СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ ПОСТАНОВКИ ТЕМЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.
Изменения, происшедшие в экономике Российской Федерации с начала 90-х годов, нашли отражение в технике и технологии буровзрывных работ, как и ранее, достаточно широко применяемых в различных отраслях промышленности (главным образом, горной) и строительстве. Наиболее часто в настоящее время взрывная отбойка продолжает использоваться на карьерах и угольных разрезах при добыче и вскрытии месторождений полезных ископаемых в различных гор-но-геологических и технических условиях.
Как показал наш анализ, наиболее характерными организационно-техническими особенностями современной практики подготовки и производства буровзрывных работ являются:
1. Сокращение объемов потребления промышленных ВВ (ПВВ) в среднем в 1,8-2 раза. В Российской Федерации годовой расход различных ПВВ составляет в настоящее время около 0,6 млн. тонн. Крупнейшим потребителем и производителем ПВВ являются США - объем годового потребления достиг почти 2 млн. тонн, в СНГ в 90-х годах - более 1 млн. тонн, Китай - 0,4 млн. тонн, Европейское сообщество - около 0,5 млн. тонн. Для сведения можно отметить, что стоимость выпускаемых ПВВ в США по оценкам известной экспертной группы Freedonia, составит к 2002 году гигантскую цифру 2,4 биллиона долларов и будет ежегодно возрастать в денежном выражении на 5,2% [83, 89].
В системе двух наиболее известных в России специализированных организаций - «Союзвзрывпроме» и «Трансвзрывпроме» в настоящее время ежегодно расходуется не более 50 - 60 тыс. тонн ВВ, что почти в два раза меньше, чем в конце 80-х - начале 90-х годов. В качестве основных ВВ, расход которых составляет не менее 80 - 85% суммарного расхода потребления ВВ, на многочисленных
объектах этих трестов (ежегодно не менее 700 - 800 объектов) при разработке открытым способом месторождений строительных материалов, представленных породами с f = от 4-5 до 16-18, продолжают использоваться различные грам-мониты и аммонит 6ЖВ в необводненных условиях; для отбойки обводненных пород - граммонит 30/70, и в отдельных случаях - тротил. Характерно, что наиболее перспективные водосодержащие и эмульсионные ВВ [38, 70, 79, 89] в указанных трестах практического распространения не получили (в России доля этих ВВ при ведении взрывных работ в угольной промышленности и при отбойке руд достигла в 1997 г. 11,2%), главным образом в виду их высокой стоимости (не менее 5-6 тыс. руб. за 1 тонну) и отсутствия соответствующих средств механизации, учитывающих специфику отбойки на карьерах по добыче стройматериалов [69].
В связи с ростом стоимости всех ПВВ весьма перспективным оказалось внедрение с начала 90-х годов на объектах трестов списываемых боеприпасов и ВВ на их основе. В «Союзвзрывпроме» в последние 3-5 лет для уменьшения затрат на взрывные работы были использованы новые ВВ, главным образом, заводского изготовления - граммопоры, нитропоры и гранипоры ФМ - ВВ на основе пироксилиновых зерненых порохов, а так же гранулиты Т, содержащие смесь гранулированной аммиачной селитры, порошкообразного торфа и жидкого нефтепродукта.
В «Трансвзрывпроме» эффективно применяется широкий ассортимент различных порохов и реже заводские ПВВ на их основе. Следует также отметить успешное использование комбинированных зарядов из аммиачной селитры и порохов при относительно небольших высотах уступов -от 3-4 до 8-10 метров.
Доля потребления списанных боеприпасов и ВВ на их основе в двух указанных специализированных организациях примерно одинакова - порядка 8 -10%.
Существенно, что примерно одинаков и расход смесей АС-ДТ, который достиг в последние годы 5-7%, главным образом, при отбойке пород с f до 7 - 8.
Более широкое внедрение этих ВВ сдерживается из-за отсутствия надежных и доступных средств механизации для их изготовления на местах работ.
Уменьшение в 90-х годах расходов ВВ, с одной стороны, способствовало повышению безопасности взрывных работ на карьерах, т. к. снизилось число взрывов и количество рабочих, занятых на различных операциях с ВВ, сократился объем серий и упростились монтажные схемы и охрана опасных зон. С другой стороны, в таких условиях возросли требования к обеспечению качества работ, т.к. ликвидация результатов неудачных взрывов, например, с увеличенным выходом негабарита, весьма дорогостояща. В этом случае увеличится на 10-15 дней (при производстве в настоящее время не более одного — двух взрывов в месяц на подавляющем большинстве карьеров) время уборки отбитой массы, которая будет осуществляться неритмично. Возможны также значительные простои и остановка оборудования ввиду отсутствия достаточного количества кондиционной горной массы.
На объектах ФГУП «Союзвзрывпром» число скважинных зарядов, взрываемых в серии, составляет в настоящее время не более 20-25, а в «Трансвзрыв-проме» - 15-20 при объеме отбиваемых пород не более 5-7 тыс.м3. Из большого числа объектов можно отметить Афанасьевский карьер в г. Воскресенске, на котором объем потребления ВВ практически не меняется в последние 5-7 лет, и на котором автором были проведены исследования по эффективности отбойки различными ВВ, в том числе и на основе порохов. К 2001 г. наметилось некоторое повышение (на 15-30%) годового объема работ на карьерах стройматериалов, главным образом, в центральном регионе России.
2. Средняя стоимость буровзрывных работ1 в расчете на 1м3 отбитых пород к 1999 году возросла до 5452 руб. (без деноминации) - см. рис.1-1. В 1991 г. средняя стоимость была равна 0,82 руб. Такой рост, в первую очередь, объясняется увеличением затрат на взрывчатые материалы. Так, если в начале 90-х годов
1 Данные относятся к карьерам по добыче строительных материалов, на которых ведут работы «Союзвзрывпром» и «Трансвзрывпром».
6000 -i
1991
1995
1999
Рис.1-1. Изменение стоимости буровзрывных работ с 1991г. по 1999г.
(без деноминации).
стоимость 1 кг аммонита 6ЖВ составляла 2,48 руб., то к I кв. 1999г. возросла более чем 1600 раз, а к 2001 г. превысила 2000 раз (без учета деноминации). По данным института Мосгипротранс индекс повышения цен на буровзрывные работы составил в 1998 году по сравнению с 1991 годом 10133, тогда как при выполнении буровых работ он равен 3205, т. е. в 3,1 раза меньше.
В настоящее время бурение скважин осуществляется легкими, маневренными станками типа БТС и СБУ. В связи со значительным уменьшением объема буровзрывных работ на многих, в основном, крупных объектах отпала необходимость в использовании тяжелых и дорогих шарошечных станков типа СБШ. Характерно, что в период с 1 января 1990 г. по 31 декабря 2001 г. указанными трестами не было приобретено ни одного станка типа СБШ. Для бурения скважин диаметром от 105 до 150-170 мм обычно применяют станки типа БТС, СВБ, СБУ и реже СБМК, УРБ и СБУД.
Таким образом, в структуре стоимости буровзрывных работ, как и раньше, основными являются затраты на ВВ. Их средний удельный вес в расчете на среднюю стоимость 1 м3 отбитых пород равен около 65% — см. рис. 1-2 (диаграммы построены по данным ГП «Союзвзрывпром» по состоянию на 01.01.99г.). Характерно, что доля затрат на ВВ в 70-80 г.г. составляла, по данным доктора технических наук В. Л. Барона, не более 30-35% [6]. При построении графика и диаграмм в качестве основных ВВ для заряжания скважин были использованы аммонит 6ЖВ, граммонит 79/21, гранулиты, гранипоры, пороха. В процессе дальнейшей обработки отчетных данных затраты на ВВ пересчитывались применительно к эталонному ВВ - аммониту 6ЖВ. В случае отбойки сильно обводненных пород удельный вес затрат на ВВ был еще выше - до 80-90%.
Ввиду того, что затраты на ВВ, как было показано выше, являются главными в структуре стоимости буровзрывных работ, наиболее экономически эффективным представляется расширение объемов применения более безопасных и дешевых ВВ простейших составов.
Применительно к условиям карьеров по добыче стройматериалов одним из
1996 год
1997 год
1998 год
70
60
50
40-|
30
20-J
1 - взрывчатые материалы;
2 - заработная плата
3 - эксплуатация машин и механизмов
4 - прочие затраты
Рис. 1-2. Изменение затрат на буровзрывные работы по статьям расходов.
наиболее эффективных целесообразных направлений снижения затрат на взрывную отбойку явилось внедрение списанных боеприпасов, в первую очередь порохов или ВВ на их основе [20, 58]. Выше отмечалось, что в «Союзвзрывпроме» в качестве ВВ были успешно использованы гранипоры и нитропоры - ВВ на основе зерненых пироксилиновых порохов, а в «Трансвзрывпроме» - довольно широкий ассортимент порохов. По-видимому, направление, связанное с повышением эффективности отбойки за счет внедрения порохов сохранит свое приоритетное значение для карьеров по добыче стройматериалов еще не менее 3-5 лет. Такой срок соответствует годовому потреблению порохов не менее нескольких тысяч тонн на карьерах стройматериалов и их имеющемуся запасу с учетом ежегодного списывания порохов в системе Министерства обороны.
Следует, однако, отметить, что опыт применения порохов и ВВ на их основе проанализирован недостаточно. В частности, не установлены эффективность применения ряда основных марок порохов, изменение гранулометрического состава и фактические значения переводных коэффициентов к ПВВ, а также область эффективного применения комбинированных зарядов из порохов и аммиачной селитры.
Весьма перспективным оказалось использование боеприпасов для создания профильных выемок с помощью взрывов на выброс, например, различных канав и траншей глубиной до 8-10 м на карьерах по добыче стройматериалов. Наиболее эффективное применение для этих целей нашли боевые зарядные отделения (БЗО) и различные реактивные пороха типа ФСГ, НМ-2 и др. Большой опыт производства таких взрывов накоплен в «Союзвзрывпроме». Однако, ряд важных аспектов, в значительной мере определяющих успешное внедрение такого метода, исследован недостаточно. В частности, не установлен диапазон изменения дальности разлета кусков породы и корпусов от боеприпасов при значениях показателя действия взрыва более 2-3, предельные расстояния по передаче детонации между боеприпасами в обводненных условиях, а также переводные коэффициенты к промышленным ВВ. Правильный выбор последнего показателя, как извест-
10
но, в значительной мере определяющего расход ВВ, особенно важен в настоящее время в связи с очень высокими железнодорожными тарифами на перевозку специальных грузов. Автор принимал непосредственное участие в комплексной оценке эффективности внедрения различных методов взрывов на выброс во время работы в 1990—1992 г.г. в инженерно-техническом центре при Центральной спецстройлаборатории треста «Союзвзрывпром» под руководством доктора технических наук В. Л. Барона.
3. За последние 12-15 лет была значительно усовершенствована методика и возросла точность определения всех норм расходов основных и вспомогательных материалов на буровзрывные работы. Указанное обстоятельство, в первую очередь, объясняется тем, что при определении нормативов в настоящее время учитывается не только возможное качество и условия выполнения работ, но и точность соблюдения проектных параметров в различных горно-геологических и технических условиях. Такой подход был впервые сформулирован в «Нормативном справочнике» «Союзвзрывпрома» [44] и в работе [4]. Особое значение определение реальных норм расходов приобрело в связи с возрастанием значимости каждого взрыва в условиях уменьшения объемов добычи на карьерах по добыче стройматериалов. По инициативе диссертанта нормы расхода основных и вспомогательных материалов (в первую очередь ВВ различных типов) в Московском филиале «Трансвзрывпрома» уже более 5 лет устанавливаются с учетом допустимого варьирования параметров взрывной отбойки.
4. Влияние фактических условий ведения работ на результаты взрывов должно в обязательном порядке учитываться на последней стадии проектирования - в корректировочных расчетах, за счет правильной разработки которых может быть обеспечено высокое качество отбойки даже при несоблюдении необходимой точности выноса проектных параметров в натуру. Однако такие методики корректировки в настоящее время отсутствуют, и их разработка не предусматривается действующими нормативами [13, 26, 61, 71, 72, 73].
11
Рассмотрим наиболее часто применяющиеся в настоящее время методики для выбора основных параметров отбойки на карьерах стройматериалов.
Наибольшее распространение при проектировании получили рекомендации «Технических правил» трестов «Союзвзрывпром» и «Гидроспецстрой» [71, 72], длительное время (более 25 лет) использующихся на карьерах по добыче стройматериалов. К основным преимуществам этих методик относятся возможность обеспечения проработки подошвы уступов, получение развалов требуемой высоты и ширины при правильном выборе диаметра скважин, длины ЛНС и заряда, а также учете прочностных свойств и особенностей залегания взрываемых пород. В «Технических правилах» «Союзвзрывпрома» [72] при расчетах основного параметра - длины ЛНС - два последних фактора предлагается оценивать величиной расчетного удельного расхода ВВ (К), принимаемого по табл. 1 «Правил».
Однако конкретные указания по выбору К в довольно широком диапазоне табличных значений (величина К даже для пород одинаковой крепости может отличаться на 40-50%) отсутствуют. Техническими правилами треста «Гидроспецстрой» [71] предусматривается учет конкретных геологических условий с помощью коэффициента Кт, изменяющегося в весьма небольших пределах - от 0,9 до 1,1, а сопротивляемость пород разрушению взрывом рекомендуется оценивать по объемному весу пород у. Практический опыт, однако, свидетельствует о том, что исходная трещиноватость отбиваемых массивов и особенности залегания пород оказывают более существенное влияние на качество проработки подошвы уступов, а величина у не может использоваться для надежной характеристики сопротивляемости пород разрушению взрывом.
К общему же основному недостатку этих методик относится тот факт, что при расчетах по ним никак не учитывается ожидаемое качество дробления пород и возможность оптимизации параметров зарядов.
В этом плане представляют практический интерес исследования, проведенные кандидатами технических наук Сергеевым Б. Н. [63] и Израителем Э.С. [29]. С учетом характерных особенностей карьеров по добыче стройматериалов ука-
12
занными авторами предлагаются способы прогнозирования качества дробления при различных параметрах отбойки. Однако в указанных работах недостаточно полно рассматриваются все факторы, существенно влияющие на выбор оптимальных параметров и качество дробления. В частности, не предусматривается количественный учет особенностей залегания и направления отбойки на параметры развала. Не обоснованы выбор диаметра скважин, тип ВВ и схемы взрывания, не рассматриваются возможные диапазоны изменения расчетных параметров при современной технике и технологии отбойки. В работе Сергеева Б. Н. оценка кусковатости производится в зависимости от изменения коэффициента разрыхления - показателя, который весьма сложно устанавливать в производственных условиях.
Значительным достижением явилась разработка расчетных методик определения параметров отбойки, изложенных в «Нормативном справочнике по буровзрывным работам» [44]. При проектировании буровзрывных работ наряду с учетом таких важных факторов, как крепость и плотность пород, диаметр скважин, высота уступов, размер кондиционного куска, тип применяемого ВВ и плотность заряжания, схемы взрывания, впервые была сделана количественная оценка возможной вариации основного показателя - удельного расхода ВВ в зависимости от типа применяемых станков и крепости пород. К недостаткам можно отнести тот факт, что в «Нормативном справочнике» фактически не обосновывается ожидаемый выход негабарита и не реализована возможность его регулирования за счет изменения параметров буровзрывных работ.
Имеется значительное количество и других методик для расчета параметров отбойки на карьерах строительных материалов, например [80], однако широкого практического распространения в настоящее время они не получили. К их основным недостаткам относятся недостаточно полный учет всех факторов, влияющих на качество дробления, отсутствие указаний по надежности получения требуемых результатов взрывов и возможности регулирования выхода негабари-
13
та за счет изменения расходов ВВ, конструкции зарядов, расстояний между скважинами и выбору схем взрывания в различных условиях.
Менее известны методики для расчета параметров буровзрывных работ, принятые за рубежом. Эти методики разработаны, главным образом, на основании производственных или реже лабораторных экспериментов, а также промышленных взрывов и носят, в основном, эмпирический характер [7, 18].
Ввиду необходимости учета, как было показано выше, большого числа факторов, в разной степени влияющих на технико-экономические показатели буровзрывных работ и их стоимость, очевидна целесообразность разработки программ САПР, применение которых может позволить значительно ускорить проектирование и повысить степень обоснованности выбора эффективных параметров в конкретных условиях ведения отбойки.
Из отечественных работ, посвященных созданию таких САПР, одной из первых явилась выполненная в Московском государственном горном университете по заказу «Союзвзрывпрома» в 90-х г.г. Разработка САПР была осуществлена на основе построения ряда математических моделей действия взрыва при уступной отбойке на карьерах по добыче строительных материалов. Расчеты базировались на гидродинамической теории взрыва. Процесс разрушения массива был разделен на две следующие основные фазы (стадии):
1. Передача энергии взрыва окружающей среде.
2. Процесс разрушения среды.
На первой стадии реальная среда была заменена идеальной жидкостью, передача энергии которой осуществляется мгновенно. Расчет возможной степени дробления на второй стадии был осуществлен для упруго-пластичной среды. Предполагается, что взрываемые среды являются изотропными, то есть их свойства однородны по всем направлениям от центра заряда.
Методики расчета с помощью ЭВМ, разработанные в институте ВНИПИ-Стромсырье, [77] отличаются в первую очередь более детальным и обоснован-
14
ным прогнозированием гранулометрического состава отбитой горной массы при различных параметрах буровзрывных работ.
К основным недостаткам этих методик можно отнести отсутствие указаний по степени надежности получения проектных результатов взрывов, недостаточно полный учет возможностей регулирования качества дробления за счет изменения конструкции зарядов, направления отбойки, интервалов замедления и схем взрывания. Не приведены рекомендации по допустимым диапазонам отклонений проектных параметров от фактических значений и методика оперативного регулирования кусковатости в таких случаях. Эти же недостатки в той или иной мере присущи и другим программам по определению с помощью ЭВМ рациональных параметров буровзрывных работ, разработанным в СНГ [36,40,46].
За рубежом, главным образом в США, в настоящее время значительное внимание уделяется вопросам применения ЭВМ при проектировании буровзрывных работ на открытых и подземных разработках [7]. Создано уже около 20 программ, используемых для прогнозирования качества дробления и стоимости буровзрывных работ. Наиболее известными являются программы «Sabrex» и «BLASPA». Эти программы применяются не только для оценки кусковатости отбитой горной массы и определения затрат на буровзрывные работы, но и для расчетов границ зон разрушения, дальности разлета кусков породы, моделирования профиля развала, скоростей смещения уступов. Результаты расчетов на ЭВМ могут быть представлены как в численном, так и в графическом видах.
В отличие от отечественной практики зарубежные программы предназначены не для оптимизации параметров зарядов при обеспечении требуемой степени дробления, а для «перебора» различных комбинаций проектных параметров. Их определение осуществляется по обычным методикам на первой стадии расчетов, после чего выполняется моделирование с помощью ЭВМ качества дробления, размеров зон разрушения, параметров развала и реже возможной стоимости буровзрывных работ.
15
Компанией D'Appolonia Consulting (США) разработана программа «Blast -for» , успешно используемая при расчетах рациональной длины ЛНС для случая взрывания скважинных зарядов в вечномерзлых грунтах.
К основным недостаткам зарубежных программ можно отнести, так же как и в СНГ, недостаточный учет эффективности использования различных схем замедления, зарядов различной конструкции, влияния направления отбойки на качество дробления, полное отсутствие данных по допустимым отклонениям параметров и возможной вариации результатов отбойки в различных горно-геологических и технических условиях.
Следует отметить, что в последние 2-3 года начаты исследования по созданию методик расчета корректировки параметров отбойки с учетом фактических условий ведения буровзрывных работ. Так, разработанная в Австралии программа «Virtioblast» [86, 88] основывается на результатах видеосъемки процессов разрушения блоков скважинными зарядами. При выборе рациональных параметров с использованием этой программы в обязательном порядке должны учитываться фактическая степень трещиноватости пород, их прочностные свойства и особенности залегания. В процессе видеосъемки фиксируются время разрушения, скорость перемещения пород, форма развала, качество дробления и дальность разлета. Разработана блок-схема моделирования взрывов скважинных зарядов и расчетов на ЭВМ параметров с учетом данных видеосъемки. Утверждается, что широкое внедрение этой программы на горных предприятиях Австралии может позволить снизить стоимость отбойки на 140 млн. долларов в год.
Довольно широкое распространение получили исследования по оптимизации параметров буровзрывных работ на основе измерений в полевых условиях интенсивности сейсмических колебаний. Для регистрации рекомендуются сейсмографы типа «Blast Mate» и «SSU 3000LC». В расчетах, выполняемых с помощью ЭВМ, корректировка физико-механических свойств взрываемых пород осуществляется в зависимости от фактических скоростей распространения различных сейсмических волн.
16
Компания Precission Blasting Services (США) разработала программу для определения количества энергии, выделяющейся при массовых взрывах [7]. В настоящее время эта программа используется для оценки эффективности применения смесей АС-ДТ различного состава и корректировки параметров отбойки. Программа «Vulkan» предусматривает выбор оптимальной сетки расположения скважин по данным анализа результатов ранее выполненных взрывов. Методика обработки результатов взрывов, однако, не приводится [88-91].
Общим недостатком всех выше описанных программ и методик корректировки, по нашему мнению, является отсутствие указаний по изменению качества дробления и проработки подошвы уступов в различных горно-геологических и технических условиях. Никак не оцениваются допустимые отклонения фактических и рекомендуемых параметров, без чего, как известно, нельзя оценить необходимость дополнительной корректировки проектной документации и ожидаемый гранулометрический состав отбитой горной массы.
Следует отметить широкое внедрение в последние годы в США мини-ЭВМ для расчета отдельных параметров буровзрывных работ и выхода кусков определенного класса крупности. Такие программы разрабатываются специально созданными компаниями, например, Precision Blasting Services, причем, стоимость программ не превышает 100 долларов США [7].
По нашему мнению, в наибольшей мере свободна от выше указанных недостатков созданная в ЦПЭССЛ программа «Проект» для выбора рациональных параметров отбойки применительно к условиям карьеров по добыче стройматериалов [14]. Характерной ее особенностью является интегральный учет влияния всех основных условий отбойки на качество дробления. При этом наряду с оценкой неадекватного влияния величины отдельных показателей на результаты расчетов и стоимость буровзрывных работ рассматривается влияние отклонений расчетных параметров на качество отбойки. Существенно так же, что может быть установлена и «сила» влияния каждого из рассматриваемых факторов в условиях
17
их взаимосвязи и намечены наиболее эффективные направления дальнейшего совершенствования буровзрывных работ.
Автор принимал непосредственное участие в процессе разработки этой программы - вел оценку степени колеблемости основных параметров, а так же проверку надежности вычислений по различным формулам. Такие исследования были проведены на Михайловской и Полотняно-Заводской группах карьеров «Союзвзрывпрома» и Афанасьевском карьере в «Трансвзрывпроме». На базе полученных данных автором затем была разработана под руководством доктора технических наук Барона В. Л. программа для разработки корректировочных расчетов в соответствии с фактическими условиями отбойки и с учетом требований техники безопасности, в первую очередь, в отношении дальности разлета.
Анализ современной практики производства буровзрывных работ и выполненных исследований на карьерах по добыче стройматериалов позволяет сделать следующие выводы:
1. В настоящее время накоплен значительный опыт взрывной отбойки пород крепостью f от 3 до 18 на карьерах по добыче стройматериалов. Характерной тенденцией является уменьшение объемов добычи в последние 5-7 лет и соответствующее снижение потребления ВВ в 1,8-2 раза. Суммарный годовой расход ВВ на карьерах по добыче стройматериалов в двух крупнейших в СНГ специализированных организациях-трестах «Союзвзрывпром» и «Трансвзрывпром» уменьшился в 1998 г. до 80 тыс. тонн. В качестве основных ВВ на карьерах продолжается применение граммонита 79/21 и аммонита 6ЖВ, в обводненных условиях применяется граммонит 30/70 и реже тротил.
2. Удельные затраты на ВВ (в расчете на 1 м3 отбитых пород) составляют не менее 60-70%. Поэтому основным направлением дальнейшего совершенствования буровзрывных работ является, в первую очередь, снижение стоимости ВВ. На карьерах двух указанных трестов наиболее эффективным оказалось внедрение списанных боеприпасов, главным образом, зерненных пироксилиновых порохов или ВВ на их основе, а также комбинированных зарядов из аммиачной селитры и |
