СПОСОБ ВЕДЕНИЯ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ Российский патент 2005 года по МПК F42D1/08 F42D3/04 

Изобретение относится к способу ведения взрывных работ скважинными зарядами и может быть использовано в горнодобывающей промышленности при отбойке горных пород.

Одним из основных направлений в области разрушения горных пород является разработка новых конструкций скважинных зарядов взрывчатых веществ, обеспечивающих повышение кпд взрыва. За счет изменения внутренней газодинамики расширяющихся продуктов взрыва можно изменять импульс воздействия продуктов взрыва и его длительность на стенки скважины и тем самым регулировать интенсивность дробления горной породы.

Одним из таких направлений является формирование зарядов с осевыми и радиальными воздушными или водными промежутками (1-4). В известных способах формирования скважинного заряда водные промежутки располагаются в верхней части заряда под забойкой из инертного материала (5) или в нижней части заряда (6). При одновременном инициировании частей заряда разной высоты заряд взрывается по частям каскадом, что позволяет многократно нагружать горный массив энергией взрыва, но при этом взаимодействуют продукты детонации, отличающиеся по массе, скорости, запасу энергии, что снижает коэффициент полезного действия взрыва.

Наиболее близким из известных технических решений является способ ведения буровзрывных работ, включающий формирования скважинного заряда путем размещения в скважине взрывчатого вещества в виде отдельных участков, разделенных инертными промежутками, установку одного или нескольких боевиков и средств инициирования, забойку верхней части скважины инертным материалом и инициирование, при этом в качестве инертных промежутков взяты воздушные промежутки и промежутки из материала забойки скважины; после инициирования детонирующего шнура происходит детонация участков заряда взрывчатого вещества с замедлением по времени (7), принятый авторами за прототип. Недостатком способа-прототипа является ограниченность использования способа, так как формирование зарядов с воздушными промежутками возможно только в сухих скважинах; недостаточный коэффициент. полезного действия взрыва из-за разновременности завершения детонации отдельных участков заряда.

Технической задачей изобретения является повышение технико-экономической эффективности ведения взрывных работ за счет управления процессом воздействия продуктов взрыва на участках скважинного заряда с инертными промежутками на разрушаемый горный массив, повышения кпд взрыва и снижения загрязнения окружающей среды, расширение области использования скважинных зарядов с инертными промежутками.

Техническая задача была решена разработкой способа ведения буровзрывных работ, включающего формирование скважинного заряда из отдельных участков взрывчатого вещества, разделенных инертными промежутками, установку в каждом из участков заряда взрывчатого вещества одного или нескольких боевиков, средств инициирования, забойку из инертного материала и инициирование, в котором инициируют боевики таким образом, что детонация взрывчатого вещества на всех участках заряда завершается одновременно, а инертные промежутки выполнены из жидкости с плотностью 800-1400 кг/м³, задаваясь высотой активного участка заряда взрывчатого вещества (Н_вв), расположенного между границей раздела взрывчатое вещество - жидкостной промежуток и центром установки ближайшего боевика, высоты жидкостных промежутков (Н_ж), находящихся между участками взрывчатого вещества, рассчитывают по формуле:

а высоты жидкостных промежутков, находящихся у дна скважины и под забойкой, рассчитывают по формуле:

где:

- k_г - коэффициент, учитывающий влияние свойств горных пород на эффективность взрывного разрушения;

- Н_вв1, Н_вв2 - высоты активных участков заряда взрывчатого вещества, примыкающих к жидкостному промежутку, м;

- Н_вв - высота активного участка заряда взрывчатого вещества, примыкающего к жидкостному промежутку у дна скважины или забойки, м;

- ρ_вв1, ρ_вв2, ρ_вв - плотности взрывчатых веществ активных участков заряда, примыкающих к жидкостному промежутку, кг/м³;

- ρ_ж - плотность жидкостного промежутка, кг/м³;

- D_вв1, D_вв2, D_вв, D_ж - скорости детонации взрывчатых веществ активных участков заряда и скорость звука в жидкости, м/с.

Жидкостные промежутки могут быть выполнены из различных жидкостей разной плотности - воды, или водного или водно-гликолевого растворов неорганического окислителя, и/или карбамида, и/или пламегасящих солей, или водно-масляной эмульсии первого или второго родов. Водные или водно-гликолевые растворы могут быть загущены натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы или карбоксиметил-крахмала, или полиакриламидом, или гуаргамом, или жидким стеклом. Регулирование плотности жидкостных промежутков, состоящих из загущенных водных или водно-гликолевых растворов неорганических окислителей или водно-масляных эмульсий, может осуществляться вводом в них газифицирующих добавок, например нитрита натрия, или микросфер, или вспученного перлитового песка. Водно-масляная эмульсия изготавливается на основе воды, жидкого нефтепродукта, неорганического окислителя и эмульгатора. В качестве неорганического окислителя используется аммиачная селитра или смесь аммиачной селитры с натриевой, или калиевой, или кальциевой селитрами.

Численное значение коэффициента k_г изменяется в зависимости от свойств горных пород в интервале от 0,07 до 0,25 и устанавливается по результатам опытных взрывов.

Схемы скважинных зарядов с жидкостными промежутками приведена фиг.1, 2, 3.

Фиг.1 - скважинный заряд с двумя жидкостными промежутками: один - между участками заряда взрывчатого вещества, второй - под забойкой.

Фиг.2 - скважинный заряд в герметичном полимерном рукаве с двумя жидкостными промежутками: один - между участками заряда взрывчатого вещества, второй - у дна скважины.

Фиг.3 - скважинный заряд взрывчатого вещества с двумя жидкостными промежутками, расположенными между участками заряда взрывчатого вещества разного компонентного состава.

Обозначения: 1 - жидкостной промежуток; 2 - участок заряда взрывчатого вещества; 3 - активный участок заряда взрывчатого вещества; 4 - боевик; 5 - забойка; 6 - скважина, 7 - граница раздела взрывчатое вещество - жидкостной промежуток, 8 - центр установки боевика, 9 - полимерный рукав.

Н_1ж, Н_2ж - высоты жидкостных промежутков, м;

Н_вв1, Н_вв2 - высоты активных участков заряда взрывчатого вещества, м.

Стрелками показано направление распространения ударных волн продуктов детонации активных участков заряда взрывчатого вещества, воздействующих на жидкостной промежуток, после срабатывания боевика.

Инициирование осуществляется таким образом, что детонация всех участков заряда взрывчатого вещества завершается одновременно.

Высоты жидкостных промежутков рассчитываются по следующей схеме: в соответствии с проектом взрыва выбирается тип промышленного взрывчатого вещества (скорость детонации, плотность заряда), задаются высоты активных участков заряда, место расположения жидкостных промежутков, количество и места установки боевиков, экспериментально опытными взрывами определяется коэффициент k_г. Зная скорость детонации и плотность взрывчатого вещества активного участка заряда, плотность жидкости жидкостного промежутка, скорость звука в жидкости, месторасположение жидкостных промежутков (у забойки, у дна скважины, между участками заряда взрывчатого вещества), коэффициент k_г, задаваясь высотами активных участков заряда взрывчатого вещества, по предлагаемым формулам рассчитываются высоты каждого жидкостного промежутка.

Скважинный заряд формируют в процессе раздельного заряжания скважин. Жидкостные промежутки выполняются различными способами, например в герметичных (полимерных) оболочках соответствующего диаметра, которые опускают в скважину в необходимой последовательности в процессе заряжания скважин. Формирование скважинного заряда с жидкостными промежутками может осуществляться как непосредственно в скважинах, так и в герметичных полимерных рукавах, опускаемых в скважины. Возбуждение детонации заряда осуществляют боевиками от электродетонаторов, или неэлектрических детонаторов, или детонирующим шнуром, или другими средствами инициирования.

При разрушении горной породы взрывом заряда с жидкостными промежутками основными носителями энергии, действующими на стенки скважины, являются ударная волна, создаваемая продуктами взрыва, и гидропоток. При одновременном завершении детонации всех участков заряда ударные волны от продуктов взрыва одновременно начинают действовать в осевом направлении заряда на плоскости раздела взрывчатое вещество - жидкость и в радиальном направлении - на стенки скважины. При отражении ударных волн от границ раздела жидкости, забойки, дна скважины, плоскостей встречи ударных волн, стенок скважины образуются волны сжатия от каждой из плоскостей, за которыми следуют, волны разрежения, области кавитации у каждой из названных плоскостей. На стыке взаимодействия волн разрежения в осевом и радиальном направлениях образуются дополнительные области кавитации, которые ограничивают перемещение жидкости в осевом направлении. Волны разрежения от боковых стенок скважины ослабляют падающую ударную волну вдоль оси скважины. Наличие боковых областей кавитации приводит к образованию интенсивных волн разрежения, также ослабляющих ударную волну, возникающую после закрытия области кавитации у дна скважины.

Гидропоток от жидкостного промежутка создается за счет ударной волны продуктов детонации только того участка заряда взрывчатого вещества, который расположен между границей раздела взрывчатого вещества с жидкостным промежутком и ближайшим к нему центром боевика, называемым активным участком заряда взрывчатого вещества. Если на участке взрывчатого вещества установлено несколько боевиков, то ударные волны продуктов детонации от срабатывания боевиков, расположенных внутри участка заряда взрывчатого вещества, взаимодействуют между собой, не оказывая влияния на гидропоток жидкостного промежутка. За счет встречно-направленных ударных волн под действием давления продуктов детонации активного участка заряда взрывчатого вещества происходит мгновенное сжатие жидкостного промежутка с одновременным повышением плотности и температуры жидкости. В результате этого жидкость переходит в парогазообразное состояние (парогаз) и, расширяясь, действует своим парциальным давлением на прилегающие к ней стенки скважины. При этом в местах действия гидропотока (парогаза) образуются дополнительные волны сжатия и разрежения от боковых стенок скважины, что приводит к снижению давления продуктов взрыва, уменьшению разгона жидкости в осевом направлении, увеличению доли энергии взрыва, идущую на полезную работу разрушения породного массива, усилению запирающего эффекта на пути вылета продуктов детонации взрывчатого вещества и пылеобразной раздробленной горной породы из скважины.

Парогаз, действуя на боковые стенки скважины своим высоким парциальным давлением, проникает в трещины породного массива и за счет эффекта расклинивания обеспечивает более интенсивное дробление горной породы.

За счет энергии ударных волн, разрежения и сжатия, областей кавитации осуществляется многократное воздействие продуктов взрыва на разрушаемый массив горных пород, увеличивается время их активного воздействия до разгерметизации скважины, что увеличивает эффективность дробления горных пород. В плоскости столкновения гидроударных волн с преградой возникает эффект внезапной остановки потока жидкости в течение короткого промежутка времени, протекающего в условиях ограниченных твердыми (жесткими) стенками скважины, что приводит к возникновению гидравлического удара, сопровождающегося резким повышением давления в жидкости и ее ударным воздействием на массив горной породы, окружающей стенки скважины. Расчеты показывают, что давление гидравлического удара жидкости, передаваемого горной породе, прямо пропорционально плотности невозмущенной жидкости и квадрату скорости распространения в ней звука. Активное регулирование давления и кинетической энергии гидравлического удара осуществляется за счет использования жидкости в промежутках между зарядами взрывчатого вещества с различной плотностью и скоростью разрастания в ней звука.

Примеры осуществления предлагаемого изобретения (на основе фиг.1, 2, 3).

В зависимости от горно-геологических условий и требований к взорванной породе выбираются типы взрывчатых веществ, глубина скважин, проектируется комбинированный заряд из взрывчатого вещества и жидкостных промежутков с установкой боевиков, при инициировании которых детонация всех участков взрывчатого вещества завершается одновременно, задаваясь высотой одного из активных участков заряда, рассчитываются высоты всех жидкостных промежутков.

Фиг.1 - скважинный заряд выполнен с двумя жидкостными промежутками:

один (Н_1ж) - между участками взрывчатого вещества одного и того же состава (плотности и скорости детонации взрывчатых веществ активных участков заряда равны); второй (Н_2ж) - под забойкой; в каждом участке заряда установлено по одному боевику (высоты активных участков заряда равны, т.к. они выполнены из одного и того же состава). Взрывчатое вещество - гранулотол ГОСТ 25857-83 со скоростью детонации D_вв1=6000 м/c и плотностью ρ_вв1=950 кг/м³, высотой активного участка Н_вв1=2 м; жидкостные промежутки - загущенный раствора аммиачной селитры, разуплотненный микросферами, плотностью ρ_ж=1200 кг/м, скоростью звука D_ж=1500 м/с; коэффициент k_г=0,15.

Согласно предлагаемому изобретению высота жидкостного промежутка (Н_1ж), расположенного между участками заряда взрывчатого вещества, рассчитывается по формуле 1: Н_ж=k_г[Н_вв1(ρ_вв1D_вв1)/(ρ_жD_ж)+H_вв2(ρ_вв2D_вв2)/(ρ_жD_ж)], где Н_вв2=Н_вв1, ρ_вв2=ρ_вв1, D_BB2=D_вв1; Н_1ж=0,15*[2*(950*6000/1200*1500)+2*(950*6000/1200*1500)]=1,9 м, а высота жидкостного промежутка Н_2ж, расположенного под забойкой, рассчитывается по формуле 2: Н_ж=k_г[H_вв(ρ_ввD_вв)/(ρ_жD_ж)], где Н_вв=Н_вв1, ρ_вв=ρ_вв1, D_вв=D_вв1; Н_2ж=0,15*[2*(950*6000/1200*1500)]=0,95 м.

Фиг.2 - скважинный заряд выполнен с двумя жидкостными промежутками:

один (Н_2ж) - между участками заряда взрывчатого вещества одного и того же состава (плотности и скорости детонации взрывчатых веществ активных участков заряда равны); второй (Н_1ж) - у дна скважины; в каждом участке установлено по одному боевику (высоты активных участков заряда равны, т.к. они выполнены из одного и того же состава). Скважинный заряд размещен в герметичном полимерном рукаве для предотвращения растекания по боковым трещинам скважины. Взрывчатое вещество - сибирит 2500 РЗ со скоростью детонации D_вв1=5500 м/с, плотностью ρ_вв1=1250 кг/см³, высота активного участка Н_вв1=3 м; жидкостные промежутки - водно-масляная эмульсия плотностью ρ_ж=1350 кг/см³; D_ж=1500 м/с, коэффициент k_г=0,10.

Согласно предлагаемому изобретению высота жидкостного промежутка H_1ж, расположенного между дном скважины и участком заряда взрывчатого вещества, рассчитывается по формуле 2 (аналогично примеру 1);

Н_1ж=0,10*[3*(1250*5500/1350*1500)]=1,0 м,

а высота жидкостного промежутка Н_2ж, расположенного между участками заряда взрывчатого вещества, рассчитывается по формуле 1 (аналогично примеру 1):

Н_2ж=0,10*[3*(1250*5500/1350*1500)+3*(1250*5500/1350*1500)]=2,0 м,

Фиг.3 - скважинный заряд выполнен из трех участков заряда взрывчатого вещества с двумя жидкостными промежутками, расположенными между участками заряда взрывчатого вещества разного компонентного состава, отличающихся плотностью и скоростью детонации. В нижнем и среднем участках заряда, выполненных из гранулотола ГОСТ 25857-83 со скоростью детонации D_вв1=6000 м/с и плотностью ρ_вв1=950 кг/м³, принятой высотой активного участка Н_вв1=2 м установлено по одному боевику (высоты активных участков, примыкающих к нижнему жидкостному промежутку равны). Верхний участок заряда выполнен из граммонита 79/21 ГОСТ 21988-76 со скоростью детонации D_вв2=3000 м/с, плотностью ρ_вв2=900 м/с, высотой активного участка заряда Н_вв2=1 м (с целью обеспечения одинакового времени завершения детонации участков заряда взрывчатых веществ с разной скоростью детонации высоты активных участков заряда, примыкающих к верхнему жидкостному промежутку разные - они прямо пропорциональны скоростям детонации взрывчатых веществ). Жидкостные промежутки - водный раствор карбамида с плотностью ρ_ж=1150 кг/см³, D_ж=1500 м/с. Коэффициент k_г=0,15.

Согласно предлагаемому изобретению высота нижнего жидкостного промежутка Н_1ж, расположенного между участками заряда из гранулотола, рассчитывается по формуле 1: H_1ж=k_г[H_вв1(ρ_вв1D_вв1)/(ρ_жD_ж)+H_вв2(ρ_вв2D_вв2)/(ρ_жD_ж)], где Н_вв2=Н_вв1, ρ_вв2=ρ_вв1, D_вв2=D_вв1; Н_1ж=0,15*[2*(950*6000/1150*1500)+2*(950*6000/1150*1500)]=2,0 м, а высота верхнего жидкостного промежутка Н_2ж, расположенного между участками заряда из гранулотола и граммонита 79/21, рассчитывается по формуле 1:

Н_2ж=0,15*[2*(950*6000/1150*1500)+1*(900*3000/1150*1500)]=1,3 м.

При использовании в качестве жидкостных промежутков водных или водно-гликолевых растворов неорганических окислителей, карбамида, водно-масляных эмульсий окислитель, входящий в их состав, дополнительно участвует в процессе химического превращения взрывчатого вещества - кислород окислителя вступает во взаимодействие с горючим компонентом взрывчатого вещества участков заряда, а при использовании металлсодержащего взрывчатого вещества в химическом взаимодействии металла принимает участие вода жидкостного промежутка, которая выступает по отношению к металлу как окислитель.

Дополнительно за счет использования жидкостных промежутков реализуется эффект пылеподавления за счет смачивания пылевидных частиц взорванной породы конденсатом парогаза, их коагуляции и гравиметрического осаждения на более ранней стадии разлета взорванной горной породы. Пылевое облако с большим количеством мелких пылевидных частиц горной породы за счет их коагуляции выпадает над местом ведения взрывных работ и не загрязняет окружающую территорию.

Кроме того, вода нейтрализует токсичные газы, образующиеся при взрыве взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом. Оксиды азота и углерода взаимодействуют с водой с образованием жидкой фазы, которая также осаждается над местом взрыва, предотвращая распространение токсичных газов в виде выпадения кислотных дождей за границей опасной зоны при взрыве.

При использовании жидкостных промежутков из водных растворов пламегасящих солей, например поваренной соли, повышается безопасность ведения работ за счет ингибирования процесса воспламенения и горения продуктов взрыва.

За счет одновременности завершения детонации каждого из участков взрывчатого вещества происходит встречно направленное соударение и отражение ударных волн по оси скважины от плоскости забойки, дна скважины или жидкостных промежутков с максимально возможным для применяемого взрывчатого вещества запасом энергии. Первичные ударные волны продуктов детонации образуют вторичные ударные волны большей эффективности, чем у прототипа. Их энергия приводит к расширению взрывной полости по всей высоте колонки скважинного заряда одновременно, отсутствуют потери на перемещение нижней части забойки, выполненной из инертного материала забойки, что обеспечивает более эффективное дробление породы.

Техническим результатом изобретения и преимуществами предлагаемого способа ведения буровзрывных работ являются:

- повышение кпд взрыва за счет образующихся областей кавитации в осевом и радиальном направлениях, расклинивающего эффекта, создаваемого парогазом жидкостного промежутка, более позднего разрушения скважин за счет запирающего эффекта, создаваемого жидкостными промежутками, зонами кавитации;

- повышение равномерности дробления горной породы за счет снижения максимального давления и температуры продуктов взрыва, увеличения средневзешенного давления и времени действия продуктов взрыва на горный массив, расклинивающего эффекта, создаваемого парогазом жидкостного промежутка;

- повышение экологической чистоты ведения буровзрывных работ за счет нейтрализации токсичных газов продуктов взрыва, подавления образующейся пыли при разрушении горной породы, ограничения размеров пылегазового облака в пределах опасной зоны взрыва;

- расширение области использования - в сухих и обводненных скважинах, в том числе ведение взрывных работ по сульфидсодержащим породам и рудам при применении водных или водно-гликолевых растворов карбамида в качестве жидкостных промежутков, ведение взрывных работ, опасных по пыли и газу при применении водных или водно-гликолевых растворов солей-пламегасителей в качестве жидкостных промежутков.

Предлагаемый способ ведения буровзрывных работ был проверен на скважинах различных диаметров и в породах различной крепости и различного химического состава.

Схема расположения зарядов с жидкостными промежутками зависит от условий взрывания и требований к качеству взорванной массы.

Ведение буровзрывных работ по предлагаемому способу позволило повысить равномерность и интенсивность дробления горной породы за счет повышения выхода кондиционных и снижения негабаритных фракций на 10-15%, увеличить выход горной массы с 1 п.м скважины на 3-5%, улучшить проработку подошвы уступа, что позволило повысить производительность погрузочно-транспортного и дробильно-сортировочного оборудования; улучшить экологическую обстановку в районе проведения массовых взрывов, сократив время рассеивания в атмосфере пылегазового облака.

Источники информации

1. Скважинные заряды с воздушными промежутками, из-во «Наука», Сибирское отделение, Новосибирск, 1774.

2. Патент России №2168700.

3. АС СССР №1153654.

4. АС СССР №1170839.

5. Патент России №2059965.

6. И.Н.Ковтун, В.Д.Воробьев, А.А.Дауетас, Б.Г.Дуганов «Влияние водных промежутков в скважинных зарядах с применением игданита на качество дробления известняка", сб. «Взрывное дело» №81/38.

7. Патент России №2112207.

Изобретение относится к способу ведения буровзрывных работ и может быть использовано в горнодобывающей промышленности при отбойке горных пород. Сущность изобретения: способ ведения буровзрывных работ путем формирования скважинного заряда из отдельных участков взрывчатого вещества, в каждом из которых установлено по одному или несколько боевиков, участки взрывчатых веществ разделены жидкостными промежутками с плотностью жидкости 800-1400 кг/м³, боевики инициируют таким образом, что детонация взрывчатого вещества на всех участках заряда завершается одновременно, задаваясь высотой активного участка заряда взрывчатого вещества, расположенного между границей раздела взрывчатое вещество - жидкостной промежуток и центром установки ближайшего боевика, рассчитывают высоты жидкостных промежутков по формулам, приведенным в описании. Предлагаемый способ позволяет повысить равномерность и интенсивность дробления горной породы за счет повышения выхода кондиционных и снижения негабаритных фракций, увеличить выход горной массы с 1 п.м скважины, улучшить проработку подошвы уступа, что позволило повысить производительность погрузочно-транспортного и дробильно-сортировочного оборудования; улучшить экологическую обстановку в районе проведения массовых взрывов, сократив время рассеивания в атмосфере пылегазового облака. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ведения буровзрывных работ, включающий формирование скважинного заряда путем размещения в скважине взрывчатого вещества в виде отдельных участков, разделенных инертными промежутками, установку в каждом из участков заряда взрывчатого вещества одного или нескольких боевиков, средств инициирования, забойку верхней части скважины инертным материалом и инициирование, отличающийся тем, что инициируют боевики таким образом, что детонация взрывчатого вещества на всех участках заряда завершается одновременно, при этом инертные промежутки выполнены из жидкости с плотностью 800-1400 кг/м³, задаваясь высотой активного участка заряда взрывчатого вещества, расположенного между границей раздела взрывчатое вещество - жидкостной промежуток и центром установки ближайшего боевика, высоты жидкостных промежутков (Н_ж), расположенных между участками заряда взрывчатого вещества, рассчитываются по формуле

а высоты жидкостных промежутков, расположенных у дна скважины и под забойкой - по формуле

где Н_вв1, Н_вв2, Н_вв - высоты активных участков заряда взрывчатого вещества, м;

k_г - коэффициент, учитывающий влияние свойств горных пород на эффективность их взрывного разрушения;

ρ_вв1, ρ_вв2, ρ_вв - плотности взрывчатых веществ активных участков заряда, кг/м³;

ρ_ж - плотность жидкостного промежутка, кг/м;

D_вв1, D_вв2, D_вв, D_ж - скорости детонации взрывчатых веществ активных участков заряда и скорость звука в жидкости, м/с.