Неоднородность прочностных свойств массива горных пород

Свойства массива горных пород изменяются в пространстве, подчиняясь одному из законов распределения, которые характеризуются: среднеквадратическим отклонением, коэффициентом вариации, а также величинами эксцесса и асимметрии. Эти статистические показатели применяются в качестве количественной меры природной неоднородности в геологии при оценке геолого-промышленных параметров месторождений полезных ископаемых.
Непостоянство свойств массива горных пород обусловливает необходимость выделять и учитывать неоднородности различных уровней при проектировании технологических процессов добычи полезных ископаемых. Так, большое разнообразие пород по крепости предопределяет использование различных параметров буровзрывных работ и соответствующих мероприятий по обеспечению устойчивости бортов карьера.
Таким образом, одно и то же явление непостоянства свойств горного массива при анализе его природного состояния чаще всего называется изменчивостью, а при попытке применения различных параметров технологических процессов в условиях изменяющихся свойств, очевидно, следует связывать с неоднородностью.
Применительно к существующей технологии открытых горных работ элементом неоднородности является объем горной массы, примыкающий к взрывной скважине, при этом границей неоднородностей разного уровня является переход от одних параметров взрывной отбойки к другим.
С целью установления принципа оценки технологической неоднородности массива для условий производства буровзрывных работ определены количественные показатели природной изменчивости по трем блокам Саякского и одному Коунрадского рудников. Прочностные свойства блоков были определены при обуривании их шарошечными станками по измерениям энергоемкости бурения «Е».
В основу определения величин статистических показателей положено равенство шага квантования, который устанавливался для всех блоков по ранее приведенной формуле:

где R=Emax-Emin - размах колебаний значений энергоемкости, встречаемых на блоках; n - число скважин на каждом блоке.
Величина интервала ΔЕ в среднем составляла около 1,35 МДж/м. Установление одного интервала в распределениях крепости пород позволило представить все имеющиеся данные по энергоемкости для каждого блока в виде двух рядов:
а) для вычисления статистических показателей применительно к природной изменчивости;
б) для той же цели с учетом возможного управления технологическими параметрами в определенных границах, т.е. для учета неоднородности массива горных пород.
Последнее условие вызывает необходимость объединить все малые значения «Е» до 1,25 МДж/м в одну группу, более 11,25 МДж/м - в другую.
Результаты статистической обработки данных по всем четырем блокам приведены в табл. 4.8, в числителе даны величины для случая (а), в знаменателе — для (б).
Анализ результатов расчета показателей распределений показывает, что в обоих случаях среднеквадратическое отклонение довольно полно отражает степень изменчивости и технологической неоднородности блоков по прочности. О ней также можно судить по величине эксцесса, в то время как коэффициент вариации хуже всего отражает изменчивость. При сравнении величин среднеквадратических отклонений видно, что этот показатель для Коунрадского карьера в три раза меньше, чем для блоков Саякского, в то время как коэффициент вариации при оценке степени изменчивости прочностных свойств пород говорит об обратном.

Учет границ управления параметрами буровзрывных работ видоизменил вариационные ряды энергоемкости: они стали короче, и находятся в пределах от 4,5 до 11,25 МДж/м за счет этого изменился характер распределений. Так, для Коунрада явно проступили признаки однородности, а блоки Саяка по-прежнему остались неоднородными.
Анализ статистических показателей распределений показывает, что они не дают какого-либо представления о пространственном положении неоднородностей, т.е. не позволяют оценить их структуру или качественную сторону изменчивости и, следовательно, решать оперативные технологические задачи.
В настоящее время существует актуальная проблема оперативного учета изменения прочностных свойств массива в пространстве в ходе выполнения технологических процессов добычи и соответствующего изменения их параметров. Возможность рационализации каких-либо параметров обусловлена, с одной стороны, величиной показателя, например, прочностных свойств, а с другой - существенностью изменения, т.е. тем его предельным значением, которое исключает применение прежних параметров технологии.
Возможности оперативного управления параметрами буровзрывных работ регламентируются погрешностями определения прочностных свойств массива, а также допустимыми значениями ошибок. Проведем анализ погрешностей при определении нагрузки на одну скважину в случае производства буровзрывных работ одним из вариантов метода оперативного изменения сетки скважин по величине энергоемкости бурения. Вариант реализуется регулированием нагрузки на скважину при постоянной массе заряда для всех скважин блока. Данный способ предполагает переменное расстояние между скважинами которое задается по величине энергоемкости бурения, установленной при проходке предыдущей скважины, используя положения, изложенные в книге И.А. Тангаева.
При условии постоянства массы заряда совокупная погрешность определения расстояний между скважинами колеблется от 9,5 до 11,5% в зависимости от абсолютных значений которые чаще всего изменяются от 6 до 9 м при диаметре заряда 243 мм. Изменение показателя прочности пород массива в 1,35 МДж/м, соответствующего чувствительности управляющего параметра, требует изменения сетки скважин на один разряд, т.е. на 0,5 м.
В табл. 4.9 представлены основные взаимозависимые величины нагрузки на скважину и пределы изменения крепости пород, а также относительные отклонения нагрузки при переходе от одних параметров сетки к другим. Из данных табл. 4.9 видно, что максимальное отклонение двух смежных параметров не превышает 25% и является допустимым пределом погрешностей при расчете параметров основных технологических процессов в горном деле согласно шкале точности, разработанной проф. Л.И. Бароном.

Применение на карьере одного основного типоразмера, например, буровых станков с преобладающим диаметром долот 243 мм и BB средней удельной энергией 4,2 МДж/кг, ограничивает возможности регулирования сетки скважин. Однако энергоемкость бурения, как показатель прочностных свойств пород массива, на различных участках Саякского месторождения колеблется от 3,6 до 16,2 МДж/м, т.е. перекрывает нижний и верхний пределы регулирующего сетку скважин параметра. Это свидетельствует о том, что природная изменчивость прочностных свойств не всегда соответствует технологической неоднородности пород по крепости, в то время как последняя в процессах добычи играет определяющую роль.
При организации оперативного управления параметрами буровзрывных работ серьезное значение имеет структура изменчивости и неоднородности прочности массива. Наиболее неблагоприятный случай тот, когда чередуются породы резко контрастные по прочности. Как видно из данных табл. 4.9, максимальное отклонение в нагрузке на скважину не должно превышать 25%, поэтому при оценке неоднордности блока или его участков по крепости в качестве критерия, разграничивающего параметры сетки скважин, следует принять величину энергоемкости в 1,35 МДж/м. Эта величина является предельной абсолютной погрешностью, обеспечивающей надежную подготовку горной массы.
Известно, что при нормальном распределении признака интервал величиной За перекрывает всю область вариационного ряда по оси абсцисс. Приравнивая предельную погрешность интервалу 3σ, имеем:

Поскольку выявлено, что абсолютная разница в прочности пород массива в смежных скважинах, не требующая изменения параметров, равна 1,35 МДж/м, то для однородного блока должно выполняться условие:

Этому условию на блоке должна соответствовать ситуация:

Очевидно величины, стоящие в правой части неравенств, должны зависеть от требований, предъявляемых к уровню надежности подготовки горной массы. Чем выше показатель надежности, тем меньше абсолютная величина правой части.
Если блок имеет определенную природную изменчивость пород по крепости, то на результаты взрыва при выбранной сетке скважин влияют два основных вида контраста смежных участков:
- переход от слабых пород к очень крепким породам, и наоборот;
- переход от средних пород к слабым, или от средних — к крепким, и наоборот.
Анализ статистических показателей табл. 4.9 показывает, что представленные выше условия однородности пород блоков по прочности хорошо согласуются. Следовательно, чем выше значение показателя крепости по блоку, тем выше среднеквадратическое отклонение и ниже коэффициент надежности подготовки горной массы буровзрывными работами.
Эти связи представлены в виде графика на рис. 4.14.

Показанные в табл. 4.7 коэффициенты надежности имели бы место при обуривании блоков по какой-либо одной равномерной сетке скважин, что обычно практикуется на карьерах. При этом в условиях Коунрадского карьера устанавливается сетка 8x8 м. В результате взрыва горная масса имеет хорошее дробление, а экскаватор развивает высокую производительность.
На Саякском карьере использовалась сетка 6x6 м в предположении, что весь блок сложен породами высшей крепости. Фактически же блоки 2 и 3 были обурены по переменной сетке, расстояние между скважинами изменялось в соответствии с крепостью пород, что позволило значительно повысить надежность подготовки горной массы и довести ее до 0,84, о чем свидетельствовали хронометражные наблюдения за экскавацией взорванной породы. Существенно изменилась и экономическая эффективность подготовки горной массы.
Анализ результатов расчета экономических показателей (табл. 4.10) показывает, что за счет упорядоченности расположения скважин на уступе в соответствии с взрываемостью пород возможна экономия средств до 18%, в том числе по бурению - 22% и при взрывании — до 15%. Суммарный экономический эффект на взорванный объем составил 38,6 тыс. долл., на 1 м3 горной массы, экономия в среднем составила 0-15,3 долл. (рис. 4.15).

Результаты, полученные при использовании оперативного изменения параметров буровзрывных работ, побудили выполнить ретроспективный анализ по степени эффективности его применения на других карьерах Урала, Казахстана, Сибири и Узбекистана.

Для этих карьеров необходимо было представить прочностные показатели пород через энергетический критерий. Правомерность подобной замены обусловлена наличием тесной корреляционной зависимости между коэффициентом крепости f или временным сопротивлением породы сжатию σсж и энергоемкостью бурения (I) с одной стороны, а также фактическим удельным расходом BB (показателем взрываемости) и затратами энергии на бурение - с другой (II) (рис. 4.16).

Прочностные свойства оценены по категории буримости ЕНВиВ, среднестатистическим величинам удельного расхода BB и удельной энергоемкости шарошечного бурения станками СБШ-250МН при использовании долот типа 243-ОКП по методике, изложенной ранее.
Анализ данных табл. 4.11 показывает, что результаты взрывных работ, выраженные выходом горной массы с 1 м скважины, могут быть улучшены на некоторых карьерах за счет правильной оценки прочностных свойств. Расчеты показали, что из 10 карьеров на двух параметры буровзрывных работ выбраны верно, и находятся в полном соответствии с крепостью пород, оцененной по величине удельной энергоемкости бурения. На остальных же имеются серьезные резервы в совершенствовании параметров отбойки.

Совершенствование параметров работ на карьерах обусловливает повышение эффективности технологических процессов бурения и взрывания. При этом можно отметить, что чем прочнее порода, тем выше экономическая эффективность (рис. 4.17).
Величина экономического эффекта зависит от соотношения объемов пород различной крепости и от частоты смены прочностных свойств пород на подготавливаемом к взрыву блоке.

---