CC BY
29
I— Коротко об авторах-------------------------------------
Жижиг Жамьян, Жамьян Батмунх, Старшинов А.В. - Монголороссийская совместная компания «Монмаг».
_д_____________
--------- © В.Н. Анисимов, В.А. Белин,
2007
В.Н. Анисимов, В.А. Белин
НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ВЗРЫВНОЙ РУДОПОДГОТОВКИ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МАССИВОВ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ
С
С
уществующий процесс рудоподготовки является весьма энергоемким и дорогостоящим, поскольку дробле-
ние и измельчение руд сопровождается большими затратами.
Если в процессе рудоподготовки не обеспечивается необходимая избирательность дробления и степень раскрытия железосодержащих минералов, это приводит к неполному извлечению металла, значительным его потерям в хвостах обогащения.
В работе [1] отмечено, что для улучшения раскрытия минералов могут быть использованы механические, термический, акустический и другие способы воздействия, которые должны вызвать слияние дислокации, зарождение и развитие микротрещин, концентрацию микродефектов по границам зерен. В работах [2-4] отмечено влияние магнитно-импульсной обработки в условиях обогатительных фабрик на измельчае-мость и обогатимость минерального сырья.
Известна обработка руды, находящейся в разрушенном состоянии, при помощи мощных генераторов импульсов тока и напряжения при движении горной массы по ленточному кон-вейеру или в пульповоде. Ранее исследования в этом направ-лении уже проводились в институте Геологии Чехословацкой Академии наук, в нашей стране в институте «Уралмеханобр» и в условиях Кривбасса ещё в начале 70-х годов прошлого века. Однако это направление исследований, как раньше, так и се-годня не может решать проблему ресурсосбережения карди-нально. На последних стадиях традиционного обогатительного передела, где при КПД мельниц порядка 2 %, для раскрытия рудных минералов используется ничтожная доля энергии, ос-тальная энергии - это в основном тепловые потери в трансмис-сиях и пр. Метод магнитноимпульсной обработки (МИО) уже измельченной руды в основном эффективен для размагничивания и разделения флокул перед магнитной сепарацией и не может оказывать существенного влияния на снижение энергозатрат передела.
В концептуальном плане представляет интерес создание малооперационнной ресурсосберегающей технологии рудо-подготовки, основанной на предварительном ослаблении проч-ностых свойств рудного массива. Впервые работы в этом направлении были начаты в 1985 г. В работе [5] отме-
чается влияние ЭМП на свойства массива (снижение прочностных свойств косвенно оценено по скорости бурения) уже на стадии ведения буровзрывных работ (БВР) на долю которых приходится всего до 6 % энергозатрат передела руды.
Сопоставление основных особенностей различных способов воздействия на руду позволяет утверждать, что наиболее технологичным в настоящее время является взрывной и комбинированный способ нагружения, которому руда подвергается уже в процессе ее взрывной отбойки от массива в карьере или руднике. Взрывное нагружение позволяет обеспечить необходимую интенсивность и кратность нагрузок, высокую скорость их приложения, способствующую снижению пластических деформаций и соответствующих потерь энергии, то есть отвечает основным требованиям рациональной организации процесса раскрытия минералов. Для осуществления этого способа воздействия не требуется создания дополнительных установок и устройств, он не усложняет технологию рудоподготовки [5, 6].
Изменения структуры минералов, вызванные взрывным (комбинированным) нагружением, обусловлены взаимодействием волн напряжений с несовершенствами кристаллической решетки в объеме минералов и по границам зерен.
Наши работы, связанные с совершенствованием существующей и разработкой рациональных параметров взрывной рудоподготовки для сложноскладчатых участков на примере карьера Стойленского ГОКа включили в себя детальное изу-че-ние основных закономерностей складчатой структуры место-рождения, трещиноватости (блочности), вещественного состава и прочностных свойств железистых кварцитов.
Для проектирования параметров БВР сложноструктурных массивов важной и неотъемлемой частью исходной инфор-ма-ции является информация о геолого-структурных особенностях железистых кварцитов, которые включают в себя комплекс структурных характеристик массива: особенности ве-щественно-го состава, трещиноватости, блочности, прочностных свойств, пространственное положение элементов складчатой структуры в пределах взрываемых блоков.
На основании анализа теоретических исследований, имею-щейся геологической информации (геологических карт,
отображающих складчатую структуру месторождений), натурных наблюдений в первом приближении выявлены основные закономерности расположения сети тектонических трещин, что делает возможным прогнозирование параметров БВР по степени трещиноватости, блочности, прочностным показателям на площадях, еще не вскрытых горными работами на карьере Стойленского ГОКа.
Основные пликативные структуры на Стойленском месторождении представлены многосложными антиклинальными и синклинальными складками, внутренние приосевые зоны которых образованы утолщенными замками частных складок. Эти зоны являются наиболее крупноблочными. На геологических картах выделены приосевые (внутренние) зоны 1 и наружные части (крылья) сопряженных антиклинальных 2 и синклинальных складок 3, различающиеся по категории трещиноватости и коэффициенту крепости пород. Эти зоны имеют вид полос, вытянутых в северо-западном направлении и чередующихся в поперечном сечении складчатой структуры (рис. 1).
В толще железистых кварцитов развиты тектонические трещины, сопряженные со складчатостью. Для Стойленского месторождения характерны трещины отрыва северо-восточ-ного простирания и трещины скалывания северозападного простирания с наклонными и с субвертикальны-ми углами падения.
Трещины в массиве образуют сеть, то есть закономерно построенную совокупность трещин, обусловленную взаимным пересечением трещин разных систем. Выделяются тектонические трещины пяти систем. Каждая из них определенным образом ориентирована по отношению к простиранию складок, их шарнирам и слоистости пород (рис. 2).
Общие закономерности относительного расположения тектонических трещин, связанных с одним актом деформации, можно представить в виде эллипсоида деформации. Они дополняются трещинами отрыва, расположенными параллельно оси С и перпендикулярно оси А.
Рис. 1. Блок-схема структуры массива
Приосевая зона
Ядро складки
Рис. 2. Элементы приосевой зоны, ядра складки и ориентации трещин
Короткая ось эллипсоида деформации ориентирована примерно перпендикулярно к простиранию складчатости.
Выделяются тектонические трещины пяти систем.
Трещины первой системы - послойные или продольнопараллельные трещины (продольные относительно прости-ра-ния осевых поверхностей складок и параллельные относительно слоистости). Образование их связано с межслое-вым скольжением, которое происходило при изгибе пластов в процессе складкообразования.
Трещины второй системы - поперечные, нормальносекущие слоистость трещины отрыва (расположены поперек складчатости и слоистости), почти перпендикулярные шарнирам складок.
Трещины третьей системы - продольные, нормальносекущие слоистость трещины отрыва, субпараллельные шарнирам складок.
Трещины четвертой системы - субпродольные, кососекущие слоистость трещины скалывания, ориентированы вдоль складок субпараллельно осевой поверхности.
Трещины пятой системы - диагонально-кососекущие слоистость трещины скалывания, образуют с шарниром складок в плоскости углы по 35-45°.
Трещины второй системы всегда перпендикулярны или почти перпендикулярны шарниру складок, а трещины третьей системы перпендикулярны или почти перпендикулярны тре-щи-нам второй системы.
Наибольшее распространение имеют трещины первых трех систем. Взаимно пересекающиеся ряды этих трещин расчленяют массив на структурные блоки параллелепипе-дальной, иногда призматической формы с преобладанием размеров в пределах от 30x50x60 до 80x120x50 см.
Размеры и форма тектонической делимости пород в складчатых структурах изменяются по элементам складок: для крыльев характерны призматические и параллелепипе-дальные, а для замков - кубические формы, причем размеры в замках складок увеличиваются в 1,5-2,5 раза. Эту естественную блочность массива необходимо учитывать при БВР.
Выполненный анализ геолого-структурных особенностей железистых кварцитов позволил сформулировать следующие рекомендации для проектирования параметров БВР сложно-структурных массивов.
1. При картировании масштаба 1:1000 на геологической документации необходимо уточнять положение осевых поверхностей пликативных структур.
2. При производстве БВР в карьере помимо категории трещиноватости и коэффициента крепости в кварцитах определенного петрографического состава, необходимо учи-тывать угол падения шарниров складок и пространственное положение структурно неоднородных зон, которые могут играть роль волноводов и существенно влиять на сейсмику взрыва.
3. Фронт горных работ ориентируют вдоль приосевых зон синклинальных и антиклинальных складок с учетом простирания и угла падения слоев.
4. В приосевых зонах осуществляют большее энергонасыщение массива (сужение сетки скважин, более мощное ВВ, специальные схемы коммутации зарядов и др.).
5. Вруб (врубы) располагают в приосевой зоне синк-ли-нальных складок: диагональные ряды скважинных зарядов располагают с обеспечением отбойки от оси синклинали вглубь массива в сторону соседней антиклинали, то есть с отделением и перемещением отбитой массы по падению слоев. При наличии нескольких врубов их инициируют одновременно.
Анализ результатов геологических полевых и лабораторных методов исследования показал, что на состояние микроструктуры, а, следовательно, на технологические свойства железистых кварцитов влияет характер складчатости. Железистые кварциты в приосевых зонах складок, размер которых составляет 0,1-0,15 ширины складки, обладают худшими технологическими свойствами. Это обусловлено меньшим на 2-3 % содержанием железа, меньшим размером зерен магнетита, его агрегативностью, более сложными границами минеральных срастаний. Железистые кварциты в приосевых зонах характеризуются меньшей степенью трещиноватости и худшей взрываемостью.
Совместное измельчение железистых кварцитов из вне-приосевых зон и приосевых зон ведет к переизмельчению зерен магнетита из внеприосевых зон и увеличению потерь железа.
В лабораторных исследованиях установлено, что оптимальное удельное энергонасыщение в приосевых зонах складок при взрывоподготовке определяется степенью отличия пород, расположенных в них, от пород, расположенных вне их, и зависит от параметров складки.
Результаты исследований по определению оптимального соотношения удельного энергонасыщения вне и внутри при-осевой зоны при различных ширине и минералогическом ти-пе железистых кварцитов показали, что имеется оптимальное значение удельного энергонасыщения в при-осевой зоне, при -котором необходимая степень раскрытия рудных минералов достигается при наибольшем среднем диаметре рудных зе-рен, что увеличивает значение магнитной восприимчивости и снижает значение коэрцитивной силы и остаточной намаг-ниченности измельченной руды. Это изменение прочностных и магнитных свойств обуславливает увеличение выхода не-рудной фракции +0,14 мм и наибольший прирост содержа-ния железа в концентрате при магнитном обогащении [7].
Установлено, что для каждого технологического типа железистых кварцитов, в зависимости от исходного состояния его микроструктуры, существует предельное значение амплитуды взрывного нагружения, при котором начинаются необратимые пластические деформации в зернах магнетита. Накопление дефектов происходит в основном по границам зерен породообразующих минералов, особенно кварцевых прослоях.
При амплитуде взрывного нагружения свыше 200 МПа изменения микроструктуры приводят к интенсивному росту трещин, видимых в оптический микроскоп.
В промышленных условиях уже проводилась оценка изменения состояния микроструктуры и технологических свойств железистых кварцитов, взорванных с различным удельным расходом ВВ в приосевых зонах [7].
В качестве примера осуществления проектирования пара-метров БВР сложноструктурного массива железистых кварци-тов можно привести Стойленское месторождение.
На основании результатов геолого-технологического картирования сложноскладчатого рудного массива месторождения на погоризонтных планах отображены главные направления__________________________________________________
Фракции Зоны блока № 28 гор. -10 Г сред
/; В С Д Е К
мм % % % % % %
<250 67 70 73 64 60 69
250 23 22 13 27 25 22
500 10 8 4 9 15 9
>500 - - - - - -
синклиналей С и антиклинелей А (выделены пунктиром), представленных на рис. 1.
Направление фронта горных работ ориентируют вдоль приосевых зон.
Врубы располагают в зоне синклиналей С.
На фронте работ в северо-западном и юго-восточном направлении направление отбойки, вектор потока энергии взрыва устанавливают от оси синклиналей С вглубь массива в сторону соседней антиклинали А по падению слоёв. В юго-восточном направлении фронта работ направление отбойки устанавливают от оси синклинали С, в сторону соседней антиклинали А.
Большее энергонасыщение массива в зоне антиклинальных складок А обеспечивают за счет одновременного инициирования врубов, а инициирование групп смежных зарядов осуществляют с интервалом замедления 1,5-2 мс.
В качестве результатов одного из вариантов опытнопромышленной проверки концепции взрывной рудоподготов-ки сложноструктурных массивов железистых кварцитов можно привести блок № 28 (гор. -10) На основании анализа гео-струк-турных особенностей блок спроектирован и взорван по схеме формирования и инициирования двух врубов.
Схема развала горной массы блока № 28 (рис. 3).
Анализ распределения кусковатости по фракциям после взрыва в различных зонах развала (таблица) показывает, что
в зоне Д сосредоточено до 73 % фракции < 250 мм, что позволяет сделать ввод о повышенной концентрации энергонасыщения в приосевой зоне антиклинали за счет соответствующей ориентации вектора потока энергии взрыва и взаимодействия волн напряжений скважинных зарядов ВВ на указанной зоне. После взрыва блока кусков породы размером > 500 мм не наблюдалось. Проработка подошвы ниже проектной на 1 м, что также указывает на повышенную концентрацию энергии и
Разрез по 1-1
I
Разрез по II-
Ошвта «ымым поел* отчут
Фото развала и грансостава горной массы блок №28
Рис. 3. Схеме развала горной массы блока № 28 гор. -10 эффективность взрывания при двух-врубовой схеме КЗВ в соответствии с особенностями структурных элементов массива.
Анализ результатов исследования в производственных условиях показывает:
- возможность управления показателями взрывной рудо-подготовки на более ранней стадии измельчения;
- увеличение энергонасыщения в приосевой зоне обеспечивает повышение качества концентрата при необходимой степени раскрытия рудных минералов без их переиз-мельчения.
Повышения показателей взрывной рудоподготовки сложноструктурных массивов железистых кварцитов можно достичь:
- путём перераспределения энергии взрыва в соответствии с геологическим строением массива и подвигания фронта работ в направлении, параллельном осям складок, врубы располагают в приосевых зонах синклиналей; отбойку ведут под углом к осям синклиналей, а детонацию вглубь массив осуществляют в направлении соседней антиклинали, при этом в приосевых зонах синклиналей и антиклиналей созда-
ют большее энергонасыщение массива при наличии 2 и более врубов; их инициирование осуществляет одновременно с интервалом замедления, обеспечивающим взаимодействие динамических волновых воздействий групп зарядов ВВ;
- оптимальной ориентацией вектора потока энергии взрыва относительно структурных элементов массива, что позволяет достигнуть согласования уровня энергонасыщения разрушаемого объема пород с структурно-текстурными особенностями; прочностными характеристиками повышения качественных показателей обогатительного передела.
Эксперименты в промышленных условиях показывают воз-можность создания неравномерного удельного энергонасыщения по взрываемому блоку при взрывной отбойке, на основе учета состояния микроструктуры железистых кварцитов в приосевых и внеприосевых зонах складок, что обеспечивает оптимальный режим их совместного измельчения. При этом необходимая степень раскрытия рудных зерен достигается на более ранних стадиях измельчения и повышается выход нерудной фракции крупностью +0,14 мм. Прирост производительности мельницы составляет 3,2 т/ч, выход нерудной фракции крупностью +0,14 мм увеличивается на 1,01 %, содержание железа в концентрате увеличилось на 0,05 %. Затраты на измельчение снижаются более чем на 6,0 %.
Выводы
Проведенными исследованиями установлено:
- оптимальное энергонасыщение в приосевых зонах складок при взрывоподготовке определяется степенью отличия структурных и прочностных свойств пород, расположенных в них, от особенностей пород расположенных вне их;
- энергонасыщение зависит от синхронизации времени прихода волн (их суперпозиции) на трудновзрываемом участке, от времени инициирования одновременно взрываемых групп зарядов, расположенных на разных флангах по отношению к трудновзрываемому (труднообогатимому) участку;
- наибольшая концентрация энергонасыщения массива воздействием динамических взрывных нагрузок на трудно-взрываемых и труднообогатимых участках сложноструктурных массивов и степень их нарушенности (деструкции) достигается: ориентацией вектора потока энергии взрыва по отно-
шению к направлению простирания осей шарниров синклинальных и антиклинальных складок под углом близким к 4560°; расположением врубов в ядрах синклинальных складок и с обеспечением направления потока энергии взрыв в сторону соседней антиклинали;
- обеспечением взаимодействия различных групп сква-жин-ных зарядов формирования степени нарушенности при последовательном взрывании групп зарядов в крыльях и ядрах антиклинальных и синклинальных складок (групп ограниченных сейсмобезопасностью), что обеспечивает эффективное взаимодействие взрывных волн, повышение производительности и снижение энергозатрат на 15-20 % при последующем переделе взорванной горной массы.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ревнивцев В.И. О рациональной организации процесса раскрытия минералов в соответствии с современными представлениями физики твердого тела. - Л.: Труды Механобра, вып. 140., 1975, с. 153-164.
2. Чантурия В.А., Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Бунин И.Ж. Наночастицы в прорцессах разрушения и вскрытия геоматериалов. - М.: ИП-КОН РАН, 2006.
3. Исследование влияния магнито-импульсной обработки на измель-чаемость и обогатимость минерального сырья. Отчёт. Уралмеханобр, 1976.
4. Гончаров С.А., Ананьев П.П., Бруев В.П. Разупрочнение железистых кварцитов методом импульсной электромагнитной обработки. Горный журнал. - 2004. - №1.
5. Дербенёв Л.С., Анисимов В.Н. Подготовка железистых кварцитов на стадии ведения буровзрывных работ в комбинированном поле напряжений. // В кн. Совершенствование буровзрывных работ на горнодобывающих предприятиях КМА. / Тез. докл. конф. по БВР г. Губкин 1985, с. 93.
6. Анисимов В.Н., Семёнов В.В. Взрывная рудоподготовка сложноструктурных массив железистых кварцитов. Горный журнал. - 2003.- №6.
7. Анисимов В.Н. Концепция малооперационной ресурсосберегающей технологии взрывной рудоподготовки железистых кварцитов с применением дополнительных импульсных волновых воздействий. // Горный информационный аналитический бюллетень. - 2005. - №7. - С. 12.
|— Коротко об авторах--------------------------------------
Анисимов В.Н., Белин В.А. - Московский государственный горный университет.
