Устройство для предотвращения смерзания
Полезная модель относится к горнодобывающей промышленности и может быть использована при открытой разработке месторождений криолитозоны с предварительной взрывной подготовкой пород к выемке. Новым в полезной модели конструкции взрывной скважины в условиях криолитозоны включающей заряды взрывчатого вещества (ВВ), забойку, в устьевой части которой установлена герметичная оболочка с наполнителем, размещенная в полом цилиндре, является то, что в качестве наполнителя применяют раствор HCl в концентрации 15-75%, предотвращающий смерзание горных пород, при этом, полый цилиндр выполняют из картона а его нижнюю часть для придания ему дополнительной устойчивости присыпают буровой мелочью. 1 с.п. формулы, 1 рисунок.
Полезная модель относится к горнодобывающей промышленности и может быть использована при открытой разработке месторождений криолитозоны с предварительной взрывной подготовкой пород к выемке.
Особенностью ведения горных работ в условиях месторождений криолитозоны являются обязательная буровзрывная подготовка массива, при этом последующая экскавация взорванных горных пород осложняется их повторным смерзанием, что затрудняет их дальнейшую разработку горным оборудованием и снижает эффективность разработки месторождения.
Известна конструкция взрывной скважины в способе пылеподавления при взрывных работах на карьерах, включающая заряды взрывчатого вещества (ВВ) и забойку в устьевой части которой установлена герметичная оболочка с наполнителем, размещенным в полом цилиндре. Причем диаметр цилиндра соизмерим с диаметром скважины, а высота выбирается в зависимости от необходимого объема герметичной оболочки [1] (прототип).
В момент производства взрыва, расширяющиеся газы при восходящем истечении из взрывной камеры встречают на пути цилиндр с герметичной оболочкой, заполненной водой. Так как диаметр цилиндра соизмерим с диаметром взрывной скважины, то весь объем содержащейся в герметичной оболочке воды будет распылен расширяющимися продуктами взрыва, что позволит максимально полно использовать воду в качестве коагулянта, исключив при этом нежелательное отвлечение применяемых материалов.
Недостатком аналога в условиях криолитозоны является то, что вода, находящаяся в герметичной оболочке, после проведения массового взрыва способствует повторному смерзанию разрушенной породы. Этот процесс происходит за счет того, что в образовавшемся навале в пустоты между мерзлыми кусками поверхность которых уже растеплена действием газообразных продуктов детонации ВВ, проникает извне дополнительная влага в виде воды или пара, которая замерзает, за счет аккумулированного в кусках отбитой породы холода, превращая, таким образом, отбитую горную массу в смерзшийся монолит.
Технической задачей данной полезной модели являлась разработка устройства для предотвращения смерзания взорванных многолетнемерзлых горных пород.
Указанный технический результат достигается тем, что над устьем взрывной скважины размещают устройство, для предотвращения смерзания включающее полый цилиндр из картона, с размещенной внутри него герметичной оболочкой с наполнителем, отличающееся тем, что в качестве наполнителя - раствор HCl в концентрации 15-75%.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображено устройство для предотвращения смерзания, размещенное над устьем взрывной скважины 1. Устройство для предотвращения смерзания включает полый цилиндр из картона 2. Внутри полого цилиндра находится герметичная оболочка 3, с размещенным в ней наполнителем 4 - раствором HCl в концентрации 15-75%.
Реализация предложенного технического решения осуществляется следующим образом.
При буровзрывной подготовке многолетнемерзлого массива, забуривают и заряжают зарядом ВВ взрывные скважины. Затем над устьем взрывной скважины 1 устанавливают устройство для предотвращения смерзания, включающее полый цилиндр 2 из картона, в котором размещают герметичную оболочку 3, с наполнителем 4 - раствор HCl в концентрации 15-75%.
Важным условием обеспечивающим положительный эффект предлагаемого технического решения (полезной модели) является водопроницаемость горных пород. По степени водопроницаемости взорванные горные породы можно разделить на 3 группы или категории (табл. 1).
Предлагаемая полезная модель устройства для предотвращения смерзания рекомендуется к применению в хорошо водопроницаемых и водопроницаемых горных породах (табл. 1).
Водопроницаемость горных пород связана с пористостью сложной зависимостью и определяется не столько общей пористостью, сколько средними размерами пор, их поперечниками. Размеры пор в случае взорванных пород зависят от гранулометрического состава - чем крупнее зерно, тем легче проницаема порода для гравитационной воды. Существуют способы расчета водопроницаемости по данным гранулометрического анализа.
Коэффициент проницаемости раствора HCL (м2) для несвязного грунта рассчитывается по формуле [2]:
где m0 - коэффициент пустотности; d - эквивалентный диаметр шара, м; 
- коэффициент формы зерен (блоков).
Величина d определяется из соотношения [3]:1
где Pi - относительное массовое содержание различных фракций с размером зерен (блоков) d i.
Коэффициент формы =1 в случае идеально круглых шаров. При незначительных размерах фракций зерен и хорошей их окатанности =1,22÷1,38. С увеличением размера фракций и при наличии значительной полигональности их формы величина увеличивается и может принимать значения =4,5 [2].
Коэффициент фильтрации Кф (м/с) рассчитывается по формуле [3]:
где 
- плотность жидкости или газа, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; µ - динамическая вязкость жидкости или газа, Н·с/м2.
Например, для условий разреза «Кангаласский» ХК «Якутуголь» гранулометрический состав взорванного массива в развале представлен в табл. 2.
Тогда, согласно формулам (1)-(3) коэффициент фильтрации раствора HCl во взорванный массив Кф=8,5·10 -5 м/с или Кф=7,3 м/сут.
Т.е. после взрывного разрушения массива горных пород раствор HCl, размещенный в герметичной оболочке над устьем скважины в полом цилиндре, диаметр которого соизмерим с диаметром скважины, а высота которого обеспечивает размещение герметичной оболочки необходимого объема, гарантированно проникнет во взорванный массив на глубину не менее 7,3 метра за сутки и тем самым предотвратит его повторное смерзание, сохранит взорванный массив в рыхлом состоянии и облегчит его дальнейшую разработку горным оборудованием.
Исследованиями, выполненными в ИГДС СО РАН, показано, что прочность вторичного смерзания снижается при обработке поверхности смораживания раствором HCl [4].
Прочность смерзания образцов горной породы в естественном состоянии (без применения раствора соляной кислоты) имеет линейную зависимость и с понижением температуры с -5°С до -20°С возрастает в 2,8 раза (рис. 1).
При нанесении на смораживаемые поверхности раствора HCl в концентрациях от 15% до 75% происходит снижение прочности смерзания образцов вследствие взаимодействия раствора соляной кислоты с общим объемом влаги растепленного слоя породы.
Исследованиями установлено, что снижение прочности смерзания в 1,7 раза происходит уже при нанесении 15% (2,1%-факт.) раствора HCl на смораживаемые поверхности образцов для температуры -5°С, а с понижением до -20°С в 1,4 раза. При 25% (3,2%-факт.) минерализации раствора и температуры -5°С прочность снижается в 2,6 раза. Наиболее существенное снижение прочности (вплоть до талого состояния) в 13-20 раз при -5-10°С происходит при минерализации 50%-75% (6,1%-10,3%-факт.) раствором HCl.
В табл. 3 представлены данные фактической минерализации плоскостей смораживания от исходной концентрации, учитывающие глубину растепленного слоя и количества находящейся в нем влаги.
В интервале температуры массива -5÷-7°С при концентрации от 25% до 50% раствора HCl, нанесенного на смораживаемые поверхности образцов породы, прочность смерзания снижается соответственно в 2,6 и 13 раз. Применение же раствора 75% концентрации для пород с температурой от -20°С до -10°С приводит к снижению прочности в 10 и более раз, а при температуре -5°С образцы породы не смерзаются.
Изменение минерализации горных пород раствором соляной кислоты 3-х процентной концентрации приводит к снижению прочности смерзания в 2,6-2,8 раза для песчаных пород, имеющих температуру в массиве -5-7°С.
Преимуществом предложенной полезной модели по сравнению с прототипом являются:
- предотвращение повторного смерзания взорванных многолетнемерзлых горных пород;
- более стабильная работа горной техники в условиях разработки разупрочненного взорванного массива;
- увеличение фактического объема взрываемого блока по условию смерзания породы.
Источники информации
1. Пат. 2513731 Российская Федерация МПК E21F 5/02. Способ пылеподавления при взрывных работах на карьерах [Текст] / Федотенко B.C., Федотенко С.М., заявитель и патентообладатель Федотенко B.C. Заявл. 19.12.2012. Опубл. 24.04.2014, Бюл. 
11. - 24.04.14.
2. Хямяляйнен В.А., Понасенко Л.П., Бурков Ю.В., Франкевич Г.С., Жеребцов В.А. Тампонаж обрушенных пород. - Кемерово: Кузбас. гос. техн. ун-т, 2000. - 107 с.
3. Басниев К.С., Кочина Н.И., Максимов М.В. Подземная гидромеханика: учебник для вузов. - М.: Недра, 1993. - 416 с.
4. Винокуров, А.П. Экспериментальные исследования процесса вторичного смерзания горных пород в условиях минерализации поровой влаги / А.П. Винокуров // Горн. информ.-аналит. бюллетень. - 2008. - Отд. вып. 2: Якутия - 1. - С. 188-193.
Устройство для предотвращения смерзания, включающее полый цилиндр из картона, с размещенной внутри него герметичной оболочкой с наполнителем, отличающееся тем, что в качестве наполнителя - раствор HCl в концентрации 15-75%.
