Текущее состояние. При разработке карьеров строительных материалов, особенно при добыче гранита для строительных целей, недропользователи сталкиваются с проблемой выхода негабаритных фракций при взрывании сложноструктурных массивов. Такие массивы обладают сложной морфологией и неоднородной блочной структурой, а взрываемый участок может содержать различные группы пород с весьма изменчивой трещиноватостью. Кроме того, сам гранит может иметь различные свойства, что дополнительно усложняет процесс взрывания и последующего формирования однородной фрагментации. В результате разупрочнения таких сложноструктурных массивов энергией взрыва существует высокая вероятность образования негабаритных фракций. Кроме зон нерегулируемого дробления и линии отрыва блока, негабаритные фракции часто образуются в области первого ряда скважин. Материал статьи является продолжением исследования, направленного на повышение качества дробления горных пород взрывом за счет учета структурных особенностей взрываемого массива. Изложены теоретические выкладки, подходы и особенности расчета линии наименьшего сопротивления по первому ряду скважин при взрывании сложноструктурных массивов на основе учета интенсивности изменения прочности пород в зависимости от степени трещиноватости, которая, в свою очередь, влияет на размеры зоны трещинообразования.

Решаемая научная проблема. Исследование представляет собой новый подход к пространственной оптимизации расположения взрывных скважин в сложноструктурных массивах горных пород при добыче строительных материалов. Это позволяет расширить научное понимание процесса взрывания и фрагментации горной массы. Работа учитывает структурные особенности массивов горных пород, такие как морфологическая структура и блочность, а также различную трещиноватость и разнообразие гранитов. Это важно для разработки более эффективных стратегий взрывания и добычи, учитывающих уникальные свойства каждого массива. Это открывает новые возможности для получения точной и детальной информации о массиве перед планированием взрывных операций. Разработанный подход к пространственной оптимизации расположения взрывных скважин позволяет снизить выход негабаритных фракций и повысить качество фрагментации горной массы. Это может привести к улучшению производительности и экономической эффективности процесса добычи строительных материалов.

Методы исследования. На первой стадии сбора данных о геоструктурных особенностях взрываемых массивов был выбран метод фотограмметрии для построения аналитических моделей с последующей обработкой в специализированном с целью получения информации о естественной блочности и трещиноватости.

Концептуальная схема сбора и обработки данных о взрываемом массиве представлена на рисунке 1.

Статистический анализ данных может быть использован для создания стохастической модели горного массива в области первого ряда скважин на основе трехмерной дискретной сети трещин. Данная модель включает в себя стохастическое распределение трещин в массиве горных пород, которую можно использовать для анализа применяемых проектных решений по комплексу БВР.

На второй стадии сбора данных о фракционном составе ВГМ проводились работы по оценке фрагментации путем цифровой обработки изображений, полученных при валовой экскавации и погрузке ВГМ с погрузочно-выемочного оборудования. Схема сбора и обработки данных о фрагментации представлена на рисунке 2.

Детали исследования. По модели взрывного блока были выделены геологические разновидности пород, зоны монолитных, крупноблочных и мелкоблочных пород, а также направление главных систем трещин. Картирование взрывных блоков было выполнено с использованием трехмерных облаков точек (рисунок 3). При анализе откосов фиксировалась информация падении и простирании трещин, направления и длины основных систем трещин.

Зная структуру породы, составляющую откос уступа, можно варьировать расположение скважин первого ряда и располагать их таким образом, чтобы расчетная ЛНС с учетом пересекаемых геоструктур совпадала с усредненным фактическим кратчайшим расстоянием до поверхности откоса. Данный фактор очень важен для получения равномерного дробления горной массы по первому ряду. Проектные параметры ЛНС могут быть сопряжены с изменением структуры и типа пород, установленных в ходе съемки и картирования, как описано ранее. 

По данным съемки можно установить объемный показатель количества трещин, который описывается как измерение плотности всех трещин, которая может быть измерена по расстоянию между трещинами в объеме горной породы

Для того, чтобы оценить объемный показатель количества трещин и использовать его значение при расчете индекса трещиноватости при расчете оптимального ЛНС, сгенерированное облако точек должно быть проанализировано с применением ранее указанной методологии.

На основе обработки по данным фотосъемки выполнялось построение распределения гранулометрического состава взорванной горной массы.

Было проведено 18 опытных взрывов, при этом девять из них были выполнены со стандартным расположением первого ряда скважин, а остальные девять — с расстановкой первого ряда скважин по предлагаемой методике, учитывающей трещиноватость и блочность пород, слагающих массив уступа, а также геометрию откоса уступа. 

По результатам проведенных опытных взрывов было выявлено, что при направлении взрыва вкрест трещин получается более качественное дробление массива горных пород, а также что при использовании трапециевидной схемы удалось добиться лучших результатов по показателям гранулометрического состава ВГМ. Так, при базовом варианте проведения взрывных работ средний размер полученных кусков варьировался в диапазоне от 168 мм до 282 мм, а процент вы хода негабаритных фракций колебался от 12,5% до 25,9%. 

При использовании трапециевидной схемы взрывания вкрест простирания трещин средний размер кусков был меньше по сравнению с диагональными схемами инициирования или схемами, инициированными вдоль простирания трещин. 

Усредненные показатели ВГМ относительно размера среднего куска и процентного выхода не габаритных фракций по 9 взрывам до внедрения предлагаемых решений в проект, а именно в области расположения скважин по первому ряду, составили 220 мм и 20,1% соответственно. 

После анализа ВГМ по результатам 9 взрывов с учетом предложенных подходов и решений, относящихся к проекту БВР по расположению скважин первого ряда удалось достичь уменьшения процентного выхода некондиционных фракций и среднего размера куска в раз вале. Процентный выход негабарита из менялся в диапазоне от 11,5% до 18,3%. Усредненный процентный выход негабаритных фракций составил 14,7%, что говорит о снижении процентного выхода некондиционных кусков по сравнению с базовым проведением взрывных работ без расстановки скважин по первому ряду и расчета величины ЛНС, включающей объемный показатель интенсивности трещин. 

Можно отметить, что при использовании методики, учитывающей структурные особенности массива горных пород, результаты взрывов на порядок лучше, чем при использовании стандартной методики, что приводит к более эффективному разрушению горной массы и уменьшению негабаритных фракций. Показатель однородности распределения ВГМ в обоих случаях изменялся незначительно.

Заключение. Для формирования равномерного гранулометрического состава взорванной горной массы и снижения выхода некондиционных фракций при взрывании сложноструктурных массивов горных пород следует учитывать структурные особенности массива (показатель качества горных пород, трещиноватость и блочность) в расчете показателей буровзрывных работ. При помощи специализированных программных комплексов и средств БПЛА можно оптимизировать проектирование взрывов, что, в свою очередь, должно сопровождаться глубокой аналитикой данных, которые мы можем получить до взрыва. 

При взрывании сложноструктурных массивов направление главных трещин может меняться. В этой связи, следует определять направления трещин и учитывать структурные особенностей массива горных пород, картировать уступы и включать показатель качества пород в расчет буровзрывных показателей, таких как ЛНС. Более того, учет данных параметров позволяет подобрать схему монтажа взрывной сети таким образом, чтобы направлять взрыв вкрест трещин и добиваться лучшего дробления горной массы.