УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГИЕЙ ВЗРЫВА

Премией Правительства Российской Федерации 2004 года в области науки и техники отмечена работа «Разработка и внедрение технологии крупномасштабной взрывной отбойки железных руд в сейсмоактивных районах Сибири», созданная коллективом ученых и производственников из различных городов и учреждений России. В их числе научные группы Института динамики геосфер РАН, Института горного дела СО РАН, Института проблем комплексного освоения недр РАН, а также специалисты Госгортехнадзора РФ, ОАО «Евразруда», ОАО «Сибгипроруда» и ОАО «Запсибгеология» (Кузбасс). В коллективе авторов большого комплекса исследований лауреатом этой премии стал доктор технических наук Андрей ЕРЕМЕНКО, заведующий лабораторией физико-технических геотехнологий Института горного дела СО РАН.

Галина Шпак, «НВС»

Коллективом авторов выдвинута новая концепция развития буровзрывных работ в современных условиях. На ее основе разработана и внедрена новая технология крупномасштабной взрывной отбойки руды при подземной добыче полезных ископаемых в условиях напряженно-деформированного состояния в сейсмоактивных районах Сибири. Теоретическое и методом математического моделирования исследование действия различных зарядов ВВ и схем их взрывания с последующей экспериментальной проверкой, в том числе в производственных условиях, показало реальную возможность использования новых конструкций специальных крупных зарядов в подземных геотехнологиях при системах разработки с массовым этажным принудительным обрушением. Прямым следствием этого явилась возможность значительного (вплоть до одного в год) сокращения числа массовых взрывов на горных предприятиях с резким уменьшением негативных последствий и дополнительных работ, связанных с их проведением, и получение значительного экономического эффекта.

Десять лет спустя

Известие о присуждении премии Правительства Российской Федерации застало Андрея Андреевича в пути — по возвращении в Россию из Австралии, где он участвовал в Международном симпозиуме по геомеханике «RASIM-6» и выступил с докладом «Исследование микросейсмических полей для оценки и контроля опасности горных работ на железорудных месторождениях Сибири». Исследования использовались в большом проекте по разработке технологии крупномасштабной отбойки руды.

В разговоре в Институте горного дела я напомнила Андрею Андреевичу о событиях десятилетней давности, когда он защищал докторскую диссертацию и в том же 1995 году в первый раз стал лауреатом премии Правительства Российской Федерации.

— За десять лет наша лаборатория далеко продвинулась в исследованиях. Первой Правительственной премией была отмечена работа по внедрению способа отбойки горных пород пучковыми сближенными зарядами взрывчатых веществ (ВВ). В дальнейшем разработан новый — отбойка концентрированными зарядами ВВ, — сказал А. Еременко. — По новой технологии используются брезантные и менее брезантные типы взрывчатки без ядовитого тротила. Такие ВВ безопаснее, экологичнее, если так можно выразиться. Наши специальные заряды работают по принципу поршневого эффекта, и массив горной породы разрушается более спокойно.

К большому проекту лаборатория физико-технических геотехнологий подключилась в год своего создания — 1995. Научные сотрудники изучали влияние действия природных и техногенных факторов при разработке месторождений полезных ископаемых. Одновременно занимались технологией освоения рудных месторождений и проводили эксперименты по управлению энергией взрыва. Мои научные интересы как раз связаны с геомеханикой, технологией и физическими особенностями действия крупномасштабных взрывов при массовом обрушении технологических блоков на больших глубинах — 900 метров и более, а также их влиянием на вмещающий массив горных пород. Уточню: я геомеханик и технолог, занимаюсь «вечной» задачей управления энергией взрыва в условиях напряженно-деформированного состояния горных пород. Лаборатория, естественно, сотрудничает с производственниками. На разных этапах в исследованиях под моим руководством участвовали аспиранты заочного отделения нашего института. Они уже защитились, стали кандидатами наук. Это  А. Гайдин, он сейчас директор акционерного общества «ЗапСибгеология». Г. Ермак — генеральный директор Тейского рудника и депутат Верховного Совета Республики Хакасия. С. Фефелов — главный инженер шахты Абаканского рудника. Они разрабатывали параметры буровзрывных работ и проводили опытно-промышленные испытания технологии крупномасштабной взрывной отбойки и стали лауреатами Премии Правительства РФ.

— Эти инженеры, вроде, повторяют ваш путь в науку. Если посмотреть на ваш послужной список…

— Да, я шестнадцать лет работал в Новокузнецке в Восточном научно-исследовательском отраслевом горнорудном институте в лаборатории буровзрывных работ. Затем, в Таштаголе, стал заместителем главного инженера по технологии горных работ и горным ударам. А дальше по приглашению академиков Е. Шемякина и В. Курлени (в 1989 году он был еще членом-корреспондентом) я поступил в докторантуру Института горного дела…

— И после защиты докторской у вас сплошные высокие награды. Знаю, что вы стали «Заслуженным горняком РФ», получили и звание «Заслуженный изобретатель РФ» в 2003 году.

— Считаю себя учеником научных школ и направлений академиков М. Курлени, К. Трубецкого и В. Адушкина. Если интересно, за десятилетнее существование лаборатории физико-технических геотехнологий результаты ее фундаментальных и прикладных исследований неоднократно отмечались в Сибирском отделении и пять раз докладывались президентом Академии наук на годичных собраниях РАН. По предложению академика Ж. Алферова сформулировано фундаментальное значение исследований по разработке технологии крупномасштабной отбойки. Мы вместе с лауреатом Премии Правительства РФ академиком В. Адушкиным и д.ф-м.н. С. Викторовым подготовили необходимые материалы. Результаты исследований будут опубликованы в сборнике важнейших фундаментальных работ Российской академии наук.

— Нынче ждите поздравлений на собраниях в Новосибирске и в Москве! Андрей Андреевич, спустимся с небес на землю. Точнее, под землю. Где чаще всего проводятся натурные эксперименты?

— В Горной Шории и Хакасии. На Таштагольском, Абаканском и Шерегешском железорудных месторождениях.

— Под землей в шахте и в тоннеле я бывала. Могу представить, что такое современный рудник. И все-таки, как выглядит такое техническое сооружение?

— Представьте: на глубине до километра и более пройдены вертикальные стволы диаметром 6-8 метров. По этим стволам на месторождениях производится спуск и подъем людей и руды, которую добывают горняки. Шахтные поля на месторождениях естественно разделены на горизонты.

— Как многоэтажное здание?

— Похоже, но расстояние между этажами от 60 до 90 метров.

На этажах подготавливаются технологические блоки, которые затем взрываются. Ширина блока 27 метров. Протяженность — 80-120 метров, а расстояние между горизонтами-этажами — 60-90 метров. Причем, в течение года на одном предприятии, для примера возьмем Таштагольское месторождение, проходится подготовительных и нарезных выработок несколько десятков километров.

Взрывоподготовка горной массы — наиболее энергоемкий процесс разработки полезных ископаемых, во многом определяющий результаты работы всего технологического комплекса и полноту извлечения руды из недр.

Сейчас, с учетом крупномасштабной отбойки, объем бурения скважин уменьшился в полтора-два раза. При этом сократилось количество массовых взрывов с применением вертикальных концентрированных зарядов. Взрывы сократились, а объемы годовой добычи руды не уменьшились. Эффективность возросла, а стоимость добычи значительно снизилась. Например, в течение года на отдельном предприятии «Евразруда» добывается от 2 до 3,5 млн тонн руды.

Процесс добычи сложный. Скажу лишь, что на горизонте выпуска руда автоматически грузится в вагоны.

— Под землей в шахте собственная железная дорога?

— Конечно. Электровоз везет вагоны к стволам, где руда перегружается в так называемые скипы. Попробуйте поднять с километровой глубины скип, в котором 40-80 тонн груза. Мощная специальная подъемная машина поднимает на стальных канатах эти емкости на поверхность, а затем груз транспортируется на дробильно-обогатительную фабрику.

— Кстати, о канатах. Лет восемнадцать назад знаменитый геолог Федор Петрович Кренделев (к сожалению, его давно нет с нами) говаривал: «Кто придумает канат двойной крепости — осчастливит человечество». Проблема изобретения каната имеет прямое отношение к отрабатываемым запасам руд. Хватает ли канатов?

— Хватает, хватает. Пока достаточно технических возможностей, чтобы поднимать руду с километровой глубины. Активная индустриальная разработка рудных месторождений в нашей стране, в том числе в Сибири, началась в 30-40-е годы прошлого столетия. И за период в 60 лет понижение горных работ по рудникам составило от десяти до двадцати метров, т.е. постепенно увеличивалась глубина разработки. За шестьдесят лет мы ушли в глубь на 600-1000 м по всем рудникам Сибири. Но при отработке горизонтов на глубине возрастало горное давление. Стали проявляться динамические явления в форме горных ударов большой интенсивности. Да еще в сейсмоопасных районах Алтае-Саянского региона. Мы стремились создать безопасную технологию для горняков, спускающихся под землю, и для машин. И вот при разработке технологии крупномасштабной отбойки мы предложили не только способ — каким образом качественно раздробить добываемые полезные ископаемые, чтобы их извлечь из земли, но и провели комплекс исследований по влиянию взрывов на горные выработки и на окружающую жизнь на поверхности Земли — на здания, сооружения и, естественно, на благополучие людей, живущих вблизи рудников. Ведь глубокие «колодцы», пустоты могут спровоцировать техногенные землетрясения. Подобное уже происходит в Кузбассе.

— Как же на рудниках справляются с такой трудной задачей?

— По мере выпуска отбитой рудной массы, отработанное пространство заполняется вмещающими горными породами и пустот не остается. Раньше производили 6-8 взрывов в год на одном руднике. Сейчас взрывают два, максимум три раза в год, и при новом способе обеспечивается весь годовой объем добычи руды, причем наши взрывы позволяют повысить экологическую безопасность под землей и на земле.

В процессе взрыва особым способом массив «отрезается», и заряд не бьет по всему массиву.

— Похоже на направленный взрыв.

— Да, мы пытаемся управлять энергией взрыва. Отбойка горных пород концентрированными сближенными зарядами ВВ успешно внедрена на рудниках. О нашей технологии написана книга под редакцией академика К. Трубецкого.

На рабочем столе А. Еременко, на видном месте лежала рукопись книги «Технология крупномасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Сибири». Ее основные авторы — лауреаты премии Правительства РФ С. Викторов, А. Еременко, В. Закалинский и И. Машуков. Книга уже в производстве и скоро выйдет в свет.

Необходимый комментарий

По моей просьбе доктор технических наук А. Еременко переложил наш разговор об особенностях взрывной отбойки более обстоятельно для специалистов.

При обрушении массива применяются концентрированные заряды большой массы, помещаемые в вертикальные и горизонтальные цилиндрические полости, создаваемые в технологическом блоке взрывными методами. Емкость таких полостей позволяет размещать заряды массой свыше 10 т каждый, детонация которых осуществляется после взрыва вокруг них специальных оконтуривающих скважинных зарядов. В результате чего вокруг концентрированных зарядов формируются новые свободные поверхности цилиндрической формы, что создает препятствие прохождению сейсмических волн. Установлено, что уровень воздействия крупномасштабных взрывов на окружающий массив в сейсмоактивных районах Алтае-Саянского региона (масса заряда взрывчатого вещества колеблется от 100 до 600 т), определяется расположением вертикальных концентрированных зарядов большого диаметра (от 0,3 до 1,0 м) в блоках. Они чередуются в шахматном порядке по колонкам удлиненных полостей и инертных промежутков различной плотности.

На характер перераспределения и изменения величин напряжений в блоках в процессе действия вертикальных концентрированных зарядов ВВ оказывает влияние форма и соотношение геометрических размеров обрушаемого массива. Математическое моделирование напряженного состояния массива горных пород в рамках модели «квазистатического» действия вертикального концентрированного заряда на упругую среду показывает, что в окрестности взрывной полости формируется зона растягивающих напряжений. Наибольший объем, подвергающийся разрушению в массиве вокруг полости, достигается при взрывании вертикальных концентрированных зарядов (ВКЗ) на четыре свободные поверхности.

Установлена физика взрыва ВКЗ и оконтуривающих зарядов при различных схемах их взаимного расположения и взрывания в центральной части блоков. Предварительное короткозамедленное взрывание оконтуривающих скважинных зарядов вокруг основного заряда ВКЗ и последующего его взрывания обуславливает такой механизм действия взрыва, при котором увеличивается общая продолжительность взрывного воздействия на массив за счет подобия цилиндрических форм взрывной волны и рудного блока. В результате улучшается качество дробления горной массы и снижается уровень динамического воздействия на окружающий массив горных пород.

Установлено также, что изменение величин напряжений в технологических блоках при очередности взрывания отдельных серий оконтуривающих и вертикальных концентрированных зарядов ВВ, инициирующих развитие растягивающих напряжений в отделяемом при последующем взрыве участке пород, определяется геометрией вновь образуемых промежуточных поверхностей в массиве горных пород. Математическое моделирование напряженного состояния горных пород показывает, что в областях вновь создаваемых поверхностей в массиве при различных схемах взрывания формируются сжимающие и растягивающие напряжения. Наибольший эффект, с точки зрения разрушения, достигается при применении схемы «волна» с отбойкой на зажатую среду и компенсационную камеру, а также по схеме «поперечная».

При этом сейсмическое воздействие вертикальных концентрированных зарядов при отбойке разрезного блока находится на уровне действия экранирующих сближенных зарядов, причем сейсмическая энергия взрыва составляет десять в девятой степени джоулей. Управление действием энергии взрыва при системе разработки этажного принудительного обрушения достигается применением схем взаимного многорядного расположения оконтуривающих и вертикальных концентрированных зарядов с отбойкой на зажатую среду и компенсационные камеры. При увеличении количества рядов от 3 до 7 удельный расход ВВ на вторичное дробление снижается в 1,2-1,3 раза. За счет опережающего взрывания оконтуривающих зарядов и в результате соударения кусков горной массы при одновременном взрывании нескольких вертикальных концентрированных зарядов эффективность дробления возрастает на 20-30 %.

Разработаны рациональные параметры буровзрывных работ для отбойки комбинированными зарядами ВВ, включающие сетку расположения оконтуривающих скважин и восстающих выработок для зарядов ВКЗ, удельный расход ВВ, величины зарядов и инертных промежутков. Это позволило обеспечить снижение объема бурения скважин в 1,5-2 раза, затрат на проведение буровых и восстающих выработок в 1,2-1,3 раза, на заряжание в 1,5 раза и на вторичное дробление руды в 1,2-1,3 раза, т.е. заметно увеличить степень дробления горной массы.

Работа защищена авторскими свидетельствами и патентами. Она широко апробирована на научных конференциях и совещаниях, ее основные результаты опубликованы в научных трудах.

В высокоразвитых капиталистических странах — Швеции, Германии, Канады и США аналогов такой технологии нет.

По достигнутым технико-экономическим результатам созданная технология взрывной отбойки считается одной из лучших в России и не имеет аналогов на зарубежных предприятиях. За последние 10 лет с использованием новой технологии в России добыто 40 миллионов тонн руды.

Созданная технология крупномасштабной взрывной отбойки руд концентрированными зарядами имеет существенное значение для экономики России. Это качественно новое достижение отечественной горной науки.

стр. 4