С.А.Козырев Горный институт КНЦ РАН УПРАВЛЕНИЕ

С.А.Козырев
Горный институт КНЦ РАН
УПРАВЛЕНИЕ ДЕЙСТВИЕМ ВЗРЫВА ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ОСВОЕНИИ КРУПНЫХ И
СУПЕРКРУПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СТРАТЕГИЧЕСКИХ ВИДОВ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
Дальнейшее развитие горнодобывающей промышленности России в условиях рыночной экономики
будет происходить на базе подземного и открытого способов добычи с применением энергосберегающих
технологий, а подготовка скальных горных пород к выемке с использованием энергии взрыва на обозримую
перспективу останется единственным универсальным, высокопроизводительным и относительно
безопасным методом.
Исходя из современных требований горных наук и производства, основными приоритетными
направлениями научных исследований в области разрушения массивов горных пород взрывом являются:
• развитие теории взрыва в горной породе, механизма трещинообразования при взрыве, способов
регулирования направленным действием взрыва;
• исследование влияния структурного строения массива, его блочности, трещиноватости,
анизотропии, пористости, обводненности на характер передачи энергии взрыва;
• изучение энергетических и детонационных свойств ВВ и создание на этой основе новых
промышленных ВВ относительно безопасных при использовании и допускающих механизацию и
автоматизацию процессов их приготовления непосредственно на горных предприятиях;
• создание ВВ, обладающих более высокой водоустойчивостью и стабильностью в зарядных камерах
и имеющих более низкую стоимость;
• изучение параметров взрывных волн и газовыделений взрывов, с использованием полученных
данных для совершенствования параметров и оптимизации взрывных работ и уменьшения вредных
воздействий взрывов на окружающую среду;
• совершенствование существующих и разработка новых способов взрывного разрушения горных
пород;
• создание систем автоматизированного проектирования, расчета и ведения взрывных работ.
Коллектив лаборатории технологических процессов при добыче полезных ископаемых - это
исследователи разного возраста и квалификации, решающие фундаментальную научную проблему создания
физико-технических научных основ разрушения горных пород взрывом при освоении крупных и
суперкрупных месторождений стратегических видов минерального сырья, в том числе и на больших
глубинах, и добившихся крупных успехов в повышении эффективности и безопасности ведения взрывных
работ, за что причислен к числу ведущих научных школ России (руководитель академик Н.Н.Мельников).
Исторически школа "взрывников" связана с лабораторией управления действием взрыва, созданной в
Горном институте Кольского научного центра РАН в конце 60-х годов. В те годы костяк лаборатории
составили кандидаты наук А.В.Ключников, Г.Н.Сиротюк, Д.С.Подозерский, Г.Н.Корнев, В.А.Антоненко,
Ф.А.Риттер. Как раз в этот период на Кольском полуострове стала интенсивно развиваться
горнодобывающая промышленность, особенно в области добычи горнохимического сырья. Большой спрос
на минеральные удобрения потребовал введения в эксплуатацию новых нагорных карьеров большой
производительности и увеличения объема добычи на подземных рудниках, что способствовало
интенсивному понижению горных работ.
Применительно к подземным рудникам Хибин исследователи лаборатории совместно со специалистами
горных предприятий осуществляли научное сопровождение при внедрении на подземных рудниках системы
этажного принудительного обрушения с массовой отбойкой руды глубокими скважинами на зажимающую среду это обоснование высоты горизонтов, параметров блоков и отбиваемых секций, расположения скважин и параметров
буровзрывных работ, режима выпуска руды с помощью скреперных установок и вибропитателей. Использование
разработанных рекомендаций позволило достичь в то время самых высоких технико-экономических показателей в
стране при добыче руды подземным способом. Результаты этих исследований обобщены в монографиях: 1)
Г.Н.Корнев, В.А.Антоненко. Управление действием взрыва в системах с массовым обршением, Л. "Наука" - 1975. 2)
Технология разработки рудных месторождений и проблема освоения больших глубин, Л. "Наука", 1980. 3) Научнотехнический процесс на горнорудных предприятиях Заполярья / Мельников Н.Н., Усачев П.А., Демидов Ю.В. и др.
- Л., "Наука" - 1988 г. и в 10 сборниках научных трудов по физике и технологии разрушения горных пород.
Постоянное понижение горных работ на подземных рудниках сопровождалось ухудшением горногеологических условий разработки и усилением проявлений горного давления. Особенно это сказывалось на
устойчивости горных выработок. Для этих целей впервые разработаны научно-методические основы контурного
взрывания. На основе исследований установлены рациональные критерии качества оконтуривания выработок,
разработаны инженерные методы расчета целесообразных параметров контурного взрывания и методик
достоверной оценки его технико-экономической эффективности. Результаты исследований обобщены в двух
монографиях. 1. Л.И. Барон, Н.В.Ключников. Контурное взрывание при проходке выработок - Л.,"Наука" - 1967 г. 2.
Л.И.Барон, И.А.Турчанинов, А.В.Ключников. Нарушения пород при контурном взрывании, Л.,"Наука" - 1975 г.
Данные монографии и на сегодняшний день являются основополагающими в технологии контурного
взрывания.
Качественно новый этап в развитии физики и технологии разрушения горных пород в Горном
институте КНЦ РАН наступил начиная с 80 годов прошлого столетия при этом особое внимание уделялось
проблеме управления дробящим и сейсмическим действием взрывов с целью интенсификации дробления
горных работ и повышения безопасности их производства.
В этот период интенсивно стали развиваться исследования по изучению влияния напряженного
состояния среды на результирующее действие взрыва (С.А.Козырев, Д.С.Подозерский, С.В.Лукичев). Для
этих целей была создана уникальная установка, на которой с помощью скоростного фоторегистратора (до
2.5*106 кадров/сек) и различного типа датчиков изучались волновые процессы при взрыве, характер
развития трещин и зон разрушения, как на оптически-активных материалах, так и на образцах горных пород
при различных видах напряженного состояния.
Для изучения действия взрыва в горных породах широко используется математическое
моделирование взрывных процессов. Разработанная сотрудниками школы двумерная численная конечноразностная модель взрыва цилиндрического заряда, реализующая механизм динамического деформирования
и разрушения упруго-пластической среды, позволяет исследовать быстротекущий процесс дезинтеграции
горных пород и влияние на него параметров заложения зарядов, упруго-прочностных характеристик и
напряженного состояния массива.
Научная новизна данного цикла работ состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном
подтверждении закономерностей разрушения неравнокомпонентно-напряженного массива при взрыве
скважинных зарядов, заключающиеся в формировании ассимметричной зоны разрушения в зависимости от
величины статических напряжений и пространственной ориентировки скважин.
Используя результаты численных, лабораторных и натурных экспериментов разработаны
методологические принципы расчета основных параметров скважинной отбойки для сложных горногеологических условий.
Увеличение объемов добычи на рудниках потребовало применения крупных массовых взрывов с
общим весом от 150 до 300 тонн ВВ, производство которых сопровождается значительным сейсмическим
эффектом как на горные выработки и массив горных пород, так и на поверхностные сооружения.
Экспериментальная оценка сейсмического действия массовых взрывов (Риттер Ф.А., Козырев С.А.) с
использованием современной измерительной техники и средств отработки сейсмической информации
позволила в последние полтора десятилетия получить важные результаты об изменении интенсивности
колебаний в различных зонах действия взрыва и обосновать методические положения расчета
сейсмоопасных зон.
Одним из первых результатов инструментальных наблюдений стало установление закономерностей
пространственного изменения скоростей смещения на контуре горных выработок вблизи границ отбойки.
Этот фундаментальный по своей значимости факт привел к заключению о том, что расчет уровня
воздействия по общепризнанной формуле М.А.Садовского для сосредоточенных зарядов не приемлем для
условий отбойки при веерных схемах расположения взрывных скважин в слоях со значительными
размерами. Для этих условий разработана новая методика расчета сейсмоопасных зон для горных
выработок.
Оценка сейсмического действия подземных массовых взрывов на поверхностные здания и
сооружения, расположенных в межгорных долинах на грунтах с переменной мощностью наносов показала,
что в средней и дальней зонах действия взрывов наблюдаются неожиданные эффекты, связанные с
возникновением различного рода нарушений в жилых зданиях, причем на таких расстояниях от взрыва, где
повреждения по общепризнанным критериям оценки не прогнозируются. Районирование прирудничных
территорий позволило выявить различные категории грунтов по сейсмичности, в которых оценены
кинематические и динамические характеристики колебаний от массовых взрывов и предложены критерии
оценки сейсмической опасности для каждой зоны.
На основе экспериментальных данных разработана математическая спектральная модель
короткозамедленного взрыва, позволяющая оценивать амплитудно-частотные характеристики массовых
взрывов и подобрать такую их конструкцию, чтобы можно было обеспечить спектр колебаний, наиболее
безопасный по критерию энергонасыщенности низкочастотного диапазона, на котором не возникают
резонансные явления в зданиях и сооружениях. Применительно к грунтам межгорных долин с переменной
мощностью наносов разработана новая методика расчета сейсмоопасных зон и предложена компьютерная
программа «Сейсмонитор» для прогноза сейсмической опасности на стадии проектирования массовых
взрывов. На сегодняшний день мониторинг массовых взрывов ведется в непрерывном режиме с помощью
стационарных сейсмических станций и мобильных измерительных комплексов.
Результаты исследований сейсмического действия массовых взрывов на окружающую среду
отражены в следующих изданиях - Горный журнал- 1993,1995, 1999, 2004; Безопасность труда в
промышленности-1994; Труды МГТУ (Мурманск)-1998; Горно–информационный аналитический бюллетень
(МГГУ)-1999.
В связи с усложнением геодинамической обстановки на подземных рудниках Кольского полуострова
проблеме разрядки тектонических напряжений и снижения сейсмической опасности в последнее время
стали уделять очень большое внимание.
Глубина подземных горных работ на Хибинских рудниках достигает 600 - 700 м от поверхности.
Прочность руд и вмещающих пород при одноосном сжатии в образце составляет 100 - 200 МПа. В массиве
горных пород действуют высокие горизонтальные тектонические напряжения величиной до 40-60 МПа,
которые в зонах концентрации в окрестности горных выработок, очистных пространств и тектонических
нарушений увеличиваются в 2-3 раза. Поэтому уже на сравнительно небольших глубинах здесь имели место
динамические формы проявления горного давления в виде стреляния горных пород и горных ударов, а по
мере увеличения объемов и глубины горных работ возрастала и мощность динамических явлений вплоть до
горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений, которые являются одним из главных
дестабилизирующих факторов горного производства.
Для получения информации о наведенной сейсмичности сотрудниками лаборатории (Ерухимов А.Х.,
Каган М.М.) под методическим руководством И.А.Кузьмина и А.А.Козырева разработана система
автоматизированного контроля сейсмичности массива (АСК СМ). В дальнейшем на базе данной системы
была организована сейсмостанция «Апатиты», которая в непрерывном режиме ведет наблюдения за
сейсмичностью массива на всех подземных рудниках Хибин.
Применительно к условиям отработки Хибинских месторождений экспериментально выявлена
реакция блочного массива горных пород на мощные динамические воздействия (Козырев С.А.). Выявлен
эффект усиления сейсмического эффекта на контуре горных выработок вблизи разломов и крупных
структурных неоднородностей за счет наличия зон концентрации статических напряжений и
взаимодействия падающих и отраженных от разлома сейсмических волн. Экспериментально подтверждено
пространственное движение оконтуренных блоков под действием сейсмовзрывных волн и выявлено, что
при определенных условиях могут образоваться новые разрывы, напрямую связанные с общим весом ВВ
массового взрыва. По траекториям движения точек массива близи берегов разломов, выявлены
преимущественные направления движения блоков и максимальные величины перемещений в зависимости
от уровня и направления сейсмического воздействия. Установлено, что кроме пространственного движения
отдельных блоков происходит их взаимное влияние друг на друга, а также многократное изменение
направления движения берегов разломов с последующим преимущественным движением вдоль плоскости
разлома, способствующим надвигу пород по пологопадающим разломам, что обусловливает сложное
перераспределение напряженного состояния массива.
Результаты данных исследований могут служить основой для объяснения механизма формирования
горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений.
Для условий подземных рудников Хибин установлена взаимосвязь между сейсмичностью массива
горных пород и параметрами массовых взрывов. Для этих целей разработан комплекс программ,
позволяющих обрабатывать сейсмическую информацию и представлять ее в графическом виде.
В результате этих исследований выявлены закономерности изменения сейсмичности во времени,
установлена взаимосвязь между степенью нарастания сейсмичности и динамическими проявлениями
горного давления, на основе чего предложен метод оперативного прогноза динамических проявлений
горного давления.
В настоящее время большое внимание уделяется использованию сейсмических колебаний от массовых
взрывов для снятия локальных напряжений в массивах горных пород в районах очистной выемки, накопление
которых приводит к их повышенной сейсмической активности. Разработанная технология ведения взрывных работ
на участках, склонных к горным ударам, основанная на учете реакции массива горных пород на мощные
динамические воздействия позволяет уменьшить динамические проявления горного давления и управлять
состоянием массива путем выбора развития фронта очистных работ, необходимой мощности массового взрыва,
очередности их проведения и временного интервала между ними.
Основные результаты исследований по этому направлению представлены в следующих изданиях –
ФТПРПИ-1993,1995,2001; Монография "Сейсмичность при горных работах", Под редакцией Н.Н.Мельникова /
Апатиты: изд. Кольского научного центра РАН, 2002г. 326 с.
Одной из важнейших остается проблема повышения эффективности взрывного разрушения горных пород.
По-прежнему актуальна проблема разработки взрывчатых веществ для горнодобывающей промышленности. В
нашей стране в прошлые годы для горной промышленности применяли в основном взрывчатые вещества,
изготавливаемые на заводах оборонной промышленности (гранулированные, тротилосодержащие). В настоящее
время, в условиях рынка, применение таких составов экономически не оправдано и наша горная промышленность
нуждается в дешевых взрывчатых составах повышенной энергии без взрывчатых сенсибилизаторов, имеющих
минимальное количество токсичных компонентов в продуктах детонации, обладающих водоустойчивостью и
допускающих изготовление непосредственно на горных предприятиях, что позволяет существенно снизить затраты
на взрывные работы и уменьшить опасность, связанную с транспортированием и хранением больших количеств
взрывчатых материалов.
Сотрудники нашего института (Подозерский Д.С., Едигарев С.А., Власова Е.А.) под научным руководством
Н.Н Мельникова, приложили массу усилий для доказательства необходимости перехода горных предприятий на
взрывчатые составы, изготавливаемые на местах применения. В настоящее время появилось много новых видов
взрывчатых веществ, допускающих их изготовление на горных предприятиях. Доля взрывчатых веществ,
изготавливаемых на горных предприятиях, непрерывно возрастает.
Для отбойки пород различной крепости, блочности, трещиноватости и обводненности разработаны
новые взрывчатые вещества, обладающие оптимальными энергетическими и детонационными
характеристиками и оказывающие минимальное вредное экологическое воздействие на окружающую среду.
(Взрывное дело №91/48.-1998; Взрывное дело №92/49.-1999; Взрывное дело №93/50.-2001, Горный журнал,
1999, 2001, 2004; Сборник трудов международной научной конференции "Физические проблемы взрывного
разрушения массивов горных пород", ИПКОН РАН, 1999, 2002, 2004; Материалы международной
конференции "Взрывное дело-99", МГГУ. 1999.)
Развиты научные основы технологии приготовления многокомпонентных суспензионных взрывчатых
веществ, позволяющей в едином процессе за счет изменения рецептуры составов и введения специальных
компонентов изменять структуру заряда, увеличить полноту химического превращения и оптимизировать
составы по фактору энергоемкости разрушения. (Взрывное дело, 2001, Апатиты,1999, Сборник трудов
Второй международной научной конференции, Издательство Санкт-Петербургского горного института
им.Плеханова. 2001.)
К настоящему времени появилась необходимость разработать совершенно новые способы проверки
работоспособности промышленных ВВ, так как известные стали не приемлемыми для промышленных ВВ с
большим критическим диаметром. Не маловажным является исследование экологических аспектов при взрыве и
выявление доли ядовитых газов, которые, в свою очередь, отражают полноту протекания детонационного процесса.
Для этих целей в институте разработан новый способ оценки скорости детонации — с использованием
оптоволоконной техники и разработан комплекс аппаратуры для оценки доли выделяемых при взрывах газов. В
последние годы изучены детонационные и энергетические характеристики практически всех промышленных ВВ,
выявлены их отклонения от идеальной работы взрыва, изучена их газовая вредность и обоснован механизм
детонации грубодисперсных ВВ, совершенствованы и разработаны новые составы, что позволяет использовать эти
данные для проектирования взрывных работ и оценки экологической вредности на окружающую среду.
Комплексное изучение этих процессов позволило обеспечить качественно новый уровень испытаний и аттестации
современных взрывчатых материалов на безопасность, эффективность и экологическую чистоту.
По результатам этой работы присуждена премия Правительства Российской Федерации, а по всему
буровзрывному комплексу только за последние 20 лет получено 32 патента РФ и свидетельств на изобретения,
значительное число из которых уже реализовано в горном деле.
Весьма актуальной в настоящее время является проблема создания автоматизированных систем расчета
параметров взрывных работ и проектирования массовых взрывов, а также автоматизированных систем анализа
данных о структуре и механических свойствах разрушаемой среды.
Для этих целей разработана система компьютерного моделирования объектов горной технологии Geotech⋅3D
и на ее основе компьютерная технология автоматизированного расчета и проектирования подземных и открытых
массовых взрывов любой сложности, основанная на моделировании объектов горной технологии, интерактивной
графике, компьютерных средств обработки результатов моделирования и формирования рабочих чертежей и
технической документации (Лукичев С.В., Козырев С.А., Фаттахов)
Основное преимущество данной технологии заключается в системном подходе при решении
геологических, маркшейдерских и технологических задач, обеспечивающих реализацию программных
средств проектирования в едином информационном пространстве горного предприятия. (Монография
"Информационные технологии в горном деле" 1998, Горный журнал, 2000 г., Горно–информационный
аналитический бюллетень. 2001, 2003 г.г.)
Обеспечение связей с горным производством, проведение большого объема экспериментов на рудниках
Кольского полуострова, широкое внедрение результатов исследований в технологию отработки месторождений
полезных ископаемых и постоянное участие сотрудников в конференциях различного уровня позволило получить
широкое признание научной школы.
Представленная тематика является составной частью фундаментальных исследований Российской Академии
Наук по заданиям: 6.15 – генетические особенности и условия образования крупных и суперкрупных
месторождений стратегических видов минерального сырья и проблемы их комплексного освоения и 6.20 –
изменение окружающей среды и климата: исследования, мониторинг и прогноз состояния природной среды;
природные катастрофы, анализ и оценка природного риска и вулканизм.