Направления совершенствования взрывной технологии добычи блочного камня в массиве с интенсивной трещиноватостью

В экономике Республики Карелия существенную роль играет добыча полезных ископаемых. По данным Росстата, минерально-сырьевой сектор республики обеспечил почти треть общего объема (в рублях) отгруженных товаров, выполненных работ и услуг в Республике Карелия. После падения выручки от добычи полезных ископаемых в 2014 - 2015 гг., в 2016 г. минерально-сырьевой сектор республики восполнил свои потери и превзошел показатели 2013 г., продемонстрировав рост в 16,8 %. При этом наибольший потенциал для развития имеет добыча блочного камня, которая в целом показывает положительную динамику на протяжении последних 20 лет.

В Карелии наибольшее количество блоков добывается на Ропручейском массиве габбродиабазов [1], который представляет собой одно из немногих место- рождений габбродиабазов. Помимо Карелии подобные месторождения существуют только на Украине и в Австралии. Добыча блоков осуществляется открытым способом. Основная часть добычи блоков в границах Ропручейского массива добывается в его юго-восточной части, называемой Другорецкой группой месторождений.

Геология месторождения

Согласно имеющейся информации Другорецкая группа месторождений располагается в юго-восточной части Ропру-чейского массива, который простирается от города Петрозаводск в юго-восточном направлении более чем на 160 км при максимальной ширине 60 км [2]. Данная группа месторождений за время, прошедшее с её открытия, исследовалась несколько раз для различных целей [3]: в 1976 г. по заявке Главволговятскстроя были произведены работы по предвари- тельной разведке месторождения (Муты-тулин, 1979), в 1987-1988 гг. была произведена разведка габбродиабаза на блочный камень (Кевель, 1988). После изучались лишь отдельные участки Другорец-кого месторождения или обобщалась имевшаяся о нем информация. Добываемая порода является субинтрузивной магматической горной породой темносерого цвета, массивной текстуры, средней и мелкой зернистости, обладает высокими физико-механическими характе- ристиками, соответствующими требованиям ГОСТ 9479-2011 в части требований к физико-механическим свойствам прочных горных пород, и декоративными свойствами, соответствующим II группе по декоративности. Структура Другорец-кого месторождения имеет блоковое строение, обусловленное смещениями по зонам мощных тектонических разломов, рассекающих породы с северо-востока на юго-запад. Геологическое строение месторождения представлено на рис. 1.

Рис. 1 Геологическая карта Ропручейского массива и разрез по линии № I [2]

В процессе исследований на Друго-рецком месторождении было выделено 4 основные системы трещин:

• •    трещины системы I ориентированы согласно простиранию интрузии, угол падения 75–85°, среднее расстояние между трещинами 1,14–1,63 м;

• •    трещины системы II ориентирова-

• ны перпендикулярно простиранию интрузии, угол падения 70–80°, среднее расстояние 1,24–1,96 м;

• •    трещины системы III субгоризонтальные, с преобладающим пологим падением на запад - северо-запад, среднее расстояние 0,55–0,93 м;

• •    трещины системы IV ориентированы диагонально простиранию интрузии, расположение хаотичное, невыдержанное.

Как видно, углы между системами трещин близки к 90 . Подобная трещиноватость определила данный участок как наиболее перспективный для добычи блочного камня. Впоследствии началась процессе работы, трещиноватость также представлена скрытыми трещинами, не имеющими выхода на поверхность, что не позволило добывать предполагавшиеся изначально [3] 59,4 % блоков из горной массы. Наилучший результат был достигнут в 2004 г. и составил 17,6 %. Также упомянутые трещины распределе- ны по массиву неравномерно, показатель удельной трещиноватости по площади месторождения колеблется от 0,7 до 3,5 м/м2, что сильно усложнило планирование работ. Добыча продолжилась исключительно ввиду уникальности добываемого сырья, обеспечивающей высокий спрос.

Согласно данным Министерства по природопользованию и экологии Республики Карелия Другорецкое месторождение на данный момент разграничено на 15 участков, деятельностью же по добыче на данный момент занимаются 5 компаний. Разграничение участков по месторождению представлено на рис. 2.

его разработка, однако, как выяснилось в

Рис. 2. Границы участков месторождения: 1 – «Другорецкое-3», ЗАО «Интеркамень»; 2 , 3 – «Другорецкое-Западное», «Другорецкое-2», ООО «Другорецкое»; 4 , 5 – «Центральный Другорецкий»; «Другорецкий-4», ООО «Кара-Тау»; 6 – «Уч. Средний Другорецкого месторождения», ЗАО «Черный камень»; 7 – «Другорецкое-Южное», ЗАО «Другая река», участки 2, 8 - 15 разведаются или находятся в нераспределенном фонде недр

Национальный исследовательский технологический университет

Объемы добычи товарной продукции

Согласно общим статистическим данным за 2006 г. [4] добыча блоков по группе месторождений была оценена 17,4 тыс. м3 на все 5 рассматриваемых участков при добыче горной массы в 137 тыс. м3, выход блоков в среднем составил 12,6 %, однако за последние 10 лет этот показатель серьезно упал. К нынешнему моменту падение на определенных участках можно оценить в 2,5 раза. В итоге автором было проведено обобщение информации о добыче из открытых источников [1, 4], составлены аналогия для всех пяти участков и примерные графики добычи горной массы, блоков и выхода блоков в целом по ме- сторождению, представленные на рис. 3-5.

Так как известно, что за 2015 г. объем добычи по Карелии составил 38 500 м3 [5] и Другорецкая группа осталась ведущей по добыче блоков, то приближение можно считать относительно верным. Объем же добычи горной массы в этом случае оценивается в 508 тыс. м3 за 2016 г., выход блоков составил 5,1 %. По оценке, за последние 15 лет было добыто 296 тыс. м3 блоков и 4034 тыс. м3 горной массы, выход составил около 7,4 %. Прослеживается проблема падения выхода блоков, что говорит об ухудшении качества разработки месторождения и падении рентабельности работы.

Рис. 3. Добыча горной массы в целом по всему Другорецкому месторождению

Рис. 4. Добыча блоков в целом по всему Другорецкому месторождению

Рис. 5. Выход блоков по годам в целом по всему Другорецкому месторождению

Цели и задачи

Исследование путей решения данной проблемы предлагается выполнить на примере участка месторождения Дру-горецкий-3, разрабатываемого ЗАО «Интеркамень». На данном участке для поддержания уровня добычи блоков за последние 6 лет добыча горной массы была увеличена в два раза - с 45 до 99 тыс. куб. м в год, что говорит об актуальности проблемы в данном конкретном случае. Преимущество исследования именно этого участка недр заключается в проведенных недавно геологоразведочных работах, которые дают представление о трещиноватости на еще невскрытых горизонтах.

Как известно, основными факторами, влияющими на выход блоков, являются естественная и наведенная в процессе отработки трещиноватость массива горных пород. На первый фактор нельзя повлиять, его можно лишь учитывать при планировании работ. Стоит отметить, что массив очень слабо изучен по глубине. При этом на данный момент произвести детальное изучение нет возможности, поэтому предприятиям приходится ограничиваться данными визуального наблюдения. Именно естественная трещиноватость определяет во многом возможность рентабельной разработки блочного месторождения. В процессе эксплуатации именно она определяет во многом параметры разработки. В некоторых работах, таких как [6], данная тема рассмотрена более подробно, а именно сформулированы основные условия, обеспечивающие наиболее продуктивную технологию добычи блоков:

• 1)    ширина заходки должна быть равна или кратна расстоянию между крутопадающими вертикальными трещинами;

• 2)    направление фронта работ должно быть перпендикулярно к азимуту системы крутопадающих трещин, имеющих наименьшие межтрещинные расстояния;

• 3)    высота уступа (равная высоте монолита) определяется расстоянием между первичными горизонтальными (постельными) трещинами или кратна им.

Для исполнения указанных условий при подготовке к разработке отдельных массивов на постоянной основе производится поиск субвертикальных трещин. Именно они определяют размеры отделяемого блока. Однако для грамотного планирования как нынешних, так и будущих работ, необходимо знание о расположении трещин по всему месторождению. Для этих целей на всех вскрытых

Национальный исследовательский технологический университет горизонтах были произведены замеры видимых трещин, но оценка блочности исходя из этих данных не дала удовлетворительного результата из-за невозможности учесть скрытую трещиноватость. В 2005 г. была предпринята попытка использовать метод электроразведки для уточнения местонахождения нарушенных зон месторождения также без положительного результата. С тех пор выбор направления разработки месторождения производился исключительно на основании визуальных наблюдений и имеющегося опыта.

На второй фактор возможно повлиять путем совершенствования горных работ. Наибольшее влияние на наведенную трещиноватость, как правило, оказывает отделение блоков от массива, и на него следует обратить пристальное внимание.

Выбор метода отделения блоков камня от массива зависит от многих факторов среди них:

• •    физико-механические свойства горной породы;

• •    трещиноватость;

• •    минералогический состав;

• •    наличие включений;

• •    климатические условия;

• •    экономические параметры.

Обычно при разработке опытного карьера опробуется несколько методов. При этом в некоторых работах, таких как [7], предлагаются алгоритмы выбора оптимального метода отделения блочного камня в зависимости от вышеприведенных факторов. Условия участка Дру-горецкий-3 – III температурная зона, предел прочности на сжатие 342 МПА, наличие систем пологопадающих и субвертикальных трещин, содержание кварца в среднем – 6,2 %. Рекомендуемые методы для данных условий – механические клинья, заряды мягкого взрывания, газогенерирующие составы, ВВ.

В процессе отработки опытного карьера «Другорецкий-3» все вышеуказанные методы были опробованы. Наилучшие показатели по производительности дал буровзрывной метод сотрясательного взрывания с использованием дымного пороха. Суть указанного метода заключается в бурении горизонтальной строчки шпуров диаметром 32 мм. Расстояние между шпурами 0,3 - 0,4 м. Они бурятся у основания уступа до одной из субвертикальных трещин (длина шпура колеблется от 2 до 6 м) при трех обнаженных поверхностях массива. В качестве взрывчатого вещества используется дымный порох, в качестве забойки - песчаный материал, расход ВВ – 0,2 кг/м³, забоечный материал занимает не менее 1/3 длины шпура. Инициирование взрыва одновременное, по всей длине шпура с помощью ДШ, который инициируется с помощью электродетонатора. Схема описанного метода показана на рис. 6, представленного в «Типовом паспорте производства буровзрывных работ на месторождении «Другорецкое-3»».

Данный метод имеет сотрясательное воздействие. Его использование обусловлено мелкоблочной структурой месторождения. Как было упомянуто ранее, месторождение характеризуется значительной трещиноватостью, поэтому горно-геологические условия разработки исключают возможность выпилить или выколоть блоки правильной геометрической формы. Этот факт и скрытые в блоках трещины, вынуждают использовать буровзрывные работы с одностадийной системой разработки массива.

Рис. 6. Схема метода отделения блока от массива

У данного способа имеются следующие недостатки:

• 1.    Применение буровзрывного метода само по себе оказывает серьёзное разрушающее воздействие на массив. Согласно опыту разработки, зона разрушения охватывает примерно 15 см пришпу-ровой зоны вокруг заряда, что приводит к дроблению примерно 5 м³ горной породы, распределенных по площади стандартного по размерам блока. Размер зоны, пораженной наведенной трещиноватостью никогда не оценивался.

• 2.    Согласно произведенной видеосъемке, кадр из которой приведен на рис. 7, взрыв имеет чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия (КПД). Об этом говорит выброс газов с распыленном в нем ВВ, в котором продолжается горение. Низкий КПД вынуждает использовать большее количество ВВ. В итоге увеличиваются общие расходы на добычу и площадь соприкосновения колонки заряда с породой, что приводит к дополнительным нарушениям.

• 3.    По данному методу шпуры бурятся до субвертикальной трещины и заряжаются тоже от нее. При этом ее положение определяется визуальными наблюдениями на кровле уступа, что не может гарантировать идентичное расположение у подошвы. Заряжание же недобуров или перебуров приводит к заколам породы или повреждениям за разрабатываемым блоком.

• 4.    Удельный расход ВВ стандартный и не меняется в процессе отработки разных частей месторождения, несмотря на разницу в трещиноватости отдельных блоков.

Рис. 7 Кадр из видеосъемки взрыва

Таким образом, используемые технические приемы нуждаются в совершенствовании и оптимизации в плане изменения горно-геологических условий в пределах отрабатываемого месторождения.

Методы

Для поиска возможных решений поставленных проблем был проанализирован отечественный и зарубежный опыт разработки блочных месторождений и использования взрывного метода добычи.

В существующей практике ведения горных работ на российских предприятиях буровзрывной метод отделения блочного камня считается наиболее нетрудозатратным и низким по себестоимости по

Национальный исследовательский технологический университет сравнению с другими методами добычи. Несмотря на бурное развитие механических методов в России и за границей [8] в последние годы буровзрывной метод все еще остается востребованным для добычи прочных и трещиноватых пород. На данный момент в России предложено множество методов его усовершенствования, которые можно разделить на несколько групп:

• 1.    Попытки замены взрывчатых веществ на менее бризантные. В основном это ГДШ или низкоплотные газогенерирующие составы на основе хлористых соединений или аммиачной селитры [9 - 14].

• 2.    Применение дополнительных приспособлений для большей направленности энергии взрыва. Речь идет о дополнительных вкладках из лесоматериалов, металла или гидрозабойки, которые обеспечивают большую направленность энергии взрыва [15, 16].

• 3.    Применение зарядов нестандартной формы. В последние годы рынок ВВ пополнился взрывчатыми веществами в зарядах трубчатой формы, диаметр которых меньше критического диаметра, используемого в них ВВ. Типы этих зарядов - ЗМВ, ЗША и ЗЭТ. Также существуют разработки зарядов со встроенными кумулятивными выемками [6, 14 - 15, 17 - 19].

• 4.    Разработка математических моделей протекания процессов взрывания и разработка программ по расчету оптимальных параметров заряжания шпуровых и скважинных зарядов по добыче блочного камня [17].

• 5.    Как ранее упоминалось, трещиноватость имеет большое значение для эффективности разработки блочного месторождения. Для исследования трещиноватости в отечественном опыте применялись методы визуального наблюдения,

измерения и математического моделирования [20], однако в последние годы появились попытки совершенствования разведки блочных месторождений с помощью геофизических методов, таких как магниторазведка, электротомография и георадар [2, 21].

В зарубежном и прежде всего Европейском опыте ясно можно отметить тенденцию к постепенному отказу от буровзрывного метода в пользу механических методов. В целом в Европе и мире можно выделить следующие направления совершенствования добычи блочного камня

• 1.    В конце XX-го - начале XXI в. большое внимание уделялось развитию технологии добычи. Подытоживался имевшийся на тот момент опыт добычи блочного камня:

• а)    в странах с благоприятным климатом, таких как Испания и Италия, предпочтение было отдано в основном алмазно-канатному пилению. Помимо него используются также клиновой раскол, пиление водяной струёй. Лишь в случае высокой прочности горной породы используются пороховые заряды или технология взрывания с помощью детонирующего шнура и гидрозабойки [8, 22 - 25];

• б)    в странах с суровым климатом, таких как Швеция и Финляндия, предпочтение было отдано буровзрывному методу. Были произведены научноисследовательские работы и разработаны методики по моделированию протекания взрывных процессов и по предсказанию наведенной трещиноватости. Были созданы и опробованы новые взрывчатые вещества К-трубки в Финляндии, гурит в Швеции [22, 26 - 30]. Существуют также работы по созданию концентраторов напряжений для облегчения откола в процессе взрыва [26, 31 - 32].

• 2.    Также большое количество иностранных научных статей посвящено определению трещиноватости разрабатываемых массивов различными методами и построению моделей, на основе полученных данных. Большое внимание было уделено:

Национальный исследовательский технологический университет

• а)    натурному исследованию трещин на обнажениях и боковых поверхностях уступов, имеются даже методики по автоматизации этих работ. Для этого были созданы алгоритмы моделирования отдельностей внутри массива горных пород как в виде численных методик, так и в виде самостоятельных программ вроде 3D-Blockexpert [33 - 36]. Некоторые программы и методики предоставляют в том числе размеры оптимальных вписанных в отдельности блоков, которые подразумевают максимальный уровень добычи блочного камня, но это больше относится к механическим методам.

• б)    использованию методики геора-дарного зондирования, в котором используются электромагнитные волны для исследования внутренней структуры массива горных пород. Также, естественно, имеются методики интерпретации полученной информации и моделирования отдельностей на основе этих данных. Особенно широко данный метод применяется в Финляндии [30, 37 - 40].

Следует отметить, что за рубежом разрабатываются лишь месторождения максимально пригодные по своим горногеологическим условиям для добычи блочного камня, на которых системы трещин образуют относительно правильные геометрические отдельности. Об этом говорят и зарубежные системы моделирования, подразумевающие получение блоков абсолютно правильной геометрической формы и размеров [41, 42]. Месторождения со столь сложной и хаотичной трещиноватостью, как та, которая присутствует на карьерах Другорецкой группы, там не разрабатываются из-за своей нерентабельности. Это делает большую часть зарубежного опыта в плане разработки блоков слабоприменимой на рассматриваемом месторождении. Однако интересны используемые методы исследования и моделирования отдельностей, а также моделирования взрыва.

Еще одна причина, по которой на карьерах Другорецкой группы не будут использованы многие отечественные и зарубежные разработки по взрывному методу отделения блоков камня от массива, заключается в том, что они предполагают максимально щадящее воздействие взрыва на окружающую горную породу. Однако для продуктивной добычи блоков на рассматриваемом месторождении имеется нужда в определенном сотрясательном воздействии для раскрытия всех трещин массива [9].

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что для Другорецкого месторождения требуются особые, разработанные специально для него методы по повышению продуктивности добычи.

Результаты

Для решения поставленных задач, были выделены следующие направления исследований:

• 1.    Сбор и анализ существующей геологической информации о месторождении. Основное внимание необходимо уделить изменяемости трещиноватости по объему месторождения.

• 2.    Оценка нарушений, привносимых взрывными работами в массив габбро-диабаза, для определения эффективности предлагаемых улучшений.

• 3.    Выполнение исследований по определению возможности использования метода георадарного зондирования, а также иных методов учета трещиноватости на всей площади месторождения и на каждом отделяемом блоке. Поиск опти-

• Национальный исследовательский технологический университет

• 4.    Разработка методов увеличения КПД взрыва и, как следствие, сокращения использования дымного пороха в процессе отделения блока от массива для более щадящего воздействия на массив при сохранении сотрясательного эффекта. Данные методы могут включать: улучшение герметизации взрывных газов в канале шпура, использование механических методов как вспомогательных при отделении блока от массива, оптимизация расположения взрывчатого вещества в канале шпура на основе исследования трещиноватости, поиск закономерностей оптимального использования предлагаемых методов для получения наилучшего результата, оценка эффективности предлагаемых изменений.

• 5.    Составление математической модели на основе полученных закономерностей, на её основе алгоритма, а затем написание программы по расчету оптимальных параметров заряжания шпуров для получения наилучшего результата по добыче блоков при минимальных затратах.

мальных методов моделирования трещиноватости для планирования взрывных и добычных работ.

Заключение

В результате произведенного анализа установлено, что существует проблема постепенного снижения выхода блоков на Другорецкой группе месторождений.

Для решения поставленной проблемы, рекомендованы следующие основные направления исследований: сбор и анализ геологической информации о месторождении, оценка нарушений привносимых в массив горных пород взрывными работами, поиск методов по исследованию трещиноватости, разработка методов увеличения КПД взрыва и составление математической модели и программы для расчета оптимальных параметров заряжания шпуров.

Разработка вышеизложенных направлений на примере участка Другорец-кий-3 позволит улучшить показатели разработки Другорецкой группы месторождений путем увеличения выхода блоков из горной массы.

Национальный исследовательский технологический университет

Национальный исследовательский технологический университет

necessity. As a result, research directions are proposed to develop methods and technologies which will allow to react quickly to changes in quarrying and geological conditions and to control the destructive effect of an explosion during the extraction of dimension stone from intensively fractured massifs.

Drugoretskoe deposit, monolith extraction technology, drilling and explosive works, dimension stone, gabbrodiabase, drilling and blasting technology improving directions