В опубликованной программе Советского Союза по использованию промышленных подземных ядерных взрывов говорится, что в стране имеются месторождения, при разработке которых для дробления руды целесообразно применять ядерные взрывы. В 1969 г. СССР представил в МАГАТЭ доклад о возможности мирного использования подземных ядерных взрывов, в котором предлагался проект подземной разработки участка апатито-нефелинового месторождения с использованием взрыва ядерного заряда для дробления руды.
По проекту он располагался в висячем боку рудного тела, а отбиваемый участок предполагалось оконтурить в нижней части (на 48 м ниже уровня заложения заряда) горизонтальной подсечкой в виде сети горных выработок в целях предохранения от разрушения массива, предназначенного для размещения выработок горизонтов вторичного дробления и откатки. Наряду с проходкой перед взрывом в нижней части блока горизонтальной подсечки, предусматривалось создание вертикальной отрезной щели на всю высоту блока. Такое расположение заряда и экранирующих выработок должно было по идее способствовать улучшению качества дробления оконтуренного участка за счет более интенсивного взаимодействия прямых и отраженных волн, а также снизить сейсмическое действие взрыва на экранируемые участки массива.
Этим проектам предшествовала научно-техническая и инженерная проработка в Горном институте КФАН возможности проведения экспериментального ядерного взрыва на рудниках комбината "Апатит", что нашло свое отражение в соответствующих научно-технических докладах и отчетах, а основные конструктивные элементы были положены в основу проектного задания на проведение специального опытного подземного взрыва.
Цель и задачи эксперимента
Целью эксперимента являлось получение опытных данных для разработки новой технологии подземной добычи руд с применением ядерных взрывов для дробления участков рудных тел, оконтуренных обнаженными плоскостями, а также для оценки и расчетов механического, сейсмического и радиационного действий взрыва.
Программой научно-исследовательских работ при проведении эксперимента предусмотрено решение следующих задач: определение размеров зон разрушения, оценка влияния экранирующих свободных плоскостей взрываемого участка на степень его дробления при взрыве и снижение сейсмического действия на массив и выработки, определение кусковатости раздробленной руды на различных расстояниях от центра взрыва, разработка способов выпуска руды из блока.
Большинство из указанных задач решается методом натурных наблюдений с использованием современных средств и способов контроля и оценки действия взрыва на среду. Кроме того, на начальном этапе исследований при выборе рациональных режимов выпуска руды и оценке влияния экранирующих щелей использовался метод моделирования.
Результаты научно-исследовательских работ при проведении экспериментального ядерного взрыва на месторождении Куэльпор имеют исключительно важное значение для разработки новых технологий подземной добычи руды в связи с отсутствием проведения подобных взрывов на компенсационные экранирующие зоны как в СССР, так и за рубежом.
Проект разработки апатитонефелинового месторождения с использованием ядерного взрыва: 1- штольня для заложения заряда в висячем боку рудного тела;2 -вертикальная отрезная щель; 3 - рудное тело; 4- горизонтальная подсечка; 5 - откаточный горизонт.
Сведения о геологическом и структурном строении месторождения Куэльпор
Месторождение представляет собой линзу неправильной формы с размерами по простиранию до 2 км и по падению до 150-200 м. В центральной части рудного тела, где его мощность достигает 60-80 м, отмечается обычное для апатитовых месторождений двухзональное строение: у висячего бока руды представлены богатыми пятнистыми и пятнисто-полосчатыми разновидностями, а у лежачего бока - линзовидно-полосчатыми; простирание рудного тела с севера на юг (0-180°), падение - на восток под углом 20°.
Геологический разрез по оси блока
Все разновидности апатитонефелиновых руд месторождения характеризуются содержанием Р2О5 от 9-10 до 15-16%, с редкими включениями небольших прослоек с содержанием Р2О5 до 20-22%. Покрывающие породы содержат апатит только в зоне контакта, где его содержание достигает 1.5%; в уртитах лежачего бока содержание достигает 3-4%. Запасы руд составляли 31.6 млн т (по состоянию на 1 января 1963 г.).
Структурное строение месторождения характеризуется наличием четырех основных систем трещин, имеющих различную распространенность. Их взаимное сопряжение (I со II и III с IV системами) образует между собой угол, близкий к прямому.
Наиболее распространенные на месторождении трещины I и II систем образуют между собой двугранный угол 87°, а трещины III и IV систем - 99°. Причем часто встречаются участки с частотой трещин 1-2, 2-5, 5-10 и 10-20 на длине выработки в 10 пог. м. Подавляющая часть трещин приоткрыта и не заполнена минералами гидротермальной фазы.
В целом из всех замеренных 77.6% составляют трещины I (продольной) и II (поперечной) систем, а диагональные I1I-IVсистем составляют только 11.8%. Следовательно, при взрывах породы склонны к образованию кубообразных блоков размером в поперечнике примерно 3 м. Однако, учитывая возможное наличие мелкоблоковой трещиноватости с небольшим раскрытием трещин (что характерно для близлежащего апатитового месторождения Кукисвумчорр), можно считать, что при ядерном взрыве крупность дробления руды будет существенно ниже разделов выделенных естественных отдельностей.
Максимальный водоприток в горные выработки достигал до взрыва 2.7 м3/ч, причем в зимнее время в выработках было практически сухо. Температура воды в скважинах от +5 до -7°С, температура в выработках зимой примерно 0-2°, летом 4-7°С.
-
Условия и порядок проведения эксперимента
-
В соответствии с поставленными задачами при подготовке и проведении экспериментального взрыва размеры участка и способ его подготовки были максимально приближены к условиям применения новой технологии, при которой дробление руды осуществляется ядерными взрывами, а управление их действием на массив производится с помощью экранирующих щелей, в качестве которых можно применять отрезные щели, подсечки и предварительно раздробленные участки рудного тела.
С учетом этих положений размеры блока, оконтуренного снизу и по вертикали экранирующими щелями, приняты 50x60x50 м. Зарядная камера размещалась на границе блока в висячем боку рудного тела. По противоположной вертикальной границе блока буровзрывным способом была образована отрезная щель длиной по простиранию 51 м, высотой 53 м и шириной 3 м. В основании блока проходилась сеть горизонтальных выработок для образования, непосредственно перед взрывом, сплошной подсечки размером 50x50x2.5 м путем "расстреливания" временных целиков.
При размере разрушаемого блока 112.8 тыс. м3 и общем объеме пустот в пределах блока 12.8 тыс. м3 коэффициент разрыхления руды после взрыва (без учета объема полости) по расчету составлял примерно 1.07.
До производства взрыва на первом этапе исследований проводился следующий комплекс горно-подготовительных работ. Для заложения заряда, вентиляции и вскрытия зон разрушения проходились на гор. +375 м технологическая штольня и ряд вспомогательных выработок. Для подготовки блока были сделаны основные вскрывающие выработки гор. +310 м, откаточная штольня, выработки горизонта подсечки. За 1.5-2.0 месяца до взрыва проводилось технологическое обустройство горных выработок, установка контрольно-измерительной аппаратуры, прокладка кабельных линий и после заложения заряда производились забивочные работы.
После взрыва горные работы второго этапа исследований начинались с уборки элементов забивочного комплекса и ликвидации последствий сейсмического действия взрыва. Кроме того, предусматривалась проходка дополнительных вентиляционных выработок, выработок откаточного горизонта, исследовательских выработок для оценки разрушения массива, а также выпускных и доставочных выработок днища блока.
Общий объем проходческих работ первого этапа - 1620 пог. м (16370 м3), второго - 1270 пог. м (13960 м3). Расход материалов на забивочный комплекс: щебня - 1140 м3, бетона - 534 м3.
- Схема поточной технологии с отбойкой руды ядерным взрывом (04.09.1972)
Экспериментальный взрыв "Днепр-1"
Большой объем и специфика работ обусловили участие в эксперименте широкого круга организаций, координация и обеспечение условий работы которых осуществлялись комбинатом "Апатит".
Горнопроходческие и строительные работы по подготовке эксперимента и строительству рудника выполнены комбинатом "Апатит", забивочные работы проводились под руководством специалистов предприятия п/я М-5703 (далее в тексте п/я М-5703). Предприятием п/я М-5703 при проведении взрыва также выполнены оптические и сейсмические наблюдения, измерения параметров взрывных волн в массиве горных пород, массовой скорости смещения и др. В измерениях параметров волны сжатия принимали участие специалисты ИФЗ АН СССР.
Обеспечение радиационной безопасности участников работ и населения выполнялось д.т.н. С.Г.Чухиным.
Работы по второму этапу эксперимента - пробной эксплуатации Нового рудника осуществлены комбинатом "Апатит" совместно с предприятиями п/я М-5703 и п/я Р-6767. Все выработки пройдены без крепления, в них проложены кабели, смонтированы ставы труб и рельсовые пути. Зарядная камера сооружена на границе блока в технологической штольне в висячем боку рудного тела. По противоположной границе блока пройдена вертикальная отрезная щель, а в основании блока - горизонтальная подсечка размером 50x50x2.5 м. К моменту взрыва горная масса из отрезной щели полностью выпущена, а в горизонтальной подсечке после расстреливания временных целиков между отбитой горной массой и кровлей подсечки оставалось свободное пространство высотой 0.5-1.2 м. В штреке скреперования между заложенной породой и кровлей выработки к моменту взрыва оставался зазор высотой 60-80 см.
В целях локализации продуктов взрыва в заданных границах в технологической и в откаточной штольнях перед взрывом были возведены из щебня и бетона забивочные комплексы. В технологической штольне первый участок забивки длиной 54 м сделали из насыпного щебня и бетонных пробок. Далее на расстоянии 213, 125, 74 и 53 м от устья штольни возвели четыре герметизирующие перемычки; каждая состояла из двух бетонных стенок, между которыми нагнетался под давлением цементный раствор. В откаточной штольне также были возведены четыре герметизирующие перемычки (на расстоянии 100, 200, 340 и 505 м от устья штольни), аналогичные возведенным в технологической штольне. Прочность бетона герметизирующих элементов на момент взрыва составляла не менее 200 кг/см2.
Совмещенный план технологической и откаточной штолен с исследовательскими выработками и структурными скважинами: 1 - технологическая штольня: 2 - откаточная штольня: 3 - отбиваемый блок руды: 4 - камера для бурения разведочных скважин; 5 - горизонтальный экран (подсечка): б - вертикальный экран: 7 - камера для размещения ядерного заряда: ВХВ - вентиляционный ходовой восстающий; ППВ - породно-перепускной восстающий.
Проведенные горные работы позволили выполнить основные задачи I этапа исследований и инструментальные измерения, необходимые для анализа результатов взрыва. Для этой цели только в подземных выработках установили около 300 единиц контрольно-измерительной аппаратуры. Регистрация измеряемых процессов осуществлялась с помощью электронных и шлейфовых осциллографов. В целях получения данных о параметрах сейсмовзрывных волн на различных расстояниях от центра взрыва располагались сейсмические пункты наблюдений, на которых проводились измерения с помощью сейсмоприемников С-5С и осциллографов II-700.
Измерения параметров волны сжатия в массиве при взрыве производились с помощью датчиков ДЦС, ВБП-5, ВБП-3, ЖКС, а также тензометрических датчиков и акселерометров, установленных на различных расстояниях от центра взрыва в измерительных скважинах и на стенах выработок.
В задачи обеспечения радиационной безопасности входило: определение параметров радиационной обстановки в различных зонах; обеспечение радиационной безопасности участников работ и населения; изучение возможного радиоактивного загрязнения окружающей среды.
Оптические и визуальные наблюдения
Первый ядерный взрыв мощностью 2.1 кт, получивший название "Днепр-1", был произведен 4 сентября 1972 г. Оптическая аппаратура, используемая для регистрации подъема грунта и наблюдений деформации поверхности, была установлена в передвижном приборном сооружении на расстоянии 1.5 км от эпицентра взрыва. Для съемок были использованы автоматические камеры АФА-БАФ. АКС-4 и АКС-500 с частотой съемки 1.24 и 48 кадров в секунду соответственно.
Схема размещения измерительной аппаратуры в технологической и откаточной штольнях
На участке взрыва были установлены 7 световых реперов: 1 - в эпицентре и по 3 - на левом и правом склоне горы. Реперы зажглись за 30 с до взрыва. Установленная оптическая аппаратура и световые реперы сработали в заданном режиме. Ниже приведены кадры съемки поверхности горы со световыми реперами за 30 с до взрыва и спустя 37 с после него. Отчетливо видно начало куполообразования в районе ЛНС на левом склоне горы (3-й репер слева направо). Выброса пород и прорыва газов не наблюдалось.
В результате взрыва со склонов гор, в том числе прилегающих, сошли селевые потоки и небольшие камнепады вблизи эпицентра, образовались осыпи крупнообломочных камней на левом и заднем склоне горы. Причиной указанных нарушений явилось более интенсивное действие сейсмических волн на участках массива, не защищенных экранирующими щелями.
Автомобильная дорога, проходящая вблизи устья штольни, не была нарушена: камнепады и селевые потоки ее не достигли.
Состояние поверхности горы (со световыми реперами) до и после взрыва: а - 30 с до взрыва; б - 37 с после взрыва
Осыпи, появившиеся в результате взрыва в районе Л НС (а) и на склоне соседней горы (б)
Обследование приустьевых участков штолен, проведенное спустя несколько часов после взрыва, показало отсутствие каких-либо повреждений выработок до первых термостенок. На почве выработок имелись отдельные куски породы, отслоившиеся от кровли. Транспортные коммуникации, трубы для сжатого воздуха и воды, а также магистральные кабельные линии на участках до первых перемычек не получили повреждений. В термостенке транспортной штольни видимых деформаций не обнаружено. В технологической штольне гор. +375 м по периметру термостенки в слое торкрет-бетона имелась трещина шириной 2-3 мм.
Радиационная обстановка
Взрыв был произведен при метеорологической обстановке, обеспечивающей безопасность работ. Выход радиоактивности через забивочный комплекс отсутствовал. В районе КПА, где находились участники эксперимента во время проведения взрыва, выход радиоактивных веществ не отмечался. После взрыва в ближайших населенных пунктах сохранялся естественный фон. Уровни радиации и загрязнение окружающей среды в районе проведения эксперимента были равны естественному фону, за исключением площадки размером 200 м~ в районе ЛHC, где наблюдалось двукратное превышение. В водах ближайших рек и озер превышения естественного фона не обнаружено.
Принятые меры и параметры взрыва в районе его проведения в целом обеспечили радиационную безопасность. Радиационная обстановка в горных выработках и окружающей среде позволяла приступить к выполнению второго этапа исследований.
Принимались достаточные меры для снижения радиации. ВНИИТФ Минсредмаша специально для проведения взрыва "Днепр-1" создал "чистое" ядерное взрывное устройство (ЯВУ) калибром примерно 900 мм, длиной до 2 м, массой 1 т энерговыделением, равным 2.1 кт. Расположение ЯВУ за границами контура блока снижало возможность попадания радиации в руду. Проведено изучение механизма управления переноса радионуклидов в горном массиве. Взрывная камера, где находилось ЯВУ, соединялась горной выработкой с камерой захоронения. Данная система впервые применялась в Хибинах. После массового взрыва специалисты предприятия п/я М-5703 установили, что проведение последующих горных работ не требовало каких-либо ограничений, поскольку параметры радиационной обстановки практически не отличались от фоновых величин.
Для предотвращения попадания радиоактивных отходов в отбиваемую горную массу от эпицентра взрыва была пройдена 80-метровая тупиковая штольня, которая заканчивалась камерой захоронения. Для отвода отходов в штольне проложена металлическая труба диаметром 630 мм и длиной 50 м. На всю длину произведена забутовка и возведены бетонные перемычки.
После проходки орта вскрытия в 1974 году было проведено обследование. Примерно 50 м выработки оказалось свободным для продвижения и осмотра. Высота свода для большей части выработки составляла 2.5-3 м. Подошва была покрыта расплавом и упавшими обломками породы. На своде, как и на стенках, имелись зияющие горизонтальные трещины с тем же расплавом. По визуальным геометрическим размерам масса радиоактивного шлака в камере захоронения и оперяющих ее трещинах составляла порядка 500 т, причем в трещинах до 200 т. В результате обследования камеры и лабораторных анализов отобранных проб выявлено, что количество поступившей в нее на захоронение радиоактивности достигает 80% от образовавшейся в эпицентре взрыва.
В 1974 году с началом проходческих и добычных работ на комбинате создана радиационная служба (РБ), которая независимо от предприятия п/я М-5703 проводила параллельные наблюдения. Руководителем службы РБ назначили горного инженера А.С.Павлова.
При работе в подземных условиях после применения ядерных способов разрушения горного массива постоянно проводились беседы с горняками, лекции, а также показательные замеры уровня радиации. Кроме того, постоянное присутствие на руднике представителей предприятия п/я М-5703 (специалистов по вопросам радиационной безопасности) способствовало снижению напряженности и созданию благоприятной обстановки среди рабочих. Результаты замеров доказывали, что окружающая местность чистая, поэтому люди спокойно жили, работали на Новом руднике, а также собирали летом грибы, ягоды, ловили рыбу в ближайших водоемах.
При проведении второго взрыва были проведены измерения сразу после испытания: у профилактория (ближе всего к месту взрыва), на Кировском руднике и в г.Кировске. Естественный радиационный фон остался без изменений. Первые замеры гамма-излучения и отбор рудничной воды были произведены также в устье штольни (через неделю после взрыва и в дальнейшем регулярно). Персонал службы был обучен и ежесменно перед допуском людей в забои осуществлял замеры радиационного фона.
При вскрытии полости ядерного взрыва и выработок с выбросами радиоактивных шлаков были выполнены замеры уровня загрязненности радиоактивными веществами горных пород, шлама, воды и оборудования. Доза, которую получали рабочие ежедневно, регистрировалась в журнале. На основе этих данных можно сделать вывод, что доза облучения, полученная работниками на объекте "Днепр", не превышала допустимых уровней, принятых для населения.
При закрытии объекта "Днепр" проводилась дезактивация оборудования, после чего оно вывозилось для работы на других рудниках (где осуществлялась дополнительная проверка для подтверждения отсутствия радиоактивного загрязнения).
После прекращения работ на объекте "Днепр" службой радиационной безопасности регулярно проводились измерения гамма-фона на промплощадке рудника. Они ведутся и в настоящее время. Для детального контроля возможного загрязнения окружающей природы ВНИПИпромтехнология ежегодно проводит радиационный мониторинг внешней среды с отбором проб почвы, растительности, ила, осадков и воды (рудничной и в водоемах). Как показывают результаты этих исследований, загрязнение окружающей среды радиоактивными изотопами не превышает общей глобальной загрязненности данного Северо-Западного района.
Оценка воздействия ядерного взрыва на горные выработки и дробление руды
Программа научных исследований при пробной эксплуатации Нового рудника включает работы по следующим направлениям: исследование механического, радиационного и теплового действия взрыва на породы; эффективность технологических процессов добычи и переработки руд, подвергшихся воздействию ядерного взрыва; моделирование действия взрыва на среду, а также процесса селективного выпуска чистой и загрязненной руды; технико-экономическая оценка перспективы применения ядерных взрывов для дробления руды в системе этажного принудительного обрушения.
Для выполнения намеченной программы в опытном блоке рудника предусмотрена проходка исследовательских выработок и структурных скважин для отбора проб и оценки деформированности пород как за экранирующими щелями, так и в зоне разрушения. После уборки перемычек, оценки состояния выработок и проходки новых между откаточной и технологической штольнями пройден восстающий, а из него - подэтажные штреки и орты в зону разрушения. На горизонте технологической штольни вдоль северной границы блока за пределами зоны разрушения пройдена разведочная выработка с ходками для отбора проб из зоны разрушения и концевого бокса (рис.36).
Оценка качества дробления руды в пределах блока, оконтуренного экранирующими щелями, выполнена при проходке 22-го орта непосредственно по раздробленной руде. Кроме того, при бурении структурных скважин дана предварительная оценка нарушенное™ массива взрывом путем покернового опробования, а с помощью ультразвукового и радиометрического коротажа скважин оценены нарушенность и свойства пород за пределами экранированной зоны.
Выработки горизонта выпуска и доставки выполнялись в последнюю очередь, после исследовательских работ по контрольным выработкам вышележащих подэтажей.
Результаты обследования состояния выработок и элементов завивочного комплекса
Обследование приустьевых участков технологической и откаточной штолен, проведенное в августе 1973 г., не выявило каких-либо серьезных нарушений. Только вблизи устья технологической штольни имелась небольшая осыпь, а через магистральные кабели нижней штольни просачивалась вода, скопившаяся за перемычками. Нарушений первых перемычек визуально не отмечено.
Технологическая штольня (гор. +375 м). Разборка первой сплошной 3-метровой перемычки (53 м от устья штольни и 220 м от центра взрыва) производилась буровзрывным методом. В ее средней части пробурены три компенсационные скважины диаметром 105 мм, на которых взорваны врубовые и отбойные шпуры. При разборке перемычки отмечено, что трещина в слое торкрет-бетона вызвана отсутствием сцепления бетона с породой у кровли выработки, где после уборки отсутствовали какие-либо следы бетона.
Состояние выработки между первой и второй (64 м от устья штольни и 205 м от центра взрыва) перемычками удовлетворительное. На отдельных участках кровли имеются небольшие заколы, явившиеся следствием как естественной нарушенное™ пород, так и воздействия волны напряжений при взрыве. Во второй перемычке также не отмечено никаких нарушений. Разборка второй перемычки в штольне проведена методом поочередного взрывания врубовых шпуров на 5 компенсационных скважин и отбойных шпуров - на образовавшийся вруб.
Левая сторона выработки в месте расположения первой перемычки (53 м от устья штольни)
Вид на вторую перемычку. Подготовка к бурению скважин (74 м от устья штольни)
В выработке между второй (74 м от устья штольни) и третьей (127 м от устья) перемычками также не отмечено крупных нарушений. Только на почве выработки имелись куски породы, отслоившейся от кровли на неустойчивых участках, наблюдались откольные явления у трещин и у разрушенных зон, проходящих в стенках и кровле выработки.
Состояние выработки перед третьей перемычкой (127 м от устья штольни и 160 м от центра взрыва) удовлетворительное, нарушения отсутствуют, в отдельных местах отмечено отслоение торкрет-бетона с наружной стороны перемычки. Разборка третьей перемычки производилась аналогичным способом.
В выработке между третьей и четвертой (110 м от центра взрыва) перемычками уже отмечались крупные отдельные нарушения в неустойчивых зонах, на сопряжениях выработок появились крупные вывалы из кровли и стенок, в ряде случаев перекрывающие до половины сечение выработки; почва выработки и рельсовые пути смещены относительно первоначального положения за счет остаточных деформаций нарушенного участка. Как правило, эти нарушения характерны для участков технологической штольни, не защищенных от взрыва отрезной щелью (по штольне до пикета + 190 м, который находится в 120 м от центра взрыва). Однако далее у четвертой перемычки (пикет +213 м) крупные нарушения отсутствуют, и сама перемычка существенных нарушений не имеет, что объясняется влиянием экранирования волн отрезной щелью.
Оценка структурной нарушенности пород, проведенная по результатам съемки трещиноватости стенок и кровли технологической штольни, показала, что массив нарушен четырьмя системами трещин.
Состояние выработки между второй и третьей перемычками (90 м от устья штольни)
Вид на третью перемычку и нарушения выработки за ней (127 м от устья штольни)
Крупные нарушения кровли и стенок штольни у сопряжения между третьей и четвертой перемычками (155 м от устья штольни)
Трещины IV системы выдержаны по падению и легко прослеживаются до "сложенности" пород в кровле и стенках выработки.
Трещины I, II и III систем менее развиты и являются секущими по отношению к трещинам IV системы, образуя с ними структурные блоки различных размеров.
Первоначальная нарушенность массива указанными системами трещин явилась причиной ряда крупных вывалов на участке штольни, расположенном на расстоянии более 100 м от устья.
Откаточная штольня (гор. +310 м). На участке штольни от устья до первой перемычки (100 м от устья) существенных нарушений не произошло. Отмечены небольшие отслоения кусков в зонах тектонических нарушений (75 и 85 м от устья штольни, 315 и 302 м от центра взрыва).
На участке штольни между первой и второй перемычками (100 и 202 м от устья, 292 и 193 м от центра взрыва) произошли небольшие вывалы из кровли и стенок на расстоянии 115 и 160 м от устья штольни. Более крупный вывал имелся в зоне повышенной кусковатости (185 м от устья штольни).
На участке штольни между второй и третьей перемычками (202 и 340 м от устья и 193 и 124 м от центра взрыва) также имелись незначительные вывалы из кровли выработки. Небольшой вывал образовался у разрушенной зоны на расстоянии 230 м от устья, объем которого 0.5-0.6 м3, размеры кусков достигали 0.5 м. Далее, за поворотом штольни, в зоне геометрической тени отрезной щели, существенных нарушений не обнаружено. Непосредственно у третьей перемычки имелся небольшой вывал объемом 0.4 м3 в зоне интенсивной трещиноватости. Нарушений в самой перемычке не обнаружено. Нарушений измерительных кабелей и приборов, установленных в кровле и на стенках выработки, а также рельсовых путей и трубопроводов также не зафиксировано.
На участке штольни между третьей и четвертой перемычками (340 и 505 м от устья, 124 и 95 м от центра взрыва) отмечен ряд нарушений, приуроченных к зоне, не экранированной отрезной щелью. Так, если в зоне влияния экрана на минимальном расстоянии от центра взрыва 90 м на всем протяжении 2-го откаточного штрека и у сопряжения выработок на расстоянии 410 м от устья и 145 м от центра взрыва не отмечалось существенных нарушений, то за пределами зоны влияния экрана сразу же после сопряжения выработок и вблизи четвертой перемычки начинался сплошной навал отслоившихся от кровли кусков руды.
Далее высота навала на почве выработки закономерно повышалась, достигая в зонах тектонических нарушений 1.0-1.5 м (например, у рассечки в 440 м от устья, 137 м от центра взрыва) и оставаясь в среднем равной 0.6-0.8 м. По мере приближения к четвертой перемычке максимальная высота навала на почве выработки повышалась до 1.5-1.8 м, причем навал располагался у левой стенки выработки и доходил непосредственно до перемычки. На участке закругления штольни на расстоянии 460-470 м от устья (124-115 м от центра взрыва) с сильно развитой мелкоплиточной слоистостью пород отмечены интенсивные отслоения от кровли и левой стенки выработки кусков плитчатой формы.
Высота выработки у четвертой сплошной перемычки, расположенной на расстоянии 95 м от центра взрыва, увеличилась в результате отслоений на 0.8 м, однако видимых нарушений не обнаружено. Учитывая, что в непосредственной близости от перемычки скорости смещения частиц при взрыве в 3-4 раза превышали значения, измеренные за перемычкой, в зоне, защищенной экранирующей отрезной щелью, состояние выработки было значительно лучше.
Таким образом, приведенные данные свидетельствуют об эффективности применения экранирующих щелей для снижения сейсмического действия взрыва на выработки и массив горных пород. Результаты исследования состояния выработок и перемычек подтвердили выведенные на основании замеров массовых скоростей смещения эмпирические зависимости, позволяющие определить, что предельно безопасные расстояния от центра взрыва на участках, не защищенных экранирующими щелями, не превышают 100-120 м.
Состояние 4-й перемычки со стороны 2-го откаточного штрека (505 м от устья штольни и 95 м от центра взрыва)
Проведенные натурные наблюдения за поведением горных выработок после взрыва очень детально, даже излишне подробно изучены, что может казаться на первый взгляд не нужным. С этим нельзя согласиться, учитывая уникальность предоставленной возможности и отсутствие аналога в мировой горной практике. Анализ позволил подтвердить правильность расчетов массовых скоростей смещения, дать предельно безопасные расстояния от центра взрыва на участках, не защищенных экранирующими щелями, определить воздействие экранов на снижение сейсмики взрыва.
При защите проекта "Днепр-1" на уровне Министерства среднего машиностроения были высказаны большие сомнения в возможности сохранения выработок после взрыва. Присутствующие специалисты говорили, что в случае полного обрушения потребуются крупные восстановительные работы или даже проходка новых выработок вместо обрушенных. Естественно, в этом случае не могло быть и речи о создании новой подземной технологии. Однако удалось доказать, опираясь на большой опыт подземных работ на комбинате, возможность сохранения устойчивости выработок после взрыва, и проект был утвержден.
Сейсмическое воздействие взрыва на поверхности и под землей
Регистрация массовых скоростей и амплитуд смещения поверхности производилась по трем составляющим - X, Y, Z. При дальнейших исследованиях анализ полученных данных показал, что по мере удаления от центра взрыва наблюдалось возрастание длительности колебаний поверхности, и в наиболее удаленных пунктах (67 км) его значения достигли 40 с; на расстоянии до 10 км от центра взрыва вертикальные составляющие колебаний в продольной волне были значительно выше радиальных составляющих, на расстоянии 14 км - практически сопоставимы, а на расстоянии 27,5 км радиальные составляющие колебаний оказались значительно выше вертикальных. Максимальные смещения и массовые скорости смещения на расстояниях от 14 до 27.5 км оказались равны и составляли соответственно 0.23-0.07 мм и 0.22-0.08 см/с, что не представляет опасности для зданий и сооружений, расположенных внаселенных пунктах.
Промышленные и жилые здания щитовой конструкции и коммуникации на промплощадке рудника в 1-2 км от эпицентра взрыва не получили никаких повреждений, включая остекление. Отдельные трещины наблюдались в кирпичной кладке печей. В ближайших населенных пунктах нарушения также отсутствовали. Каких-либо нарушений или затруднений в работе комбината "Апатит" не отмечено. В радиусе до 20 км все цеха, где в момент взрыва находились свыше 5000 чел., работали по обычному графику. Группа руководителей эксперимента, которая в момент взрыва находилась на расстоянии 1.5 км от его эпицентра (рис.53), не отметила особой разницы в интенсивности колебаний от ядерного взрыва по сравнению с крупными зарядами химических ВВ весом до 1000 т.
Таким образом, не только теоретическими расчетами при проектировании, но и опытным путем установлено, что сейсмическое воздействие взрыва не является препятствием для применения новой технологии.
Участники проведения ядерного взрыва "Днепр-1"
Опытный выпуск руды
После взрыва, согласно научной программе, пройдены без крепления выработки второй очереди (рис.29): рудоспускный восстающий 1/3 и из подъемного восстающего 1/3 - подэтажные штреки со смотровыми ходками. Оценка качества дробления руды в пределах блока выполнена определением гранулометрического состава руды, получаемого при проходке 22 смотрового ходка. Для выдачи руды из откаточного штрека 2 пройден 65-метровый конвейерный орт и шесть перепускных воронок, подсекающих площадь около 300 м . К опытному выпуску подготовлена северная половина отбитого блока площадью 730 м: и высотой 50 м. Воронки 1 и 2 оборудованы каждая одним вибропитателем КВЗС-4.5, работающим под завалом, а воронки 3-5 и 4-6 имеют два вибропитателя с боковым выпуском руды. Руда с вибропитателей поступала на колесно-ленточный конвейер KЛT-120 конструкции комбината "Апатит" и "Гипроникель" и перегружалась в вагоны емкостью 4 м3, которые вывозились на поверхность.
Анализ гранулометрического состава руды, полученный при бурении структурных скважин и проб, взятых из 9 смотровых ходков, показал, что качество отбойки ядерным взрывом значительно лучше, чем скважинами. Это подтверждено также при ее выпуске. Этому способствовало свойство апатитовых руд хорошо дробиться при мощных импульсах, а также влияние горизонтальных и вертикальных щелей. Однако для опытного выпуска запланированного объема 50 тыс. т руды формируемая воронками площадь обнажения 300 м2 недостаточна, так как проведенный ранее анализ массовой отбойки скважинами показал, что при коэффициенте разрыхления отбитой руды 1.1-1.2 ее движение под действием собственного веса начинается при площадях обнажения не менее 1200-1500 м2. Технология выпуска спрессованной руды достаточно хорошо изучена при массовых взрывах химическим ВВ. Для этого было проведено сотрясательное взрывание сосредоточенных зарядов общим весом 7 т, расположенных у стенки буровой выработки на северной границе очистного пространства. Из отбитого объема 121 тыс. м2 выпущено, согласно координационному плану, 50 тыс. т руды с производительностью 3500 т/смену.
Технико-экономическое сравнение вариантов разработки апатитовых месторождений с применением химических и ядерных ВВ
Сравнение выполнено на примере 4 вариантов системы этажного принудительного обрушения с массовым выпуском отбитой руды, внедренных или испытанных на апатитовых рудниках.
Эти показатели оказались для варианта оптимальными, и дальнейшее изменение параметров системы разработки не дало положительных результатов.
Вариант II - отбойка руды веерами восходящих скважин, выдача руды скреперными лебедками с безлюковой погрузкой в рудничные вагоны. Глубина скважины в веере до 35 м, диаметр 105 мм. Расстояние между концами скважин в веере 3.5 м, между веерами 2.4 м. Подсечка блоков короткими скважинами на компенсационное пространство. Этот вариант позволил увеличить одновременно отбиваемый объем руды до 350 тыс. т, дальнейшее умножение объема отбойки сопровождалось усилением сейсмического воздействия на массив и оказалось неприемлемым. Гранулометрический состав отбитой руды мало отличался от результатов отбойки минными зарядами. Применение мощных скреперных лебедок с безлюковой погрузкой руды в рудничные вагоны позволило значительно, в 2-4 раза, увеличить производительность на выдаче руды. Эти показатели оказались также оптимальными для варианта.
У технологии добычи руды с отбойкой ядерными зарядами, в отличие от технологии отбойки химическими ВВ есть значительно больше возможностей для ее совершенствования, имеется в виду то, что она находится в самом начале этого пути.
Основными преимуществами этой технологии являются: уменьшение себестоимости дробления руды, прогрессирующее с увеличением мощности зарядов и крепости руд; уменьшение затрат на очистные работы за счет сокращения объемов горно-подготовительных и буровых работ в блоке и уменьшения численности забойной группы рабочих; снижение общешахтных расходов за счет укрупнения производства, уменьшения общей численности трудящихся и сокращения объемов горнокапитальных работ; интенсификация очистной выемки и концентрация горных работ за счет больших возможностей увеличения размеров зон разрушения в рудных массивах; благоприятные условия для применения на выпуске руды мощных высокопроизводительных механизмов (вибропитателей, конвейеров), позволяющих осуществить переход к поточной технологии добычи руды.
Вариант системы разработки с отбойкой ядерными зарядами и выдачей отбитой руды конвейерами (вариант IV) в сравнении с применяемым вариантом с отбойкой веерными скважинами и выдачей руды мощными скреперными установками (вариант II) обеспечивает при производстве горнопроходческих работ. На операциях подсечки блоков и разделки выпускных воронок трудоемкость работ равна затратам; при отбойке, включая буровые работы, происходит снижение трудоемкости в 4 раза и затрат в 2 раза. На выпуске и погрузке руды из блоков трудоемкость работ снижается в 3 раза, а затрат в 2.5 раза, на транспортировке руды из рудника затраты сокращаются в 1.5 раза. В целом по всем операциям добычи снижение затрат вдвое. Особенно значительно преимущество варианта с отбойкой ядерными зарядами по производительности труда на очистных работах.
Таким образом, результаты первого промышленного эксперимента по отбойке руды одиночным ядерным зарядом подтвердили правильность теоретических расчетов. Решены научные проблемы - определение воздействия радиации при взрыве, сохранение подземных горных выработок, оценка влияния экранов, крупность получаемой руды. Технико-экономическое сравнение в целом подтвердило целесообразность применения новой технологии добычи руды, в связи с чем работы по ее совершенствованию были продолжены в ходе второго промышленного эксперимента "Днепр-2".
По материалам монографии В.В. Гущина "Подземная разработка апатитовых месторождений:от минных до ядерных взрывов".