СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 1999 года по МПК F42D3/04 

Изобретение относится к ведению взрывных работ и может быть использовано для улучшения качества дробления горных пород за счет рационально организованного взаимодействия волн напряжений и увеличения времени действия взрыва на массив горных пород.

Наиболее близкое техническое решение (наиболее близкий аналог) изложено в статье Ю.П.Капленко, С.Г.Тимофеева "Повышение эффективности скважинной отбойки напряженных рудных массивов" в сборнике докладов Всесоюзного совещания (УДК 622.831622.271 Горное давление и технология подземной разработки руд на больших глубинах/Отв.ред.Н.Ф.Замесов-М.)ИПКОН АН СССР, 1990, с. 103-106 (1). Он предполагает размещение в массиве горных пород удлиненных зарядов взрывчатого вещества (ВВ) с серией равномерно распределенных инициаторов вдоль каждого заряда с расстояниями между инициаторами (1), определяемыми из выражения:
(7,5 - 8,57) d_з ≤ l ≤ W/3,
где d_з - диаметр заряда, м,
W - расстояние по нормали от оси заряда до свободной поверхности, м,
и последовательный подрыв инициаторов от одного из торцов заряда через равные промежутки времени (τ), определяемые по формуле:
τ = (0,4-0,6)l/D,
где D - скорость детонации ВВ, м/с.

Известный способ позволяет обеспечить увеличение объема дробленного продукта, уменьшение расхода ВВ, улучшение качества дробления горных пород.

Однако, известному способу присущи недостатки:
- ограниченная область применения зарядами малого диаметра;
- нацеленность способа на усиленное дробление только одного из участков массива, прилегающего к одному из концов заряда;
- способ ограничивается лишь улучшением волнового воздействия энергии взрыва на массив и не предусматривает усиления квазистатической фазы взрыва за счет дополнительной задержки продуктов детонации в скважине усилением забойки.

Своевременность необходимости совершенствования известного способа разрушения горных пород, повышения его эффективности и снижения расхода ВВ подтверждается высокими ценами на ВВ, формирующими большую часть себестоимости взрывания горных пород.

Целью изобретения является уменьшение расхода взрывчатого вещества при улучшении качества дробления горных пород за счет рационального использования энергии волн напряжений от взрыва зарядов в отбиваемом массиве горных пород с одновременным усилением запирающего действия забойки.

Для решения поставленной цели в известном способе разрушения горных пород, включающем размещение в них удлиненных зарядов взрывчатых веществ с серией инициаторов, распределенных вдоль каждого заряда, последующее взрывание каждой серии с использованием одной из схем монтажа внешней взрывной сети и подрыв каждого инициатора в серии, в котором, согласно изобретению, расстояния между инициаторами (1) определяют из выражения 0,45 W ≥ l ≥ 8,6 d_з, при этом для зарядов большого диаметра предпочтительными являются границы 0,35 W ≥ l ≥ 2d_з, а малого - 0,3 W ≥ l ≥ 7,5 d_з, где W - расстояние от центра заряда диаметром d_з до свободной поверхности, а их количество выбирают в зависимости от толщины отбиваемого слоя, например высоты уступа, и из условия суммирования волн напряжений от участков заряда, подрываемых отдельными инициаторами в труднодробимом участке отбиваемого слоя горных пород, при этом порядок их инициирования в заряде задают выбором места подвода начального импульса относительно труднодробимого участка, например, если труднодробимый участок в торцевой части заряда - то от границы с забойкой к торцу, если в районе забойки - от торца заряда к забойке, если в обоих перечисленных местах - то осуществляют расходящийся порядок инициирования - к торцу и к забойке от некоторого промежуточного места в заряде, а интервалы времени между подрывом отдельных последовательно расположенных инициаторов выбирают из соотношения
τ = (0,3-0,8)l/D,
где τ - интервал времени, с,
l - граничное значение расстояний, м,
D - скорость детонации взрывчатого вещества, м/с,
кроме того, в забойке размещают запирающий заряд, который инициируют после срабатывания граничного с забойкой слоя заряда.

Существенными признаками заявляемого способа разрушения горных пород являются:
- размещение в породе удлиненных зарядов ВВ, а внутри и вдоль каждого из них серии инициаторов, распределенных вдоль каждого заряда;
- взрывание каждой серии инициаторов и подрыв каждого из инициаторов в серии;
- определение расстояния между инициаторами по выражению 0,45 W ≥ l ≥ 8,6 d_з, при этом для зарядов большого диаметра предпочтительными являются границы 0,35 W ≥ l ≥ 2d_з, а малого - 0,3 W ≥ l ≥ 7,5 d_з, где W - расстояние от центра заряда диаметром d_з до свободной поверхности;
- определение количества инициаторов в серии и порядка их инициирования;
- выбор интервала времени между подрывом отдельных инициаторов;
- размещение в забойке запирающего заряда, который инициируют после срабатывания граничного с забойкой слоя заряда.

Сопоставительный анализ с наиболее близким аналогом (1) показывает, что заявляемый способ разрушения горных пород отличается тем, что инициаторы размещают на расстояниях друг от друга, граничные значения которых определяют из соотношения
0,45 W ≥ l ≥ 8,6 d_з,
причем для зарядов большого диаметра предпочтительней соотношение
0,35 W ≥ l ≥ 2 d_з,
а для зарядов малого диаметра - соотношение
0,3 W ≥ l ≥ 7,5 d_з,
где l - граничное значение расстояний, м,
W - расстояние от центра заряда до свободной поверхности, м;
d_з - диаметр заряда, м,
а их количество и место расположения выбирают в зависимости от толщины отбиваемого слоя, например высоты уступа, и из условия суммирования волн напряжений от участков заряда, подрываемых отдельными инициаторами в труднодробимом участке отбиваемого слоя, при этом порядок их инициирования в заряде задают выбором места подвода начального импульса относительно труднодробимого участка, например, если труднодробимый участок в торцевой части заряда - то от границы с забойкой к торцу, если в районе забойки - от торца заряда к забойке, если в обоих перечисленных местах - то осуществляют расходящийся порядок инициирования - к торцу и к забойке от некоторого промежуточного места в заряде, а интервалы времени между подрывом отдельных последовательно расположенных инициаторов выбирают из соотношения
τ = (0,3-0,8)l/D,
где τ - интервал времени, с,
l - граничное значение расстояний, м,
D - скорость детонации взрывчатого вещества, м/с,
кроме того, в забойке размещают запирающий заряд, который инициируют после срабатывания граничного с забойкой слоя заряда.

Таким образом, заявляемый способ разрушения горных пород соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с наиболее близким аналогом (1), но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Благодаря размещению внутри каждого заряда серии инициаторов, распределенных вдоль каждого заряда на рациональных расстояниях друг от друга, определяемых предложенным способом, а также определению их количества и порядка (направления) подрыва через выбранные по формуле интервалы времени обеспечивается управляемое срабатывание удлиненного заряда с рациональным использованием энергии волн напряжений от его взрыва путем суммирования их в требуемом (по условию труднодробимости) участке массива горных пород. За счет этого улучшается качество дробления требуемого участка и массива в целом, увеличивается объем зоны дробления, что уменьшает расход ВВ. Благодаря размещению в забойке запирающего заряда, который получает инициирующий импульс после срабатывания граничного с забойкой слоя заряда через посредство отдельного отрезка ДШ, соединяющего запирающий заряд с этим слоем, увеличивается время действия продуктов детонации в зарядной полости на массив. В результате они отдают массиву больше энергии, что обеспечивает уменьшение расхода ВВ при улучшении качества дробления горных пород.

Благодаря совокупности перечисленных выше известных и новых существенных признаков стало возможным более рациональное использование энергии волн напряжений от взрыва зарядов в отбиваемом массиве горных пород путем суммирования их в районе труднодробимого участка отбиваемого слоя, что позволяет уменьшить расход ВВ при улучшении качества дробления горных пород.

Изобретение поясняется чертежами (фиг.1-5). На фиг.1-3 показан уступ 1, вертикальная скважина 2 в нем с зарядом 3 ВВ в ней, в котором размещена серия инициаторов 4, распределенных вдоль каждого заряда, последовательность подрывания которых обозначена 4_а, 4_б и т.д., закрепленных на скважинной магистрали ДШ 5, которая соединена с поверхностной магистралью ДШ 6 стандартным узлом 7. Над зарядом 3 размещена забойка 8 с запирающим зарядом 9 в ней, закрепленным на шпагате 10 и соединенным со слоем заряда 3, контактирующего с забойкой 8, отдельным отрезком ДШ 11. На фиг.1-3 рассматриваются различные варианты размещения труднодробимых участков. В варианте (фиг.1) рассматривается наиболее часто встречающийся случай размещения труднодробимого участка уступа 1 в районе его подошвы 12. Согласно изобретению, направление подрыва 13 серии инициаторов 4, распределенных вдоль каждого заряда, - к торцу заряда 3, т.е. сверху вниз. Вариант (фиг.2) рассматривает случай, когда труднодробимый участок уступа 1 находится в области, контактирующей с забойкой 8, и направление подрыва 13 серии инициаторов 4, распределенных вдоль каждого заряда, - к забойке 8, т.е. снизу вверх. Вариант (фиг.3) - случай, когда труднодробимыми являются два участка уступа 1: в районе его подошвы 12 и в области, контактирующей с забойкой 8, и направление подрыва 13 серии инициаторов 4, распределенных вдоль каждого заряда, направлено к торцу заряда 3 и к забойке 8 одновременно, т.е. в противоположных направлениях.

Процесс разрушения уступа 1 зарядом 3 покажем на примере наиболее часто встречающегося случая размещения труднодробимого участка уступа 1 в районе его подошвы 12 (фиг.1). Взрывной импульс от поверхностной магистрали 6 поступает через узел 7 к скважинной магистрали ДШ 5 и по ней - к серии инициаторов 4, распределенных вдоль каждого заряда, подрыв которых осуществляется в направлении 13 сверху вниз. В этом случае при подрыве первого инициатора 4а, расположенного в верхней части заряда 3, по уступу 1 горных пород распространяется частная волна напряжений. Ввиду того, что скорость детонации ДШ 5 равна 7-7,5 км/с, а применяемых в зарядах 3 ВВ - 3-6 км/с, каждый последующий распределенный вдоль заряда инициатор 4_б и т.д. срабатывает раньше, чем к нему по заряду 3 ВВ подходит детонационная волна, возбужденная предыдущим инициатором, в результате чего образуются очаги повышенного давления, обусловленного столкновением движущихся в заряде 3 ВВ встречно направленных детонационных волн.

На фиг. 4-5 приведено графическое построение ударных волн, излученных удлиненным зарядом 3 ВВ, т.е. показана волновая картина наложения частных волн напряжений а', б', в' и т.д. по мере развития детонационного процесса, соответствующая многоточечному инициированию заряда 3 ВВ. Размещение в скважине 2 заряда 3 ВВ и системы инициаторов 4, распределенных вдоль каждого заряда, и последующее взрывание заряда 3 ВВ путем последовательного, от одного его конца к другому, подрыва системы инициаторов 4, распределенных вдоль каждого заряда, через промежутки времени а'', б'', в'' и т.д. меньшие, чем временной интервал, требующийся для прохождения детонационной волной по заряду 3 ВВ расстояния между смежными инициаторами 4_а, 4_б и т.д., обеспечивает движение в заряде 3 ВВ одновременно нескольких детонационных фронтов, а, следовательно, и излучение в окружающую среду равного числа частных волн напряжений а', б' и т.д., которые образуют такую интерференционную картину наложения частных волн напряжений а', б' и т.д. друг на друга, при которой происходит увеличение максимальных суммарных напряжений в дальней зоне действия взрыва и уменьшение их вблизи заряда 3 ВВ. На фиг.4-5 показаны частные волны напряжений а', б' и т.д., движущиеся в направлении подрыва 13, т.е. от секции "а" к секции "е" (фиг.4) или от секции "а" к секции "в" (фиг.5). В области торца (фиг.4) или торца и забойки 8 (фиг.5) происходит многократное воздействие меньших (по сравнению с суммарной) по силе частных волн напряжений а', б' и т.д. Усиливается суммарное напряжение вокруг труднодробимого участка в районе подошвы уступа 1 горных пород (фиг.4) или в двух труднодробимых участках - в районе подошвы уступа 1 и слоя, контактирующего с забойкой 8 (фиг.5). Следует отметить, что рассмотренные на фиг.1 случаи размещения труднодробимых участков охватывают подавляющее большинство случаев. Таким образом, достигается интенсивное и многократное нагружение труднодробимого участка с обеспечением высокого качества дробления горных пород в нем.

Однако у явления взрыва есть две фазы, обеспечивающие эффективность дробления горных пород: скоротечная волновая, описанная выше, и более длительная квазистатическая. При скорости взрывных волн в массиве 2-5 км/с и расстояниях между зарядами 6-8 м с учетом возникновения отраженных волн их прохождение по разрушаемому уступу 1 заканчивается через 5-8 мс, тогда как полный процесс разрушения уступа 1 согласно литературным данным составляет 80-100 мс, т.е. временной интервал общий на порядок превышает длительность волновой фазы взрыва. Всякое увеличение общей длительности времени действия взрыва приводит к передаче большей доли энергии взрыва разрушаемой горной породе и повышению коэффициента полезного действия взрыва. Эта цель достигается взрывом запирающего заряда 9, размещенного в забойке 8. Его срабатывание осуществляется от отдельного отрезка ДШ 11, который получает импульс от слоя заряда 3 ВВ, контактирующего с забойкой 8. Срабатывание запирающего заряда 9 вызывает прохождение по раскаленным сильно сжатым взрывным газам в скважине 2, как по жидкости, волны, ее отражения от торца скважины и возврат к тому месту, где был запирающий заряд 9. Условно можно предположить, что задержка времени вылета продуктов детонации из скважины 2 и соответственно увеличение длительности действия взрыва равна интервалу времени на прохождение прямой волны по газам взрыва до торца скважины и отраженной по ним же назад к забойке 8. Если принять скорость такой волны (0,6-0,8)D, а D = 4 км/с, при высоте уступа, равной 15 м, длина заряда часто составляет 12 м; время задержки составляет 8-10 мс, т.е. общая длительность взрыва увеличится приблизительно на 10%.

На фиг. 5 показан случай развития процесса взрыва, когда труднодробимые участки находятся одновременно на уровне подошвы 12 уступа 1 и на уровне забойки 8. Процесс взрывания протекает аналогично, с той разницей, что точку начала инициирования серии инициаторов 4, распределенных вдоль каждого заряда, выбирают в каждом конкретном случае индивидуально: по центру заряда 3 или ближе к одному из его торцов в зависимости от условий взрывания.

С целью изучения положительного действия предложенных факторов был проведен комплекс исследований на карьере Ингулецкого горнообогатительного комбината. На горизонте - 150 м был подготовлен к взрыву блок горных пород, на одном из флангов которого пятнадцать скважин диаметром 0,25 м были подготовлены к взрыву предложенным способом. Высота уступа (толщина отбиваемого слоя) составляла 15 м. Длина забойки 6 м. Длина перебура 3 м. Длина заряда гранулотола 12 м. В сравниваемой части блока скважины были расположены на паспортном расстоянии друг от друга (6х5 м), а в другой части (экспериментальной) - на расстоянии 6х6 м. В части блока с паспортным расположением скважин был применен обычный способ взрывания заряда, а в другой части применили предложенный способ разрушения горных пород. Серии инициаторов для удлиненных зарядов изготовляли следующим образом. По выражению 0,35 W ≥ l ≥ 2d_з определяли расстояние между инициаторами в серии. В этом случае W= 7 м, а d_з=0,25 м, тогда выражение принимает вид 2,45 ≥ l ≥ 0,5. Толщина отбиваемого слоя 15 м. Требуемый (труднодробимый) участок, в котором необходимо улучшить качество дробления, - подошва уступа. Приняли расстояние между инициаторами в серии 1,0 м и закрепили их на двух нитях детонирующего шнура марки ДШЭ-12. Для этого на поверхности уступа были выложены камни - "реперы" на расстоянии 1,0 м друг от друга. Вдоль этих камней разматывали две бухты ДШ и против каждого камня крепили инициатор - тротиловую шашку Т-400г. Всего в серии было 9 инициаторов. Отдельно на отрезке ДШ длиной 5 м изготавливали запирающий заряд для забойки из трех шашек Т-400г общей массой около 1,2 кг. По формуле τ = (0,3-0,8)l/D определяли интервал времени срабатывания между подрывом отдельных инициаторов. Поскольку l= 1,0 м, а скорость детонации гранулотола в частично обводненной скважине D=5500 м/с, то по формуле время между подрывом отдельных инициаторов в серии должно находиться в пределах:

Поскольку инициаторы расположены на ДШЭ-12, скорость детонации которого 7000 м/с, интервал времени между подрывом каждого из них будет равен: τ = 1,2 м : 7000 м/с = 0,171 мс, т.е. интервал времени между подрывом инициаторов в серии находится в требуемых пределах. Перед заряжанием серию инициаторов на нитях ДШ опускали в скважины. Также в скважину на уровень середины забойки опускали запирающий заряд на шпагате, от которого нить ДШЭ-12 опускалась ниже забойки до уровня части заряда, контактирующей с забойкой. Подобным образом готовили к заряжанию все скважины. После этого скважины заполняли зарядом гранулотолла на высоту 12 м, а сверху размещали забоечный материал. Затем монтировали внешнюю взрывную сеть из нитей ДШЭ-12. При этом нити ДШЭ-12, выходящие из скважин, на которых закреплены серии инициаторов, закрепляли к поверхностным магистралям ДШЭ-12. В поверхностной сети из ДШЭ-12 устанавливали пиротехнические реле известным способом. В процессе взрывания импульс от поверхностной магистрали ДШЭ-12 поступал к каждой серии инициаторов на ДШЭ-12, размещенных в скважинах, и порядок инициирования инициаторов в серии был от забойки к торцу заряда, поскольку труднодробимый участок расположен на уровне подошвы уступа. В этом случае нижний инициатор в серии располагался на 0,5 м выше уровня подошвы уступа, а верхний - на 1,5 м ниже контакта заряда с забойкой. После срабатывания первого из инициаторов в серии детонация заряда шла в двух направлениях. Основная часть - к его торцу, управляемая серией инициаторов с обеспечением суммирования волн напряжений в районе подошвы уступа, и вверх - к границе заряда с забойкой. В момент, когда приконтактный слой заряда с забойкой срабатывает, воспринимает детонацию отдельный отрезок ДШЭ-12, который передает ее запирающему заряду. Срабатывание последнего обеспечивает усиление запирающего эффекта, увеличение времени действия взрыва на массив. В результате выполненного экспериментального взрыва на участке блока, взорванного предложенным способом разрушения горных пород, был увеличен объем дробления (сетка скважин 6х6 м); получено улучшение качества дробления горных пород: размер среднего куска 0,25 м против 0,27 м на участке, взорванном по обычной технологии; улучшена проработка подошвы уступа: на экспериментальном участке при экскавации было понижение уровня подошвы на 0,5 м ниже, чем на контрольном участке.

Согласно результатов испытаний преимуществом заявляемого способа разрушения горных пород по сравнению с прототипом является: увеличение объема дробленного продукта, уменьшение расхода ВВ, улучшение качества дробления горных пород и проработки подошвы уступа.

Преимущество предложенного изобретения заключается в том, что при его использовании благодаря рациональному использованию энергии волн напряжений от взрыва зарядов в отбиваемом массиве горных пород и усилению запирающего эффекта забойки, уменьшается расход ВВ при улучшении качества дробления горных пород, что в конечном итоге повышает экономические показатели предприятия, использующего предложенный способ разрушения горных пород.

Изобретение относится к ведению взрывных работ и может быть использовано для улучшения качества дробления горных пород за счет рационально организованного взаимодействия волн напряжений и увеличения времени действия взрыва на массив горных пород, изобретение позволит уменьшить расход взрывчатого вещества при улучшении качества дробления горных пород за счет рационального использования энергии волн напряжений от взрыва зарядов в отбиваемом массиве горных пород с одновременным усилением запирающего действия забойки. Сущность изобретения заключается в условном разделении удлиненных зарядов ВВ на части и индивидуальном инициировании этих частей таким образом, чтобы обеспечить суммирование волн напряжений в районе наиболее труднодробимых участков в уступе пород, например, на уровне подошвы уступа или в районе слоя пород, контактирующего с забойкой; кроме того, использованием запирающего заряда в забойке продлевается действие продуктов детонации на разрушаемый массив. 5 ил.

Способ разрушения горных пород, включающий размещение в них удлиненных зарядов взрывчатых веществ с серией инициаторов в каждом из них, взрывание каждой серии по одной из схем монтажа внешней взрывной сети и подрыв каждого инициатора в серии, отличающийся тем, что инициаторы размещают на расстояниях друг от друга, граничные значения которых определяют из соотношения
0,45 w ≥ l ≥ 8,6 d_з,
причем для зарядов большого диаметра предпочтительней соотношение
0,35 w ≥ l ≥ 2 d_з,
а для зарядов малого диаметра - соотношение
0,3 w ≥ l ≥ 7,5 d_з,
где l - граничное значение расстояний, м;
w - расстояние от центра заряда до свободной поверхности, м;
d_з - диаметр заряда, м,
а их количество и место расположения выбирают в зависимости от толщины отбиваемого слоя, например высоты уступа, и из условия суммирования волн напряжений от участков заряда, подрываемых отдельными инициаторами в труднодробимом участке отбиваемого слоя, при этом порядок их инициирования в заряде задают выбором места подвода начального импульса относительно труднодробимого участка, например, если труднодробимый участок в торцевой части заряда - то от границы с забойкой к торцу, если в районе забойки - от торца заряда к забойке, если в обоих перечисленных местах - то осуществляют расходящийся порядок инициирования к торцу и забойке от некоторого промежуточного места в заряде, а интервалы времени между подрывом отдельных последовательно расположенных инициаторов выбирают из соотношения
τ = (0,3÷0,8)l/D,
где τ - интервал времени, с;
l - граничное значение расстояний, м;
D - скорость детонации взрывчатого вещества, м/с,
кроме того, в забойке размещают запирающий заряд, который инициируют после срабатывания граничного с забойкой слоя заряда.