массы и примешиваемой пустой породы.

Вместе с тем, оптимальное соотношение показателей полноты и качества извлечения полезного ископаемого будет определятся на основе экономической оценки возможных вариантов.

4.1. Расчет показателей полноты и качества извлечения запасов с учетом внутренней структуры развала для условий Северо-Ириклинского месторождения известняка.

Северо-Ириклинское месторождения известняка является частью Ирик-линского месторождения, которое простирается полосой с севера на юг на 2,5 км при ширине вкрест простиранию до 1,2 км. Залежь падает на восток — северо-восток под углом 15−20°. С 1992 г эта часть месторождения разрабатывается открытым способом.

Отличительными особенностями месторождения является высокое качество известняка, что определяет его спрос в пищевой промышленности, для производства флюсов, извести и строительных отраслях промышленности. В соответствии с этим, технические условия (ТУ) на товарную продукцию предусматривают требования, как к химическому составу известняков, так и к их.

105 грансоставу. Эти ТУ регламентируют достаточно узкие интервалы к возможному колебанию качественных показателей известняка (СаО, СаСОз, нерастворимый остаток). Необходимость оценки качества известняка по нескольким параметрам определяет вторую особенность учета потерь и разубоживания известняка при добыче.

К особенностям месторождения следует также отнести закарстованность промышленных запасов, уровень которой в процессе разведки оценен очень ориентировочно. Определение коэффициента закарстованности выполнено по разведочным скважинам, процент закарстованности оценивается в 4%.

По форме, размерам, выдержанности качества и мощности полезной толщи Ириклинское месторождение отнесено к первой группе, типу средний (Инструкция ГКЗ СССР 1983 г). Оконтуривание полезной толщи выполнено по результатам химического анализа.

Горные работы на Северо-Ириклинском месторождении начаты в 1992 г. Разработка осуществляется транспортной системой с внешним отвалообразова-нием. Добычные работы ведутся с применением БВР, технологические скважины бурятся станками СБШ-250МН по сетке 6,5×6,5 м на всю высоту уступа (10м) с перебуром 2,4 м. Для погрузки горной массы в автосамосвалы и отсыпки отвалов применяются экскаваторы ЭКГ-5А, при зачистке берм используется бульдозер ДЗ-109. Горная масса и вскрышные породы транспортируются автосамосвалами на специальные отвалы и склады:

— отвал почвенно-растительного слоя;

— отвал основной вскрыши и рыхлых пород;

— отвал разубоженного и некондиционного известняка для отсыпки дорог плотин, изготовления щебня и тд;

— товарный известняк поступает на дробильно-сортировочную установку с последующим формированием штабелей на прирельсовом складе дробленой и классифицированного известняка.

Классификация потерь и разубоживания известняка построена по единому принципу — месту образования с выделение группы общерудничных и эксплуатационных потерь (табл. 4.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Эффективность горного производства зависти от решения вопроса полноты и качества извлечения запасов из недр. Более эффективные схемы добычи позволяют увеличить полноту выемки полезного ископаемого из недр при наименьшей засоренности его вмещающими породами. Основная часть эксплуатационных потерь полезного ископаемого происходит при отработке приконтак-товых зон и связывается с несоответствием геометрии размещения рудной массы в развале геометрическим представлениями в целике. Размещение рудной массы в развале зависит от формы рудного тела, геометрических параметров взрывного блока и развала, параметров БВР, физико-технических свойств взрываемых пород. Прогнозирование размещения рудной массы в развале дает возможность не только установить наиболее приближенные к реальным технические нормативы потерь и разубоживания руды, но и разработать практические рекомендации по отработки развала для их достижения.

Таким образом, объектом исследований выступает сложноструктурный рудный массив, подвергаемый разрушению взрывом на карьерах, а закономерности формирования внутренней структуры развала горной массы при взрывных работах на карьерах составляют предмет исследований.

В диссертационной работе на основании выполненных исследований представлены новые научные результаты состоящие в разработке метода расчета внутренней структуры развала массива при проведении взрывных работ и совершенствовании методов нормирования показателей полноты и качества извлечения запасов при добыче, что может рассматриваться как вклад в развитие научного направления по обоснованию технических, технологических и экономических разработок, обеспечивающих решение важных прикладных задач в геотехнологии открытой разработке месторождений. Основные научные и практические результаты сводятся к следующему:

1. Ширина и высота развала горной массы при разрушении массива горных пород взрывом скважинных зарядов являются основными геометрическим параметрами математической модели при расчете внутренней структуры развала горной массы. В ширине развала находят отражение влияние технологических параметров БВР (диаметр скважины, величина перебура, длина заряда в скважине, длина забойки, линия наименьшего сопротивления и линия сопротивления по подошве, удельный расход ВВ и т. д.) и физико-технические свойства горных пород (коэффициенты трещиноватости и взрываемости пород, сцепление и плотность пород, акустическая жесткость пород, средний размер отдельности в массиве, коэффициент крепости пород по шкале проф. Прото-дьяконова или по СНиПУ).

2. Степень искажения формы и размеров изменения поверхности контактов рудного тела с вмещающими породами определяются коэффициентом разрыхления который описывается через операцию дивергенции.

3. Алгоритм математической модели трансформации внутренней структуры добычного блока при взрывных работах на карьерах основывается на этапности процесса разрушения: первый этап — этап расширения массива под действием газообразных продуктов взрыва и ударной волнывторой — разлет разрушенной горной массы в поле силы тяжести и третий — оседание горной массы на горизонт и формирование развала. Каждый этап характеризуется своим коэффициентом, зависящим от технологических параметров БВР и горногеологических особенностей взрываемых пород.

4. Траектория перемещения точек массива на этапе расширения массива при взрыве (первый этап) зависит от геометрических параметров взрываемого блока (высота и угол откоса уступа), параметров БВР (величина перебура, длина заряда в скважине, линия сопротивления по подошве и пр.) и описывается степенной функцией вида у-ах" .

5. При отработке приконтактовых зон рудных тел с горизонтальным и пологим залеганием рудных тел следует применять схему селективной выемки с выделением подуступа. В случаях наклонных и вертикальных контактов и крутопадающих прослоек рудной массы выемка производится в несколько за-ходок. Схема внутризабойной селективной выемки при рудных контактах не.

135 правильной формы определяется размещением рудной массы в развале горных пород.

6. Расчеты нормативов потерь и разубоживания руды основанные на правильных геометрических построениях (треугольники) не соответствуют технологии добычи и, как следствие, дают искаженные результаты. Установление более приближенных к реальным условиям нормативов потерь и разубоживания рудной массы при работе экскаватора в забое необходимо производить с учетом внутренней структуры развала горной массы и геометрических параметров черпания (высота черпания, траектория движения ковша экскаватора).

7. В качестве целевой функции оптимизации показателей полноты и качества извлечения запасов при добыче может быть принято минимальное значение энтропии обобщенной функции желательности.

Дальнейшее направление исследований связывается с изучением вопросов формирования развала горной массы при взрывных работах на карьерах в условиях многорядного взрывания, взрывания в зажатой среде, а так же переход от плоскостного решения задачи к объемному.