Совершенствование технологии взрывных работ с применением эмульсионных взрывчатых веществ на карьерах Хибинских месторождений

В настоящее время в нашей стране и за рубежом для отбойки горных пород увеличиваются объемы применения эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) ввиду полной механизации их приготовления и заряжания, высокой водоустойчивости, низкой себестоимости и отсутствия в составе опасных и дорогих индивидуальных взрывчатых веществ.

ФГУП «ГосНИИ «Кристалл», первый в СССР и Российской Федерации, разработал концепцию производства па местах применения безопасных и более экологически чистых промышленных эмульсионных взрывчатых веществ. С 1988 года в промышленную эксплуатацию введено 10 установок по получению отечественных эмульсионных взрывчатых веществ порэмитов, в том числе и на ОАО «Апатит», и использовано при добыче полезных ископаемых более 500 ООО тонн ЭВВ. Другим ведущим разработчиком и производителем ЭВВ в России является ЗАО «Нитро Сибирь», которое с 1990 г. занимается разработкой рецептур, технологии изготовления и применения эмульсионных ВВ, а также проектированием, строительством и эксплуатацией комплексов по их производству. Указанные ВВ выпускаются под промышленной маркой «Сибирит» и предназначены для эффективного применения практически в любых горнотехнических условиях. К настоящему времени ЗАО «Нитро Сибирь» построены и успешно эксплуатируются четыре комплекса с общей мощностью свыше 200 000 т/год. Немаловажным является и тот факт, что для производства порэмита и сибирита используются исключительно отечественное сырье и материалы.

Опыт использования эмульсионных ВВ на рудниках ОАО «Апатит» показал высокую эффективность их применения. Но при применяемой технологии ведения взрывных работ массив горных пород подвергается интенсивным динамическим нагрузкам, что сопровождается значительными разрушениями законтурной части скального массива, общим и местным ослаблением его прочности в зоне действия взрыва. Обуривание блока в таких условиях, особенно при большом водопритоке, приводит к падению производительности бурения, обрушению скважин и их потерям, что вынуждает вести зарядку вслед за бурением. Потеря скважин также приводит к дополнительным затратам на бурение и повышенному выходу негабарита.

В применяемых ЭВВ процесс газификации наиболее полно протекает при температуре эмульсии 80−60°С в течении 30−40 минут после введения газогенерирующей добавки. Длительное нахождение смесительио-зарядной машины па блоке и заряжание обводненных скважин при низких температурах приводит к быстрому остыванию эмульсии в скважине, в результате чего нарушается процесс газификации. Этот фактор ограничивает применение эмульсионных ВВ и при проведении съездов, где применяются укороченные скважины. Поэтому сложные горные, гидрогеологические, а также климатические условия отработки Хибииских апатит-нефелиновых месторождений требуют разработки новых составов ЭВВ, обеспечивающих быстрый процесс газификации эмульсии с сохранением взрывчатых характеристик ВВ, совершенствования технологии ведения взрывных работ с целью снижения законтурных нарушений на рабочих блоках и расширения условий применения эмульсионных ВВ.

Целью работы является совершенствование технологии взрывных работ с использованием разработанных составов ЭВВ в сложных гидрогеологических и климатических условиях Хибинских месторождений для повышения эффективности скважииной отбойки и снижения законтурных нарушений с обоснованием способов для ее реализации.

Основная идея работы заключается в использовании для приготовления эмульсии эмульгаторов, способствующих процессу газификации в широком температурном диапазоне без введения закисляющих добавок, и выборе значений объемной концентрации энергии зарядов ЭВВ, обеспечивающих снижение уровня динамического воздействия на законтурный массив.

Задачи исследований.

1. Выявить факторы, влияющие на процесс газификации эмульсии в скважинах в сложных горных, гидрогеологических, а также климатических условиях отработки Хибинских апатит-нефелиновых месторождений.

2. Разработать и исследовать новые рецептуры эмульсионных ВВ и произвести экспериментальную оценку их детонационных характеристик.

3. Определить условия применения разработанных составов эмульсионных ВВ и отработать технологию заряжания скважин эмульсионными ВВ с различной плотностью.

4. Обосновать технологию ведения взрывных работ в сложных гидрогеологических и климатических условиях Хибинских месторождений с использованием разработанных ВВ.

Методы исследований включают аналитические методы расчета энергетических и детонационных характеристик ВВ, стандартные статистические методы обработки экспериментальных данных, методы подобия при моделировании процессов в лабораторных условиях, методы физико-химических исследований, методы определения скорости детонации в полигонных и полевых условиях, лабораторные исследования и промышленные испытания.

Основные научные положения, пыносимые на защиту:

1. Использование эмульгаторов с низким значением рН при непрерывном цикле производства окислителя позволяет расширить температурный диапазон устойчивой газификации эмульсионных ВВ с 80 до 20 °C без введения закисляющнх добавок в раствор окислителя.

2. Достижение заданных значений объемной концентрации энергии скважинпого заряда при газовой сенсибилизации эмульсионного ВВ регламентируется воздействием гидростатического давления, температурой ЭВВ и временем до окончания момента газификации.

3. Технология взрывных работ, базирующаяся па использовании разработанных ЭВВ с оптимальными параметрами их применения, обеспечивает необходимую степень дробления горных пород и снижение законтурных нарушений в тыльную часть массива.

Научная новизна работы:

1 .Установлено, что использование нового эмульгатора «амфора» обеспечивает приготовление стабильной эмульсии при непрерывном цикле производства окислителя и позволяет ускорить процесс газификации в скважинах при температуре эмульсии от 80 до 20 °C без введения закисляющнх добавок в раствор окислителя.

2. Установлены параметры изменения плотности эмульсионного состава от величины гидростатического давления и температуры для различных глубин скважин в зависимости от исходной плотности заряжания.

3. Экспериментально определена скорость детонации эмульсионных ВВ в зависимости от плотности заряжания скважин и определены условия надежного взрывания зарядов эмульсионного ВВ.

4. На основе универсального эмульгатора «амфора» разработано новое эмульсионное ВВамфорэм АП и технологические режимы его изготовления и заряжания.

5. Разработана технология взрывных работ, базирующаяся на использовании разработанных ЭВВ с оптимальными параметрами их применения, которая обеспечивает необходимую степень дробления горных пород и снижение законтурных нарушений в тыльную часть массива.

6. Доказана возможность применения разработанного эмульсионного ВВ — амфорэм АП в «коротких» скважинах в условиях действия отрицательных температур, что значительно расширяет условия его применения.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований и разработке методик исследований, в проведении расчетов детонационных характеристик эмульсионных ВВ, в выполнении экспериментального изучения зависимости плотности эмульсионных ВВ от гидростатического давления, температуры и рН, в планировании, организации и проведении промышленных испытаний, в расчете экономической эффективности применения эмульсионных ВВ на карьерах Хибинских месторождений.

Достоверность научных результатов подтверждается значительным объемом проанализированной и полученной информации, удовлетворительной сходимостью лабораторных и полигонных экспериментов с данными промышленных испытаний, корректным выбором методов измерений, использованием современной измерительной аппаратуры с высокой помехоустойчивостью и разрешающей способностью, практикой использования результатов исследований на предприятиях Кольского горнопромышленного комплекса.

Практическое значение работы:

На основе универсального эмульгатора «амфора» разработано новое эмульсионное ВВамфорэм АП, технические условия, технологические режимы изготовления и заряжания, организовано его промышленное производство, что позволило повысить безопасность производства работ при ведении зарядки вслед за бурением и сократить объемы применения штатных ВВ на открытых горных работах.

Разработана технология взрывных работ, базирующаяся на использовании разработанных ЭВВ с оптимальными параметрами их применения, которая обеспечивает необходимую степень дробления горных пород и снижение законтурных нарушений в тыльную часть массива.

Реализация результатов работы.

Основные результаты работы, связанные с разработкой новых составов эмульсионных взрывчатых веществ, включены в технологические регламенты производства эмульсионных ВВ, паспорта ведения буровзрывных работ, проекты на массовые взрывы и внедрены на карьерах ОАО «Апатит». За период с 01.10.2002 г. по 01.10.2005 г. на заводе по производству ЭВВ ОАО «Апатит» изготовлено 24,7 тыс. тонн эмульсионного ВВ амфорэм АП. Объем горной массы, отбитой с использованием разработанного ВВ, составил более 21 млн. м3. Суммарный экономический эффект, достигнутый за счет снижения удельного расхода ВВ на отбойку и уменьшения доли штатных ВВ, составил более 20 млн. рублей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических советах ОАО «Апатит», Всероссийском семинаре-совещании «Взрывное дело-99» (г. Москва, 1999 г.), научно-технических семинарах «Неделя горняка» в 1999;2004 гг. Материалы исследований использованы при разработке технической документации на производство эмульсионных ВВ и освоении технологии приготовления ЭВВ в ОАО «Апатит» .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 117 страниц текста, 29 таблиц, 16 рисунков, список литературы из 75 наименований и приложения.

Выводы.

1.Показано, что плотность сформировавшегося заряда в скважине зависит от гидростатического давления, температуры и времени газификации.

2. Теоретические данные распределения плотности проверены практическими экспериментами, показывающими совпадение результатов теоретического расчета и практического эксперимента.

3. Показана возможность использования эмульгаторов типа Y (Амфора) с рН равным 3−4 для создания новых типов эмульсионных ВВ.

4. Результаты экспериментов показывают стабильный детонационный процесс. Скорость детонации максимальна в диапазоне плотностей ЭВВ от 1150 до 1190 кг/мЗ и достигает 5610 м/с при плотности заряда 1160кг/мЗ. При этом обеспечивается хорошая проработка подошвы уступа.

5. Показано, что за счет снижения объемной концентрации энергии по последнему ряду скважин повысилась устойчивость откосов.

6. Общий экономический эффект по всем внедренным мероприятиям составил более 20 млн. рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основании экспериментальных исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения по ведению взрывных работ в сложных горнои гидрологических условиях, заключающиеся в разработке новых эмульсионных взрывчатых веществ, наиболее пригодных для суровых климатических условий, и установлении параметров их заряжания для снижения законтурных нарушений с учетом естественной нарушенное&tradeмассива горных пород, внедрение которых позволяет повысить безопасность и экономичность горных и взрывных работ на карьерах. Основные научные результаты и практические выводы, полученные в результате исследований, заключаются в следующем:

1. Применение эмульсионных ВВ в скважинах с проточной водой в условиях Крайнего Севера в течении 10−20 минут приводит к снижению температуры эмульсии до 50−60°С в результате чего процесс газификации не успевает завершиться и получаемая плотность заряда близка к критической, при которой возможно затухание детонации.

2.Установлено, что использование нового эмульгатора «амфора», при непрерывном цикле производства окислителя, позволяет расширить температурный диапазон устойчивой газификации эмульсионных ВВ с 80 до 20 °C без введения закисляющнх добавок в раствор окислителя.

3. Установлены параметры изменения плотности эмульсионного состава от величины гидростатического давления и температуры для различных глубин скважин в зависимости от исходной плотности заряжания.

4. Экспериментально определена скорость детонации эмульсионных ВВ в зависимости от плотности заряжания скважин и величины колонки заряда и определены условия надежного взрывания зарядов эмульсионного ВВ.

5. Разработано новое эмульсионное ВВ — амфорэм АП на основе эмульгатора «амфора» и технологические режимы его изготовления и заряжания.

6. Разработана технология взрывных работ, базирующаяся на применении зарядов ВВ с различной объемной концентрацией энергии по рядам скважин, обеспечивающая необходимую степень дробления горных пород и снижение законтурных нарушений в тыльную часть массива.

7. Суммарный экономический эффект, достигнутый за счет снижения удельногохода ВВ на отбойку и уменьшения доли штатных ВВ составил более 20 млн. рублей.