Карта взрываемости горных пород и автоматизация проектирования буровзрывных работ на карьерах

В.А Дунаев, д-р геол. - минерал. наук, зав. лабораторией, С.С. Серый, старший научный сотрудник, А.В. Герасимов, научный сотрудник, НИИ ВИОГЕМ В.А. Ермолов, проф., д-р техн. наук, МГГУ

Наиболее распространенный способ разрушения скальных горных пород сегодня и в обозримой перспективе – буровзрывной. При добыче полезного ископаемого открытым способом основная доля затрат ложится на буровзрывные работы (БВР). От качества подготовки взрывом горной массы зависит также производительность работы экскаваторов и энергозатраты на первой стадии дробления руды в процессе ее обогащения. Принятые параметры взрывания должны быть адекватны сопротивляемости горных пород разрушению, которая определяется главным образом двумя факторами (крепостью пород, прямо связанной с их петрогенезисом, и трещиноватостью). В противном случае, либо получается повышенный выход негабаритов, требующих дополнительных затрат на вторичное взрывание, либо порода переизмельчается и разбрасывается взрывом по берме. Для того чтобы при проектировании БВР соблюдалась указанная адекватность, необходима превентивная оценка взрываемости горных пород.

Существующие методы такой оценки можно разделить на геологические, непосредственно учитывающие упомянутые выше природные факторы, влияющие на разрушение пород взрывом, и физико-технические, основанные на корреляции скорости прохождения упругих волн (сейсмоакустический метод) или величины удельной энергоемкости бурения взрывных скважин, фиксируемых приборами, с указанными факторами. С известным допущением геологические методы можно назвать прямыми, а физико-технические – косвенными. Косвенные методы не получили сколько-нибудь широкого распространения; их использование ограничивалось отдельными экспериментами. Причины этого подробно изложены в монографии И.А. Тангаева [12]. Основные из них: большая сложность и трудоемкость, неоднозначность интерпретации полученных результатов и самое главное – косвенные методы применимы на уже обуриваемом блоке, что резко ограничивает время на проектирование БВР и возможности маневрирования их параметрами.

Анализ практики применения прямых методов оценки взрываемости пород в массиве показал отсутствие в этом плане единого подхода и выявил ряд существенных недостатков в конкретной их реализации. Во-первых, зачастую учитывается только один из главных факторов (трещиноватость или крепость пород), причем преимущество отдается первому из них [ 6 ]. Это объясняется с одной стороны во многих случаях действительно доминирующей ролью трещиноватости, а с другой – тем, что ее параметры количественно оцениваются гораздо проще, быстрее и точнее, чем прочность пород в массиве. Однако как бы то ни было, пренебрегая одним из основных факторов нельзя добиться оптимальных параметров взрывания. Во-вторых, обычно применяемая шкала трещиноватости пород Междуведомственной комиссии по взрывному делу [ 1 ], включающая 5 категорий, выделенных с шагом 0,5 м, является слишком грубой. Более приемлема шкала Б.Н. Кутузова с соавторами [ 6 ], в соответствии с которой различаются 10 таких категорий с шагом 0,15-0,3 м, причем смежные категории значимо контрастны по взрываемости. Вместе с тем каждое месторождение индивидуально по характеру развития трещиноватости и распределению в массиве естественных блоков различного размера. Поэтому на горнорудном предприятии необходимо разработать свою местную шкалу пород по трещиноватости.

В третьих, как правило, ограничиваются созданием классификации горных пород месторождения по взрываемости, без геометризации карьерного поля по категориям взрываемости пород. Это приводит к тому, что в каждом блоке, подготавливаемом к взрыву, необходимо в соответствии с классификацией выделить участки пород различной категории взрываемости, т.е. дифференцированно оценить степень трещиноватости и крепость пород, а это сопряжено с дополнительными затратами труда и сокращает время на проектирование взрывного блока. Только на единичных предприятиях (в частности, на Ковдорском ГОКе) выделенные в местной классификации категории пород по взрываемости геометризованы на сводном плане карьера в виде карты взрываемости пород. Преимущества такой карты очевидны. Достаточно нанести на нее контур проектируемого блока, чтобы разграничить его на категории взрываемости, а затем, используя местную классификацию, в которой указаны оптимальные для каждой категории параметры взрывания (сетка скважин и удельный расход ВВ при заданном диаметре скважины, величина перебура и забойки) произвести расчеты, предусмотренные технологической инструкцией на производство БВР.

Следует также отметить недостатки геологоструктурной основы, на которой строится классификация и карта взрываемости пород разрабатываемых месторождений. В качестве таковой обычно используются исключительно материалы детальной разведки, дополненные замерами блочности пород по керну разведочных скважин или непосредственно в уступах карьера. Однако известно, что густота разведочной сети по полезному ископаемому составляет в среднем 50-100х50-100 м, а по вмещающим породам многократно разрежается, что не позволяет уловить неоднородности массива с детальностью, необходимой для разработки классификации и составления карты взрываемости горных пород. Кроме того, формальный замер блочности пород не дает представления об ориентировке систем трещин и литолого-структурной принадлежности участка, где производится этот замер, что существенно сужает возможности прогнозирования пространственного размещения пород различных категорий взрываемости.

Накопленный авторами данной статьи опыт изучения горных массивов железорудных месторождений, разрабатываемых карьерами, с учетом практики оценки взрываемости пород специалистами горнорудных предприятий позволяет наметить рациональную методическую схему составления классификации и карты взрываемости пород (рисунок).

Исходной первичной информацией для ее реализации являются данные детальной разведки, отражающие геологическое строение месторождения (планы и разрезы), перечень и характеристику, в том числе по физико-механическим свойствам, основных петрографических типов пород.

На этапе проектирования карьера или начальной стадии его работы эти данные с учетом правильного выбора аналога (генетического и литолого-структурного) среди уже эксплуатируемых месторождений, позволяют в первом приближении разработать классификацию пород по взрываемости с заимствованием у аналога параметров взрывания по отдельным их категориям. При условии хорошей сохранности керна разведочных скважин можно по результатам его специального изучения дать количественную оценку блочности пород, выделить их классы по этому признаку и в целом реализовать на основе материалов детальной разведки всю схему, показанную на рисунке. Полученная таким образом карта взрываемости пород месторождения вследствие редкой сети разведочных скважин, особенно по вмещающим породам, и низкой представительности данных о трещиноватости горного массива по керну скважин, будет довольно грубой. По этой причине потребуется предпроектная натурная оценка каждого взрывного блока для уточнения категорий взрываемости пород и положения их границ.

Рис. Схема составления классификации и карты взрываемости горных пород при открытой разработке полезных ископаемых

В условия более или менее развитого карьера создаются предпосылки для детального изучения природных факторов, влияющих на взрываемость пород, непосредственно в обнаженных уступах. Основной метод достижения этого – геолого-структурное картирование в сочетании со съемкой трещиноватости пород по инструментально привязанным и разбитым на местности пикетами через 20 м маршрутам вдоль уступов карьера. В результате такого картирования существенно уточняется сводный геологоструктурный план карьера, составленный по материалам детальной разведки, дается петрографическая типизация горных пород месторождения с акцентом на те их особенности, которые прямо влияют на взрываемость. Выделенные типы пород должны быть контрастны по физико-механическим свойствам, легко узнаваемы визуально и показаны на сводном геологоструктурном плане. Как правило, имеющийся в материалах детальной разведки массив данных о физико-механических свойствах пород бывает достаточен для характеристики выделенных типов, но по отдельным из них, возможно, потребуются дополнительные испытания. В процессе геолого-структурных исследований необходимо также установить генетическую принадлежность и закономерности пространственного размещения выделенных петрографических типов пород с тем, чтобы в дальнейшем можно было уверенно прогнозировать их положение.

Съемка трещиноватости в карьере выполняется вслед за геологоструктурным картированием по выделенным в ходе его относительно однородным (петрографически и структурно) участкам уступов. При этом измеряются элементы залегания (азимут и угол падения) трещин и расстояние между трещинами одной системы, а если визуально системы явно не выделяются, то между соседними трещинами. В условиях магнитных аномалий (месторождения магнетитовых руд) для определения ориентировки трещин используют солнечный компас [ 5 ] или гироскопический трещиномер [ 9 ]. На участках карьера, опасных для непосредственного замера элементов залегания трещин и блочности пород, следует применять стереофотограмметрическую съемку трещин [ 4 ]. Для упрощенного дистанционного замера блочности пород можно использовать прибор-палетку [ 11 ]. Опыт натурных работ в карьере показал, что измерение ширины раскрытия трещин не имеет смысла, поскольку оно связано главным образом с техногенным фактором и вычленить из фактического замера его природную составляющую практически невозможно. Полевые измерения обрабатываются с получением данных о числе систем трещин, их относительной выраженности и пространственной ориентировке, среднем размере элементарного структурного блока, а при системном развитии трещин – среднем расстоянии между смежными трещинами по всем системам, ограничивающим этот блок.

По данным трещинной съемки карьера создается местная классификация пород по блочности. За основу следует брать шкалу Междуведомственной комиссии по взрывному делу [ 1 ], детализируя ее внутри отдельных классов или смещая границы классов в соответствии с особенностями распределения блочности в изучаемом горном массиве. При выделении критериальных значений блочности пород, определяющих границы классов, необходимо руководствоваться единой классификацией Б.Н. Кутузова с соавторами [ 6 ]. Далее анализируется распределение различных классов трещиноватости в каждом выделенном петрографическом типе пород. Конкретный тип пород может быть представлен различным числом классов по трещиноватости (от одного до полного их набора). Все зависит от генетической принадлежности, структурной позиции и относительной распространенности петрографического типа.

На основе сводного геологоструктурного плана карьера с нанесенными на нем станциями полевых измерений и их результатами (средними размерами естественной блочности) в соответствии с местной классификацией пород по трещиноватости строится карта блочности пород. Увязка границ участков одного класса выполняется с учетом пространственного положения структурных элементов (зон гипергенезасе, разрывных нарушений, осей складок), относительно которых закономерно меняется блочность пород.

Следующая задача – разработка классификации пород по взрываемости. Поскольку доминирующим фактором взрываемости является трещиноватость, в первоначальном варианте такой классификации каждому классу по блочности присваивается своя категория взрываемости и, чем выше этот класс (больше размер блока), тем выше и категория взрываемости пород (сопротивляемости их разрушению при взрыве). Для каждой выделенной таким образом категории взрываемости пород необходимо рассчитать удельный расход ВВ и сетку скважин по формулам, учитывающим не только размер естественной отдельности, но и крепость пород [ 8, 10 ]. В результате расчетов может оказаться, что породы одного класса блочности, но существенно отличающиеся петрографически и, как следствие этого, по крепости, правильнее отнести к разным, обычно соседним категориям взрываемости . Первичная классификация опробуется на серии опытных взрывов, по результатам которых она уточняется. Уточнения касаются как параметров взрывания (удельного расхода ВВ, сетки скважин с учетом применяемых диаметров буровых долот, величины перебура и забойки, интервала замедления) по категориям пород, так и объема той или иной категории. Это обычно случается тогда, когда при одной и той же блочности и крепости отдельные породы отличаются повышенной вязкостью или сжимаемостью, за счет чего существенно повышается сопротивляемость их разрушению при взрыве. Такие породы переводятся в более высокую категорию взрываемости.

Путем совмещения геолого-структурного плана и карты блочности в соответствии с местной классификацией пород по взрываемости строится карта взрываемости. Примеры таких карт даны в работах [ 2, 3 ]. Кроме границ пород различных категорий взрываемости, которые отражены на указанных картах, для проектирования массовых взрывов необходимо знать залегание господствующей системы трещин и слоистости пород в блоке. Эти данные берутся с геолого-структурного плана карьера. Классификация, особенно входящие в нее параметры взрывания, и карта взрываемости пород должны периодически корректироваться. Цель такой корректировки - оптимизация параметров взрывания и более дробное деление на категории взрываемости. Последнее достигается путем ввода промежуточных классов по трещиноватости, а соответственно и категории взрываемости. Указанная корректировка выполняется на основе систематического учета и анализа параметров, условий взрывания и результатов взрыва (выхода негабарита, сменной производительности экскаваторов) по каждому взрывному блоку.

Подобная работа ведется горной лабораторией (Б.В. Славский, В.Е. Каира) на Ковдорском ГОКе. В результате ее первоначальная классификация пород по взрываемости, в которой каждому из классов по трещиноватости, выделенных согласно Междуведомственной шкале, соответствовала своя категория взрываемости, была существенно преобразована (таблица).

Таблица

Типизация горных пород Ковдорского месторождения  по трещиноватости и взрываемости