СПОСОБ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ ПРИ МАССОВЫХ ВЗРЫВАХ ОТБОЙНЫХ СКВАЖИН НА КАРЬЕРАХ Российский патент 2001 года по МПК F42D1/00 F42D3/04 E21F5/00 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к способам пылеподавления при массовых взрывах отбойных скважин на карьерах, и может быть использовано в горных породах любой категории прочности и степени обводненности.

Известен способ пылеподавления при массовых взрывах отбойных скважин на карьерах, включающий заполнение каждой скважины зарядами взрывчатого вещества (ВВ) и размещение герметичной оболочки с водой на поверхности взрываемого блока вблизи устья каждой скважины [1].

Недостатком аналога является то, что вода, распыляемая из герметичной оболочки над поверхностью взрываемого блока, недостаточно полно смачивает мелкодисперсные продукты разрушения горных пород. Это связано с тем, что распыляемая вода имеет достаточно крупные размеры и поэтому в процессе перемещения пылевого облака над поверхностью взорванного блока частицы воды под собственным весом выпадают из облака, не реализовав в полной мере операции смачивания, коагуляции и осаждения пыли. Пылевое облако в дальнейшем беспрепятственно расширяется, поднимается вверх, под действием выталкивающей силы со стороны окружающего воздуха переносится на значительные расстояния и в виде осадков загрязняет окружающую территорию, нанося природе экологический ущерб. К недостаткам аналога следует также отнести значительные материальные затраты и трудоемкость операции размещения оболочек на блоке.

Наиболее близким по технической сущности является способ пылеподавления при массовых взрывах отбойных скважин на карьерах, включающий заполнение каждой скважины зарядом ВВ и размещение в ней в качестве забойки, в пространстве над зарядом ВВ герметичной оболочки, заполненной водой [2].

Недостатком прототипа является то, что при взрыве заряда ВВ в отбойной скважине газообразные продукты детонации выталкивают водяную забойку из устья скважины и распыляют воду, также как и в аналоге, в виде крупных капель. При этом капли воды не успевают осуществить коагуляцию мелкодисперсной пыли, так как выпадают под собственным весом из пылевого облака. В дальнейшем пылевое облако поднимается вверх под действием выталкивающей силы со стороны окружающей атмосферы и переносится воздушными потоками на значительные расстояния.

Следует также отметить, что пылевое облако постепенно увеличивается в объеме, так как температура газов, продуктов детонации внутри облака больше температуры окружающего воздуха. Выталкивающая сила, действующая на пылевое облако, прямо пропорциональна его объему и поэтому по мере увеличения объема возрастает вертикальное ускорение пылевого облака. В то же время с увеличением объема пылевого облака понижается вероятность захвата пылевых частиц каплями воды что, соответственно, снижает эффективность процесса коагуляции пыли.

Задачей изобретения является повышение эффективности пылеподавления и увеличение коэффициента полезного действия энергии ВВ при массовых взрывах отбойных скважин на карьерах. Интенсификация процесса осаждения пыли над местом взрыва и уменьшение удельного расхода взрывчатых веществ позволяет уменьшить загрязнение окружающей карьер территории, что благоприятно отражается на экологической обстановке в регионе производства горных работ.

Это достигается тем, что в способе пылеподавления при массовых взрывах отбойных скважин на карьерах, включающем заполнение каждой скважины зарядом ВВ и размещение в ней герметичной оболочки, заполненной водой, герметичную оболочку с водой размещают внутри заряда ВВ, а диаметр оболочки составляет 0,2 - 0,4 от диаметра скважинного заряда.

Для решения этой же задачи герметичная оболочка размещена в верхней части скважинного заряда.

Кроме того, для решения этой же задачи нижний торец герметичной оболочки размещают в средней части скважинного заряда.

На фиг. 1 показана схема заряжания каждой отбойной скважины при реализации предлагаемого способа пылеподавления с размещением герметичной оболочки внутри верхней части заряда.

На фиг. 2 показана та же схема заряжания с размещением нижнего торца герметичной оболочки с водой в средней части скважинного заряда.

Способ осуществляют следующим образом.

При взрывной отбойке породного блока формируют отбойные скважины 1, каждую из которых заполняют ВВ, после чего опускают в скважину 1 посредством троса 2 герметичную оболочку 3 с водой, устанавливая ее нижний торец на ВВ. Затем заполняют этим же ВВ пространство между оболочкой 3 и стенкой скважины 1, а также пространство над оболочкой 3, образуя проектный скважинный заряд 4. При этом герметичная оболочка 3 с водой может быть расположена в верхней части (см. фиг. 1) скважинного заряда 4 или ее нижний торец 5 размещают в средней его части (см. фиг.2). Диаметр герметичной оболочки 3 с водой составляет 0,2-0,4 от диаметра скважинного заряда 4. В скважинах 1 также размещают средства инициирования ВВ (на фиг. 1 и 2 не показаны).

После заряжания отбойных скважин 1 осуществляют взрыв зарядов 4 ВВ. Продукты детонации ВВ разрушают породный массив и при этом в ближней от заряда 4 зоне образуется сильно измельченная порода, которая в дальнейшем выносится газообразными продуктами детонации из скважины 1 и составляет основу пылевого облака. Под давлением продуктов детонации ВВ в скважине 1 происходит мгновенное сжатие и соответствующее этому процессу повышение температуры воды, заключенной в герметичной оболочке 3. В результате данного процесса вода переходит из жидкого в газообразное (закритическое, парообразное) состояние и передает в качестве рабочего тела свою долю парциального давления на стенки скважины 1 в месте расположения оболочки 3. Тем самым усиливается запирающий эффект на пути вылета продуктов детонации ВВ из скважины 1 и, следовательно, большая доля энергии взрыва расходуется на полезную работу разрушения породного массива. Затем продукты детонации ВВ вместе с продуктами мелкодисперсного разрушения (пылью) в едином потоке с образованным при сжатии воды парогазом вылетают из скважины 1. После их вылета из скважины 1 происходит свободное расширение в атмосферном пространстве газообразных продуктов детонации и водяного пара, в результате чего происходит снижение их температуры и давления. Это приводит к конденсации насыщенных паров воды в пылегазовой среде, что вызывает вакуум, то есть физическое состояние газа, когда его давление меньше атмосферного. Следствием вакуумирования является то, что пылегазовая среда сжимается внешним атмосферным давлением и уменьшается в объеме. В результате конденсации водяного пара образующиеся при этом капли воды смачивают частицы пыли, что приводит к увеличению веса этих частиц. При случайном столкновении смоченных частиц пыли друг с другом происходит их слипание, т.е. реализуется процесс коагуляции и гравитационного осаждения, интенсивность которого повышается по мере уменьшения объема пылегазового облака. Длительность нахождения пыли во взвешенном состоянии при реализации данного способа минимальна, так как процесс пылеподавления реализуется на начальной стадии развития и перемещения пылевого облака. Таким образом, при реализации данного способа достигается высокая эффективность пылеподавления и повышается коэффициент полезного действия взрыва за счет запирания продуктов детонации в скважине.

Размещение нижнего торца 5 оболочки 3 с водой в средней части заряда 4 (фиг. 2) обусловлено тем, что энергия верхней половины заряда 4 ВВ расходуется преимущественно на дробление верхней части породного уступа и именно верхняя часть взорванного заряда 4 ВВ составляет основу пылевого облака. Поэтому при указанном размещении оболочки 3 с водой эффект запирания ВВ, повышения КПД взрыва и пылеподавления реализуется в наибольшей степени.

Замещение центральной части верхней половины заряда 4 ВВ герметичной оболочкой 3 с водой приводит с одной стороны к уменьшению температуры продуктов детонации и, соответственно, к уменьшению максимальной величины давления, возникающего в продуктах детонации. При этом реализуется физический механизм повышения парциального давления парогаза. Этот механизм обусловлен низким молекулярным весом воды (18 г/моль), в то время как у газообразных продуктов детонации ВВ эта же величина имеет существенно большие значения (например, у двуокиси углерода - 44 г/моль). Следовательно, давление продуктов детонации ВВ вместе с парогазом, образованным при взрывном сжатии оболочки 3 с водой, принимает достаточно высокие значения, практически такие же, как без частичного замещения ВВ водой. При диаметре оболочки 3, равном 0,2 от диаметра скважинного заряда 4, обеспечивается полное смачивание частиц пыли конденсатом с возможностью последующей коагуляции и осаждений пыли. Увеличение диаметра оболочки 3 до 0,4 от диаметра скважинного заряда 4 интенсифицирует процесс смачивания пыли при эффективном взрывном дроблении породного массива. В данном случае более полно проявляется фактор экономии ВВ при эффективном пылеподавлении.

Таким образом, в результате коагуляции из пылевого облака, в предложенном способе, происходит выпадение укрупненных частиц пыли, связанных между собой поверхностными силами смачивающей воды. Освобожденное от пыли облако не загрязняет окружающую территорию. Одновременно с осаждением пыли достигается дополнительный эффект нейтрализации ядовитых газов, образующихся при взрыве. Ядовитые газы типа оксидов азота (NO_x) и окиси углерода (СО) вступают в химическую реакцию с водой с образованием жидкой фазы кислоты, которая также осаждается в месте взрыва. Тем самым предотвращается попадание ядовитых газов в окружающую атмосферу и исключаются кислотные дожди.

Пример реализации способа.

На карьере Михайловского горно-обогатительного комбината производится взрывная отбойка железистых кварцитов. Отбойные скважины глубиной 17 м заряжают ВВ с высотой заряда, равной 12 м. По одному варианту реализации способа герметичную оболочку длиной 1,5 м располагают на ВВ на высоте 10 м от основания скважины. Диаметр оболочки составляет 0,4•250 мм=100 мм (при диаметре скважины 250 мм) или 0,2•500=100 мм (при диаметре скважины 500 мм).

При взрыве скважинного заряда вода в оболочке подвергается сильному сжатию давлением 10¹⁰-10¹¹ Па, нагревается и переходит из жидкого в парогазообразное состояние (парогаз). Более точно состояние воды при указанном давлении в физике квалифицируется как закритическое, т.е. когда стираются различия между жидкостью и газом. Этот парогаз, расширяясь, совершает работу разрушения породы и выполняет также функцию запирающей забойки, препятствующей вылету продуктов детонации из скважины. Затем парогаз вылетает из скважины, где происходит его расширение до газообразного состояния; затем реализуется процесс конденсации мельчайших капель воды преимущественно на пылинках, которые являются центрами конденсации. При этом давление в месте конденсации пара резко уменьшается, что приводит к сжатию пылевого облака и интенсификации процесса коагуляции частиц пыли при их случайном столкновении. В дальнейшем слипшиеся частицы пыли выпадают из пылевого облака на взорванный блок. Одновременно с этим процессом имеет место процесс нейтрализации ядовитых газов, образовавшихся при взрыве.

При размещении торца оболочки с водой длиной 5,5 м (примерно 40-45 л воды) на заряде ВВ на высоте 6 м от основания скважины и полной высоте заряда 12 м увеличивается эффективность пылеподавления и достигается экономия ВВ на величину в пределах 2-4%. При взрыве сформированного таким путем заряда ВВ образуется большее количество парогаза, который реализует запирание продуктов детонации в скважине. Во-вторых, парогаз расширяется над взорванным породным массивом, переходит из газообразного в жидкое состояние и интенсивно смачивает частицы пыли. Одновременно с процессом конденсации реализуется процесс вакуумирования внутри пылевого облака, что приводит к его сжатию внешним атмосферным давлением. Так, например, при конденсации 40-45 литров воды в облаке освобождается от парогаза объем порядка 60-70 м³, что по существу и приводит к уменьшению объема пылевого облака под действием атмосферного давления.

В дальнейшем смоченные водой частицы пыли под действием силы гравитации осаждаются над местом массового взрыва. Коагуляция пыли усиливает процесс ее осаждения. В данной конструкции заряда достигается также уменьшение удельного расхода ВВ в пределах до 8% за счет повышения КПД взрыва при частичном замещении ВВ водой.

Источники информации
1. Борьба с пылью и ядовитыми газами при буровзрывных работах на карьерах. Михайлов В.А., Бересневич П.В., Лобода А.И., Родионов Н.Ф. М.: Недра, 1971. - с.81.

2. Бересневич П. В. , Михайлов В.А., Филатов С.С. Аэрология карьеров: Справочник. - М.: Недра, 1990. - с.81.

Использование: горная промышленность при пылеподавлении при массовых взрывах в горных породах любой категории прочности и степени обводненности. Сущность изобретения: заряжают отбойные скважины на карьерах взрывчатыми веществами (ВВ) с одновременным размещением в каждой скважине в верхней части заряда герметичной оболочки с водой диаметром 0,2-0,4 от диаметра заряда. Предложено также размещение нижнего торца оболочки в средней части скважинного заряда. При взрыве скважинного заряда вода в оболочке подвергается сильному сжатию и переходит в газообразное состояние. В этом состоянии парогаз осуществляет запирание продуктов детонации в скважине и совершает работу разрушения породного массива. Далее, после вылета из скважины, парогаз расширяется, его температура падает, следствием чего является конденсация паров воды преимущественно на частицах пыли. Одновременно с этим процессом реализуется механизм падения давления внутри пылевого облака, что ведет к его сжатию внешним атмосферным давлением, интенсификации процесса коагуляции пыли и осаждению над местом массового взрыва. Изобретение обеспечивает повышение эффективности пылеподавления и увеличение КПД энергии ВВ при массовых взрывах. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ пылеподавления при массовых взрывах отбойных скважин на карьерах, включающий заполнение каждой скважины зарядом взрывчатого вещества (ВВ) и размещение в ней герметичной оболочки, заполненной водой, отличающийся тем, что герметичную оболочку с водой размещают внутри заряда ВВ, а диаметр оболочки составляет 0,2 - 0,4 от диаметра скважинного заряда. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметичная оболочка размещена в верхней части скважинного заряда. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нижний торец герметичной оболочки размещают в средней части скважинного заряда.