Способ определения содержания полезного компонента во взорванной горной массе при ее выемке на карьерах
Владельцы патента RU 2386032:
Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу (RU)
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано на открытых горных работах при разработке буровзрывных блоков, участки которых существенно различаются по содержанию полезного компонента в горной массе. Техническим результатом является повышение достоверности и детальности информации о распределении содержания полезного компонента в развале взорванного блока, сокращение времени, необходимого для получения достоверной информации. Способ включает бурение скважин в соответствии с проектом массового взрыва, опробование скважин геолого-геофизическими методами, определение распределения содержания полезного компонента в объеме буровзрывного блока методами геостатистики, заряжание и взрывание скважин в соответствии с выбранными параметрами буровзрывных работ и со схемой коммутации скважинных зарядов. Перед экскавацией взорванной горной массы осуществляют маркшейдерскую съемку поверхности развала, вводят данные в компьютер, на основе математической модели рассчитывают развал блока, распределение содержания полезного компонента в развале, вычисляют распределение среднего по высоте развала содержания этого компонента в плане с(х,у), являющееся достоверной информационной основой для разработки оперативных планов выемки взорванной горной массы из развала в режиме реального времени. 3 ил.
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано на открытых горных работах при разработке буровзрывных блоков, участки которых существенно различаются по содержанию полезного компонента в горной массе.
При выемке полезного ископаемого в карьере обычно геологические пикеты устанавливают по границам рудных включений и вмещающих пород. Пикеты устанавливают по рекомендациям специалиста-геолога, проводящего визуальное или инструментальное обследование поверхности развала и дающего заключение о содержании полезного компонента во взорванной горной массе.
Основными недостатками такого способа являются неудовлетворительные детальность и точность определения содержания полезного компонента во взорванном объеме и большое время обследования массива.
Другие, более современные способы определения содержания полезного компонента в карьере предполагают использование тех или иных измерительных устройств. Так, в способе внутризабойной сортировки магнитных руд (SU 251103 А1 1969.08.26) для определения содержания полезного компонента в зоне черпания используют стальные элементы ковша экскаватора в качестве магнитопровода индуктивного магниточувствительного датчика и определяют содержание магнитной руды в рудной массе ковша по показаниям индикатора в кабине машиниста.
В институте физики и механики Киргизской АН (SU 1631175 А1 1991.02.28) предложен способ селективной выемки качественной руды, в котором для реализации процесса селекции применяются два измерительных устройства. Одно из них устанавливают на ковше экскаватора, а другое - на выносной конструкции ковша (зубе рыхлителя). Это позволяет не только контролировать содержание полезного компонента в руде при черпании, но и определять направление продвижения экскавации.
Однако применение этих способов при разработке сложноструктурных блоков затруднительно из-за неопределенности выбора направления заходки, так как определение содержания полезного компонента производят на локальном участке и поэтому составление оперативного плана работ при этом невозможно. Кроме того, при разработке рудных месторождений, в которых целевая руда и вмещающая порода имеют близкие электрофизические свойства, этот способ неприменим в принципе.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ определения содержания полезного компонента во взорванной горной массе при ее выемке на карьерах, включающий бурение скважин в соответствии с проектом массового взрыва, опробование скважин геолого-геофизическими методами, определение распределения содержания полезного компонента в объеме буровзрывного блока методами геостатистики, заряжание и взрывание скважин в соответствии с выбранными параметрам буровзрывных работ и со схемой коммутации скважинных зарядов, опробование поверхности развала с целью разработки оперативного плана экскавации взорванной горной массы (Ржевский В.В. Процессы открытых горных работ. М.: Недра, 1974, сс.450, 469).
Основными документами опробования на уступах являются погоризонтные планы (М 1:500), на которые наносят контуры залежей с данными опробования по каждой скважине. При необходимости составляют вертикальные разрезы уступов с нанесением геологической структуры и показателей качества ископаемых и вмещающих пород. После взрыва производят опробование по поверхности развала и составляют план фактического размещения разнотипной горной массы. Эти качественные (сортовые) планы являются основой для планирования качества добываемого ископаемого и порядка отработки блоков. За интервал опробования принимают расстояние между буровзрывными скважинами.
Недостатком данного способа является то, что сетка опробования в плане не может быть достаточно детальной, не учитывается перераспределение полезного компонента во всей толще развала после взрывания блока и не обеспечивается выемка полезного ископаемого с заданным содержанием полезного компонента без постоянного опробования развала горной массы. Операция опробования поверхности развала является трудоемкой и длительной. Кроме того, опробование поверхности не позволяет получить достоверную и детальную картину распределения содержания полезного компонента в толще развала.
Для расчета содержания полезного компонента в взорванной горной массе в техническом уровне известно использование следующих методов: геостатистики (Капутин Ю.Е. Горные компьютерные технологии и геостатистика, Санкт-Петербург, 2002); механики взрыва (Кузнецов В.М. Математические модели взрывного дела. - Новосибирск: изд-во Наука, Новосибирское отд., 1977); буровзрывной науки (Друкованый М.Ф., Куц B.C., Ильин В.И. Управление действием взрыва скважинных зарядов на карьерах. - М.: Недра, 1980; Гальянов А.В., Рождественский В.Н., Блинов Ф.Н. Трансформация структуры горных массивов при взрывных работах на карьерах. - Екатеринбург, 1999.); математического моделирования (Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Моделирование действия взрыва при разрушении горных пород. - М.: Недра, 1990); геоинформационных технологий (Серый С.С., Дунаев В.А., Герасимов А.В. ГИС ГЕОМИКС - интегрированная информационная система геолого-маркшейдерского обеспечения открытых и подземных горных работ. // Сборник докладов Международного семинара "Передовые технологии проектирования буровзрывных работ на карьерах". Бишкек, 2006, с.87-89).
Задачей изобретения является создание оперативного и достоверного способа определения содержания полезного компонента во взорванной горной массе при ее выемке на карьерах.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявляемого способа, являются:
- повышение достоверности и детальности информации о распределении содержания полезного компонента в развале взорванного блока
- сокращение времени, необходимого для получения достоверной информации;
- возможность разработки оперативных планов выемки руды из развала в режиме реального времени.
Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных результатов стало возможным благодаря тому, что в известном способе определения содержания полезного компонента во взорванной горной массе при ее выемке на карьерах, включающем бурение скважин в соответствии с проектом массового взрыва, опробование скважин геолого-геофизическими методами, определение распределения содержания полезного компонента в объеме буровзрывного блока методами геостатистики, заряжание и взрывание скважин в соответствии с выбранными параметрами буровзрывных работ и со схемой коммутации скважинных зарядов, перед экскавацией взорванной горной массы осуществляют маркшейдерскую съемку поверхности развала, вводят данные в компьютер, на основе математической модели рассчитывают развал блока, распределение содержания полезного компонента в развале, вычисляют распределение среднего по высоте развала содержания этого компонента в плане с(х,у), являющееся достоверной информационной основой для разработки оперативных планов выемки взорванной горной массы из развала в режиме реального времени.
Заявленный способ осуществляют следующим образом. Разрабатывают проект массового взрыва. Бурят в соответствии с этим проектом скважины. При бурении скважин производят их геолого-геофизическое опробование. На основе полученных результатов и результатов опробования разведочных скважин методом геостатистики определяют распределения содержания полезного компонента в объеме буровзрывного блока СБ (x,y,z).
Скважины заряжают и взрывают в соответствии с выбранными параметрами буровзрывных работ и схемы коммутации скважинных зарядов. После проведения массового взрыва осуществляют маркшейдерскую съемку поверхности развала. По принятым параметрам буровзрывных работ и схеме коммутации скважинных зарядов осуществляют расчет развала буровзрывного блока и распределения полезного компонента во взорванной горной массе. Расчет осуществляют с использованием программного обеспечения, разработанного на основании математической модели развала.
Для моделирования развала буровзрывной блок разбивают взаимно перпендикулярными плоскостями на элементарные ячейки, а сам процесс моделирования осуществляют последовательно для каждого ряда буровзрывных скважин с выделением трех этапов:
1) деформирование массива;
2) дезинтеграция;
3) формирование развала.
На первом этапе принимают допущение о мгновенности передачи энергии взрыва в среде и о несжимаемости самой среды. Тогда для среды в ячейках, окружающих заряды, применяют уравнения гидродинамики в импульсной постановке и для определения распределения поля скоростей, формирующегося на первом этапе, используют потенциальную функцию φ(x,y.z), удовлетворяющую уравнению Лапласа
где φ(x,y,z)=-p(x,y,z)/ρc(x,y,z),
здесь ρc(x,y,z) - плотность среды;
p(x,y,z,t) - давление.
Потенциалы на открытых поверхностях предполагают равными нулю, а в ячейках, содержащих скважины, определяют по формуле:
ρвв, ρс - значения плотности заряда и среды соответственно;
D, Dc - значения скорости детонации взрывчатого вещества и ударной волны в среде;
V, V0 - конечный и начальный объемы продуктов взрыва;
L - длина заряда;
τв - время до вылета забойки;
t(z) - момент времени, при котором нижний срез забойки проходит расстояние z от своего первоначального положения.
В результате решения поставленной задачи Дирихле для уравнения Лапласа (1) находят распределение потенциала φ(x,y.z). Искомое распределение вектора скорости V(x,y,z) в буровзрывном блоке вычисляют по формуле:
V(x,y,z)=gradφ(х,y,z).
В качестве критерия разрушения используют критическую скорость смещения νкр. Формула для ее вычисления имеет вид
,
где σкр - предельное напряжение на сжатие, растяжение или сдвиг; ρс - плотность среды; Е - модуль упругости среды.
Разрушение среды в элементарной ячейке происходит при условии:
,
где а - размер области, которая должна сохраниться целой, D - критерий дробимости, который равен
В разрушенной части массива происходит преимущественное передвижение среды в сторону открытых поверхностей, сопровождающееся перераспределением объемов твердой фазы разрыхленной части буровзрывного блока и поля скоростей. За меру разрыхления массива принимают коэффициент разрыхления, определяемый по формуле:
Кр=(V2-V1)/V1=τp(∂νx/∂x+∂νy/∂y+∂νZ/∂z),
где V2, V1 - соответственно значения элементарных объемов до и после разрыхления; νx, νy, νz - проекции вектора скорости на координатные оси; τp - время дезинтеграции. В данной формуле учитываются только положительные слагаемые (производные), соответствующие расширению материала в элементарных ячейках вдоль той или иной координатной оси, а значения этих производных вычисляются по функции φ(x,y,z), найденной на первом этапе решения задачи. Найденным значениям Кр соответствуют объемы твердой фазы, подлежащие перераспределению в соседние ячейки в процессе дезинтеграции.
Для определения весовых коэффициентов, определяющих части этих объемов, подлежащего перемещению в каждую из 26 соседних ячеек, по каждому направлению подсчитывают среднюю порозность (1-Kp)V1 в этом направлении. Искомые весовые коэффициенты равны отношениям средних порозностей по направлениям к сумме средних значений порозности по всем направлениям. Распределение разрушенных объемов в соответствии с заданными коэффициентами производят до тех пор, пока рассчитанный для каждой ячейки объем твердой фазы не будет соответствовать принятому для нее коэффициенту разрыхления Кр.
Распределение скоростей в ячейках разрушенного после дезинтеграции объема рассчитывают по формулам:
νi=ΔVi/Siτp,
где ΔVi - перемещаемый в направлении i-й координаты объем; νi - новое значение проекции скорости на i-ю ось; Si - площадь поперечного сечения; τр - время дезинтеграции.
Содержание полезного компонента в разрушенной среде в элементарных ячейках пересчитывают по формуле:
где с - новое значение параметра; c1V1 - значение параметра и объема перед перераспределением объемов; c2V2 - значение параметра и объема, приходящие в ячейку при перераспределении объемов.
Найденные величины являются начальными данными для этапа формирования развала.
Полученное распределение скоростей также является начальным для этапа баллистического движения материала в элементарных ячейках буровзрывного блока.
На третьем этапе происходит баллистическое движение среды из элементарных ячеек после дезинтеграции.
В проекциях на оси декартовой системы координат уравнения баллистики будут иметь вид
где V - вектор скорости; νx=dx/dt, νy=dy/dt, νz=dz/dt - проекции вектора скорости на оси декартовой системы координат; g - значение ускорения свободного падения; t - время; b - коэффициент сопротивления.
Начальные условия для решения системы уравнений баллистики принимают вид х(0)=х0; у(0)=у0; z(0)=z0; vx(0)=vx0; vy(0)=νy0; vz(0)=vz0. Значения vx0, vy0, vz0 для каждой ячейки определяют при решении второго этапа задачи.
Систему уравнений баллистического движения твердой фазы решают для каждой элементарной ячейки. При этом находят изменение скоростей центров масс материала всех ячеек за малый промежуток времени Δt, который подбирают в численных экспериментах. Так как процесс полета среды на баллистической стадии является случайным (стохастическим), перераспределение объемов между ячейками происходит случайным образом.
Для описания этого процесса используют известную функцию распределения плотности вероятности перехода.
Проекции вектора средней скорости материала в ячейке (снос) и коэффициент диффузии для элементарных ячеек принимают постоянными (модель изотропных блужданий со сносом). При таких предположениях решение уравнения Колмогорова имеет вид:
f(λ,t)=exp(λ-λ0-µt)2/(Nt))/(πNt)1/2,
где f(λ, t) - плотность вероятности перехода среды из положения λ0 в положение λ за время t; λ={x,y,z}; µ={vx,vy,vz}; N - коэффициент диффузии.
Вероятности перехода в соседнюю ячейку соответственно по осям x,y,z определяют по формулам:
где Δλ - половина размера ячейки.
Используя вычисленные вероятности в качестве весовых множителей, перераспределяют объемы среды в соседние ячейки. При переходе объемов среды в соседние ячейки для них осуществляют перерасчет проекций скоростей центров масс v по закону сохранения импульсов:
v=(V1v1+V2v2)/(V1+V2),
где V1, V2 - соответственно начальный объем твердой фазы в соседней ячейке и объем, поступающий в нее за время Δt;
v1, v2 - значения проекций скорости в соседней ячейке и скорости среды, поступающей в нее.
На следующем интервале времени в качестве начальных скоростей используют вычисленные на предыдущем интервале значения проекций скоростей. Данные вычисления производят до тех пор, пока весь разрушенный объем блока не достигнет горизонта падения и горизонтальные составляющие вектора абсолютной скорости центра масс материала в ячейках не станут нулевыми. Параметры среды в элементарных ячейках, совершающей баллистическое движение, пересчитывают по формуле (2).
По результатам моделирования и путем маркшейдерской съемки определяют поверхность развала h(x,y). При совпадении рассчитанной поверхности развала с поверхностью развала, полученной в процессе маркшейдерской съемки, выполняют вычисление распределения среднего по высоте развала содержания этого компонента в плане с(х,у) по формуле:
где C(x,y,z) - найденное при моделировании распределение содержания полезного компонента в объеме развала.
Полученная функция выражает достоверное и детальное распределение содержания полезного компонента в развале, являющегося основой для составления плана фактического размещения разнотипной горной массы в развале, на основе которого осуществляют экскавацию.
Практическая применимость предложенного способа проверена на примере разрабатывающегося железорудного месторождения.
Заявленный способ применительно к определению содержания полезного компонента в развале буровзрывного блока на карьере, в котором осуществляется выемка железной руды, иллюстрируют нижеследующие фигуры:
Фиг.1. Представлено распределение содержания полезного компонента в буровзрывном блоке на железорудном карьере до проведения взрывных работ (в целике).
Фиг.2. Представлено распределение содержания полезного компонента в развале, образовавшемся после взрыва этого блока.
Фиг.3. Представлена шкала содержания полезного компонента (Feмгн).
Искомая функция с(х,у) характеризует распределение содержания полезного компонента Feмгн в плоскости развала.
Компьютерную модель развала реализуют в виде программного модуля, включенного в систему ГИС ГЕОМИКС, предназначенную для автоматизации геолого-маркшейдерского обеспечения горных работ. Это позволяет использовать исходную геологическую, маркшейдерскую и буровзрывную информацию по взрываемому блоку путем импорта из соответствующих модулей системы.
Производят построение блочной модели (БМ) участка карьера, включающего в себя БВР блок, которая представляет собой совокупность ячеек в заданной области, полученных путем пересечения взаимно перпендикулярных плоскостей. В качестве ячейки выбран куб с длиной ребра 1 м. На основе исходных данных маркшейдерской съемки БМ сверху ограничивается поверхностью карьера.
Далее производят ввод и экспорт исходных данных модели и численный расчет процесса развала.
При расчете развала используют следующие исходные данные:
1. Характеристики поверхности карьера до и после взрыва по результатам маркшейдерской съемки блока.
2. Качественные характеристики буровзрывного блока по результатам опробования при бурении и их экстраполяции на весь блок.
3. Характеристики расчетной сетки:
число ячеек по оси Х=190;
число ячеек по оси Y=161;
число ячеек по оси Z=120;
координаты узлов ячеек в декартовой системе координат расчетной модели - из геометрической модели карьера.
4. Характеристики взрываемого блока:
средняя плотность среды = 3000 кг/м3;
критическое напряжение сжатия = 200 МПа;
критическое напряжение растяжения = 6 МПа;
критическое напряжение сдвига = 12 МПа;
скорость распространения упругих волн в этой среде = 5000 м/с.
5. Характеристики взрывной сети скважин:
время замедления = 42 мс;
длина скважины = 17 м;
длина забойки = 5-6 м;
координаты устья и углы наклона скважины берут из паспорта взрыва;
скорость детонации ВВ в скважине = 5610 м /с;
плотность ВВ кг/м3 = 1340 кг/м3 (акватол);
плотность материала забойки = 1500 кг/м3;
диаметры скважин = 250 мм;
количество скважин = 59;
количество рядов скважин = 24.
Параметры модели, подобранные в результате численного эксперимента:
коэффициент сопротивления при баллистическом движении - 0,0012 1/м по воздуху и 0,024 1/м в среде;
коэффициенты диффузии при стохастическом перераспределении объемов материала в ячейках при баллистическом движении 10 м2/с;
коэффициент разрыхления = 1,33.
Реализация предложенного способа позволяет повысить достоверность и детальность информации о распределении полезного компонента в развале взорванного блока, так как учитывается перераспределение полезного компонента в толще развала. При его использовании сокращается время на подготовительные операции при экскавации взорванной горной массы.
Предложенный способ может быть положен в основу оперативного планирования добычи горной массы в режиме реального времени. Оперативный план разрабатывается исходя из принятой технологии выемки (селективная, с внутрикарьерным усреднением и др.).
Способ определения содержания полезного компонента во взорванной горной массе при ее выемке на карьерах, включающий бурение скважин в соответствии с проектом массового взрыва, опробование скважин геолого-геофизическими методами, определение распределения содержания полезного компонента в объеме буровзрывного блока методами геостатистики, заряжание и взрывание скважин в соответствии с выбранными параметрами буровзрывных работ и со схемой коммутации скважинных зарядов, отличающийся тем, что перед экскавацией взорванной горной массы осуществляют маркшейдерскую съемку поверхности развала, вводят данные в компьютер, на основе математической модели рассчитывают развал блока, распределение содержания полезного компонента в развале, вычисляют распределение среднего по высоте развала содержания этого компонента в плане с(х,у), являющееся достоверной информационной основой для разработки оперативных планов выемки взорванной горной массы из развала в режиме реального времени.
