Отбойка руды скважинами: Комплексный анализ технологий, параметров и факторов эффективности (Доклад для студентов)

Введение в отбойку руды: Основные принципы и место скважинных технологий

В современном горном деле, где каждая тонна руды и каждый метр проходки имеют критическое значение для экономики предприятия, процесс отбойки руды выступает краеугольным камнем всей производственной цепочки. Это не просто механическое отделение массива; это сложный, многофакторный процесс, нацеленный на эффективное, безопасное и экономически обоснованное извлечение полезных ископаемых. Взрывная отбойка, в частности, занимает лидирующие позиции, составляя до 50% от всех способов отбойки, при этом удельный объем шпуровой отбойки достигает 45-55% от общего объема взрывных работ. Эти цифры красноречиво говорят о доминирующей роли взрывных методов в современной горнодобывающей промышленности, а потому понимание их механизмов и нюансов становится жизненно необходимым.

Отбойка руды — это технологический процесс отделения руды от массива с одновременным дроблением её на куски до расчетного размера. Основные цели этого процесса многогранны: обеспечение безопасности работ, максимально полное отделение руды в пределах заданного контура, минимизация законтурного разрушения массива, достижение высокого качества дробления (с минимальным выходом негабарита), поддержание достаточной интенсивности добычи и, конечно, минимизация общих затрат. Разрушение горных пород может осуществляться механическими, взрывными, термическими, гидравлическими и комбинированными способами, каждый из которых находит своё применение в зависимости от конкретных горно-геологических условий.

Исторически, отбойка руды прошла путь от примитивных механических методов до сложных буровзрывных технологий. В России скважинная отбойка начала активно применяться с 1931–1932 гг. на железных рудниках, а к 1947–1948 гг. получила широкое распространение и на рудниках цветной металлургии. Этот метод стал одним из ключевых достижений в технологии подземной разработки рудных месторождений, значительно повысив производительность и безопасность работ, что обусловило его актуальность и сегодня: скважинная отбойка является одним из наиболее перспективных и часто используемых методов, обеспечивая отделение руды в масштабных объемах.

Общие принципы и классификация методов отбойки руды

Определение и цели отбойки

В сердце горного производства лежит процесс отбойки руды – это не просто разрушение массива, а целенаправленное отделение ценных минералов от вмещающих пород с одновременным их дроблением до размеров, удобных для дальнейшей транспортировки и переработки. Главная задача отбойки заключается в обеспечении полного и точного отделения рудного тела в заданных контурах, избегая при этом излишнего разрушения вмещающих пород, что могло бы привести к разубоживанию или потере руды. Иными словами, речь идет о достижении максимальной эффективности извлечения полезного компонента с минимальными потерями и загрязнением.

Предъявляемые к отбойке требования строги и многогранны:

• Безопасность работ: Приоритет номер один, исключающий риски для жизни и здоровья персонала.
• Максимально полное отделение руды: Минимизация потерь полезного ископаемого в недрах.
• Минимальное законтурное разрушение массива: Предотвращение обрушений, сохранение устойчивости горных выработок и сокращение объема пустой породы.
• Хорошее качество дробления: Получение руды с минимальным выходом крупных кусков (негабарита), требующих вторичного дробления, что увеличивает затраты.
• Достаточная интенсивность: Обеспечение необходимой скорости добычи для поддержания производственных планов.
• Минимальные затраты: Экономическая эффективность процесса.

Классификация методов отбойки

Разнообразие геологических условий, типов руд и масштабов месторождений привело к формированию множества методов отбойки, каждый из которых имеет свою нишу применения. В основе классификации лежит способ разрушения горной породы.

Взрывная отбойка: шпуровая, скважинная, минная

Наиболее универсальным и широко применяемым методом, особенно для руд любой крепости, является взрывная отбойка. Её принципы основаны на использовании энергии взрывчатых веществ (ВВ), размещенных внутри массива.

Разновидности взрывной отбойки:

• Шпуровая отбойка: Использует заряды, помещенные в относительно короткие (до 5 м) шпуры малого диаметра. Это гибкий метод, позволяющий точно контролировать контуры отбойки и качество дробления. Удельный объем шпуровой отбойки составляет значительные 45-55% от общего объема взрывной отбойки, что подчеркивает её значимость, особенно в условиях сложного залегания или маломощных рудных тел.
• Скважинная отбойка: Применяет заряды в более глубоких скважинах (более 5 м), что позволяет отбивать большие объемы руды за один взрыв. Этот метод является основным фокусом данного доклада и будет детально рассмотрен далее.
• Минная отбойка: Использует крупные заряды ВВ, размещенные в специальных минных камерах или штреках. Применяется для отбойки очень больших объемов массива, но требует значительных подготовительных работ.

Механическая отбойка

Этот метод предпочтителен для полезных ископаемых небольшой крепости и при выемке руд и пород с использованием самоходных шарошечных комбайнов. Эффективность проходческих комбайнов ограничена пределом прочности на одноосное сжатие (σ_сж) до 100 МПа, что соответствует коэффициенту крепости по шкале Протодъяконова f ≤ 10 (крепкие породы). Техника постоянно совершенствуется, но для высокопрочных руд механическая отбойка пока не может конкурировать со взрывной по производительности и стоимости.

Самообрушение

Самообрушение является наиболее экономически выгодным видом отбойки, поскольку минимизирует затраты на взрывные работы и бурение. Оно применяется в мощных месторождениях, сложенных слабыми или трещиноватыми минералами, которые способны разрушаться под действием гравитации и давления вышележащих пород. Этот метод характеризуется низкими затратами на добычу и высокой производительностью, что делает его предпочтительным для рудных тел с хорошей дробимостью. Самообрушение эффективно в породах с коэффициентом крепости по Протодъяконову f < 8-10.

Гидравлическая и электрофизические способы

К более специализированным методам относятся:

• Гидравлическая отбойка: Разрушение массива осуществляется высоконапорной струей воды. Применяется для мягких пород, угля или россыпных месторождений.
• Электрофизические способы: Включают электроимпульсный и электротермомеханический методы. Они основаны на создании теплового ядра или электрического разряда в массиве токами высокой или низкой частоты, что приводит к разрушению породы. Электроимпульсный способ применяется для пород с низкой электрической проводимостью, таких как галит, сильвинит, фосфорит, где электрический разряд может эффективно проникать и разрушать структуру.

Таблица 1: Сравнение основных методов отбойки руды

Метод отбойки	Принцип разрушения	Условия применения	Коэффициент крепости (f) / Прочность (σсж)	Преимущества	Недостатки
Взрывная (шпуровая)	Энергия ВВ в шпурах	Любые руды, сложный контур	Все	Точность, контроль дробления	Высокие затраты, небольшие объемы
Взрывная (скважинная)	Энергия ВВ в скважинах	Мощные залежи, устойчивые руды	Все	Высокая производительность, безопасность	Неравномерное дробление, разубоживание
Взрывная (минная)	Энергия ВВ в камерах	Очень мощные залежи	Все	Отбойка огромных объемов	Значительные подготовительные работы
Механическая	Режущий инструмент	Мягкие и средней крепости породы	f ≤ 10; σсж до 100 МПа	Высокая точность, экологичность	Ограничение по крепости, износ оборудования
Самообрушение	Гравитация, давление	Мощные, трещиноватые, слабые руды	f < 8-10	Низкие затраты, высокая производительность	Высокие потери, разубоживание
Гидравлическая	Струя воды под давлением	Мягкие породы, уголь, россыпи	Низкая	Экологичность, простота	Ограничение по крепости, большие объемы воды
Электрофизическая	Электрический разряд	Породы с низкой электропроводностью (галит, фосфорит)	Различные	Точность, отсутствие ВВ	Высокая стоимость, ограниченное применение

Эта классификация демонстрирует, что выбор метода отбойки – это всегда компромисс между геологическими условиями, требованиями к качеству руды, производительностью и экономическими показателями. Таким образом, грамотное решение требует глубокого понимания всех входящих переменных, а не просто следования типовым схемам.

Технология скважинной отбойки руды: Детальный обзор

Когда речь заходит о масштабной добыче руды из глубоких недр, взгляд горных инженеров неизбежно обращается к скважинной отбойке. Этот метод не просто разрушает породу; он трансформирует подход к разработке месторождений, позволяя эффективно извлекать огромные объемы полезных ископаемых.

Сущность скважинной отбойки

В основе скважинной отбойки лежит принцип использования мощной энергии взрывчатых веществ (ВВ), размещенных в заранее пробуренных цилиндрических полостях, называемых скважинами. Отличие от шпуров очевидно: скважины имеют значительно большую глубину, как правило, более 5 метров, что позволяет закладывать более объемные заряды и, как следствие, отбивать крупные блоки руды за один цикл взрыва. Что же это означает на практике? По сути, мы получаем возможность массовой отбойки, минимизируя количество циклов бурения и заряжания, что напрямую влияет на общую производительность.

История этой технологии в России началась в 1931–1932 годах на железных рудниках, а к 1947–1948 годам она уже активно применялась на рудниках цветной металлургии. Это стало настоящим прорывом, заменив трудоемкую шпуровую отбойку и открыв путь к индустриализации подземной добычи.

Условия применения и эффективность

Скважинная отбойка не является универсальным решением для всех месторождений, но в определенных условиях она проявляет свою максимальную эффективность. Этот метод наиболее целесообразен:

• В мощных рудных залежах: Диапазон мощности рудных тел, где скважинная отбойка показывает наилучшие результаты, составляет более 8 метров, а в некоторых случаях достигает от 20 до 45 метров. Это позволяет использовать длинные скважины и формировать крупные взрывные блоки.
• Для достаточно устойчивых руд: Породы должны обладать достаточной крепостью, чтобы скважины не обрушались до момента заряжания и взрывания.
• Для руд средней ценности: В условиях низкоценных руд, где важна высокая производительность и минимальные затраты на отбойку больших объемов, скважинная отбойка становится экономически оправданной.

Схемы расположения скважин

Геометрия расположения скважин в массиве определяет не только эффективность дробления, но и общую технологию ведения очистных работ. Руду отбивают вертикальными, горизонтальными или наклонными слоями, которые всегда располагаются параллельно плоскости обнажения. Толщина отбиваемых слоев может варьироваться в широком диапазоне — от 1,5 до 18 метров, что подчеркивает гибкость метода.

Существуют три основные схемы расположения скважин:

• Параллельное: Скважины бурятся параллельно друг другу и, как правило, перпендикулярно плоскости обнажения.
• Веерное: Скважины бурятся из одной точки (буровой орт или камера), расходясь веером.
• Пучковое: Скважины бурятся группами (пучками) из одной точки, но с более сгруппированным расположением, чем при веерном бурении.

Сравнительный анализ параллельного и веерного расположения

Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при проектировании буровзрывных работ.

Критерий	Параллельное расположение скважин	Веерное расположение скважин
Дробление руды	Обеспечивает более равномерное дробление за счет одинакового расстояния между зарядами по всей длине скважин.	Неравномерное расположение зарядов может приводить к повышенному выходу негабарита.
Проходка выработок	Требует проходки подэтажных буровых ортов для каждой серии скважин, а также перестановки буровой машины после бурения каждой скважины.	Не требуется проходка подэтажных буровых ортов, бурение осуществляется с одной точки установки.
Объем буровых работ	Оптимальное использование длины скважины.	Часть скважин может оставаться незаряженной из-за прохождения через пустые породы или неоптимального расположения. Это увеличивает объем бурения примерно в 1,5 раза.
Условия труда	Рабочие могут быть подвержены воздействию обрушенной кровли при проходке ортов.	Улучшаются условия труда, так как буровые рабочие находятся в более безопасной зоне.
Разубоживание	Может быть более точным, если рудное тело имеет стабильные контуры.	Точность отбойки по контакту с пустыми породами невысока, что приводит к повышению разубоживания.
Длина скважин	Суммарная длина скважин меньше.	Суммарная длина скважин может быть в 1,7–2 раза больше, чем при параллельной.

Выбор между параллельным и веерным расположением часто обусловлен геометрией рудного тела, его мощностью и устойчивостью вмещающих пород. В мощных, однородных залежах с устойчивыми боками может быть предпочтительно параллельное расположение для достижения равномерного дробления. В то же время, при сложной конфигурации рудного тела или необходимости минимизировать объем подготовительных выработок, веерное расположение может оказаться более практичным, несмотря на потенциальное увеличение объема бурения и выход негабарита.

Отбойка на открытое компенсационное пространство и в зажиме

При скважинной отбойке принципиально важно наличие свободного пространства, куда разрушенная руда может сместиться. Различают два основных подхода:

• Отбойка на открытое компенсационное пространство: Этот метод предполагает наличие заранее созданной свободной поверхности (например, вертикальной отрезной щели или горизонтальной подсечки в нижней части блока). Руда взрывается в сторону этого пространства, что способствует более эффективному дроблению и меньшему риску образования негабарита.
• Отбойка в зажиме (на обрушенные породы): Применяется в мощных залежах крепких и средней крепости руд (с коэффициентом крепости по Протодъяконову f от 4 до 17), которые не склонны к слеживанию. В этом случае взрыв происходит в условиях ограниченного пространства, где руда разрушается и уплотняется в уже обрушенной или обрушающейся породе. Этот метод позволяет снизить выход негабарита за счет дополнительного дробления породы при контакте с «зажатой» средой, а также интенсифицировать процесс выпуска и доставки руды, так как не требуется ждать полного образования свободного пространства. Однако он требует тщательного контроля за давлением и степенью дробления.

Важнейшим предварительным этапом для любого типа скважинной отбойки является формирование первичного обнаженного объема. Это может быть создание вертикальной отрезной щели, которая обеспечивает свободную поверхность для отхода взрываемой руды, или горизонтальной подсечки в нижней части блока, которая формирует зону для осыпания отбитой руды. Без такого предварительного обнажения эффективность отбойки существенно снижается, а риски образования негабарита и плохого дробления возрастают.

Параметры скважин и современное проектирование буровзрывных работ

Успех скважинной отбойки кроется в детальном планировании и точном расчете каждого параметра. Это своего рода дирижирование мощной симфонией, где каждый инструмент – от диаметра скважины до типа взрывчатого вещества – должен играть в унисон для достижения гармоничного результата: эффективного и безопасного разрушения массива. Разве можно рассчитывать на качественный результат, если каждый элемент системы работает обособленно?

Характеристики скважин

Скважины, используемые в отбойке, представляют собой не просто отверстия, а тщательно спроектированные каналы для размещения зарядов. Их размеры варьируются в широких пределах:

• Глубина: От 5 до 60 метров и более, что позволяет отбивать высокие уступы и мощные рудные залежи.
• Диаметр: От 30–40 до 250 мм. Традиционно их делят на:
  • Малый диаметр: До 90 мм (или от 40 до 85 мм).
  • Большой диаметр: 100 мм и более (или от 90 до 250 мм).

В России удельный объем скважинной отбойки составляет около 60% от общего объема взрывной отбойки. Пр�� этом на скважины малого диаметра приходится около 25%, но их доля, по прогнозам, может стать преобладающей в ближайшие 10–15 лет. Это обусловлено развитием бурового оборудования, позволяющего более точно и быстро бурить скважины меньшего диаметра, что может быть выгоднее в определенных горно-геологических условиях.

По направлению бурения скважины могут быть:

• Вертикальными: Как нисходящими (сверху вниз), так и восходящими (снизу вверх).
• Горизонтальными: Для отбойки горизонтальных слоев руды.
• Наклонными: Используются для оптимального расположения зарядов относительно плоскости обнажения или при веерном бурении.

Факторы, влияющие на выбор диаметра скважин

Выбор диаметра скважин — это ключевое решение, влияющее на эффективность всего процесса отбойки. Он зависит от множества взаимосвязанных факторов:

• Трещиноватость пород: Чем выше трещиноватость, тем меньше может быть диаметр скважины, так как массив уже имеет зоны ослабления.
• Мощность карьера или рудного тела: В мощных залежах целесообразно использовать скважины большего диаметра для отбойки больших объемов.
• Устойчивость уступа: Скважины большего диаметра могут требовать больших расстояний между зарядами для поддержания устойчивости.
• Производительность бурового станка: Возможности имеющегося оборудования напрямую влияют на выбор диаметра.
• Категория крепости пород: Для пород различных категорий существуют рекомендованные диаметры:
  • I–II категорий трещиноватости: Рекомендуется выбирать возможно больший диаметр зарядов – 250–320 мм. Это позволяет эффективно разрушать крупные блоки массива.
  • III–IV категорий: Оптимальный диаметр – 200–250 мм.
  • V категории, а также в неоднородных или часто перемежающихся породах IV категории, при отбойке рудных тел небольшого размера или на узких рабочих площадках – 150–200 мм.
• Расстояние между веерными комплектами: Для скважин диаметром 150 мм оно может составлять 3,5–2,5 м, а для скважин диаметром 100 мм – 2–2,7 м.

Основные параметры скважинной отбойки

Эффективность скважинной отбойки – это результат сложного взаимодействия множества параметров, каждый из которых требует точного расчета:

• Высота уступа (H): Определяет общую глубину отбиваемого слоя.
• Сопротивление по подошве (W_п): Расстояние от нижнего края заряда до свободной поверхности, влияющее на проработку подошвы уступа.
• Диаметр зарядов (d): Диаметр скважины, в которую помещается заряд.
• Длина заряда (l_з): Длина колонки взрывчатого вещества в скважине.
• Длина забойки (l_заб): Длина участка скважины над зарядом, заполненного инертным материалом для предотвращения выброса газов.
• Расстояние между зарядами (a): Дистанция между центрами зарядов в одном ряду.
• Расстояние между рядами зарядов (b): Дистанция между рядами скважин.
• Величина перебура (l_пер): Длина скважины ниже проектной отметки подошвы уступа, необходимая для полного разрушения массива у основания.
• Общая длина скважины (L): Суммарная длина бурения.
• Расстояние (C) от верхней бровки уступа до первого ряда скважин: Влияет на устойчивость верхней части уступа и качество отбойки.

Этапы проектирования и автоматизация буровзрывных работ

Проектирование буровзрывных работ (БВР) – это многоступенчатый процесс, требующий высокой точности и координации:

1. Маркшейдерская съемка местности: Точное определение координат и высотных отметок рабочего участка.
2. Подготовка площадки: Очистка, нивелировка, обеспечение доступа для бурового оборудования.
3. Повторная маркшейдерская съемка: Контроль изменений и уточнение исходных данных.
4. Проектирование блока: Определение контуров взрываемого объема, расчет объемов руды и пустой породы.
5. Бурение скважин: Выполнение буровых работ в соответствии с проектом.
6. Зарядка скважин: Помещение ВВ в скважины.
7. Коммутация взрывной сети: Соединение детонаторов и детонирующих шнуров в единую сеть для одновременного или последовательного взрыва.
8. Взрывание блока: Непосредственно взрывные работы.
9. Маркшейдерский замер развала горной массы: Оценка результатов взрыва, объема отбитой руды, выхода негабарита.

Современные технологии значительно упростили и повысили точность этого процесса. Специализированное программное обеспечение, такое как ГЕОМИКС Буровзрывные работы или K-MINE, позволяет автоматизировать:

• Размещение скважин: Оптимальное расположение зарядов с учетом горно-геологических условий.
• Расчет координат их устьев (x, y, z) и проектных параметров: Точное определение глубины, перебура, длины забойки, вместимости и массы заряда.
• Моделирование результатов взрыва: Прогнозирование качества дробления и формирования развала горной массы.

Проекты буровзрывных работ должны обеспечивать не только разрушение массива, но и достижение ряда критически важных целей:

• Требуемая степень и равномерность дробления: Чтобы минимизировать затраты на вторичное дробление.
• Формирование параметров развала горной массы: Обеспечение безопасной и высокопроизводительной работы погрузочного оборудования.
• Хорошее качество проработки подошвы взрываемого уступа: Предотвращение образования «подушек» неразрушенной породы.
• Минимальное сейсмическое воздействие взрыва на массив: Для сохранения устойчивости близлежащих выработок и поверхности.

Таким образом, проектирование скважинной отбойки – это наукоемкий процесс, который в значительной степени опирается на глубокие знания в области горного дела, геомеханики, взрывного дела и современные информационные технологии.

Применяемое оборудование и взрывчатые вещества в скважинной отбойке

Эффективность и безопасность скважинной отбойки напрямую зависят от качества и функциональности используемого оборудования и характеристик взрывчатых веществ. В этом разделе мы углубимся в арсенал горного инженера, применяемый для бурения, заряжания и инициирования зарядов.

Буровые установки

Сердцем процесса скважинной отбойки является бурение. Для создания глубоких и точных скважин применяются специализированные буровые установки. Выбор станка определяется крепостью пород, требуемым диаметром и длиной скважин, а также условиями работы.

• Станки типа НКР-100М: Широко используются для бурения кругового веера скважин. Они способны создавать скважины диаметром 105–130 мм и длиной до 50 метров в породах с крепостью f = 5–20 по шкале твердости профессора Протодъяконова. Эти станки отличаются высокой производительностью и надежностью, что делает их незаменимыми для крупномасштабных подземных работ.
• Машины вращательно-ударного действия: Применяются для бурения скважин меньшего диаметра и глубины. Примерами могут служить установки БУ-70У, СБУ-3к, КБУ-50М, предназначенные для скважин диаметром 50–70 мм и глубиной до 30 метров. Эти станки более мобильны и могут быть эффективны для работы в ограниченных пространствах или при отработке менее мощных рудных тел.

Взрывчатые вещества (ВВ)

Выбор взрывчатого вещества критически важен для достижения необходимого качества дробления и минимизации законтурного разрушения. Он зависит от характеристик руды, условий обводненности и диаметра скважин.

• Гранулированные ВВ: Наиболее распространены в сухих условиях и при больших диаметрах скважин. Среди них выделяются аммиачно-селитренные ВВ, такие как гранулит АС-8, аммонит 6ЖВ, гранулит И-1. Их преимущества – относительная дешевизна и хорошая сыпучесть, что упрощает механизированное заряжание.
• Водонаполненные эмульсионные ВВ: Незаменимы во влажных условиях и при малом диаметре скважин, где гранулированные ВВ могут потерять свои свойства. Эмульсионные ВВ, например, типа Эмулан, обладают высокой плотностью, водоустойчивостью и энергетикой. Их пластичная консистенция позволяет эффективно заполнять скважины и обеспечивает хороший контакт с породой.

Средства механизации заряжания

Ручное заряжание глубоких скважин трудоемко и небезопасно. Поэтому широко применяются средства механизации:

• Для гранулированных ВВ: Используются зарядные машины, такие как СУЗН-5А, МЗ-3, МЗ-4, МЗ-8. Эти машины обеспечивают пневматическую подачу ВВ, что позволяет быстро и равномерно заполнять скважины.
• Для водосодержащих ВВ: Применяются специальные насосные установки, например, машины Акватол-1У, Акватол-111 и им подобные, которые подают эмульсионное ВВ под давлением.
• Пневмозарядчики барабанного типа: Такие как УЗС и ЗМБС, используются для заряжания скважин малого и среднего диаметра.
• Тяжелые зарядные устройства: Для применения на карьерах и в крупноблочной отбойке существуют мощные зарядные машины, смонтированные на автомобильных шасси, способные доставлять и заряжать большие объемы ВВ.

Средства инициирования и безопасность при заряжании

Инициирование взрыва – это финальный и самый ответственный этап. Современные технологии предлагают несколько способов:

• Детонирующий шнур (ДШ): Гибкий шнур, содержащий ВВ, который передает детонацию по всей длине заряда.
• Электродетонаторы замедленного и короткозамедленного действия: Позволяют управлять последовательностью взрывов отдельных зарядов или рядов скважин, что критически важно для формирования оптимального развала горной массы и минимизации сейсмического воздействия.
• Неэлектрические системы инициирования: Современные системы, такие как «Nonel» (безэлектрические детонаторы), повышают безопасность работ, исключая риски, связанные со статическим электричеством или блуждающими токами.

Безопасность при заряжании является приоритетом: при механизированном заряжании скважин, особенно с использованием пневматической подачи ВВ, возникает риск накопления статического электричества. Поэтому зарядные машины должны быть обеспечены токопроводными шлангами и дополнительными средствами для снятия зарядов статического электричества. Это позволяет предотвратить случайное инициирование ВВ, ведь даже малейшая искра может привести к катастрофе. Разрешены все способы взрывания: огневое, электрическое и с помощью детонирующего шнура, но каждый из них требует строгого соблюдения правил безопасности.

Комплексное применение современного бурового оборудования, эффективных ВВ и надежных средств инициирования, в сочетании со строгим соблюдением требований безопасности, позволяет обеспечить высокую производительность и контролируемость процесса скважинной отбойки руды.

Геологические, горно-технические и экономические факторы выбора

Выбор технологии отбойки руды – это не только инженерное, но и комплексное экономическое решение, которое учитывает множество взаимосвязанных факторов. Геологические особенности месторождения, горно-технические условия его разработки и ожидаемые экономические показатели формируют сложную матрицу, в которой и определяется оптимальный метод.

Влияние горно-геологических условий

Геологическая среда диктует первые и зачастую самые жесткие ограничения и возможности для применения скважинной отбойки.

• Мощность и устойчивость рудных залежей: Скважинная отбойка показывает свою максимальную эффективность в мощных (более 6–8 м) и достаточно устойчивых рудных залежах. В таких условиях можно использовать длинные скважины и отбивать значительные объемы руды, что экономически выгодно. Если рудное тело слишком маломощное или имеет сложную конфигурацию, высокая точность, которую обеспечивает шпуровая отбойка, становится более предпочтительной.
• Крепость (прочность на сжатие) и трещиноватость руды: Эти параметры напрямую влияют на расход ВВ, качество дробления и устойчивость скважин. Чем крепче руда, тем больше требуется ВВ, но при этом массив может быть более устойчивым, что позволяет бурить глубокие скважины. Высокая трещиноватость, наоборот, может снизить потребность в ВВ, но повысить риск обрушения стенок скважин.
• Число обнаженных поверхностей забоя: Чем больше свободных поверхностей имеет блок, тем эффективнее происходит разрушение массива, так как энергия взрыва может распространяться в большем количестве направлений. Предварительное создание отрезных щелей или подсечек значительно улучшает условия отбойки.

Проблема разубоживания и потерь руды

Одним из критических недостатков скважинной отбойки, особенно при веерном расположении скважин, является невысокая точность отбойки по контакту с пустыми породами. Это приводит к неизбежному разубоживанию руды — снижению содержания полезного компонента в добытом полезном ископаемом за счет примеси пустых пород.

Коэффициент разубоживания (p) определяется как:

p = (c - a) / c

где:

• c — содержание полезного компонента в погашенных балансовых запасах (в рудном теле).
• a — содержание полезного компонента в добытом полезном ископаемом.

В благоприятных условиях коэффициент разубоживания может составлять до 10%, но при сложном залегании рудных тел или неровном контакте с вмещающими породами он может достигать 35-40%. Для камерных систем с извлечением целиков, где контроль контуров более точен, разубоживание обычно находится в пределах 15-20%.

Повышенные потери и разубоживание руды являются существенным экономическим недостатком, особенно при использовании систем с магазинированием, когда отбитая руда временно складируется в очистном пространстве. В таких условиях, если контакт рудного тела с вмещающими породами неровный, прочный и мощность рудного тела резко меняется, контроль качества руды становится крайне затруднительным.

Технико-экономические показатели оценки

Для объективной оценки эффективности скважинной отбойки используются ряд технико-экономических показателей:

• Производительность труда бурильщика: Измеряется в тоннах (т/смену) или кубометрах (м³/смену) отбитой руды на одного бурильщика за смену. Высокая производительность – один из главных аргументов в пользу скважинной отбойки.
• Удельный расход ВВ: Количество взрывчатого вещества, необходимого для отбойки одной тонны (кг/т) или кубометра (кг/м³) руды. Этот показатель напрямую влияет на себестоимость.
  • По практическим данным для условий Малеевского рудника, удельный расход ВВ для медно-цинковых руд составляет 1,544 кг/м³ (с учетом потерь при зарядке — до 1,698 кг/м³), для полиметаллических руд — 1,401 кг/м³.
• Выход руды с одного метра шпура или скважины: Измеряется в тоннах (т/м) или кубометрах (м³/м) и характеризует эффективность использования буровых работ.
• Процент выхода негабарита: Доля крупных кусков руды, требующих вторичного дробления. Этот показатель напрямую связан с качеством дробления и может существенно увеличить затраты.
  • Удельный расход ВВ на вторичное дробление является важным индикатором:
    • Для скважин диаметром 125–150 мм: 0,12–0,15 кг/т.
    • Для 100–125 мм: 0,08–0,12 кг/т.
    • Для 50–75 мм: 0,04–0,05 кг/т. Эти данные показывают, что чем меньше диаметр скважин (и, как правило, более равномерное дробление), тем меньше ВВ требуется для вторичного дробления негабарита.

Выбор метода отбойки – это сложный процесс оптимизации, где необходимо найти баланс между геологическими реалиями, техническими возможностями и экономическими ограничениями, стремясь к максимальной производительности при минимальных потерях и затратах.

Преимущества и недостатки технологии скважинной отбойки

Чтобы получить полную картину эффективности скважинной отбойки, необходимо рассмотреть как ее неоспоримые достоинства, так и присущие ей ограничения. Это позволяет формировать объективное представление о методе и принимать взвешенные решения о его применении, понимая, где он будет оптимален, а где потребуется искать альтернативы.

Преимущества

Скважинная отбойка, появившись как эволюционный шаг в горном деле, привнесла ряд значительных улучшений по сравнению с традиционными шпуровыми методами:

• Значительное увеличение производительности труда: По сравнению со шпуровой отбойкой, скважинная технология позволяет увеличить производительность труда на отбойке в два-три раза. Это достигается за счет отбойки больших объемов руды за один взрыв, меньшего количества циклов бурения и заряжания на единицу объема.
• Взаимонезависимость процессов: Обеспечивается четкое разделение во времени между бурением, взрыванием и доставкой руды. Это позволяет оптимизировать работу оборудования и персонала, исключая простои и конфликты между различными операциями.
• Повышение безопасности работ: Один из наиболее весомых аргументов. Рабочие при бурении и заряжании скважин не находятся непосредственно под обнаженной кровлей в камере, что значительно снижает риски обрушений. Кроме того, уменьшается пылеобразование в рабочих зонах, улучшая общую гигиену труда.
• Возможность отработки руд невысокой устойчивости: При правильном проектировании, скважинная отбойка позволяет отрабатывать руды, которые без закладки и крепления очистного пространства были бы слишком опасны для шпуровой отбойки.
• Уменьшение запыленности воздуха и повышение общей культуры труда: Благодаря механизации процессов и удалению персонала из зон непосредственного пылеобразования.
• Экономия на подготовительных выработках при веерной отбойке: При веерном расположении скважин требуется меньший объем буровых выработок (подэтажных ортов), так как бурение ведется из одной точки, что также создает лучшие условия труда для буровых рабочих.

Недостатки

Несмотря на все достоинства, скважинная отбойка имеет и свои ограничения, которые необходимо учитывать:

• Ухудшение дробления руды и повышенный выход негабарита: В сравнении со шпуровой отбойкой, скважинная отбойка часто приводит к худшему дроблению руды. Это связано с расширением сетки расположения зарядов и, как следствие, менее равномерным распределением энергии взрыва в массиве. Повышенный выход негабарита требует дополнительных затрат на вторичное дробление, что увеличивает общую себестоимость добычи.
• Неравномерность дробления при веерной отбойке: При веерном расположении скважин неравномерное распределение зарядов в массиве усугубляет проблему выхода негабарита.
• Увеличение объема бурения при веерной отбойке: При веерном расположении часть скважин может проходить через пустые породы или быть расположена таким образом, что не может быть полностью использована для размещения заряда в рудном теле. Это приводит к увеличению объема бурения примерно в 1,5 раза по сравнению с теоретически необходимым объемом.
• Необходимость постоянной перестановки оборудования при параллельной отбойке: При параллельном расположении скважин требуется перестановка буровой машины после бурения каждой скважины и проходка новых подэтажных ортов после отбойки каждого слоя, что увеличивает вспомогательные работы и время цикла.
• Высокое разубоживание, особенно при веерной отбойке: Связано с невысокой точностью отбойки по контакту с пустыми породами. При веерной отбойке разубоживание может достигать 10–20% и более, особенно при сложной конфигурации рудного тела, что ведет к потере ценного компонента.
• Увеличение суммарной длины скважин при веерной отбойке: Общая длина скважин при веерном расположении может быть в 1,7–2 раза больше, чем при параллельной схеме, что увеличивает затраты на бурение.

Таблица 2: Сравнительный анализ преимуществ и недостатков скважинной отбойки

Аспект	Преимущества	Недостатки
Производительность	Увеличение производительности труда в 2–3 раза по сравнению со шпуровой отбойкой.
Безопасность	Повышение безопасности (рабочие не находятся под обнаженной кровлей, снижение пылеобразования).
Эффективность дробления		Худшее дробление руды по сравнению со шпуровой отбойкой, повышенный выход негабарита. Неравномерное дробление при веерной отбойке.
Объем бурения	Меньший объем буровых выработок при веерной отбойке.	Увеличение объема бурения на ≈1,5 раза при веерной отбойке (из-за незаряженных участков). Суммарная длина скважин при веерной отбойке в 1,7–2 раза больше, чем при параллельной.
Разубоживание и потери		Высокое разубоживание (10–20% и более) при веерной отбойке из-за невысокой точности по контакту с пустыми породами.
Гибкость применения	Возможность отработки руд невысокой устойчивости без закладки и крепления.
Технологический процесс	Взаимонезависимость во времени бурения, взрывания и доставки.	Требуется перестановка буровой машины и проходка подэтажных ортов после каждого слоя при параллельной отбойке.

Таким образом, выбор в пользу скважинной отбойки всегда является результатом тщательного анализа, где преимущества высокой производительности и безопасности сопоставляются с потенциальными компромиссами в качестве дробления, разубоживании и дополнительными затратами на бурение в определенных конфигурациях.

Безопасность и экологические аспекты буровзрывных работ

В современном горном деле, где технологии достигают невиданных высот, на первое место выходит не только экономическая эффективность, но и две не менее важные составляющие: безопасность людей и сохранение окружающей среды. Буровзрывные работы, являясь одним из наиболее мощных и потенциально опасных этапов добычи, требуют особого внимания к этим аспектам.

Нормативно-правовые требования и проектная документация

Основой безопасного ведения горных работ является строгая правовая и нормативная база. В Российской Федерации это регулируется Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности.

• Проектная документация: Все горные работы, включая буровзрывные, должны осуществляться исключительно на основании разработанных организациями проектов, которые затем утверждаются техническим руководителем предприятия. Эти проекты содержат детальные схемы, расчеты, технологические карты и, что крайне важно, меры по обеспечению безопасности.
• Анализ опасностей и их источников: Работодатель обязан систематически анализировать все возможные опасности и их источники, угрожающие жизни и здоровью работников при выполнении буровзрывных и других подземных работ. Это включает в себя оценку рисков, разработку превентивных мер и планов реагирования на чрезвычайные ситуации.

Меры по обеспечению безопасности

Безопасность при проведении буровзрывных работ – это комплексный подход, охватывающий все этапы:

• Эвакуационные пути: На каждом объекте ведения горных работ необходимо создавать условия для беспрепятственного покидания участка работниками в случае аварии. Это подразумевает наличие запасных выходов, хорошо обозначенных путей эвакуации и систем оповещения.
• Регистрация и расследование инцидентов: Все несчастные случаи, аварии и инциденты, произошедшие на объектах ведения горных работ, подлежат обязательной регистрации, расследованию и учету в соответствии с законодательством Российской Федерации. Это позволяет выявлять причины и предотвращать повторение подобных ситуаций.
• Вентиляция: При проходке шахтных стволов и тоннелей крайне важно обеспечивать искусственную вентиляцию с местной вытяжкой от участков буровзрывных и сварочных работ. Это необходимо для удаления пыли, вредных газов (оксидов азота, угарного газа), образующихся после взрыва, и поддержания нормального состава воздуха.
• Учет специфических рисков: При проведении буровзрывных работ необходимо учитывать целый спектр рисков:
  • Эксплуатация крупногабаритной техники: Риски наездов, столкновений, падений грузов.
  • Перепады высот: Опасность падения с высоты.
  • Ограниченная видимость: Особенно в подземных условиях, требует адекватного освещения и сигнальных систем.
  • Повышенный уровень шума: Требует использования средств индивидуальной защиты органов слуха.
  • Применение взрывчатых веществ: Наиболее высокий риск несанкционированного взрыва, преждевременного срабатывания, отказа, а также воздействия ударной волны и сейсмических эффектов.

Экологические последствия и их минимизация

Буровзрывные работы оказывают значительное воздействие на окружающую среду, и минимизация этого воздействия является приоритетной задачей:

• Снижение сейсмического воздействия: Взрывы вызывают сейсмические волны, которые могут нарушать устойчивость горных выработок, близлежащих сооружений на поверхности, а также вызывать техногенные землетрясения. Проектирование буровзрывных работ должно включать расчеты сейсмического воздействия и применение методов снижения сейсмичности (например, использование короткозамедленного взрывания, оптимизация массы заряда, демпфирующие штормовые заряды).
• Уменьшение техногенного трещинообразования: Взрывы могут вызывать образование новых трещин в массиве или расширение существующих, что снижает его устойчивость и увеличивает риск обрушений. Это особенно актуально при камерно-целиковом порядке выемки с твердеющей закладкой, где важно сохранить целостность целиков и качество закладки.
• Предотвращение обрушения вмещающих пород: Неконтролируемое обрушение вмещающих пород может привести к потере руды, увеличению объема пустой породы в добываемом потоке и загрязнению окружающей среды.
• Экологический аспект разубоживания и потерь руды: Повышенные потери и разубоживание руды, особенно при неровном контакте рудного тела с вмещающими породами, являются не только экономическим, но и серьезным экологическим аспектом. Руда, смешанная с пустой породой, требует более интенсивного обогащения, что приводит к увеличению потребления реагентов, энергии и образованию больших объемов хвостов обогащения, которые необходимо складировать и утилизировать. Таким образом, предотвращение разубоживания напрямую способствует снижению экологической нагрузки.

Обеспечение безопасности и минимизация экологического воздействия – это неотъемлемые составляющие современного подхода к скважинной отбойке руды. Эти аспекты требуют постоянного контроля, внедрения новых технологий и строгого соблюдения всех нормативных требований для устойчивого развития горнодобывающей промышленности.

Заключение

Скважинная отбойка руды зарекомендовала себя как высокопроизводительный, экономически эффективный и относительно безопасный метод разработки мощных и устойчивых месторождений. Её ключевые преимущества – это значительное увеличение производительности труда, повышение безопасности за счет удаления рабочих из опасных зон, а также возможность отработки руд различной устойчивости.

Однако эффективность скважинной отбойки критически зависит от правильного и комплексного проектирования. Учет множества факторов, таких как горно-геологические условия (мощность, крепость и трещиноватость руды), горно-технические аспекты (схемы расположения скважин, выбор диаметра и длины зарядов), а также экономические показатели (удельный расход ВВ, выход негабарита, разубоживание), является залогом успешной реализации.

Современные достижения в области бурового оборудования, разработке взрывчатых веществ нового поколения и специализированного программного обеспечения для автоматизации проектирования буровзрывных работ значительно расширяют возможности и повышают точность скважинной отбойки. Эти инструменты позволяют оптимизировать параметры взрывания, минимизировать риски и добиваться требуемого качества дробления при одновременном снижении сейсмического воздействия на массив.

Тем не менее, метод имеет и свои недостатки, в числе которых – потенциально худшее качество дробления и более высокий выход негабарита по сравнению со шпуровой отбойкой, а также проблема разубоживания, особенно выраженная при веерном расположении скважин. Эти аспекты требуют постоянного внимания и поиска решений, направленных на повышение точности отбойки по контактам рудного тела с вмещающими породами.

Строгое соблюдение мер безопасности и экологических требований на всех этапах буровзрывных работ, от проектирования до контроля результатов, является не просто нормативным требованием, но и фундаментальным принципом устойчивого развития горнодобывающей отрасли. Минимизация сейсмического воздействия, предотвращение техногенного трещинообразования и снижение разубоживания руды имеют прямое влияние не только на экономику, но и на экологическую чистоту процесса.

Таким образом, скважинная отбойка руды продолжает развиваться, оставаясь одним из столпов подземной разработки месторождений. Дальнейшее развитие технологии будет направлено на повышение точности отбойки, снижение разубоживания, улучшение качества дробления и внедрение более совершенных средств автоматизации и контроля, что позволит сделать этот метод еще более эффективным, безопасным и экологически ответственным.

Список использованной литературы

1. Очистные работы. URL: https://metallolome.ru/index.php/promyshlennost/item/244-ochistnye-raboty (дата обращения: 02.11.2025).
2. Скважинная отбойка руды. Выбор диаметра скважин. Условия применения. URL: https://studfile.net/preview/10260490/page:6/ (дата обращения: 02.11.2025).
3. Скважинная отбойка руды. Строительный ресурс The Building resource. URL: https://thebuilding.ru/articles/skvazhinnaya-otboyka-rudy/ (дата обращения: 02.11.2025).
4. Скважинная отбойка. Подземная геотехнология. Bstudy. URL: https://bstudy.ru/geotechnology/56230-skvazhinnaya-otboyka.html (дата обращения: 02.11.2025).
5. Технологический комплекс отбойки руды. URL: https://studfile.net/preview/10260490/page:3/ (дата обращения: 02.11.2025).
6. Методы разрушения горных пород. Механический, взрывной, процесс бурения. URL: https://mining-tech.ru/metody-razrusheniya-gornyh-porod/ (дата обращения: 02.11.2025).
7. Безопасность ведения горных и карьерных работ. Сибирские технологии. URL: https://sib-tech.ru/articles/bezopasnost-vedeniya-gornyx-i-karernyx-rabot.html (дата обращения: 02.11.2025).
8. Проектирование и расчёт буровзрывных работ на новом уровне. ГЕОМИКС. URL: https://geomix.ru/blog/proektirovanie-i-raschyot-burovzryvnykh-rabot-na-novom-urovne/ (дата обращения: 02.11.2025).
9. Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых. АО НПО «Техкранэнерго». URL: https://tek.ru/info/normdocs/federalnye-normy-i-pravila-v-oblasti-promyshlennoy-bezopasnosti-pravila-bezopasnosti-pri-vedenii-gornykh-rabot-i-pererabotke-tverdykh-poleznykh-iskopaemykh/ (дата обращения: 02.11.2025).
10. Отбойка руды. Разработка месторождений полезных ископаемых. Studref.com. URL: https://studref.com/495034/gornaya_promyshlennost/otboyka_rudy (дата обращения: 02.11.2025).
11. Файл. URL: https://studfile.net/preview/7668630/page:2/ (дата обращения: 02.11.2025).
12. Спецметоды отбойки горной массы. Презентация онлайн. URL: https://ppt-online.org/388962 (дата обращения: 02.11.2025).
13. Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых» от 08 декабря 2020. docs.cntd.ru. URL: https://docs.cntd.ru/document/566126639 (дата обращения: 02.11.2025).
14. Требования охраны труда при выполнении работ по проходке горных выработок. URL: https://ohrana-truda.org/fedzakon/prikaz-mintruda-rossii-ot-17-09-2021-n-632n/xix-trebovaniya-ohrany-truda-pri-vypolnenii-rabot-po-prohodke-gornyh-vy/ (дата обращения: 02.11.2025).
15. Системы с отбойкой руды глубокими скважинами. Строительный портал. URL: https://www.activestroy.ru/mining/tehnologiya_gornogo_proizvodstva/sistemy_s_otbojkoj_rudy_glubokimi_skvazhinami.php (дата обращения: 02.11.2025).
16. Методы отбойки (скважинный, шпуровой, камерный, накладных зарядов). URL: https://studfile.net/preview/10260490/page:7/ (дата обращения: 02.11.2025).
17. Основные способы разрушения горных пород. Бурение скважин. URL: https://voda.kr.ua/osnovnyie-sposobyi-razrusheniya-gornyih-porod/ (дата обращения: 02.11.2025).
18. Классификация способов разрушения горных пород. Rosmining. URL: https://rosmining.ru/stati/klassifikatsiya-sposobov-razrusheniya-gornykh-porod (дата обращения: 02.11.2025).
19. Способы отбойки руды. Мастерская своего дела. URL: https://stroyone.com/sposoby-otbojki-rudy/ (дата обращения: 02.11.2025).
20. Буровзрывные работы. K-MINE. URL: https://k-mine.com/wp-content/uploads/2016/11/K-MINE_BVR.pdf (дата обращения: 02.11.2025).
21. Параметры скважинной отбойки горных пород (часть 1). Строительный портал. URL: https://www.activestroy.ru/mining/tehnologiya_gornogo_proizvodstva/parametry_skvazhinnoj_otbojki_gornyh_porod_chast_1.php (дата обращения: 02.11.2025).
22. Порядок расчета параметров скважинной отбойки. URL: https://studfile.net/preview/10260490/page:10/ (дата обращения: 02.11.2025).
23. Определение наиболее рациональных способов отбойки. Текст научной статьи по специальности. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-naibolee-ratsionalnyh-sposobov-otboyki (дата обращения: 02.11.2025).
24. Проектирование взрывных работ. Санкт-Петербургский горный университет. URL: https://www.spmi.ru/sites/default/files/2020-09/metodichka_proektirovanie_bvr.pdf (дата обращения: 02.11.2025).
25. Отбойка руды (часть 1). Строительный портал. URL: https://www.activestroy.ru/mining/tehnologiya_gornogo_proizvodstva/otbojka_rudy_chast_1.php (дата обращения: 02.11.2025).
26. Расширение скважин для взрывной отбойки руды на подземных горных работах. Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование». КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rasshirenie-skvazhin-dlya-vzryvnoy-otboyki-rudy-na-podzemnyh-gornyh-rabotah (дата обращения: 02.11.2025).
27. Б1.Б.42 Процессы подземной разработки рудных месторождений. Мурманский арктический университет. URL: https://www.masu.edu.ru/upload/iblock/d71/B1.B.42-Protsessy-podzemnoy-razrabotki-rudnykh-mestorozhdeniy.pdf (дата обращения: 02.11.2025).
28. Глава 8. Расчет параметров и паспорта БВР. ektu.kz. URL: https://ektu.kz/sites/default/files/uploads/file/uch_metod/kurs_lek/podzem_razrabotka_rud/8.pdf (дата обращения: 02.11.2025).