ПТК «Blast Maker»: цифровые технологии на пути к управлению взрывом скважинных зарядов

В.А. Коваленко, В.В. Григорьев, М.А. Райымкулов — Институт коммуникаций и информационных технологий Кыргызско-Российского Славянского Университета

Актуальность

Современный уровень цифровых технологий и аппаратных средств открывают новые возможности для моделирования и широкого применения воздушных промежутков (ВП) в скважинных зарядах при решении задач горного производства. Как известно, применение ВП с учетом неоднородности массива позволяет повысить качество взрыва за счет более равномерного насыщения энергией дробления, обеспечить проработку подошвы и снизить сейсмическое воздействие массового взрыва. Такой результат возможен за счет управления энергией взрыва посредством рационального целевого использования ВП в конструкции скважинных зарядов. Ожидается при этом даже некоторая экономия ВВ.

Эффект действия ВП при взрыве отмечен давно. В работе Н.В. Мельникова [1] в 1940-х годах впервые была выдвинута идея управления взрывом путем применения зарядов, рассредоточенных ВП. Затем идея была проработана в совместных работах Н.В. Мельникова и Л.Н. Марченко в 1960-х [2]. Принято считать, что применение ВП в конструкции заряда приводит к снижению начального пикового давления взрыва в воздушной полости, увеличению времени действия взрыва на породу, а также взаимодействию ударных волн с продуктами детонации в полости взрыва. При этом, как утверждают исследования [2–4], уменьшается доля энергии затрачиваемой на бесполезное переизмельчение породы в ближней зоне, увеличивается время действия расширяющихся продуктов взрыва и т.д. 

Несмотря на высокий интерес промышленности к практическому применению ВП в горном производстве, механизм действия ВП ограничивается упрощенным качественным описанием, в котором отсутствует удовлетворительное объяснение механизма действия. При этом не учитывается ряд важных параметров, влияющих на характер взрывного воздействия: неоднородность горного массива, физико-механические свойства слагающих массив пород, фактические размеры ВП при заряжании скважины, свойства взрывчатого вещества (ВВ) и т.д. Подход, в котором имеется возможность учитывать информацию, необходимую для проектирования и более точного прогнозирования, стал возможным благодаря современным технологиям высокопроизводительных вычислений и комплексу созданных программных продуктов. Информация о прочностных характеристиках массива, об особенностях залегания крепких и мягких прослоек необходима для определения оптимальной конструкции заряда для эффективного насыщения взрывной энергией отрабатываемой горной массы. В качестве показателя неоднородности массива в работе рассматривается такая величина как энергоемкость бурения [5, 6].

Таким образом, полноценное управление энергией взрыва скважинных зарядов с применением ВП становится возможным благодаря разработке полного программно-технического комплекса, включающего в себя пакет программного обеспечения для моделирования процессов внутри скважины и дробления в ближней зоне, возможности оперативного получения информации о неоднородности массива, средства проектирования и моделирования взрыва с различными конструкциями заряда и инструменты контроля за выполнением проекта и оценки результатов взрыва. 

Инструменты численного моделирования и сбор данных о неоднородности массива

Современный уровень развития фундаментальных наук и возрастающие возможности современных вычислительных средств позволяют предложить способ оптимизации параметров БВР, основанный на результатах численного моделирования. Вычислительные эксперименты позволяют глубже понять физико-механические процессы в ближней зоне дробления, произвести серию расчетов и определить наиболее перспективные варианты управления взрывом. 

Современный вычислительный высокопроизводительный комплекс Института Коммуникаций и Информационных технологий КРСУ включает в себя рабочую станцию на базе решателей Tesla K40, 1536 ядер CUDA, пиковой производительностью 3 TFlops. В основу вычислительных схем моделирования динамических процессов взрыва в горных породах положен метод конечных элементов [7, 8]. Разработанные методики численного моделирования позволяют более детально учитывать исходную горно-геологическую информацию о свойствах вмещающих пород по результатам получаемым с устройства КОБУС [9, 10]. В основу работы системы КОБУС положена методика определения прочностных характеристик массива по данным удельной энергоемкости бурения, которая зависит от таких параметров, как: нагрузка на шарошечное долото (осевое давление), сечение скважины, тип шарошечного долота, скорость вращения бурового става, вращающий момент шарошечного долота, скорость проходки скважины, и др. (рис. 1).

Рис. 1. Сравнение геологических данных с показателями, полученными бортовым вычислительным устройством КОБУС®, и оптимальная конструкция заряда скважины для данного массива, рассчитанная по энергоемкости бурения

Имитационное моделирование зон дробления при взрыве составного скважинного заряда осуществляется методом трехмерного моделирования динамических процессов при произвольно заданной нагрузке. Произвольный участок массива представляется в виде набора сосредоточенных масс, соединенных между собой линейными связями [11]. Таким образом, в качестве базового элемента принята система в виде цилиндра с двумя массами на концах. Модель поведения среды под действием взрывной нагрузки определяется законом откольного нагружения [8]:
σi ≤ σp,  i = 1, 2, 3
            (1)
где: σ1, σ2, σ3 — главные напряжения, σp — критическое напряжение. Если условие (1) не выполняется, то в среде образуется трещина.

Комплексное решение, основанное на результатах численных экспериментов, инструментах автоматизированного проектирования БВР и оценке качества взрыва способствует активному внедрению составных зарядов на горном производстве. В качестве такого решения рассматривается программно-технический комплекс (ПТК) «Blast Maker», предоставляющий широкий набор инструментов для проектирования составных зарядов и прогнозирования насыщения массива энергией взрыва, обеспечивая контроль за рабочим циклом БВР от бурения и взрывания до экскавации.

Применение цифровых технологий в задачах описания механизма действия ВП

На основе серии вычислительных экспериментов получены некоторые тренды и закономерности для определения рациональной конструкции скважинных зарядов с применением ВП. Горные породы в массиве характеризуются переменными свойствами в горизонтальном и вертикальном направлениях. Изменчивость массива между скважинами и по высоте уступов требует обязательного учета неоднородностей и соответствующего распределения ВВ и ВП в колонке скважинного заряда. Особый интерес представляет моделирование расположения зарядов ВВ с учетом положения прочных прослойков.

На рисунке 2 в трехмерном виде представлены зоны распределения максимальных относительных деформаций в неоднородном массиве горных пород. Из представленных результатов следует, что без учета особенностей залегания пород в неоднородном массиве большая доля энергии расходуется на разрушение мягких прослойков, при этом снижается проработка прочных участков массива. В результате неэффективного использования взрывной энергии возможно неравномерное дробление породы и повышение выхода негабаритов. Полезная ценность подобного моделирования заключается в возможности качественного сравнения динамической картины развития взрыва и эффектов, сопровождающих его.

Рис. 2. Максимальные относительные деформации в зависимости от положения заряда относительно прочных прослоек (темные области): а — смещенное расположение зарядов;  б — точное расположение зарядов напротив прочных прослоек

Процесс развития разрушения при применении конструкции заряда с ВП представлен на рисунке 3а на примере взрыва в органическом стекле. Анализ кинокадров процесса позволил выделить последовательность взрыва отдельных участков ВВ, рассредоточенных ВП. Таким образом, воздушный зазор играет роль внутрискважинного замедлителя и позволяет регулировать процесс разрушения [4]. Данный вывод полностью соответствует результатам численного моделирования (рис. 3б).

Рис. 3. Сравнение областей разрушения органического стекла для задачи взрыва ВВ, рассредоточенного воздушным промежутком, с верхним инициированием на различных этапах развития процесса разрушения, время указано в мс: а — эксперимент [4]; б — численное моделирование

На рисунке 4а продемонстрирован процесс формирования зоны дробления в органическом стекле при применении конструкции заряда с ВП, расположенном между забойкой и ВВ. 
В результате газодинамических процессов в воздушной полости образуется среда, состоящая из чередующихся областей, заполненных воздухом и продуктами детонации. Поперечные и продольные ударные волны, проходя через множество областей с различным ударным импедансом, претерпевают многочисленные отражения и преломления, вследствие чего на стенки и торец скважины действует множество импульсов давления, следующих с высокой частотой. На границе ВП и забойки образуется дополнительный источник импульса (рис. 4б), обеспечивающий равномерное дробление среды. Таким образом, на среду действует длительный импульс, образованный воздействием ударной волны в ВВ и высокочастотного вибрационного воздействия в области ВП.

Указанные положения о процессе формирования зоны разрушения при применении ВП в конструкции заряда подтверждаются результатами численного моделирования трещинообразования в горной породе (рис. 4в). Такие расчеты соответствуют задачам горно-добывающей практики и позволяют принципиально рассматривать область ВП как второй, дополнительный источник взрывной нагрузки.

Рис. 4. Формирование зон разрушения в области ВП: а — фотосъемка и б — последовательность формирования зоны разрушения в органическом стекле [12]; в — численное моделирование зоны дробления в породе с коэффициентом крепости по проф. Протодьяконову 3, 5

Проектирование конструкции заряда с ВП в ПТК «Blast Maker» на основе данных о неоднородности массива

Информация о неоднородности массива передается с бортового компьютера КОБУС в виде набора данных по удельной энергоемкости бурения. Визуализация позволяет, например для угольных разрезов, определять границы угольных пластов и изменения прочностных характеристик по блоку, выявлять более крепкие участки массива [13].

Обработка в среде системы автоматизированного проектирования БВР (САПР БВР) «Blast Maker» получаемых данных позволяет получить подробную информацию о реальном строении обуриваемого массива горных пород в плане и в трехмерном виде, учитывать эту информацию при проектировании составных зарядов с применением ВП [13, 14]. На основе данных о характере неоднородности массива в САПР БВР «Blast Maker» реализована возможность проектирования скважинных зарядов с одним или несколькими воздушными промежутками (рис. 5).

Рис. 5. Подготовка шаблона составного заряда для группы скважин в системе САПР БВР «Blast Maker»

При задании применяемого типа ВВ и некоторых конструктивных ограничений программное обеспечение позволяет производить автоматизированную расстановку ВП с учетом положения мягких пород, в результате которого для каждой скважины индивидуально рассчитывается конструкция заряда. Программа выбирает такое оптимальное расположение ВП, чтобы заряды оказались напротив прочных участков вдоль по скважине, с учетом заданных геометрических ограничений на длину заряда и промежутка (рис. 6). Оперативная оценка зоны дробления и насыщения массива взрывной энергией для каждой конструкции заряда осуществляется методом численного моделирования с возможностью демонстрации развития зон дробления во времени.

Рис. 6. Автоматизированная расстановка ВП напротив прочных прослоек (темные области) по данным энергоемкости бурения

На рисунке 7 представлены результаты численного моделирования расчета зон дробления для сплошного заряда и заряда с ВП, расположенного напротив мягких пород. В качестве преобладающей породы рассмотрены филлиты черные, коэффициентом крепости по Протодьяконову — 6, в качестве ВВ — игданит. 

Рис. 7. Постановка задачи и результаты моделирования формирования зон дробления в неоднородном массиве для сплошного заряда и конструкции заряда с применением ВП

Как показывают результаты численных экспериментов, при расположении ВП напротив мягких прослоек, энергия взрывной волны оказывается достаточной для обеспечения равномерного дробления пород и необходимой проработки подошвы. Применение сплошного заряда для рассматриваемого массива приводит к избыточному переизмельчению, а следовательно и к снижению эффективности отработки. 

Применение модуля ПТК «Blast Maker СЗМ» открывает возможности для успешного заряжания скважин с точным соблюдением рекомендаций по положению ВП в заряде. Модуль СЗМ разработан для исполнения проекта на основе автоматизированного контроля и сбора данных таких параметров, как текущее местоположение зарядной машины, номер заряжаемой скважины, остатки компонентов ВВ в машине и др. Для корректной работы модуля СЗМ машина должна быть оснащена бортовым компьютером, имеющим датчики веса компонентов в баках, расхода и уровня топлива в топливных баках СЗМ и т.п.

Кроме того, модуль СЗМ может быть дополнен специализированным планшетом, который обеспечивает отображение проекта, заряжаемого блока по его номеру/горизонту с выводом номера скважины, проектного объема/длины заряда ВВ, типа ВВ, времени замедления, остатков для окончания заряжания блоков, местоположения зарядной машины, фактических данных по заряжанию каждой скважины и др. 

Анализ данных, получаемых от модуля «Кобус-Экскаватор», позволяет производить постоянный мониторинг за оценкой качества отработки блока, а также сопоставлять качество взрыва и применяемые конструкции зарядов на блоке. Такая информация позволяет на предприятии выявлять основные тренды и закономерности об эффекте от применения ВП и определять наиболее оптимальный способ заряжания скважин.

Выводы

Результаты серии численных экспериментов, проведенных на базе вычислительного высокопроизводительного комплекса Института Коммуникаций и Информационных технологий КРСУ с применением средств программного обеспечения для решения задач горного производства подтвердили некоторые интуитивные догадки об особенностях распределения взрывной энергии в массиве горных пород. Удалось объяснить некоторые механизмы действия ВП в скважинных зарядах, подробно исследовать газодинамические процессы в сжимаемом воздушном промежутке и показать зависимость качества дробления пород в зависимости от относительного положения ВП в скважинных зарядах. Такой анализ позволяет решать широкий спектр задач по  управлению энергией взрыва при отработке горного массива.

Показано, что применение составных зарядов с ВП повышает эффективность массового взрыва за счет оптимального насыщения взрываемого блока энергией ВВ, что достигается при учете прочностных характеристик горного массива. Вследствие этого можно достичь оптимального дробления породы, уменьшения количества негабаритов при снижении, в том числе удельного расхода ВВ, улучшения проработки подошвы и др.

Алгоритмы оценки действия ВП в  скважинных зарядах и результаты численных экспериментов позволяют сделать интересные выводы, которые могут быть интегрированы в расчетные схемы программных модулей ПТК «Blast Maker». Система предоставляет широкий набор инструментов для проектирования составных зарядов и прогнозирования насыщения массива энергией взрыва, при этом позволяет контролировать весь рабочий цикл БВР от бурения и взрывания до экскавации. Таким образом, появляется возможность производить оценку качества взрывных работ применением ВП, накапливать статистические данные, уточнять параметры численного моделирования взрыва и выявлять наиболее оптимальный способ заряжания в условиях конкретного производства.