Скважинный заряд взрывчатого вещества

Авторы патента:

Полезная модель относится к области взрывного дела в горной, горно-металлургической, строительной и других отраслях промышленности.

Наиболее распространенным способом разрушения горных пород является взрывание. Взрывание скважинными зарядами на открытых карьерах является основным способом разрушения скальных горных пород и подготовки их, тем самым, к выемке и последующей переработке.

Целью полезной модели является конструкция скважинного заряда ВВ с оптимальным сочетанием экономических показателей и эффективности взрывного воздействия.

Конструкция такого заряда предполагает размещение в перебуре и в верхней части скважины гельпора ГП-2, а в средней части скважины любого другого ВВ, выбор которого определяется условиями водонаполненности скважины, типом пород, их обводненностыо и технологическими требованиями к горной массе по интенсивности дробления.

Использование зарядов гельпора в качестве усиленных донных детонаторов скважинных зарядов промышленных ВВ и приповерхностных оптимизаторов, особенно при взрывании крупноблочных массивов крепких горных пород, позволяет повысить качество дробления отбиваемой породы и проработки подошвы уступа.

Заряды такой конструкции были апробированы при проведении промышленных испытаний гельпора ГП-2 на открытых карьерах ОАО «Гранит-Кузнечное» и показали достаточно высокую эффективность. 3 з.п. ф-лы.

Для разрушения горных пород применяются различные способы: взрывание, воздействие электрического тока, механическое воздействие и др.

При дроблении породы взрывом в производственных условиях формируются зоны нерегулируемого и регулируемого дробления (Кузнецов В.А. Прогнозирование грансостава взорванной массы на основе структурно-деформационного зонирования взрываемых полигонов. Сб. Взрывное дело №93/50, с.47-55).

К зоне нерегулируемого дробления (зоне откола) условно относится зона, прилегающая к свободной поверхности массива, где, вследствие развития откольных эффектов под влиянием отраженных взрывных волн, фрагментация осуществляется в основном по естественным трещинам, что обуславливает повышенный выход крупных фракций (негабарита).

Таким образом, зона нерегулируемого дробления включает в себя верхнюю зону (зону забойки) и боковую (приоткосную зону), прилегающую к откосу уступа.

Основным источником выхода негабарита является зона забойки, которая в свою очередь состоит из приповерхностного слоя, раздробленного предшествующими взрывами при отработке вышерасположенного уступа, и нижнего структурно неизмененного слоя, дающего в основном весь негабарит.

Поэтому при отработке рациональных параметров буровзрывных работ в крупноблочных массивах крепких пород мощность этого слоя, как правило, стремятся ограничить за счет уменьшения величины забойки до (14-16)d (Кузнецов В.А. Прогнозирование грансостава взорванной массы на основе структурно-деформационного зонирования взрываемых полигонов. Сб. Взрывное дело №93/50, с.47-55).

Под зоной регулируемого дробления (зоной сжатия) имеется в виду зона, заключенная внутри взрываемого массива между колонками скважинных (шпуровых) зарядов. Здесь, как правило, осуществляется весьма интенсивное взрывное дробление горных пород.

Известно, что качество взрывного дробления горной массы в значительной мере определяется соотношением зон регулируемого и нерегулируемого дробления. Несмотря на то, что и в зоне регулируемого дробления и в зоне нерегулируемого дробления качество дробления горной массы не изменяется при изменении объемов этих зон, суммарное качество дробления горной массы по отбиваемому блоку изменяется существенно. При этом совершенно не важно, за счет каких инженерных приемов и способов достигается изменение соотношения этих зон (Казаков Н.Н. Объем зон нерегулируемого дробления. Сб. Взрывное дело №91/48, с.31-35).

Таким образом, для повышения качества дробления горной массы в целом, необходимо увеличивать объем зоны регулируемого дробления. Этого можно добиться, например, если использовать для разрушения пород взрывчатые вещества с удлиненной зоной химической реакции, способствующей уменьшению зоны пластических деформаций (переизмельчения). Уменьшение затрат энергии ВВ в зоне пластических деформаций (3-5 радиусов заряда) позволяет повысить коэффициент использования энергии взрыва на дробление основной массы породного массива. Таким образом, сокращение зоны переизмельчения, способствует увеличению зоны регулируемого дробления и повышению полезной работы взрыва на дробление пород в целом (Ефремов Э.И., Пономарев А.В., Николенко Е.В. Эффективность использования

ВВ простейшего состава при разрушении пород флюсовых карьеров. Сб. Взрывное дело №93/50, с.151-157).

Радиус зоны регулируемого дробления в зависимости от естественной трещиноватости массива и величины объемной концентрации энергии применяемого ВВ составляет от 12 до 30 радиусов заряда (Виноградов Ю.И., Парамонов Г.П., Кукса С.Н., Кузьмин С.Н. О модели разрушения гранитного массива взрывом. Сб. Взрывное дело №94/51, с.102-109).

В свою очередь величина объемной концентрации энергии зависит от типа применяемого ВВ, выбор которого наряду с экономическим и экологическим факторами, определяется крепостью пород, их обводненностью и технологическими требованиями к горной массе по интенсивности дробления.

Вместе с тем, при ведении взрывных работ на карьерах наряду с качеством дробления горных пород существенное значение имеет качество проработки подошвы уступа. Для усиления действия взрыва заряда на уровне подошвы уступа, скважины бурят с перебуром, т.е. на глубину, большую высоты уступа. Глубина перебура скважин обычно составляет (10-15)d и уточняется на основе анализа результатов предыдущих взрывов. В крепких породах в перебуре скважин размещается заряд более мощного ВВ (Кутузов Б.Н. Взрывные работы, М., Недра, 1988, с.237).

Известны конструкции скважинных зарядов ВВ (патент РФ на изобретение №2066837, патент РФ на ПМ №38054). В данных зарядах основное внимание уделяется повышению безопасности взрывных работ, технологичности заряжания скважин, полноте детонации ВВ в скважине и др., а вопрос влияния конструкции зарядов на эффективность дробления породы не рассматривается. Следовательно, качество дробления породы предусматривается обеспечивать в основном за счет выбора оптимальных параметров буро-взрывных работ (БВР), таких как: сетка скважин, удельный расход ВВ и др., а также использование короткозамедленного взрывания.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является конструкция скважинного заряда ВВ, защищенная патентом РФ на ПМ №65642. Однако и она не лишена указанных выше недостатков. Вместе с тем, как показывает практика, наряду с выбором оптимальных параметров БВР существенное влияние на эффективность дробления породы оказывает конструкция заряда и характеристики используемого ВВ.

Таким образом, для повышения эффективности дробления породы, а именно, уменьшения выхода негабарита из приповерхностного слоя массива и улучшения качества проработки подошвы уступа, целесообразно использовать водосодержащее гелеобразное ВВ, получаемое из порохов утилизированных боеприпасов - гельпор ГП-2 (ТУ7276-003-02066492-00). Он водоустойчив, безопасен в обращении, относительно экологически безопасен, обладает сравнительно малым критическим диаметром детонации, высокой объемной концентрацией энергии и удлиненной зоной химической реакции.

Конструкция такого заряда предполагает размещение в перебуре и в верхней части скважины гельпора ГП-2, а в средней части скважины любого другого ВВ, выбор которого определяется условиями водонаполненности скважины, типом пород, их обводненностью и технологическими требованиями к горной массе по интенсивности дробления.

Поскольку тротиловый эквивалент гельпора изменяется с расстоянием, при расчете заряда донного усиления, равно как и заряда приповерхностного оптимизатора (приустьевого заряда) необходимо учитывать этот эффект. Усиленное механическое действие взрыва зарядов гельпора наблюдается до приведенных расстояний R4 м/кг^1/3 (Белин А.В. и др. Физические основы, технологические схемы и экономические показатели применения гелевых ПВВ. Тезисы докладов 7-й международной научно-технической конференции «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов». ФГУП «КНИ-

ИМ», г.Красноармейск, 2007, с.56). На этих расстояниях тротиловый эквивалент взрыва заряда гельпора Q_гп следует рассчитывать по зависимости:

Q_гп/Q_т=l+(4-R)² /16, (1)

где Q_т - тротиловый эквивалент гельпора по паспортным данным равный ˜ 0,9 Q_тнт;

Q_тнт - масса эквивалентного заряда тротила.

Указанная зависимость предполагает итерационный способ расчета.

Физическое и экономическое обоснование конструкции предлагаемого заряда заключается в следующем.

Размещаемый в перебуре гельпор в виду его высокой объемной концентрации энергии (˜ 5,5 МДж/дм³ ) способствует хорошей проработке подошвы уступа. Кроме того, гельпор обладает сравнительно высокой плотностью, поэтому для разрушения породы его требуется гораздо меньше, чем, если бы использовались традиционные ВВ.

Например, для сетки скважин 6,6 х 6,6 м, при скважинах диаметром 250 мм и глубиной 15 м величина перебура при использовании традиционных ВВ с плотностью заряжания 1000 кг/м³ составляет ˜ 3,5 м, масса ВВ - 170 кг. При этом тротиловый эквивалент для указанного расстояния по подошве, вычисленный по формуле (1) составит: Q_гп ˜ 1,7 Q_тнт,. Таким образом, масса заряда донного усиления Q_зду, снаряженного гельпором составит 100 кг. Следовательно, величина перебура и равная ей длина заряда донного усиления составит: l_зду=Q_здy/P_гп =100/70=l,5 м (P_гп - вместимость гельпора с плотностью 1450 кг/м³ в 1 м скважины, кг/м). Это соотношение обеспечивает качественную проработку подошвы уступа (за счет усиленного действия гельпора на расстояниях R4 м/кг^1/3).

Целесообразность размещения заряда гельпора в верхней, части скважины, в слое, непосредственно примыкающем к нижней структурно неизмененной зоне забойки, обусловлена необходимостью уменьшить, а точнее оптимизировать выход негабарита из этой части массива. Наряду с тем, что гельпор обладает высокой объемной концентрацией энергии, он характеризуется

и высоким ударным импульсом, обусловленным сравнительно высокой скоростью его детонации и удлиненной зоной химической реакции, которая позволяет получить «растянутый» режим воздействия гельпора на горную породу и, как следствие, более высокое качество ее дробления.

При этом расчет массы Q_зпо и длины l_зпо приустьевого заряда проводится следующим образом:

1. Исходные данные:

- длина забойки l_заб=l_пep +1/3W (но не менее 16d), где l_пep - длина перебура вышележащего уступа, W - сопротивление по подошве, d диаметр скважины (заряда);

- р_о и р_гп - вместимость в 1 м скважины основного ВВ и гельпора.

2. Масса Q_ny и длина l_ny. приустьевого заряда для основного ВВ в зависимости от категории взрываемости пород (В.П.Тарасенко. Физико-технические основы расчета зарядов на карьерах.- М.: МГИ,1985, 80 с.) составит:

l_ny(0,14...0,30)·l_заб; Q_ny=l_ny ·Р_о.

3. Расстояние Р_макс до границы зоны воздействия приустьевого заряда равно R_макс ((W/2)²+(lзаб+l_ny-l_пер)²)^1/2.

4. Приведенное расстояние R=R_макс/Q_ny^1/3 .

5. По зависимости (1) определяется масса приустьевого заряда, состоящего из гельпора, Q_зпо=Q_ny(1+(4-R)²/16) и его длина l_зпо=Q_зпо/Р_гн .

Экономический эффект в данном случае складывается из экономии на экскавации разрушенной горной массы за счет увеличения производительности погрузчиков, уменьшении объема буровых работ и экономии ВВ.

Указанная конструкция скважинного заряда была апробирована при проведении промышленных испытаний гельпора ГП-2 на карьерах ОАО «Гранит-Кузнечное». Использование таких зарядов позволяет получить максимальный эффект при разрушении крупноблочных массивов крепких горных пород с оптимальными экономическими затратами.

1. Скважинный заряд взрывчатого вещества, состоящий из заряда донного усиления, размещаемого в перебуре скважины, основного заряда, размещаемого в средней части скважины, приустьевого заряда, размещаемого в верхней части скважины, и забойки, отличающийся тем, что приустьевой заряд и заряд донного усиления снаряжаются гельпором типа ГП-2, а основной заряд - любым другим ВВ, выбор которого определяется условиями водо-наполненности скважины, типом пород, их обводненностью и технологическими требованиями к горной массе по интенсивности дробления.

2. Скважинный заряд взрывчатого вещества по п.1, отличающийся тем, что масса приустьевого заряда, состоящего из гельпора, равна

Q_зпо=Q_ny/(1+(4-R)² /16), а его длина l_зпо=Q_зпо/р_гп,

где Q_ny=l_ny·p_o - масса приустьевого заряда из основного ВВ;

l_зпо - длина приустьевого заряда из гельпора;

l_ny=(0,14...0,30)·l_заб - длина приустьевого заряда из основного ВВ;

R=R_макс/Q_ny^1/3 - приведенное расстояние;

R_макс=((W/2)²+(l_заб+l_ny -l_пep)²)^1/2 - расстояние до границы зоны воздействия приустьевого заряда;

W - сопротивление по подошве;

р_о и р_гп - вместимость в 1 м скважины основного ВВ и гельпора;

l_заб - длина забойки;

l_пep - длина перебура вышележащего уступа.

3. Скважинный заряд взрывчатого вещества по п.1, отличающийся тем, что масса заряда донного усиления, состоящего из гельпора, выбирается из условия: Q_зду =Q_о/(1+(4-R)²/16), а его длина l_зду=Q_зду /р_гп,

где Q_o =l_o·P_o - масса заряда донного усиления из основного ВВ;

l_o=(10-15)·d - длина заряда донного усиления из основного ВВ;

d - диаметр скважины;

R=R_макс /Q_o^1/3;

R_макс=((W/2)²+(l_o )²)^1/2.