ЗАРЯД ДЛЯ ОТБОЙКИ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 1995 года по МПК E21C37/00 F42D1/20 

Изобретение относится к области горных работ и предназначено для регулирования фракционного состава разрушаемых пород и экономии взрывчатых веществ.

В настоящее время основным видом зарядов взрывчатых веществ (ВВ) для отбойки являются сплошные заряды с осевой симметрией: цилиндрические (скважинные и шпуровые) или, реже, сферические (камерные и минные). Заряды располагаются в ряд или по специальной сетке с примерно равными расстояниями между собой.

При всей простоте и распространенности использования таких зарядов, они имеют недостатки - большой расход взрывчатых материалов и невозможность регулирования фракционного состава разрушенной массы в широких пределах.

Как показано в работах многих специалистов, фракционный состав разрушаемой породы состоит из двух частей (мод). В первую моду входят крупные куски, логарифмическая дисперсия этой моды составляет примерно 0,7 - 1,5. Во вторую моду входит более мелкая фракция, логарифмическая дисперсия этой моды составляет 3-5. При увеличении удельного расхода кумулятивная кривая передвигается вверх почти без изменения дисперсий обеих частей. Таким образом, при использовании указанных зарядов трудно влиять на равномерность дробления. Логарифмическая дисперсия каждой из мод остается постоянной, а при увеличении расхода ВВ средняя дисперсия даже возрастает за счет увеличения доли материала, приходящегося на вторую моду. Значительная часть энергии ВВ тратится на переизмельчение породы, которое для большинства практических задач бесполезно или даже вредно.

Предложено большое количество методов ведения взрывных работ, направленных на повышение КПД использования энергии взрыва и изменение фракционного состава разрушенной массы. Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих заметно снизить удельный расход ВВ и несколько изменить фракционный состав, является использование зарядов с воздушными и водяными полостями. Использование зарядов с воздушными промежутками [1] позволяет повысить колонку заряда, снизить на 15 - 20% удельный расход ВВ и объем измельчения в ближней зоне. Однако общий вид распределения осколков по размерам остается таким же, что описан выше. Более эффективно регулирование дробления осуществляется зарядами с полостями, расположенными в их центральной части (Боровиков В.А., Ванягин И.Ф., Артемов В.А. и др. Влияние осевой полости в цилиндрическом заряде на параметры волны напряжений //ФТПРПИ, 1985, N 6), однако этот метод может быть использован только для снижения дробящего эффекта. В другой работе (Безматерных В.А., Кузьмин В.Г., Петрунин А.Г. и др. Сравнение дробящего действия взрыва, одиночных зарядов ВВ различной конструкции // Изв. вузов. Горный журнал, 1990, N 9, с.70 - 73) показано, что больший эффект достигается при использовании вместо воздушной полости деревянного стержня. Однако полученный эффект весьма неустойчив и максимальное снижение расхода ВВ составляет не более 25%.

Наиболее эффективны цилиндрические заряды, состоящие из периферийного кольцевого слоя ВВ и осевой полости, заполненной бетонной вставкой. В опытах [2] было показано, что замена центральной части заряда ВВ на бетонный сердечник (до 70% массы ВВ) практически не изменяет волны напряжений. В другом опыте, поставленном той же группой авторов, при постоянных размере разрушаемого образца и количестве ВВ заряд обычной конструкции заменялся на заряд большего диаметра с бетонной вставкой в центре. Средний размер куска в разрушенной массе сокращался на 40%. Конструкция заряда, использованная в этих опытах, принята за прототип.

Недостатки таких зарядов - невозможность регулирования длительности и интенсивности волны напряжений, резкое снижение количества газообразных продуктов взрыва, что отрицательно сказывается на разделении массива на части по трещинам, наведенным волной напряжений (в опытах разрушаемый образец имел 6 свободных поверхностей и проблема разделения кусков не могла возникнуть; при реальной отбойке горных пород имеется всего 1-2 свободные поверхности), большая масса вставок и связанные с ней трудности заряжания.

Цель изобретения - разработка таких зарядов, которые позволяли бы сократить расход взрывчатых веществ, регулировать фракционный состав разрушенной массы как за счет длительности и интенсивности волны напряжений, так и за счет количества газообразных продуктов взрыва, достаточно просто производить заряжание шпуров и скважин.

Для достижения поставленной цели предлагается в центральной полости заряда разместить конструкцию, обладающую способностью к газовыделению под действием детонационной волны. Поверхность конструкции должна иметь акустический импеданс больший, чем импеданс окружающего ее взрывчатого вещества.

Выдвинутое предложение основано на следующих эффектах. Известно, что объем области разрушения (Ханукаев А.Н. Энергия волн напряжений. М.: Госгортехиздат, 1960) определяется соотношением между максимальными растягивающими напряжениями в волнах напряжений и пределом прочности разрушаемой породы. Проведенные анализ литературных источников и численное моделирование процессов дробления и распространения волн напряжений позволили сделать следующие выводы относительно характера дробления в области разрушения. Скорость затухания волн напряжений с расстоянием определяется временем до начала разгрузки зарядной полости. Длительность расширения полости для зарядов с центральной вставкой определяется характером отражения волны от вставки. Если отражается волна сжатия (в рамках акустического приближения это соответствует большему значению импеданса вставки, чем импеданс ВВ), то длительность волны увеличивается, если же отражается волна растяжения, то длительность сокращается. Характер распределения кусов в разрушенной массе зависит от соотношения размеров получившихся кусков при дроблении. При соотношении размеров кусков 1:1 - 1:10 логарифмическая дисперсия составляет 0,5 - 2,5, при соотношении 1:100 - 1:1000 дисперсия составляет 3 - 5. Соотношения 1:1 - 1:10 отвечают объемному разрушению, большие соотношения - поверхностному. При взрывной отбойке объемное разрушение в основном определяется волнами напряжений. Степень дробления зависит от величины показателя дробления, представляющего собой интеграл от квадрата скоростей главных деформаций по времени действия волн. Газообразные продукты взрыва отвечают за реализацию наведенных волной трещин в виде разрушенной массы и поверхностное разрушение. Необходимый минимум энергии продуктов взрыва для разделения кусков зависит от степени зажима разрушаемого объема породы и ее трещиноватости.

Предлагаемая конструкция заряда позволяет регулировать качество дробления как за счет изменения волн напряжений, так и за счет количества продуктов взрыва. Интенсивность и длительность волны напряжений могут регулироваться за счет изменения акустического импеданса поверхности конструкции, введенной в центральную полость в заряде, и толщины слоя ВВ. Регулирование количества продуктов взрыва осуществляется за счет изменения толщины слоя ВВ, размера вставки и ее удельного газовыделения.

Многие взрывчатые вещества, в том числе основные ВВ, применяемые в России для обводненных скважин (гранулотол, граммонит 30/70, гранитолы), имеют ненулевой кислородный баланс, т.е. часть горючих элементов неполностью окисляется из-за недостатка кислорода или выделяется избыточный кислород. Это приводит, во-первых, к неполному использованию энергетического потенциала элементного состава ВВ и, во-вторых, к увеличению объема выделяющихся ядовитых и вредных газов, в-третьих, при применении ВВ с недостатком кислорода могут происходить вторичные хлопки в течение часа после основного взрыва. Поэтому предлагается в случае применения в периферийной части заряда таких ВВ подбирать материал вставленной конструкции таким образом, чтобы кислородные балансы ВВ и центральной конструкции имели противоположные знаки.

Таким образом, если ВВ в периферийной части имеет отрицательный кислородный баланс, то в материале вставленной конструкции должен содержаться избыточный кислород, и, наоборот, если ВВ содержит избыточный кислород, то в материале вставки должен быть избыток окисляемых элементов. При этом кислородный баланс всего заряда приближается к нулевому.

Это обеспечивает более полное использование энергетического потенциала ВВ, уменьшение выделения ядовитых газов при взрыве и предотвращение вторичных хлопков. При использовании зарядов предлагаемого типа имеет место двухстадийное протекание химической реакции: во-первых, реакция в самом ВВ, во-вторых, реакция между продуктами разложения ВВ и газовыделяющим материалом. Двухстадийное воздействие на породу обеспечивает увеличение показателя дробления и, соответственно, дробящего действия волны напряжений.

На фиг. 1 - 4 изображены два варианта реализации предлагаемой конструкции заряда.

В первом варианте (фиг.1-2) заряд состоит из слоя ВВ 1 и вставленной конструкции 2, выполненной из материала, способного к газовыделению под воздействием детонационной волны, образующейся при взрыве периферийного слоя. Ограничивающим условием является необходимость соблюдения соотношения акустических импедансов. Для ВВ с низкими детонационными параметрами в качестве вставки могут использоваться литые сердечники из плавленой селитры (аммиачной, кальциевой, натриевой и т.д.). Для увеличения импеданса вставки, а также для регулирования количества выделившегося газа в сердечник может добавляться дисперсный инертный материал с высокой жесткостью (например, песок). Во втором варианте (фиг.3-4) вставленная конструкция 2 состоит из оболочки с высокой акустической жесткостью 3, в которую вводится газовыделяющее вещество 4. Оболочка может изготавливаться из вещества с высоким акустическим импедансом, например, из композитных материалов, стекла и т.д. Выбор материала оболочки производится с учетом акустического импеданса применяемого ВВ и требуемого качества дробления, а толщина ее подбирается таким образом, чтобы выполнялся закон несоответствия импедансов.

В качестве газовыделяющего вещества могут использоваться ракетные топлива, пороха, химически нестойки соли, в том числе перхлораты, селитры и т. д. , а также дешевые малочувствительные ВВ. Регулирование объема газовыделения производится выбором этого вещества, а также введением инертного наполнителя.

В тех случаях, когда требуется максимально сократить переизмельчение, объем газовыделения подбирается таким образом, чтобы только обеспечить разделение массива по трещинам, наведенным волной напряжений.

Следующие варианты реализации предлагаемого изобретения относятся к случаям использования ВВ с ненулевым кислородным балансом.

Простейший из них заключается в использовании в периферийном слое гранулотола, а в качестве газовыделяющего вещества во вставке - аммиачной селитры.

Другой вариант реализации связан с использованием ВВ типа обратных эмульсий. Известно (Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1984, с. 279 - 288), что сложность приготовления и качество приготовленной эмульсии зависят от соотношения компонентов. Чем большую долю составляет масляная фаза, тем выше качество обратной эмульсии. Поэтому предлагается в периферийной части использовать эмульсионные ВВ с завышенным против стехиометрического содержанием горючего (масляного) компонента, а в центральной - вещество с положительным кислородным балансом, например селитру или игданит (AN-FO) с уменьшенным количеством дизельного топлива. Регулирование общего объема количества газообразных продуктов взрыва осуществляется добавлением инертных наполнителей в материал вставленной конструкции.

Использование в качестве сердечника конструкций из плавленой селитры или конструкций с жесткой оболочкой позволяет снизить массу вставки по отношению к прототипу, поскольку их средний удельный вес меньше, чем у бетона, и упростить процесс заряжания.

Работа предлагаемой конструкции заряда осуществляется следующим образом.

Волна напряжений формируется в ходе многократных отражений в продуктах взрыва, что вызывает увеличение длительности периода до разгрузки полости и, следовательно, длительности волны. Большая длительность при сохранении высокого давления на стенке зарядной полости вызывает большие напряжения в дальней зоне взрыва и увеличение объема разрушения по отношению к сплошному заряду той же массы. Выделение газа из вставленной конструкции дополнительно увеличивает длительность волны и повышает значения показателя дробления. Сниженное до необходимого минимума количество продуктов взрыва позволяет обеспечить разделение на куски разбитой трещинами породы при сокращении поверхностного разрушения и выхода мелких фракций в дальней зоне взрыва.

Заряд позволяет сократить расход взрывчатых веществ, регулировать фракционный состав разрушенной массы, уменьшить затраты труда на заряжение шпуров и скважин. Заряд содержит взрывчатое вещество, образующее в центре полость, в которую введена конструкция, обладающая способностью к газовыделению под воздействием детонационной волны. Поверхность конструкции имеет акустический импеданс, больший, чем импеданс окружающего ее взрывчатого вещества. Для полного использования энергетического потенциала взрывчатого вещества и обеспечения безопасности работ следует подбирать взрывчатое вещество и материал конструкции таким образом, чтобы их кислородные балансы имели противоположные знаки. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. ЗАРЯД ДЛЯ ОТБОЙКИ ГОРНЫХ ПОРОД, содержащий взрывчатое вещество и центральную полость, отличающийся тем, что в полость введена конструкция, обладающая способностью к газовыделению под воздействием детонационной волны, а ее поверхность имеет акустический импеданс, больший, чем импеданс окружающего ее взрывчатого вещества. 2.Заряд по п.1, отличающийся тем, что взрывчатое вещество в периферийной части и материал конструкции, заполняющей полость, имеют кислородные балансы противоположных знаков.