___________________________________________________________________________
Nowe rozwiązania techniczne w robotach strzałowych
wykonywanych w kopalniach podziemnych rud
Marcin Szumny, Wojciech Ostiadel ORICA Poland Sp. z o.o., marcin.szumny@orica.com
Streszczenie
W artykule przedstawiono nowe rozwiązania, które powinny być stopniowo wdrażane w polskich podziemnych kopalniach rud. Doświadczenia ostatnich kilku lat pokazują wzrost zastosowania systemów komputerowych w projektowaniu i analizie robót strzałowych. Projektowane parame-try mogą być przekazywane do urządzeń wiertniczych oraz do modułu wytwarzającego i ładują-cego MW do otworu strzałowego. Integralną częścią tego kompleksowego systemu jest nowo-czesny systemu inicjowania MW z użyciem zapalników elektronicznych.
Słowa kluczowe: roboty strzałowe, nowoczesne technologie strzałowe
New technical solutions in blasting works in underground
ore mines
Abstract
The article presents a new solutions, which should be gradually implemented in the Polish underground ore mines. The experience of the last few years shows an increase in the use of computer systems in the design and analysis of blasting. The proposed parameters can be transferred to the drilling equipment and explosives production and loading module. An integral part of this complex system is modern initiation system using electronic detonators.
Key words: blasting works, new blasting technologies
Wstęp
Można powiedzieć, że roboty strzelnicze w kopalniach podziemnych rud w okresie ostatnich 15 lat przeszły od nabijaka do urządzeń wytwarzających i ładujących ma-teriał MW luzem do otworów strzałowych w przodku. Stało się to dzięki wejściu na polski rynek firm zagranicznych, dysponujących odpowiednią wiedzą i technologią. Wymusiło to nową organizację robót strzałowych, ale też przyczyniło się w sposób znaczący do wzrostu bezpieczeństwa przy ich wykonywaniu. Należy sobie jednak odpowiedzieć na pytanie, w jakim kierunku powinny zdążać roboty strzałowe, by osiągnąć jak najlepszy wynik ekonomiczny, np. kiedy używać zapalników elektro-nicznych lub innych rozwiązań techelektro-nicznych niż dotychczas stosowane. Szczególnie ważne jest to przy wykonywaniu robót strzałowych w kopalniach o dużej koncentracji robót i znaczącym zużyciu materiałów wybuchowych (jak ma to miejsce np. w ko-palniach KGHM).Praktyka wykonywania robót strzałowych w Polsce w kopalniach
odkrywkowych jednoznacznie wykazała, że zadowalający wynik ekonomiczny uzy-skuje się, wykorzystując najnowsze zdobycze techniki strzałowej, ale tylko przy od-powiednim ich wykorzystaniu i przy właściwej organizacji robót. Aktualnie w Polsce w podziemnych kopalniach rud stosuje się generalnie mechaniczne ładowanie MW luzem do otworów strzałowych (w 2014 r. około 12 Gg), ale nie korzysta się z innych elementów całego systemu, np. wspomaganie odpowiednim oprogramowaniem. Wstępna analiza wykazuje, że wprowadzając zmiany w podejściu do wykonywania robót strzałowych, w KGHM można zmniejszyć zużycie MW nawet ok. 30%.
1. Roboty strzałowe
Jednym z celów roboty strzałowej jest otrzymanie odpowiedniej ilości urobku przy zachowaniu zadanego kształtu wyrobiska o określonym zabiorze, ale przy odpo-wiedniej efektywności. Celem może być również uzyskanie innych efektów, np. wy-korzystanie techniki strzałowej jako skutecznej metody zwalczania tąpań [7] lub zwiększenie skuteczności strzelań selektywnych [2].
Efektywność roboty strzałowej zależy od:
E=f(M,T,MS) (1)
gdzie:
– efekt strzelania (może być różnie zdefiniowany), – masyw skalny,
– technika strzałowa,
– środki strzałowe, sprzęt strzałowy.
Parametr M, określający masyw, skalny jest dla danej roboty strzałowej zadany i na niego nie mamy wpływu, ale na takie parametry, jak T i MS, jako osoby kierują-ce robotami strzałowymi mamy wpływ decydujący, choć w przypadku parametru MS możliwości te są określone przez producenta MW.
Cały proces wykonywania robót strzałowych można podzielić na dwa zasadnicze etapy: etap projektowania i zasadniczej roboty strzałowej.
1.1. Projektowanie
Dokumentacje lub metryki strzałowe wykonuje się zgodnie z obowiązującymi prze-pisami oraz na podstawie doświadczenia inżyniera strzałowego. Praktycznie nie ma jest w Polsce oprogramowania, które pozwoliłoby obliczyć podstawowe parametry strzałowe lub też stanowiło materiał statystyczny przydatny do celów porównaw-czych. Programem komputerowym, dostępnym w Polsce, jest program z serii SHO-TPlus – T lub UG, który został opracowany w celu wspomagania projektowania ro-bót strzałowych, w tym przy zastosowaniu zapalników elektronicznych. Programy te zawierają aplikacje, które pozwalają na symulowanie przebiegu urabiania złoża w przodku, a tym samym na kontrolowanie jego prawidłowego przebiegu. Program SHOTPlus pozwala projektować odstrzał w środowisku 3D, dobierać w sposób
au-tomatyczny opóźnienia zapalnikom nieelektrycznym lub elektronicznym, pokazuje poszczególne sekwencje urobienia przodka wg czasów następujących detonacji zapalników. Program pozwala na opracowanie szablonów dla różnych typów wło-mów i przodków.
Zapewne bardziej przydatnym oprogramowaniem byłby program, który na pod-stawie przyjętych wzorów i założeń obliczałby parametry strzałowe i rysował metry-kę strzałową zgodnie z obowiązującymi przepisami. Wiele firm pracuje nad progra-mami, które obliczałyby parametry metryki strzałowej na podstawie wzorów, ale inżynier strzałowy jest zobowiązany do wprowadzania danych dotyczących parame-trów masywu skalnego, jak i parameparame-trów MW. Tego typu oprogramowanie pozwoli na: planowanie, optymalizację i dokumentowanie projektowanej metryki, symulację kierunku wyrzutu urobku, eksport nadanych opóźnień do systemów inicjacji elektro-nicznej, jeśli takie byłyby stosowane. Program tego typu, przy bardzo dużej ilości strzelanych przodków, pozwoliłby na archiwizację i analizę materiału statystyczne-go. Można by też wykazać, jak zasadne jest używanie zróżnicowanej ilości MW w otworach strzałowych, np. w otworach stropowych, oraz określić w sposób bardzo przybliżony skutki wywołane powstałymi drganiami parasejsmicznymi, np. w war-stwie stropowej przodka, jak i w żądanej odległości od niego. Jeśli tak będzie prze-biegał proces projektowania metryki strzałowej, wydaje się, że przy znacznej ilości strzelań efekt ekonomiczny można poprawić, o 20-25%. Jeśliby poddać weryfikacji aktualnie stosowane metryki strzałowe w polskich kopalniach rud za pomocą aktu-alnie dostępnych programów, wynik będzie jednoznaczny – zużywa się za dużo MW, przede wszystkim w otworach stropowych. Pewnym rozwiązaniem jest pro-gram opracowany przez Orica o nazwie Blastec, który jest przygotowany dla kopalń odkrywkowych, zawierający osiem modułów, takich jak: projektowanie rozmieszcze-nia otworów, obliczerozmieszcze-nia fragmentacji urobku, kosztów, maksymalnych drgań wg normy szwedzkiej oraz moduł niezależny o nazwie Tunel, który umożliwia zaprojek-towanie metryki strzałowej wraz z kosztami wykonanych robót strzałowych.
W pracy [1] opisano program komputerowy, opracowany na podstawie algorytmu Holmberga, opartego na koncepcji koncentracji MW w otworze strzałowym, uzależ-nionego od wielkości zabioru i odległości między otworami strzałowymi. W wyniku zastosowania tego algorytmu otrzymujemy wszystkie niezbędne parametry do za-projektowania metryki strzałowej. Oprogramowanie to zostało wykorzystane w ko-palni KGHM ZG Polkowice w latach 1994-1995, po uzupełnieniu w moduł zawiera-jący dane, które powinna zawierać część opisową metryki strzałowej zgodne ze stosownym rozporządzeniem. Program został również uzupełniony o moduł, który wylicza strefę spękań powstałych od detonacji MW w otworach stropowych i po-mocniczych. Oprogramowanie to było opracowane dla przodków, jakie występują w kopalniach KGHM, a ostatecznym testem dla tego oprogramowania była zaprojek-towana metryka strzałowa, w wyniku której otrzymano zabiór 8 m w przodku o po-wierzchni 25 m2. Jest tylko kwestią czasu, kiedy metryki strzałowe będą projektowane przez programy komputerowe, ponieważ nikt nie wątpi, że tylko praktyka powiązana z analizą komputerową da najlepsze rezultaty w projektowaniu metryk i dokumentacji
strzałowych. Wszystkie programy wymagają jednak wiedzy o parametrach skał, takich jak gęstość, moduł Younga, współczynnik Poissona czy prędkość fali podłuż-nej, która jest zależna od nasycenia wodą urabianej skały [8]. Wymagane są rów-nież parametry MW, tj.: gęstość, prędkość detonacji, ciśnienie detonacji i gazów postrzałowych; parametry powinny być realne, a nie deklarowane, i to w warunkach dynamicznych, a nie tylko statycznych. Znaczącym krokiem w kierunku wykorzysta-nia techniki komputerowej mogą być prace zapoczątkowane w KGHM CUPRUM Centrum Badawczo-Rozwojowe w zakresie zastosowania techniki modelowania numerycznego do optymalizacji parametrów metryki strzałowej (stopnie opóźnienia zapalników czy geometrii rozmieszczenia otworów włomowych [4]). Wymaga to jednak opisania zjawiska detonacji MW w otworze strzałowym stosownymi wzorami matematycznymi wraz z odpowiednimi współczynnikami, zależnymi od parametrów skał i MW. Wydaje się zasadne, aby rozpocząć zastosowania modelowania nume-rycznego od opisu włomu prostego a skutecznego, jaki był kilka lat temu stosowany (włom trójkątny równoboczny z otworem pustym) [3]. Taki włom pozwala na zbudo-wanie algorytmu obliczeniowego na parametrze „a”, który jest funkcją:
a = f (MW, M) (2)
gdzie:
a – odległość między otworami,
ME – parametry materiału wybuchowego, M – parametry urabianej skały,
i pustym otworze (niezaładowanym MW) o średnicy R.
Przy projektowaniu metryki strzałowej ważną sprawą jest sprawdzenie wpływu średnicy otworów strzałowych i koncentracji w nich MW, co zasadniczo wpływa na zasięg spękań radialnych, powstałych wokół otworów strzałowych po zdetonowaniu MW. Na podstawie prowadzonych strzelań i pomiarów opracowano metodę Ouch-terlon [6] jako formułę szacowania teoretycznej długości pęknięć radialnych Ro
z otworów obrysowych:
w hc h hp
p
R
0 5
0
,
, (3) gdy:w
2
3
D
c
0,25
1
5 , 03
,
3
K
p
hc (4) gdzie: hcp
– ciśnienie w otworze strzałowym.
2,2 2 ) 1 (/
)
1
/(
m h hq
D
p
(5) gdzie:q
– gęstość MW [kg m-3], m
– średnica MW [mm], h
– średnica otworu strzałowego [mm],
– wykładnik rozprężenia adiabatycznego.Q
D
2
1
2
(6) gdzie:Q
– energia właściwa MW [J kg-1], hcp
– ciśnienie w otworze strzałowym niezbędne do zainicjowania spękań,D
– prędkość detonacji MW [m s-1],c
– prędkość rozchodzenia fali podłużnej w skale [m s-1].Parametrem, który powinien być obliczony, a nie przyjmowany, jest opóźnienie odpalania zapalników stosowanych w przodku, co spowoduje wzrost efektywności urabiania. W opracowaniu, wykonanym w Instytucie Górnictwa PWR [9] na potrzeby KGHM Polska Miedź S.A., określono optymalne wielkości opóźnienia dla kolejnego odpalania i ustalono, że ten czas wynosi od 1,9 do 63,5 ms, co jest możliwe do zrealizowania tylko z zastosowaniem zapalników elektronicznych.
1.2. Realizacja robót strzelniczych
Prace strzałowe powinny być zorganizowane w sposób możliwie przejrzysty, z któ-rego wynika jednoznaczna odpowiedzialność za wydane decyzje przez osoby nad-zorujące te roboty. Organizacja pracy jest uzależniona od posiadanego sprzętu, obowiązujących procedur, np. elektroniczny system śledzenia MW, procesu przeła-dunku MW. W ostatnich latach każda z firm, która wykonuje roboty strzałowe, pre-zentowała swoje rozwiązania, w różny sposób zabudowując swoje moduły wytwa-rzające MW na pojazdy do ich transportu. Praktyka wykazała, że w warunkach do-łowych powinno być to w miarę proste. Jednym z takich rozwiązań jest system Mini-Loader, który mieści się na podwoziu wielkości SWT i mda zbiornik o różnej pojem-ności (do 1 m3) emulsji, lub system HandiLoader. Pojazd do przewozu modułów powinien spełniać wymogi bezpieczeństwa, jak i być pojazdem ekonomicznym. W szeregu krajów, gdzie eksploatacja odbywa się w wielu przodkach o przekroju 15-35 m2, stosuje się wzmocnione podwozia pojazdów typu Toyota Hilux lub Land Rover Defender, należy jednak zaznaczyć, że pojazdy te nie odpowiadają polskim przepi-som jako pojazdy przodkowe w kopalniach podziemnych. Samojezdne wozy strza-łowe typu SWS-1700E, WS-170, WS-150 i nośniki modułu strzastrza-łowego typu RTB są przeznaczone do prac w ciężkich warunkach podziemnych, lecz przy robotach w oddziałach przygotowawczych powinny być stosowane nośniki modułów strzało-wych zdecydowanie lżejsze i szybsze.
Rys. 2. Moduł do załadunku MW luzem MiniLoader
Przy zastosowaniu modułów mieszalniczo-załadowczych w kopalniach podziemnych w zasadzie przyjęto, że moduł wraz z operatorem tego modułu jest pracownikiem firmy dostarczającej moduł i MW, a pozostałe czynności strzałowe wykonuje pra-cownik zakładu górniczego.
Rys. 3. Moduł do załadunku MW luzem HandiLoader
Tego typu rozwiązanie było stosowane w początkowej fazie wykonywania robót w kopalniach odkrywkowych, ale bardzo szybko okazało się, że najbardziej ekono-micznym rozwiązaniem jest przekazanie całości robót strzałowych firmie zewnętrz-nej. Problemem jest sposób obliczenia ilości odstrzelonego urobku, ale został on bardzo szybko rozwiązany przez zastosowanie elektronicznych metod pomiaru. Podobne rozwiązanie można wykorzystać w kopalniach podziemnych. Aktualnie stosowana organizacja pracy, tj. operator modułu firmy a strzałowy kopalni, może prowadzić do tego, że firma dostarczająca MW luzem jest zainteresowana wprowa-dzeniem do otworu strzałowego jak największej ilości MW, niezależnie od warunków górniczych. Rozwiązaniem jest organizacja prac strzałowych, polegająca na tym, że firma strzałowa wierci i wykonuje wszystkie roboty strzałowe i rozlicza się za urobek uzyskany z wyrobiska o zadanych wymiarach. Tego typu rozwiązanie spowoduje, że firmy strzałowe będą zainteresowane wprowadzeniem najbardziej wydajnych roz-wiązań technicznych co do organizacji robót, jak i sprzętu strzałowego.
Podstawowym zagadnieniem nowoczesnej techniki strzelniczej jest różnicowanie ilości MW w poszczególnych otworach strzałowych. Naprzeciw temu wychodzi roz-wiązanie, nazywane „string loading”. System „string loading” umożliwia częściowe wypełnienie otworu strzałowego w kontrolowany sposób. Odbywa się to poprzez zsynchronizowanie dwóch parametrów systemu, prędkości podawania materiału wybuchowego kg/min oraz prędkości wyciągania węża załadowczego z otworu (rys. 4).
Rys. 4. Zasada działania systemu „string loading”
Parametry załadunku MW są kontrolowane przez cyfrowy moduł sterowania. Stabilną prędkość wyciągania węża załadowczego zapewnia sterowana cyfrowo wyciągarka. Stosowanie tego systemu w warunkach KGHM może spowodować zmniejszenie zużycia materiałów wybuchowych luzem o około 30%.
Robota strzałowa wymaga stosowania właściwego zapalnika z odpowiednim opóźnieniem. Praktyka pokazuje, że strzałowi nie korzystają w pełni z możliwości, jakie stwarza im producent zapalników, co jest błędem. Interwał czasowy, jaki powi-nien być między poszczególnymi otworami strzałowymi w przodkach w kopalniach rud, to przedział 10-50 ms – wynika to z obliczeń dokonanych przez różnych auto-rów. W praktyce przywiązuje się do tego aspektu zbyt mało uwagi, a konsekwencje tego są czasem znaczące – dotyczy to zarówno zabioru, jak i możliwości powstania niewypałów. Strzelania przeprowadzone z wykorzystaniem zapalników i-kon w ZG Lubin jednoznacznie wykazały, że odpowiednie opóźnienia mogą spowodować zmniejszenie zużycia MW w przodku nawet o 30% [10]. Celem tych strzelań było też sprawdzenie, czy system i-kon może współpracować z aktualnie stosowanym w kopalni obwodem strzałowymi.
Zastosowanie zapalników elektronicznych daje całkiem nowe możliwości w strze-laniach tzw. selektywnych [5], co może wywołać całkiem inny efekt ekonomiczny niż przy aktualnie stosowanych, niezbyt doskonałych metodach strzelań tego typu.
Zastosowanie zapalników elektronicznych w otworach przodkowych jest jak na razie nieekonomiczne ze względu na ich cenę. Należy jednak rozważyć, czy inicjo-wanie poszczególnych przodków zapalnikami elektronicznymi i zastosoinicjo-wanie w otworach strzałowych przodkowych zapalników nieelektrycznych jest niepraktyczne. Stosowanie zapalników elektronicznych jest nieuniknione, ponieważ aktualnie po-wstające rozwiązania, związane z robotami strzałowymi, są opracowywane z wyko-rzystaniem systemów opartych na elektronice, a nie na nieelektrycznych.
Rys. 5. Efekt strzelania selektywnego
Istnieje wtedy możliwość zastosowania systemu centralnego odpalania CEBS (Centralised Electronic Blasting System). System ten wykorzystuje istniejącą w ko-palni sieć teleinformatyczną do przekazania informacji do zako-palników elektronicz-nych. Takie rozwiązanie umożliwiłoby inicjowanie z jednego miejsca wszystkich przodków w rejonie. Zagadnienie to może być bardzo ważne z powodu wzrostu takich zagrożeń, jak wzrost głębokości wybierania złoża, występowanie nowych zagrożeń naturalnych i wzrost temperatury pierwotnej górotworu.
Kopalnie rud wymagają przeważnie stosowania aktywnych metod zwalczania tą-pań z użyciem MW, najpowszechniejszą i najłatwiejszą obecnie metodą jest grupo-we strzelanie zadanej liczby przodków. Ilość odpalanych przodków jest zazwyczaj uwarunkowana możliwościami organizacyjnymi na froncie eksploatacyjnymi, a nie dokonanymi obliczeniami. Materiał wybuchowy luzem i zastosowanie zapalników elektronicznych otwiera całkiem nowe możliwości w zagadnieniu profilaktyki przeciw-tąpaniowej, obecnie nie ma jednak opracowań w tym zakresie [7]. Istnieje techniczna możliwość załadunku długich oraz bardzo długich (do około 60 m) otworów strzało-wych, które mogą być ładowane nawet pionowo MW luzem o zmiennej gęstości, w otworze inicjowane zapalnikami elektronicznymi o zadanym opóźnieniu. Jednak należy odpowiedzieć na pytanie, jakie ilości MW, o jakich parametrach i z jakim interwałem czasowym powinny być odpalone w otworze strzałowym, aby osiągnąć zamierzony cel, czyli zmniejszyć zagrożenie tąpaniami.
Firma Orica wykorzystuje do opracowywania modelu strzelań mechanistyczny model odstrzału (Mechanistic Blasting Model, MBM), na podstawie którego symuluje się przybliżony nieidealny proces detonacji MW w otworze strzałowym wraz z na-stępującym po nim procesami powstawania spękań, spowodowanych występujący-mi naprężeniawystępujący-mi oraz dynawystępujący-micznym oddziaływaniem gazów postrzałowych poprzez sieć spękań. Wprowadzając parametry skały, takie jak gęstość, moduł Younga, współczynnik Poissona, wytrzymałość skały na ściskanie i rozciąganie, prędkość fali poprzecznej i podłużnej, oraz parametry MW, jak gęstość, prędkość detonacji, ci-śnienie gazów postrzałowych i czas reakcji, otrzymamy obraz powstałych spękań oraz ich zakres. Analizując otrzymane wyniki, można w sposób dość przybliżony określić skuteczność wykonanej roboty strzałowej.
Wnioski
Biorąc pod uwagę rozwój systemów informatycznych wspomagających proces ana-lizy i projektowania, zasadne staje się wykorzystanie tych narzędzi w praktyce. Ro-boty strzałowe powinny być wykonywane na podstawie metryk (dokumentacji), opar-tych na programach komputerowych, które łączą w sobie nowoczesne metody ana-lizy numerycznej, wzbogacone o doświadczenia inżynierów strzałowych. Metody projektowania stosowane z powodzeniem wielu kopalniach rud na świecie powinny zostać również wykorzystane w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.
Bibliografia
[1] Czachowski P., 1993, Projektowanie i edycja metryk strzałowych z wykorzystaniem mikrokomputera, Politechnika Wrocławska, Praca magisterska.
[2] Hamilton C., Degay Jr B., 2011, Rescue Mining with eDev Electronic Detonators at Stawell Gold Mines,11th Underground Operators Conference, Cambera.
[3] Hołodnik K., Ostiadel W., Dałkowski B., 1993, Poprawa efektywności robót strzało-wych poprzez dostosowanie ich parametrów do przestrzennej zmienności warunków urabiania, Instytut Górnictwa Politechniki Wrocławskiej.
[4] Małachowski J., Pytel W., Damaziak K., Mazurkiewicz Ł., Mertuszka P., Cenian B., 2015, O modelowaniu numerycznym detonacji ładunków materiałów wybuchowych w otworach włomowych, Cuprum Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud, 1/2015, Materiały wysokoenergetyczne, IPO.
[5] Orica 100060. Rescue Mining with eDev Electronic Tunnelling System, Stawell Gold Mine.
[6] Ostiadel W., Szumny M., 2013, Strefa spękań w podziemnych przodkowych robotach strzałowych.
[7] Pytel W., Mertuszka P., Cenian B., 2013, Zastosowanie elektronicznych systemów inicjacji ładunków MW w profilaktyce tąpaniowej w warunkach kopalń LGOM, CU-PRUM nr 4 (69), s. 71-81.
[8] Sas W., Gabryś K., Szymański A., 2013, Laboratoryjne oznaczenie prędkości fali po-dłużnej i poprzecznej w gruncie, Budownictwo i Inżynieria środowiskowa, nr 4.
[9] Śnieżek i inni,1978, Badania nad efektywnością środków strzałowych i metod techniki strzelniczej stosowanych w kopalniach LGOM wraz z opracowaniem wniosków i zale-ceń do ich doskonalenia, Instytut Górnictwa Politechnika Wrocławska.
[10] Zdrojewski A., Baran W., Szumny M., 2013, Doświadczenia KGHM O/ZG Lubin z wy-korzystaniem zapalników elektronicznych i-kon, Technika Strzałowa w Górnictwie i Budownictwie, Ustroń.
