Powyższy sposób rozdrabniania związany jest z koniecznością zastosowania w procesie wypału kamienia wapiennego o określonej granulacji, najczęściej powyżej 30 mm lub powyżej 50 mm. Uzyskanie na końcu procesu przygotowania surowca większego udziału procentowego tzw. frakcji piecowej pozwala przede wszystkim na polepszenie rentowności produkcji, ale również na łatwiejsze zbilansowanie całorocznego wydobycia, ze względu na konieczność zagospodarowania mniejszej ilości tzw. podziarna.
    Jednym z najefektywniejszych sposobów zwiększenia ilości frakcji piecowej w całości wydobycia jest zmniejszenie dolnej granicy stosowanego wsadu piecowego poprzez zastosowanie odpowiednich technologii wypału. Kolejnym jest optymalizacja procesów realizowanych w zakładach przeróbczych poprzez modernizację rozwiązań kruszenia i transportu kamienia w ciągach technologicznych oraz minimalizowanie ilości wszystkich innych koniecznych operacji wykonywanych z surowcem, przed ostatecznym podaniem go procesowi wypału. Modernizacje ciągów technologicznych przeróbki i wypału są jednak rozwiązaniami kapitałochłonnymi i z tej właśnie przyczyny ich realizacja często odkładana jest w czasie. W stosunku do wysokich nakładów inwestycyjnych związanych z modernizacjami technologii próba optymalizacji robót strzałowych pod kątem minimalizowania udziału frakcji drobnych w urobku jest metodą właściwie bezkosztową, stąd pomimo braku gwarancji uzyskania pozytywnych rezultatów często podejmowane są tego rodzaju próby.
    Podejmując się optymalizowania uziarnienia urobku zawartego w usypach, poprzez odpowiednią modyfikację sposobu przeprowadzania robót strzałowych, należy zdawać sobie sprawę ze złożoności wpływu proponowanych zmian na efekt strzelania. Każdy parametr robót strzałowych powiązany jest bowiem z wieloma innymi szeregiem wzajemnych zależności, często trudnych do precyzyjnej oceny z powodu niewystarczająco rozpoznanych warunków złożowych. Ponadto każda z przeprowadzonych zmian będzie przyczyną generowania różnych wartości szkodliwych oddziaływań detonacji. Problem dodatkowo potęguje praktyczny brak możliwości precyzyjnej oceny wpływu wprowadzanych modyfikacji w warunkach produkcyjnych. To wszystko sugeruje, iż ewentualne zmiany parametrów strzelania powinny być wprowadzane pojedynczo i przy stałym monitorowaniu rezultatów osiągniętych w wyniku ich zastosowania. Przy zachowaniu podobnych warunków załadunku, transportu, wyładunku, przeróbki i składowania kamienia powinno  to pozwolić na dostrzeżenie istotnych zmian.

 Zastosowanie odpowiedniego MW
    Jednym z podstawowych czynników mających wpływ na zmianę rezultatu detonacji w caliźnie skalnej jest właściwy dobór stosowanego materiału wybuchowego. W przypadku kopalń wydobywających surowiec na potrzeby przemysłu wapienniczego są to najczęściej saletrole, ze względu na stosunkowo niskie parametry detonacji. Przyczyną wykorzystania materiałów innych niż  amonowo-saletrzane jest najczęściej konieczność użycia MW wodoodpornego lub/i konstruowanie ładunków udarowych. Dobór odpowiedniego materiału jest zazwyczaj prawidłowy, co wynika z faktu, że polega po prostu na zastosowaniu możliwie „najsłabszego” z dostępnych materiałów wybuchowych. Należy jednak podkreślić, że niezwykle istotnym jest tutaj parametr stabilnej jakości oraz jednorodności stosowanego materiału wybuchowego.
To bardzo ważne w kopalniach wapienia, gdzie niejednokrotnie roboty strzałowe projektowane są blisko granicy odspojenia/nieodspojenia urabianej skały celem zminimalizowania kruszenia.
    W przypadku, gdy zasadną wydaje się zmiana dotychczas stosowanego MW powinniśmy kierować się możliwie dokładnie rozpoznanymi właściwościami fizycznymi samej kopaliny oraz strukturą eksploatowanego złoża. Niewątpliwie dokładne rozpoznanie złoża jako masywu podanego oddziaływaniu detonacji MW jest bardzo trudne, dlatego właściwym wydaje się być scharakteryzowanie jego właściwości poprzez tzw. gęstość akustyczną. Ten sposób oceny przedmiotowego środowiska skalnego pod względem podatności na urabianie przy użyciu MW  wydaje się być dogodny, gdyż pozwala ocenić masyw jako całość wraz z uwzględnieniem spękań, ich gęstości ukierunkowania, wypełnienia oraz współzalegania skał o różnych właściwościach. Wiadomo, że zaburzenia te mają fundamentalne znaczenie w przypadku stosowania eksploatacji złóż z użyciem techniki strzelniczej, a są niewyznaczalne poprzez badanie próbek w warunkach laboratoryjnych. Znając gęstość pozorną urabianego surowca oraz prędkość rozchodzenia się podłużnej fali sejsmicznej w eksploatowanym złożu możemy określić gęstość akustyczną złoża, a następnie na tej podstawie dokonać doboru materiału wybuchowego o optymalnej prędkości detonacji.

 Zastosowanie odpowiedniej przybitki
    Zasadniczo właściwie sporządzona przybitka nie wpływa bezpośrednio na stopień rozdrobnienia skał, jednak poprzez zapewnienie dostatecznie długiego przytrzymania gazów postrzałowych umożliwia najefektywniejszą pracę MW. Jest więc jednym z koniecznych warunków prawidłowego przebiegu urabiania. Przy projektowaniu przybitki, poza oczywistym wpływem parametrów geometrycznych siatki otworów na jej długość, należy pamiętać o kilku innych zależnościach. Pierwszą z nich jest fakt, że paradoksalnie im słabszy MW, tym mocniejsza powinna być przybitka, co związane jest z prawidłowością dłuższego przereagowywania słabszych MW. Inną z zależności jest np. zmniejszanie się znaczenia przybitki wraz ze wzrostem długości wypełnienia otworu strzałowego materiałem wybuchowym, ponieważ ciśnienie gazów postrzałowych w caliźnie skalnej szybciej zmniejszy się na skutek ich uwolnienia do atmosfery poprzez szczeliny wytworzone przez falę naprężeń, niż przez usunięcie z otworu strzałowego przybitki. Nie bez znaczenia jest również średnica otworu, której zwiększenie wymaga zastosowania przybitki o wyższym współczynniku tarcia wewnętrznego. Jedynym rodzajem przybitki, która ma wpływ bezpośredni na rozdrobnienie urobku, jest tzw. przybitka aktywna. Polega ona na umieszczeniu w materiale tworzącym przybitkę kilkukilogramowego ładunku wybuchowego. Detonacja takiego ładunku powoduje zagęszczenie materiału przybitki, czego efektem jest powstanie jak gdyby silnego korka, który utrzymuje gazy postrzałowe powstałe w wyniku detonacji ładunku zasadniczego. Polepszenie uziarnienia urobku uzyskuje się w tym przypadku poprzez ograniczenie powstawania brył nadwymiarowych, które np. w wyniku silnie spękanej struktury złoża będą generowane w urobku, w przypadku stosowania standardowej przybitki. Dodatkową zaletą tego rodzaju przybitki jest jej korzystny wpływ na kształtowanie się ścian eksploatacyjnych w pobliżu ich górnej krawędzi.

 Zastosowanie odpowiedniej średnicy otworów
    Istnieją dwie przeciwstawne koncepcje wyznaczające kierunki postępowania w zakresie doboru średnic otworów strzałowych w celu minimalizowania frakcji drobnych w urobku. Pierwszą z nich jest założenie poprawności stosowania większych średnic, co pozwoliłoby na znaczne zwiększenie parametrów geometrycznych strzelania, przy zachowaniu tego samego zużycia jednostkowego MW. Taka koncepcja zakłada, że zwiększone odległości pomiędzy otworami oraz większy zabiór przyczyniają się do mniejszego pokruszenia urabianej calizny skalnej. W rezultacie sumaryczne uziarnienie urobku po strzelaniu jest większe. Koncepcja ta wydaje się jednak nie uwzględniać bardzo dużego impulsu detonacji, w wyniku którego strefa calizny wokół otworów może zostać zmiażdżona, co szczególnie w przypadku skał łatwo urabialnych będzie zjawiskiem bardzo negatywnym w aspekcie późniejszego uziarnienia urobku.
    Zastosowanie takiej koncepcji stwarza również realne ryzyko otrzymania znacznej ilości brył nadwymiarowych oraz frakcji bardzo drobnych, co związane jest ze zbyt dużymi odległościami pomiędzy otworami. Druga z koncepcji zakłada, że w celu zwiększenia uziarnienia urobku otrzymywanego w wyniku przeprowadzenia strzelania, należy nie zwiększyć, ale zmniejszyć średnicę otworów strzałowych. Teza ta argumentowana jest mniejszą prędkością detonacji MW związaną z mniejszymi średnicami otworów, mniejszymi koncentracjami impulsu energetycznego występującymi w takich przypadkach, lepszym rozmieszczeniem MW w otworze i w całej urabianej partii złoża oraz mniejszymi wielkościami przybitki. Tego rodzaju rozwiązanie wymaga jednak zastosowania odpowiednich MW, adekwatnych do nich parametrów geometrycznych strzelania oraz właściwego zainicjowania tych MW, jak również większej ilości prac wiertniczych.
    Każda z dwóch przeciwstawnych koncepcji posiada szereg racjonalnych argumentów ją popierających, jednak druga z nich, polegająca na założeniu potrzeby zmniejszania impulsu detonacji i bardziej równomiernego rozmieszczenia MW w urabianej partii złoża, wydaje się być bardziej racjonalna, szczególnie w przypadku złóż wapieni łatwo urabialnych. Metoda polegająca na zwiększaniu średnic otworów strzałowych mogłaby ewentualnie sprawdzić się w wapieniach trudniej urabialnych, o większej wytrzymałości na ściskanie.

 Konstrukcja ładunków
      

Rys. 1. Konstruowanie ładunków dzielonych z pustką powietrzną (strzelanie jednoszeregowe)

    Pomimo stosowania MW z grupy ANFO często występuje dalsza konieczność osłabienia energii detonacji w urabianych wapieniach, zwłaszcza w tych charakteryzujących się małą wytrzymałością na ściskanie. Jednym z najciekawszych rozwiązań w tym zakresie jest konstruowanie ładunków dzielonych z pustką powietrzną. Przykład zastosowania takiego rozwiązania w strzelaniu jednoszeregowym obrazuje rysunek 1. Poprzez wykorzystanie pustki powietrznej nie tylko zmniejszono zużycie jednostkowe MW, ale również przyczyniono się do osłabienia impulsu detonacji. Dzięki tak realizowanemu strzelaniu możliwe było uzyskanie średniego zużycia jednostkowego MW na poziomie 100 g/tonę, a w niektórych przypadkach nawet 90 g/tonę calizny skalnej. I
    Inny ze sposobów ograniczenia jednostkowego zużycia MW, tym razem w strzelaniu wieloszeregowym, został pokazany na rysunku 2. Zaproponowana konstrukcja zmniejszała zużycie jednostkowe MW, nie osłabiała jednak  impulsu detonacji. W przypadku tak zaprojektowanego strzelania możemy uzyskać mniejsze rozdrobnienie urobku, jednak pojawia się większe ryzyko występowania brył nadgabarytowych. Niezwykle istotne są w tym przypadku optymalne parametry geometryczne siatki otworów, bowiem w przypadku zbyt dużych odległości, zwłaszcza pomiędzy szeregami otworów, mogą wystąpić jednocześnie duże ilości frakcji drobnych oraz brył nadwymiarowych w usypach urobku. Wartym podkreślenia jest fakt, iż stosowanie otworów wypełnionych ciągłym ładunkiem MW nie oznacza błędnego postępowania w aspekcie zmniejszenia rozdrobnienia urobku, wymaga jednak spełnienia określonych warunków, z których najważniejsze to zastosowanie odpowiedniego MW, właściwe rozmieszczenie otworów strzałowych oraz zastosowanie odpowiednich średnic tych otworów.

Dobór odpowiednich opóźnień detonowania ładunków
    Szczegółowe i jednoznaczne określenie wpływu zmian czasu opóźnienia milisekundowego na wielkość rozdrobnienia urobku jest bardzo trudne. Brak dokładnej charakterystyki wytrzymałościowej urabianego masywu jako całości ogranicza wskazanie optymalnego opóźnienia milisekundowego. Co więcej, ogranicza nawet pewność wskazania jednoznacznych zależności, które mogłyby zdeterminować niezbędny kierunek zmian w takim czy innym przypadku. Na podstawie opracowań naukowych, badających wpływ długości opóźnienia milisekundowego na charakterystykę przebiegu drgań sejsmicznych, można  jedynie postawić hipotezę, że opóźnienia o wartości 67 ms powinny mieć korzystny wpływ na zmniejszenie rozdrobnienia urobku. Takie założenie oparte jest na fakcie, że przy zastosowaniu 67 milisekundowego interwału opóźnień charakterystyka przebiegu drgań w ośrodku skalnym ma charakter sinusoidalny, tzn. drgania wzrastają stopniowo, osiągając swoją największą amplitudę w zdecydowanie dłuższym czasie niż w przypadku detonacji z krótszymi czasami opóźnień, gdzie mamy bardzo szybki skok drgań do maksymalnej amplitudy, a następnie stopniowe ich wytłumianie. Doświadczenia z naszych zakładów odkrywkowych, wydobywających wapienie o niskiej wytrzymałości na ściskanie, wydają się potwierdzać tego rodzaju hipotezę.

Rys. 2. Konstruowanie ładunków dzielonych z pustką powietrzną (strzelanie jednoszeregowe)

Schemat odpalania ładunków MW
    Kolejnym czynnikiem wpływającym na stopień rozdrobnienia urobku po strzelaniu jest zastosowanie poprawnego schematu odpalania ładunków MW. W strzelaniach jednoszeregowych, rekomendowanych przy oczekiwanym minimalizowaniu występowania najdrobniejszych frakcji, najlepiej projektować odpalanie ładunków w schemacie kolejnych opóźnień od jednej do drugiej strony. Drobnym udoskonaleniem tego rozwiązania jest zamiana kolejności odpalania dwóch pierwszych otworów w serii. Nie wpływa to znacząco na stopień rozdrobnienia urobku, a powoduje efektywniejsze odspojenie calizny w obrębie pierwszego otworu  i poprawę ociosu po strzelaniu w tym rejonie. Generalnie opóźnienia powinny być projektowane w sposób minimalizujący oddziaływanie fali naprężeń wywołanej detonacją MW na ośrodek skalny i ograniczający przemieszczanie urobku.

Parametry geometryczne siatki otworów strzałowych
    Wpływ parametru rozmieszczenia otworów strzałowych na stopień rozdrobnienia urobku ma oczywiście charakter zasadniczy, ponieważ stwarza duże możliwości modelowania warunków opornościowych urabianego masywu. Dlatego właśnie z rozszerzaniem siatki otworów. bardzo często wiążą się oczekiwania szybkiego i łatwego zmniejszenia frakcji drobnych w odstrzelonym urobku. W praktyce okazuje się to jednak o wiele trudniejsze. Zbliżanie się bowiem do maksymalnych odległości pomiędzy otworami strzałowymi wymusza również stosowanie zbliżonych do ideału innych parametrów strzelania, takich jak np.: prostolinijne i właściwie nachylone otwory strzałowe, precyzyjne ich załadowanie czy wreszcie stosowanie materiałów wybuchowych o stabilnej i jednorodnej jakości. Niestety na wiele z tych parametrów często mamy bardzo ograniczony wpływ. Z drugiej strony projektowanie odległości otworów w siatce wymaga właściwie ciągłej optymalizacji ze względu na stale zmieniające się warunki strzelania. Niewątpliwie, by osiągnąć najlepsze rezultaty konieczna jest bardzo dobra znajomość urabianego masywu, która związana jest z odpowiednio długim doświadczeniem w projektowaniu strzelań w danym ośrodku skalnym.

Kopalnia wapienia Lhoist Bukowa

 Warto zapamiętać
Zmiana uziarnienia urobku poprzez modyfikację robót strzałowych jest zagadnieniem trudnym i złożonym. Przede wszystkim ze względu na zmienność samego ośrodka skalnego, ale również na ilość możliwości modyfikowania warunków detonacji. Z uwagi na skomplikowanie tematu należy zatem wprowadzać zmiany tylko jednego z parametrów w tym samym czasie oraz jednocześnie monitorować rezultaty jego wprowadzania. Na tej podstawie można drogą eliminacji wykluczyć parametry niewpływające istotnie na zwiększenie uziarnienia urobku oraz uzyskać rozwiązanie optymalne dla danego ośrodka skalnego. Wdrożeniu ewentualnych zmian powinien ponadto towarzyszyć stały monitoring wpływu ich wprowadzania w aspekcie generowania szkodliwych oddziaływań detonacji MW. W przypadku właściwie prowadzonych strzelań przed próbą optymalizacji możemy liczyć na zmniejszenie o kilka procent tzw. podziarna po wprowadzeniu modyfikacji. Z jednej strony nie jest to dużo, z drugiej jednak modyfikacje parametrów strzelania nie wymagają znaczących nakładów inwestycyjnych, a mogą skutkować wymiernymi rezultatami. Należy również pamiętać, że ze względu na tę właśnie kilkuprocentową możliwość poprawy krzywej składu uziarnienia surowca, powinno się podejmować powyższe działania dopiero po optymalizacji innych operacji przeprowadzanych z surowcem, takich jak chociażby ilość i sposób załadunków, transportów, wyładunków. W przeciwnym razie może się bowiem okazać, że to co osiągnęliśmy w wyniku długotrwałej optymalizacji robót strzałowych można było uzyskać jedną decyzją dotyczącą dystrybucji lub tymczasowego składowania pokruszonego surowca.

Autor: Rafał Juras, Lhoist Polska

Artykuł został opublikowany w magazynie "Surowce i Maszyny Budowlane" nr 3/2011