Разработка и обоснование технических и технологических решений при взрывной подготовке обводненных вскрышных пород к экскавации на разрезах Кузбасса

Актуальность работы. Технология и организация взрывных работ при подготовке обводненных вскрышных пород к выемке на разрезах являетсябо-лее сложной и более затратной по сравнению с необводненными условиями. Производительность зарядного оборудования и персонала при этом заметно снижается, а затраты на буровзрывную подготовку горной массы увеличиваются на 20 — 30%.

Гидрогеологические факторы проявляются при выборе ассортимента взрывчатых материалов, обосновании технологии заряжания скважин и способов формирования зарядов, при выборе технических средств и технологических мероприятий по снижению негативного влияния обводненности.

На разрезах Кузбасса ежегодно взрывается около 1,5 млн. скважин. При этом в каждой второй взрывной скважине в той или иной мере присутствует вода. Наличие ее препятствует формированию рекомендуемых наукой и апробированных на практике конструкций скважинного заряда, которые обеспечивают качественную подготовку горной массы к выемке. Это относится к средствам рассредоточения зарядов при наличии воды, их гидроизоляции в случае использования неводоустойчивых ВВ, а также средств и способов забойки сильнообводненных скважин.

Предварительное контурное взрывание является одним из средств снижения обводненности блока. В настоящее время разработаны рекомендации по определению параметров контурных зарядов применительно к взрыванию высоких уступов высотой более 30 м, снижение обводненности которых достигается одновременно с заоткоской следующих по фронту горных работ уступов с целью, повышения их устойчивости и обеспечения безопасности ведения горных работ на уровне нижней рабочей площадки. Фактически, при преобладающих объемах транспортной вскрыши, около 80% взрываемых блоков имеют высоту менее 30 м, поэтому предварительное контурное взрывание для снижения их обводненности следует рассматривать как специальное мероприятие, условия целесообразности которого в настоящее время еще не исследованы.

Удаление воды из скважин. с использованием осушающих машин в ряде случаев позволяет на относительно непродолжительное время понизить ее уровень. Вместе с тем имеются взрывные блоки, в которых приток воды в скважины сравним с производительностью насоса осушающей установки, что заведомо предопределяет нецелесообразность использования осушающих машин. Условия применения осушающих машин по гидрогеологическим факторам, возможность их технологической адаптации в комплексе с зарядными машинами, а также соотношение этого метода с предварительным контурным взрыванием для снижения обводненности блока в целом являются нерешенными на данный момент времени вопросами, которые требуют научных исследований.

С этой точки зрения разработка и исследование эффективности применения технологичных средств формирования зарядов в обводненных скважинах, исследование условий целесообразности контурного взрывания, как специального мероприятия направленного только на снижение обводненности взрывных блоков, установление условий применения осушающих машин, как средства альтернативного контурному взрыванию, позволит повысить эффективность взрывных работ не только на угольных разрезах, но и при открытой разработке других полезных ископаемых, где подготовка горной массы к выемке осуществляется взрывным способом.

Работа выполнена в рамках программы повышения эффективности буровзрывных работ на разрезах ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» на 2005 — 2010 гг. и планов НИР Кузбасского государственного технического университета.

Целью работы является разработка и обоснование технических и технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности взрывной подготовки обводненных вскрышных пород к экскавации на разрезах.

Объектом исследования являются вскрышные обводненные буровзрывные блоки высотой до 30 м.

Предметом исследования являются показатели эффективности рекомендуемых технических средств формирования зарядов в обводненных скважинах и технологических способов снижения обводненности при взрывной подготовке вскрышных пород к экскавации.

Идея работы заключается в установлении взаимосвязи типовых конструкций зарядов в обводненных скважинах с показателями обводненности взрывного блока после контурного взрывания и показателями обводненности скважин после осушения.

Задачи исследования:

— разработать эффективные средства формирования зарядов в обводненных скважинах, обеспечивающих возможность снижения расхода водоустойчивых ВВ при сохранении качества дробления горной массыобосновать условия применения предварительного контурного взрывания при подготовке обводненных взрывных блоков высотой до 30 м, как специального технологического мероприятия, направленного на снижение уровня обводненности блока перед бурением и зарядкой основной системы скважинобосновать условия применения технологических схем взрывной подготовки обводненных породных уступов с использованием осушающих машин для удаления воды из взрывных скважин и выполнить сравнительную технико-экономическую оценку этого способа с предварительным контурным взрыванием для снижения обводненности блока в целом.

Методы исследований:

— статистическая обработка производственных данных и результатов хронометражных наблюдений;

— математическое моделирование технико-экономических показателей буровзрывных работопытно-промышленные эксперименты.

Научные положения, выносимые на защиту: использование универсальных запирающих устройств в конструкции забойки сильнообводненных скважин, заряжаемых эмульсионными ВВ, позволяет увеличить выход горной массы на 9,0 — 14,0% без снижения качества подготовки горной массы, а при использовании их в контурных скважинах — увеличить расстояние между скважинами в 1,2 — 1,3 разапредварительное контурное взрывание, как специальное средство снижения обводненности взрываемых блоков, целесообразно применять при проектной глубине скважин более 8 м и высоте столба воды до 4 м с последующей зарядкой скважин только неводоустойчивым ВВ, а также при глубине скважин 15 — 30 м и высоте столба воды от 4 до 12 м при последующем применении рассредоточенных комбинированных зарядовудаление воды из слабоприточных скважин глубиной до 30 м осушающими машинами целесообразно при любой высоте столба воды и обеспечивает экономию затрат на подготовку горной массы 1 — 3 руб./м в зависимости от прочности вскрышных пород и является в этих условиях более эффективным по сравнению с предварительным контурным взрыванием.

Научная новизна работы заключается: в обосновании эффективности применения универсальных запирающих устройств (УЗУ) в конструкции забойки сильнообводненных скважин, заряжаемых эмульсионными ВВ, и контурных скважинах, а также в случае, когда по объективным причинам невозможно осуществить традиционную инертную забойку из бурового штыба. в установлении области применения предварительного контурного взрывания уступов высотой до 30 м, как специального технологического мероприятия, направленного на снижение уровня обводненности блока перед бурением и зарядкой основной системы скважинв установлении совокупности горнотехнических параметров, определяющих условия применения осушающих машин при удалении воды из взрывных скважин.

Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследованияформулировании основной идеи достижения целиорганизации и проведении опытно-промышленных взрывовв разработке структуры экономико-математической модели и обобщении результатов исследования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждается:

— применениемдля описания, исследования и анализа изучаемых технико-экономических закономерностей методов математического моделирования с обоснованием адекватности всех элементов модели;

— непротиворечивостью результатов и выводов и их сопоставимостью с ранее выполненными исследованиями;

— положительными результатами опытно-промышленной проверки отдельных рекомендаций;

— фактически имеющимся опытом буровзрывных работ в обводненных условиях угольных разрезов.

Научное значение работы состоит в создании системы комплексной оценки обводненности взрываемых породных блоков и установлении закономерностей формирования скважинных зарядов, обеспечивающих эффективность разработки угольных месторождений Кузбасса.

Практическая ценность работы заключается: в снижении удельного расхода эмульсионных ВВ при заряжании сильнообводненных скважинв уменьшении объема бурения и расхода взрывчатых материалов при предварительном контурном взрываниив повышении уровня информативности при принятии оперативных решений по выбору типовых конструкций заряда" в обводненных скважинахв снижении расхода относительно дорогих водоустойчивых ВВ при ведении взрывных работ в обводненных условиях.

Отличие от ранее выполненных работ заключается в разработке принципов обоснования эффективных технических средств и технологических способов подготовки обводненных вскрышных блоков к взрыванию.

Реализация работы подтверждается письмом Южно-Сибирского управления Ростехнадзора от 17.09.10 о проведении приемочных испытаний универсальных запирающих устройств, актом испытаний от 24.12.10, подписанным представителями Ростехнадзора, новационной фирмы «Кузбасс-НИИОГР» и ООО «Кузбасспромресурс», актом внедрения универсальных запирающих устройств и средств осушения обводненных скважин.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XI, XII международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России — новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово. -2009, 2010), на технических совещаниях УК «Кузбассразрезуголь», на техническом совете ООО «Кузбассразрезуголь-Взрывпром» (2002 — 2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 — в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК по специальности 25.0022 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)».

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, пять глав, заключение и приложения, изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 30 рисунков и список литературы из 81 наименования.

Выводы.

1. Осушающие машины являются техническим средством, которое позволяет временно удалить воду из скважины и снизить расход более дорогих. водоустойчивых взрывчатых. Одним из условий, обеспечивающих возможность применения осушающих машин при последующей зарядке скважин неводоустойчивыми ВВ, является такая скорость восстановления уровня воды в скважине после ее осушения, при которой за время зарядки скважины гидроизолированным неводоустойчивым ВВ1 уровень воды в ней не превысил величину перебура, т. е. 1,0 — 1,5 м. По данному признаку обводненные скважины можно подразделить на слабоприточные и приточные. Поэтому технологически возможная область применения осушающих машин ограничена слабоприточными скважинами с начальной скоростью восстановления уровня воды менее 0,2 — 0,3 м/мин. Использование ОМ для скважин с большей скоростью восстановления уровня не позволяет разместить в скважине неводоустойчивое ВВ.

2. В свою очередь использование ОМ для слабоприточных скважин, количество которых на разрезах составляет 12 — 14% от всех обводненных скважин, дает возможность применять только неводоустойчивые ВВ.

3. Технологическая возможность этого способа подготовки к зарядке не означает его экономическую целесообразность. Поэтому было произведено Технико-экономическое сравнение типовых конструкций заряда без осушения и с осушением с учетом затрат на осушение и производительности ОМ.

4. Удаление воды из слабоприточных скважин глубиной до 30 м осушающими машинами целесообразно при любой высоте столба воды, обеспечивает снижение затрат на подготовку горной массы от 1 руб./мЗ для мелкоблочных легковзрываемых пород до 3 руб./мЗ для крупноблочных трудновзрываемых пород и является в этих условиях более эффективным по сравнению с предварительным контурным взрыванием для снижения обводненности блока.

5. Экономическая эффективность.

5.1. Основные положения методики выполнения работтри подготовке обводненных взрывных блоков к зарядке.

Технология буровзрывных работ при подготовке блока к зарядке может предусматривать следующие варианты:

— осушение скважин осушающей машиной с последующей их зарядкой неводоустойчивым ВВ на столб воды высотой до 1 м;

— предварительное контурное взрывание для снижения обводненности блока с последующим бурением основной системы скважин^и их зарядкой неводоустойчивым ВВ на столб воды или с использованием комбинированного заряда ВВ в зависимости от глубины скважин и высоты столба воды после предварительного контурного взрывания;

— непосредственную зарядку скважин без проведения каких-либо предварительных мероприятий.

Как следует из результатов исследований, представленных в предыдущих разделах, выбор той или иной технологии буровзрывных работ при подготовке к заряжанию основной системы скважин и обоснованию конструкции заряда зависят от двух основных параметров обводненности скважин заданной глубины — высоты столба воды в скважинах и скорости восстановления уровня воды после ее откачки осушающей машиной.

Приближенная оценка параметров обводненности скважин на запланированном к отработке буровзрывном блоке может быть сделана по данным об обводненности предыдущего по фронту горных работ уже взорванному блоку. Учитывая, что обводненность неравномерна по совокупности блоков вдоль фронта работ на данном горизонте, то такой подход может привести к текущей корректировке последовательности проведения работ и разработанного проекта массового взрыва. Для исключения подобной ситуации в настоящем разделе предлагается методика пошагового обоснования выполнения работ при подготовке блока к зарядке, ключевым моментом которой является пробная откачка воды из пионерных скважин. Существо терминов «пробная откачка» и «пионерные скважины» будет ясна из основных положений методики, которые включают в себя следующие.

1. Составление проекта буровых работ исходя из условия, что обводненность запланированного к взрыванию блока примерно такая же, как и предыдущего ранее взорванного на данном горизонте блока.

2. Бурение пионерных скважин, которые включают в себя скважины последнего ряда, а также торцевые скважины со стороны закрытого торца блока. Пионерные скважины бурятся в соответствии с проектом буровых работ и при любом варианте подготовки блока будут использованы как основные, поэтому они не увеличивают объем бурения и не требуют дополнительных затрат.

Продолжительность бурения пионерных скважин составляет, как правило, не менее одной смены, что достаточно для того, чтобы в них установился стабильный уровень воды.

3. Измерение уровня воды в пионерных скважинах как со стороны торца, так и последнего ряда для определения общей информации об уровне обводненности. Дополнительной информацией может служить визуальная оценка высоты выхода грунтовых вод со стороны откоса уступа.

Таким образом определяется общая картина по обводненности блока по высоте столба воды, на основе которой принимается расчетная высота воды в скважинах (кв, м), которая будет использоваться в дальнейших расчетах при обосновании структуры заряда.

4. Если принятая высота столба воды в скважинах < 1 м, то планируется использование только неводоустойчивого ВВ с последующим заряжанием в полиэтиленовые рукава или с использованием пневмозатворов. Бурение скважин, продолжается в соответствии с разработанным, проектом буровых работ.

5. Если ^ >1 м, то в пионерных скважинах производится пробная откачка воды осушающей машиной и определяется скорость восстановления начального уровня м/мин.).

6. Если w< 0,2 м/мин., то планируется использование только неводоустойчивых ВВВ:

— при /скв < 15 м зарядка производится по варианту I а;

— при /скв >15ми^<'^в<'^м зарядка производится по варианту I б;

— при /скв ^^ми^в^^м зарядка производится по варианту I в;

7. Если w > 0,2 м/мин. и h^ > 1 м, то в зависимости от конкретного значения /Zg и прочности взрываемой породы <7СЖ определяется целесообразность предварительного контурного взрывания4для, снижения обводненности блока.

8. Если предварительное контурное взрывание целесообразно, то система пионерных скважин дополняется до-системы контурных скважин путем бурения скважин между пионерными.

9. После предварительного контурного взрывания бурится основная система скважин, которые заряжаются в зависимости от фактического уровня обводненности.

10. Если предварительное контурное взрывание нецелесообразно, то продолжается бурение в соответствии с разработанным* проектом буровых работ. Скважины заряжаются в зависимости от фактического уровня обводненности.

Имеющаяся на угольных разрезах оперативная маркшейдерская документация по обводненности буровзрывных блоков дает информацию только о высоте столба воды в пробуренных скважинах. Это не позволяет в полной мере осуществить комплексный подход по осушению буровзрывных блоков.

Для определения водообильности массивов горных пород угольных разрезов Кузбасса возможно использовать метод определения водообильности буровзрывного блока с помощью водооткачивающей установки «Legra.

Более детально метод определения скорости восстановления уровня воды в скважинах буровзрывного блока заключается в следующем.

1. После маркшейдерского замера обуренного блока на маркшейдерской съемке блока выбираются скважины по одной в каждом ряду.

2. Установкой Legra из опытных скважин откачивается вода.

3. С помощью мерной рулетки с установленной периодичностью в течение 1-го часа контролируется скорость восстановления воды в опытных скважинах.

4. В случае большой протяженности блока замеры производятся с установленной периодичностью, например через каждые 50 метров.

5. Определяется дебит воды и водообильность опытных скважин и всего блока в целом.

6. Принимается техническое решение по способу заряжания обводненного блока. Алгоритм принятия решения представлен на рис. 5.1.

По этой методике 17 апреля 2010 года на разрезе Кедровский проводилось экспериментальное осушение скважин, эксперимент оформлен актом. В обводненной части буровзрывного блока в различных рядах было выбрано 7 скважин глубиной 15−17 метров с различной высотой столба воды, от 5 до 10 метров.

После водоудаления в течение 3-х часов проводились замеры воды в опытных скважинах. Скважины после водоудаления остались осушенными полностью. Комиссией по проведению-эксперимента был сделан вывод о том, что вода в скважинах является атмосферным фактором обводненности массива, и образовалась в результате оттаивания мерзлоты верхней части массива. Было принято решение по осушению обводненной части блока с последующим заряжанием скважин неводоустойчивым ВВ типа гранулит УП-1.

На основании методики скважины буровзрывного блока дифференцируются по высоте столба воды и коэффициенту водообильности в скважинах. Далее принимается техническое решение па применению одного из способов по снижению использования водоустойчивых ЭВВ.

5.2. Экономическая эффективность рекомендаций.

Экономическая эффективность обоснованных в диссертационной работе рекомендаций по ведению взрывных работ на разрезах при подготовке обводненных взрывных блоков^ обусловлена заменой относительно дорогих водоустойчивых ВВ на более дешевые неводоустойчивые ВВ при использовании:

— пневматических затворов и устройств для рассредоточения заряда в обводненных скважинах;

— универсальных запирающих устройств в конструкции забойки обводненных скважин* основной системы и контурных рядов;

— предварительного контурного взрывания для снижения обводненности взрывных блоков;

— осушающих машин для удаления воды из скважин с последующей их зарядкой неводоустойчивыми ВВ.

Удельная экономическая эффективность перечисленных технических мероприятий в расчете на 1 м³ взорванной горной массы в той или иной мере определяется результатами исследования условий применения предварительного контурного взрывания для снижения обводненности блока (раздел 3.3), а также эффективности осушения слабоприточных скважин (4.3).

Абсолютный экономический эффект по результатам работы ООО «Кузбассразрезуголь — Взрывпром» характеризуется следующими укрупненными расчетами.

1. Снижение затрат на бурение контурных скважин на разрезах УК «Кузбассразрезуголь» с учетом применения УЗУ связано с возможность увеличения расстояния между контурными скважинами. Базовый вариант предусматривает расстояние между контурными скважинами 3 м, рекомендуемый проектный вариант -4 м. Принцип расчета экономичекой эффективности по этому элеменут затрат заключается в сравнении вариантов с учетом объемов бурения и себестомости бурения: э,=(1<0>-.гЯ)с%, (5.1) где — объем бурения при базовом варианте (без использования УЗУ), и при использовании УЗУ, мс^ур — себестоимость бурения, руб. /м.

Заключение

.

Диссертация, является научно-квалификационной работойв, которой изложены научно обоснованные технологические и технические решения по повышению эффективности ведения взрывных работ в обводненных условиях, заключающихся в выборе способа подготовки блока к зарядке в зависимости от ожидаемых показателей обводненности скважин, устанавливаемых по результатам пробной откачки воды из пионерных скважин, использовании технологичных средств формирования, типовых вариантов конструкции заряда, что в совокупности обеспечивает минимально возможный расход относительно дорогих водоустойчивых ВВ в этих условиях при сохранении качества взрывной подготовки горной массы к выемке.

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем.

1. Технология и организация взрывных работ при подготовке обводненных вскрышных пород является более сложной и более затратной по сравнению с необводненными условиями. Производительность зарядного оборудования и персонала при этом заметно снижается, а затраты на буровзрывную подготовку горной массы только за счет повышенного расхода относительно дорогих водоустойчивых ВВ увеличиваются на 20 — 30%.

2. Основные направления повышения эффективности взрывных работ в обводненных условиях включают в себя использование экономичных и технологичных средств рассредоточения и забойки при формировании типовых конструкций скважинных зарядов, обеспечивающих требуемое качество подготовки горной" массы к экскавации, а также рациональное использование способов снижения обводненности’отдельных скважин осушающими машинами или взрывного блока в целом, путем предварительного контурного взрывания при последующем формировании конструкций зарядов с максимально возможным использованием неводоустойчивых ВВ.

3. В условиях увеличивающихся масштабов массовых взрывов в 60% скважин, включая обводненные скважины, заряжаемые эмульсионным ВВ и контурные скважины, по объективным причинам заряд формируется без забойки, что обусловливает увеличение удельного расхода ВВ 10 — 12% для обеспечения при этом требуемого качества дробления горной массы.

4. Использование универсальных запирающих устройств (УЗУ) в> конструкции укороченной забойки с инертным материалом из бурового штыба, способствует увеличению продолжительности действия взрыва на массив как по отношению к взрыванию зарядов без забойки, так и по отношению к зарядам с полной забойкой из бурового штыба.

5. Использование универсальных запирающих устройств в конструкции забойки сильнообводненных скважин, заряжаемых только водоустойчивыми эмульсионными ВВ, позволяет увеличить выход горной массы на 9,5 — 14,0% без снижения качества подготовки горной массы, а при использовании в контурных скважинах — увеличить расстояние между скважинами в 1,2 — 1,3 раза.

6. Забойка скважин с использованием УЗУ не нарушает технологический график механизированной зарядки скважин, имеет небольшую трудоемкость и отличается невысокой стоимостью. Она позволяет получить экономию затрат на бурение и взрывчатые материалы при применении зарядов эмульсионного «ВВ'в. основной системе скважин в размере 0,8 — 0,9 руб./мЗ, а при контурном взрывании до 1000 руб. на одну скважину.

7. Установлено, что предварительное контурное взрывание, как специальное средство снижения обводненности блоков, целесообразно применять при проектной глубине скважин более 8 м и высоте столба воды до 4 м с последующей зарядкой скважин, только неводоустойчивым ВВ, а также при глубине скважин 15 — 20 м и высоте столба воды от 4 до 12 м при последующем применении рассредоточенных комбинированных зарядов.

8. Осушающие машины (ОМ) являются техническим средством, которое позволяет временно удалить воду из скважины и снизить расход более дорогих водоустойчивых взрывчатых. Объективным ограничением их применения является начальная скорость восстановления уровня воды в скважине, которая, исходя из технологического режима механизированной их зарядки, не должна превышать 0,2-^0,3 м/мин. Обводненные скважины, удовлетворяющие этому условию отнесены к группе слабоприточных. Применение осушающих машин в таких условиях является альтернативой по отношению к предварительному контурному взрыванию для снижения обводненности блока.

9. Установлено, что удаление воды из слабоприточных скважин глубиной до 30 м осушающими машинами целесообразно при любой высоте столба воды, обеспечивает снижение затрат на подготовку горной массы от 1,0 до 3 руб./м в зависимости от прочности взрываемых пород и является в этих условиях более эффективным по сравнению с предварительным контурным взрыванием для снижения обводненности блока.

10. Исходные данные, необходимые для выбора применения осушающих машин или предварительного контурного взрывания, а также одного из типовых вариантов конструкции заряда в обводненных скважинах рекомендуется получать по результатам определения показателей обводненности пионерных скважин. Высота столба воды в них и начальная скорость восстановления уровня после пробной откачки в совокупности с глубиной скважин является достаточной информацией для оперативного принятия соответствующего" технического решения.

11. Экономическая эффективность технологических и технических решений с учетом их фактического применения на разрезах УК «Кузбассразрезуголь» по итогам 2010 года составляет более 20 млн руб.