Grundlagen der Gesteinssprengung und -fragmentierung

Sprengungen sind ein wesentlicher Bestandteil des Bergbaus, der Gewinnung von Steinen und der Bauindustrie. Durch den Einsatz von Sprengstoffen, um große Gesteinsmengen in handliche Fragmente zu zerkleinern, können Abbau-, Transport-, Zerkleinerungs- und Verarbeitungsprozesse effizienter gestaltet werden.

Erfolgreiches Sprengen erfordert jedoch mehr als nur das Zerkleinern von Gestein. Das entstehende Fragment muss auch den Anforderungen der nachfolgenden Geräte und Prozesse entsprechen. Zu grobes Material kann beim Verladen oder Brechen Probleme verursachen, während ein zu hoher Feinanteil andere Herausforderungen bei der Handhabung und Verarbeitung mit sich bringen kann.

Die Größe und Verteilung der Gesteinsfragmente hängen von mehreren miteinander verbundenen Faktoren ab, darunter Gesteinseigenschaften, Sprengstoffeigenschaften, Sprenggeometrie, Bohrgenauigkeit und Zündzeitpunkt.

Das Verständnis dieser Zusammenhänge und die Messung der Ergebnisse bilden die Grundlage für die Verbesserung der Sprengleistung.

1. Wie Sprengungen Gestein aufbrechen

Wenn eine Sprengladung in einem Bohrloch detoniert, setzt sie Energie frei, die im umgebenden Gestein intensive Druck- und Spannungswellen erzeugt.

Das Zusammenspiel dieser Kräfte, der sich ausdehnenden explosiven Gase und der physikalischen Eigenschaften des Gesteins führt zur Entstehung von Brüchen und zur Trennung von Bruchstücken.

Gesteinsbruch wird im Allgemeinen als eine Kombination mehrerer Mechanismen verstanden.

Stoßwellen und anfängliche Bruchbildung

Durch die Detonation entsteht eine Hochdruck-Stoßwelle, die sich vom Explosionsloch nach außen ausbreitet.

Unmittelbar um die Ladung herum kann der Druck die Druckfestigkeit des Gesteins übersteigen, wodurch eine relativ kleine Zerkleinerungszone entsteht. Jenseits dieser Zone schwächt sich die Stoßwelle zu einer Spannungswelle ab, die sich durch das umgebende Gestein ausbreitet.

Diese Spannungen können neue Brüche auslösen, bestehende Risse verlängern und die Gesteinsstruktur schwächen.

Das Ausmaß der Bruchbildung hängt von den Eigenschaften des Sprengstoffs, der Festigkeit und Struktur des Gesteins sowie der Art und Weise ab, wie sich die Energie durch das Material ausbreitet.

Zugbruch und freie Flächen

Obwohl Gestein einer beträchtlichen Druckspannung standhält, ist es unter Zugspannung im Allgemeinen viel schwächer.

Wenn eine Druckspannungswelle auf eine freie Fläche trifft, wie beispielsweise die freiliegende Wand einer Steinbruchsohle, wird ein Teil der Welle als Zugspannung reflektiert.

Wenn die entstehende Zugspannung die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, können Brüche entstehen.

Dieser Mechanismus kann dazu beitragen Abplatzungen, wo sich Gesteinsschichten in der Nähe einer freien Oberfläche trennen.

Frühe Forschungen von Hino (1956) beschrieben, wie reflektierte Spannungswellen zur Bildung aufeinanderfolgender Bruchschichten beitragen können. Dies trug wesentlich zum theoretischen Verständnis des explosiven Gesteinsbruchs bei.

Die Reflexion von Zugwellen ist jedoch nur ein Mechanismus, der bei Sprengungen eine Rolle spielt. Vorhandene Klüfte, Schichtflächen, expandierende Gase und Gesteinsbewegungen tragen ebenfalls wesentlich zur endgültigen Fragmentierung bei.

Ausdehnung von Gasen und Gesteinsbewegung

Nach der Detonation können unter hohem Druck stehende explosive Gase in Risse eindringen und diese weiter auseinanderdrücken.

Wenn sich diese Brüche ausdehnen, trennen sich Teile der Gesteinsmasse und beginnen sich in Richtung der verfügbaren freien Flächen zu bewegen.

Weitere Brüche können auftreten, wenn Gesteinsfragmente sich verbiegen, trennen, zusammenstoßen und mit dem umgebenden Material interagieren.

Das Zusammenwirken von Druckwellen, Gasdruck und Gesteinsbewegung bestimmt, wie effektiv die Gesteinsmasse aufbricht.

Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass beim Sprengen zwei Dinge erreicht werden müssen: das Gestein zerbrechen und genügend Bewegung erzeugen, damit sich die Bruchstücke voneinander trennen können. Eine Sprengung kann zwar umfangreiche Risse erzeugen, aber dennoch zu schlechten Ergebnissen führen, wenn das Gestein zu stark eingeengt ist, um sich effektiv bewegen zu können.

2. Gesteinseigenschaften und geologische Einflüsse

Die Eigenschaften des Gesteins beeinflussen die Sprengleistung maßgeblich.

Zwei Sprengungen mit ähnlichem Bohrmuster und ähnlicher Sprengstoffmenge können bei veränderten geologischen Bedingungen zu sehr unterschiedlicher Fragmentierung führen.

Gesteinsfestigkeit und -dichte

Die Festigkeit des Gesteins beeinflusst die Spannungen, die zur Entstehung und Ausbreitung von Brüchen erforderlich sind.

Stärkeres Gestein widersteht Brüchen möglicherweise besser, während Unterschiede in Dichte und elastischen Eigenschaften Einfluss darauf haben, wie sich Spannungswellen im Material ausbreiten.

Diese Eigenschaften müssen zusammen mit der Explosionsenergie und der Geometrie der Detonation berücksichtigt werden.

Klüfte, Verwerfungen und Schichtflächen

Die meisten Gesteinsmassen weisen natürliche Diskontinuitäten auf, darunter Klüfte, Verwerfungen, Brüche und Schichtflächen.

Diese Merkmale beeinflussen das Bruchverhalten des Gesteins, da sie bestehende Grenzen oder Schwächen innerhalb des Materials bilden.

In einigen Fällen erleichtern Diskontinuitäten die Fragmentierung, indem sie Oberflächen bieten, entlang derer sich das Gestein trennen kann.

In anderen Fällen können ihre Abstände, ihre Ausrichtung oder ihr Zustand zu großen Blöcken, ungleichmäßiger Fragmentierung oder unerwünschten Gesteinsbewegungen beitragen.

Beispielsweise können weit auseinanderliegende Klüfte dazu führen, dass große Gesteinsabschnitte intakt bleiben, selbst wenn das umgebende Material stärker zerbricht.

Geologische Variabilität

Die geologischen Bedingungen sind über die gesamte Sprengstrecke selten einheitlich.

Veränderungen der Gesteinsfestigkeit, der Verwitterung, des Kluftabstands und der strukturellen Orientierung können innerhalb desselben Bohrmusters zu unterschiedlichen Fragmentierungsergebnissen führen.

Diese Variabilität ist bei der Bewertung der Sprengleistung von Bedeutung. Ein Bereich mit großen Bruchstücken kann auf ein Konstruktions- oder Bohrproblem hinweisen, aber auch Unterschiede im Gestein selbst widerspiegeln.

Das Verständnis der Beschaffenheit des Gesteins vor der Sprengung hilft, realistische Erwartungen zu wecken und liefert einen wertvollen Kontext für die Auswertung der Ergebnisse.

Charakterisierung der Gesteinsstruktur mit WipJoint

Um die geologischen Bedingungen vor der Sprengung besser zu verstehen, umfasst WipFrag Folgendes: WipJoint, WipJoint ist ein Werkzeug zur Charakterisierung der Gesteinsstruktur anhand von Fotografien freiliegender Felswände. Es misst die scheinbare Orientierung, den Abstand und die Persistenz von Klüften sowie die geschätzte Gesteinsqualitätsbezeichnung (RQD) und die scheinbare Blockgröße im anstehenden Gestein.

Diese Messungen helfen, Unterschiede in der Gesteinsstruktur entlang einer Abbauwand oder in einem Aushub zu erkennen und liefern wertvolle Informationen für die Bewertung der Sprengleistung. Durch den Vergleich der Gesteinseigenschaften vor der Sprengung mit der Fragmentierung nach der Sprengung können die Betriebsleiter den Einfluss geologischer Gegebenheiten besser von der Sprengplanung und -ausführung unterscheiden.

3. Die Geometrie von Sprengungen verstehen

Die Sprenggeometrie beschreibt, wie die Sprenglöcher im Verhältnis zueinander, zur Gesteinsmasse und zu den verfügbaren freien Flächen positioniert sind.

Mehrere Parameter wirken zusammen, um zu bestimmen, wie effektiv die Explosionsenergie verteilt wird und wie das Gestein brechen und sich bewegen kann.

Belastung und Abstand

Last ist der Abstand zwischen einem Sprengloch und der nächstgelegenen effektiven freien Gesteinswand, gemessen in der beabsichtigten Richtung der Gesteinsbewegung.

Bei der ersten Reihe einer Gebirgssprengung bezieht sich dies im Allgemeinen auf den Abstand vom Sprengloch zur freigelegten Gebirgsoberfläche.

Bei den nachfolgenden Reihen hängt die Belastung vom Abstand zur vorhergehenden Reihe bzw. der effektiven freien Fläche während des Sprengvorgangs ab.

Abstand ist der Abstand zwischen benachbarten Sprenglöchern innerhalb einer Reihe.

Die Belastung und der Abstand beeinflussen gemeinsam das Gesteinsvolumen, das jedem Sprengloch zugewiesen wird, und wie die Auswirkungen benachbarter Ladungen interagieren.

Bei zu hoher Belastung oder zu großem Abstand brechen oder bewegen sich manche Gesteinsabschnitte möglicherweise nicht wie gewünscht. Bei zu geringer Belastung können unerwünschte Energiekonzentrationen oder übermäßige Verschiebungen auftreten.

Ziel ist es, ein geeignetes Verhältnis zwischen Gesteinsvolumen, Sprengenergie, verfügbarem Relief und gewünschter Fragmentierung herzustellen.

Bankhöhe

Die Bankhöhe ist der vertikale Abstand zwischen der oberen und der unteren Arbeitsebene einer Werkbank.

Es beeinflusst die Sprenggeometrie, die Länge der Sprenglöcher und die Bewegung des Bruchmaterials.

Eine häufig verwendete geometrische Betrachtungsweise ist die Verhältnis der Belastungssteifigkeit, ausgedrückt als Bankhöhe geteilt durch Last.

Diese Beziehung hilft dabei, die Proportionen einer Bank im Verhältnis zur Felsmasse zu beschreiben, die sich zur freien Oberfläche hin bewegen muss.

Relativ niedrige Steifigkeitsverhältnisse können auf schwierigere Bedingungen für eine effektive Gesteinsbewegung und -fragmentierung hinweisen, während höhere Verhältnisse unter geeigneten Bedingungen eine günstigere Entlastung ermöglichen können.

Das Verhältnis ist jedoch kein allgemeingültiger Indikator für die Fragmentierungsqualität. Geologische Bedingungen, Bohrgenauigkeit, Sprengstoffverteilung und Zündzeitpunkt bleiben wichtige Faktoren.

Sprenglochdurchmesser

Der Durchmesser des Sprenglochs beeinflusst die Menge an Sprengstoff, die in ein Bohrloch eingebracht werden kann, und wie sich diese Energie im umgebenden Gestein verteilt.

Größere Löcher ermöglichen im Allgemeinen größere Sprengstoffmengen pro Längeneinheit, dies führt aber nicht automatisch zu einer besseren Fragmentierung.

Der Bohrlochdurchmesser muss zusammen mit der Gebirgslast, dem Bohrlochabstand, der Bankhöhe, den Gesteinseigenschaften und den Anforderungen des Bohrvorgangs berücksichtigt werden.

Unterbohrung und Zehenbruch

Das Zehe ist das Gestein in der Nähe des Bodens einer Ausgrabungsstufe, das zerkleinert werden muss, um die gewünschte Ausgrabungstiefe zu erreichen.

Bei manchen Sprengkonstruktionen reichen die Sprenglöcher unter die geplante Baugrubensohle hinaus. Diese zusätzliche Tiefe wird als … bezeichnet. Unterbohrung.

Ziel ist es, eine ausreichende Bruchwirkung im Bereich des Fußes zu erzielen, wo die Gesteinsbewegung besonders eingeschränkt sein kann.

Unzureichender Bruch der Gesteinsfüße kann hartes, ungebrochenes Gestein hinterlassen, das die Ausgrabung und die anschließende Vorbereitung der Abbauflächen behindert.

Die angemessene Anzahl an Unterbohrungen hängt jedoch von den geologischen Gegebenheiten und der gesamten Sprengplanung ab. Übermäßige Unterbohrungen können zudem unerwünschte Schäden unterhalb der geplanten Aushubsohle verursachen.

Die Sprenggeometrie muss daher als zusammenhängendes System und nicht als eine Sammlung unabhängiger Messungen bewertet werden.

4. Verteilung und Einschluss der Explosionsenergie

Die bei einer Sprengung eingesetzte Sprengenergie ist wichtig, aber ihre Verteilung innerhalb der Gesteinsmasse ist ebenso bedeutsam.

Mehr Explosionsenergie führt nicht zwangsläufig zu einer besseren Fragmentierung. Ziel ist es, die Energie effektiv auf das zu zerkleinernde Material einzuwirken.

Explosiveigenschaften

Unterschiedliche Sprengstoffe erzeugen unterschiedliche Druckprofile, Detonationseigenschaften und Energieausbeuten.

Die Wechselwirkung zwischen diesen Eigenschaften und dem umgebenden Gestein beeinflusst die Rissbildung und die Gesteinsbewegung.

Die Auswahl geeigneter Sprengstoffe erfordert die Berücksichtigung der Gesteinseigenschaften, der Bohrlochbedingungen, der gewünschten Fragmentierung und der gesamten Sprengplanung.

Eine damit zusammenhängende Gestaltungsmaßnahme ist Pulverfaktor, das die Menge des Sprengstoffs im Verhältnis zur Menge des zu sprengenden Gesteins angibt, üblicherweise nach Masse oder Volumen.

Der Pulverfaktor eignet sich zwar zum Vergleich des Sprengstoffverbrauchs, beschreibt aber nicht, wie effektiv die Energie verteilt wird.

Zwei Sprengungen mit ähnlichen Sprengstoffparametern können aufgrund von Unterschieden in Geometrie, Geologie, Ladungsverteilung und Zündung zu unterschiedlicher Fragmentierung führen.

Gebührenverteilung

Die Sprengladung ist möglicherweise nicht gleichmäßig über die gesamte Länge des Bohrlochs verteilt.

Unterschiedliche Bereiche des Gesteinskörpers können unterschiedliche Anforderungen an das Bruchverfahren stellen, insbesondere dort, wo die Einschluss- oder geologischen Bedingungen variieren.

Die Verteilung der Explosionsenergie entlang des Bohrlochs kann daher die Fragmentierung in verschiedenen Höhen innerhalb der Gesteinsbank beeinflussen.

Ein wichtiger Aspekt ist der untere Teil der Gebühr, der oft als der Bodengebühr, was dazu beiträgt, dass Gestein in der Nähe des Fußes zerbricht.

Eine ungünstige Energieverteilung im unteren Bereich der Bank kann zu unzureichendem Zehenbruch führen, während eine ungeeignete Belastung an anderer Stelle unerwünschte Fragmentierung oder Gesteinsbewegungen hervorrufen kann.

Ziel ist es, die Energie entsprechend den Anforderungen des Gesteins und der Sprengplanung zu verteilen.

Stenten und Einschließen

Als Stemming bezeichnet man das inerte Material, das im oberen Bereich eines Bohrlochs über der Sprengladung platziert wird.

Sein Zweck besteht darin, die explosiven Gase lange genug einzuschließen, damit ihre Energie zur Gesteinszerstörung und -bewegung beitragen kann.

Die Wirksamkeit der Verfüllung hängt von ihren Eigenschaften, ihrer Platzierung und den umgebenden Sprengbedingungen ab.

Unzureichender Einschluss kann dazu führen, dass Energie vorzeitig entweicht, wodurch die für die Fragmentierung verfügbare Energie möglicherweise reduziert wird und unerwünschte Explosionseffekte entstehen.

Das Verfüllen von Hohlräumen ist daher ein wichtiger Bestandteil der gesamten Energieverteilungs- und -einschlussstrategie und nicht einfach nur Material, das zum Auffüllen der Oberseite eines Lochs verwendet wird.

Einleitungszeitpunkt und Entlastung

Die Reihenfolge und der Zeitpunkt der Detonation beeinflussen, wie benachbarte Ladungen interagieren und wie sich die Gesteinsbewegung während der Sprengung entwickelt.

Wenn eine Reihe von Sprenglöchern detoniert, benötigt das umgebende Gestein Zeit, um zu reagieren und sich zu bewegen. Diese Bewegung kann für nachfolgende Sprenglochreihen zusätzliche Entlastung bieten.

Falls die beabsichtigte Entlastung nicht ausreichend eingetreten ist, könnten spätere Detonationen auf einen stärkeren Einschluss als erwartet stoßen.

Die Forschung von Onederra und Esen (2003) untersuchte diesen Zusammenhang anhand des Konzepts von minimale Reaktionszeit: das Intervall zwischen der Detonation und dem Beginn einer nennenswerten Ladungsbewegung.

Das Konzept verdeutlicht, warum der Zeitpunkt der Zündung nicht unabhängig von der Sprengstoffmenge, den Eigenschaften des Sprengstoffs und der Reaktion des Gesteins betrachtet werden kann.

Eine effektive Sprengsequenzierung unterstützt den beabsichtigten Ablauf von Gesteinsbruch und -bewegung und trägt so zu einer gleichmäßigeren Fragmentierung bei.

5. Wie sich übermäßige Belastung auf die Fragmentierung auswirkt

Die Gebirgslast ist einer der einflussreichsten geometrischen Faktoren beim Sprengen von Gesteinsfragmenten, da sie sowohl den Widerstand gegen Gesteinsbruch als auch die zur Trennung der Fragmente erforderliche Bewegung beeinflusst.

Eine übermäßige Belastung tritt auf, wenn die für ein Sprengloch vorgesehene Gesteinsmasse einen zu hohen Widerstand bietet, sodass die verfügbare Sprengenergie und die Sprengbedingungen nicht das gewünschte Ergebnis erzielen können.

Dies könnte auf einen ungeeigneten ursprünglichen Entwurf oder auf Unterschiede zwischen der geplanten und der tatsächlichen Geometrie des Sprenglochs hindeuten.

Unvollständige Fragmentierung und Übergröße

Bei zu hoher Belastung bricht und trennt sich das Gestein möglicherweise nicht wie beabsichtigt.

Es können große Bruchstücke, Platten oder teilweise zerbrochene Abschnitte zurückbleiben, was zu einer gröberen Korngrößenverteilung als erwartet führt.

Diese übergroßen Bruchstücke können ein sekundäres Zerkleinern erfordern oder Probleme beim Ausgraben, Abtransportieren und Zerkleinern verursachen.

Eingeschränkte Felsbewegung

Für Sprengungen wird ausreichend Platz benötigt, damit sich das Gestein bewegen und voneinander trennen kann.

Eine zu hohe Belastung kann diese Bewegung einschränken und zu dicht gepackten Schutthaufen führen oder verhindern, dass bestimmte Gesteinsabschnitte die beabsichtigte Entlastung erfahren.

Eine eingeschränkte Bewegung kann sich auch auf spätere Reihen in der Explosion auswirken, indem sie die für sie verfügbaren freien Flächen begrenzt.

Bodenerschütterungen und andere Auswirkungen von Explosionen

Wenn die Gesteinsbewegung eingeschränkt ist, kann ein Teil der Explosionsenergie in den umgebenden Boden abgegeben werden, anstatt effektiv zur Fragmentierung und Verschiebung beizutragen.

Unter bestimmten Bedingungen kann dies zu verstärkten Bodenerschütterungen beitragen.

Vibrationen, Steinschlag und Luftüberdruck werden jedoch von mehreren sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren beeinflusst. Eine übermäßige Belastung sollte nicht als alleinige Erklärung für diese Effekte herangezogen werden.

Weiterverarbeitung und Aufbereitung

Eine mangelhafte Fragmentierung kann Kosten verursachen, die über die eigentliche Explosion hinausgehen.

Übergroßes Material kann die Effizienz des Aushubs verringern, die Zufuhr zum Brecher unterbrechen oder eine zusätzliche Handhabung vor dem Eintritt in den Verarbeitungskreislauf erfordern.

Selbst wenn das Material verarbeitet werden kann, können ungleichmäßige Aufgabegrößen zu Schwankungen in der Anlagenleistung führen.

Die Bedeutung der Belastung reicht daher über die Bohr- und Sprengarbeiten hinaus.

Was passiert, wenn die Belastung zu gering ist?

Unzureichende Belastung schafft eine andere Reihe von Herausforderungen.

Wenn zu wenig Gestein das Bohrloch von der freien Felswand trennt, kann es je nach den übrigen Sprengbedingungen zu übermäßigen oder unkontrollierten Bewegungen kommen.

Dies kann zu Steinschlag, Überbruch oder unerwünschter Fragmentierung führen.

Ziel ist es nicht, die Belastung zu minimieren, sondern ein geeignetes Verhältnis zwischen Belastung, Sprengenergie, Gesteinseigenschaften und dem angestrebten Sprengergebnis herzustellen.

Forschung: Belastung und Fragmentgröße

Prasad, Choudhary und Mishra (2017) untersuchten den Einfluss von Sprengdesignparametern auf die Fragmentierung bei einem Tagebaubetrieb.

Ihre Forschung berücksichtigte Faktoren wie Belastung, Abdichtung und Pulverfaktor und nutzte gemessene Fragmentgrößen, um die resultierende Sprengleistung zu bewerten.

Die Beobachtungen veranschaulichen, wie Veränderungen der Sprenggeometrie und der Sprengstoffmenge mit Veränderungen der Fragmentierung zusammenhängen können.

Die ursprüngliche WipWare-Diskussion hob Ergebnisse hervor, die darauf hindeuten, dass größere Belastungsdistanzen unter den untersuchten Bedingungen mit einer gröberen Fragmentierung verbunden waren.

Diese Beziehung sollte jedoch nicht als allgemeingültige Regel betrachtet werden.

Die Auswirkungen der Sprengbelastung hängen von der Sprengplanung und den geologischen Gegebenheiten ab. Eine Änderung, die bei einem Sprengvorgang zu gröberer Fragmentierung führt, kann an anderer Stelle ein anderes Ergebnis zur Folge haben.

Aus diesem Grund bieten gemessene Fragmentierungs- und tatsächliche Sprengprotokolle eine nützlichere Grundlage für die Bewertung der Belastung als die alleinige Verwendung allgemeiner Bemessungsverhältnisse.

6. Bohrgenauigkeit und Sprengausführung

Selbst eine gut geplante Sprengung kann zu ungleichmäßiger Fragmentierung führen, wenn die Sprenglöcher nicht nach dem vorgesehenen Muster gebohrt werden.

Bohrabweichung beschreibt die Unterschiede zwischen der geplanten und der tatsächlichen Position, Richtung oder Flugbahn eines Sprenglochs.

Diese Unterschiede können die Belastung, den Abstand und die Verteilung der Sprengenergie im gesamten Gesteinskörper verändern.

Wie sich die Bohrabweichung auf die Sprenggeometrie auswirkt

Ein von der freien Bohrlochfläche abweichendes Bohrloch kann in der Tiefe eine größere Belastung erzeugen als ursprünglich geplant.

Umgekehrt kann ein Loch, das zur freien Fläche hin abweicht, die effektive Belastung verringern.

Ähnliche Veränderungen können auch bei den Abständen zwischen benachbarten Sprenglöchern auftreten.

Dies bedeutet, dass ein Bohrmuster, das an der Oberfläche korrekt erscheint, weiter unten in den Bohrlöchern erhebliche geometrische Abweichungen aufweisen kann.

In einigen Bereichen kann es daher vorkommen, dass weniger effektive Energie im Verhältnis zum zu zerkleinernden Gestein aufgenommen wird, während in anderen Bereichen unerwünschte Konzentrationen auftreten können.

Die daraus resultierende Fragmentierung kann innerhalb der Explosionszone uneinheitlich werden.

Häufige Ursachen für Ungenauigkeiten beim Bohren

Mehrere Faktoren können zu Unterschieden zwischen der geplanten und der tatsächlichen Geometrie des Sprenglochs beitragen.

Die Positionierung der Ausrüstung, die Ausrichtung des Bohrers, die Bohrbedingungen, die geologische Struktur und die Leistungsfähigkeit der Ausrüstung können alle Einfluss auf den endgültigen Bohrlochverlauf haben.

Die Vorgehensweise des Bedieners und die Genauigkeit der anfänglichen Bohrlochplanung spielen ebenfalls eine Rolle.

Die Folgen können besonders in tieferen Bohrlöchern gravierend sein, wo bereits kleine Richtungsänderungen zu größeren Positionsunterschieden im Bereich des Bohrlochfußes führen können.

Bewertung der Bohrgenauigkeit

Die Genauigkeit des Bohrens kann durch mehrere sich ergänzende Messungen beurteilt werden.

Kragenposition Identifiziert die Unterschiede zwischen dem geplanten und dem tatsächlichen Startpunkt eines Sprenglochs.

Lochwinkel und -bahn Beschreiben Sie Richtung und Verlauf des Bohrlochs. Ein Bohrloch kann zwar an der richtigen Stelle beginnen, aber im Laufe des Bohrvorgangs allmählich davon abweichen.

Zehenposition Erkennt die Position des Bohrlochendpunkts relativ zu seiner vorgesehenen Position. Dies ist besonders nützlich zur Beurteilung der Belastung und des Abstands im unteren Bereich der Bank.

Lochlänge Die Angaben zur Bohrtiefe sind zwar hilfreich, aber eine Längendifferenz deutet nicht zwangsläufig auf eine seitliche Abweichung hin. Ein Bohrloch kann die korrekte Tiefe erreichen, obwohl es einer falschen Bohrrichtung folgt.

Wo angebracht, helfen Bohrlochuntersuchungen und Bohrprotokolle dabei, die tatsächliche Geometrie der Sprengung zu ermitteln.

Durch den Vergleich dieser Informationen mit gemessenen Fragmentierungswerten lassen sich Zusammenhänge zwischen der Bohrausführung und der Sprengleistung aufzeigen.

7. Was bestimmt die erfolgreiche Fragmentierung durch Sprengungen?

Ziel der Sprengoptimierung ist nicht einfach nur die Erzeugung kleinerer Fragmente.

Die gewünschte Korngrößenverteilung hängt davon ab, wie das Material abgebaut, transportiert, zerkleinert und verarbeitet wird.

Übergroßes Material

Zu große Bruchstücke können beim Verladen und Transportieren Schwierigkeiten verursachen und die zulässige Aufgabegröße nachgelagerter Anlagen überschreiten.

Je nach Arbeitsgang kann Übergröße zusätzliche Handhabung, sekundäres Zerkleinern oder Anpassungen des Materialhandhabungsprozesses erfordern.

Überhöhte Geldstrafen

Eine sehr feine Fragmentierung ist nicht immer wünschenswert.

Obwohl kleinere Partikel einige nachgelagerte Zerkleinerungsanforderungen reduzieren können, können übermäßige Feinanteile zu Staubbildung, Schwierigkeiten bei der Materialhandhabung oder unerwünschten Eigenschaften des Aufgabematerials führen.

Die Auswirkungen hängen von der Art des Materials und der verwendeten Verarbeitungsanlagen ab.

Fragmentierungskonsistenz

Zwei Sprengungen können zwar ähnliche durchschnittliche Fragmentgrößen erzeugen, aber sehr unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen aufweisen.

Die eine kann eine relativ einheitliche Bandbreite an Bruchstücken enthalten, während die andere eine Mischung aus übermäßigem Feinanteil und großen Felsbrocken enthält.

Beide könnten ähnliche Werte für eine einzelne Größenmetrik liefern, sich aber beim Laden und Verarbeiten unterschiedlich verhalten.

Aus diesem Grund sollte bei der Sprengstoffanalyse die gesamte Partikelgrößenverteilung sowie die für den Betrieb relevanten Teile dieser Verteilung berücksichtigt werden.

Die Bedeutung der Fragmentierung reicht weit über die Sprengung selbst hinaus. Die Partikelgrößenverteilung beeinflusst das Laden, den Transport, das Brechen, das Mahlen und die Konsistenz nachfolgender Prozesse. Das Verständnis dieser Zusammenhänge hilft, sinnvolle Fragmentierungsziele festzulegen und die Sprengleistung mit übergeordneten Betriebszielen zu verknüpfen.

Erkunden Von der Sprengung zur Mühle: Nutzung von Fragmentierungsdaten zur Verbesserung der Bergbauleistung zu erfahren, wie Partikelmessungen Entscheidungen im gesamten Abbau- und Verarbeitungsprozess unterstützen können.

8. Messung und Bewertung der Sprengfragmentierung

Ohne Messungen beruht die Bewertung der Sprengleistung weitgehend auf visueller Beobachtung und der Erfahrung des Bedieners.

Diese Beobachtungen bleiben wertvoll, aber quantitative Fragmentierungsmessungen ermöglichen konsistentere Vergleiche zwischen Sprengungen.

Verständnis der Partikelgrößenverteilung

Die Partikelgrößenverteilung (PSD) beschreibt die relativen Anteile verschiedener Partikelgrößen innerhalb einer Materialprobe.

Die Partikelgrößenverteilung wird üblicherweise als kumulative prozentuale Durchlasskurve dargestellt, die den Prozentsatz des Materials zeigt, das kleiner als die jeweilige Partikelgröße ist.

Eine häufig verwendete Messgröße ist P80, die Partikelgröße, bei der 80% des Materials hindurchgeht.

P80 kann helfen, die Fragmentierung im Verhältnis zu einem Ziel zu bewerten oder Ergebnisse zwischen Sprengungen zu vergleichen, aber es kann die vollständige Verteilung nicht allein beschreiben.

Andere Messgrößen, wie z. B. P50, P95 und die prozentualen Anteile des Materials innerhalb bestimmter Größenbereiche, können ebenfalls wichtig sein.

Ein Betrieb, der sich beispielsweise mit Verstopfungen im Primärbrecher befasst, legt möglicherweise besonderen Wert auf den Überkornanteil der Kornverteilung, während sich ein anderer Betrieb auf die Kontrolle der Materialmenge innerhalb eines bestimmten Aufgabebereichs konzentriert.

Fragmentierungsmessung mit WipFrag

WipFrag misst die Fragmentierung anhand von Fotografien freiliegender Gesteine und wandelt sichtbare Partikelgrenzen in quantitative Partikelgrößenverteilungsdaten um.

Bilder können am Boden, unterirdisch, anhand von Laborproben oder mithilfe unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) aufgenommen werden.

WipFrag ermöglicht es Benutzern, PSD-Kurven zu generieren, Partikelgrößenbereiche auszuwerten, Ergebnisse mit Spezifikationsbereichen zu vergleichen und mehrere Bildanalysen zu einem größeren Probenahmeprogramm zu kombinieren.

Mit geeigneten UAV-Bildern kann die Fragmentierung auch räumlich über ein Explosionsgebiet hinweg beurteilt werden, wodurch Unterschiede zwischen relativ groben und feinen Bereichen identifiziert werden können.

Mithilfe dieser Messungen lässt sich die beobachtete Fragmentierung leichter mit operativen Zielen und früheren Sprengergebnissen vergleichen.

Die fotografische Analyse hat jedoch wichtige Einschränkungen.

WipFrag misst das in den Bildern sichtbare Material. Vergrabene Partikel und Feinanteile, die unter größeren Fragmenten verborgen sind, können nicht direkt gemessen werden, und die kleinsten unterscheidbaren Partikel hängen von der Bildqualität und -auflösung ab.

Ein repräsentatives Probenahmeprogramm ist daher unerlässlich, insbesondere bei der Auswertung großer oder variabler Halden.

Weitere Hinweise finden Sie unter WipFrag Bildaufnahme- und Sampling-Leitfaden und Leitfaden zur Interpretation der WipFrag-Ergebnisse.

Kann die Fragmentierungsanalyse Probleme bei der Sprengplanung aufdecken?

Fragmentierungsmessungen können dazu beitragen, unerwartete Ergebnisse und Bereiche zu identifizieren, die weitere Untersuchungen erfordern.

Eine durchgehend grobe Fragmentierung kann beispielsweise darauf hindeuten, dass die Belastung, der Abstand, die Bohrgenauigkeit, die geologischen Bedingungen oder die Sprengstoffverteilung überprüft werden sollten.

In ähnlicher Weise kann eine Karte der räumlichen Fragmentierung Variationen innerhalb eines Abraumhaufens aufzeigen, die aus einer Gesamt-PSD-Kurve nicht ersichtlich waren.

Jedoch, Fragmentierungsmessungen beschreiben das Ergebnis, nicht unbedingt dessen Ursache..

Überdimensioniertes Material allein beweist keine übermäßige Belastung, und Änderungen der PSD können nicht unabhängig davon belegen, dass eine Abweichung vom Bohrloch oder ein falscher Bohrbeginn das Ergebnis verursacht haben.

Für eine umfassendere Bewertung ist ein Vergleich der Fragmentierungsmessungen mit der entsprechenden Sprengplanung, den Bohrprotokollen, den Informationen zur Sprengstoffbeladung und den geologischen Bedingungen erforderlich.

9. Von der Fragmentierungsmessung zur Sprengoptimierung

Eine Verbesserung der Sprengleistung erfordert ein konsistentes Verhältnis zwischen dem beabsichtigten Ergebnis, der tatsächlichen Fragmentierung und den Bedingungen, die zu diesem Ergebnis geführt haben.

Ein praxisorientierter Ansatz beginnt mit der Definition der Fragmentierungsanforderungen der nachgelagerten Prozesse.

Diese Anforderungen legen die Partikelgrößen und Verteilungseigenschaften fest, die für den Standort am wichtigsten sind.

Nach jeder Sprengung können repräsentative Fragmentierungsmessungen durchgeführt und mit diesen Zielwerten verglichen werden.

Wenn die Ergebnisse von den Erwartungen abweichen, können die Ingenieure die entsprechenden Konstruktions- und Ausführungsunterlagen überprüfen, um mögliche Einflussfaktoren zu ermitteln.

Wenn beispielsweise in einem Bereich einer Sprengung wiederholt größere Bruchstücke entstehen als in den umliegenden Bereichen, kann der Betrieb diese Region mit Bohraufzeichnungen, tatsächlichen Abständen zum Gesteinsmaterial und geologischen Beobachtungen vergleichen.

Wenn die Beweislage darauf hindeutet, dass ein bestimmter Umstand zu dem Problem beiträgt, kann der Betrieb mithilfe seines etablierten Sprengplanungsprozesses geeignete Anpassungen vornehmen.

Anschließende Fragmentierungsmessungen liefern dann eine Rückmeldung darüber, ob die Änderungen das beabsichtigte Ergebnis erzielt haben.

Nutzung von BlastCast zur Bewertung potenzieller Änderungen

WipFrag beinhaltet außerdem BlastCast, ein Werkzeug zum Vergleich der gemessenen Fragmentierung mit den modellierten Sprengergebnissen.

BlastCast verwendet Sprengdesignparameter und Sprengstoffeigenschaften, um eine vorhergesagte Partikelgrößenverteilung zu generieren.

Durch die Kalibrierung des Gesteinsfaktors des Modells anhand der gemessenen Fragmentierung nach einer abgeschlossenen Sprengung können die Anwender eine Basislinie für die Bewertung von Änderungen an ausgewählten Konstruktionsparametern festlegen.

Durch die Beibehaltung der kalibrierten Gesteinsbedingungen können verschiedene Szenarien verglichen werden, wodurch veranschaulicht wird, wie sich Änderungen der Sprenggeometrie oder anderer Eingangsgrößen auf die vorhergesagte Partikelgrößenverteilung auswirken können.

Diese Vorhersagen sind zwar nützlich, um Möglichkeiten zu untersuchen, ersetzen aber keine qualifizierte Sprengplanung oder tatsächliche Leistungsmessungen.

Die Ergebnisse nachfolgender Sprengungen sollten gemessen und mit den Vorhersagen verglichen werden, um zu beurteilen, wie gut das Modell die Bedingungen des Einsatzes abbildet.

Aufbau eines kontinuierlichen Verbesserungsprozesses

Mit der Zeit kann ein strukturiertes Messprogramm dazu beitragen, Einzelergebnisse von wiederkehrenden Leistungsmustern zu unterscheiden.

Der Wert ergibt sich aus der Aufrechterhaltung eines konsistenten Zusammenhangs zwischen den Sprengprotokollen und den daraus resultierenden Fragmentierungsmessungen.

Wenn diese Datensätze gemeinsam ausgewertet werden, können die Betriebsabläufe besser verstehen, welche Bedingungen mit einer erwünschten Fragmentierung verbunden sind und wo weitere Untersuchungen sinnvoll sein könnten.

Ziel ist es nicht, eine einzelne Messung isoliert zu optimieren, sondern eine Fragmentierung zu erreichen, die die Leistungsanforderungen des gesamten Betriebs unterstützt.

Abschluss

Die Gesteinssprengung wird durch das Zusammenspiel von Sprengenergie, Gesteinseigenschaften, Sprenggeometrie, Bohrgenauigkeit und Gesteinsbewegung bestimmt.

Gebirgslast, Bohrlochabstand, Abbauhöhe, Sprengstoffverteilung, Verfüllung und Zündzeitpunkt beeinflussen das Bruch- und Trennverhalten des Gesteins. Geologische Unterschiede und Bohrlochabweichungen erhöhen die Komplexität zusätzlich, sodass selbst ähnliche Sprengpläne unterschiedliche Ergebnisse liefern können.

Eine effektive Fragmentierung ist daher nicht einfach eine Frage von mehr Energieaufwand oder kleineren Partikeln. Sie erfordert vielmehr ein Verständnis des Gesteinsverhaltens und die Erzielung einer für den jeweiligen Prozess geeigneten Partikelgrößenverteilung.

Durch die Kombination von Schallsprengverfahren mit repräsentativen Fragmentierungsmessungen können Bergbau- und Steinbruchbetriebe die Ergebnisse einheitlicher auswerten, Verbesserungsmöglichkeiten erkennen und fundiertere Entscheidungen treffen.

Denn was man nicht messen kann, kann man nicht managen.!

Referenzen

• Hino, K. (1956). Gesteinsfragmentierung durch Sprengung und Stoßwellentheorie der Sprengung. ARMA US Symposium für Felsmechanik/Geomechanik.
• Bhandari, S. (1979). Zur Rolle von Spannungswellen und quasistatischem Gasdruck bei der Gesteinsfragmentierung durch Sprengungen. Acta Astronautica, 6(3–4), 365–383.
• Blair, DP, & Armstrong, LW (2001). Der Einfluss der Belastung auf die Explosionserschütterungen. Splittern, 5(1–2), 108–129.
• Onederra, I. & Esen, S. (2003). Auswahl der optimalen Zeitabstände zwischen den Bohrlöchern und Sprengreihen für die Oberflächensprengung – Ein Ansatz basierend auf der Analyse der Gebirgsentlastung. Bericht der 2. Weltkonferenz über Sprengstoffe und Sprengtechnik.
• Prasad, S., Choudhary, BS, & Mishra, AK (2017). Einfluss des Verhältnisses von Verschlussmaterial zu Sprengstoffmenge und des Sprengstofffaktors auf die durch Sprengung hervorgerufene Gesteinsfragmentierung – Eine Fallstudie. IOP-Konferenzreihe: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 225, 012191.
• Manzoor, S., et al. (2022). Vorhersage der Gesteinsfragmentierung auf Basis von Bohrüberwachung: Eine Fallstudie aus dem Bergwerk Malmberget, Schweden. Zeitschrift des südafrikanischen Instituts für Bergbau und Metallurgie, 122(3), 155–165.